Upload
phungtuyen
View
236
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
437
SICAK HADDELEME TESİSLERİNDE
PROSES OTOMASYONU UYGULAMALARI
Kemal ERKUT
1. GİRİŞ
Çelik endüstrisinde bir çok üretici, halen sahip oldukları ve
gelecekte hedefledikleri müşteri pazarlarını ellerinde
tutabilmek için tesislerinde sürekli yeni yatırımlar
yapmaktadırlar. Sektörde mekanik, elektrik ve otomasyon
sistemlerindeki gelişmeler yakından takip edilmektedir. Çelik yatırımcısı, söz konusu yatırımları yaparken aşağıda
sayılan kriterler hedeflemektedir.
Üretim yelpazesini genişletmek ve yeni çelik türleri
oluşturmak (product range)
Üretilen ürün kalitesini artırmak (product quality)
Tesisin verimliliğini artırmak (plant productivity)
Tesisin kullanılabilirliğini artırmak (plant availability)
Ürün verimliliği ve işletme karlılığını artırmak (yield)
Tesisin toplam çalışma verimliliğini iyileştirmek
(overall efficiency)
Ürün maliyetini düşürmek (cost)
Günümüzde globallesşen dünyada rekabet öne çıkarken,
ürün kalitesi ve ürün fiyatı pazarı belirleyen en önemli öğe olmuştur.
Bu makalede, yassı çelik üretiminin en önemli ayağı olan
Sıcak Haddeleme’de Şerit Hadde prosesi uygulamalarından
bir kesit mercek altına alınmıştır. Bu kesit malzemenin
şekilsel kalitesidir. Sıcak Haddeleme tesislerinde arzulanan
ürün kalitesi ve üretim hızı, otomasyon sistemlerinin daha
komplike ve karmaşık olmasını beraberinde getirirken,
güvenilir ve hızlı prosesörlere ihtiyaç duyulmuştur. Yazımızda ürünün boyutsal kalitesini iyileştiren yeni proses
uygulamaları ele alınmıştır.
2. SICAK HADDELEMEDE YENİ PROSESLER
Sıcak Haddeleme tesislerinin en önemli ayağı olan Şerit
Hadde’de (Finishing Mill) malzeme şekilsel ve metalürjik
yönden prosese tabi tutulur. Şekilsel ezme ve uzamanın
yanında, metalürjik yapı değişimi ve sıcaklık kontrolü de
yapılmaktadır. Boyutsal ürün kalite öğeleri; kalınlık
(thickness), profil düzgünlüğü (crown), şekil düzgünlüğü
(flatness), kenar düzgünlüğü (edge drop), ... vs. dir.
Yeni modern teknolojilerin kullanılması ile daha ince
kalınlıklarda (thin gauges) sıcak haddeleme imkanları
yaratılırken; malzeme boyunca kalınlık, şekil ve yüzey
düzgünlüğü, profil düzgünlüğü, malzeme boyunca üniform
sarılma sıcaklığı ve arzulanan toleranslar içerisinde ve metaürjik kalitesinde ürün üretilmesi hedeflenmiştir.
Şekil 1. Sıcak Haddehane FM’den Görünüm.
Kalınlık (thickness); FM standlerinde (6 veya 7 ayak)
yerleştirilen uzun hareket mesafeli hidrolik silindirler (long
stroke hydraulic cylinders) ile Otomatik Kalınlık Kontrolü
AGC (Automatic Gauge Control) yapılmaktadır.
Şekil düzgünlüğü (flatness) ve dalgalılık; FM çıkış
standlerinde - özellikle son 3 ayak – yerleştirilen iş
merdanesi bükme silindirleri ile pozitif ve negatif eğme
kontrolü WRB (Work Roll Bending) yapılmaktadır.
Malzemede oluşan göbek dalgalanması (center buckle - full
center), kenar buklesi (quarter buckle), kenar dalgalanması
(edge wave) durumlarına göre pozitif veya negatif eğme kuvveti uygulanmaktadır.
Profil düzgünlüğü (crown & profile); FM standlerine
konulan WRB iş merdanesi bükme silindirleri ve WRS iş
merdanesi kaydırma silindirleri ile profil düzgünlüğü
sağlanır.
438
Bütün bu bahsedilen AGC, WRB, WRS, AFC, ASC gibi
proses kontrol sistemleri matematiksel modeller ile
desteklenmektedir. Makalemizin ilerleyen bölümlerinde
kontrol sistemlerinin temel yapıları ve modellerin
fonksiyonları ana hatları ile anlatılmaktadır.
Şekil 2. Sıcak Haddeleme Proses Otomasyonları.
FM’de metalürjik kalite artırıcı proses uygulamaları;
haddeleme esnasında ezme yükünün standlere uygun olarak
dağıtımı, FM malzeme ikmal sıcaklığı kontrolü (interstand
cooling control) ve duşlu masalarda laminar – düzenli
dağıtılmış – su soğutma sistemi ile bobin sarma sarılma
sıcaklık kontrolü (coiling temperature control) diğer ana
proses otomasyonu uygulamalarıdır.
3. OTOMATİK KALINLIK KONTROLÜ
Yeni modern haddeleme sistemlerinde konvensiyonel
elektro-mekanik vidalamalar yerine, sistem cevabı
(response) hızlı ve uzun hareket stroklu hidrolik silindirler
yer almaktadır. Sistemde kullanılan mikron mertebesinde
ölçme hassasiyetine sahip pozisyon transducerları ve
yüksek duyarlılıklı basınç transducerları ile kapalı döngü kalınlık kontrolü AGC (Automatic Gauge Control)
yapılmaktadır. AGC sisteminde ezme kuvveti ring tipi
yüksek kapasiteli yük hücreleri (load cell) ile
ölçülmektedir. Sözü edilen bu hidrolik AGC sisteminin
dayanağı, hidrolik silindirlerin cevap verme zamanının
(quick response time) 20-40 msec. aralığında olması ve
kontrol sisteminin mükemmel kararlılıkta ve hızlı
olmasıdır.
AGC sistemi temel olarak iki ana öğeye ayrılmaktadır. Bunlar Gaugemeter-BİSRA AGC ve Monitor AGC dir.
Ancak bu kapalı döngü regülasyon looplarını destekleyen
ve alt öğe olarak çalışan kompenzasyon döngüleri vardır.
Bunlar; destek merdaneleri eksentriklik düzeltmesi (BUR
eccentricity compensation), merdane yatak yağlama
yüksekliği düzeltmesi (oil film compensation), iş merdanesi
ısıl genleşme düzeltmesi (WR heating compensation), iş
merdanesi eğme sistemi düzeltmesi (WR bending
compensation) ve malzeme akışı-gergi kaybı düzeltmesi
(tension loss compensation). Gaugemeter AGC’nin bir alt kolu olan Absolute AGC,
haddeleme standlerinin çıkışında elde edilen malzeme
kalınlığını, haddenin önceden belirlenmiş ezme
değerlerinde elde edilmiş sıçrama değerlerini (mill
modules) kullanarak kontrol sistemi tarafından hesaplanmış
hadde açıklığı (gap) ve ezme yüküne (rolling force) göre
kapalı çevrim regülasyon yaparak kontrol eder. Absolute
AGC’nin ana geri besleme elemanı yük hücreleri (load
cells) ve alternatif olarak silindir üzerinde bulunan basınç
ölçerler (pressure transducers)dir.
Monitor AGC, arzu edilen şerit malzemesi çıkış kalınlığına göre düzeltme yapılarak hidrolik silindirler ile hadde
açıklığı (gap) ayarlanmaktadır. Monitör AGC’nin geri
besleme elemanı son stand arkasına konulan sabit X-ray
kalınlık ölçme cihazıdır.
Gaugemeter AGC’nin çalışma prensibi ise; malzeme
başının son standden çıktığı kalınlık referans alınır ve
geride kalan tüm malzeme kalınlığı bu kalınlığa getirilmek
üzere regülasyon yapılır. Gaugemeter AGC’nin absolude
mode geçirilmesi ile çıkış kalınlığı bilgisayarın set ettiği
değere gelecek şekilde regülasyon yapılır.
Şekil 3. Otomatik Kalınlık Kontrolü (AGC) Genel Yapısı
İlk bakışta çok karmaşık ve zor bir kapalı kontrolü gibi
görülen BİSRA Gaugemeter dinamik kontrolü, günümüz
modern şerit haddelerinde hidrolik ekipmanları ve
aktuatörleri ile mükemmel olarak çalıştırılmaktadır.
Şekil 4. Gaugemeter AGC Kontrol Döngüsü
GAP POSITION
REGULATORSTRIP & MILL
+
GAGEMETER (BISRA)
AGC GAINdS/dF -
Force
Reference
BUR Eccentricity Compensation
X-Ray Monitor Regulation
Back-up Roll Speed
Strip Speed
X-RAY Gauge
Target
Thickness
X-Ray Deviation
+
Position
Reference
Finish
Adaptive
ThreadUpstream
Stand
Thread
ErrorOff-set to
Force
Reference
Load Cell
Zeroing
Gap Position Sensors
Work Roll Heating Compensation
Oil Film Compensation
Work Roll Bending Compensation
Tension Loss Compensation
Bending Force
Metal in Stand
BUR Speed
Metal in Stand Calculated Thickness
Load Distribution Control
Feed-Forward Control
Entry Stand
Hardness
Pattern
Feedforward
OffsetLoad
Distribution
Offset
Mass Flow
Compensation
Calculated Entry
Thickness from
Upstream Stand
Mass Flow Correction to
Upstream Main Drive Speed
Calculated
Exit
Thickness
Automatic Gauge Control Overview
K. ERKUT
439
AGC’nin ana prensiplerinden biri haddelenen şerit
malzemesinde oluşacak kalınlık sapmalarını ortadan
kaldırmaktır. Stand yapısının deformasyonu ve merdane
yatak tepkimeleri hesaba alınarak yapılan her bir standın
kalibrasyonundan sonra gaugemeter AGC döngüsü,
haddeleme yükü (rolling force) ve giriş/çıkış kalınlığı
bilgilerini kullanarak boşta oluşacak merdane açıklığı
(the loaded roll gape) hesaplanır.
Giriş kalınlık bilgisi, bir önceki standın gaugemeter
döngüsünün hesaplamış olduğu kalınlık bilgisidir. 6 yada 7 ayaklı şerit hadde sisteminde şerit malzemesinin
kalınlık sapma bozukluğunun ileriki standlere doğru
düzeltilmesi işlemine feed-forward AGC denilir. Mutlak
çıkış kalınlığını tuturabilmek ise, son çıkış standının
arkasına yerleştirilen kalınlık ölçme sisteminin sağladığı
geri besleme bilgisi kullanılarak Monitor AGC döngüleri
ile gerçekleştirilir.
Şekil 5. AGC’de Mill Modules ve Plastik Modules Eğrileri
Merdane açıklığı (roll gap) değişimi ile Mill Modulus (KM)
ve Plastik Modulus (M) arasındaki ilişki aşağıdaki
şekildedir.
h1 = (KM / KM –M )xs
Çıkış kalınlık sapması ile haddeleme yükü değişimi
arasındaki ilişki ise ;
PR = h1 x M = {KM x M / (KM+M) } x s Burada:
KM = Mill Modulus - (ton / mm)
M = Plastik Modulus - (ton / mm)
h1= Çıkış kalınlık sapması (Delivery gauge deviation) mm
ho= Giriş kalınlık sapması (Entry gauge deviation) - mm
PR=Haddeleme yükü değişimi (Rolling load variation)-ton
S= Merdane açıklık sapması (Roll position deviation)-mm
HCC hidrolik silindir kontrol regülatörü, FSU tarafından
gönderilen set-up değerlerini referans alarak boşta merdane
açıklığını S (roll gap position) hesaplar ve uygular. Bu
değer içerisinde hadde sıçraması, stand housing
deformasyonu, merdane yatak etkileri ve haddelenecek
malzemenin plastik deformasyon etkileri göz önüne
alınmıştır. Sonuçta her bir stand için malzeme çıkış
kalınlığı; h1 = S + PR / KM
olarak ifade bulur. Burada KM mill modulusun kendisi olup
Fooks kanunları ile hesaplanan fk x X sıçrama modulusunun benzeridir. Bundan dolayıda KM mill
modulus hadde sıçraması (mill stretch) olarak adlandırılır.
Haddelenen malzemeye uygulanan ezme miktarı ise;
ho – h1 = PR / M , (M = tan olarak ifade edilir. M plastik modulus olup ezme miktarı ile
doğru orantılıdır. Başlangıç merdane açıklığı;
S = h1 – (M / KM ) x (ho – h1)
şeklinde olacaktır.
Malzeme haddelenirken ölçülen ezme kuvveti değişimleri
PR = PR0 +/- PR , başlangıçta set edilen merdane açıklık set
değerinde S = S0 +/- S olarak +/- C x PR / KM ile orantılı değişimler (BISRA AGC output) oluşturacaktır.
Hidrolik silindir ve hidrolik akış hareketini sağlayan servo sistem ve sevo valf bu deplasman değişimini çok hızlı bir
şekilde karşılamaktadır.
AGC’nin kararlılığı ve doğruluğu, hadde yapısının
davranışlarının çok iyi bir şekilde modellenmesine ve ilgili
gaugemeter kompenzasyon parametrelerine bağlıdır. Ayrıca
absolute AGC’nin çalışma modunda tutulması ile kararlılık
artırılırken, kontrol sisteminin çevrim davranışının hızı
artırılır. Malzeme her bir stande girdikçe mutlak çalışma
modu (absolute) aktif olur. FM set-up modelinin (FSU)
öngörmüş olduğu ezme değerlerine ve her bir standın
sıçrama değerlerine göre önceden hesaplanan haddeleme yükleri ve hadde açıklıkları, haddeleme anında ölçülen
ezme yükleri ile sonuç kalınlık bilgisi karşılaştırılarak
anında hesaplanan düzeltme bilgileri kontrol sistemine
uygulanmak üzere gönderilir. Sonuçta hedeflenen şerit çıkış
kalınlığı malzeme boyunca üniform olarak yakalanır.
Absolute AGC’nin kararlılığının artırılmasında ikinci adım,
mill deflection modelinin adaptif geri besleme yöntemi ile
bobinden bobine öğrenerek iyileştirilmesi ile mümkündür.
Kalınlık kontrolünün kilitlenmesi (lock-on thickness
control) metodu ile, malzemenin tümü şerit heddede
440
işlenirken X-ray kalınlık ölçme cihazında malzeme
boyunca ölçülen kalınlık sapma değerleri bir sonraki
malzeme için adaptif hata bilgisi olarak kullanılır.
4. ŞERİT HADDE HADDELEME MODELLERİ
Sıcak Haddeleme proses otomasyonun en önemli ve
kuvvetli yanı, haddeleme modelleri ile hesaplanmış
referans değerlerini (set-up) istenilen ürün toleranslarını
sağlayacak doğrulukta ve kararlılıkta zamanında alt seviye
kontrol sistemine ulaştırmasıdır. Hesaplamaların temeli matematiksel modellere dayanmaktadır. Bu hesaplamalar
haddeleme süresince sürekli olup otomatik olarak
yenilenmekte (up to dated) ve prosesin gerçek durumlarını
hesaplamalara katmaktadır.
Şekil 6. Şerit Haddede Otomatik Kontrol
Sıcak haddeleme prosesinde haddeleme modelleri
kullanarak temel olarak aşağıda sayılan işlevlerin
gerçekleştirilmesi arzulanır.
Haddeleme fonksiyonları için operatöre parametrik
bazda öncülük etmek.
Şerit malzemesinin ve bobin üretiminde dinamik kontrol
için değerlendirilmiş model tabanlı bilgi oluşturmak Geçmiş haddeleme deneyimlerini kullanarak en iyi ve
optimum haddeleme set-up bilgilerini oluşturmak.
Haddeleme esnasında öğrenerek (adaptive learning)
haddelenen malzeme üzerinde (in bar control) ve bir
sonraki malzeme için (bar to bar conrtol) iyileştirilmiş
parametreli kontrolü gerçekleştirmek.
Matematiksel ve elektriksel manada proses limitleri
içerisinde üretimin gerçekleştirilmesini sağlamak
(dynamic load distribution).
Sıcak şerit malzemesinin (1100 0C) FM standlerinden
güvenilir olarak geçirilmesini temin etmek, minimum looper geçici dalgalanması ve yumuşak malzeme gergisi
(mass flow) ile emniyetli geçişi sağlamak.
Hedeflenen kalınlık, bombe, şekil düzgünlüğü, profil,
genişlik, yüzey düzgünlüğü ve çıkış sıcaklığı değerlerine
ulaşmak.
Ana haddeleme modelleri ile beraberinde çalışan alt
modeller ve kontrol sistemleri ile iletişim ve
koordinasyonu sağlamak.
Şerit hadde prosesinin ana modeli FSU (Finishing mill Set-
up model) olup görevi şerit hadde bölgesinin set-up
değerlerini hesaplamaktadır. FSU hesaplamaları başarılı bir
haddeleme otomasyonunun en önemli katkı elemanıdır.
FSU’nın ana görevi şerit hadde ekipmanlarına set referansı
oluşturmaktır. Bu ekipmanlar; AGC, WRB, WRS, ana
tahrik sistemi sürücüleri, looperlar, yan yolluklar vs. dır.
FSU modeli esas olarak, malzeme profili ve şekil
düzgünlüğü (flatness) düzeltmesi hazırlayan SSU (Shape
Set-up Model) için alt dayanak oluşturmaktadır. Bombe
(crown) ve şekil düzgünlüğü (flatness) malzemeye verilen ezme işleminin bir sonucudur. Hadde elemanlarının
davranışı ve sıcak malzemenin değişime cevabı bombe ve
düzgünlüğü etkiler. SSU model yapısı 4 ana grupta toplanır.
1. Hadde elastik deformasyon modeli (Mill elastic
deformation models); mill stand housing yapısındaki
deformasyon, housing çapraz eksenlemeleri, iş ve
destek merdanelerinin yatak durumları, iş ve destek
merdaneleri etkileşimi, iş merdanesi eğme yüzdesi ve
kaydırma miktarı, malzeme baş ve kuyruk profili ve
düzgün kesimi modelin etki elemanlarıdır. 2. Merdane yüzey şekil modeli (Roll surface shape
models); iş ve destek merdaneleri profili, sistemde
çalışan merdane yüzey sıcaklığı, merdane termal
bombelenme değeri, merdane gömleği (roll wear) ve iş
merdanesi kayma pozisyonu etki elemanlarıdır.
3. Merdane açıklık modeli (Strip gap models); FM’de her
bir stand malzeme giriş-çıkış profili, ezme sonucu yük
etkileşimi, malzeme looper gergi etkileşimi, malzemenin
ikincil deformasyonu ve malzeme çıkış profili etki
ögeleridir.
4. Standler arası malzeme modeli (Strip interstand models);
malzeme şekilsel düzgünlüğü (flatness), standler arası gergi ve malzeme akışı ile looper davranışı, malzeme
sıcaklığı etki öğeleridir.
Yukarıda sayılan modellerin beraberce FM’in tüm
ekipmanları ile koordineli şekilde malzeme kalınlık, profil
ve şekil düzgünlüğünü istenilen toleranslar içerisinde
çalıştırılmasını SSU modeli yapmaktadır.
Şekil 7. Model Destekli Kalınlık ve Kütle Akış Kontrolü
Otomatik Kalınlık Kontrolü AGC, malzeme şekilsel boyut
kalitesini artırıcı en önemli kontrol sistemlerinden biridir.
Davranış hızı çok yüksek hidrolik silindirleri, milimetrik
441
harekete mikron mertebesinde duyarlılıkta ve hızlı cevap
verebilen servo-valfler ile pozisyon ve basınç
transducerleri, en önemlisi de güçlü-karalı ve hızlı
elektronik kontrol sistemleri gerektirir. Bu yapıdaki AGC
kontrol sisteminin tespit etmiş olduğu pozisyon hatası veya
yüke bağlı ezme hatası hızlı bir şekilde çözümlenmelidir.
Bu kontrol FSU modelinin dinamik bir parçasıdır. Kontrol
sistemi kapalı döngü olup sistem kararlılığı çok yüksektir.
AGC kontrol sistemi, kalınlık kontrolü ana görevi yanında
malzemenin hat ekseninde tutularak iki kenar farkı hatasını sıfırlayan ön-arka ayar (levelling), destek merdanesinden
kaynaklanan eksentriklik ve ovallik etki giderimi (BUR
eccentricity control), iş ve destek merdaneleri yataklarından
kaynaklanan ve merdane açıklığını hıza bağlı olarak
etkileyen yatak kompenzasyonu (oil film compensation),
önemli düzeltme fonksiyonlarıdır.
AGC kontrol sistemi ile ayrıca; malzemenin baş ve kuyruk
kısımlarındaki sıcaklık düşüklüklerinden ve kalınlık
farkından kaynaklanan set-up hatalarını, slab ısıtma
fırınlarında oluşan ve periyodik olarak FM standlerine giren skid mark’lardan kaynaklanan kalınlık hatalarının
giderilmesi gibi diğer düzeltme fonksiyonları
gerçekleştirilir.
Şekil 8. Sıcak Haddeleme FSU Hesaplanma Stratejisi
FSU modeli, malzeme slab fırınından çıkartıldığında toplanan PDI ve gerçek malzeme bilgileri ile set-up için
başlangıç hesaplamaları yapar. Buna kaba set-up hesaplama
denilir. İkinci set-up hesaplama ise malzeme son kaba
hadde (RM) standından çıkıp transfer bar haline
getirildiğinde elde edilen bilgiler ile yapılır. Transfer bar,
şerit haddeye (FM) geldiğinde son hesaplamalar yapılmış
olur. Bu hesaplamalar yaklaşık her 4 saniyede bir
periyodik olarak tekrarlanır. FM’de oluşacak herhangi bir
istenmeyen gecikme durumunda, kontrol sistemleri
regülatör limitleri içerisinde mümkün olan en yakın
alternatif set-up hesaplaması yapılır.
Standler arasındaki ezme yükü balansı ve ön standden bir
arka stande temin edilen sabit kütle akışı ile sonuç olarak
son stand çıkışında istenilen malzeme çıkış kalınlığına
erişim Malzeme Kütle Akış Kontrolü (mass flow control)
ile yapılır.
Şekil 9. Öğrenen Otomatik Haddeleme Programı Hesabı
Malzeme kuyruğu standı terk ettiğinde, iki stand arasındaki
gergi kaybolur ve kuyruk bir sonraki merdanede yanal
kayma yapar. Bu yanal malzeme kaymaları fark haddeleme
kuvveti (differantial force) ile tespit edilebilir. Kuyruk
dümen kontrolü (active tail steering control) ile o standin
hızlı hidrolik gap pozisyon silindirlerine müdahale edilerek
kuyruk kayması belirli limitler içerisinde tutulabilir.
5. ŞERİT MALZEMESİ PROFİL ve ŞEKİL
DÜZGÜNLÜĞÜ PROSES MODELLERİ
Şerit haddeleme prosesinde yeni yaklaşım, üretilen üründe
iyi bir malzeme profili temin edilmesidir. Bugün artık
istenilen çıkış kalınlığına erişilmesi, kalınlık toleranslarının
ve genişlik toleranslarının daraltılması yeterli
görülmemektedir. Malzeme sıcaklık kontrolü yanında
malzeme profili (profile), şekil düzgünlüğü (flatness), kenar
ve göbek dalgalanması (wavy edges & center buckle),
kenar buklesi (quarter buckle) düzgünlüğü önem
kazanmıştır.
Şekil 10. Şerit Malzemesinde Kenar Dalgası,
Göbek Dalgası ve Tünellenme
Sıcak haddeleme prosesi sırasında ortaya çıkan profil
bozuklukları, daha sonraki soğuk haddeleme proseslerinde
gerçek manada giderilemez. Bundan dolayıdır ki sıcak
haddehane şerit hadde standlerinde iş merdanesi eğme
sistemi (work roll bending) ve iş merdanesi kaydırma
sistemi (work roll shifting) kurulmaktadır. Ancak açık
442
döngülü kontrol sistemleri, matematiksel proses modelleri
ile desteklense bile iyi sonuçlar alınamamaktadır. Bu
nedenle matematiksel modeller ile desteklenmiş ve
öğrenen (adaptive) kapalı çevrim kontrol sistemlerine
yönelinmiştir. Kapalı çevrim kontrol sistemlerinin en
önemli öğesi, malzeme ve ekipmanın gerçek ve anlık
bilgisini kontrol sistemine taşıyan ölçme elmanıdır.
Şekil 11. Malzeme Şekil Bozukluğuna WRB Etkisi
Yeni modern kontrol sistemlerindeki diğer bir önemli nokta
ise; profil kontrol sisteminin haddeleme programının önemli bir bölümü olan pass schedule calculation ve
haddeleme set-up hesaplamalarına entgre edilmesidir. SSU
(shape set-up) modeli gerekli olan PDI bilgilerini, hadde ve
merdane karakteristiklerini, operatör girdilerini MMI
üzerinden alabildiği gibi, FSU modeli ile sürekli işbirliği
içerisindedir. Ayrıca SSU modeli, AFC (automatic flatness
control) modeli ve SMDPC (shape maimtenance dynamic
profile control) modellerini de koordine eder.
Şekil 12. Profil ve Flatness Modellemesi ve
Kontrol Stratejisi
Doğru ve kesin profil, her bir stand için haddeleme yükünün - ezme miktarının – hesaplanması esas alınarak
elde edilir. Ancak haddeleme yükü ve ezme miktarı her bir
stand için limitlidir. Yani istenilen toplam kalınlık düşme
miktarı sınırlıdır. Bundan dolayıdır ki, profil kontrolünün
ve profile yönelik merdane açıklığının ayarlanabilir
lemanları iş merdanesi kaydırma ve iş merdanesi eğme
sistemleri ile birlikte iş merdanesi soğutma sistemidir.
Merdane su soğutma sistemi, headerleri merdane
genişliğince yerleştirilen ve su miktarı %0-100 aralığında
motorlu valfler ile otomatik olarak ayarlanabilen spray
sistemidir. Bu sistem ile termal bombe (thermal crown
control) kompenzasyonu yapılmaktadır.
Shape Mintenance ve Thermal Crown Control olarak
bilinen şekil düzgünlüğü ve profil kontrolünün en önemli
aktüatörü WRB iş merdanesi bükme sistemidir. Şekil
düzgünlüğü sadece FM çıkış standleri F5, F6, F7 iş
merdanesi bükme düzeltmesi ile elde edilir. Profil düzgünlüğü ise F2-F7 standlerindeki iş merdanesi bükme
düzeltmesi ile sağlanır. Bu sistemlerle birlikte kapalı döngü
otomatik fatness kontrol (AFC) sistemi ve flatness-profil
düzeltme için özel olarak hazırlanmış matematiksel
modeller (CID models) kullanılmaktadır. Kapalı döngü
AFC sisteminin geri besleme elemanı flatness sensörüdür.
AFC ve CID alt modelleri, malzeme profilini düzeltmek
için iş merdanesi bükme kuvvetinin preset değerlerini ve
malzeme göbek-kenar düzgünlüğünü düzenlemek üzere
WRB ve WRS preset değerlerini hesaplar ve optimize eder. Böylece son ezmenin yapıldığı standlerde şerit
malzemesinde malzeme genişliğince simetrik ve küçük
flatness hatası içerisinde üretim gerçekleştirilmeye çalışılır.
AFC regülatörü için referans, SSU modeli tarafından
hesaplanır. Hedeflenen sıfır I-unit birimli flatnese’a sahip
şerit malzemesi üretmektir. Düzeltme miktarı, ölçülen her
bir hata miktarı (sapma) ile oluşturulan ve SSU
matematiksel modeli tarafından ortaya konulan (Bükme
kuvveti) (Şerit malzemesi flatness değeri) transfer fonksiyonu şeklindedir.
Şekil 13. Profil ve Flatness Kontrolünde CID Modellemesi
SSU modeli FSU modeli ile birlikte çalışır. Önce FSU
modeli başlangıç yük patterni doğrultusunda her bir stand
için hadde açıklığı, ezme yüzdesi ve hadde hızı belirler.
Malzeme haddeye girip malzeme akışı ve gergi (looper
tension) oluştuktan sonra, SSU modeli sahadaki
aktuatörlerden temin ettiği bilgiler doğrultusunda arzulanan
bombe (crown) ve şekil düzgünlüğü (flatness) set
değerlerini oluşturur.
Profile sensor
Flatness sensor
Rolling force
Work Roll
Bending
Control
Work Roll
Shifting
Control
Flatness & Profile
Feedback
Automatic Flatness Control
AFC
Shape Maintenance
Dynamic Profile Control
Finish Mill
Set-up
Model
FSU
Shape Set-up
Model
SSU
•Operator input
•PDI data
•Roll characteristics
443
SSU modeli, FSU modelinden set-up bilgilerini alır. Bu
bilgiler öngörülmüş (predicted) haddeleme yükü, her bir
stand çıkışında arzulanan malzeme kalınlığı için hesaplanan
hadde açıklığı (gap), malzeme gergisi (looper position) ve
malzeme sıcaklığıdır. Üretilen şerit malzemesinde erişilmek
istenen minimum ve maximum profil değerleri SSU modeli
tarafından hesaplanır. Bu hesaplama mill ekipmanlarının
mekanik, hidrolik ve elektrik donanım limitleri içerisinde
kalınarak yapılır. Normal olarak profil ve şekil düzgünlüğü
düzeltmesi, WRB ve WRS kontrol sistemleri
regülatörlerinin limitleri içerisinde kalır. Model hedeflenmiş olan her bir PDI profil değeri için bir profil
oluşturma yörüngesi hesaplar. Hesaplanan profil değerleri,
PDI’dan girilen istenilen (target) değerler ile karşılaştırılır.
Eğer hedeflenmiş PDI profil değeri, üretilen bobin için
WRB kontrol sisteminin regülasyon limitleri dışında ise,
model bu limitler içerisinde alternatif ve mümkün olan en
yakın bir profil değeri ön görür. Eğer kontrol sisteminin
regülatör limitleri, hedeflenen PDI değerlerini kısıtlıyor ise,
FSU modelinin altında çalıştırılan “Haddeleme Yükü
Dağıtım” (FM load redistributed set-up) modeli devreye
girerek profil ve şekil düzgünlüğü PDI değerlerinin limitler içerisinde kalmasına imkan verir.
SSU modelinin hesaplamalarını hattın değişken durumları,
ürün kalitesi ve haddelenen malzeme sıcaklık değişimleri
etkiler. Ayrıca merdane çapları, merdane taşlama pratikleri,
merdane ısınması ve merdane gömleği (roll wear) diğer etki
parametreleridir. Üretilen ürünün çıkış kalınlığı, genişliği,
şerit çıkış sıcaklığı ve sıcak metal deformasyon direnci SSU
modelinde önemli faktörlerdir. SSU modeli, erişmiş olduğu
feedback bilgileri ve set değerleri ile toleranslar içerisinde
kalacak şekilde WRB ve WRS kontrol sistemlerine yeni
düzeltme referansları üretecektir.
Şekil 14. Profil Kontrolde Matematiksel Modelleme
Dinamik profil ve şekil düzgünlüğü (flatness) kapalı döngü
kontrolünde; şerit malzemesi haddeye girdiği anda merdane
ezme kuvveti ölçülür ve öngörülmüş set değeri ile
karşılaştırılır. Eğer fark var ise, ezme kuvvetinin oluşturmuş
olduğu merdane yataklarındaki etki ve haddedeki yapısal
sapma ile bunun sıcak malzeme üzerindeki istenmeyen
etkisi WRB merdane bükme sistemi regülatörü ile hata
giderilinceye kadar değiştirilir. Haddeleme yüklerindeki
değişimlerin merdane bükme sistemine aktarılması, şerit
malzemesinin haddelenmesi süresince kapalı döngü
şeklinde regüle edilerek sürdürülür. Böylece sabit profil ve
şekil düzgünlüğü hedeflenir. Bu fonksiyon Shape
Maintenance-yapısal şekil temini- olarak adlandırılır. Sıcak
şerit malzemesinin haddelenmesi süresince, merdanelerin
ısınarak ısıl genleşmesinden kaynaklanan profil
kompanzasyonu da Shape Maintenance modelinin altında çalışan Roll Heating Model ile yapılır.
Şekil 15. Şerit Malzemesi Flatness Bozuklukları
Geliştirilmiş SSU modeli şekil düzeltme stratejilerinde iki
ana kontrol şekli yaygın olarak kullanılır:
FM’de haddelenen malzeme üzerinde (in bar control)
ileri beslemeli (feed forward) kapalı döngü kontrol.
Bir sonraki şerit malzemesi için (bar to bar) öğrenen
(adaptive learning) dinamik kontrol.
Stratejinin kontrol edilen parametreleri ve ölçü alınan feed-
back sinyalleri şunlardır:
FM standleri haddeleme ezme kuvveti - load cells
WRB bükme kuvveti – pessure transducers
WRS silindir pozisyonu – position transducers
FM son stand çıkışında malzeme profil ve kalınlık
bilgisi – scane profilemeter & X-ray gauge
FM son stand çıkışında malzeme şekil düzgünlüğü
bilgisi- flatness gauge
FM son stand çıkışında malzeme sıcaklık bilgisi -
pyrometers
SSU modeli için set edilen PDI bilgileri;
WR ve BUR çapları,
WR ve BUR bombe değerleri,
Malzeme genişliği,
Hedeflenen çıkış bombelenmesi (crown),
Hedeflenen çıkış şekil düzgünlüğü (flatness).
444
FSU modelinin SSU modeline hesaplayıp gönderdiği
bilgiler;
Malzeme kalınlığı (thickness),
Ezme kuvveti (total rolling force),
Gergi ve looper pozisyonu (strip tension).
SSU modelinin ölçerek kullandığı bilgiler;
Haddeleme yükü (rolling forces),
Çıkış bombe miktarı (delivery crown),
Çıkış malzeme şekil düzgünlüğü (flatness),
İş merdanesi kayma miktarı (side shift position),
İyi bir malzeme profili elde etmek sadece şerit hadde
(FM) bölgesinde yapılan proses kontrol sistemleri ile
mümkün olamaz. Bir ön haddeleme prosesi olan kaba
hadde (RM) haddelemesinde de malzeme profilini
etkileyecek tedbirler düşünülmelidir. FM standlerinin
müsaade edilen haddeleme yük limitleri içerisinde
olabilmesini temin amacıyla transfer bar kalınlığı ile
oynanabilir. Bu yönü ile nihai haddelenmiş malzeme
profili iyileşme yönünde etkilenmiş olur.
6. KALINLIK ve PROFİL ÖLÇME SİSTEMLERİ
Günümüzde sıcak şerit haddeleme endüstrilerinde yaygın
olarak kullanılan kalınlık ve profil ölçme sistemleri, FM
son stand arkasına konulan sabit X-ray kalınlık ölçme ve
scan X-ray profil ölçme cihazları ile yapılır.
Sabit kalınlık ölçme sisteminde malzemenin merkezine
odaklanmış olan 1 adet X-ray source ve karşısında
photomultiplier detector bulunmaktadır. Temassız ve
tahribatsız bu ölçme sisteminin elektronik değerlendirme
ünitesi yüksek hızlı mikroprosesör kontrolü ile yapılmakta
olup her 500 mikrosaniye aralığında kalınlık ölçülmektedir.
Profil ölçme sisteminde ise, yukarıda anlatılan X-ray
kalınlık ölçme sisteminin bir değişik modeli ile malzeme
boyunca ve kenardan kenara veya merkezden merkeze kalınlık taraması (scan) yapılarak profil çıkarılmaktadır.
Profil tarama işlemi, malzeme başı bobin sarmaya
girdikten sonra bobin sarma gergisi sağlanması ile
başlatılır. Bunun amacı malzemenin şerit hadde ile bobin
sarma arasında belirli belirsiz duşlu masa üzerinde eksenel
ve üçüncü boyutta gezinmesi ile oluşacak profil ölçme
hatalarının kaldırılmasıdır. Eğer malzeme boyu kısa ise
profil tarama işlemi malzeme başı son standden çıktıktan
hemen sonra başlatılır.
Profil ölçme sistemi ile toplanan bilgiler ile üretilen ürünün profili yanında wedge kalınlık bilgileri (10 mm, 50 mm,
100 mm) çıkarılır. Malzeme boyunca ortalama 400-500
noktadan bilgi toplanmış olur. Genellikle bu ölçme bilgisi
bir sonraki malzeme için düzeltme bilgisi ( bar to bar
adaptive control ) olarak kullanılır.
Malzeme profili malzemenin enine kesitsel görüntüsüdür.
Şerit malzemesi tipik olarak merkezde kalın, kenarlara doğru
gittikçe nispeten incelen ve bombeleşen yapıdadır. Bu yapı
malzeme boyunca üniform olmalıdır.
Şekil 16. Profil Tanımlaması
Haddelenmiş malzemede bombe (crown) miktarı ise, şerit
malzemesi kenarlarından içeri doğru belirli sabit mesafe
açıklıklarından ölçülür.
Şekil 17. Malzeme Kuyruğunda Profil Ölçüsü
Günümüz teknolojisinin ürünü Tomographic Thickness
Profile Gauge ile sıcak şerit malzemesinin anlık ve
eşzamanlı kalınlık, profil, sıcaklık ve genişlik bilgileri ayni
ölçü sistemi ile ölçülebilmektedir. Böylece bu bilgiler
feedback sinyali olarak hızlı AGC ve AFC sistemlerinde (in
bar control) kullanılmaktadır. Yine bu sistemlerden 5 msec.
aralıklı malzeme flatness bilgisi alınarak önceki standlerde
düzeltme yapılabilmektedir.
445
Şekil 18. Tomographic Thickness Profile Gauge
7. DÜZGÜNLÜK (FLATNESS) ÖLÇME SİSTEMLERİ
FM çıkışına yerleştirilen flatness gauge ölçme sistemi,
malzeme boyunca dinamik olarak (on-line) şekil düzgünlüğü
ölçer. Daha önceden belirlenmiş nokta sayısında şerit
malzemesinden enine kesitsel olarak anlık ölçümler yapılır.
Kesitsel ölçme birimi I-unit olarak adlandırılır. Sıfır I-unit ile
merkezdeki kalınlığın kenarlardaki malzeme kalınlığına eşit
olması anlaşılır. Pozitif I-unit kenar dalgalılığını (wavy
edges) ve negatif I-unit göbek dalgalılığını (center buckle)
ifade eder.
Şekil 19. Malzeme Başından Alınan Bir Flatness Ölçüsü
Flatness gauge ölçme sisteminde en az 5 adet laser kaynaklı
sensör ve CCD kameralar şerit malzeme genişliğince dizilmişlerdir. 1 adet laser kaynak ve sensör merkeze ve
diğerleri kenarlardan itibaren eşit mesafelerde yerleştirilir.
Merkez ile kenarlar arasına yerleştirilen laser kaynak ve
sensörler ile kenar buklesi (quarter buckle) ölçülür. Merkez ve
kenarlara yerleştirilen laser sensör ve kameralar ile
malzemenin genel olarak kesitsel şekil düzgünlüğündeki
simetrik ve simetrik olmayan şekil bozuklukları ölçülür.
Simetrik olmayan şekil bozuklukları veya tek yan tarafta
görülen kenar dalgalanması operatör tarafından fark seviye
ayarı yapılarak veya otomatik dümen kontrolü ASC
(Automatic steering control) ile düzeltilir. Simetrik şekil
bozuklukları WRB iş merdanesi ile otomatik olarak düzeltilir.
FM ara standlerinde segment tipi looper rolleri ile malzeme
şekil düzgünlüğü (interstand strip flatness) ölçmek
mümkündür. Böylece haddelenmekte olan malzeme
üzerinde (in bar control) flatness kontrolü kapalı döngü
olarak yapılabilmektedir. Segmentlere bölünmüş olan roll 5
ve daha fazla sayıda - 64’e kadar – ölçme bölgelerine (zones) ayrılmıştır. Her segment bir ölçme aralığı olup,
silindirik yapıda segment içerisine 4 adet magneto-elastic
transducer yerleştirilmiştir. Malzeme looper üzerine baskı
oluşturup gergi oluştuğunda (looper raise) malzemenin
oluşturduğu yüzey baskısı ile direkt orantılı olarak her bir
segmentte merkezden çıkan radyal kuvvet oluşur. Magneto-
elastic transducerler ile bu kuvvet ölçülerek, mikroprosesör
tabanlı değerlendirme ünitesinde malzemenin anlık flatness
bilgisi elde edilir. Segment tipi looper üzerinden alınan
flatness geri besleme bilgisi ile önceki standler WRB iş
merdanesi bükme sistemi için gap pozisyon ve eğme kuvveti düzeltme sinyali yaratılır.
8. UYGULAMA SONUÇLARI
Modern teknolojinin ve proses modellerinin sıcak
haddelemede uygulanması ile günümüzde 0.8 mm
kalınlığında şerit malzemesi haddelenebilmektedir. Bobinin
% 98’inde +/- 50 m. kalınlık toleransı, +/- 30 I-unit
flatness hatası, 40 mm. kenarlarda +/- 12 m. C40 profil toleransı ve bobinin %96’ında +/- 15 0C sarılma sıcaklık
toleransı ile limitler yukarılara çekilmiştir. Kaliteli ürün
üretme ve dispoze oranlarını sıfıra yaklaştırma ana hedef
olmuştur.
Konvensiyonel sıcak haddeleme tesislerinde üretilen
ürünler bir sonraki proses hatları olan soğuk haddeleme
tesislerinde daha ince kalınlıklara ve yüzey düzgünlüklerine
ulaşabilir iken, bugün modern sıcak haddeleme tesislerinde
sıcak haddelenmiş ince ve yüzey kalitesi mükemmel ürün
çıkarmak mümkün olmuştur. Böylece proses süresi
kısaltılmış, ürün maliyeti de düşürülmüş olmaktadır.
Şekil 20. Şerit Haddeden Görünüş
446
9. KAYNAKLAR
[1] A. Shaw, C.J. Mariani, R. Atterbery, P. McGhan;
“Control strategies for high production & quality:US Steel
Gary Works”- Iron and Steel Engineer, June 1998, s:31-39
[2] Burkhard Ortmann, Siemens AG,Erlangen, Germany
“Modernization of the automation in the hot wide strip mill
at VA-Stahl Linz GmbH”- MPT International, June 1994,
s:26-34
[3] Claude Bonaud; “The modernization programme for the
Sidex, Romania Hot Strip Mill” - MPT Internatinal,
Agust1999, s:98-106
[4] C.J. Hicks, A.F. MacAlister; “Aspects for gauge control
for Hot and Cold Mills” – Institute of Metals, London, 1990
[5] A.F. MacAlister; “Modeling and adaptive techniques
for rolling mill automation” - ASIE Year Book, 1989,
s:487-495.
[6] John Mason; “Erdemir Hot Strip Mill WRB & WRS
control” – General Electric Control Functions User Guide,
volume:2, section:10, Salem-1995.
[7] Tim Kolb, Dave McMillen, Joe Kirk; “Erdemir Hot
Strip Mill FM Gap control, AGC gap compensation,
Gaugemeter control, Monitor AGC” – General Electric
Control Functions User Guide, volume:2, section:10,
Salem-1995.
[8] T.S. Bilkhu, A.F. MacAliter, P.J. Reeve,; “Automation and Hot Strip Mill Modernization” – Iron and Steel
Engineer, Agust 1999, s:27-33.
[9] M.J. Prospero, R.D. Evans; “Finishing mill
modernization at U.S. Steel Gary Works” - Iron and Steel
Engineer, March 1996, s:27-31.