Our automation system for a continuous tandem mill coupled with ...

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Roberta Gatti & Sergio Murgia
Our automation system
for a continuous
tandem mill coupled
with pickling line
INTRODUCTION
The cold rolling is one of the main sectors for rolling flat
products. In the last 3 years Ansaldo Sistemi Industriali (ASI)
acquired 20 cold rolling plants, of which 17 from a major
Chinese customer, who demonstrated to be very satisfied of
our automation systems developed in our Genoa factory
(with the support of our office in Beijing). The paper presents
the state of art of what is normally considered the most comprehensive
and significant type of cold rolling plant: the continuous
tandem mill coupled with pickling line. In Italy we
call it decatreno (fig. 1).
THE PLANT AND ITS REQUIREMENTS
The purpose of a cold rolling mill is to reduce the thickness
of the entering coils of steel (coming from a hot strip mill) to
a defined target with great accuracy, guaranteeing the best surface
quality of the final strip and high plant productivity: note
that a rolling mill usually works 24h/7d.
There are more than one different type of mills able to reach
these targets, smaller or larger depending on productivity and
final product characteristics. The largest one is composed by
a set of rolling stands (usually 5) able to reduce the steel thickness
by means of pressure (fig. 2, rolling force), created by hy-
Fig. 1 - The continuous tandem mill coupled with a pickling line.
Fig. 1 - Il decatreno
INNOVATION

draulic capsules and exercised by 2 work rolls on the strip
itself; and by means of the tensions between one stand and
the others (interstand tensions); 4 or, as in the picture, 6 rolls
in total are present in each stand for giving the suitable stiffness
to the whole assembly.
The plant inserted in fig. 2 is a coil-to-coil tandem mill:
each coil is inserted into the mill, is rolled and is extracted
when it has finished. Its productivity, in addition to stability
of operations, can definitively increase if the coil-to-coil
process is transformed into a continuous process by welding
the head of a coil to the tail of the previous one: in this
way, the tandem can roll continuously, without stopping
and restarting when a coil finishes. Because welding machines
require the strip to stop for a while, an accumulator
(looper) is necessary in order to not stop rolling at the tandem
mill (see fig. 1, where vertical loopers are showed, but
horizontal structures are often used).
A flying shear located at tandem exit cuts the strip when a
new coil has been formed on the coiler so that the process
turns back to be discontinuous. Much time can pass after
hot rolling and before cold process, rust is formed on the
metal and it must be eliminated from the surface of the
strip before it is rolled by having the strip passed inside
tanks filled with a solution of water and hydrochloric acid;
this can be done in pickling line before the coils reaches
the tandem mill, or, more efficiently, the pickling line can
be directly inserted between the welding machine and the
1 st stand; additional loopers are required upstream of the
stands to decouple the different phases giving maximum
flexibility to such a plant, which can now reach 300 m
length and accumulate 2000 m of strip in the loopers (see
again fig. 1).
Il nostro sistema
di automazione
per un decatreno
INTRODUZIONE
La laminazione a freddo è uno dei principali settori
della laminazione dei prodotti piani ed ASI ha acquisito,
negli ultimi 3 anni, 20 impianti di questo tipo,
di cui ben 17 da un grosso cliente cinese, particolarmente
soddisfatto dei nostri sistemi di automazione;
questi vengono sviluppati dai colleghi della sede di
Genova (col supporto della sede di Pechino) e l’articolo
si pone lo scopo di illustrare lo stato dell’arte di
quello che è normalmente ritenuto il più completo e
significativo dei numerosi impianti dell’area a freddo,
il tandem continuo con decapaggio; noi italiani lo abbreviamo
con decatreno (fig. 1).
L’IMPIANTO E I SUOI REQUISITI
Lo scopo del laminatoio a freddo (chiamato anche
tandem a freddo) è di ridurre ad un ben definito target
e con grande accuratezza lo spessore dei rotoli di
acciaio in ingresso (provenienti da un laminatoio a
caldo), garantendo la migliore qualità superficiale del
nastro finale ed una elevata produttività dell’impianto:
si noti che un laminatoio normalmente lavora
24 ore al giorno, 7 giorni su 7.
Esistono vari tipi di laminatoi capaci di raggiungere
questi target, più o meno grandi a seconda della produttività
e delle caratteristiche del prodotto finale.
Il più grande è composto da un certo numero di gabbie
di laminazione (di solito sono 5) che riducono lo
spessore dell’acciaio sia per mezzo della pressione
(fig. 2, rolling force) generata da capsule idrauliche
ed esercitata sul nastro da due cilindri di lavoro
(work rolls) che per mezzo dei tiri tra una gabbia e
l’altra (interstand tension); in ciascuna gabbia ci sono
4 o, come in figura, 6 cilindri per conferire una adeguata
rigidità all’intera struttura.
L’impianto mostrato in fig. 2 è un laminatoio coil-tocoil:
ogni rotolo viene introdotto nel laminatoio,
viene laminato ed estratto una volta che è terminato.
La produttività, oltre che la stabilità delle operazioni,
può certamente aumentare se il processo discontinuo
coil-to-coil viene trasformato in continuo, e questo si
fa saldando la testa di un rotolo alla coda del rotolo
che lo precede: così facendo, il tandem può laminare
continuativamente, senza doversi fermare e ripartire
ogni volta che il rotolo finisce.
Poiché le saldatrici richiedono che il nastro si fermi per
un poco per la saldatura, è necessario un accumulatore
(looper) per non far fermare la laminazione al tandem
quando il nastro è fermo alla saldatrice (in fig. 1 sono
mostrati looper verticali, ma più spesso si utilizzano
strutture orizzontali). Una cesoia volante (flying shear)
all’uscita del tandem taglia il nastro quando un nuovo
rotolo sull’aspo avvolgitore si è completato e il processo
ritorna così ad essere discontinuo.
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Rolling force
Interstand tension
Fig. 2 - Tandem mill applies forces and tensions to reduce the strip thickness.
Fig. 2 - Il laminatoio riduce lo spessore del nastro per mezzo di forze e di tiri
A few numbers taken from a typical plant can give an
idea of the complexity of the cold rolling process and,
as a consequence, of its automation system (tab. 1):
this real-time control system must deal with a highlyinterconnected
fast process and must guarantee accuracy,
reliability and productivity by means of efficient
generation of references for a large number of control
loops able to run at cycle times of a few ms, connected
to many actuators, sensors and supervision stations.
Entry thickness 5.5 ÷ 2 mm
Exit thickness 1.5 ÷ 0.14 mm
Thickness measure accuracy ± 0.01 %
Total thickness reduction up to 90 %
Exit speed 20 m/s
Main motor power (5 stands) 15 ÷ 30 MW
Rolling forces 10,000 kN
Interstand tensions 100 ÷ 250 MPa
Thickness performances ± 1 ÷ 3 % exit thickness in 98 %
of the strip body
Flatness performances (see details ± 8 ÷ 12 I.U. (fiber differential
in the Flatness paragraph) elongation = ± 80 ÷ 120 μm
per 1 rolled meter)
Production 1.2 millions tons per year
Tab. 1 - Some typical data summarize the high-demanding capabilities requested
from a modern cold rolling mill
Tab. 1 - Alcuni valori tipici riassumono le stringenti richieste di prestazioni per
un moderno laminatoio a freddo
Roberta Gatti & Sergio Murgia
Work rolls
Rolling stand
THE AUTOMATION SYSTEM
Fig. 3 illustrates in a very simplified way the theoretical
scheme of our automation systems, while fig. 4 presents
the automation layout for the continuous mill:
• Level 1: includes many regulators which control position
or pressure of the hydraulic capsules, tension
and thickness of the strip, speeds of the motors, and
so on: inner and outer loops, concurrent loops, decoupling
actions and on-line gain calibrations are
often necessary; the level 1 also manages logic, sequences,
hydraulics, communication with the field
(sensors, actuators, electrical drives, operator desks,
etc.). Data acquisition is used to investigate details
in regulators.
• Level 2: the references to be sent to the regulators
change depending on the different products to be
rolled (production programs comes from the production
management department – level 3) and/or
due to the intrinsic tempo-variance of the plant (e.g.,
work rolls heat up and wear) so that they are recalculated
by dedicated mathematical models for each
new piece (consider many tens of pieces per day);
measures are collected for autoadapting the models
piece-by-piece and for certifying the quality of each
coil produced.
INNOVATION

Spesso passa parecchio tempo tra la laminazione a caldo e
quella a freddo, per cui sul metallo si forma della ruggine
che deve essere eliminata facendo passare il nastro dentro
alcune vasche con una soluzione di acqua e acido cloridrico;
questo processo di decapaggio (pickling line) può essere
fatto in un altro impianto prima di laminare il nastro al tandem
o, più efficientemente, il decapaggio può essere inserito
direttamente tra la saldatrice e la prima gabbia; servono
dunque altri looper prima delle gabbie per disaccoppiare le
diverse fasi e conferire così il massimo di flessibilità all’impianto,
che ora può raggiungere i 300 m in lunghezza ed accumulare
2000 m di nastro nei looper (v. ancora fig. 1).
Alcune cifre di un tipico impianto possono dare l’idea della
complessità del processo di laminazione a freddo e, di conseguenza,
del suo sistema di automazione (tab. 1): questi
controlli in real-time devono gestire un processo veloce ed
altamente interconnesso e devono garantire accuratezza,
affidabilità e produttività per mezzo di una efficiente generazione
dei riferimenti per un gran numero di anelli di
regolazione che girano a tempi di ciclo dell’ordine di pochi
ms, connessi ad altrettanto numerosi attuatori, sensori e
stazioni di supervisione.
IL SISTEMA DI AUTOMAZIONE
La fig. 3 illustra in maniera molto semplificata lo schema
teorico dei nostri sistemi di automazione , mentre la fig. 4
presenta la configurazione di automazione per un decatreno:
• Livello 1: comprende molti regolatori che controllano posizioni
e pressioni delle capsule idrauliche, tiri e spessori
del nastro, velocità dei motori e così via; spesso sono necessari
anelli interni ed esterni, anelli concorrenti, azioni
di disaccoppiamento e calibrazioni on-line; il livello 1 gestisce
anche le logiche, le sequenze, le idrauliche, le comunicazioni
col campo (sensori, attuatori, azionamenti
elettrici, banchi operatore, ecc.). Un completo sistema di
acquisizione dati consente di investigare accuratamente i
dettagli di comportamento dei regolatori .
• Livello 2: i riferimenti necessari ai regolatori possono
cambiare a seconda dei diversi prodotti da laminare (i
programmi di produzione arrivano dal dipartimento che
gestisce la produzione – livello 3) e/o a causa della intrinseca
tempo-varianza dell’impianto (p. es., i cilindri di lavoro
si scaldano e si usurano); i riferimenti vengono
dunque ricalcolati pezzo per pezzo (e si laminano molte
decine di pezzi al giorno) da modelli matematici appositamente
sviluppati; durante la laminazione vengono raccolte
moltissime misure sia per auto-adattare i modelli
matematici pezzo dopo pezzo, sia per certificare la qualità
di ciascun nastro prodotto.
Le caratteristiche peculiari che contraddistinguono il tandem
continuo possono essere ora brevemente descritte per aggiun-
gere informazioni pratiche al precedente schema teorico.
Calcolo del setup e funzioni di livello 2 di base
La scheda di laminazione che contiene i riferimenti che il
livello 1 deve attuare viene calcolata da accurati modelli
matematici quando il rotolo viene saldato, quando si trova
al decapaggio e prima di entrare nel tandem; i calcoli necessari
al meccanismo di auto-adattamento dei modelli matematici
sono effettuati quando il rotolo finito viene
tagliato e lascia il tandem, usando le misure acquisite durante
il suo processamento. Inoltre, i server di processo raccolgono,
gestiscono e immagazzinano tutti i dati relativi a
ciascun rotolo laminato (dati primari, scheda di laminazione,
calcoli di adattamento, riferimenti applicati, misure
di qualità) e alla produzione effettuata. Gestiscono anche
la connessione col sistema di automazione di livello 3.
Cambio di Set al Volo
Il mondo dei modelli matematici e dell’attuazione dei riferimenti
per i laminatoi è parecchio ampio e variegato, ma
ciò che sicuramente fa la differenza in un laminatoio continuo
è il cambio di set al volo, che coinvolge sia capacità
modellistiche che regolazioni e logiche real-time. La scheda
di laminazione, calcolata per ciascun nastro, assicura riferimenti
ottimali per quel nastro; ma quando la saldatura
tra due diversi nastri passa attraverso le gabbie, il punto
operativo dell’impianto si deve spostare dallo stato del nastro
corrente a quello del successivo e questo cambio deve
essere continuamente gestito dal sistema di automazione.
Diversi set intermedi (v. fig. 5), calcolati dai modelli matematici
e applicati al momento giusto dai regolatori mentre
la saldatura si muove attraverso il tandem, permettono di
mantenere la stabilità di laminazione (limitando il rischio
di rottura nastro) per minimizzare la lunghezza di nastro
fuori tolleranza, limitando l’area di transizione e massimizzando
la produzione.
Controllo Automatico di Spessore & Controllo di Tiro
(AGC & ATC)
Lo spessore del prodotto finito che sta in tolleranza è ciò
che appare immediatamente al cliente finale e ha fondamentale
importanza sia per quel che riguarda la qualità del nastro
che per la bontà complessiva dell’impianto (v. fig. 6). I
modelli matematici calcolano riduzioni nominali e tiri intergabbia
al fine di ottenere le condizioni operative desiderate
in assenza di disturbi. I controlli tecnologici sono
progettati per minimizzare le variazioni che sorgono durante
la laminazione: per esempio, variazioni di spessore e
di durezza del materiale d’ingresso, fenomeni termici sui
cilindri di lavoro, usura ed eccentricità dei cilindri e variazioni
di attrito, se non vengono adeguatamente controllati
dal sistema di automazione, provocano deviazioni di spessore
dal target garantito per il prodotto finale (fig. 7).
Nella fig. 8 è mostrato il sistema di controllo: sono eviden-
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REPORTS
MATHEMATICAL
MODELS
Level 2
Production Programs
Production Reports
The peculiar features that distinguish the continuous
tandem mill can be now briefly described for adding
more practical information to the previous theoretical
scheme.
+
-
Roberta Gatti & Sergio Murgia
Level 1
Level 3
R
R
REGULATOR
MODEL
ADAPTION Adaption Measures
Fig. 3 - Functional structure of the automation system Fig. 3 - Struttura funzionale del sistema di automazione
OPERATOR STATIONS
& LOCAL CONTROL DESKS
LEVEL 2
& COMPUTER ROOM
LEVEL 1
LEVEL 0/PLANT
Entry pulpit
LEVEL 3 NETWORK
(to level 3 system)
Entry and
pickling areas
Process
Servers
Setup Calculation and
Level 2 Basic Functions
The rolling schedule to
be actuated by level 1 is
calculated by accurate
mathematical models
when the coil is welded,
when it is at the pickling
line and before entering
the tandem mill; calcula-
PLANT
tions dedicated to autoadapt
the mathematical
models using actual plant
measures are carried out
when the coil is cut and
exits the plant. In addition,
the process servers
are dedicated to collect,
manage and store all of
the information related
to each coil (primary
data, rolling schedules, adaption calculations, applied
sets, quality measures) and to production and operations.
They also manage the connection to the level 3
system.
HMI NETWORK
DATA ACQUISITION NETWORK
Maintenance
stations
Side trimmer
pulpit Tandem pulpit
HMI Servers
MAIN NETWORK
Engineering
stations
Drives Drives
Data
acquisition
client
Fig. 4 - ASI automation system for a cold tandem mill coupled with pickling line Fig. 4 - Il sistema di automazione ASI per un decatreno
Fast I/O
Tandem
area
COMMUNICATION NETWORK FIELD NETWORK
Slow I/O
INNOVATION

ziati i relativi sensori e le funzioni principali.
L’ATC (Controllo Automatico di Tiro) ha lo scopo di mantenere
il tiro ben vicino al riferimento calcolato dai modelli
matematici e di prevenire rotture del nastro. Un rullo tensiometrico,
posizionato in ciascuna intergabbia, fornisce la
misura di tiro.
Sia la velocità delle gabbie che la luce tra i cilindri agiscono
sui tiri intergabbia: sono così usati due diversi regolatori:
• Controllo di tiro tramite carico: agisce su posizione o
forza dei cilindri della gabbia a valle (HGC – Controllo
Idraulico di Posizione - in fig. 8).
• Controllo di tiro tramite velocità: agisce sulla velocità
delle gabbie a valle o a monte (non mostrato in fig. 8);
Il primo regolatore è usato a bassa velocità, quando sono
presenti diverse condizioni di laminazione: il coefficiente
di attrito tra cilindri di lavoro e nastro è così grande che il
controllo di tiro tramite carico richiederebbe correzioni di
forza eccessive e danneggerebbe la planarità del nastro.
L’ATC tramite carico lavora a velocità più alta. La commutazione
da una modalità all’altra avviene in maniera automatica.
Una differenziazione va fatta quando il tandem lamina con
basse riduzioni sull’ultima gabbia: in questa situazione è preferibile
controllare il tiro dell’ultima intergabbia agendo solo
sulla velocità della gabbia 4 (indipendentemente dalla velocità
di laminazione) così che il controllo di posizione sull’ultima
gabbia sia disponibile per il controllo di planarità.
L’AGC (Controllo Automatico di Spessore) riceve la misura
di deviazione di spessore dai misuratori a raggi X. A
differenza del tiro, lo spessore non viene misurato all’uscita
di ogni gabbia a causa dei costi elevati e dei rischi di danneggiamento
in casi di strappo del nastro. La configurazione
tipica prevede tre misuratori (v. fig. 8 per il loro
posizionamento).
L’AGC comprende due sottosistemi principali:
• AGC di ingresso: ha lo scopo di mantenere il corretto
spessore del nastro all’uscita dalla prima gabbia, usando
le misure che arrivano dai primi due misuratori.
• AGC di uscita: controlla lo spessore del nastro all’uscita
dal tandem usando la misura dell’ultimo sensore e
agendo sulla velocità delle ultime due gabbie.
Infine, il monitor AGC ha lo scopo di riportare nei limiti
la correzione dell’AGC di uscita nel caso in cui entri in regione
di pre-saturazione; il monitor, in pratica, ricalibra il
target di spessore dell’AGC di ingresso così da risistemare
il flusso di materiale che entra nel tandem in accordo con
i requisiti dell’AGC di uscita.
È fondamentale, per i tandem a freddo, che l’errore di spessore
all’uscita della prima gabbia sia mantenuto costante,
anche se non nullo, poiché l’AGC di uscita è perfettamente
in grado di correggere deviazioni di spessore molto lente,
ma è meno efficace per correggere errori occasionali dato
che la sua dinamica è limitata dai ritardi di trasporto tra
l’ultima gabbia (su cui il controllo opera) e il misuratore di
spessore: l’errore di spessore, infatti, prima di essere rilevato
deve arrivare dalla gabbia al misuratore, per cui
l’azione di controllo deve necessariamente essere lenta per
evitare l’insorgere di instabilità.
La presenza di sofisticati misuratori di velocità (laser) a
monte e a valle della prima gabbia consente all’AGC massflow
di applicare azioni di controllo veloci sull’HGC della
prima gabbia. L’AGC massflow si basa sul principio di conservazione
della portata di metallo (massflow), il che significa
che la quantità di materiale che entra nella gabbia è
uguale a quella che esce. E poiché nella laminazione a freddo
la larghezza del nastro non varia, è possibile scrivere:
h IN · v IN = h OUT · v OUT
dove hIN = spessore d’ingresso;
hOUT = spessore d’uscita;
vIN = velocità lineare del nastro in ingresso;
hOUT = velocità lineare del nastro in uscita.
L’AGC massflow corregge l’errore
εmassflow = vIN _ h* OUT
v OUT
h IN
dove
h* OUT = spessore nominale in uscita dalla prima gabbia.
Chiaramente, azzerare ε massflow significa far sì che lo spessore
che esce dalla prima gabbia sia uguale al riferimento
calcolato dai modelli matematici.
Stiamo gestendo anche guasti a sensori delicate come i misuratori
laser di velocità, usando al loro posto gli encoder
che sono sempre presenti sulla briglia d’ingresso e sulla
gabbia. L’AGC massflow può così ottenere ottime prestazioni
anche in assenza dei misuratori laser di velocità: per
esempio, i grafici di fig. 6 (tratti da un tandem senza misuratori
laser di velocità) mostrano come lo spessore in
uscita dalla prima gabbia sia mantenuto comunque costante
malgrado i cambi nello spessore d’ingresso e nella
velocità di laminazione.
L’AGC massflow può agire accoppiato ad una funzione di
monitor (monitor di massflow) che ha lo scopo di compensare
errori di valutazione del massflow (errori di misura,
slittamenti, …) basandosi sulla misura di deviazione di spessore
proveniente dal misuratore a valle della prima gabbia.
Controllo Automatico di Planarità (AFC)
La planarità del nastro, con lo spessore, è la più importante
caratteristica del prodotto a cui il mercato dell’acciaio è
estremamente sensibile. Il requisito di base è che il nastro laminato
a freddo sia piano e completamente privo di curvature;
nel prodotto finale ci saranno, infatti, difetti di
planarità se gli stress residui dopo la laminazione eccederanno
certi valori critici. In questi casi, il nastro mostrerà difetti
di planarità come onde laterali o sfondamenti centrali.
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22
Flying Setup Change
The world of the mathematical models and references
actuation for rolling mills is quite wide and variegated,
but what surely makes the difference in a continuous
tandem mill is the flying setup change, that involves
both modelling capabilities and real-time regulation
and logic. The rolling schedule calculated for each coil
to be rolled ensures the optimal references for that
coil; but when the weld seam between two different
coils passes through the stands, the mill operating
point must move from the current state to the future
state of the next product and the change has to be continuously
managed by the automation system. Different
intermediate sets (see fig. 5), calculated by
mathematical models and applied in the correct moments
by regulators while weld seam moves along the
mill, allow to maintain rolling stability (limiting the
risk of strip breakage), to minimize the length of offspecification
rolled strip by limiting the transition area
and to maximize the production.
Automatic Gauge Control & Tension Control (AGC
& ATC)
The in-tolerance thickness of the final product is what
immediately appears to the final customers and has a
fundamental importance both on the strip quality and
on the entire plant bounty (fig. 6). The mathematical
models calculate the nominal stand reductions and interstand
tensions in order to get the desired operating
conditions in the absence of disturbances.
The technological controls are designed to minimise
the variations which occur during rolling: for example,
thickness and hardness variations in the entry strip,
thermal phenomena affecting the work rolls, roll wear,
roll eccentricity and friction variations cause deviations
from the guaranteed target thickness in the final
product if not adequately controlled by the automation
system (fig. 7).
The control system is shown in figure 8: the relevant
sensors and the main functions are pointed out.
ATC (Automatic Tension control) is aimed to maintain
tension close to the reference calculated by mathematical
models and to prevent strip breaks. A tensionmeter
roll located in each interstand supplies the
tension feedback.
Both stand speeds and stand rollgap positions affect
the interstand tensions: two different controllers are
then used:
• Tension control by load: operates by adjusting the
rollgap position/force of the downstream stand
(HGC - Hydraulic Gap Control - in fig. 8).
Roberta Gatti & Sergio Murgia
• Tension control by speed: operates by adjusting the
speed of the upstream or downstream stand (not
shown in fig. 8);
The first regulator is used at low speed, when different
rolling conditions are present: the friction coefficient
between work rolls and strip is so high that the tension
control by load would require excessive corrections of
force, thus affecting strip flatness. ATC by load operates
at higher speed. The switch from one mode to the
other one is automatic.
A distinction must be done for the last interstand
when the mill rolls steel sheet with a small reduction
at the last stand: in this situation, it is preferable to
control tension by acting on stand 4 speed only (independently
on the rolling speed), so that the rollgap on
the last stand is available for shape control.
AGC (Automatic Gauge Control) gets thickness deviation
feedback from x-ray gauges. Unlike tension,
thickness is not measured at the exit of all stands, due
to the cost and the risk of damage during strip breakages.
The typical plant configuration foresees three
gauges (see fig. 8 for their location).
AGC includes two main subsystems:
• Entry AGC: is aimed to maintain a consistent strip
thickness at stand 1 exit, by using the feedbacks coming
from the first two x-rays.
• Exit AGC: it controls the strip thickness at mill exit,
by using the feedback coming from the last x-ray. and
acting on the last stands speed.
Moreover, AGC Monitor aims to bring the Exit AGC
correction in range when it enters into a pre-saturation
region; it recalibrates the Entry AGC thickness target,
thus adjusting the material flow entering the mill according
to the requirements of Exit AGC.
For tandem mills it is fundamental that the thickness
error at the exit of stand 1 is kept constant, even if not
null, as the Exit AGC is perfectly able to compensate
very slow deviations, but it is less effective for occasional
errors, being its dynamics limited by the transport
delay between the last stand (on which the
control operates) and the exit thickness gauge: the
thickness error has to travel from the stand to the
gauge before being detected; because of this, the control
action must be slow to avoid instability.
The presence of accurate strip speed sensors (such as
laser speedometers) at stand 1 entry and exit allows
Massflow AGC to apply fast control action on stand
1 HGC. Massflow AGC is based on massflow constancy
principle, i.e. the material entering the stand is
equal to the one going out of the stand.
INNOVATION

Fig. 5 - A weld is passing through the mill: the change of references is calculated
and applied stand by stand.
Fig. 5 - Una saldatura sta passando attraverso le gabbie: il cambio di riferimenti
viene calcolato ed applicato gabbia per gabbia.
Fig. 6 - A minimum thickness of 140μm has been reached during a test aimed at
demonstrating the feasibility of so a thin thickness in a tandem mill (Continuous
Tandem Mill - PRC).
Fig. 6 - Lo spessore minimo di 140μm è stato ottenuto in un test volto a dimostrare
la capacità dell’impianto di realizzare uno spessore così sottile
in un tandem a freddo (Tandem Continuo - Cina).
Fig. 7 - A coil with non-uniform thickness (e.g., due to skid marks at hot rolling)
enters the 1st stand: AGC works very effectively so to bring the exit thickness
within the tolerances (Tandem Mill - Italy)
Fig. 7 - Un nastro con spessore non uniforme (p. es., a causa di skid-marks durante
la laminazione a caldo) entra nella prima gabbia: l’AGC lavora
molto efficientemente e mantiene lo spessore entro le tolleranze (Tandem
- Italy)
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Mass Flow
HGC 1
Mass Flow Monitor
Roberta Gatti & Sergio Murgia
HGC 2 HGC 3 HGC 4 HGC 5
MASS FLOW AGC AGC MONITOR
laser speedometer
X-ray thickness gauge
Monitor
Speed 4 Speed 5
tensiometer
Feedback
ATC
by load
EXIT AGC
Fig. 8 - Thickness and Tension control at a glance Fig. 8 - Un colpo d’occhio sui controlli di spessore e di tiro
Top view of the strip,
fiber by fiber
A fiber, side view
S
L
Fig. 9 - Definition of strip flatness Fig. 9 - Definizione di planarità del nastro
INNOVATION
Le
Le
Lm

Fig. 10 - 3D representation of strip flatness error: note that every sample is in
tolerance (±12 I.U.) (Continuous Tandem Mill - Italy)
Fig. 10 - Rappresentazione tridimensionale dell’errore di planarità del nastro:
si noti che tutti i campioni sono in tolleranza (±12 I.U.) (Tandem Continuo
- Italia)
As in cold rolling strip width remains constant, we can
write:
hIN · vIN = hOUT · vOUT where hIN: entry thickness,
hOUT: exit thickness,
vIN: strip entry linear speed,
vOUT: strip exit linear speed.
Then Massflow AGC considers as error the following:
εmassflow = vIN _ h* OUT
vOUT hIN where h* OUT: stand 1 exit nominal thickness.
Clearly, nullifying εmassflow means obtaining strip exiting
the 1st stand at the thickness calculated by the
mathematical models.
Failures in sensitive sensors such as laser speedometers
are being handled through encoders that are present
both on entry bridle and stand 1. Massflow AGC can
reach very good performances also in absence of the
laser speedometers: for
example, figure 6 (taken
from a tandem mill without
lasers) shows that
stand 1 exit thickness is
maintained constant by
the control in spite of the
entry thickness changes
and of the rolling speed
changes.
AGC Massflow can operate
coupled with a
monitor function (Massflow
Monitor) aiming to
compensate for the massflow
estimation errors
(measure errors, slipping…),
basing on the
thickness deviation feedback
coming from the
gauge at stand 1 exit.
Automatic Flatness
Control (AFC)
The strip flatness is the
most important product
characteristic, along with
thickness, to which the
steel market is extremely sensitive.
A basic requirement is that the cold rolled strip must
be flat and completely free of camber; flatness defects
in the final product will occur if the residual stresses
remaining after rolling exceed critical values.
tension
from the last
stand
forces
tension
to Rewind Reel
rolling direction
Fig. 11 - Working scheme of the shapemeter: the rotors measure the vertical forces
Fig. 11 - Schema operativo dello shapemeter: i rotori misurano le forze verticali
25

26
In this case, the strip will show flatness defects as wavy
edges or centre buckles.
Fig. 9 illustrates the flatness definition, while fig. 10
shows a snapshot of the 3d representation of flatness
measured during rolling.
Consider that the guaranteed tolerances range around
10 I.U. (International Units) and this means to detect
and control a delta length between the wavy and the
tight fibers of 1 mm only in a wave 10 meters long!
Strip flatness is measured with a shapemeter: a segmented
roll located at the 5th stand exit which measures,
rotor by rotor, the vertical forces to which the
strip is subjected during rolling, across the width of
the strip (see fig. 11); it is then mathematically possible
to obtain the longitudinal tensions from the forces
and, from them, the flatness index of the strip.
Roberta Gatti & Sergio Murgia
Roll Selective Cooling Shapemeter
Roll Bending
Roll Shifting
Tilting (differential gap)
Asymmetric
Symmetric
Local
ASI’s flatness control processes rough measurements
coming from the shapemeter in order to extract the
three components of the error that the available actuators
can most efficiently correct (see fig. 12); bending
and intermediate shifting quickly and accurately compensates
for symmetrical defects, while tilting acts on
the asymmetrical defects in the strip.
Localized defects, usually a result of thermal phenomena,
can be efficiently corrected by selective cooling
sprays: they have a slow dynamic, but can act on a
precise area of the strip.
A Feedforward Force Compensation function (FFC)
calculates a further contribution of bending, taking
into account that the force can change during rolling,
e.g. due to corrections from AGC, or from ATC.
Shape Signal
Components
Fig. 12 - The 3 components of shape error are corrected separately Fig. 12 - Le 3 componenti dell’errore di planarità sono corrette separatamente
INNOVATION

La fig. 9 illustra la definizione di planarità, mentre la fig.
10 mostra una rappresentazione tridimensionale della planarità
misurata durante la laminazione. Si consideri che
l’intervallo di tolleranza garantito è intorno alle 10 I.U., il
che significa rilevare e controllare una differenza di lunghezza
tra la fibra ondeggiante e quella tesa di 1 solo mm
su un’onda lunga 10 m!
La planarità del nastro è misurata con uno shapemeter: si
tratta di un rullo segmentato posizionato all’uscita della
quinta gabbia in grado di misurare, rotore per rotore, le
forze verticali a cui il nastro è soggetto durante la laminazione,
sulla larghezza del nastro stesso (v. fig. 11); dopodiché,
dalle forze è possibile calcolare matematicamente i
tiri longitudinali e, da essi, l’indice di planarità del nastro.
Il controllo di planarità di ASI processa le misure grezze
provenienti dallo shapemeter ed estrae le tre componenti
dell’errore che possono essere efficacemente correcti dagli
attuatori disponibili (v. fig. 12); il bending e lo shifting intermedio
sono in grado di correggere velocemente ed accuratamente
i difetti simmetrici, mentre il tilting (posizione
differenziale dei cilindri) agisce sui difetti asimmetrici del
nastro. I difetti locali, che di solito sono il risultato di fenomeni
termici, possono essere efficacemente corretti mediante
il raffreddamento selettivo dei cilindri di lavoro:
hanno una dinamica lenta, ma possono agire su ben precise
zone del nastro. Infine, la funzione di compensazione
di forza in anello aperto calcola un ulteriore contributo di
bending in base alle variazioni di forza che possono avvenire
durante la laminazione, p. es., dovute a correzioni dell’AGC
o dell’ATC.
Fig. 13 - 5-Stand Tandem Mill (PRC) Fig. 13 - Tandem a 5 gabbie (China)
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