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.