（机械工程专业论文）单机架可逆式冷轧机板厚控制策略研究.pdf

中文摘要 厚度与板形精度是板带产品的两大质量指标。目前随着轧制理论、控制理论 和人工智能理论的发展，以及它们在轧制工程中的应用，使得板带产品的厚度精 度与板形指标有了很大程度的提高。然而，对单机架可逆式冷带轧机采用专门的 控制技术，用以实现对板带材的高精度控制，仍是板厚控制领域研究的热点问题 之一。 本文在剖析唐山钢铁集团有限公司1 6 5 0 咖单机架可逆式冷轧机的基础上， 探讨了厚度控制系统的理论与实现，对厚度控制系统及相关理论进行了全面系统 的研究，为今后研究更高精度的轧机控制系统提供理论依据。 研究了液压压下控制系统的工作方式以及伺服阀线性控制的实现方法，建立 了板带轧机液压a g c 系统的动态模型，仿真了系统参数变化对轧制厚度及系统的 动态品质的影响。仿真结果与理论分析及实际工况相一致，结果表明，所建立动 态模型简单且便于分析轧制过程中各种因素对最后轧制精度的影响。 通过试验得出a p c 方式下的开环和闭环传递函数；研究和分析了实际系统 b i s r aa g c 的实现模型，理论推导出b i s r aa g c 不仅不能消除来自轧机方面的干 扰，而且还对其有放大作用的结论；研究了厚度闭环系统的主要问题，调节器参 数的自适应控制。 最后，本文深入研究了轧辊偏心对板带材厚度的影响，论述了轧辊偏心的两 种基本类型，阐明了轧辊偏心的特点、产生原因、偏心测量，指出了轧辊偏心对 板厚的影响。深入研究了一种新的轧辊偏心补偿方案，由于通过数字程序直接实 现，避免了传统的偏心补偿方案的缺陷。 关键词：可逆冷轧机；板厚控制；液压a g c ；位置控制系统：偏心补偿 a b s t r a c t t h eg a u g ea c c u r a c ya n df l a t n e s sa r et w ok e yq u a l i t yt a r g e t si ns t r i pp r o d u c t i o n a tp r e s e n t ，h u g ea d v a n c e m e n t sh a v eb e e nd e d v e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o l l i n g t h e o r y , c o n t r o lt h e o r ya n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et h e o r ya n dw i t ht h e i ra p p l i c a t i o ni n t h er o l l i n gp r o c e s s h o w e v e r , i ti ss t i l lo n eo fr e s e a r c h i n gh o t s p o tp r o b l e mi ns t r i p g a u g ec o n t r o lf i e l dt h a ts i n g l es t a n di n v e r t i b l es t r i pm i l la d o p t ss p e c i a lc o n t r o l t e c h n o l o g ya n da c h i e v e sh i - g hl e v e lc o n t r o la c c u r a c y ， t h e a i mo ft h i ss t u d yi sr e s e a r c h i n gt h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fg a u g ec o n t r o lo n t h es t u d yo f t a n g s h a ns t e e lc o r p o r a t i o n1 ，6 5 0 m mi n v e r t i b l ec o l ds t r i pm i l l a f t e rt h e s y s t e m i ca n dg e n e r a ls t u d yo fg a u g ec o n t r o ls y s t e m ，i tp r o v i d e st h ew a yt ot h eh i g h e r a c c u r a c yr e s e a r c ha n dp r o v i d e st h et h e o r yr e f e r e n c e s t h ei m p r o v e dm e t h o do f h y d r a u l i cp r e s s u r e s c r e w d o w n s y s t e m a n dt h e a c h i e v e m e n to fs e r v o v a l v el i n e a rc o n t r o la r es t u d i e da n da n a l y z e d t h ed y n a m i c m o d e l so fh y d r a u l i cp r e s s u r es c r e w d o w ns y s t e ma n dd e s c r i b e ss i m u l a t i o ns t u d i e so n t h ei n f l u e n c e so ft h ev a r i a t i o n so fs o m es y s t e mp a r a m e t e r so nt h er o l l e dt h i c k n e s s a n dt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ft h es y s t e m t h er e s u l t sa r ei d e n t i c a lw i t ht h e o r ya n d o p e r a t i n gc o n d i t i o ni np r a c t i c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e li ss i m p l ea n d b e n e f i c i a lt oa n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e so ft h ep r o c e s s i n gf a c t o r so nt h et h i c k n e s s a c c u r a c y t h et r a n s f e rf u n c t i o n so fb o t hc l o s e dl o o pa n do p e n e dl o o pa r eg o tf r o m e x p e r i m e n t s a n dt h ea p p l i c a t i o np a t t e r n so fb i s r a a g ca r es t u d i e da n da n a l y z e d i t i sd e d u c e dt h a tb i s r aa g cd o e s n td i s p e li t s e l fd i s t u r b ，b u ta l s ob l o wu pi t t h e m a i n p r o b l e mo fg a u g ec l o s e dl o o ps y s t e m i s a d a p t i v ep r o b l e mo fa d j u s t e r p a r a m e t e r sc o n t r 0 1 f i n a l l yt h i sp a p e ra n a l y z e st h ee f f e c tp r i n c i p l eh o wr o l l e re c c e n t r i c i t ya f f e c ts t r i p g a u g e t w oo fb a s i ct y p e so fr o l le c c e n t r i c i t ya r ed i s c u s s e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ， c a u s ea n dm e a s u r e m e n to fr o l le c c e n t r i c i t yw e r ei n c l u d e d ，t h e ni l l u s t r a t e dh o wr o l l e c c e n t r i c i t yi n f l u e n c es t r i pg a u g e an e wm e t h o do fr o l l e re c c e n t r i c i t yi sd e e p l y r e s e a r c h e d ，a v o i d e dt h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，a t t r i b u t i n gt oc a r r y i n go u td i r e c t l yb y d i g i t a lp r o g r a m s i i k e y w o r d s ：r e v e r s i b l ec o l ds t r i pm i l l ；g a u g ec o n t r o l ；h y d r a u l i ca g c ；p o s i t i o n c o n t r o ls y s t e m ；e c c e n t r i c i t yc o m p e n s a l i o n i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘茔或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘翌有关保留、使用学位论文的 规定。特授权苤鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和 借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学僦文储貔鲥 签字日期：时年，2 月乃f 日 导师签名：丑同1矿ul 签字日期：吖年月乃1 日 第一章绪论 i 1 选题的背景和意义 1 1 1 选题的背景 第一章绪论 对单机架特种轧机采用专门的控制技术，以实现对板带材的高精度控制，是 目前板厚控制领域研究的热点问题之一。唐山钢铁公司冷轧薄板厂新建了一条酸 洗、冷轧、镀锌生产线，其中的单机架可逆式冷轧机每年生产6 0 多万吨钢带，部 分产品进入镀锌线进行加工，该轧机的控制系统包括三部分： 1 6 5 0 咖冷带轧机的厚度控制系统( a g c ) ； 1 6 5 0 衄冷带轧机的板形控制系统( a f c ) ； 1 6 5 0 哪冷带轧机的张力控制系统( a t c ) ； 本课题以唐钢冷轧薄板厂1 6 5 0 m m 单机架可逆式冷带轧机为研究背景，对冷带 轧机厚度自动控制系统进行了深入的研究。针对目前对单机架冷带轧机液压a g c 系统的控制性分析大多集中于仅研究液压系统的响应特性，而未考虑轧机辊系及 轧件本身的特性变化，而实际系统中影响出口板厚的因素很多，这些因素都将使 轧制时工作辊辊缝发生变化，进而影响轧件的出口厚度。在此前提下，实际生产 中非常需建立一种全面且有利于分析轧制过程中各种因素对最后轧制精度影响的 动态模型。 轧辊偏心尤其是支撑辊的偏心会对空载辊缝和轧件出口厚度造成周期性的影 响，并且还影响到板形精度，其作用不容忽视，故轧辊的偏心问题已越来越引起 人们的重视，轧辊的偏心补偿控制也是a g c 的重要组成部分，传统的偏心补偿方 法在实际应用中存在着很大的局限性，因此，提供一种新的偏心测量与补偿的方 法是十分必要的。针对以上问题，本论文深入研究了一种偏心测量与补偿的特殊 方法。 1 1 2 选题的意义 板带厚度精度是板带材的两大质量指标之一，板带厚度控制是板带轧制颁域 的两大关键技术之一。板带厚度精度关系到金属的节约、构建的重量以及强度等 使用性能，为了获得高精度的产品质量，系统必须具有高精度的压下调节系统及 控制系统的支持。 在我国，装备较先进的现代化冷轧机及控制系统基本上都是引进国外设备， 第一章绪论 我国自行研制的轧机因技术含量不高，生产出的产品竞争力较差。每年需进口大 量的高精度板带产品，来满足国民经济的需求。尤其4 0 0 0 余套窄带轧机生产现状 尚不令人满意，厚度精度亟待提高。要对这些轧机实施改造，许多理论和技术 上的问题尚有待进步深入研究。所以，本课题所研究的单机架可逆冷带轧机的 板厚控制问题，不仅为今后研究更高精度的轧机控制系统提供理论依据而且对生 产实践具有非常重要的指导意义。 1 2 板带轧机厚度控制发展概况 板带轧机厚度控制从轧机诞生起，直到由计算机完成各种复杂功能的控制，其 发展过程是随着对板带材尺寸精度要求越来越高而相应发展起来的。板带材轧制 理论近年来已经发展成为- - 1 7 比较完整的技术科学，这种发展是在轧制理论的指 导下，在机、电、仪表和控制设备的基础上，借助电子计算机而取得的。其发展过 程大致可分为以下几个阶段。 第一阶段是二十世纪三十年代以前的人工操作阶段。这一阶段的轧机装机水 平较低，厚度控制是以手动压下或简单的电动压下移动辊缝方式为主。由于当时 各种检测手段尚不完善，轧机的调整和轧制过程的实时调节主要是依靠操作人员 的经验进行。这一阶段，轧制理论仅在后期才刚刚开始建立，远没有达到应用的 程度；单回路调节的控制方法尚未应用于控制轧机这类较复杂的机器。轧制过程 是一个非常复杂的物理过程，轧制条件和! l s j j 状态不断变化，单凭经验操作很难 达到较高要求，只是轧机的各项技术和经济指标都比较低，该阶段的厚度控制尚 未实现自动控制”，。 第二阶段是自三十年代到六十年代的常规自动调整阶段。该阶段轧制理论的 发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础，同时随着自动调节理论和技术的 发展，并逐步应用于轧制过程，使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制 阶段。单回路的各种调节系统不断涌现，主要体现在速度调节系统、张力调节系 统、位置调节系统等。这些自动调节系统的实现，为完善板带轧机的厚度控制提 供了先决条件。 早期的厚度控制是根据测量出口板厚偏差来调节电动压下实现的，如图1 - i 所示。这种装置应用不久就暴露出系列的缺点： ( 1 ) 压下位置改变比较慢； ( 2 ) 传递时间滞后； ( 3 ) 压下电动机容量较大等。 2 第一章绪论 图1 - 1早期的厚度控制系统 1 9 5 2 年，英国h e s s e n b e r g 等d l ，根据出口板厚决定于轧机弹性曲线与轧件塑 性曲线交点而推导出的出口板厚表达式，奠定了板厚控制的理论基础。此后，基 于该解析式的所谓“厚度计”式板厚自动控制方式，几乎镀这一阶段所有新建轧 机所采用。事实上这种自动控制方式一直沿用到六十年代末【4 j 。这种方式的厚控 系统在轧制过程中通过测量轧制压力p 和空载辊缝瓯，利用弹跳方程计算出任 何时刻的实际轧出厚度h ，在这种情况下，就等于把整令轧机作为测量厚度的“厚 度计”。这种间接测量厚度的方法，克服了测量出口板厚偏差来调节电动压下调节 时闰的滞后，使厚度控制的响应时间大大提高。系统组成的大体结构如图1 - 2 所 示。 图】2 厚度计式板厚自动控制系统 以x 射线测厚仪和“厚度计”式测厚，以模拟量和逻辑量的组合进行执行机 构的控制，是这一阶段厚度控制的特点。由此构成的自动调节系统对s l $ i j 过程进 第一章绪论 行有效的实时调节，从而在改善轧制过程中的稳定性，提高板带材产品质量以及 简化操作等方面都取得了明显的效果。 六十年代起，随着计算机技术的发展及应用，计算机技术也逐步渗透到钢铁 行业，使板带产品的生产发生了变革，形成了六十年代至八十年代的计算机控制 阶段，即板厚控制的第三阶段。 计算机在板厚控制中的应用，首先是在热连轧机设定上开始的“1 。穿带过程 中，根据被轧制带材的各种情况，要求快速、最优设定各机架的出口厚度值、辊 缝值以及轧制速度等，单凭经验及简单计算已无能为力了，必须利用计算机运算 才能完成。以厚度计式测厚实现厚度控制，通过计算机进行各机架设定，很好地 解决了热连轧的厚度控制问题。带钢热连轧采用厚度计式厚度控制方式主要有以 下几方面的好处：( 1 ) 减少了带钢后段由于温降造成厚度偏差的影响；( 2 ) 带钢尾 部失张所造成的厚度偏差有所改善；( 3 ) 轧机负载分配有所改善；( 4 ) 借助于活套 装置减少了需要校正的干扰；( 5 ) 带钢的板形和平直度有所改善；( 6 ) 即使有一个 机架的厚度自动控制退出，仍可进行有效的厚度控制。 借助于计算机设定与“厚度计”式厚控方案在带钢热连轧机上成功的应用， 六十年代中期出现了热连轧机发展的鼎盛时期，各国相继改建和新建了一大批热 连轧生产线”1 。与此同时，计算机也逐步以d d c ( 直接数字控制) 形式用于轧制过程， 开始了以计算机设定和计算机为标志的新时代。这一阶段的热连轧机轧制速度可 达2 3 0 0 m m i n ，出口厚度7 m m ，带材精度控制在5 0 p m 以内的可达8 0 以上”1 。热 连轧产品质量有了相当程度的提高，同时在节约人力、简化操作上也有了很大提 高。 六十年代后期，在板带轧机的控制上，逐步过渡到了以计算机设定和以微机 进行d d c 过程控制阶段，并将这种控制方式大量应用于冷连轧机，使得这一阶段 冷连轧机发展很快。但在板厚控制方案上，试图将“厚度计”式厚控方案用于冷 连轧机时遇到了困难，主要原因是“厚度计”式的控制方式与张力调节方式之间 的矛盾，另一方面，冷轧过程中金属的变形抗力非常大，而且随着轧制道次的增 加而变大，仅仅测量轧剑力偏差，由轧机刚度并考虑一些简单的情况来决定出口 厚度偏差已不可能准确。对于板带厚度精度要求较高的冷连轧机来说，在控制方 案上必须寻求新的控制模式。 经过多年的研究，逐步形成了这一阶段冷带连轧机典型的厚度控制系统的基 本思想：在第一、第二机架设置粗调a g c 系统，保证坯料厚度偏差基本上得到消 除；以后机架的精调a g c 系统，由于压下效率低，而且为了保证良好的板形，故 经常采用张力调节作为调厚手段，对带钢厚度再次进行精调控制。如果误差超 出了精调的能力范围就改变第一机架的设定值，按金属秒流量相等的原则重新分 配各机架的压下量，来达到合格的厚度精度。如此实现的带钢冷连轧机厚度控制 4 第一章绪论 系统取得成功，同时由于各种检测设备精度的提高，使这一阶段的冷连轧机发展 迅速，不仅如此，这阶段的板厚控制精度在轧制出厚度为0 3 4 r a m 带材时，可控 制在+ _ l o g m 以内。 七十年代起，液压厚控技术的应用，使板厚控制技术产生了重大变革。液压 厚控系统的响应速度比电动厚控系统快2 个数量级以上，因此，使厚控系统的内 环执行机构可以近似为一个比例环节( 相当于厚控系统的响应速度) ，以实现可变 等效刚度的控制效果。由于液压技术与计算机技术的结合，使这一阶段的板厚控 制技术极大地提高。这一阶段的大部分旧式控制方式的轧机都进行了新的技术改 造。 八十年代末至现在，板厚控制技术向着大型化、高速化、连续化的方向发展， 成为板厚控制技术发展的第四个阶段。这一阶段已将板厚板形控制的全部过程融 入计算机网络控制的自动化级和基础自动化级。在过程控制级的控制中，一方面 采用最优控制、多变量控制、自适应控制、预测控制等控制理论的最新成果，以 追求控制性能的更高水平；另一方面，在监控层的设定计算中，采用人工智能、 模糊控制、神经网络控胄q 等手段，以追求系统的灵活性和多样性。以上两方面的 不断融合，开发出高精度、无人操作的厚度自动控制系统是这一阶段轧机的发展 方向。 在轧制领域中，过程控制技术以板厚及张力控制为主要代表。在这种控制系 统中，充分采用了多年来控制理论的新成果，在高速控制器上构筑控制系统。1 9 9 0 年投产的日本新日铁八幡制铁所自动冷连轧机生产线，其板厚控制系统由3 1 个自 动板厚控制a g c 和8 个回路的自动张力控制a t c 构成。该系统使用实时数字滤波 校正环节，使压下a g c 和速度a o c 互不干涉，a g c 和a t c 互不干涉，在所有机架 安装厚度计和速度计，构成高精度的秒流量控制，最大限度的发挥液压压下装置 的高性能。应用交流传动装置时板厚精度控制在5 以内，成为这一阶段冷连轧 机计算机网络控制的典型代表”1 。 这一阶段中在板厚控制单一技术方面的开发，也产生了相当多的成果。许多 板带轧机的精轧机上装备有数字化的自动控制器，如厚度计a g c ( g a u g em e t e ra g c ) 即g m a g c 、监控a g c 、张力a g c 、前馈a g c 等。可根据工艺需要，选择其中几种 的组合而形成某种轧机的a g c 系统，以满足板带厚度控制之用。为了提高板带头 部厚度控制精度，开发出绝对值a g c ，这种形式的系统以g m a g c 为基础，采用液 压压下，利用各种补偿功能和绝对值锁定方式，实现绝对值a g c 。对于冷连轧机 还开发了质量流a g c 即m f a g c ，在冷连轧机的任意两个机架之间( 或单机架) ，考 虑带钢在机架间的运行速度，将厚度计t g 实现的带钢厚度值延迟到第f + l 机架， 根据秒流量定律计算带材出口厚度向。；其中日是入口厚度，h 是出口厚度，v 是 入口带材速度，v 是出口带材速度，砌是轧辊圆周速度，厂是前滑率，i 是机架号。 第一章绪论 第f + 1 机架出口的带材厚度希望值矗+ u 与上述的m a s sf l o w 带厚矗之差通过p i 控制，反馈到第f 机架的轧辊位置驱动装置来控制带材厚度。机架间的张力耦合 借助于张力极限控制，加在第i + 1 机架的液压压下之上。新开发的m a s sf l o wa g c 可使板厚精度达到0 1 以内，是当前a g c 发展的方向”。 在2 0 世纪最后的十年，世界轧钢技术发展迅速，轧钢生产实现了高度的自动 化、连续化和高精度化。由于对冷轧薄板质量的要求越来越严，因此计算机控制 系统已是冷轧不可缺少的组成部分。随着液压控制系统的广泛应用加上全部控制 都将作用于轧辊_ 车l 件形成的变形区，因此冷轧自动控制系统需满足下列两个要 求：一是高速控制，二是高速通讯。这个“二高”的特点决定了控制系统应是“快 速”分布式计算机控制系统各钢铁企业都加快了薄板生产线改造和建设的步伐。 人工智能技术在轧钢工艺中开始应用，在热轧带钢轧制中利用人工智能技术与数 学模型结合进行轧制力控制已经开始应用于工业生产。 1 3 本文的主要内容 本文在剖析唐山钢铁集团有限公司冷轧薄板厂1 6 5 0 舢单机架可逆式冷带轧 机的基础上，探讨了厚度控制系统的理论与实现，对厚度控制系统及相关理论进 行了全面系统的研究。具体内容如下： ( 1 ) 在研究板厚控制理论的基础上，分析了唐山钢铁公司单机架可逆式冷带轧 机厚度控制系统的组成和工作原理。 ( 2 ) 研究分析了液压压下控制系统的工作方式以及伺服阀线性控制的实现方 法，建立了板带轧机液压a g c 系统的动态模型，仿真了系统参数变化对轧制厚 度及系统的动态品质的影响。仿真结果与理论分析相一致，表明所建立的动态模 型简单且便于分析轧制过程中各种因素对最后轧制精度的影响。 ( 3 ) 通过试验得出了a p c 方式下的开环和闭环传递函数，研究和分析了实际系 统b i s r aa g c 的改进措施和最终实现模型，通过理论分析得出b i s r aa g c 不能消 除来自轧机自身的干扰，而且还对其有放大作用的结论；深入研究了与b i s r ah g c 配合使用的厚度闭环a g c 系统的调节器参数自适应问题。 ( 4 ) 深入剖析了轧辊偏心对板带材厚度的影响，论述了轧辊偏心的基本类型、 特点、产生原因、偏心测量与补偿的常用方法，指出了轧辊偏心对板厚的影响； 深入研究了一种特殊的轧辊偏心补偿方案全数字测量和数据处理方式，避免了 传统的偏心补偿方案的缺陷。 6 第二章轧机扳厚控制理论研究 第二章轧机板厚控制理论研究 厚度是板带材最主要的质量标志之一，厚度自动控制是现代板带材生产中不 可缺少的重要组成部分。 厚度自动控制系统是通过测厚仪或传感器对带材实际轧出厚度连续进行测 量，并根据实测值与给定值比较后的偏差信号，借助于控制回路或计算机的功能 程序，改变压下装置、张力或轧制速度，把带材出口厚度控制在允许的偏差范围 内。实现厚度自动控制的系统称为“a g c ”( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 。 2 1轧机的弹性变形与弹跳方程 轧制时，在轧制压力的作用下，轧机工作机座( 轧辊及轴承、压下装置和机架 等) 产生一定量的弹性变形。工作机座的总变形量可达2 - 6 啪。工作机座的弹性变 形将影响轧辊的开口度和辊形，从而对轧制产品的精度造成影响，尤其对轧制薄 而宽的板带材产品，影响更大。 轧件进入轧辊辊缝前，轧辊的开口度( 称为空载辊缝或原始辊缝) 为& ，轧件 进入轧辊辊缝后，在轧制力p 的作用下，工作机座在轧辊辊身中部产生了变形厂， 使辊缝增大，同时轧辊产生弯曲变形，使与轧件接触的轧辊形状呈凹形( 假设轧辊 原始辊形为圆柱形) 。弹性变形的结果使实际压下量减小，轧件出口厚度大于空载 辊缝值，沿轧件宽度方向的厚度不均匀，即出现横向厚差。轧制后的轧件厚度为 h = s o + f ( 2 - 1 ) 式中h 一轧后的轧件厚度( 简称轧件厚度) ； 瓯一空载辊缝； ，r 一机座弹性变形( 机座在轧辊辊身中部的弹性变形) ； 由此可见，要得到厚度为h 的轧件，应把空载辊缝s 。调整到比厚度h 小一个 机座弹性变形量厂的值上。 机座的弹性变形可分为两部分：一部分是轧辊( 或辊系) 的变形，它包括轧辊 的弯曲变形和弹性压扁。这部分变形除了加大轧辊实际辊缝外，还使辊缝在轧件 宽度方向上产生不均匀的变化；另一部分是除轧辊以外的各受力零件的变形，它 包括轧辊轴承和轴承座、垫块、压下装置等零件产生的压缩变形，机架立柱的拉 伸变形和机架横粱的弯曲变形等。这部分变形使轧辊实际辊缝均匀增大。 机座的弹性变形与轧制力有关。机座的弹性变形量厂与轧制力p 之间的关系 7 第二章轧机扳厚控制理论研究 曲线，称为弹性变形曲线或弹跳曲线，如图2 - 1 所示。 图2 - l 机座弹性变形曲线 由弹性变形曲线可知，当轧制力较小时，机座弹性变形与轧制力成非线性关 系，这是由于机座各零件之闻的接触面凹凸不平和轧辊的非线性接触变形造成的。 当轧制力达到一定数值后，机座弹性变形与轧制力成线性关系。由于通常不在低 负荷区轧制，故一般都把弹性变形曲线看成是线性的。 因此，机座弹性变形曲线的斜率，用下式表示： m = i g a = p 矽( 2 2 ) 式中 必一称为轧机的纵向刚度系数； a p 一轧制力变化量； 4 厂一弹性变形的变化量。 轧机的纵向刚度系数的物理意义是使轧机产生单位形变所需的轧制压力，它 表征了机座抵抗弹性变形的能力。一般认为，机座的纵向刚度系数越大，轧机控 制轧件纵向厚差的能力越强。 由图2 1 可见，轧制后的轧件厚度h 可近似的表示为“” h m s o + p m ( 2 - 3 ) 式中户一轧制压力。 该式称为机座的弹跳方程。它表示了轧件厚度与空载辊缝、轧制压力和轧机 纵向刚度系数之间的关系，是轧机自动厚度控制系统的一个基本方程。 由于机座各零件之间的非线性接触变形不稳定，每次换辊之后都有变化，故 弹跳曲线中的非线性部分经常是变化的，因此式( 2 - 3 ) 很难在实际当中应用。 在实际生产中，为了消除上述的不稳定和非线性影响，先将轧辊预压靠到一 定的压力只，并将此时的轧辊辊缝指示器读数设置为零，称为人工零位。见图2 2 ， 图中的弹跳曲线a 就是预压靠曲线。在零位点处轧辊开始接触，当压靠力为只时， 8 第二章轧机扳厚控制理论研究 牟l 辊空载辊缝为一s ，是一个负值。以此点作为人工零位，即将压靠力为r 时轧 辊辊缝指示器读数设为零( 称为清零) 。显然，当压靠力等于零时，实际的空载辊 缝为零，而辊缝指示器读数则为s n 。如果轧辊上升，当实际的空载辊缝为s 时， 辊缝指示器读数则为& = s + & 。曲线爿为在此辊缝下的机座弹跳曲线，它与压 靠曲线a 是完全对称的。因此，弹跳方程可表示为 h = s o 。+ ( 尸一只) m ( 2 4 ) 式中 瓯一人工零位后空载辊缝指示值； p n 一人工零位时的预压靠力。 户。 - 夕 二 卜s 同k ， 。劂。ls 。 盥 矗 盖p _ 叫。m ：h 7 r： 图2 - 2 人工零位时的弹跳曲线 2 2 轧制压力及其影响因素 在轧制过程中，轧件在轧辊间承受轧制力的作用而产生塑性变形，与此同时， 轧件也给各轧辊以大小相等的反作用力，称为轧制压力。 影响轧制压力的主要因素包括相对压下量、轧件的塑性变形抗力、张力和接 触表面摩擦系数等。 ( 1 ) 相对压下量在其他条件不变的情况下，随着相对压下量的增加，轧割力 增大。这是由于随着相对压下量的增加，不仅变形区的长度增加，单位轧制力也 增加。 ( 2 ) 轧件的塑性变形抗力金属的塑性变形抗力是指在一定变形温度、变形速 度和变形程度条件下，单向拉伸( 或压缩) 的屈服极限( 又称真实应力) ，一般用o r 。表 示。金属的塑性变形抗力仅与材料的性质、变形温度、变形速度和变形程度有关， 而与应力状态的种类无关。 9 第二章轧机板厚控制理论研究 ( 3 ) 张力采用张力 l 制是冷轧板带的工艺特点之。采用张力轧制使轧制力 显著降低，并且张力越大，轧制压力越小。不论前张力或后张力均能使轧制力减 小，但前张力的作用效果更大。 ( 4 ) 接触表面摩擦系数轧辊与轧件间接触表面摩擦系数对轧制压力的影响 也很大。摩擦系数越大，轧制压力也越大。热轧时的摩擦系数主要与轧辊表面粗 糙度、轧辊温度和轧制速度有关。冷轧时的摩擦系数主要与润滑剂的种类、轧辊 表面粗糙度、轧制速度和温度有关。一般而言，随着车l s t j 速度的提高，摩擦系数 降低。热轧时，轧辊温度越高，摩擦系数越小，冷轧时则相反。 2 3 轧件的塑性变形与塑性方程 在定的轧件宽度和轧辊半径条件下，轧制力p 是所轧带材宽度b ，来料厚 度h ，出口厚度h ，摩擦系数j ，前、后张力t 、瓦以及变形抗力0 4 等的函数， 可表示为 p = p ( h ，h ，0 ，瓦，巧，b ) ( 2 - 5 ) 称其为金属压力方程。 当把除h 以外所有变量都视为常量时，轧制力与出口厚度h 的关系表示为 p = ( )( 2 6 ) 关系曲线称为轧件的塑性变形曲线，如图2 3 所示。 p p hh h 图2 - 3 轧件塑性变形曲线 轧件的塑性变形曲线是非线性的，但在一般的轧机使用的压下量范围内基本 是线性的。轧件塑性变形曲线的斜率，称为轧件的塑性刚度系数，可表示为 q = - o p a h( 2 - 7 ) 0 第二章轧机板厚控制理论研究 式中 q 一轧件塑性刚度系数。 轧件塑性刚度系数9 反映了轧件变形的难易程度，即轧件的软硬程度。轧件 的塑性变形曲线及轧件塑性刚度系数可以通过实验得到。在轧件来料厚度、张力、 摩擦系数及变形抗力等不变的条件下，改变轧后厚度h ，可测得一系列相对应的 轧制压力p 。再根据测得的数据，既可绘制出轧件塑性变形曲线，进而得n s l 件 塑性刚度系数。 当轧制条件变化时，塑性曲线及塑性刚度系数也随之发生变化。在一定的轧 制压力下，轧件来料厚度愈薄，塑性曲线愈陡；轧件塑性刚度系数愈大，压下量 愈小；而张力愈大，塑性曲线愈平缓，轧件塑性刚度系数愈小，轧后轧件厚度就 愈薄；摩擦系数愈大，曲线愈陡，轧件刚度系数和轧后轧件厚度也愈大、愈薄。 2 4 轧机弹塑曲线( p - h 图) 的应用 轧机弹跳曲线与轧件的塑性曲线及其方程，从不同的方面反映了轧制压力p 与轧件厚度h 的关系。将弹跳方程与塑性方程联立求解，即可得到轧件的厚度h 。 如果采用图解法，将弹跳曲线与塑性曲线绘制在图示坐标系内，即可得到轧 机的弹塑曲线( p h 图) ，如图2 - 4 所示。两曲线交点的横坐标即为轧制后的轧件 厚度h 。其中曲线a 为轧机的塑性曲线，曲线b 为轧件的弹跳曲线。曲线占的斜 率即是轧机刚度m 曲线a 的斜率是轧件的塑性刚度q ，它表征了使轧件产生单 位变形所需的轧制力【3 5 1 p h 图直观的表示了机座弹性变形与轧件塑性变形的情况，利用该图可以综 合研究变形区轧件与轧机间的相互作用力与变形的关系。p - h 图是目前分析厚差 和板厚控制问题的一个重要工具。 0 口 | | ， 刊。l 办h ， 图2 4 轧机p h 图 第二章轧机扳厚控制理论研究 2 4 1 轧件厚度波动的原因 由弹跳方程式( 2 3 ) 可见，轧制后的轧件厚度主要取决于空载辊缝、轧制压力、 轧机纵向刚度系数这三个因素。因此，无论是分析造成轧件厚度波动的原因，还 是阐明板厚控制的基本原理，都应该从对这三个因素的分析入手。 ( 1 ) 空载辊缝的交化轧辊的偏心、磨损和热胀都会使实际的空载辊缝瓯发 生变化，从而使轧制后轧件厚度产生波动。当空载辊缝增加时，弹跳曲线向右移， 从而使轧件轧后厚度增加。反之减小。 ( 2 1 轧制压力的波动轧制压力的波动是造成轧件厚度波动的主要因素。所有 影响轧制力的因素都会影响到轧件塑性变形曲线的相对位置和斜率，通过改变弹 跳曲线和塑性曲线交点的位置，来控制轧件的实际轧出厚度。 a 当来料厚度增大时，塑性曲线的起始位置右移，轧制压力增大，使轧件厚 度增大；反之，轧件厚度就减少。所以。当来料厚度不均时，轧出的轧件厚度就 会出现相应的波动。这种情况虽然通过厚度控制能够得到改善，但最终难以完全 消除。因此，要得到高精度的轧件轧后厚度，来料厚度必须要求在一定的公差范 围内。 b 当张力增大时，轧制压力减少，塑性曲线的斜率交小，轧件厚度变薄。 c 当轧件与轧辊间摩擦系数减小时，轧制压力会降低，塑性曲线的斜率变小， 轧件厚度变薄。轧制速度对实际轧出厚度的影响，也主要是通过对摩擦系数的影 响而起作用的。 d 当变形抗力增大时，轧制压力增大，塑性曲线的斜率增大，轧件厚度变厚， 所以，当来料力学性能不均或轧制温度、轧制速度发生变化时，由于造成轧件的 变形抗力波动，轧出的轧件厚度将会产生相应的波动。 ( 3 ) 轧机纵向刚度系数的变化轧制过程中，由于轧辊的磨损和热涨沿辊身长 度方向的分布不均，将使轧辊间的接触状况发生变化，造成辊系的弹性变形量的 波动，即轧机的纵向刚度系数发生变化。另外，轧件变形抗力的波动，也会通过 影响变形区工作辊的弹性压扁，而使轧机的纵向刚度系数发生变化。当纵向刚度 系数增加时，则轧机的弹性变形减小，实际的轧出厚度减小，反之增加。 因此，定义一个等效纵向刚度系数m 。，来控制轧机的厚度调节能力， 虬= m ( 1 一d ) 式中 口一补偿系数。 在实际轧制过程中，以上诸因素对轧件实际轧出厚度的影响都不是孤立的， 往往是同时作用。因此，在厚度控制中必须综合考虑各因素。 通过以上分析可知，在图2 - 4 中曲线a 、b 的交点o 决定了实际轧制力的大 1 2 第二章轧机板厚控制理论研究 小，从而决定了该道次的实际轧出厚度h ，因此，一切影响曲线a 、b 的交点。 位置的因素，都将影响轧件的出口厚度。板带材的厚度控制就是力图在交点位置 变化的情况下，维持交点的横坐标h 不变，来保证轧件厚差。 2 4 2 板带材厚度控制的基本方式 板带材几何尺寸包括纵向厚差、横向厚差和板形。纵向厚差是指板宽中点沿 轧制方向的厚度之差，横向厚差是指板带材同一横断面上中点与边部的厚度之差， 板形直观上讲是指板带材的翘曲程度，实质上是指板带材内部残余应力沿横向的 分布。本文以带材纵向厚差的控制方式为主要研究内容。 分析式( 2 - 5 ) 与( 2 6 ) 可知，能够由外部可交因素影响轧件出e l 厚度的是辊缝瓯 和带材的前后张力乃、瓦。因此，调整压下来改变空载辊缝和调整带材的前后张 力，就构成了板厚控制的两种基本方式。 ( 1 ) 调整压下调整压下是厚度控制的最主要和最有效的方式【1 l 】。它是通过改 变空载辊缝的大小来消除各种因素变化对轧出厚度的影响。 对式( 2 - 3 ) 与( 2 5 ) 分别取增量，并忽略高次项可得 幽= 峨+ 詈 ( 2 - 8 ) p ：竺a h + 堡硝+ 丝a b + 一a p 鲰+ 。 ( 2 - 9 ) c 3 ha h 8 b8 l l 1、 将式( 2 9 ) 改写为 a p = 一9 五+ e( 2 l o ) 式中q 为塑性曲线在工作点处的斜率，邮= 筹肼+ 堡0 b 曲+ 盖掣+ ，蜗是 外扰量日、b 、u 、等因素引起的轧制力变化量。联立式( 2 8 ) 和( 2 一l o ) ，得 幽= 南卜+ 等) c z m m + o 、 m 、。 式( 2 1 1 ) 相应的结构图如图2 5 所示。 当蚯中的某些因素引起出口厚度变化时，通过测量厚度偏差幽，改变空载 辊缝5 s o = ( 1 + q m ) a h ，即可维持厚度不变。由此机理构成的厚度控制系统称为 辊缝自动厚度控制系统，简称辊缝a g c 。根据从干扰量e 分离出来的可测因素不 同，即可构成各种补偿控制形式的厚度控制系统。但补偿控制属于开环控制，它 必须是在基本的a g c 基础上增加的控制形式。补偿控制的特点是控制速度快，控 制量无须进行反馈就可实现控制。但当补偿控制量选择不当时，容易引起系统的 不稳定。 第二章轧机板厚控制理论研究 图2 - 5 辊缝控制结构图 ( 2 ) 调整张力在连轧机或可逆式板带轧机上，除了调整压下进行板厚控制以 外，还可通过改变前后张力进行厚度控制“”。 对式( 2 5 ) 取增量式，并忽略高此项，得 凹= 筹劬+ 筹耳+ 盖瓦+ 竺o h h + ( 2 - 1 2 ) 砌a l 7 a l 9 将式( 2 1 2 ) 改写为 a p = 一q t d + c ，a t , + c 6 瓦+ a e ( 2 1 3 ) 式中c ，= 等，c 。= 器，峨= 詈h + 嚣衄+ 嚣肇+ - 。c ，、c o 分别称 为前后张力对轧制力的影响系数。e 是外扰量日、b 、u 、口。等因素引起的 轧制力变化量。联立式( 2 8 ) 和( 2 - 1 3 ) ，得 酗= 彘蝇+ 丽c i 即彘即南峨睁1 4 )m + o 、 m + o j m + o m + o i 当保持空载辊缝不变，即丛。= 0 时，得 岛= _ = ：! 二，+ ：一瓦+ 兰一只 ( 2 一1 5 ) 肋+ q m + q m + q 上式结构图如图2 - 6 。 当峨中的某些因素引起出口厚度变化时，通过测量厚度偏差，改变张力 弓= ( 肘+ q ) 幽，q ( 或瓦= ( m + q ) 劬g ) ，即可维持出口厚度不变。由此构 成的系统称为张力自动厚度控制系统，简称张力a g c 。根据从干扰量只中分离 出的可测因素，改变张力= 峨，c ，( 或瓦= 峨g ) ，即可保持幽= 0 ，由 此构成各种补偿控制形式的张力a g c 系统。在通过改变张力调整厚度时，一般改 变后张力更为有效，而且只作为厚度偏差的微调。 张力控制的优点是反应速度快( 较之电动压下厚控) 且易于稳定，可使厚度 控制更准确。其缺点是热轧带材和冷轧较薄的带材时，为防止拉窄和拉断轧件， 第二章轧机板厚控制理论研究 张力变化范围不能过大。这种方法在冷轧使用的较多，热轧一般不用，但有时在 末架采用张力微调。冷轧时，往往把压下厚控和张力厚控配合使用。当厚差较小 时，在张力允许范围内采用张力微调：当厚差较大时，则采用压下进行厚控。 2 5 本章小结 图2 - 6 张力控制结构图 本章的主要内容是对轧机板厚控制理论的研究。首先从轧机的弹性变形和弹 跳方程切入课题，接着介绍了轧件的塑性变形与塑性方程，进而得到了目前分析 厚差与板厚控制问题的重要工具一轧机的弹塑曲线即p - h 图，并运用轧机的弹塑 曲线详细分析了轧件厚度波动的原因，接着分析了板带轧机厚度控制系统的两种 基本方式，调整压下来改变空载辊缝和调整带材的前后张力。 第三章唐钢| 6 5 0 m m 冷轧机厚度控制系统研究 第三章唐钢16 5 0 r a m 冷轧机厚度控制系统研究 1 6 5 0 m m 可逆冷轧机是唐山钢铁公司在2 0 0 4 年从奥钢联公司( 机械) 和日本三 菱公司( 电气) 引进的四辊可逆冷轧机，其主体设备见图3 一l 所示。 图3 - i1 6 5 0 m m 可逆式冷轧机的主体设备 该轧机的具有以下主要特点： ( 1 ) 最大轧制速度为1 2 5 0 m m i n ，这个速度足以在6 5 0 0 小时内生产出6 0 万吨 产品。 ( 2 ) 轧制力由上部长行程的液压缸定位提供，伺服阀控制。液压缸的位置由安 装在活塞中的数字位置传感器检测。 ( 3 ) i 作辊由四列圆锥滚子轴承支承，支承辊由滚柱轴承支承。 ( 4 ) 轧线调整是通过轧机窗口底部的斜楔式设备完成的。它允许不同的轧辊直 径，却保持恒定的轧线位置。 ( 5 ) 工作辊弯辊系统提供正负弯辊，弯辊系统位于固定在牌坊上的弯辊块上。 1 6 第三章唐钢1 6 5 0 m m 冷轧机厚度控制系统研究 这种设计可以不用拆开与液压缸的连接就可换辊，并且可提供大的弯辊力，获得 非常有效的板形控制。 ( 6 ) 采用工作辊窜辊，它允许实现不对称的凸度，以优化板形控制。 ( 7 ) 轧辊