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摘要 由于公司初步涉入高精度铜板带的生产，技术人员和操作人员大 多缺乏对产生板形缺陷原因的认识，在板形调控手段的应用上存在很 大的盲目性，导致产品的板形质量不稳定。 本文根据铜陵金威铜业有限公司1 2 5 0 铜板带粗轧机组和其所配 置的a b b 板形控制系统的实际应用情况，针对铜板带材在实际生产过 程中的板形质量问题，通过理论分析，对粗轧机预设定模型和板形控 制模型进行研究，并结合板形模式识别中存在的实际问题主要做了以 下工作： 1 、阐述了板形的基本概念、板形控制策略及板形控制研究现状。 2 、对a b b 板形系统在实际生产过程中的应用进行了较深入的研 究，找出a b b 板形系统存在的问题，并提出改进的方案。 3 、利用勒让德正交多项式的三对两两互反特性，来表示六种板 形基本模式，提出改进的板形模式识别方法，即提出基于加权海明 ( h a m m i n g ) 距离差的模糊模式识别。避免了多项式回归所带来的回 归计算量较大，抗干扰能力差的缺点。 4 、结合实例，计算结果表明，改进的方法，提高了板形模式识 别的精度和速度。 5 、建立了粗轧机板形标准曲线的设定模型，推导出三个隶属度 分别代表勒让德正交多项式的一次、二次、四次的板形的特征参数。 明确了目标曲线中各个参数的实际操控意义。新的板形标准曲线对提 高轧机的现场调节能力和带材的板形质量具有重要指导意义。 关键词铜板带粗轧，a b b 板形，板形模式识别，海明距离差，板形 控制 a b s t r a c t b e c a u s eo fs e t t i n gf o o ti np r o d u c t i o nt h e h i g hp r e c i s i o nc o p p e r s t r i p s b u tn o w ，t h ee n g i n e e ra n do p e r a t o r sn o to n l yl a c kk n o w l e d g e a b o u tr e a s o n so fr e s u l t e d s t r i pf l a t n e s sd e f a u l t s ，b u ta l s oo c c u rg r e a t b l i n d n e s sw h e na d j u s t i n gd i f f e r e n ta c t u a t o r sf o rg o o d s t r i pf l a t n e s s ， w h i c hl e a dt ou n s t e a d i n e s so f s t r i pf l a t n e s sq u a l i t y t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea p p l i c a t i o ns t a t u so ft o n g l i n gj i n v i c o p p e rc o r p o r a t i o n s12 5 0c o p p e rs h e e t sa n ds t r i p sc o l dr o u g h i n gm i l l a n di t s c o m p o s e do fa b bs y s t e mo ff l a t n e s sc o n t r o l ，a i m e da t t h e f l a t n e s sq u a l i t yo fc o p p e rs h e e t sa n ds t r i p si np r o d u c i n g t h r o u g ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，ar e s e a r c hf o rp r e s e t t i n gm o d e la n df l a t n e s sc o n t r o l m o d e li nt h e r o u g h i n gm i l l ，a n dc o m b i n i n gw i t hf l a t n e s sp a t t e r n r e c o g n i t i o np r o b l e m ，s o m ew o r km o s t l ya b o u tt h e s eh a v eb e e nd o n e ， w h i c hi sa sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e re x p l a i n sb a s i cc o n c e p t i o no ff l a t n e s s ，f l a t n e s sc o n t r o l l a w , a n df l a t n e s sc o n t r o ls t u d yo nc u r r e n ts i t u a t i o n 2 as y n t h e s i sa n a l y s i sh a sb e e nm a d ei na p p l i c a t i o ns t a t u so ft h e f l a t n e s ss y s t e mp r o d u c t i o na c t u a l i t y , t h ep r o b l e m so ft h ep r e v i o u sf l a t n e s s s y s t e mh a v e b e e ns h o w na n da na m e l i o r a t i v ep l a nh a sb e e nb r o u g h t f o r w a r di nt h i sp a p e r 3 t h i sp a p e re x p l a i n sam e t h o do ff l a t n e s sp a r e m r e c o g n i t i o n ，i e ， u t i l i z e sc h a r a c t e ro ft h r e ep a i ro fl e g e n d r eo i t h o g o n a lp o l y n o m i a l s o p p o s i t ee a c ho t h e rt os h o ws i xf l a t n e s st y p i c a lp a t t e r n s ，b a s e so nt h e f u z z yr e c o g n i t i o nm e t h o d so fm a r g i no fw e i g h th a m m i n gd i s t a n c et o m a k i n g f l a t n e s s p a t t e mr e c o g n i t i o n a v o i d e d d e f e c to fp o l y n o m i a l s r e g r e s sb r i n g i n gg r e a tc a l c u l a t i o na n db a d a n t i i n t e r f e r e 4 t h er e s u l to fp r o v e st h a tt h ea m e l i o r a t i v em e t h o di m p r o v e s p r e c i s i o na n ds p e e di nf l a t n e s sp a t t e r nr e c o g n i t i o nb yl i s t i n ge x a m p l e 5 ap r e s e t t i n gm o d e lo ff l a t n e s st a r g e tc u r v ei nc o l dr o u g h i n gm i l l w a se s t a b l i s h e d t h i sp a p e ri n f e r st h r e em e m b e r s h i pg r a d e st oe x p r e s s e a c h o ff l a t n e s sc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r o f l e g e n d r eo r t h o g o n a l p o l y n o m i a lt e r mo f f i r s td e g r e e ，t e r mo f s e c o n dd e g r e ea n dt e r mo ff o u r t h d e g r e e t h ep a r a m e t e r so f t h et a r g e tc u r v ei sa n a l y z e da n dm a d es u r eo f t h e i rm e a n i n g so fp r a c t i c a lu s e t h ed i f f e r e n tp a r a m e t e rc o r r e s p o n d i n gt o f l a t n e s st y p i c a lp a t t e r n si sp r o v i d e d t h en e wt a r g e tc u r v eh a v ea n i m p o r t a n ts u p e r v i s em e a n i n go ni m p r o v i n ga d j u s t i n gc a p a b i l i t yi nc o l d r o u g h i n gm i l la n da m e l i o r a t i n gs t r i pf l a t n e s sq u a l i t y k e yw o r d s c o p p e rs h e e t sa n ds t r i p sr o u g h i n gm i l l ，a b b f l a t n e s s ， l v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题基本状况 本文以“基于加权海明距离差的板形模式识别方法及其工程应用研究 为研 究课题。 1 1 1 公司概况 铜陵金威铜业有限公司是由铜陵有色金属控股公司与加拿大威斯诺易 ( v i c e r o yc a p i t a l ) 公司共同出资设立的一家中外合资铜加工企业。公司于2 0 0 3 年1 1 月2 7 同经国家商务部批准，同年1 2 月l o 日在国家工商总局正式登记成立。 公司所建年产l o 万吨高精度铜及铜合金板带材项目，是国家“第7 批 国债项 目和安徽省“8 6 1 计划 重点项目。项目总投资1 7 8 亿元，占地4 5 0 余亩。一 期设计年产6 万吨铜板带生产能力，于2 0 0 6 年建成试生产。 公司采用国内外先进、成熟、可靠的生产工艺，其中熔铸车间采用“感应炉 熔炼一连续或半连续铸造工艺 ；板带车间选用国外大型铜板带企业普遍采用 的“大铸锭一热轧一铣面一冷轧一退火一精整的生产工艺。主要生 产设备从国外引进，配备国际一流的自动控制系统。其产品最大宽度为1 2 5 0 m m ， 最小厚度为0 0 5 m m ，目前可生产5 个铜及铜合金系列、上百个规格，可广泛应 用于高品质要求的电子信息产业、汽车、军工、机电、仪器仪表、日用五金和装 饰等领域。 金威公司生产工艺流程图如图卜1 所示。 l 疼铸 l 锯留 l 乡连炉扫煞 蒸藐 i 袭蓄 图1 - 1 生产工艺流程图 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 1生产工艺流程图( 续) ( 1 ) 工艺描述 粗轧机示意图如图1 2 所示，进料带卷摆放在进料支架上，当前一卷带卷离 1 ，2 0 一大鼓轮；2 一上卷小车；3 一开卷机；4 ，1 7 一板形测量辊；5 ，1 6 一夹送辊； 6 ，1 5 一挤干辊；7 ，1 4 一切头剪；8 ，1 3 一v o i l m e r 测厚仪；9 ，1 2 一三辊胀紧装置； 1 0 一支撑辊：1 l 一工作辊；1 8 一卸卷小车；1 9 一老陬机 图1 - 2 粗轧机示意图 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 开卷机卷筒时，卷筒开始收缩。这时上卷小车通过垂直对中装置的光电管将带卷 送入开卷机卷筒上，卷筒开始膨胀，胀紧后开卷机开始开卷，通过压头辊和铲头 板将带材头部送入夹送辊，且在入口侧装有带光电管带材对中装置，用来控制开 卷机的横向移动i l 】。带材通过夹送辊、立辊导卫送进入v i 设备，再经过夹送辊、 挤干辊、切头剪、v o l l m e r 测厚仪( 位于带材边部18 0 m m 处测量，对轧制速度无 要求) 、三辊胀紧装置和喂料压垫后将带材送入辊缝。当带材头部到达辊缝时， s l n 压力开始作用于带材。出口侧装有可倾置的输送台和液压调整弯辊，弯辊将 带材头部压下使带头容易进入卷筒或大鼓轮的钳口，此时，张力卷取机的卷筒开 始膨胀，即钳口夹紧。然后卷筒开始旋转，建立张力，轧机开始加速直到预定的 轧制速度。 当带材厚度约在4 m m - 1 6 m m 之间，采用大鼓轮卷取，低速轧制。在轧制 较薄的带材时，采用张力卷取，高速轧制。对于可逆轧机，采用不过头轧制的 方式更有利，在使用大鼓轮卷取时，轧制过程中带材的尾部没有被钳口夹紧， 当带尾靠近辊缝时轧机停住。 该设备为意大利m i n o 公司设计制造，带有a f c 板形自动控制系统。采用 a b b 的板形系统、板形监视器和控制手段，2 个应力计板形辊安装在轧机的进、 出口侧偏导辊处。测量辊直径巾3 1 3 m m ，测量段2 6 ，每个测量段宽度5 2 r a m ， 带材厚度范围0 5 - - 5 r a m 。机架内装有4 个m a e w e s te 型块，锻钢并机械加工 制成，用来承载正、负弯辊缸和支撑辊平衡缸。带材板形自动控制系统通过工作 辊的弯辊、选择性( 分段) 冷却和倾斜来调节。 ( 2 ) 机组主要性能参数 机组主要性能参数见表卜l 。 表卜i机组主要性能参数 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 课题来源及研究意义 1 2 1课题来源 本课题来源于铜陵金威铜业有限公司。鉴于该公司1 2 5 0 生产线的关键设备 粗轧机，其生产的产品直接影响到下一道工序产品的质量，如粗轧带卷进入罩式 炉退火时，经常出现带卷层与层之间粘结问题，而经二十辊轧制时，有时会出现 断带问题。导致成品质量不稳定，综合成品率较低。 本文作者在品管部的领导下，从质量管理的角度，对1 2 5 0 铜板带粗轧机板 形系岛浏并手孓科接菇9 岳j 共得；毒弘疑婪，在出毒靳龆茸簿簿譬o ! 基丰加救海明 距离差的板形模式识别方法及其工程应用研究”为研究课题。 1 2 2 本文研究目的及意义 ( 1 ) 板形研究对粗轧机板带轧制的意义 板形作为板带轧制质量的重要性能指标1 2 j ，已成为板带s l n 领域研究的热 点。影响带材板形的因素非常复杂，如何在现有设备条件下提高成品带材板形质 量，这就需要我们在了解各种板形影响因素的基础上，对产生板形质量缺陷的因 素做出定量分析，并采取有效的调控策略进行在线调控，以获得所期望的板形。 同时要求能准确预报当现场工艺条件发生改变时，带材的板形质量，为新研发产 品的研发提供理论指导。 粗轧机是整个生产线上关键设备，提高粗轧产品的板形是保证精轧产品板形 精度和生产高精度铜板带产品的主要手段之一，而且粗轧板形控制模型是保证产 品板形和生产率的基础和核心。因此，对* h 车l v l 板形控制进行研究，探讨适合实 际生产需要的板形控制技术，不仅可以提高产品的质量、提高产品综合成品率， 6 中南人学硕士学位论文第一章绪论 而且为新研发产品的研发提供大量的理论依据，以及提高金威铜业有限公司在铜 板带市场上的竞争力，都具有十分重要的意义。 ( 2 ) 现有配置的a b b 板形系统的不足与改进的必要性 金威公司引进的板形控制系统，由于种种原因，只引进了可供选择使用的板 形标准曲线，没有引进制定和选择板形标准曲线的原理、方法和数学模型，在实 际生产中只有凭经验来选择板形标准曲线，缺少理论分析与计算，这给轧制操作 特别是新产品的开发造成了很大的困难。尤其像金威公司这样个既缺乏技术又 缺乏经验的新企业，更是一个大大的难题。 因此有必要建立可操作的板形模型，为实际生产提供必须的理论指导，以提 高带材的质量和成品率，最终提高企业生产效益。 1 3 研究内容 在深入分析该机组所配置的a b b 板形控制系统的应用的基础上，针对实际 生产过程中出现的问题，如对粗轧机的板形控制特性认识不清，当出现板形缺陷 时，不知道调节的方向，不敢轻易调节；对后续工序的处理和产品的特殊要求， 不知道如何去控制带材的板形等。本文对粗轧机预设定模型和板形控制模型进行 分析与研究，并结合板形模式识别中存在的实际问题，提出了适合现场使用的板 形标准曲线和有效的调控策略，最大限度地消除了由于板形不良对产品造成的缺 陷。主要工作有： 1 介绍板形的基本概念，包括板形的描述、板形不良的物理实质和板形的 表示方法；详细描述了倾斜控制、液压弯辊控制和分段冷却控制三种基本的板形 控制策略；最后分析了板形控制研究现状。 2 对粗轧机所配置的a b b 板形系统进行研究，找出了现有配置的a b b 板形 系统存在的主要问题，并针对这些问题，提出了改进的方案。 3 提出改进的板形模糊模式识别，即利用勒让德j 下交多项式的三对两两互 反特性，来表示六种板形基本模式，并提出基于加权海明距离差的板形模糊模式 识别，简化了a b b 目标曲线的8 次多项式的繁杂计算，提高了板形控制精度。还 结合实例，计算结果表明，基于加权海明距离差的板形模糊模式识别，不仅提高 了板形模式识别的精度和速度，而且改善了板形质量。 4 建立粗轧机板形标准曲线的设定模型，推导出三个隶属度分别代表勒让 德正交多项式的一次、二次、四次的板形的特征参数。分析确定了目标曲线中各 个参数的实际操控意义，并结合实例，进一步验证了改进后的板形识别与控制的 精度和速度。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 本文研究内容的主体框架如图1 - 3 所示。 基于加权海明距离差的板形模糊模式识别的研究 及其在金威铜板带粗轧机上的应用 品管部提出产品质量攻关课题 板形系统的研究与改进 板形及板形控制基本理论研究现有配置的a b b 板形系统的研究 找出其存在的主要问题 设定方法中存在的问题；调控过程中存在的问题 提出改进的方案 即利用极形模式的两两互反的特性，提出加权海明距离差的板形模糊识别方案 改进方案的实现 利用板形模式的两两互反的特性，实现加权海明距离筹的板形模糊模式识别 实例验证 对随机的a 、b 两组板形进行验证，结果表明不仅骊 形模式识别的精度和速度，而且提高了带材的板形质量 图i - 3 本文研究内容的主体框架 1 4 国内外铜板带材加工技术的研究现状和发展趋势 1 4 1 国内铜板带材加工技术现状和发展趋势 近十年来，得益于中国经济的持续高速增长和世界范围内的产业重组，制造 业向中国转移，中国的铜板带材生产迅速发展1 3 4j 。我国铜板带材生产更是以年 均3 6 的速度高速增长，产量从2 0 0 0 年的1 8 2 万吨增至2 0 0 6 年的8 4 8 万吨。 而消费量则达到1 0 6 8 万吨，同比增长8 ，居世界第一位，是全球铜板带消费 量增长最快的市场。 我国的少数大型铜加工企业，通过自主开发和引进国外先进技术、工艺和装 备等单一技术已接近或达到国际9 0 年代水平，但综合技术水平仍然偏低。特别 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 是中小企业，设备陈旧，技术老化，生产效率低下，能耗高，原辅材料消耗多； 国内铜板带产能总量虽然不小，但品种结构不合理，中低档产品多，高精度产品 少；产品质量精度公差、表面质量、内在质量及物理性能( 强度、导电性) 较差， 批次质量稳定性差；一般品种供求平衡；高精度铜板带主要依靠进口，进口量大， 市场有较大缺口。如此种种，我国铜板带材加工业与国际水平相比，有相当大的 差距。 铜板带材消费量较大的行业主要有：电气设备及器材制造、日用消费品、电 子信息、机械制造、建筑、汽车、电力、家电、通讯等，其中黄铜板带材在电子 电气、机械制造、服装辅料、五金电器、水暖等行业中用量较大，锡磷青铜带材 在电子电气、信息通讯行业等行业中用量较大。 进出口情况，中国铜板带材进口量由1 9 9 7 年的1 0 4 万吨增长至2 0 0 5 年的 2 7 3 万吨，年平均增长1 2 8 ，超过了同期国内产量的增幅，是全球最大的铜 板带进口国，进口产品占中国铜板带市场的份额已占到3 0 以上。尽管我国铜 板带生产不断发展，但目前仍然不能满足需要，进口呈上升趋势。特别国内高精 度铜板带生产的品种、质量和数量均远不能满足市场需要，是造成我国铜板带大 量进口的主要原因之一。 发展前景预测，我国经济持续快速增长，带动了电气、电子、汽车、电力 等铜板带材主要使用行业的高速增长。同时，中国门益成为世界制造中心，带动 国际铜加工业，以及大量用铜行业向中国转移。在国内市场直接消费和国际市场 问接消费的双重驱动下，国内铜板带材的市场需求持续快速增长，年平均增长率 高达3 6 1 。据此，结合国内主要铜消费行业的发展前景，预计到2 0 1 0 年国内 铜板带材的市场需求为1 6 0 万吨左右，发展空间广阔。 近几年来，我国铜及铜合金板带) j h - 技术水平在引进技术的基础上，铜板带 加工行业自主创新丌发出的一系列适用先进共性技术，主要有： 高精度铜板、带生产技术，应用于水箱铜板、带生产； 铜板带的拉弯矫直技术，应用于提高铜板带的加工板形精度； 水平连铸生产电子引线框架材料技术，已经应用于生产k f c 和c 1 9 4 电 子引线框架材料； 中、小型四辊轧机的生产技术，已能批量制造高精度中、小型p q 辊轧机。 1 4 2 国外铜板带材a n t 技术现状和发展趋势 近十多年来，国际上铜板带加工发展迅速，总体表现为：企业向专业化、规 模化、高效率化方向发展，从而促进合会材料、制备技术、工艺技术及装备水平 大幅提高6 - 8 1 。 9 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 新材料的研究：依据用户的要求有针对性地进行新材料、新产品的开发，从 而形成自己的专利技术或产品专利。 国内外铜板带材加工技术发展趋势： 规模：向着大规模、专业化方向发展； 合金材料：向高纯化、微合金化、高强度、高导电、多功能方向发展； 产品：向着功能集成化、系列化、高精度、高质量、高稳定性方向发展； 加工技术：向着精细化、高效率、低成本、低能耗、短流程、清洁化方向发 展。突出趋势之一是最终成型技术借助不同成型原理得到较快发展。 1 4 3 课题研究现状和发展趋势 随着对板形质量要求的不断提高，板形模式识别和板形控制已成铜板带材生 产的核心。从六十年代开始，国内外开始从新的理论高度研究板形问题，在板形 控制技术和基础理论方面已有了很大的进展，开发了各种各样的新轧机，新工艺， 新的检测手段和控制系统。如：日立公司采用h c - m i l l 轧机【9 j 及新的冷轧润滑 工艺l l o l ，推动了能量节省和高产量轧制；矫志杰等设计开发的两侧通过液压缸 和夹头产生张力的新型直拉式可逆冷轧实验轧机【l l j ；黎林、黄庆学等提出了基 于动压效应的新型轧机1 1 2 】无锥套油膜轴承衬套设计；徐宁、刘红艳等对w r s 轧 机i l3 j 工作辊横移方案及辊系变形研究，分析计算了不同工况下工作辊的磨损曲 线；白振华、杨杰等分析出v c 轧辊各结构参数对其凸度生成的影响规律i l 引，研 究了带材的平直度与v c 辊内部油压之间的关系；刘相华、王国栋介绍了近年来 热带连轧生产中的高精度轧制技术、智能化轧制技术、薄规格轧制技术、自由程 序# l n 技术、组织性能控制技术等新技术的发展i l5 j ；贺达伦、王国栋等以高精 度轧制技术为重点，论述国外先进厚板厂获得高成材率所采用的技术l l6 j ；张清 东、孙林、陈先霖等开发出具有特色的系列板形控制技术【1 7 l 支持辊初始辊 形、工作辊初始辊形、轧制序列编组、多道次压下负荷最优分配动态调整板形， 形成完整的板形控制系统；赵启林、刘相华、王国栋用现场生产数据模拟计算了 四辊轧机的辊系变形，提出工作辊接触使带钢凸度和横向厚差减小，对降低边部 减薄有利1 1 8 1 ，同时使出口张应力分布更加均匀，减小了边浪，提高了带钢的平 直度。 在板形模式识别方面，贾春玉、单修迎、刘宏民【l9 l 等提出了基于模糊切换 的模糊控制和神经元控制相结合的板形双模控制思想，对冷轧带钢的板形进行控 制，达到了板形在线智能控制之目的：王志勇、郑德忠1 2 0 j 以勒让德正交多项式 作为表述板形缺陷的基本模型，将模糊分类理论与混沌优化算法相结合，建立一 种新型的板形模式软测量方法；冯晓华、马坚、郑岗1 2 l i 提出了基于模糊距离的 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 r b f 网络板形缺陷模式识别法，它在逼近能力、分类能力和学习速度等方面都优 于b p 网络；彭艳、刘宏明1 2 2 - 2 3 】结合板形控制技术的发展，阐述了板形检测信号 模式识别方法的发展过程，分析了主要模式方法的特点及发展趋势。 在板形控制方面【2 4 2 5 j ，由过去的开环控制发展到了自动闭环自动控制，板形 控制的现状有了大大的改善。吴文彬、崔建江、徐心和 2 6 1 分析了常规四辊c v c 轧机板形控制的原理，结合生产实际给出了板形的最优化控制策略及其数学模 型；王国栋1 27 j 探讨通过温度分布不均影响板形的各种因素所采用的对策；刘佳 伟、王鹏飞、张殿华等1 2 8 j 采用直接对检测信号进行修正的方法，补偿冷轧带钢 卷取时因带钢张力分布发生变化而对板形检测信号产生干扰；李博、张清东【2 9 1 应用模型预测控制( m p c ) 理论，设计预测控制器，并采用滚动优化、反馈校 正的控制策略，使优化控制规律完全可按无时滞系统进行设计。 中南大学硕士学位论文第二章板形及板形控制的基本理论 第二章板形及板形控制的基本理论 2 1 板形的基本概念 2 1 1 板形的描述 $ l n 过程实质上是金属在轧辊的作用下发生塑性变形的过程，一定断面形状 的坯料经过轧制后发生明显的纵向延伸和一定的横向流动，最终成为一定尺寸的 成品。设想将带材分割成若干纵条，任何一条上压下量发生变化，都会引起该窄 条的纵向延伸发生变化，同时又会影响到相邻窄条的变形。而实际上板带材是一 个整体，各窄条之间必定互相牵制，互相影响。因此，当横向的压下量分布不均 时，就会引起相应的各窄条发生纵向延伸不均，从而在各窄条之间产生相互作用 的内应力。当这个内应力足够大时，就会引起带材翘曲。 所谓板形，直观地讲，就是指板材的翘曲程度。就其实质而言，是指带材内 部残余应力的分布【3 0 弓1 1 。板形指标通常包括纵向和横向两个方面【3 2 。3 3 1 ，纵向用平 直度( f l a t n e s s ) 来表示，俗称带材板形，即指带材长度方向上的平坦程度；衡 量横向板形指标的是带材的断面形状( p r o f i l eo rc o n t o u r ) ，即带材沿板宽方向上 的断面分布。因此要定量描述“板形”就将涉及到这两个方面的多项指标，包括： 凸度、楔形、边部减薄、局部高点和平直度。对于冷轧，板形控制往往就指平直 度控制。在来料板形良好的条件下，板形的好坏取决于带材沿宽度方向的延伸率 是否相等。 ( 1 ) 凸度( c r ) 凸度：为在宽度中点处厚度与两侧边部标志点平均厚度之差，是描述带材横 截面形状的一项主要指标，如图2 - 1 所示。 1，、 c r = h e 一【h e ，+ h e l ) ( 2 1 ) z 式中：吃，允，右部及左部标志点厚度( 所谓标志点是指不包括边部 减薄部分的边部点，一般取离实际边部e = 4 0 m m 处 的点) ： 见带材宽度方向中心点的厚度。 中南大学硕士学位论文第二章板形及板形控制的基本理论 图2 - 1 带材横截面形状 ( 2 ) 楔型( c t ) 楔型：即左右标志点厚度之差，如图2 - 1 所示。 ct-herhe，(2-2) ( 3 ) 边部减薄( e r 、e ，) 边部减薄，即带材与轧辊接触的轧辊压扁，在带材边缘处由于过渡区而造成 的带材边部减薄。它指横截面操作侧与传动侧边部标志点厚度与边缘位置厚度 差。 er-herh睁(2-3) e l = 吃，一h u ( 2 4 ) 式中：k ，带材实际右边部和实际左边部的厚度( 上面各式中右 部一般指传动侧，左部为操作侧) 。 ( 4 ) 局部高点 局部高点，是指横截面上局部范围内的厚度凸起，如图2 2 所示。 对于冷轧宽带，严格晚，凸度可分为二次凸度c r 2 和四次凸度c r 4 ，甚至还 包括更高次的。从带宽中心点到两侧标志点范围内，如测取多个点的厚度值，并 用这些点的厚度值拟合出一条曲线，往往是如下形式： 厅( x ) = b o + 6 l x + b 2 x 2 + b 4 x 4 + ( 2 - 5 ) 式中：6 0 b 。系数。 中南人学硕士学位论文第二章板形及板形控制的基本理论 图2 - 2 r v 一波高 局部高点 l v 一波长 ( 5 ) 平直度 平直度是指轧制后在不存在张力的状态下( 自然状态) 带材的平坦程度，由于 对冷轧成品使用多种测量方法，因此平直度( 对于冷轧带材即指板形) 可有多种 表示方法，详见2 1 3 。 2 1 2 板形不良的物理实质 盏挝在稳定生l 亟4 险韪：出王星查韭左釜鲑王生l 剑塑鲞坠：险堡丝丕垦堑型罡 重，能够观察出来以外，一般往往被“隐蔽 而观察不出来。但是，若事实上存 在板形不良，而且超过一定程度，一旦张力去除，各种板形不良现象就能立即表 现出来。 常见的板形不良主要有两类：一类是板面瓢曲，包括长度方向瓢曲( l 瓢曲) 和宽度方向瓢曲( c 瓢曲) 两种；另一类是形状下良，包括中问浪、边浪和侧弯等 三种，如图2 - 3 所示。通常所见到的可以是其中的一种或两种以上的组合。 带材在冷轧过程中，即使在变形量比较大的情况下，轧件宽度变化一般也在 l 以下，可以忽略不计，从而可将其近似看成平面变形过程，因此，伴随着厚 度压缩变形主要转变为轧件纵向上的延伸瞰3 5 】。 设想将正在轧制的带材沿宽度方向上将其分割成等宽的若干纵条，如果宽度 方向压下量不等，压下量大的纵条延伸量大，压下量小的纵条延伸量则小。但是， 带材为一个整体，各纵条之间不可能自由延伸，从而存在着延伸差而导致瓢曲。 这种现象称为“显 板形不良，如果延伸差还不足以导致瓢曲，只是在带材内部 存在一定的横向应力差，这种现象称为“隐”板形不良。实际上，能否表现出“显” 1 4 中南人学硕士学位论文第二章板形及板形控制的基本理论 板形一方面取决于横向延伸差的大小，另一方面决定于平均张力的大小，实践证 明，通过改变平均张力，往往使瓢曲的程度发生变化，甚至变为“隐 板形。 匡3 圈圈 a 一长度方向瓢曲；b 一宽度方向瓢曲；c 一纵向波浪； d 一马鞍形瓢曲；e 一中浪；f 一中心浪；g 一双边浪； h 一单边浪；i l 4 浪( 二肋浪) ；j 一镰刀弯； 图2 - 3 板形缺陷类型 由于横向上的延伸不均，延伸大的地方速度大，延伸小的地方速度小，因此 将分别承受附加压缩应力和拉伸应力的作用。若延伸大的部分合成应力( 张应力 与附加压缩应力的代数和) 表现为负值( 压缩应力) 并超出一定的限度，就会产 生瓢曲。若合成应力虽然为负值，但不超过一定限度，则不会引起瓢曲。这两种 情况分别相应于上述的“显”和“隐”板形。所以，从本质上讲，板形不良是带 材在张力条件下的内应力引起的，而且带材越薄、越宽将越容易产生瓢曲，瓢曲 的程度取决于横向应力的分布状况。正因如此，冷轧带材的板形可以用分段式张 力测量辊或其他能测量带宽方向张应力分布的装置来进行在线测量。 2 1 3 板形的表示方法 定量表示板形，既是生产中衡量板形质量的需要，也是研究板形缺陷和实现 板形自动控制的前提条件。板形的表示方法通常有以下三种【3 6 】： ( 1 ) 相对长度差表示法 板形不良是由于带材横向各点的不均匀延伸造成的，因此，简单的办法就是 用带材横向不同位置的相对长度差l a 来表示板形。相对长度差也称为板形指 口甲阜 中南大学硕+ 学位论文第二章板形及板形控制的基本理论 数办 n ，：丝 ( 2 6 ) 所2 _ l z o 夕 l 板形没有统一的国际单位，各国采用的度量单位并不相同。如美国是用带材 宽度上最长和最短纵条上的相对长度差表示，单位是百分数；加拿大是取带材横 向上最长和最短纵条之间的相对长度差作为板形单位，称为i 单位。相对长度差 等于1 0 。5 时为一个i 单位；我国一般采用i 作为板形单位。 轧后带材翘曲是由于边部或中部较大的延伸而产生严重边浪或中浪。一般定 义办为负时是边浪，办为正时是中浪。 ( 2 ) 波形表示法 在翘曲的带材上测量相对长度来求出长度差很不方便，所以人们采用了更为 直观的方法，即以翘曲波形来表示板形，称之为波浪度入。将带材切取一段置于 平台之上，如将其最短纵条视为一直线，最长纵条视为一正弦波，则如图2 - 4 所示，可将带材的波浪度表示为： 五：一r 1 0 0 ( 2 7 ) 三 式中：r 波高； i ，_ 一波长； a _ 一波浪度( 也称陡度) 。 这种方法直观，而且易于测量，所以生产现场多采用这种方法。当入值大于 l + l 、i，、 平合 l 图2 - 4 波形图 如果设图中与长为l 的直线部分相对应的曲线部分长为l + l ，并认为曲 线按正弦规律变化，则可利用线积分求出曲线部分与直线部分的相对长度差。 因此设波形曲线为正弦波，可得其方程为 1 6 中南大学硕士学位论文第二章板形及板形控制的基本理论 日= 纠芋卜 则与l 对应的曲线长度为 + 址：r j 0 三 一 = i 2 万山 ( 2 - 8 ) + 三 - + ( 差) 2 c 2 9 ) 因此，曲线部分和直线部分的相对长度差为 办：一a l ：f ，堕1 2 ：生矛 ( 2 一l o ) 办2 t2 【瓦j2 了万 心1 换算为i - u n i t 为： 所= 等翩0 5 ( i - u n i t ) ( 2 因此，波浪度可以作为相对长度差的代替量，只要测出带材波浪度，就可以 求出相对长度差。例如，波浪度九= 1 时，相对长度差办= 等磐1 0 5 2 5 ， 即相当于2 5 i 。 ( 3 ) 张应力差表示法 前面已描述，板形不良的物理实质上是由带材内部残余应力沿横向的分布所 造成的，所以在理论研究和板形控制中用带材内部的残余应力表示板形更能反映 问题的实质。当使用分段式张力辊式板形测量仪时，获得的是实测带材宽度方向 张应力分布( 其积分值为总张力) ，张应力不均匀分布是由于存在内应力，由于内 应力与张应力合成而造成应力不均匀分布【3 7 1 。因此张应力不均匀分布形态，实 质上反映了内应力的分布形态。 用张应力差来表示板形有两个张应力偏差值：一个是第i 测量段的局部张应 力与平均张应力之差，用仃，来表示。则 a o ，= 仃，一仃。 ( 2 1 2 ) 式中：仃在第i 测量段上带材的实测张应力，即实测板形； 盯第i 测量段的局部张应力； 1 7 中南大学硕士学位论文第二章板形及板形控制的基本理论 厚。 仃。平均张应力，= 而t ，t 为带材张力，b 为带宽，t 为带 另一个是第i 测量段实测的张应力与目标张应力分布所规定的对应于i 测量 段的目标值之差，用a t y ( x ，) 来表示。则 a o ( x j ) = q - - o ，( x ，) ( 2 1 3 ) 式中： a o - ( x ，) 需要调节的板形偏差； 仃，板形测量辊测得的实际板形； t l r ，( x ，) 设定的目标板形。 由于冷轧产品的不同用途对带材的平直度有不同的要求( 即不同的目标张应 力分布) ，所以大多采用第二个张应力偏差a o - ( x ，) 作为调节用偏差值。 2 2 板形控制手段 轧后板形与来料板形、来料横向厚差、出口横向厚差、金属横向流动状态有 关1 3 纠0 1 。对某一轧制道次而言，来料板形和来料横向厚差是不可改变的，因此从 理论上讲，只能通过控制会属横向流动状态和控制出口横向厚差这两条途径来控 制扳磁。任值= 仝扳形控制篷略部包盒工这区拙基奎理念。牡王萱遵的四盟垒l 扭： 通过支撑辊倾斜、工作辊弯辊、乳化液分段冷却来控制板带的平直度。板带的板 形与轧辊的有载辊缝形状直接相关，各种板形控制手段归根到底都是通过改变工 作辊的有载辊缝形状来控制板带的板形。 从7 0 年代开始，对板形和板凸度自动控制系统的研究与应用，取得了显著 进展。采用新型结构轧机，如h c 轧机、c v c 轧机等，属于挠曲补偿型的板形控 制技术，具有良好的板形控制能力。它们的出现是板形控制的一个突破，可使液 压弯辊系统的可控范围大大提高，实现在最大弯辊力的允许范围内满足工作辊缝 更大幅度变化的要求。 下面重点介绍粗轧机的板形控制手段，即倾斜控制、液压弯辊控制、分段冷 却控制。 2 2 1 倾斜控制 倾辊控制属于自动位置控制，是轧机液压压下控制的一部分。它通过支撑辊 操作侧和传动侧的液压压下装置，迅速调整两侧的压下位移，使一个工作辊与另 1 8 中南人学硕十学位论文第二章板形及板形控制的基本理论 一个工作辊相对倾斜，构成楔形辊缝，从而对工作辊给定的辊缝进行微量调节， 此微量值是轧辊工作侧与传动侧的倾斜差。倾斜控制主要用来消除板形缺陷中的 左边浪和右边浪。 2 2 2 液压弯辊控制 液压弯辊是利用安装在轧辊轴承座内或其他处液压缸的压力，使工作辊或支 承辊产生附加弯曲，实现辊型调整的方法【4 1 1 。液压弯辊的原理，是通过液压缸 给轧辊施加液压弯辊力，使轧辊产生附加挠度，以便快速地改变轧辊的工作凸度， 而补偿轧制时的辊型变化。 弯辊系统通常分为工作辊弯辊系统和支撑辊弯辊系统两大类。根据弯辊力作 用的方向不同，弯辊系统又分为正弯辊系统和负弯辊系统。在正弯辊系统中，弯 辊力使辊缝增大；而在负弯辊系统中，弯辊力使辊缝减小。 液压弯辊控制的特点是，可瞬时改变轧辊的凸度，而且能连续完成调整动作， 但调整凸度的范围有一定的限度，所以通常又与工作辊轴向移动配合作用，以增 加轧辊凸度的调整范围，达到更好的控制板形的目的。液压弯辊正是由于其动作 快，调节简单的优点，它更有利于实现板形调整的自动化，因此在冷轧带材的板 形控制系统中被广泛应用，尤其在板形自动控制系统中，液压弯辊加工作辊轴向 移动控制作为板形调节的主要手段之一。 2 2 3 分段冷却控制 冷却液控制，是利用冷却液带走轧辊的热量，防止辊身过热，同时也起润滑 作用 4 2 - 4 3 j 。分段冷却控制是通过对轧辊热凸度的控制来改善板形的一种传统的控 制方法。 对于分段冷却自动控制系统，通常是将冷却系统沿工作辊轴向分成若干区 段，每个区段安装有若干冷却液喷嘴。当冷轧机配备板形测量辊时，冷却系统区 段的划分与测量辊测量区段划分相对应，每一个测量区段的检测信号用来控制相 应区段的喷嘴。通过控制各区段冷却液系统喷嘴打开或关闭的数量，调节沿辊身 长度冷却液流量的分布来改变轧辊温度的分布，从而调节轧辊热凸度的大小，达 到控制板形的目的。例如，当出现中1 1 白j 波浪时，加大中间段( 或减小两侧) 冷却液 的流量，以减小轧辊的热凸度；当带材两边出现波浪时，减小中间段( 或加大两 侧) 冷却液的流量，以加大轧辊的热凸度，使板形得到改善。 采用冷却液控制法来调节热凸度是辊型控制不可缺少的手段，特别是对高次 板形缺陷，效果更好。但存在调节范围小、响应速度慢的缺点，因此只适用于板 形的精细调节，可作为板形控制的补充和提高。 1 9 中南大学硕士学位论文第二章板形及板形控制的基本理论 2 3 板形自动控制系统 2 3 1 概述 根据前面2 1 1 中板形的描述，板形包括带材的纵向( 平直度) 和横向( 断 面形状) 两个方面，在轧制过程中，控制平直度和断面形状的主要目的是在不超 出所要求的平直度公差的前提下得到所需要的带材断面形状。 为了找到一种有效的带材断面形状和平直度的控制策略，应考虑以下主要步 骤1 4 4 4 5 】： ( 1 ) 选择最优的板形调控手段； ( 2 ) 确定在轧制过程中哪个阶段对板形进行调控； ( 3 )当有多个执行机构时，应决定板形调控手段的优先次序； ( 4 ) 确定板形调控的最佳调节量。 要实现板形自动控制，就必须配备完善的板形自动控制系统，首先要考虑轧 机设备配置了哪些硬件调控手段，并针对不同的来料确定应该采取的相对应的调 控策略【4 6 。4 _ 7 1 。然后则应针对当前设备状况，具体设计出用于体现板形控制策略的 软件系统，并最终实现板形控制效果。该系统通常包括以下三个方面1 3 6 , 4 8 】： ( i ) 板形控制手段。如倾斜控制装置、液压弯辊控制装置、分段冷却控制 装置等，这些均属于执行机构。 ( 2 ) 高精度的板形检测装置。因为板形自动控制系统只有依据来料的板形 信息，才能发出正确的指令来控制板形执行机构。正如前面所说，板形不良的实 质就是由于沿带材横向的内部残余应力分布不均匀所造成的，因此可以通过带材 的不均匀延伸所产生的内部残余应力来反映在线板形，目前普遍采用的是分段式 张应力计。 ( 3 ) 完整有效的板形控制数学模型。该坏节涉及到整个板形领域的研究， 通过板形形成的机理，确定车l a , j 过程中所有对板形有影响的因素及影响因素的大 小，建立板形形成过程的量化模型，同时还要研究板形的检测与模式识别方法、 板形控制调节量的提取与板形控制策略。根据实测板形信号及相关轧制工艺参数 分析，通过正确的设定模型，并选择合理的调控手段，晟终建立一套完整有效的 板形自动控制系统。 2 3 2 板形自动控制模型 除板形检测外