（机械设计及理论专业论文）铝带轧机板形控制的研究——板形控制工艺对板形质量的影响.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 深圳华益铝厂1 4 0 0 铝带轧机在生产过程中存在板形不稳定的问题，例如因边浪原 因造成切边量大、成材率低。针对以上闫题，本文乖用现场测试的数据，运用有限元分 扳手段对该轧机的板形控制系统进行了研究，发现轧机在弯辊力设定、张力设定、速度 设定等板形控制工艺方面存在问题，针对铝带轧制过程的这些闽题，提出了新的弯辊 力、张力和速度设定制度，取得了板形改善、提高铝带成材率的明显效果。本文主要包 括以下几个方强的研究痰容： ( 1 ) 总结了该轧机轧制过程中的扳形缺陷，分析板形缺陷形成的原因。 ( 2 ) 运甩三维有限元软件a n s y s m u l t i p h y s i c s 对铝带车l 机进行静态轧制模拟。建立 了铝带轧枧辊系静态分析计算模型，研究了铝带轧机轧制力、弯辊力、板宽等参数 对铝带材板形的影响关系，揭示了铝带轧制的特殊性，在理论和实践上丰富了铝带 轧制板形控制的内容。按照板形控制的思想，在保持比例凸度相等的原则基础上， 尤其怒在轧件较薄的情况下，金属横向流动很小，更应遵循比佣凸度相等的原则， 提出了弯辊优化工艺，对于铝带板形的改善起至指导意义。 ( 3 ) 将有限元静力分析软件a n s y s m u l t i p h y s i c s 对铝带轧桃辊系的计算结果工 作辊辊型作为已知辊型，利用有限元显式动态分析软件a n s y s l s d y n a ，将工作 辊视为刚性体，轧件作为变形体，建立了锚带车l 制动态分析模型，得到了不同的前 后张力和速度时，不隧厚度的铝带板形与张力、速度的变他规律，分析了张力、速 度变化对铝带板形的影响，建议不同厚度铝带轧制时采用的最佳张力、速度制度。 关键词：铝带轧机，有限元法，板形控制 1 北京科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns h a p ec o n t r o lo fa l u m i n u mm i l l _ e 圩e c to fs h a p ec o n t r o lt e c h n i c so ns t r i pq u a l i t y a b s t r a c t t h es h a p ec o n t r o lo f1 4 0 0 r a ma l u m i n u mc o l dm i l li ns h e n z h e nh u a y ia l u m i n u m c o m p a n y i ss t u d i e di nt h i sp a p e r u n s t a b l es h a p e , m u c hl o s so fs i d ea n d l o wy l e l da r et h em a i n p r o b l e m s t os o l v et h ep r o b l e m s ，s y s t e m i cr e s e a r c h e sw e r ed o n et h r o u g hf i e l dd a t aa n dt h e o r y a n a l y s i sa n di tw a s f o u n dt h a tt h ea l u m i n u mm i l lh a sp r o b l e m so ne n a c t m e n t so f b e n d i n gf o r c e ， t e n s i o na n ds p e e d s on e we n a c t m e n tt e c h n i c sw e r ed e v e l o p e da n dt h a th a se v i d e n te f f e c t so n i r n p m v i n gs h a p ea n da l u m i n u mf o i ly i e l d t h em a i np o i n t so ft h i sp a p e ra r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x i s ts h a p ep r o b l e m sa n dc a u s eo f1 4 0 0 r a ma l u m i n u mc o l dm i l la r es u m m a r i z e d a n d a n a l y z e d 。 ( 2 ) s t a t i cr o l l i n go fa l u m i n u m f o i lm i l lw a ss i m u l a t e db yu s i n gf i n i t ed e m e n ts o f t w a r e a n s y s m u l t i p h y s i c sb a s e do nf i e l dd a t aa n dt h e o r ya n a l y s i s ae l a s t i cm i l e rs y s t e mr e s e a r c h m o d e lw a se s t a b l i s h e dt of o u n dt h er e l a t i o n sb e t w e e na l u m i n u mf o i ls h a p ea n dr o l l i n gf o r c e , b e n d i n gf o r c ea n ds t r i pw i d t h t h ep a r t i c u l a r i t yo fa l u m i n u mf o i lr o l l i n gi sa l s of o u n di nt h i s p a p e rw h i c he n d c h e dt h ec o n t e n t so fa l u m i n u mf o i ls h a p ec o n t r o l i i l t h e o r ya n dp r a c t i c e a c c o r d i n gt ot h es h a p ec o n t r o lt h e o r y ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp r o f i l ee q u i v a l e n te s p e c i a l l y w h e na l u m i n u mf o i li st h i na n dt r a n s v e r s em e t a lf l o wi sl i t t l e , b e n d i n go p t i m i z e dt e c h n i c sw e r e e s t a b l i s h e dw h i c hg u i d et oi m p r o v ea l u m m u mf o i ls h a p es i g n i f i c a n t l y ( 3 ) b yu s i n g t h ed y n a m i c a la n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s l s d y n as u p p o s i n gw o r km i l e r a sr i g i do n ea n da l u m i n u mf o i la sp l a s m o d i u m ，ad y n a m i c a la n a l y s i sm o d e lo fa l u m i n u mf o i l r o l l i n gw a s e s t a b l i s h e dt og e tr e l a t i o n sb e t w e e ns h a p ec o n t r o la n dt e n s i o na n ds p e e d t h ew o r k 向l e f sp r o f i l ec a l c u l a t e db yt h ee l a s t i cr o l l e rm o d e li su s i n ga st h ek n o w np r o f i l e a c c o r d i n gt o t h i s ，t h i sp a p e rg i v et h eb e s tt e n s i o na n ds p e e dt e c h n i c sf o rd i f f e r e n tt h i c k n e s sa l u m i n u mf o i l 。 k e yw o r d s ：a l u m i n u ms t r i pm i l l s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d s h a p ec o n t r 0 1 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：继垄日期：兰堕：竖：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：主叠盟日期：型i ：! ! 盈 北京科技大学硕士学位论文 引言 在r g k 4 支术迅速发展的今天，提高铝带材抗拉、抗弯等机械性能和产品质量都依赖 于铝带轧制过程中的板形控制。深圳华益铝厂生产的铝带产品，产量逐年提高，铝带产 品在国内占有很大的市场份额，但由于现有的1 加叻册四辊不可逆冷轧机在板形控制上 只有工作辊弯辊、压下倾斜和分段冷却三种最常规控制方法，其调控手段的实现也仅仅 依靠操作工的眼看手动进行在线调节，因而产品质量具有很大的不确定性；另一方面当 来料的板形状况不同、轧制力波动、轧辊磨损和热辊型发生变化时，很难及时调节，致 使产品质量的稳定性难以得到保证。从而使得铝带产品在尺寸公差、板形、表面质量等 方面与欧美、日本等企业生产的铝带产品相比仍有一定的差距。 轧辊变形在板形控制中有着相当重要的地位。这是因为，轧制产品是在变形的弹性 体轧辊作用下生产出来的，轧辊的变形直接影响到最终产品的断面形状。在板带材 轧制中，轧件的断面形状可近似为承载辊缝形状。某些控制板形的手段如液压弯辊等也 是通过改变轧辊变形实现的。所以，只有从本质上充分地研究轧辊的变形，才能准确地 预测一定工艺条件下的轧后断面厚度分布，才能找出板形随各种轧制参数的变化而变化 的规律，从而为确定正确的轧制工艺参数，寻找改善板形的途径，探索控制板形的方 法，为板形控制提供可靠的理论依据。 计算机技术的飞速发展使得应用有限元法求解辊系变形成为可能，近年来许多商用 有限元软件的成功开发大大促进了有限元法在求解辊系弹性变形问题方面的广泛应用。 与其它方法相比，有限元法具有无可比拟的优越性：前提假设条件少；能模拟复杂的轧 辊几何形状和复杂的载荷情况；求解精度高，并可以求得整个辊系的位移场和应力场等 等。 鉴于有限元法独特的优点，本文以1 4 0 叻册四辊不可逆铝带冷轧机为研究对象，采 用有限元法研究铝带轧机的辊系变形，对轧制工艺对板形的影响进行系统的研究，力争 使华益铝厂生产的铝带产品在尺寸公差、板形、表面质量等方面有显著改善，进一步提 高产品的市场竞争力。 1 - 北京科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 板形的基本概念 1 1 1 板形的概念 板形统指带材的横截面几何形状和带材在自然状态下的表观平坦性两个特征，因此 要定量描述板形就需要分别反映横截面几何形状和平坦性的多个指标。一般地讲，板形 包括凸度、楔形、边部减薄量、局部高点和平直度五项内容【1 2 h 3 j ( 如图1 1 ) 。 图l i 铝带截面的几何外形 在中部区域，横截面外形具有低次多项式的特征，可用凸度指标描述此区域的厚度 变化；在两个边部区域，铝带材的厚度急剧减小，可以用边部减薄量指标描述此区域的 厚度变化。另外铝带还会表现整体形状的楔形、局部突起，所以一般用凸度、楔形度、 边部减薄量、局部突起量共同描述铝带材的横截面几何形状。 ( 1 ) 凸度即横截面中点厚度h f ( o ) 与两侧边部标志点平均厚度之差，以c w 表示： c w - h f ( o ) 一0 5 h f ( b 2 一抛) + v 恤一b 2 ) ( 1 1 ) 式中： 口带材宽度； 触卜带材横截面上距中点工处的厚度； k 带材边部标志点位置，一般取2 5 m m 或4 0 r a m 。 ( 2 ) 楔形即横截面操作侧与传动侧边部标志点的厚度之差，以c 助表示： 2 - 北京科技大学硕士学位论文 c - 够( k 一口2 ) 一 厂p 2 一b e ) ( 1 - 2 ) ( 3 ) 边部减薄量横截面操作侧或传动侧的边部标志点厚度与边缘位置厚度之差。 - 够p 2 一k ) 一 ，p 2 - b e ) e o - m ( b e b | 笱一h f ( b e b 2 ) 式中； ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 妇。带材边缘位置，一般取施；5 删； 而厂传动侧边部减薄量； 酌一操作侧边部减薄量。 ( 4 ) 局部高点指横截面上局部范围内的厚度凸起。 ( 5 ) 平直度 即板材表观平坦程度，直观上讲是指轧制方向板材的翘曲程度，如图 1 2 所示。 图1 2 板形的平直度 在轧制过程中和成品检验时，直使用着多种平直度测量手段，所以也就存在着多 种平直度定义方法。 - 3 - 北京科技大学硕士学位论文 1 ) 波高硒r 法r w 是自然状态下带材瓢曲表面上偏离检查平台的最大距离，也可 以近似为曲面函数w f x , y ) 的最大值，如图1 3 所示。 图1 3 铝带飘曲浪形 2 ) 波浪度d 矽法咖是波高r w 和波长工比值的百分率，却也叫陡度( s t e e p n e s s ) 或翘曲度。 d wi r w | l 1 0 0 ( 1 5 ) 3 ) 纤维相对长度差p w o ) 法在自由铝带材的某一取定长度区间内，某条纵向纤 维沿带材表面的实际长度工酽对参考长度( 理想水平长度) 工。的相对长度差，记 为p ，0 ) ，所以： p wi ( z w o ) - l 。) l 。 ( 1 - 6 ) 钔应力差法当使用张力式板形仪时，就以实测的在线铝带材中不均匀分布的前 张力对平均张应力的差值表示平直度，记为口，o ) 。为了和铝带材的前张力、 内应力区别，把口，0 ) 叫做板形检测应力。 1 1 2 铝带板形表示方法 最常用的铝带板形的表示方法有以下几种1 4 5 】： ( 1 ) 松弛系数表示法 假设铝带材平直部分的标准长度为l v , 而宽度方向上任意点工上波浪弧上长度 为，则松弛系数f o ) 可表示为： 4 - ( 砷一【工o ) 一句】，o 1 0 4 ， ( 1 - 7 ) i 单位相当于h 长的铝带材中有1 0 u r n 的长度差。松弛系数表示波浪部分的曲线长 度对于平均长度部分标准长度的相对增量。 ( 2 ) 向量表示法： 铝带板形缺陷与沿宽度方向的压下有关。一般以宽度方向的位置为横坐标，以 厚度变化量为纵坐标，铝带材中心、l ，4 处和板边部的厚度变化量不同，表示 板形缺陷的变化趋势也不同，即这种变化趋势与帽对差值有关 ( 3 ) 张力差表示法 铝带材在张力作用下，真实板形消失而变为潜在板形，此时在板的宽度方向上 出现张力分布不均匀。原来平直的部分所受的张力大，而原来有波浪的部分所 受的张力小。也就是，铝带材上张力与平直度成正比，如果施加到标准长度部 分上的张力为乃，则板宽方向上任意一点的单位张力荆可以用下式表示： r o ) 一t o a t ) ( 1 - 8 ) 上式说明，在张力作用下，板宽方向出现张力偏差a t ( x ) ，它与松弛系数成正比： a t ) 一e e ) ( 1 - 9 ) 式中： p 嘲材的弹性模量( k n m m 2 ) 铝带材的板形缺陷形式 常见的板形缺陷，如浪形和瓢曲，有着多种表现形式：单侧边浪、双侧边浪、中 浪、四分之一浪、边中复合浪及任意位置局部浪形等( 见图1 4 ) 。就板形控制而言，通常 考虑以下几种主要形式的板形 6 1 ： ( 1 ) 理想的板形理想的板形指的是当铝带材横向内部应力相等时的纯理论情 况，并将带材切成条后仍然保持原状。 5 北京科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 潜在的板形潜在的板形相当于铝带材横向内部潜在的不等，但铝带材的截 面模数又大得足以抵抗瓢曲变形情况。具有潜在板形的铝带材没有外部张力 时，切成条后，释放潜在内部应力，形状就变的参差不齐。 ( 3 ) 表现的板形一当铝带材横向内部应力不相等时，同时截面模数又不能大得足 以抵抗瓢曲变形时，出现表现的板形，导致局部的弹性瓢曲。在适当的外力 下，整体压应力可以减弱到表现的板形转化成潜在的板形水平上。另一方面， 除去外部张力并切成条时，就会显示出表现的板形。 ( 4 ) 双重的板形双重的板形是铝带材一部分具有潜在的板形，而另一部分具有 表现板形。铝带材一侧边浪或四分之一瓢曲是这种板形形式的典型例子。 翱咯碱功 瑚杉滩 门o田吲 i 、【 ，八入 l 爪l厂i 、 l i y i 、l v lvn 门 4 0 物隗z 躲 避掳布o r 1 霜 暖啊f 卜一 词r l | 删豳，l 卜剐圜fr1 圈1 4 常见铝带材的板形缺陷 1 2 铝带冷轧生产 1 2 1 铝带冷轧生产的特点 铝带生产能力和技术经济指标是反映一个国家铝材加工技术水平的重要标志之一。 铝带生产是带钢冷轧工艺的延续，主要工艺特点看起来和冷轧带钢很相近。铝带轧制的 三个要素包括：生产工艺、轧制油及轧制设备。由于铝带通常很薄，力学性能明显下 6 - 北京科技大学硕士学位论文 降，对横截面上的变形不均非常敏感，金属内在的缺陷如含氢量、非金属夹杂物等的影 响变得更明显；在轧制过程中，不仅轧辊辊身两端部己经压靠，而且在铝带材以外的辊 身部分也全部接触 7 1 i s l 9 。 在铝带轧制过程中，轧制辊型及轧辊表面粗糙度、道次加工率、轧制速度、轧制张 力等都会影响轧制过程的稳定性和成品质量的水平。各因素间有着密不可分的联系。在 实际生产中，随着轧件厚度的减小，板带材的厚控精度及板形质量对带材的张力、速度 调节有着非常重要的影响。如轧辊辊缝和轧制压力在带材轧制中将减小甚至失去对压下 量的影响，而后张力和轧制速度对压下量的影响显著增大，以致使张力和速度调节成为 控制铝带厚度的主要手段。发生这种变化的原因是当轧件厚度减小到0 0 5 r a m 时，上、 下工作辊在轧机空载运转时就已经互相压靠，使轧辊在辊缝部位产生远大于轧件厚度的 压扁变形，这种轧制称为负辊缝轧制或极限轧制。在极限轧制条件下，进一步增加轧制 压力只能增加轧辊的压扁程度，对压下量几乎不起作用。这时带材单位截面上的张力必 须小于抗拉强度，否则容易产生断带，使铝带轧制无法进行。 1 2 - 2 铝带轧制中轧制工艺参数的选择 1 2 2 1 轧制速度的设定 轧制速度是冷轧的一个重要参数，它是衡量轧制技术水平高低的重要指标。它的大 小直接决定轧机的生产率，为了提高生产率与确保设备安全，一般采用低速咬入及抛 出、高速稳定轧制制度 1 0 1 1 n 。 为保证板形，在成品精轧的最后道次，一般采用较低的轧制速度有利于平整：当轧 制温度过高、裂边严重时，应适当降低轧制速度；轧制极薄带材，尤其铝带精轧，轧制 速度不宜太高，以免发生断带。总之，生产中要根据具体条件和工艺要求，合理选定与 调整轧制速度。 当轧机压下量确定后，该轧机传动比和轧机速度也随之确定，下式表明了压下量、 t f l 铜j 速度和主电机功率之间的合理配置关系： f 2 e 幽 式中： 卜一主电机轴至工作辊的传动比； a j l 铝带压下量； - 7 - ( 1 - 1 0 ) 北京科技大学硕士学位论文 r 与轧制条件有关的参数，可用下式表示： e 一1 0 3 n h | 蝌h n m 、 式中： 阮一主电机额定功率； j j i 厂主电机轴与轧机结构参数有关的空转功率和附加功率之和； 1 7 _ 牟l 机的传动效率。 1 2 2 2 张力的设定 在轧制过程中，张力的给定值大小十分关键，张力太小，显不出张力的作用，板形 得不到保证并会出现铝带跑偏现象。大张力对减小轧制压力、控制铝带跑偏及卷紧铝带 有利，但过大张力会使卷取机构及电机容量增大，增加了设备投资，还可能使所轧制的 铝带宽度变窄甚至使铝带超过塑性变形限度而有拉断的危险。因此，必须根据实际情 况，确定张力值，轧制过程中所给定的张力值，一般要求以不使铝带因裂口等而被拉断 为原则。也可根据某道次出口侧铝带的横断面及单位力来决定。即： 穷口6(i-12) 式中： 于张力( ) ； 沪前材宽度( r a m ) ； | 卜前材厚度( 册i ) ； 曩_ 单位张应力( n m n ：) 实践中张力的选择主要是选择单位张应力口，一般理论值中的单位张应力不超过 0 5 0 , ，通常为( o 3 - o 5 ) 吼范围内。亦即： q t f 一( o 3 0 5 ) 吼 ( 1 1 3 ) 实际使用时张应力可能超过这个范围，这主要由于轧制工况不同。轧机、轧制道 次、品种规格甚至原料条件不同，单位张应力也相应的不同一般对于较厚的铝带或边 缘状况较差的铝带时单位张应力q 应取小值；对于铝带变形较均匀且原料比较理想和工 - 8 - 北凉_ 科技大学硕士学位论文 人操作水平较高，单位张应力口可取较大值。成品与卷取机之间的单位张应力约为通常 张应力的1 居，即： q - ( o 1 0 0 1 5 ) o , ( 1 - 1 4 ) 卷取张力( 前张力) 的作用在于拉平带材，使卷材能展平、卷齐。确定张应力的大小 应考虑合金品种、轧制条件、产品尺寸与质量要求。一般随合金变形抗力及轧制厚度与 宽度增加，张应力相应增大。卷取张力应尽可能小，过大不仅容易断带，丽且使真正的 板形被掩盖起来，不利于下一步加工。卷取张力的最小值是小到带材用眼睛能看到明显 的波浪。再小，由于板带不平就缠不齐了，而且容易造成串层；最大张应力不应超过合 金的屈服极限，以免发生断带。开卷张力( 后张力) 可减少轧制区的变形抗力，从而直接 影响带材的出口厚度。开卷张力过小，会在入口侧带材上出现波浪，多数是在边部导致 压折。开卷张力过大时会在入口侧带材上出现“檀条”，进一步增大开卷张力也会造成 断带。 为了防止铝带轧制过程中断带以及张应力过大掩盖带材板形的缺陷，同时也使得有 足够的张应力以确保铝带的平直度，在生产实践中得出轧制铝带时取张应力为其屈服点 的2 5 3 5 为最佳。 根据经验，合适的张力与出口侧的板厚、道次变形率、总变形率有关。道次加工率 累计与张力成明显的正比关系，随着道次的增加，张力增大，板厚与张力成反比。产品 轧制越薄，张力越大，而变形率与张力也存在着正比关系。 盯- 8 3 4 + 1 0 e f - 3 拍1 7 3 ( m p a ) 而。 ( 1 - 1 5 ) 式中： 口为第一道次的前张力； ，r 一为中间不退火的轧制道次数； 为第i 道次的变形率； 6 为第i 道次的总变形率。 后张力根据前张力及单位压力的实际情况，可在小于前张力4 - 1 2 m p a 之间进行适 当的调节。 9 - 北京科技大学硕士学位论文 1 3 铝带轧机板形控制的主要方式 1 3 1 液压弯辊技术 弯辊控制属于自动压力控制。给出设定的弯辊压力值，安装在弯辊液压缸上的压力 传感器给出实际弯辊压力值。这两者的差值作为调节量。目前弯辊控制大多采用伺服阀 以提高控制精度。通过伺服阀控制液压缸压力，达到要求的弯辊设定值1 1 2 】【埘。 加拿大a c l a n 公司率先于1 9 6 5 年采用液压弯辊作为调节板形的主要手段，于1 9 6 9 年配以板形检测仪构成闭环控制，大幅度提高了板带材的板形质量，其基本原理是：通 过工作辊或支承辊辊颈施加液压弯辊力，来瞬时的改变轧辊的有效凸度，从而改变承载 辊缝形状和轧后带材的延伸率沿横向的分布。只要根据具体的工艺条件来适当的选取液 压弯辊力，就可以达到控制板形的目的。这种方法进一步还可以分为工作辊弯曲和支承 辊弯曲，每种弯曲还可以分成正弯和负弯。液压弯辊在改善板形方面是一项基础性的工 作，在板形控制方面具有重大意义，是一种有效的板形控制手段，其它方法都必须配合 液压弯辊控制。采用液压弯辊技术，不仅对板形质量有十分显著的提高，而且可以提高 生产作业率，减少有色金属消耗和轧辊损坏的几率。同时，液压弯辊技术仍存在很多问 题。首先，它是通过弯曲刚度很大的轧辊来实现的，最终的弯曲曲线基本上接近于二次 曲线。而实际上，轧辊在轧制中由于磨损和受热凸度变化的影响，曲线形状比较复杂， 常常出现一些比较复杂的板形缺陷，例如复合波、局部波等等，这些单靠液压弯辊是无 法解决的。其次，在板宽范围以外，四辊轧机的工作辊和支承辊之间的接触压力也限制 了弯辊效果的发挥。 液压弯辊控制法是利用外加弯矩作用改变工作辊和支承辊之间的接触应力分布。弯 辊装置主要功能：利用装在轴承座上的液压缸来控制工作辊的挠曲变形而使辊形发生变 化，得以改善板形。它的主要特点是能迅速调整轧辊凸度，控制无滞后，与其它板形控 制手段相配合能进一步扩大板形的调节能力和效果。 ( 1 ) 弯曲工作辊 弯曲工作辊技术有正弯辊法和负弯辊法两种。 正弯辊法是在上、下工作辊轴承座之间设置液压缸，对上、下工作辊轴承座施加一 个与轧制方向相同的正弯辊力，在弯辊力作用下，车l s j j 时的轧辊挠度将减小。采用正弯 辊时，工作辊原始辊型凸度应小些，然后借助弯辊力来减小工作辊挠度，这相当于增加 了工作辊原始凸度。在辊身长度与工作辊直径的比值小于4 巧的板带轧机上，一般多采 1 0 北京科技大学硕士学位论文 用弯曲工作辊法。正弯辊法的设备简单，可与工作辊平衡缸合为一体，且当轧件咬入或 抛出时，液压系统不需切换。但是正弯辊法的缺点是使支承辊与工作辊辊身边缘的接触 载荷增加，会增大支承辊辊身边缘部分的疲劳剥落。此外弯辊力也加大了工作辊辊颈、 轴承、压下装置和机架的负荷，特别对工作辊轴承寿命影响较大。 负弯辊法是在工作辊轴承座与支承辊轴承座之间设置液压缸，对工作辊轴承座施加 一个与轧制方向相反的弯辊力，它使工作辊挠度增加。采用负弯辊时，原理同正弯辊法 一样，利用负弯辊法时工作辊原始辊型凸度应大些。该法不增加压下装置和机架的负 荷，对支承辊与工作辊辊身边缘的接触载荷也减小了。但它的缺点是对工作辊轴颈和轴 承的负荷增大。若同时采用正、负弯辊法，则可在更广泛的范围内调整辊型。 ( 2 ) 弯曲支承辊 采用弯曲支承辊法来调整轧辊辊型时，需要将支承辊两端加长，在伸长的辊端上设 置液压缸。目前常用的是支承辊正弯辊法，即弯辊力的作用方向与轧制力方向相同，以 减小支承辊挠度。这种方法的缺点是会增大支承辊辊颈、轴承、压下装置和机架的负 荷，而且结构较为复杂。弯曲支承辊装置一般用于宽度较大的中厚板轧机。 图1 5 厶正弯辊b 负弯辊己弯曲支承辊 液压弯辊力控制是板形控制系统的最基本环节，为保证整个板形控制系统的品质， 液压弯辊闭环控制回路必须对目标弯辊力具有快速的动态响应特性和稳态跟踪精度。由 1 1 - 北京科技大学硕士学位论文 此可见，对于板形控制系统来讲，作为主要控制手段的液压弯辊系统的动态品质和稳态 精度，将直接影响带材板形的好坏 1 3 2 分段冷却控制技术 实际上，分段冷却技术更多地应用于铝带及薄带钢的车l f o j 过程中。带材在轧制过程 中，由于塑性变形和轧辊摩擦产生的大量热量，其中的一部分被轧件带走，而相当一部 分通过热传递进入了轧辊，在一段较长的轧制规程中，这种源源不断产生的热量势必引 起轧辊的温升，进而使轧辊表面发生程度不同的热膨胀，板形缺陷由此产生。目前的分 段冷却系统其主要功能就是使工作辊和支承辊沿辊身长度方向保持一个相对均匀的分 布。为了保证足够的板形精度，冷却系统必须能够修正由于轧制产生的热量所造成的缺 陷。比如说，当铝带材产生四分之一浪形时，冷却系统须马上对产生多余热量的区城起 作用，因为这时的入口带材己经与辊缝形状不相配了。在带材宽度方向仅仅1 c 的温度 差就可使半毫米厚的板带产生2 5 i 的板形缺陷，而标准的平直度公差范围应在1 0 - 2 0 1 之 间 1 4 k s l p 6 l 。 有载辊缝形状直接决定轧件出口形状，而对于辊缝的调整，最为有效的手段当属弯 辊和分段冷却。弯辊装置可以对辊缝中受几何因素( 特别是辊径和轧件宽度) 影响的部分 施加作用，亦即控制辊缝当中的二次项，但是对于其中的高次阶项，弯辊则无能为力。 特别是在轧件边部位置，高阶部分不适合于这种独立的控制手段，主要由于弯辊只有一 个操作机构，即液压缸。这时就可以体现出分段冷却的功用：原则上有尽可能多的控制 机构( 即喷射区域) ，因而轧辊上的冷却可以独立控制辊型中的高阶部分。这种技术对于 辊缝形状发生急剧变化的边部区域尤为有效。 从理论来讲，分段冷却对于板形的作用是很容易让人理解的，但是在实际生产过程 中，此系统的操作相当复杂。为了使轧机获得所需要的热特性，必须根据流量、压力、 用途等来确定整个冷却系统。 1 4 课题的意义、背景及研究内容 铝箔和铝带是铝工业的主干产品，作为工业原材料被广泛应用于国民经济各部门， 并且随着国民经济的发展，铝带材的消费市场将进一步拓宽，消费量也将逐年增加。对 于铝带加工行业来讲，不仅仅是对铝带材的需求量越来越大，同时也对铝带材的质量提 出了更高的要求。目前我国有色金属加工行业每年向用户提供的大多数铝带材产品均不 能达到国外发达国家的质量标准，也无法满足国内高端用户对带材质量的要求。同时， 1 2 北京科技大学硕士学位论文 由于装备水平、技术水平、管理水平等各方面的原因，很多铝带生产企业，甚至引进国 外先进水平铝带轧机的企业，至今仍不能大批量、稳定地生产厚度和板形是决定铝带 几何尺寸精度的两大质量指标。由于自动厚度控制( a g c ) 技术在铝带生产中的应用，使 铝带的控制精度达到了较高的水平，并成为铝带轧机的一项常规技术；而相对于厚度控 制而言，板形控制具有更高的技术难度。随着用户对板形质量要求的提高和对宽、薄规 格产品需求量的增加，解决铝带板形问题，提高带材板形质量将是铝带生产企业迫在眉 睫的重点问题。 本课题以深圳华益铝厂1 4 0 ( k n m 四辊不可逆冷轧机为研究内容，在铝带冷轧机板形 控制系统中采用有限元法，建立轧辊辊系分析模型，借用a n s y s 大型国际通用有限元 软件，完善基本特性的数值分析研究，提出适合该铝带轧机的板形控制综合解决方案。 此外完善铝带轧机弯辊力、张力等板形控制工艺，提高了板形控制精度。 1 3 - 北京科技大学硕士学位论文 2 铝带轧机板形控制思想及研究方法 2 1 影响铝带板形的因素 铝材在轧辊作用下经过一系列变形过程轧成需要的板带材，最终的铝带板形受到许 多因素的影响，概括起来，这些因素可以分为内因( 金属本性) 和外因( 轧制条件) 两个方 面的内容l 切。 金属本身的物理性能( 例如硬化特性、变形抗力) 直接影响轧制力的大小，因而与板 形密切相关。金属的几何特性，特别板材的宽厚比、原料板凸度是影响板形的另一个重 要因素；轧制条件的影响更为复杂，凡是能影响轧制压力及轧辊凸度的因素( 例如摩擦 条件、轧辊直径、张力、轧制速度、弯辊力、磨损等) 和能改变轧辊间接触压力分布的 因素( 例如轧辊外形、初始轧辊凸度) 都可以影响板形。 铝带轧制中必须遵守均匀变形的原则，即保证沿铝带宽度方向延伸一致。铝带越 薄，越要严格遵守此准则，否则，轧出的带材一定会产生板形缺陷，由于铝带在轧制过 程中无宽展，沿铝带宽度方向的不均匀变形将全部转换为延伸不均，铝带厚度越薄，对 不均匀变形的自我补偿能力越弱；另一方面，由于铝带很薄，即使压下量只有微小的差 异，也可导致延伸的显著不同，从而使板形变坏。因此，越薄的铝带，越难控制板形。 铝带板形的影响因素主要有以下几个方面。 2 1 1 轧制力变化对板形的影响 j 嚣 k 。 日 肆 ， p 么 一 发生翅浚 ， 轧制舟 图2 1 轧制力偶然波动对板形的影响 1 4 北京科技大学硕士学位论文 j 避 吧 馨 ， 五磊 图2 , 2 轧制力稳定变化对板形的影响 轧制力受许多因素的影响，例如变形抗力、来料厚度、摩擦系数、铝带张力等。轧 制力变化可分为两种情况，一种是偶然性波动，一种是稳定性波动。偶然性波动变化时 问比轧辊热凸度变化时间短，变化后基本上会恢复原值。轧制力偶然波动对板形的影响 见图2 1 所示。热凸度轧制力关系曲线为l 当轧制力为，时，即可获得完好变 形；当轧制力低于j a 时，带材产生中浪；高于，时，产生边浪。如果轧制力发生了稳 定的长时间的变化，情况就复杂多了。轧制力稳定变化对板形的影响见图2 2 所示。当 工作点在k 点，轧制力为j f a 时，即可获得完好板形；当轧制力降低至，知时，开始阶 段热凸度还来不及变化，它对变形的影响与偶然波动相似，带材产生中浪。但在随后一 段时间内，由于轧制力降低，热凸度随之减小，热凸度值由蜀变化到岛，带材仍产生 中浪1 8 1 9 1 。 2 1 2 来料板凸度对板形的影响 在实际生产中，当来料凸度变化时，已定的轧制状态就会变化，因而使板形发生变 化。如图2 3 所示，完好板形曲线为f ，热凸度轧制力关系曲线为l 工作最佳状 态点在墨。当来料凸度减小时，可以认为热凸度轧制力关系曲线基本不变，但良 好板形线上升为f l ，它要求轧辊有与蜀点相对应的凸度。而实际凸度仍在蜀点，所以 铝带会产生边浪；反之，当来料板凸度增大时，发生中浪f 硼2 。 - 1 5 北京科技大学硕士学位论文 。 i 轧茄 图2 3 来科凸度变化对板形的影响 f 2 1 3 轧辊热凸度变化对板形的影响 轧制过程中，金属相对轧辊滑动产生的热量和金属变形所释放的热量有一部分传入 轧辊，使轧辊温度升高，这是轧制过程中轧辊的热输入；同时冷却水和空气又从轧辊中 带走热量，使其温度降低，这是轧辊的热输出。在开轧后一段时间内，轧辊的热输入大 于热输出，轧辊温度逐渐升高，热凸度也随之增大。在某特定规程中轧制若干带卷之 后，轧辊热输入和热输出相等，处于平衡状态，轧辊热凸度也保持一个稳定值。一般来 说，在特定的轧制规程下，板形工艺参数是依据稳定的热凸度设计的l 笠l l z 3 1 。当确定工作 辊的热凸度后，工作辊热辊型可由三段曲线表示如图2 4 所示。 在x o y 坐标系中，曲线c l 表示为； c j ：y1 c t x 墨p 图2 4 工作辊热辊型曲线 1 6 - ( 争1 ) 鸳电群 北京科技大学硕士学位论文 在x o y 坐标系中，曲线c ：、q 表示为： c 2 ：y - 盯2 + 撅+ c o s 善墨q c 3 ：) ，- d x 2 + 既+ cq 墨x s s 由两条曲线相交点值相等和光滑连续条件可求得： 口t ( q - s ) - 2 c t 2 q s b - 0 、c - c d 。t o - 2 t s - 2 c t 2 s ( q s ) 2 c + s t q s ，- 一麓署 上式： c ：工作辊辊身中部的热凸度，单位肌 p ：尸或8 ： k ：比例系数，k = o 3 4 ； 口：带材宽度，m m ； q ：q = b 2 一p ； n 曲线c 3 在点3 处的导数，可取t = o 。 当计算操作侧的热辊型时：s = l w 2 - p + s h i f t ： 当计算传动侧的热辊型时：s = l w 2 - p - s h i f t o 式中： 1 7 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 北京科技大学硕士学位论文 l w - - - - - t 作辊辊身长度，删i ； s m 玎一工作辊横向窜动量，聊蚪。 2 1 4 初始轧辊凸度对板形的影响 轧后铝带的凸度与轧辊变形形成的承载辊缝形状鳓，有非常密切的关系。承载辊缝 形状的影响因素非常多，如果取图2 5 的轧辊模型，其中力学因素有总车l s t j 力，单位宽 度的轧制力的分布p ，弯辊力而及辊间接触压力口纠。几何因素有变形辊型伽纠， 热辊型d r o p ) ，磨损辊型n w ( y ) ，入口来料横截面几何形状与平直度和铝带的宽度等。 对相关项进行合并，以未知函数g 描述的方程形式表示各影响因素与辊缝关系【2 q 陶： g 衔) = g p o x 聊，c r ( y ) , c w ( y a j 0 2 - 9 ) 图2 5 四辊轧机承载示意图 合理选择轧辊初始凸度，可使板形变化始终被限制在轧机控制能力之内，这是获得 良好板形的重要保证。对所轧产品宽度变化大的轧机来说，应根据产品宽度的不同而采 用相应凸度的轧辊，一般来说，在轧制力相同的情况下，板宽越大，所需凸度越小。在 相同的轧制力和弯辊力作用下，不同工作辊辊型的承载辊缝不相同。 2 1 _ 5 轧辊接触状态对板形的影响 普通的四辊轧机工作辊和支承辊是沿着整个辊身接触的，在板宽范围以外区域，辊 间压力形成有害弯矩，使轧辊发生多余的弯曲。为抵消这个有害弯矩引起的轧辊变形， - 1 8 - 北京科技大学硕士学位论文 可以改变轧辊的初始凸度，也可以使用液压弯辊。但当单位宽度的轧制力改变时，有害 弯矩也随之变化，使板形改变。为了获得满意的板形，必须随着轧制力的变化不断调整 弯辊力闭 2 1 6 张力对板形的影响 在铝带轧制中，轧辊辊缝和轧制压力在带材轧制中将减小甚至失去对压下量的影 响，而张力和轧制速度对压下量的影响显著增大，张力和速度成为控伟0 铝带厚度的主要 手段。在轧制铝带时，张力更具有重要的意义。因为在轧制薄铝带尤其是极薄的铝带 时，由于弹性变形原因，一定直径的轧辊不可能再对相应厚度的铝带产生压缩作用。此 时只有采用张力轧制才能使铝带变形。因此，张力已成为铝带生产中一个重要的工艺参 数。张力对板形的影响体现在几个方面。其一是张力的改变可对轧辊的热凸度发生影 响，特别是后张力影响更大；其二是张力对轧制压力发生影响，特别是后张力对轧制压 力有很大影响，而轧制压力变化必然导致轧辊弹性变形发生变化；其三是张力分布对金 属横向流动发生影响。当张力沿横向分布不均时，能促使金属发生明显的横向流动，从 而改变横向延伸分布，即改变铝带的板形吲嗍嘲。 铝带获得良好轧制质量的主要条件之一是采用适宜的张力。当轧制条件变化时，张 力应能可靠和准确地进行调整，并在轧制中保持不变( 波动最小) 。因张力波动、不稳定 将使铝带本身受到损害。例如，张力稍大则铝带中央会出现波浪；张力太小，铝带两边 会出现波浪。因此，为了保证轧制铝带取得良好的板形，在正常轧制情况下不允许调整 张力，即使在加速或者减速的时间，也应控制卷取机、开卷机平滑地转变速度即张力保 持恒定不变，这是因为： 第一，张力降低使金属对轧辊的压力降低，而压力的降低使轧机的弹性变形也随之 减小，从而可以减小轧辊的变形程度。在轧制过程中，如果发生张力波动，由于轧辊变 形的影响，相当于改变了压下量而使铝带断面发生不均匀现象。例如，铝带前端未固定 到卷取机上及尾端己脱离开卷机，由于张力未形成或消失，将使铝带前端几米( 与轧机 和卷取机、开卷机距离有关) 及尾部几米长度呈现偏厚( 厚度l 删, n - 3 m m 的带材可偏厚 o 0 5 - 4 ) 勘埘) 现象。 第二，张力作用在铝带上使铝带产生一定的弹性变形，所以如果张力波动，则弹性 变形程度也随之发生变化，同样会影响铝带断面的不均匀程度。 - 1 9 北京科技大学硕士学位论文 第三，一定的张力可保证铝带层问的紧密程度，如果张力波动，则可能造成铝带卷 层间的窜动，造成滑带，并有可能影响铝带表面的质量。因此，在铝带轧制生产中，严 格地保持工艺条件所规定的张力均匀单位张力是十分必要的。 2 2 铝带轧机辊系弹性变形的研究方法 板形控制理论主要包括轧辊变形理论( 包括轧辊的弹性变形和热变形) 、轧件变形理 论、轧制后带材的板形判别理论。这三个组成部分存在着紧密的耦合关系( 如图2 6 所 示) ；轧辊变形理论通过承载辊缝形状和轧制压力分布与轧件变形理论紧密地联系在一 起，而它们的计算结果又作为轧后带材板形判别理论的输入条件，以决定轧后带材的板 形状况刚p 1 1 。 辊系变形理论 | 轧 j 制 力 承载辊缝形状 分 布 轧1 牛跫彤理论 i 7 ll l铝带出口凸度铝带出口张应力分布 ll 轧后铝带板形识别 图2 6 板形理论的组成及相互关系 轧辊弹性变形理论在板形理论中有着相当重要的地位这是因为。轧制产品是在变 形的弹性体轧辊作用下生产出来的，轧辊的弹性变形直接影响到最终产品的断面形 状。在板带材轧制中，轧件的断面形状可近似为承载辊缝形状。某些控制板形的手段如 液压弯辊等也是通过改变轧辊变形实现的。所以，只有从本质上充分地研究轧辊的弹性 2 0 北京科技大学硕士学位论文 变形，才能准确地预测一定工艺条件下的轧后断面厚度分布，才能找出板形随各种轧制 参数的变化而变化的规律，从而为确定正确的轧制工艺参数，寻找改善板形的途径，探 索控制板形的方法，为板形控制提供可靠的理论依据。 轧辊的弹性变形主要包括以下几个部分： ( 1 ) 由轧制力和弯辊力作用所引起的工作辊和支承辊的弯曲变形； ( 2 ) 由工作辊与支承辊接触所引起的工作辊与支承辊间的弹性压扁； ( 3 ) 由工作辊与轧件接触所引