（材料加工工程专业论文）uc轧机板形预测模块及软件开发.pdf

接要 u c 轧机板形预测模块及软件开发 摘要 随着用户对板带材产品质麓要求的日益提高，扳形问题已显得越束越突出， 并成为固内外众多板带生产厂家关注的焦点。 u c 轧机( u n i v e r s a lc r o w nc o n t r o lm i l l ) 能擞鬻改善板形，它是在 c 轧机 ( h i g hc r o w l nc o n t r o lm i l l 豹鏊疆土署发是来貔爨毒更强筑投影控裁链力翁蓊 型六辊轧梳。与h c 轧辊相融，除了工作辊辊径减小外，还有中闻辊弯辊控制板 形，使得轧机的板形控制性能大大加强。目前对u c 辊形弹性变形、扳形预测的 理沦研究及相应的板形控制系统的设计工作还处于初级阶段。 本文的主要工作和结论如下： ( | ) 利瓣彩醺函数法建立了辍系弹性交形数学摸鍪；接罢了0 e 莪辍筑辊弹淫 弯篷变形靛彰确函数，工终辍鸾辊力影璃函数，中闽辏弯辊力影噙函数，辊闯压 扁影响函数和轧制力引起的工作辊压扁影响函数，樽出轧辊辊系弹性变形的力平 衡方程、力矩平衡方程、力一位移关系方程和变形协调方程；进一步究善了辊间 压扁和工 乍辊压扁影响函数的数学模型。 f 2 ) 撼零了轧辊压癀半径熬显示公式，簿决了轧刳力模型与轧辊簇豢模型闽 互耀藕合瓣越，篱鬟二了辊系交形豹求解过程；建立了变形菝力稻蘩穗系数模型， 提高了轧制力模型计算精度。 ( 3 ) 建立了u c 轧机辊形弹性变形模型；提出了平滑指数和收敛指标取值的 处理方法，有效的解决了u c 轧机辊系弹性变形计算精度及收敛问题；利用所开 发的u c 瑕形预测模型软件避行了一系到的计算，斑当其毡改变乳铡条件变化 时，中阕凝横移量交讫瓣，中淹辘攘移垂为2 0 r a m 瓣 ! 馨虱瑾惩翁羧形。 ( 4 ) 在理论上研究u c 轧帆盼扳形控制性能，卵中间辊横移的檄形控制性 能、中间辊弯辊的板形控制性能和工作辊弯辊的极形控制性能。分析了扳形分量 与执行几个调整量的关系，为实现u c 轧机板形自动控制奠定理论熬础。 关键测：u c 轧机，板形，投形控制，板凸发，霉l 辊横移，弯辊，影响遗数， 囊黟弹淫交彩，数学摸墼 s t u d ya n dd e v e l o p m e n t o ft h es o f t w a r eo nt h e f o r e c a s t i n gm o d e lf o ru c - m i l ls h a p e a b s t r a c t s t r i ps h a p ep r o b l e m sg e t m o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n ga n db e c o m et h ep o i n t f o c u s e db ym a n yp r o d u c e r s a t t e n t i o na th o m ea n da b r o a da st h ei n c r e a s i n gq u a l i t y d e m a n d so ns t r i pp r o d u c tm a d eb yu s e r s u c m i l lc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo f s t r i ps h a p er e m a r k a b l y i ti s an e wt y p eo f 6 - h i g hm i l ld e v e l o p e df r o m h cm i l la n dh a s s t r o n g e rs h a p e c o n t r o l c a p a b i l i t y c o m p a r i n g w i t hh c m i l l u c m i l lh a ss m a l ld i a m e t e rw o r kr o l l sa n di n t e r m e d i a t er o l l b e n d i n gb e s i d e sw o r kr o l lb e n d i n ga n di n t e r m e d i a t es h i f t i n g o nt h eb a s i so f t h e s e a c h i e v e m e n t s ，t h es h a p ec o n t r o lc a p a b i l i t y i sm u c hi m p r o v e d h o w e v e rt h e o r e t i c a l r e s e a r c ho nr o l ls y s t e me l a s t i cd e f o r m a t i o na n ds t r i ps h a p ef o r e c a s t i n ga n dt h ed e s i g n f o rr e l e v a n ts h a p ec o n t r o ls y s t e ma r es t i l li nt h ep r i m a r ys t a g en o w t h em a i nw o r ka n dc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( i ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fr o l ls y s t e me l a s t i cd e f o r m a t i o ni s s e tu pw i t h i n f l u e n c ef u n c t i o n ；t h ef o r m u l a sa r ed e d u c e dt h a ta r et h ei n f l u e n c ef i m c t i o no fr o l l s y s t e me l a s t i cb e n d i n gd e f o r m a t i o n ，t h ei n f l u e n c ef u n c t i o no f w o r kr o l lb e n d i n ga n d i n t e r m e d i a t er o l lb e n d i n g ，t h ei n f l u e n c ef u n c t i o no ft h ef l a t t e n i n gb e t w e e nr o l l sa n d t h ew o r kr o l l f l a t t e n i n ga r i s i n gf r o mt h ef o r c e ；t h ef o r m u l a so ff o r c eb a l a n c ea n d m o m e n tb a l a n c e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nf o r c ea n dd i s p l a c e m e n t ，a n dt h ed e f o r m a i o n c o m p a t i b i l i t y ；t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ff l a t t e n i n g i n f l u e n c ef u n c t i o n sa r em o r e i m p r o v e d ( 2 ) t h ee x p l i c i tf o r m u l ao f t h er o l lf l a t t e n i n gr a d i u si sd e d u c e da n dt h em u t u a l c o u p l i n gp r o b l e mb e t w e e nf o r c em o d e la n dr o l lf l a t t e n i n gm o d e li s s o l v e da n dt h e s o l u t i o np r o c e d u r eo fr o l ls y s t e me l a s t i cd e f o r m a t i o n t h em o d e l so fr e s i s t a n c eo f d e f o r m a t i o na n dc o e f f i c i e n to f f r i c t i o na r es e tu pa n dt h ec a l c u l a t i o n p r e c i s i o no f f o r c e m o d e li sa d v a n c e d ( 3 ) t h er o l is y s t e me l a s t i cd e f o r m a t i o nm o d e lo fu cm i l l i s e s t a b l i s h e d ；t h e i i m e t h o dt od i s p o s eo fs m o o t h e d e x p o n e n t i a la n dc o n v e r g e n c e i n d e xi sb r o u g h t f o r w a r d ， w h i c hs o l v e se f f e c t i v e l yt h ec a l c u l a t i o np r e c i s i o na n dt h ec o n v e r g e n c ep r o b l e m f o r e x a m p l e ，a st h es h i f t i n gv a l u eo f i n t e r m e d i a t er o l lv a r i e sw h i l eo t h e rc o n d i t i o n sd o n t ， s e r i e so fc a l c u l a t i o nw i t ht h es o f t w a r eo f s t r i ps h a p ef o r e c a s t i n gm o d e li sm a d e t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f e c t s t r i ps h a p ec a nb eg a i n e dw h e nt h es h i f t i n gv a l u eo f i n t e r m e d i a t er o l li s2 0 m m ( 4 ) s h a p ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so f t h eu c m i l l ，s u c h a si n t e r m e d i m er o l ls h i f t i n g ， i n t e r m e d i a t er o l lb e n d i n ga n dw o r kr o l lb e n d i n g ，h a v eb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h e s h a p ec o n t r o lr e g i o nh a sb e e nd e t e r m i n e da n dt h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h a p e c o m p o n e n t s a n dt h e a d j u s ta m o u n to fa c t u a t o r s h a sb e e ng i v e n t h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nh a sb e e nf o u n d e df o rt 1 1 er e a l i z a t i o no fa u t o m a t i cs h a p ec o n t r o lo fu c m i l i k e yw o r d ：u c 。m i l l ，s t r i ps h a p e ，s h a p ec o n t r o l ，c r o v w l ，r o l ls h i f t i n g ，r o l lb e n d i n g i n f l u e n c ef u n c t i o n ，r o l ls y s t e me l a s t i cd e f o r m a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：鹰靛繇天 日期：2 0 0 4 年2 月2 2 日 1 绪论 1 1 板形的基本概念 1绪论 板形包括板带纵横两个方面的尺寸指标。就纵向而言，通常指的是平直度， 或称翘曲度，俗称浪形，即沿板带长度方向上的平坦程度。就横向而言，板形所 指的是板的断面形状，即板宽方向上的厚度分布，包括板凸度，边部减薄及局部 高点等一系列概念。其中，板凸度是最为常用的横向板形代表性指标。 1 1 1 板平直度 板带材的平直度就其实质而言，是指内部残余应力的分布。将带钢沿纵向设 想成由若干窄条组成，它们互相牵制，互相影响。如果带钢沿横向厚度压下不一 样，则各窄条就会相应的发生延伸不均，从而产生相互作用的内应力。当该内应 力足够大时，就会引起带钢的翘曲，此翘曲程度即被定义为平直度。 ( a ) ( b ) 图1 1 板形缺陷示意图 ( a ) 翘曲带钢；( b ) 分割图 f i g 1 1t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t r i ps h a p e ( a ) t h ed i s t o r t e ds t r i p ；( b ) t h ed i v i s i o n 东北大学硕士论文 u c 轧机板形预测模块及软件开发 作为平直度的定量指标，如图1 1 所示有两个量，其一时横向上最长与最短 纵条之间的相对长度差表示，即相对延伸差e ， e = 上上( 1 1 ) 式中：轧后带钢最长与最短纵条之差，m m ； 上轧后带钢最短纤维长度，n l m 。 相对延伸差e 的国际通用单位为j 单位，一个，单位相当于长度差为l o ， 另一个作为描述平直度的指标是用板带翘曲波形的波高与波长之比来表示的，即 翘曲度 ， 五= 彤丘( 1 2 ) 式中：r ，波形高度，m m ； l ，波形长度，m m 。 1 。1 2 板凸度 板凸度可定义为板横断面上中心处厚度与边部某一代表点处厚度之差值， 即， c h = 趣一睫( 1 3 ) 式中：吃板横断面上中心处厚度， i 1 1 n i 见板横断面上边部某一代表点处厚度，m m 。 考虑到轧件厚度，板平直度和板凸度之间的密切关系，引入比例凸度的概念， 比例凸度c 。表示为板凸度g 与轧件轧后的平均厚度h 之比，即为， c ，= g f h( 1 。4 ) 为获得良好板形，要求带钢沿其横向有均匀延伸，即保证来料带钢的横断面 形状与承载辊缝的几何形状相匹配，从而使带钢横向上的纵向延伸均匀，带钢的 轧前与轧后断面各处尺寸比例恒定。由此，有以下关系成立， 堡h = 等j 警= 气鱼= 鱼 ( 1 s ) oh!heh e hh 一j 1 绪论 因此，良好板形条件是比例凸度差值为零，即 a c = c 一c p l ( 1 6 ) 式中， c p 。带材轧前比例凸度； c 。带材轧后比例凸度。 但是，并不是当巴，不等于o 时，就一定出现板形缺陷。由于轧件横向流 动的影响，即使来料断面形状与承载辊缝不相匹配，也有可能不导致轧后的板形 缺陷。因此，在实际轧制时可以根据产品凸度方面的要求进行轧件凸度的修正， 允许有定程度的比例凸度变化。 1 。1 3 板平直度与板凸度的关系 作为板形横向典型指标的板凸度和纵向典型指标的板平直度之间的关系并 不是相互独立的，它们彼此相互制约，相互影响，不可分割。 经理论推导1 2 ，3 1 ，得出比例凸度差值c 。与翘曲度a 之间存在以下关系， 一2 a c ，2 等a 2 ( 1 7 ) 而比例凸度差值c p 与相对延伸差e 之间的关系为 4 1 ， a c ：坠生一 l t c - - h e ：堡一堡：量一生：量一l ：坐 9 吃4吃见ttttf 1 8 ) 巴= e 式中： t ，t 分别为轧前带钢边部和中部纤维的长度，m m l ，i 分别为轧后带钢边部和中部纤维的长度，i i l r n 。 由以上可知，板凸度和板平直度的关系比较密切。板平直度的控制最终还要 归结到轧机辊缝形状的控制上。因此，如何控制好板凸度时解决板形控制问题的 关键。 东北大学硕士论文u c 轧机板形预测模块及软件开发 捌黼皇宣i i i i 一i i ii i i 誓i i i 皇i i i i 1 4 摄凸震豹影鞫因素 板凸度的影响因素很多，包括轧辊，轧件即轧制条件等诸方丽f 5 】。其中，涉 及轧辊的影蛹溷豢有乳辊牟瘗承，乳辊弯媳挠度，孝k 辍势切挠度，乳辘间接触变形， 轧辊与氧馋的接触变形，筏辊表面状态，轧辊温度，筑辊蘑损，筑辊裙始凸泼及 轧辊的机械特性等；涉及轧件的影响因豢有轧件厚度，轧件轧前变形历史，轧件 热处理状态，轧件表面状惫，轧件材质疑加热温度等；而涉及轧制条件的影响闼 豢毒乾裁漫菠，轻 孛速度，溺潆清瑟及藤螽力等。忿努，逐有一些篷蠢阗交纯 的因素也影响遮轧件的轧腐板凸度。所肖以上各种斟索的综合作用，决定遮轧话 的最终板凸媵及相应的板凸度。 虽然上述关于影响板魉度辑涉及戆溺素众多且复杂，但是这然邈素可归结为 以下霞个寿瓣， ( 1 ) 轧制裁荷引起的轧辊弯曲变形； ( 2 ) 轧制戴荷弓 起的聋l 辊表面压扁变形； ( 3 ) 辜t 巷过程貔李l 辊热变形 ( 4 ) 轧制过程的轧辊赡损。 通过对上述各部分影响因素的分析研究最终得出辊系的弹性鼗形，从而求出 糖应夔扳凸废大小。 1 ，2 板形控制轧机 瑟谑叛形装鞠，藏是锋j 孽攫影影穗戮豢簧葶| 超貔凝缝形状交弦遂行糖瘦 绥 的技术。具有这种补偿能力的轧机即称为板形控制轧机。 为了获得良好的板形，人们起初是从工慧上着手，通过设定初始辗缝形状，改变 轧肇l 援程嘲及潺整热凸度簿方法遗行了糖秘尝试，然褥这些调节手段都普遍存在 着响应速度幔，不能实瑗程线的即珏重掇铡等不足之处，丽且对于辩常板断面如鼹 部高点等缺陷的控制几乎光能为力。鉴于这种情况，人们的眼光开始转向了轧机 本身，从设备的结构出发，开发设计出装备有各种执行枫掏的板形控制轧机。以 下是擐据不鬻靛扳形控割手段，分臻对器静板形控割毒l 税懿梅造及将薤律一些篱 爱的介绍。 l 缝逡 1 2 1 弯辊 ( 1 ) 垂囊弯辊 为竣铡投凸痉，最壹接戆想法是毅变两个工穆蛾雀垂直方良主瓣灏蒎，敲筵 开发出工作辊垂直方离可弯灏辜l 枫。对四辊轧枫霄露吉，根据具体设镰和工艺条件 的不同，可进行工作辊弯辊，如图1 2 所示。弯辊方式可选用正弯，也可选用负 弯。对于六辊轧机而言，除了工作辊弯辊，还可选用中间辊弯辊。 ( a ) ( b ) 图1 2 液压弯辊示意圈 ( a ) 工作辊正弯：( b ) 工作辊孰弯； f i g 1 2h y d r a u l i c r o l lb e n d i n g ( 鑫) w o r kr o l lp o s i t i v eb e n d i n g ；( b ) w o r kr o l ln e g a t i v eb e n d i n g 然而，采用垂直弯辊进行控制的轧机也存在不足之处，其一是当轧件宽度与 工作辊煦径的比值较大时，弯辊控制的效果不能达到板宽的中部；其二是弯辊能 力盼大小鼹劐轧辊轴承能力，辊颈强度及轴承强发等诸因素豹制约，解决第一个 运逶豹瑟簇，是在辜l 裁竟薄豢褥采弱小辗径工终辍露，涂罴震弯辊零羧羚，还裂 用其它控制手段如横移，中阎鞭弯辊及冷却水分段等进行综台控制。解决第二个 问题的方法，可以采用双轴承废工作辊弯辊技术【7 8 】。 双轴承座工作辊弯辊是网本石川岛播磨工北公司于七十年代开发的一项改 善液压弯辊控制能力的新技术。其原理为，针对落邋单轴承座工作辊弯辊存在豹 翅嚣，鄯王俸辗辘承座应力秘嶷彩夔不缘等获况，褥工痒囊骧承痉一分梵二，内 东北大学硕士论文u c 轧机板形预测模块及软件开发 侧轴承座施加弯辊力，实现轧辊的正，负弯。由于内外轴承座的功能分开，弯辊 力独立于平衡力进行调整，从而可以优化辊颈形状的设计，充分利用轴承座，轴 承及辊颈的强度，增大弯辊能力，扩大轧机的凸度控制范围。 由于双轴承座工作辊弯辊技术对原有设备改动不大，且有比较明显的控制效 果，故该项技术在热带连轧机，冷带连轧机，单机架板带冷轧机及平整机等多种 型式的轧机上得到应用。 普通四辊轧机的实验及理论分析均表明，工作辊和支撑辊之间存在着有害弯 曲接触区。记载板宽范围之外的支撑辊与工作辊的接触压力对工作辊形成有害弯 矩，使工作辊弯曲，从而影响着轧后板凸度的大小。板越窄，这种板宽范围以外 的接触区域越大，由此带来的有害弯矩也就越大，从而引起的轧辊挠曲量也越大。 此外板宽范围之外工作辊与支撑辊的相互接触还限制了弯辊效果的正常发挥。基 于以上原因，开发了双阶梯支撑辊b m c 和大凸度支撑辊n b c m 。 双阶梯支撑辊b c m ，是将支撑辊加工成双阶梯形，使在板宽之外支撑辊与 工作辊间完全脱离接触，从而排除有害弯矩对工作辊的影响，扩大工作辊弯辊的 效果，不过双阶梯支撑辊存在的一点致命问题是，一旦双阶梯加工完备，则其长 度将保持不变，然而轧制过程中所轧产品的宽度却不是恒定不变的，要适应不同 宽度的轧件，在生产中瞬时的改变双阶梯支撑辊的阶梯长度显然是不切实际的。 大凸度支撑辊n b c m ，是采用大凸度支撑辊解决双阶梯支撑辊不能适应不同 板宽轧制问题的方法【9 j 。它是利用, l 帝t j 不同宽度带钢时轧制力不同这一特点，并 从h c 轧机工作原理得到启发而研制成功的，工作原理如图1 3 所示。使用大凸度 支撑辊，, l g l j 宽带钢时，* l 锖j j 压力较大，工作辊与支撑辊之间的接触长度也较长； 而当* l 锦f j 窄带钢时，轧制压力较小，使得工作辊与支撑辊之间的接触压扁减小， 从而导致两辊间接触长度缩短。由此，辊间接触长度可随板宽不同而变化，增大 了轧机可轧带钢宽度范围。在相同轧制条件下，* l 错t j 窄带或宽带时，工作辊挠度 曲线可以基本保持不变，因此，n b c m 是实现自由宽度轧制的关键轧机之一。 研究证明h ，n b c m 布置于下游机架可明显增大板凸度控制能力，提高弯辊 效率，可实现精轧工作辊的无辊型轧制。在精轧机组中，上游机架采用板凸度控 制能力很强的c v c 轧机，末架或后两架轧机采用工作辊( 强力) 弯辊装置，再 与n b c m 技术相结合，其板凸度控制能力可与6 辊轧机或对辊交叉轧机相当， 而投资比6 辊轧机或对辊交叉轧机少。 1 绪论 ( 2 ) 水平弯辊 在水平方向上对工作辊施加弯辊力，利用控制工作辊轧制是在垂直面上的变 形差，实现轧件宽度上的板厚控制。基于此原理开发了平直度自由控n * l 机f f c 图1 3n b c m 轧制原理 ( a ) 窄带时；( b ) 宽带时 f i g 1 3 c o n t r o lp r i n c i p l eo f n b c m ( a ) f o rn a r r o ws t r i p ；( b ) f o rw i d es t r i p ( b ) 轧机( f l a t n e s sc o n t r o lm i l l ) 1 0 】。该轧机由上下支撑辊，上大直径工作辊，下小直 径工作辊，下中间辊及水平弯曲辊和组合支撑辊后面的液压缸总水平推力及分 布，经水平弯曲辊传递，即可任意的控n 4 , 直径工作辊的水平挠度，从而实现对 各种形状的变形控制。 1 2 2 轧辊横移 作为横移轧机的先驱代表，当首推日本日立公司于2 0 世纪七十年代初期开 发的h c 轧机( h i t a c h ih i g hc r o w nc o n t r o lm i l l ) “j ，如图1 4 所示。工作辊可进行 弯辊，而中间辊则可沿轴向进行左右移动。通过上下中间辊沿相反方向的相对横 移，改变工作辊与中间辊的接触长度，使工作辊和支撑辊在板宽范围之外脱离接 触，从而有效的消除了有害接触弯矩，与此同时也增加了工作辊弯辊的控制效果。 在生产中，为了轧制更宽更薄及更精的带材，需要采用小辊径的工作辊，并 增加高次板形缺陷的控制手段。于是，在h c 轧机的基础上又发展起来一种新型 东北大学硕士论文u c 轧机扳形预测模块及软件开发 的轧机，即u c 轧机( u n i v e r s a l c r o w n c o n t r o l m i l l ) 1 2 。采用小辊径工作辊的h c 轧机，由于其刚度不足，结果导致所轧带钢边部厚度与中间不一致，出现复杂波 形，而u c 轧机的控制是十分有效的。u c 轧机各控制手段的分工如下：中间辊 弯辊控制带钢的二次板形：工作辊弯辊控制带钢的四次板形；中间辊横移则起着 中间影响的作用，并可扩大中间辊和工作辊的控制效果。上述控制手段相互结合， 即可对生产中所出现的各种板形缺陷实现有效的控制【l 3 1 。 图1 4 h c 轧机 f i g 1 4h c r a i l l 1 2 3 轧辊交叉 图1 5 对辊交叉( p c ) 轧机 f i g 1 5p c m i l l p c 轧机( p a i rc r o s sm i l l ) 是日本新日铁和三菱重工公司共同开发的板凸度控 制设备1 6 1 ，是轧辊成对交叉的4 辊轧机，轧辊交叉角为o 1 2 。，如图1 5 所 示。成对交叉轧机的工作原理是：成对的工作辊和支撑辊交叉，使得轧辊辊缝呈 抛物线形，相当于工作辊具有原始凸度，这种当量轧辊凸度c ，可用下式表示： c ，一b 2 t a n 2 0 2 羔占2 (19)d 2 珑 ”。 式中，b 带钢宽度，衄； 目为交叉角，m d ； 仇为工作辊直径，r n r n 。 通过调整工作辊交叉角0 即可改变轧辊凸度，当轧辊交叉角为1 0 。时，轧辊 1 绪论 凸度可达1 0 0 0 p m 。初始轧辊凸度是传统热带钢轧机编排轧制计划的主要限制因 素，若要获得良好板形，需根据所轧带钢的材质和规格优化轧辊凸度设计及 交叉角设定。 概括起来，p c 轧机具有下列特点【1 7 , 1 8 】：板凸度控制范围广，居所有板凸度 控制轧机之首；通过调整轧辊交叉角，实现轧辊凸度的变化，这样，用一种辊型 即可轧制不同规格的带钢；在精轧机组的后几架轧机可实行大压下率轧制。但 p c 轧机需要安装角度调整和侧推力支撑两套机构，结构复杂，造价高，且轴向 力大( 一般为轧制力的5 1 0 ) 。 1 2 4 c v c 轧机 c v c 轧机工作辊为连续可变凸度、可横移的s 型辊，1 9 8 2 年由德国s m s 公司发明。c v c 轧机可通过两工作辊的反向移动，增大或减小轧辊凸度，且凸 度变化量与横移量成正比1 1 9 - 2 1 。 宝钢2 0 5 0 精轧机组7 架轧机全部应用了c v c 技术，其工作辊轴向横移的范 围为士1 0 0l n l l l ，由此产生的轧辊凸度变化为1 0 0 5 0 0u m ，与弯辊装置配合使用 则有6 0 0g m 的凸度控制能力。在轧制不同凸度要求的产品时，对于普通轧机， 需储备多种具有不同原始凸度的轧辊，而用c v c 轧机，通过工作辊的轴向移动， 只需一对轧辊即可满足要求，从而减少了轧辊的储备量。1 9 8 7 年，美国瓦尔顿 钢铁公司( w e i r t o ns t e e lc o r p ) 将原有的1 3 7 0 m m 热连轧六架轧机全部改为c v c 轧机，并装备了液压a g c 和弯辊装置，2 3 1 ；贝克尔韦尔特( b e e c k e r w e r t h ) 厂于 1 9 8 7 年和1 9 9 3 年进行了两次技术改造，利用配以弯辊和横移系统的c v c 轧机， 改善了板凸度及板平直度，取得了满意的效果【2 4 1 。 1 3 小辊径化技术和u c 轧机的开发 1 3 1 小辊径化技术 工作辊直径对板带钢轧制的生产工艺，产品质量及力能参数有明显的影响 2 5 , 2 6 。当工作辊直径减小时，可以显著地降低轧制压力和轧制力矩，从而可以增 东北大学硕士论文u c 轧机板形预测模块及软件开发 大道次压下量。减少轧制道次，减小设备尺寸，同时还可以减小最小可轧厚度， 从而可以生产出更薄的产品。由于采用了小辊径化的工作辊，轧制力矩已不能用 工作辊传递，故而采用中间辊传动( 六辊轧机) 或支撑辊传动( 四辊轧机) 。 目前，在世界范围内所开发出来的新型轧机，如h c 轧机，u c 轧机，c v c 轧机，u p c 率k 机，f f c s l 机，c r $ 1 , 机等，尽管形式各不相同，但其基本控制思 想均是在采用小辊径化工作辊的基础上，充分利用板形控制技术和工作辊水平 稳定化技术。但是，由于c v c - $ l 机和u p c $ l 机均采用特殊辊型，而且要求的加 工精度很高，目前国内大多数厂家尚不具备这种加工能力。而f f c 车l 机和c r s l 机，均是在现有的四辊轧机或六辊轧机的基础上增加轧辊数目，使得轧机结构 趋于复杂化。相比之下，h c $ l 机和u c 轧机对现有的六辊轧机的结构改造较少， 且采用平辊轧制，改善板形的能力与以上几种机型相当或者强之，所以显示出 更大的适用- 眭。 1 3 2u c 轧机的开发 1 3 2 ，1u c 轧机的结构 最近几年开发出的几种新型的u c 轧机，工作直径越来越小，板形控制能力 也越来越强，其结构简图如图1 6 所示。如在一般的四辊轧机上工作辊的直径与 其辊身长度之为d 。l = o 3 5 0 5 ，h c 轧机为o 2 5 o 5 ，u c 1 型轧机为o 2 o 3 ， 而新近开发的u c 2 ，u c 3 ，u c 。4 型轧机，使得该值小到0 0 6 1 2 7 1 。随着工作辊 直径的减小，侧支撑辊的作用逐渐加强。在u c - - 4 型轧机上采用了最外层侧支撑 辊轴向分段，上下交错的方法，增加了工作辊在水平方向的稳定性。这种轧机的 工作辊不设轴承座，目的是为了换辊方便。实验证明【2 8 1 ，这种u c 4 型轧机具有 很高的板形控制能力，侧支撑辊具有足够大的刚度，正反向轧制对板形影响不大。 1 3 2 2u c 轧机板形控制的稳定性 在实际s l 带j j 生产中，不仅要求能控制板形，而且要求具有良好的板形控制稳 定性，即当轧制力波动时，板形变化甚小，或者根本不变化。一般的四辊轧机不 具备这种功能，而u c 轧机则具有这种稳定性1 2 9 。通常板带轧机是以横刚性系数 的大小来定量地表示其板形控制的能力，横刚性系数越大，其板形控制的稳定性 1 绪论 越好。摸剐羧系数为产生擎垃叛凸痉袋嚣獒耗到力，强筵，摸剐瞧系数憨霹麓 下式表示： 硒：霉( 1 ，1 0 ) 瑚 式中：p _ 一轧制力，k n ； 西板凸度，m m 。 圈1 , 6u c 轧帆的构造及特点 f i g ，1 6t h e c o n s t r u c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f u cm i l l 普通的网辊轧机的横刚性系数在一定条件下( 如板宽一定时) 题不可改变的， 溺蘧，在露辍氛氛上当冀稳条譬 一定孵，扳影夔轧铡力豹波动瑟波动：瑟在u c 轧机上，由于中间辊可以辅向移动，因此u c 轧杌的横刚度系数蹙w 以改变的。 当所轧制的檄带宽度一定，中间辊调整刹某一个合邋的位置时，w 使得轧机的横 剐度系数趋予无穷大，此l l 尊轧制力的变化不产生任 霹影响，这一点融经被实验所 滋疆。蚕1 7 为糍与中藏辍簸佳横移谴嚣艿乏阗懿关系鼗线，鼠蚕中可戮看窭，赫 东北大学硕士论文u c 轧机板形预测模块及软件开发 从不同方向趋于无穷大，无穷大点所对应的巧即为该状态轧制时的最佳横移位 置，此时板形的稳定性最好。 图1 7 k b 与d 之间的关系 f i g 1 7 t h er e l a t i o nb e t w e e nk ba n dd 1 , 3 2 3u c 轧机的优点 综上所述，u c 轧机的优点可以大体上归纳为如下几点： ( 1 ) 可以大幅度地提高板形质量 由于u c 轧机具有极强的板形控制能力及优良的板形控制稳定性，因此，u c 轧机与其他类型的轧机相比，可以大幅度地提高板形质量。由于板形质量的提高， 使得冷轧本工序的成材率提高，同时也有利于下一工序的生产，特别是u c $ l 机 用于连续退火线的在线平整时，由于板形质量的提高，可以省去张力矫直工序。 ( 2 ) 提高产品的成材率 一方面由于板形质量的提高使得成材率提高：另一方面由于边部减薄减小也 使得成材率提高。据日本新日铁君津厂的技术资料报道 3 m ，用h c ：$ l 机可提高成 材率o 3 5 ，后来改用u c s l 机，成材率又进一步樗到提高。0 3 9 1 0 m m 的带钢 采用h c 轧机轧制时，由于减小了边部减薄，可以减少2 0 m m 宽的切边量，采用 u c $ t , 机轧制时，可减少2 5 m m 宽的切边量，效果更加明显。 ( 3 ) 提高轧机生产率 l 绪论 因为u c 轧魂采用了小辍径化蠡勺工髂辊，显著地降低了轧铡压力和轧制力 斑，从雨，为实现大压下轧涮创造了条 串，所懿，麓u c 氧税来轧错同样燕格的 产品时，可以减少轧制道次，提高了轧机的生产率。另外，由于u c 轧机板形撩 制的效果良好，减少了由予板形不良所造成的断带事敞，从而，使得轧机的作业 率缮囊提毫。 ( 4 ) 节能 u c 轧机的节能效果主要体现在以下几个方面： 汹泽低靛铡功率 由于u c 轧机采霭了小辊径亿静工作辊，所鞋，降低了耗制力瓣潮车0 制髓藕。 ( b ) 增大来料厚度 由于增大了来自热轧的板带厚度，因此，可以减少热轧中的热损失，从而可 隧降绦热筑校燧豹掇熬滠发，熬辜l 爨糕爨蔫可敬大楱煮遣降低。京冷襞蓠懿酸浚 工序中，由于原料厚度增加，表面积与体积的比值减小，因此，减少了酸的用鬃 及调整酸洗液的温度所需的蒸汽用量。 f e ) 取消中闻逗火王窿 高硬度轧件轧制中取消了中闻遐火工序，节省了麓量。 ( 5 ) 减少餐用辊的数圈和降低轧辊消耗 由于u c 轧机具有极强的板形控制熊力，所以轧辊凸度对它来说已是不必要 戆了，这是与錾辊辜t 蔽瓣一令攫大懿不溺。一羧u c 毒l 梗镬爰平辗帮可对各转投 形要求进行满意的控制。这样便于轧辊加工，降低了轧辊消耗，节省了备用辊。 1 3 2 。4u c 轧机的发展进糕及种类 匿立公司冷筑援懿野发经魇我表蓑套疆径纯孝k 楗秘发震遗稷【2 8 】。按露瘸豹次 序工作辊小辊径化的发展j 踅程如图1 。8 所示，从传统的四辊轧机发展蛰j h c s l 机， 再由h c s l 机进步发展n u c s l 机。此图说明了为了减小工作辊棍径而作的努力 殿u c j f l 枫广泛翡应用范潮。由于u c 2 4 枣l 枫采用了小辊径化的工作辊，因此袋 髑中闻赣僚劝方式，为了防止中闯辊传动时静霜向力对王 乍辊翡豫糟焉健工俸辗 产生水平弯曲。开发了工作辊水平方向侧支撑机构，从而，使得工作辊的小辊校 化成为可能。 在采震，l 、辊经纯魏王露辘熬过程孛，毽立公委l 燕氆鉴了森杏泰尔辜l 极戆实器 操作经验而开发出来的。也就是说，要s l $ l j 出表面光洁的极薄带材必须采用小辍 东北大学硕士论文 u c 轧机板形预测模块及软件开发 径化的工作辊，而为了防止工作辊的水平弯曲必须采用分割辊式的侧支撑辊。为 此，必须考虑如下两个问题。 年度 6 5t o7 5b o8 59 0 图1 8u c 轧机的发展历史 f i g 1 8 t h e d e v e l o p m e n th i s t o r yo f u cm i l l s 第一，侧支撑辊所要承受的压力的大小。u c 轧机的轧制压力主要支撑辊承 担，侧支撑辊所承受的压力大约是轧制压力的1 0 左右。 第二，侧支撑辊辊面的平齐度。最外层的侧支撑辊采用的是分割辊，这些分 割辊安装在一根刚性足够大的梁上，因此，侧支撑辊的辊面不会产生挠曲变形， 而对工作辊产生均匀的侧压力，从而防止了工作辊的水平弯曲。依靠这种技 术，而开发了u c 2 、u c 3 和u c 4 轧机，图1 9 为u c 轧机的发展过程及各种 u c 轧机的结构。 1 4 本文研究的目的及主要内容 u c 轧机具有极强的板形控制能力，可以消除中浪、边浪到两肋浪、复合浪 等多种不良板形，通过调节辊缝以适应各种不同板形的来料，保证轧后板形良好， 板形控制范围扩大到一个平面，中间辊横移可以调整轧机的横刚性系数，使得板 形不受轧制力波动的影响。因此，这种轧制技术目前在我国已经受到高度重视。 对u c 轧机辊系变形做了深入的理论研究，分析u c 轧机的板形控制性能，建 立u c 轧机最佳横移位置及最佳弯辊力的设定模型，对于实现h c * l 机及u c 轧机 1 绪论 的板形自动控制及推广h c 轧机和u c 轧机在我国的应用具有重要的理论意义和 实用价值。 矧曲 导 导号 i l dsl c e lm e d l u n l h a r d n e s s m a t o rl a l w 1 1 ds l o c 【m e d i u m h l 曲f l a r d n e s sm a t e r l a m e d i u m h 】g h h a r d n e s s r i l s t e r i a l m e d i u m h 【g h h a r d n e s s m a t r i a i ，m a t e r i 、 r o 口u ir i n gg l o s s ys u r f a c e h i g h h a r d n e s sm a t e r i a v e r yt h i nm a t e r i a l m a t e r i a lr e q u i r i n g g l o s s ys u r f a c e 图1 9 u c 轧机的发展及各种u c 轧机的结构 f i g 1 9d e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o no f u cm i l l s 本文所做的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 建立六辊u c 轧机弹性变形理论模型。本文采用影响函数法开发u c , l , 机 板形控制计算模型软件，为在理论上x 寸u c s l 机弹性变形的研究及板形控制特性 的研究奠定了基础。 ( 2 ) 应用所开发u c 轧机板形控制计算模型软件在理论上研究u c 轧机的板形 控制性能，即中间辊横移的板形控制性能、中间辊弯辊的板形控制性能及工作辊 一亍 纛。 东北大学硕士论文u c 轧机板形预测模块及软件开发 弯辊的板形控制性能。确定不同横移位置时中间辊弯辊和工作辊弯辊的板形控制 域，为实现u c 轧机板形自动控制奠定理论基础。 ( 3 ) 开发u c 轧机板形预测模型软件。 ( 4 ) 对u c s l 机的控制系统进行实验研究，用来验证所建模型的正确性及控制 系统的实用性。 2u c 轧机辊系弹性变形的理论研究 2u c 轧机辊系弹性变形的理论研究 2 1 求解轧辊弹性变形的方法 轧辊的弹性变形直接影响所轧板带产品的断面形状，只有充分研究轧辊的弹 性变形，才能准确预测一定工艺条件下的成品带钢断面形状，找出板形随各种扰 动因素及控制因素变化的规律【3 2 】。由于影响板形的参数复杂，因此，本文采用影 响函数法重新确定所选轧机的在线使用参数。 轧辊弹性变形理论的主要研究方法是以m d 斯通为代表的解析方法和以绍 特( k n s h o h e t ) 为代表的影响函数法( 分割法) 。 解析方法是研究轧辊弹性变形的重要方法，也是使用最早和最基础的方法， 其理论基础是斯通1 9 6 5 年引入的文克尔弹性基础梁模型。此模型将支撑辊和带 钢均看成弹性基础，工作辊为处于弹性基础之间的梁，并认为轧制压力和支撑辊 反力的变化量与工作辊沉陷值成正比，通过求解四阶微分方程求出辊系变形。此 方法公式推导复杂，通用性差，难以处理复杂辊系变形情况。 影响函数法的基本思想是将轧辊用一定尺寸的单元离散，并将轧辊所承受的 载荷及轧辊弹性变形按相同单元离散| 3 l 】。应用数学物理方法中关于影响函数的概 念，首先确定对各单元施加单位力时辊身各点的变形，然后将全部载荷作用于各 单元时引起的变形叠加，得出各单元的变形量，从而确定带钢出口厚度。采用离 散化方法的主要好处是不必对轧制压力和辊间接触压力分布以及轧辊凸度做出 假定，可以灵活处理各类复杂问题。 2 2 影响函数及基本方程 2 2 1 工作辊弹性弯曲影响函数 工作辊弹性弯曲影响函数可用卡氏