（材料加工工程专业论文）冷轧带钢板形控制研究及应用.pdf

j 一 at h e s i si nm a t e r i a lf o r m i n ge n g i n e e r i n g l u ll li 1 l li l ll li ii i i i m y 1716 3 4 7 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ns t r i ps h a p e o f co l dr o l l i n g b yh a ol i a n g s u p e r v i s o r s ：p r o f e s s o r d ih o n g s h u a n g l e c t u r e r g o n gd i a n y a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 一 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，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：名龠勃 日 期：伽呷7 z 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 ， 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：前免 签字日期： 仞叩7 o 导师签名： 签字日期： l-ill 本溪钢铁公司一冷轧厂是“八五”期间国家重点工程项目，其中c d c m 机组 是国内首条采用酸洗一连轧联合工艺生产线。1 9 9 4 年6 月正式建厂，2 0 0 4 年年产量突 破1 1 0 万吨，为本钢创造了巨大的经济效益。自建厂以来，由于板形问题给企业造成 了重大的经济损失，成为企业迫切需要解决的问题。本钢板材股份有限公司薄板厂委 托东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室开展“本钢冷轧厂四机架冷轧带钢 板形控制的研究。 本文以本钢冷轧厂四机架冷轧带钢板形控制研究项目为背景，对其板形问题展开研 究，主要工作如下： ( 1 ) 对整条生产线进行现场实际调研和带钢跟踪取样。根据现场调研发现在轧机入 口处活套量不足，导致轧机非正常降速，在升速和降速过程中，对板形产生了不良影响， 因此，建议现场轧制时轧制速度应考虑到带钢活套存储量，减少由于活套量不足造成的 轧制速度波动对带钢板形的不良影响；在轧机入口处、出口处和平整前、平整后带钢留 样，测量带钢沿宽度方向厚度分布，发现热轧来料存在楔形以及轧机出口处厚度分布也 存在楔形，带钢经过平整机后，带钢厚度分布得到了很好的改善。因此，确定工作的重 点轧件在轧辊中的轧制过程，同时建议严格控制来料楔形，来料楔形改善后，轧机 出口带钢厚度分布得到了改善。 ( 2 ) 开发出平直度离线动态显示和板形模式识别统计软件，利用所开发的软件对现 场数据进行了离线动态显示和板形模式识别。板形模式识别统计结果显示，操作侧边浪 占板形缺陷比例最大，其次为双边浪和中浪，这与现场了解的情况相符。操作侧缺陷为 一次板形缺陷，可以通过严格控制来料楔形进行解决。双边浪和中浪为二次板形缺陷， 可以通过工作辊弯辊进行控制，同时该软件可对产品质量进行评估。 ( 3 ) 考虑到带钢宽展和沿带钢宽度前张力分布，采用影响函数法开发出四辊普通辊 轧辊弹性变形计算程序，根据现场实际轧辊参数和弯辊力、前张应力和后张应力，计算 了第一机架带钢出口厚度分布，根据计算结果发现，第一机架带钢出口厚度，中间薄、 两边厚，对于某些规格产品，加大弯辊力接近极限弯辊力时，也不能对第一机架出口带 钢凸度进行有效控制，因此，提出了修改第一机架工作辊和支撑辊凸度的方案，正在进 行下一步现场实施。第四架轧机与轧机出口处的板形仪组成反馈回路对带钢板形进行控 东北大学硕士论文 摘要 制。第四机架等比例凸度进行轧制，计算了两个规格带钢，在第四机架保持比例凸度 恒定轧制时，所需的弯辊力。 关键词：冷轧；四辊轧机；板形控制；平直度；板形模式识别；影响函数法 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o ns t r i ps h a p eo f c o l dr o l l i n g a b s t r a c t t h ef i r s ts t r i pc o l dr o l l i n gf a c t o r yo fb e n x is t e e la n di r o nc o m p a n yi st h ek e yp r o j e c t so f s t a t ed u r i n gt h e8 t hf i v e y e a r c d c mp r o d u c t i o nu n i ti st h ef i r s tc o n t i n u o u sd i s c a l i n g c o n t i n u o u sm i l li no u rc o u n t r y t h ef a c t o r yi sf o r m a l l ys e tu pi nj u n e19 9 4 ，a n n u a l p r o d u c t i o ne x c e e d e d1 1 m i l l i o nt o n s ，w h i c hb r i n g sg r e a ti n t e r e s t sf o rb e n x is t e e la n di r o n c o m p a n y h o w e v e r , s i n c et h ep l a n th a sb e e nb u i l tu p ，s e r i o u se c o n o m i c a ll o s si sc a u s e dd u e t ot h ep r o b l e mo fs t r i ps h a p e ，w h i c hi su r g e n t l yt os o l v e s h e e tp l a n to fb e n x is t e e la n di r o n c o m p a n yc o m m i s s i o n e dt h es t a t ek e yl a b o r a t o r yo fr o l l i n ga n da u t o m a t i o n t oc a r r yo nt h e p r o j e c t - - s t u d i e so nf o u rs t a n d ss h a p ec o n t r o lo f b e n x ic o l dr o l l i n gf a c t o r y t h i sp a p e ri sb a s e du p o nt h es t u d i e so nf o u rs t a n d ss h a p ec o n t r o lo f b e n x ic o l dr o l l i n g f a c t o r y t h em a i n c o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ha c t u a lf i e l dr e s e a r c ht h ew h o l ep r o d u c t i o nl i n ea n dt r a c k i n gs t r i ps a m p l e i t i sf o u n dt h a ts h o r t a g eo fl o o pc a p a c i t yi n d u c e dn o n - n o r m a ld e c r e a s i n gr o l l i n gv e l o c i t y , w h i c h h a sb a de f f e c to ns t r i ps h a p ed u r i n gt h ep e r i o do fs p e e d i n gu pa n ds p e e d i n gd o w n ，i ti s s u g g e s t e dt h a tc a p a c i t yo fl o o ps h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h es e t t i n go fr o l l i n g s p e e d ；m e a s u r i n gs t r i pt h i c k n e s st r a n s v e r s ed i s t r i b u t i o na t t h ee n t r yo f1 吼s t a n d ，e x i to f4 t h s t a n d ，e n t r yo ft e m p e rm i l la n de x i to ft e m p e rm i l l i t i sf o u n dt h a tw e d g e 。s h a p eo c c u r si n i n c o m i n gh o tr o l l e ds l a ba n de x i to f 4 t i ls t a n d t h r o u g ht h ep r o c e s so ft e m p e rm i l l ，t h i c k n e s s t r a n s v e r s ed i s t r i b u t i o no fs t r i pi si m p r o v e d t h e r e f o r e ，t h ec r u c i a lp o i n to f 、v o r k _ t h e p r o c e s so fr o l l i n g i ti sa l s os u g g e s t e dt h a tw e d g e s h a p e o fi n c o m i n gh o tr o l l e ds l a ds h o u l db e s t r i c t l yc o n t r o l l e d w h e ns h a p eo fi n c o m i n gh o tr o l l e d s l a bi se n h a n c e d ，t h et h i c k n e s s d i s t r i b u t i o no ft h ee x i to f4 t i ls t a n di si m p r o v e d ( 2 ) t h es o f t w a r eo ff l a t n e s s o f f - l i n ed y n a m i c a ld i s p l a y a n dp a t t e r nr e c o g n i t i o ni s d e v e l o p e d ，w h i c hi su s e dt od i s p l a ya n da c t u a lf i e l dd a t a t h er e s u l t ss h o w t h a to p e r a t es i d e w a v ea c c o u n tf o rt h el a r g e s tp r o p o r t i o no fa l ls h a p ep r o b l e m s ，w i t hb i l a t e r a lw a v ea n dc e n t r e w a v es e c o n d l y , w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n o p e r a t es i d ew a v ei s t h ef i r s t i i i 东北大学硕士论文 a b s t r a c t d e g r e et e r m ，w h i c hc a nb es o l v e db ys t r i c t l yc o n t r o lw e d g e - s h a p eo fi n c o m i n gh o tr o l l e ds l a d b i l a t e r a lw a v ea n dc e n t r ew a v ei ss e c o n dt e r md e g r e ew a v e ，w h i c hc a nb ec o n t r o l l e db yw o r k r o l lb e n d i n g m e a n w h i l e ，t h i ss o f t w a r ec a nb eu s e dt oe v a l u a t eq u a l i t yo f p r o d u c t s ( 3 ) c o n s i d e r i n gw i d t hs p r e a da n dd e l i v e r yt e n s i o nd i s t r i b u t i o n ，t h ei n f l u e n c ef u n c t i o n m e t h o di s a d o p t e dt od e v e l o pp r o g r a mo fe l a s t i cd e f o r m a t i o no fr o l l s ，s t r i pt r a n s v e r s e t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni sc a l c u l a t e dw i t ha c t u a le n t r yt e n s i o n ，d e l i v e r yt e n s i o na n db e n d i n g f o r c e r e s u l t ss h o wt h a tt h i c k n e s so fc e n t e ri st h i c k e rt h a nt h a to f s i d e s o m e t i m e s ，a d ju s t i n g b e n d i n gf o r c en e a rt ol i m i t a t i o no fb e n d i n gf o r c e ，s t r i pc r o w nc a nn o tb ec o n t r o le f f e c t i v e l y ， s op r o p o s i t i o ni sp u tf o r w a r dt h a tm o d i f y i n gw o r kr o l la n db a c k u pr o l lc a m b e ro f1 吼s t a n d ， w h i c hi sp u t t i n gi n t op r a c t i c e f e e d b a c kl o o pi sc o n s i s t e db yt h e4 t i ls t a n dm i l la n ds h a p e m e t e r ， a c c o r d i n gt oc o n s t a n tp r o p o r t i o nc a m b e ri n4 t i is t a n dr o l l i n gp r o c e s s ，t h eb e n d i n gf o r c eo ft w o t y p e so fs t r i pa r ec a l c u l a t e d k e yw o r d s ：c o l dr o l l i n g ；f o u r - h i g hm i l l ；f l a t n e s sc o n t r o l ；f l a t n e s s ；f l a t n e s sp a t t e r nr e c o g n i t i o n s t a t i s t i c ；i n f l u e n c ef u n c t i o nm e t h o d i v 东北大学硕士论文 目录 目录 声明i 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 板形研究的意义1 1 3 影响带钢板形的因素2 1 4 板形控制的方法2 1 5 辊系弹性变形理论5 1 5 1 有限单元法5 1 5 2 影响函数法6 1 6 板形识别7 1 6 1 基于最小二乘法的模式识别方法7 1 6 2 基于模糊分类原理的模式识别方法8 1 7 研究内容8 第2 章4 机架c d c m 冷连轧机概况1 1 2 1 生产流程概述1 1 2 2 酸洗和酸再生1 2 2 3 四机架冷连轧机组1 3 2 3 1 工艺参数1 4 2 3 2 工艺冷却和润滑1 7 2 4 退火18 2 4 1 工艺流程1 8 2 4 2 主要工艺参数和设备参数1 9 2 5 平整1 9 2 5 1 工艺流程1 9 2 5 2 工艺参数2 0 东北大学硕士论丈目录 2 6 j 、结：! l 第3 章平直度数据离线动态显示和板形模式识别统计软件开发2 3 3 1 常见的几种板形缺陷。2 3 3 2 板形模式识别原理2 4 3 3 标准样本的确定2 4 3 4 离线动态显示和板形识别统计软件开发2 6 3 4 1 软件开发和人机界面2 7 3 4 2 分析和小结2 9 第4 章现场数据采集和分析31 4 1 带钢横向厚度分布分析3 1 4 2 平直度数据板形识别统计3 3 4 3 缺陷分析3 6 4 4 本章小结3 7 第5 章影响函数法四辊轧辊弹性变形实例计算3 9 5 1 四辊辊系受力特点和离散化3 9 5 2 矩阵法表示基本方程4 0 5 3 辊系弹性变形影响函数4 2 5 4 张应力分布计算4 5 5 5 辊系弹性变形计算模块的开发4 8 5 6 轧辊弹性变形的计算与分析5 0 5 6 1 第一机架出口厚度实例计算5 0 5 6 2 结果分析5 5 5 6 3 第四机架出口厚度实例计算5 8 5 7 本章小结6 0 第6 章结论6 3 参考文献6 5 致谢6 9 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 冷轧板带及其涂层产品广泛用于建筑、汽车、家电、交通等行业，特别是涂镀层板 保持很旺的增长势头【。因此，冷轧产品有着广阔的市场空间。但是，随着科学技术的 不断进步和市场竞争的日益激烈，用户对板带的板形提出了更高的要求，如汽车用钢板 和镀锌镀锡钢板，一般要求平直度在士l oi 左右，电工硅钢板则要求平直度在士5i 以内 2 - 3 。实现板形的高精度控制成为轧制工艺、设备和控制等领域研究者共同追求的目标【4 1 。 板形的概念主要包括两个方面，就横向而言指的是板凸度( c r o w n ) ；就纵向而言指 的是平直度( f l a t n e s s ) 。围绕着这两个方面进行控制，就有了凸度控$ 1 ( a u t o m a t i ec r o w n c o n t r o l ，a c c ) 和平直度控s t j ( a u t o m a t i cf l a t n e s sc o n t r o l ，a f c ) 【5 】。平直度和板凸度之间有 着非常严格的关系。对于冷轧来说，板形指的就是板的平直度，板形控制依然是冷轧板 带生产的关注重剧由7 】。通过各国钢铁行业研究人员的不懈努力，一些新技术和新设备 相继产生，如c v c 轧机、p c 轧机、u c 轧机【扣1 3 1 ，自由程序轧制技术【17 1 、弯辊系统 i s - 1 9 应用到实际轧钢生产实践中来。 本溪钢铁公司冷轧厂是“八五期间国家重点工程项目，其中c d c m ( c o n t i n u o u sd i s c a l i n gc o n t i n u o u sm i l l ) 机组是国内首条采用酸洗连轧联合工艺的生产 线。于1 9 9 4 年6 月正式建厂，2 0 0 0 年1 1 月达到年产7 0 万吨的设计产量，2 0 0 2 年年产 突破1 0 0 万吨，2 0 0 4 年年产突破1 1 0 万吨，为本钢创造了巨大的经济效益。 一2 0 0 8 年1 8 月份，本钢冷轧厂因浪形原因发生质量异议的产品共6 2 3 8 吨，因瓢 曲原因发生的质量异议用3 1 8 9 吨，二者共9 4 2 7 吨。因浪形和瓢曲产生质量异议的重 量占总异议重量的3 0 3 ，二者异议金额占总异议金额的2 6 5 。板形问题给企业造成 了重大的经济损失。为了挽回企业损失，进一步提高产品的板形质量，本溪钢铁集团和 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室成立板形项目攻关组，开展“本钢冷轧 厂四机架冷轧带钢板形控制的研究 。 1 2 板形研究的意义 市场竞争的加剧，迫使各钢铁生产厂家不断的提高产品质量。如果带钢断面形状不 好，出现过大凸度、楔形、镰刀弯或者带钢平直度不良，出现波浪、翘曲、局部凸起 东北大学硕士论文冷轧带钢板形控制研究及应用 等缺陷，都严重影响产品的质量及其使用寿命【2 0 1 ，严重阻碍了产品的市场竞争力，给 企业造成了严重的经济损失。如前所述，本钢冷轧厂因浪形原因产生的重量占总异议重 量的3 0 3 ，异议金额占总异议金额的2 6 5 。其次，保持一定的板形也是为满足后部 工序的需要。例如在实际生产过程中，为了防止带钢边部过紧发生撕裂，而采用松边轧 制。板带材在罩式退火炉中退火时，为了防止板带的粘结，希望边部有一些边浪。因此， 对板带材的平直度进行控制，有着非常重要的现实意义。 1 3 影响带钢板形的因素 为了有效地解决轧后带钢的板形问题，必须对影响板形的因素进行全面的分析。金 属在旋转的轧辊作用下经过一系列变形过程轧成需要的板带材。板形问题贯穿于整个生 产过程的始终，最终产品的板形受到许多因素的影响，总的概括起来，这些因素分为内 因( 金属本性) 和外因( g n 条件) 两个方面【4 1 。 金属本身的物理性能( 如硬化特性、变形抗力) 、金属的几何形状，特别是板材的宽 厚比、原料的板凸度都对最终产品的板形产生重要的影响。 轧制条件的影响更为复杂，凡是能影响轧辊的有载辊缝都可以影响板形。例如轧辊 的原始凸度、热凸度、轧辊的磨损、及轧辊压扁等。 上述因素的综合作用决定着最终的板凸度及平直度。通过分析归类，这些众多复杂 的因素可以归结为以下五个方面的内容： ( 1 ) 轧制载荷引起的轧辊弯曲变形； ( 2 ) 轧制载荷引起的轧辊表面压扁变形； ( 3 ) 轧制过程的轧辊热变形； ( 4 ) 轧制过程的轧辊磨损。 ( 5 ) 轧材的几何尺寸及性能特性。 板形受诸多因素的影响，如轧辊原始凸度、弯辊力、轧制速度、来料状况以及冷却 条件等因素的影响，并且具有较大的非线性【2 1 1 。在忽略轧件弹性变形时，可以认为辊缝 的形状就是带钢出口断面的形状。因此，只有从本质上充分研究轧辊的弹性变形，才能 确定一定工艺条件下的轧后轧件断面厚度分布，进而找出各工艺参数对轧件断面厚度分 布规律，为确定合理的工艺参数具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 4 板形控制的方法 板形控制的实质就是控制轧制过程中有载辊缝的形状。为了达到这一目的，可以从 2 第1 章绪论 工艺上和设备上着手。在工艺上通过改变轧制规程来改善板材的板形；在设备上通过优 化轧辊的原始辊形、使用液压弯辊、使用新型轧机来控制板形。具体做法有： ( 1 ) 优化轧制规程 轧制力的大小、各道次的压下量以及张应力的大小和分布直接影响到轧辊的磨损和 轧辊的热凸度。进而影响到轧机的有载辊缝。因此合理的压下制度、张力制度、速度制 度对于板形控制而言，都是重要的手段。 理论和实践证明，如能正确选择好辊形和合理的分配道次( 各机架) 的压下量，并在 轧制中予以补偿，就能使轧制中的辊缝形状满足所轧带钢横向厚差精度的要求。 ( 2 ) 液压弯辊 液压弯辊主要特点是使用灵活，响应速度快，适用于在线调整，是板带轧机调整板 形的最基本的手段 2 2 2 4 。对于消除对称板带材缺陷，如中浪、双边浪作用明显。液压弯 辊控制技术的产生标志着带钢平直度控制进入了新的时期。液压弯辊能瞬时改变承载辊 缝的形状和轧后带钢的延伸沿横向分布，以达到板形控制的目的。轧辊的弯曲分为正弯 和负纠2 5 1 ，正弯指的是向增大轧辊凸度的方向弯曲；负弯指的是向减小轧辊的凸度方向 弯曲，如图1 1 所示。目前，液压弯辊装置已经广泛的应用于带材生产线上。然而，单 纯依靠弯辊力来控制板形，有以下两个方面的不足：第一，弯辊力不能太大，否则轴承 难以承受；第二，弯辊力对辊缝的影响主要在边部，对轧辊中部辊缝影响较小，当辊颈 比较小时这点表现的更为明显。 。 ： ： ： 负弯工作辊 ： 图1 1 液压弯辊示意图 f i g u r e1 1s k e t c hm a p o fh y d r a u l i cb e n d i n g ( 3 ) 轧辊倾斜 轧辊倾斜对于消除不对称的单边浪缺陷效果明显。其原理是对轧机两侧的压下装置 进行同步控制，通过增大或减小一侧的压下量，使得轧辊倾斜，辊缝呈现楔形状。轧辊 3 东北大学硕士论文冷轧带钢板形控制研究及应用 倾斜具有结构简单、操作方便和响应速度快等特点，现代冷轧机均具备压下倾斜功能。 ( 4 ) 轧辊横移 横移是另一项重要的板形控制技术。在1 9 7 2 年日立公司推出的h c 轧机之后，横移 就作为板形控制而手段。h c 轧机通过中间辊的横移消除了四辊轧机中工作辊和支撑辊在 板宽之外的有害弯矩，改变了辊间接触力的分布，使得液压弯辊的板形控制能力明显增 强，板形得到了改善。如今，横移技术已得n t 广泛的应用【2 弛9 1 ，如u c 轧机、c v c 轧机和v c 轧机等。 ( 5 ) 原始辊形凸度法 原始辊形是指轧辊通过车削或磨削加工使辊身所具有的外形，通常用辊身的凸度c 来表示。c 为正值时即为凸辊形，反之则为凹辊形；c 值为零则为平辊形。为了获得良 好的板形，一般四辊式带钢轧机多采用正的辊形凸度即应使轧辊具有一定凸度的原始辊 形，以补偿各种因素平均影响的作用。 工作辊原始辊形凸度不能过大，也不能过小。轧辊原始凸度选的太大，不仅会造成 中浪，而且还会引起轧件的横窜以及极易发生断带事故；反之，如果轧辊原始凸度选的 太小，不但造成边浪，还有可能限$ , j s l 机能力的充分发挥。因为凸度过小，实际操作时 压下稍给大一点( 实际轧制压力还远未达到允许值) ，带材就会因为出现边浪而报废。 工作辊辊形的选定并不完全依靠计算，而主要是依靠经验估算和对比。通常，在轧 制力相同的情况下，所轧板带钢愈宽，则需凸度愈小。 在有弯辊装置的冷轧机上，除合理选择工作辊凸度外，还应选择合理的支持辊辊形。 目前大多采用双锥度支持辊，其辊身中部是平的，两端带有微小的锥度，平辊部分的长 度应稍小于最小板宽。另外，还有阶梯形支持辊。 原始轧辊凸度法只用作辊缝设定，利用原始凸度来补偿在正常生长条件下相对稳定 的s l n 压力、辊温和辊身磨损对辊形的影响。辊缝设定后，凸度不能改变。因此，这种 方法不能对辊形进行在线控制与调节，故仅靠这种传统的板形控制办法，显然不能保持 良好的板形。 ( 6 ) 轧辊分段冷却 轧辊分段冷却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。工作 辊热膨胀沿其长度方向的分布成为热辊形。辊身中部和边部热膨胀之差称为热凸度。它 们取决于工作辊自身的膨胀性和其温度场的分布。 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。控制各 区段冷却液系统喷嘴打开和关闭的数量，调节沿辊身长度冷却液流量的分布来改变轧辊 4 第1 章绪论 温度的分布，从而调节热凸度的大小，达到控制板形的目的。例如，当出现中间波浪时， 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；当带钢两边出现波浪时， 减小中间段( 或加大两侧) 冷却液的流量，以加大冷去辊的热凸度，使板形得到改善。 通常采用模糊控制的方法对工作辊进行乳化液分段冷却，主要原理是计算当前的板 形偏差大小、板形偏差在时间上的波动和板形偏差在空间上的波动，然后将板形偏差及 其在时间空间上的波动模糊化，按照一定的模糊规则进行模糊推理，将推理结果非模糊 化，对得到的精确值排序以决定对应的乳化液喷嘴的开闭状态。 1 5 辊系弹性变形理论 轧辊弹性变形理论在板形理论中有相当重要的地位。这是因为，轧制产品是在变形 了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，尺寸精度。只有从本质上充分地研究轧辊弹性变形，才能找出板形随各种扰动因素 及控制因素变化而变化的规律，从而确定正确的工艺参数、寻找出改善板形的途径、探 索控制板形的方法3 0 1 。轧辊的弹性变形计算主要有有限单元法和影响函数法。 1 5 1 有限单元法 有限元法是以某种规则移置成等效力作用在节点上，原来的边界约束也简化成接点 约束。用一个由有限个具有一定规则的、仅在节点相互连接，仅在节点承受载荷和约束 的单元集合体来代替原来的结构。然后，对每个单元，根据分块近似的思想，选择一个 简单函数来近似的表示其位移分量的分布规律，根据弹塑性力学理论，建立节点力与位 移之间的关系。最后，把所有单元的这种特性关系集合起来，得到一组以节点位移为未 知量的代数方程组，求解之后便可求得原有结构有限个点处位移的近似值，并可进一步 求得其它物理量( 应力、应变等) 3 1 - 3 2 】。 有限元法将连续的轧辊划分成由许多小单元组成的整体，各单元之间通过节点连 接，通过节点发生力的关系。在每个单元内部假设一定的位移模式并建立节点力和节点 位移之间的关系。最后将所有单元的力与位移的关系组合起来，形成一个以节点位移为 未知数的线性方程组，求解方程组，可得到用节点位移表示的变形。 姜海生利用a n s y s 软件中的l s d y n a 模块为平台，对鞍山钢铁集团公司冷轧厂 的五机架冷连轧机轧制过程进行计算机模拟。在计算模拟过程中，实现了从单一的影响 因素原始平直度出发来分析板带原始平直度对s l n 之后板形的影响【3 3 1 。 侯英武利用a n s y s 有限元软件，采用了适当的轧制和界面假设条件，建立了包括 5 东北大学硕士论文冷轧带钢板形控制研究及应用 上下辊、轧件在内的二维和三维模型，采用适当的加载和约束条件，对不锈钢复合板的 冷轧做了成功的模拟，最后得出了不同压下条件下，轧制变形区内应力应变分布情况以 及冷轧轧制力三维分布情况【3 4 】。 时旭应用m s c m a r c 有限元软件，对簿带钢冷轧过程进行了数值模拟。采用弹塑性 静力隐士算法，耦合分析了带钢与辊系、工作辊与支撑辊的变形场和应力场3 5 1 。 有限元法能为整个轧机的辊系受力和变形提供了最确切的表示，是分析辊系弹性变 形的一种有效方法，但是计算复杂和计算量大仍然是其最大的缺点。 1 5 2 影响函数法 影响函数法是一种离散化的方法。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，然后采用“迭加原理”将全部载荷作 用于各单元，得出各单元的变形量，从而确定带钢出口厚度【4 】。 1 9 6 8 年绍特( k n s h o h e t ) 首次应用影响函数分析了轧辊的弹性变形，导出了工作辊 和支撑辊弹性弯曲的影响函数，这是板形理论研究方面的重要成果。但由于采用了辊间 接触压扁和接触压力之间的线性关系及无张力轧制时单位宽轧制力和相对压下量之间 的线性关系两个假设，使问题的处理简单化。 艾德瓦尔兹( w ：j e d w a r d s ) 等人在使用影响函数法研究轧辊弹性变形时，采用了矩 阵和向量的形式来表示工作辊和支撑辊弹性弯曲时的力一变形关系，并以辊面中心线上 特殊点作为浮点坐标原点处理了工作辊和支撑辊之间及带钢与工作辊之间的协调关系， 使得影响函数的表达式更为简单明了。由于在计算轧辊压扁时直接采用了无限长圆柱体 平面变形公式，因此难以获得精确的计算结果。 王国栋教授利用半无限体模型及中岛理论对半无限体模型进行了修正，提出了矩阵 计算方法，使得分割模型法进一步趋于完掣3 6 】。 白金兰采用影响函数法开发出了6 h 3 c 轧机辊系弹性变形计算模型，并将影响函数 法与变分法相结合建立了冷轧前张力横向分布计算模型，得到了单位宽轧制力、辊间压 力、轧件厚度及张应力等的横向分布【3 0 1 。 魏立群采用影响函数法计算了宝钢1 4 2 0 h c 双平整机辊间压力分布及中间辊抽动量 对平整轧制带钢的横向厚差和板形的影响，并确定了中间辊的最佳抽动位置【3 7 枷】。 影响函数法已广泛应用于辊间压力分布计算、辊型优化和带钢平直度计算等方面。 其中计算收敛问题是关键。 6 第1 章绪论 1 6 板形识别 板形模式识别是板形控制的关键【4 l 】。板形控制的最终目的是使板形检测到的板形 ( 各测量区平直度分布) 达到目标板形。实际生产过程中，板形仪测量辊每隔一个时间间 隔，会给出带钢覆盖测量辊区域一组平直度值，根据这组平直度值可以判别带钢存在的 缺陷类型，这就是板形模式识别。 常用的板形识别模式有最d x - 乘法识别和基于模糊分类原理的模式识别方法。 1 6 1 基于最d x - - 乘法的模式识别方法 b i s r a 系统最早在冷轧带钢生产中采用式( 1 1 ) 简单多项式拟合实测张应力实现识 别板形缺陷模式。 仃( x ) = + a 2 x 2 + a 4 x 4 ( 1 1 ) 根据多项式的形式可将此方法分为不完全普通多项式拟合和特殊多项式( 正交多项 式) 拟合。如国内某钢厂五机架冷连轧机的板形自动控制系统采用式( 1 2 ) 不是完全普通 多项式拟合模型 o - ( x ) = a o + 口l x + a 2 x 2 + 口4 x 4 ( 1 2 ) 国内又有某钢厂单机可逆式冷轧机板带自动控制系统采用式( 1 3 ) 特殊多项式拟合 模型 o - ( x ) = a o + 口l x + a 2 ( 2 x 2 1 ) + 口4 ( 8 x 4 - 8 x 2 + 1 ) ( 1 3 ) 式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 和( 1 3 ) x 为沿板宽方向的坐标值； 盯( x ) 为板形仪测量区带钢张应力实测值； a o a 4 为拟合的系数。 从本质上讲，采用上述两种多项式拟合都是基于线性最小二乘法的多项式拟合，即 q = ( t r ( i ) - 口x ，。) 2 ( 1 4 ) i = 1 j = 0 式中m 为一组实测板形应力值c r ( i ) 的个数； p 、a 分别为多项式最高次幂和多项式的各项系数。 传统的板形信号处理方法是最小二乘法，文献 4 2 4 3 4 4 对该方法进行了详细讨 论，但存在无法确定逼近阶n 的大小和逼近精度有限的缺陷，而且回归的系数物理意义 不明确，不能直观反映实际板形缺陷的量。 7 东北大学硕士论文冷轧带铜板形控制研究及应用 1 6 2 基于模糊分类原理的模式识别方法 基于模糊分类原理的模式识别方法，就是定义n 种简单的板形缺陷模式作为基本模 式，把实测的一组板形应力信号t t ( i ) ( i = 1 , 2 ，。朋) 作为一个待识别的未知的模式。通过一 定的数学分析运算，判别是属于n 种已知模式中的那一种。 文献 4 2 】 4 3 】中在处理待识别模式和n 种基本模式时，采用了基于加权欧式距离的 择近原则和基于加权汉明( h a m m i n g ) 距离的模糊分类法。基于模糊分类原理的板形缺陷 模式识别具体步骤如下： 第一步：确定n 种基本的板形缺陷模式，并记录下与之对应的各种板形模式的张应 力值( f ) ( 汪1 , 2 ，。所) k 1 n ； 第二步：分别求出待识别模式下的一组应力值盯( f ) ( 江1 , 2 ，。t r ) 与n 个标准 基本板形缺陷对应应力值的加权欧氏距离式( 1 5 ) 和加权哈明距离式( 1 6 ) q = l ly - y i i - ( ) ( j ，厂j ，) 2 ( 1 5 ) ，= l 最= 肜( 拟1 o ly - y i ) ( 1 6 ) j = i 第三步：确定待识别模式与n 个标准基本板形缺陷的加权欧氏距离式或加权哈明距 离式的最小值，即待识别模式于那种标准基本板形缺陷最相似，那么，待识别的板形情 况就是该基本标准板形缺陷。 本文中采用板形缺陷模式识别的模糊分类方法，通过开发的平直度离线动态显示软 件，确定7 种标准样本，对于一组待确定的平直度数组，通过确定该待确定样本与这7 中标准样的绝对欧氏距离，进行相似度对比，确定其属于那种板形缺陷。 1 7 研究内容 ( 1 ) 对整条生产线进行实际调研，在轧机入口处、出口处和平整前、平整后进行带 钢样品的采集，测量其横向厚度分布，确定研究工作的重点。 ( 2 ) 在v b 6 0 环境下采用v b a 技术开发了冷连轧带钢平直度数据离线动态显示和板 形识别模式统计软件。 ( 3 ) 采用本文开发的平直度离线动态显示和板形模式识别统计软件，对收集到的平 直度数据进行统计和分析。 ( 4 ) 采用影响函数法开发了普通辊四辊冷轧机轧辊弹性变形程序，利用变分求解出 8 第1 章绪论 出口带钢各单元的横向位移，确定出带钢各单元的宽度变化，带入张应力分布计算模型 中，采用迭代方法确定了轧件前张力分布。 ( 5 ) 结合现场实际轧制工艺参数，对第一机架带钢出口厚度进行计算，结合计算结 果，给出了改变第一机架工作辊和支撑辊凸度建议；并对保持比例凸度恒定时，第四机 架轧制过程所需弯辊力进行了计算。 9 第2 章4 机架c d c m 冷轧机概况 第2 章4 机架c d c m 冷连轧机概况 本溪钢铁公司冷轧厂是“八五期间国家重点工程项目，其中c d c m ( c o n t i n u o u sd i s c a l i n gc o n t i n u o u sm i l l ) 机组是国内首条采用酸洗连轧联合工艺的生产 线。于1 9 9 4 年6 月正式建厂，2 0 0 0 年1 1 月达到年产7 0 万吨的设计产量，2 0 0 2 年年产 突破1 0 0 万吨，2 0 0 4 年年产突破1 1 0 万吨，为本