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东北大学硕士学位论文摘要 大型棒材连轧机张力控制工艺研究 摘要 为提高大型型钢连轧张力控制水平，以提高钢材尺寸精度控制水 平，本文从张力分析入手，研究了张力与速度变化的关系、张力对前 滑的影响、前滑和后滑的计算方法、张力对轧制压力的影晌以及张力 自涮节乃。程，由此提出连轧张力对轧件尺寸的影响。讨论了张力力矩 汜忆法的控制效果，并探讨了动态速降对尺寸精度的影响，在此基础 上，对本钢特钢公司大型圆棒材连轧机张力控制工艺进行了分析和研 究，从而提出了张力控制的现场方法。 关键词：大型棒材；连轧；张力；控制 东北大学硕士学位论文 摘要 t e c h n i c a lr e s e a r c ho nt e n s i o nc o n t r o lo f l a r g e b a r c o n t i n u o u s r o l l i n g a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h et e n s i o nc o n t r o ll e v e lf o rt h el a r g eb a ro fc o n t i n u o u sr o l l i n g ， a n di n c r e a s et h ed i m e n s i o n a la c c u r a c ys i z e ，t h er e l a t i o no f r o l l i n gs p e e dc h a n g ea n dt h e t e n s i o n ；t h ei n f l u e n c eo ft h et e n s i o no nt h ef r o n t s l i p ；t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h e f r o n t - s l i pa n db a c k - s l i p ；t h ei n f l u e n c eo ft h et e n s i o no nt h er o i l i n gp r e s s u r e ；s e l f - a d j u s t m e n te q u a t i o no f t e n s i o na r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s t h e r e f o r et h ei n f l u e n c e so f c o n t i n u o u sr o l l i n gt e n s i o no nd i m e n s i o n a la c c u r a c ya r ep u tf o r w a r d t h ee f f e c to nt h e m o m e n tm e m o r ym o d eo ft h et e n s i o ni sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s i nt h es a l t l ew a y ，t h e c o n t r o le f f e c to fm o m e n tm e m o r ym e t h o da n di n f l u e n c eo f d y n a m i cs p e e dd r o po nb a r s i z ea c c u r a c ya r ed i s c u s s e d o nt h eb a s i so fa b o v e ，t h et e n s i o nc o n t r o lw i t ht h el a r g eb a r c o n t i n u o u s r o l l i n g i n b e n g a n gs p e c i a l s t e e l c o m p a n ya r e s t u d i e da n d a n a l y z e d a c c o r d i n g l y , t e n s i o n c o n t r o lm e t h o di np r o d u c t i o nf i e l di sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：l a r g eb a r ，c o n t i n u o u sr o i l i n g ；t e n s i o n ；c o n t r o l 儿l 东北大学硕士学位论文 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 墩得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 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。与我一同工作过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谢意。 本人签名：娄文，蠡 日期：2 0 0 3 7 盘韭盘生墅圭茎焦垃基 。上绪硷 l 绪论 1 1 大型棒材连轧的发展状态 e 前，国内圆棒材生产按规格组距划分主要有三大类，巾1 0 0 舢以上圆棒材 主要以巾6 5 01 l l i n 以上轧机生产，称为大型圆棒材；中4 0 衄巾1 0 0m i l l 范围的，主要 以书4 0 0m m 审6 5 0m m 轧机生产。称为中型材；其它中5 5 i i l 巾4 0 呲范围内圆 棒材都称之为小型圆棒材。圆棒材连续轧机与半连续轧机目前在国内应用最多的 是小型材和高线轧机，国内已建和在建的约4 5 套机组警而中型材和大型材连轧 机却屈指可裂? 国内生产大型圆棒材除锻制外，主要有以下几种方式生产， 横列式巾6 5 0l n n l 3t c l $ ) t ，采用小锭或坯生产型材。其组距覆盖一部分 中1 0 0i n l l l 巾1 6 01 1 1 1 1 1 范围规格的大型材。如抚钢及大钢的由6 5 0 衄横列 式机组；该机组生产大型材主要缺点是：一方面对于大部分合金钢受压 缩比限制，而其所采用的原料却大部分是g 0 0k g 7 0 0k g 小钢锭或2 0 0 响 2 0 0m m 3 0 0 眦3 0 0n l l f l 左右连铸坯，所以规格和品种受到限制；另一 方面，该机组由于设备条件限制，其断面尺寸精度及长度尺寸等方面受 到限制字 单架或两架大开坯机用2 t 5 t 左右锭型生产大型圆棒材。如上钢五厂初 轧厂生产的由1 3 0m 巾2 2 0n u l l 圆钢；长城钢厂四分厂巾8 2 5i i i i l l 2 机组 生产的大型材。其主要缺点：一是效率较低；二是尺寸精度受设备条件 限制 大型型钢连轧机采用2 t 以上钢锭或3 0 0m x3 0 0m 以上连铸大方坯， 生产大型型钢。如宝钢初轧厂由8 0 0 咖2 ( 立平) + 中7 0 0n l n l 4 ( 立 、f ) 连轧机组，主要生产1 4 0 唧x 1 4 01 1 1 1 1 1 和1 0 0 哪1 0 0i l l l 方坯及 巾1 7 5i l l l n 、巾1 5 3l n l i l 、巾1 2 0 棚大型管坯的普钢产品；本钢特殊钢公司中 8 0 0l n n l + 书6 5 0mx4 ( 立平) 机组生产的由1 0 0n l l l 由2 5 0h i m 范围规格 的大型材。还有江阴兴澄钢厂采用3 0 0 m i l lx 3 0 0 唧连铸大方坯生产 中1 3 0i i n i i 以下圆钢等。近年大冶钢厂也建设了同类大型连轧机组p 在连轧工艺过程中，对于小断面的轧件和带钢可以在机架问形成活套，并实 现无( 微) 张力连# 僻同时近年来，国际上几个著名设备供应商在提高精度方面 做了大量工作，推出了增加定、减径机的新技术譬如摩根公司的r s m 1 和 主j e 盘鲎题茔焦逾塞!绪监 t e k i s u n 机组、西薄克公司的h p r 定径机、达涅利公司的双模块t m b 机组1 、柯 克斯公司的三r s b 机组、波米尼公司的悬臂式定径机等p 各家设备结构不同，但 提高产品精度目标是一致的，产品精度能达到d i n 标准公差的一半，在这种精 度目标条件保证下，可实现“自由尺寸”轧制特定孔型下实现多规格轧制 口j 按0 2i i i i 精度范围划分产品规格，特别是柯克斯达涅利公司的r s b ，在 全世界己推广应用4 0 余套。轧制规格为巾l o 硼中1 3 0t o n i 。由于这种轧机刚度 大，特别适合轧制高变形抗力的合金钢，并适合于低温轧制紫另外，对于由主电 机特性所决定的轧制过程中的动态速降，它主要影响轧制起始时的连轧关系建 立，同时也影响轧件头部尺寸。目前已可将其当量动态速降值控制到2 5 以下， a b b 公司丌发了一套控制线、棒材轧机主要棒材尺寸的新系统，该技术应用在 o v a k o 钢厂。这套中问机架尺寸控制是建立在新传感器的基础上，即u 测量 仪“1 。该中间机架尺寸控制技术连续地监测每架轧机的棒材尺寸，并采用直接 控制辊缝和机架速度的方式来修正偏差，利用后张力或前张力使轧件宽度尺寸保 持恒定，其结果是沿棒材长度方向的截面不变。 1 2 大型型钢连轧张力控制现状 小型连轧技术和装备的进步使得其连轧张力控制己变得只需保证稳定轧制 ( 活套等方式) ，并保证一定的原料尺寸控制、温度控制、孔型摸损等方面控制 即可达到所要求的轧件目标尺寸咿 但是，对于较大断面的轧件或某些型钢轧件就不便在机架间形成活套，而需 要采用无活套连轧工艺。这时机架间的张力控制就成了影响尺寸控制的至关重要 环节o ，在棒、线材连轧机。 ：，存在着许多直接或间接影响尺寸波动的干扰因素。 其中最重要的有叩 ( 1 ) 张力压力波动： ( 2 ) 温度波动； ( 3 ) 截面尺寸波动： ( 4 ) 轧辊偏心度； ( 5 ) 宽展系数波动； ( 6 ) 收缩系数波动： ( 7 ) 孔型磨损； 整个轧材上的张力压力波动主要是由于温度和或截面波动造成的。两机架 间的张力或压力不加以控制会对尺寸精度特别是对轧材宽度产生不利影响。 壶i b 盘茎塑茔焦监塞 !绪硷 温度波动是出炉温度不稳定或钢坯加热不均匀引起的。也就是众所周知的 “冷印”。 截面尺寸波动主要是因轧制公差或原料公差造成的。若所加工的坯子是研磨 坯的话，那么整个坯子长度上的截面波动就会特别大。 轧辊特别是最后两机架上的轧辊偏心会严重影响最终尺寸公差。轧辊偏心导 致尺寸公差周期性波动。对此机架刚性起特别重要的作用。机架刚性越大，对轧 材造成的偏心影响就越大。 材料的宽展系数与材质和温度关系很大。主要通过材质和温度波动来影响宽 展系数波动，进而影响最终尺寸公差。 钢材的热收缩与也与材质和温度关系很大。每个成品孔型都是按热尺寸加工 而成的，以便抵消轧制温度与室温之间的温差效应。 孔型磨损不均匀或者说孔型各部分寿命长短不一也会对最终尺寸公差产生不 利的影响，可通过调整张力控制来消弱这种影响。 埘大型材轧机来说，由于目前很难采取定径机精轧来有效地提高轧材精度， 冈而，利用张力检测技术检测和控制各机架问轧件的张力，实行无张力轧制也是 提高轧材精度的重要措施。目前，对大、中型型钢连轧，尤其是复杂断面型钢连 轧，主要微张力控制技术有甲( 1 ) 电流储存法( 电流记忆法) ；利用张力一一 轧制力矩主电机电流的影响关系来控制轧机的主电机传动力矩或电流，使之 恒定，从而保持机架问张力不变。但在轧制过程中，张力并不是影响力矩或电流 的土要因索，如轧件尺寸和温度波动对力矩或电流的影响常常更大。( 2 ) 前滑 法；虽然在小断面型钢连轧机取得了较好效果，但需数套高精度测速装置，费用 太高。( 3 ) 预张力式微张力控制系统；采用一种特殊的预张力测量装蜀，轧制 前张力传感器处于受力状态，轧制时机架间张力的微小变化可使预先施加于张力 传感器的张力值产生明显变化。张力信号经计算机采集处理，根据信号变化可算 出前后机架的秒流量和转速差，通过数学模型控制主电机转速，从而满足秒流量 相等的原则印 1 ：j 国内同类厂一家张力控制情况 大冶钢厂于1 9 9 7 年建成并投产的r r 4 8 0 1 t s x 6 ( 平立) + r r 4 6 4 h s x4 ( 平 立) 1 0 架连轧生产线，主要生产巾6 0m l l l 巾1 5 0m i l l 棒材，其微张力控制是引用 西j 子公司的力矩电流法控制张力的标准软件。该软件在计算各架张力时采样时 问是以机架负载电流大于零为起点，其缺点是，如果发生钢坯经常性地咬入不 良，程序运行就会与实际情况不一致。此程序还要求设定一不为零的张力初始 盎i b 盘茔硒生焦硷主 !绪盈 值，设定的合理性将直接影响微张力控制的效果p 本钢特钢公司1 9 9 3 年建设的中6 5 0n l l n x4 ( 平立) 连轧机组，主要生产中6 0 m m 巾1 5 0m m 棒材和9 5i i l l l l 1 5 4m m 方钢。其微张力控制是采用天津传输动力研究 所设计的力矩电流记忆法来控制张力的。在运行当中，采取顺调并锁定的方式， 即以第一架为基准机架速度不变，当轧件咬入第二架后，调整二架速度以维持一 架的力矩不变，待二架速度稳定后，在轧件未进入三架之前，将二架速度锁定并 维持不变，同时记忆此时二架的力矩，在轧件进入三架之后，调整三架的速度 并维持二架的力矩不变，待三架速度稳定后，在轧件未进入四架之前，将三架速 度锁定并维持不变，同时记忆三架此时三架的力矩，在轧件进入四架之后，调整 四架的速度，维持三架的力矩不变，待四架速度稳定后将四架速度锁定维持不 变。操作工在整个过程中可以根据电流变化情况，人为调整主电机电流以控制各 架轧机转速，达到控制微张力的目的，本钢特钢公司该车间轧机布置见图卜1 ， 该方法的不足之处在于：人为调整的依据主要靠电流表所反映出的堆、拉电流 值。娅么：堆，拉且流值到底厘丝丕太荭能达到压薹控制的目拯扎仕屋立就盛盏 我i 应运班究的逯题! 中8 0 0m i l l 初轧机由6 5 0 硼( 立) 由6 5 0 t o n i ( 平) 图卜1 轧机布置 f i g 1 - 1l a y o u to f r o l l i n gm i l l 1 4 研究的主要内容 从张力对前、后滑的影响，对轧制力的影响等角度来讨论张力对轧件 尺寸精度的影响。 同时讨论了动态速降对连轧工艺的影响和本钢所采用力矩电流记忆法的 张力分析。 在此基础上，对现场的控制结果进行了预测和结果实测并进行分析。 1 5 研究的目的和意义 由于近年来国内已有数家钢铁企业建设大型型钢连轧机组，各家装备水平不 4 主i t 盘生塑生焦硷支!绪诠 一，但提高钢材尺寸精度的目标是一致的。本文通过对影响张力及最终影响尺寸 精度的各种因素进行分析研究，目的是为大型材连轧张力控制提供一种现场调控 依据。方面使本钢特钢公司大型材连轧张力控制进一步优化，另一方面为大型 材连轧在尺寸精度控制上提供更加简洁实用的手段和方法。 5 盔坐盘生殛生焦盈盘 2堡盎盐墨艺：叁熬曲型响 2 张力对工艺参数的影响 2 1 张力与速度变化的关系 轧件在轧制过程中，张力的产生是由于相邻二机架问轧件速度存在偏差而产 生的，如图2 一l 所示 j r 卜 ，7 。胬 、1 。ij vihj气v2tlvi h 土：。 v 芝 f ：- 望 ，j 、一一一，+ r tr i 。j | ，i 、r l 图2 - 1 张力产生 f i g 2 - it h eg e n e r a t i o no f t e n s i o n 没r 。机架轧件出中速度为( 下标h 表示出口) 设r ：机架轧件入口速度为v ：，( 下标h 表示入口) 带速偏差值为a v = 啪一( 正值为拉钢，负值为堆钢) 相对偏差值为v ，：坐 v 1 6 国内外很多学者都对速度与张力的变化关系作了推导计算，其主要的计算原 理如下r l l - 。l i ： 由于r t 、凡机架上有带速偏差、相应在轧件上将产生l 的长度变化，即： e = a v ，= ( v 2 h v l ) ，( r a m ) 现假定这一变形量不大，即都在弹性范围内变化( 如仃 3 0 n m m 2 ) 弹性应变s = a = ( v 2 一v l ) t l l 或盯= e 8 ：e ( v ! 一v 1 ) t ，le ( v z 。一v ，“) t l ( e = 2 1 1 0 5 n r a m 2 ) 写成瞬问变化的微分方程式： 盘i t 盘堂墅生焦盆塞 2选左盟墨互叁堑曲受煎 d 盯，= e l ( v 2 h v 1 ) a t ( 2 - 1 ) 二边同时积分可得平均单位张力为： 口，= e l f ( v 。- - v l h ) d r 轧件上所受总张力为 叫= n = 警肌_ v l 。渺 或f j t = e l f ( v ：。一v 1 ) 面 爿 川。 对上式两边作拉普拉斯转换，得( s 为拉氏算子) 百f t i 1 = 。叫。f 1 l爿s 。 ”s f _ t ：一e ( v 2 h v l 。) 爿l s 1 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 设轧辊的角速度为甜：2 万线速度v ：丝 。 2 再考虑前滑和后滑对轧件运动速度的影响，v 。、v ：。可写成下式( 以下v 表 示轧件速度，v 表示轧辊速度) v = ( 1 + 咿即导 = ( 1 - 时”譬 式中：r - 机架中轧件的前滑率： 妒。毗机架中轧件的后滑率； 删、，r - 、吼机架轧辊的角速度( 弧度秒) 凸、乜r 、r ，机架轧辊的直径( m m ) 在实际连轧过程中，两机架轧件速度分别产生a v 。a v ：。的微小变化时，轧 件上张力值也相应产生a p t 的变化，呵写成如下形式 去( n + n ) = 轰【( v 。一v 1 ) + ( v ：一v 1 ) 7 盘j i 盘生殛茔焦盘塞 2退左盟墨芏叁数曲型煎 整理后可得： a f t a = e ( a v 2 一a v l ) s l ( 2 - 4 ) 考虑前滑因素( v 。+ a v i ) ： 1 + ( y ，+ g i ) + 国) 譬 命q d = _ l ：u ( r ，架轧辊线速度) 忽略 妒，t i - _ d i 项不计 整理后可得：a v l = ( 1 + 少，) k + 矿，m 考虑后滑因素 ( v ：。一a v 2 ) = i 1 + ( 。+ 矿。) 】：罢； 命：_ d 2 ： 整理后可得：a v 2 = 一 田于i i u 措利后措明似，j 、父化重与1 i z 用仕轧仟上即早但张刀嗣诹小父化重起线 性关系的，即： 假定：胁，= k 了a f t = 瓦了a f t 式中：k ，、k 。为比例常数 将以上关系分别代入( 2 3 ) 式中，可得： 等= 争毗吁【( 1 w 邺岍 = 瓦e 一蚝了a f t 吒一( 1 + - 媚- k 了a f t k ) 盘i t 盘生墅生焦逢圭2韭左盟三芷叁数的蛊嗑 上式整理后可得 令吉嚣喝 确等一忐1 咄4+ 7 二s ( 2 5 ) 由于在具体条件下，埒、1 ；是己知的，也是己知的，因此可以在连轧过程 p i 中，通过力臂或力矩记忆系统把垒丝较准确地检测出来，并通过p i 调节器求出 a 需要调节的变量k ，将k 送至r ，主传动调节系统与原r 机架速度基准值相比 较，用其差值调节r 1 主传动的速度，从而实现连轧时的微张力自动控制p 大冶 特殊钢股份有限公司的平立1 0 架连轧生产线即采用力矩记忆法控制。 式( 2 - 5 ) 是比例积分调节器的函数传递关系式，此式是张力环节调节对象 的传递函数，一般电控系统中常按此设计张力调节器譬 式( 2 - 5 ) 中虽然也反映了张力对前滑和后滑的关系，但是仅简单地假定张 力与前滑( 或后滑) 是线性比例关系即矿，= k ，仃，。而实际上张力与前滑和后 涓之问的关系还要更复杂一些，凼此，在实际控制上出现了较大的误差紫下面我 们对此问题进行讨沦。 9 土咖 盘j b 盘生题生焦逢圭2韭左越墨艺墨数曲塑煎 2 2 张力对前滑的影响 轧件轧制时前滑值可计算如下硼： 垆万d 邶惫( 鲁- 1 ) 2 悟6 ) 式中：前滑值( 以小数计) d 轧辊直径( 耿6 5 0m m ) ， 接触弧钏= 压，本例耿8 0 6 m m ) 压f 量( 取2 0m m ) h 轧件出口平均厚度( 取1 0 0m m ) 协中性点轧件厚度 胁 h 式中：d l + 2 一幽垒2 ( 半m + ， “摩擦系数( 取0 5 5 ) q 。前张力 q 一后张力 何轧件入中平均厚度( 取1 2 0 r a m ) k 变形抗力( 取1 6 0 n m m 2 ) 以中1 3 0 m m 圆钢轧制为例： 占= 塑坚坐攀= 4 4 3代入可得 2 0 堕：j 1 + 1 + ( 3 4 3 - 0 2 7 6 9 q b _ ) ( 5 4 3 - 0 2 7 6 9 q t ) x 2 2 4 2 7 l 44 3 h i 5 4 3 一o 2 7 6 9 q rl 按本例所取数据计算可得： b 。 ，、fl【 盘a i 盘芏题堂焦监塞2韭盎吐三芷叁熬的曼煎 炉5 删鲁- 1 ) 2 7 ) 不同张力值时前滑值见下表 表2 一l 不同张力时的前滑值 t a b l e2 - 1t h ef r o n t s l i pf o rd i f f e r e n tt e n s j o n 吼 q ， 而西 y ， a g ， 说明 ( n m m 2 )( n t a m 。) h ( )( ) 0o10 7 73 2 2o 无张力轧制 01 5l0 7 83 3o 0 8 v ，架前微拉、后无张力 1 51 510 7 73 2 0o 0 2 h z 、v ，、h a 问微拉 1 501 0 7 63 1 1一o 1 1 b 架后微拉、前无张力 03 21 0 5 61 7 1一1 5 l v t 架咬钢平均动态速降2 1 53 21 0 5 51 6 3一1 5 9 h ：、v 。、h 一间后拉前推 一3 2o1 1 0 l5 5 52 3 3m 咬钢平均动态速降2 一1 5 401 0 8 94 3 1l _ 0 9 h 一咬钢平均动态速降1 1 51 5 41 0 6 52 3 1一o 9 1 v 。架后拉前推 1 581 0 72 6 7一o 5 5v s 架后拉前推，调鹅动态速降 801 0 8 33 1 10 1 l h t 咬钢，调整动态速降 经过大量计算和回归后，推荐在实际使用中采用下面公式r 掣j = 毕1 0 七a o 式中：l f ，有张力时的前滑值 y ，。无张力时的前滑值 d 常数( 本例取0 0 0 6 5 ) 2 3 前滑与后滑的计算 ( 2 8 ) 前面讨论了有张力和无张力时的前滑计算方法，在这里我们将进一步讨论后 滑的计算：前滑和后滑的示意图如图2 - 2 ： 盎j t 盘堂硒茎焦硷塞2韭左盟占芏叁堑的妾嗑 图2 - 2 前滑及后滑示意图 f i g 2 - 2d i a g r a m o f f r o n t s l i pa n db a c ks l i p 椭的线速度y = 警 轧件出g l 速度：v 。= v ( 1 + ，) 式中：，前滑值 后滑值= 争 或：v h = v ( i 一) 按秒流量恒定计算 v h h b = v h ( 丑+ a h ) 式中d 宽展系数 将以匕关系代入后可得出后滑值 。：l 一h ( b + a h f l ) ( 1 + i v y ) ( 2 9 ) 帆2 卜百五一 2 9 以本钢连轧中1 3 0 m m 圆钢为例： 取h = 1 2 0 ；h = 1 0 0 ：a h 。2 0 ：62 0 5 ；2 3 2 1 b 2 1 6 0 m m 前后无张力，即q 。2 0 ；q t = 0 盘i 盘茔亟堂焦盈塞 2韭左韭三芏墨数曲型晌 可得后滑值帆= 一塑堕堕业 嘉尝鲁半= s s 可见，在无张力条件f ，后滑值明显大于前滑值，对轧制过程有较大影响。 2 4 张力对轧制压力的影响 轧件承受张力轧制时，其轧制压力比无张力时有所降低，根据轧机的刚度， 轧制压力减小时，轧件出口尺寸加大，因而从理论上讲，将改变连轧时的秒流量 关系，但是实际k 对于热轧大型方圆钢时，这一影响不大，现分析计算如下： 采用采力柯夫公式严 无张力时平均单位轧制压力为： 只= 蒜傺6 一| 悟 式中 胁 h 2 、+ 阿 万+ 1 上式中各符号取值如下： 世变形抗力( i 0 0 0 ，变形速度2 0 联时取1 6 0 n m 2 ) 胁中性点轧件厚度( m m ) a 咬入角( 1 4 3 。) 压下量( 2 0 唧) “摩擦系数( 0 5 5 ) h 轧件入口厚度( 1 2 0 姗) h ，轧件出口厚度( 1 0 0 m m ) 占= 坐一= 4 3 8 t a n 堡 2 ( 2 一1 1 ) 盘i t 盘芏亟茔焦硷塞 2盔左殖墨互叁熬的显煎 代入后得： 生一 h 2 - + 瓜面i 驴 43 8 + 1 1 0 7 7 尤张力时平均单位轧制压力为： 阮：垒堕坠幽：1 9 6 ( n m m 2 ) 1 ” 2 0 ( 4 3 8 一n 。 有张力时平均单位轧制压力为： p 风( 1 一生丝) m = 风( 1 。专产) ( 2 - 1 2 ) 式中q r 前张力；q 。后张力；k = 1 6 0 n m m 2 本钢6 5 0 轧机刚度为2 0 0t m m ，不同张力值产生的轧件断面高度尺寸变化见 表( 拉钢为f ，推钢为负) 。 表2 2 不同张力值时轧件高度变化 t a b l e2 - 2b a rh e i g h tc h a n g e sw i t hd i f f e r e n tt e n s i o n p p r轧制压力轧制高度 n m m zn j m m l 增加( t )增加( m l n ) 稀注 1 51540 0 2前后微拉 一3 2 o+ 4 0+ o 2咬钢 一80+ l o+ 0 0 5控制速降后咬钢 + 8+ 82 0一o 1前后拉 1 53 23 8十0 1 8前推后拉 2 5 张力自动调节方程 ( 2 - 2 ) 式反应了速度差对张力的关系，( 2 6 ) 式反映了张力对前滑的影 响，( 2 - 1 2 ) 式反映了张力对轧制压力的影响等。但是在实际轧制过程中，这些 公式并不能精确地反映张力产生及变化的动态过程，例如当连轧时轧件某一处温 度较低、硬度较大，在通过r 机架时由于轧制压力增大而导致弹跳增大，辊缝增 加，同时t 电机转速为满足秒流量相等而减缓，此时，r 2 机架入口速度及辊缝并 未发生变化，因而就产生了速度差。其结果使张力增加，而张力增加的结果又导 1 4 壶j i 盘生墅茔焦硷支2送左壮墨芏叁熬血型煎 致r 机架的前滑加大，r 。机架的后滑也相应加大，从而使r ，机架力矩减小，轧速 上升；而& 机架则相反力矩加大而速度下降。这种结果使r 机架秒流量加大，而 r ：机架秒流量减小，从而使轧制过程在一个新的平衡点处稳定下来。 这种轧制过程中的张力自动调节的过程是非常重要的，因此在研究连轧轧制 过程中，有必要建立考虑这种张力自动调节作用的动态方程式： 侄( 22 ) 式中： q = 等( v 2 h h ) d r 其中： 屿。2 4 轧机入口速度( 下标h 表示入口) v 。l4 轧机出u 速度( 下标h 表示出口) 式中( v ：。一v 。) 是按照与仃，变化无关的常值形式表示，如果把张力对速度的 反影响表示出来，也就是说这一速度变化是张力变化的函数，则可把这一变化过 程用数学式表达出来，即可形成张力的动态方程。即： 等= z e 【v 2 。1 ( 删 1 3 ) 由于v 1 h = k ( 1 + 1 ) ( 1 r - 架前滑) 妒，。= 1 0 + d 仃，( 1 0 无张力时的r - 架前滑) 代入后张力的动态方程可写为： 鲁= 知。堋1 w 门巾刚 ( 2 - 1 4 ) 设 v 。= k ( 1 + 】；c ，。) 无张力时r 架轧件速度 a = 3 “- ( v 2 h v ) b = 导v , a( 口为常数，1 3 0 圆钢取0 0 0 6 5 ) 则上式可写为： 年：, 4 - b 吼 ( 2 1 5 ) 西 这一张力随时膪j 变化的动态方程式经数学转化整理后可得： 设x = a b a 主j 盘兰塑堂焦缝塞 2韭左吐墨芏叁盐曲型堕 呲叩去出可改写为去= 加 两边积分可得：去l n x + c = f 机代入得：去l n ( 爿- b o - , ) + c = f 设f = 0o - ，= 0 求c 可改写成：a - b o - , ：p “ a 整理后可得： 其变化如图2 - 3 示 庞力) o + 盯。= a ( 1 - e - s ) t ( 时问 图2 - 3 张力变化趋势曲线 f i g2 - 3t h e t r e n dc u r v ef o rt e n s i o nc h a n g e s ( 2 1 6 ) 由以上动态方程式及相应的变化图可以看出：由速差产生张力随时问变化的 过程。 即：由速差产生张力，在轧件上产生弹性伸长，张力使前滑增加，前滑增加 又使速差减少，反过来又使张力减小，从而使张力增加逐渐地达到平衡点，这种 自调节作用如能在一个短的时间内( 如3 0 m s 之内) 加以反馈控制，则可以达到 控制轧件张力值的目的。 仍以本钢特钢公司西6 5 0 x 4 连轧机为例，讨论如下： 取r l 机架轧辊线速度v i = 1 1 m s v 。= 3 2 ( r 1 机架a h = 2 0 m m 无张力时前滑值) 叫掣啼高 则 或 盎a 盘芏堑生焦硷塞 2韭应吐王艺叁熬曲鬟嗑 即v = 1 1 1 0 3 2 = 1 1 3 5 m m s v 表示轧件速度 下标“l ”表示r l 架：“h ”表示出口；“o ”表示无张力；无张力 时r 2 入口速度与r l 轧件出口速度相等，即： v e l t o v j h o = 】3 5 m m s d 系数，取0 0 0 6 5 e 弹性模量，取2 1 1 0 5 n r a m 2 上取机架间距为5 3 0 0 m m 假设在某1 瞬间毗轧辊速度突然上升1 ( 其中条件如：r ：的轧件入、出口断 面，毗的后滑值等暂按不变分析) ，此时r 轧辊速未变，即在r 与r ：之间轧辊上 产生1 的速差，此时： 2 = 1 1 3 5 1 叭= 1 1 4 6 r a m s 代入后得 爿：! ：! ! ! ! ：( 1 1 4 6 1 1 3 5 ) ：4 3 6 1 0 2 ( n s 衄z ) 5 3 0 0 日：三巡1 1 0 0 o 0 0 6 5 ：2 8 3 1 0 2 ( n s 姗z ) 5 3 0 0 同样计算方法可得 计算结果见卜 表 o 1 1 = 1 5 4 ( 1 一e - 2 5 3 t ) q = o 1 5 ( 1 一e - 2 8 3 t ) 0 i = 0 4 2 ( 1 一p 。2 ”) 盯5 = 0 7 9 ( 1 一e - 2 8 3 t ) 。f 2 0 = 3 1 8 ( 1 一，1 ) 盯o = 4 7 6 ( 1 一p “) 盯f 4o = 6 3 4 ( 1 一e - 2 5 3 t ) 7 盘t 盘生强生焦硷主2韭左吐王艺叁数的显嗑 表23 不同速若时张力值 t a b l e2 - 3t h et e n s i o nv a l u ef o rd i f f e r e n ts p e e dd i f f e r e n c e o , ( n m m2 ) 矗毒。孺r _ ( ! 。) 1 02 05 01 0 05 0 0 o 1o 4o 6 51 11 41 5 0 311 83 23 94 2 o 51 93 46 7 47 9 l _ o3 86 61 1 71 4 51 5 4 2 o7 81 3 72 4 12 03 1 8 3 o1 1 72 0 63 64 4 84 7 6 4 01 5 62 7 44 85 9 76 3 4 从表中可以看出，在不同速差和调整时间条件下，张力变化非常显著。因 此，轧制过程张力的动态调节十分重要，对最终的产品尺寸精度有重要影响。 2 6 连轧张力对轧件尺寸的影响 2 6 1 连轧张力 连轧过程如图2 4 所示( 以2 个机架r 、r ：为例) ，v ih 书 一 v 1 a l b 图2 4 连轧过程示意图 f i g2 - 4s k e t c hm a p o f c o n t i n u o u sr o i l i n gp r o c e s s 当二机架f 日j 为无张力连轧并己达到平衡状态时： 连轧常数c = 鼻v l = e v 2 式中：f ，r 机架轧件山口断面积 r r ! 机架轧件出口断面积 v 、v ：r 、r ：轧辊线速度 盘j i 盘生硬生焦途圭2张左盘墨芏垒数的整嗑 1 7 轧件出口速度：v 。 = k ( 1 + 妒，1 )其中：i t ，l 前滑值( 无张力时) r 轧件出v 1 速度：v ：。= ( 1 + y ，：)其中：y ，：前滑值( 无张力时) 当f z 变化为f 2 + a f z 时，v ： 变化为v 2 。+ a v 2 时，连轧秒流量差为： a c = ( 吒+ e ) ( v 2 + 如 ) 一c 连轧张力可定义为： 堆钢或拉钢系数：等1 0 0 在型钢连轧时，生产工人经常根据成品尺寸调整辊缝，因而轧件断面经常变 化，但是不论是断面变化还是轧辊速度变化，最终都是靠调整轧辊速度取得平 衡，因此为了简化分析和便于轧辊速度设定，也可以近似地用速差来表示拉钢系 数，即： 堆钢或拉钢系数= 半= 等1 0 0 2 6 2 连轧张力对轧件尺寸的影响 设v 、v ：为r 、如二个车l i j l 无张力时连轧的轧辊速度，则当v ：加大为v 时 ( 假设此时v ，不变) 轧件上所产生的速差张力为 o t ：，( 譬等) p 2 由于轧件上产生q 张力，使r l 架前滑增大，使飓架后滑也加大，最后在张力 状态f 达到新的平衡，此外，尽管r 架轧件断面因仃，拉力而变小，但已由r l 车l 出 的a b 段轧件断面未变，即： v k = v 幺 v f = k ( 1 + 妒，a t u ，1 ) v ；。= k ( 1 一2 一2 ) o , n ：k ( 1 + y ，l + a i b , ，1 ) = ( k + k ) ( 1 一p 2 - a i 2 ) 展丌得：u ( 1 + 川) + k 川= v 2 ( 1 - v 6 2 ) 一k 2 + k 一2 一k 2 消去u ( 1 + 矿，) = v 2 ( 1 - v b 2 ) 、二边除以v t ，并假定鲁“鲁= ( r z 架延伸 1 9 主b 太堂殛生焦逾塞2韭左吐三芷叁数的受响 率) 得： 芑却，一一毗：+ 百a v 2 一等一等。帆： 由于一般管在1 4 左右，z 在3 8 以下，所以略去1 0 1 项得 了a i r , 叫+ 告a 以 或： 峨：= 等一等 式中：按拉钢考虑取正值，堆钢取负值 ：、4 儿。增加时取正值，减少时取负值 ( 2 一1 7 ) 上式说明当r ：机架上产生k 速差时，拉钢值! 当的百分数等于r 机架前滑 v 2 值除以丑与r ：机架上后滑值增量之和。 在轧件受拉情况f ，变形区内仍然严格遵守秒流量恒定规律，轧件a b 段仅 有小弹性变形，轧件断面在变形区内主要产生宽展变化。 当轧件头部未到达r 。架b 点时，a b 段轧件是无张力自由状态，到达b 点后开 始建立张力，但此时头部a b 段的断面仍为f 不变，如图2 4 ，变形区内无张力 州： 有张力时 山鼻iv ；。= ev 知得 e - v 2 h = e v 2 v 2 = k ( 1 一2 ) v 2 = 坞( 1 + y ，2 ) v ；h = ( + k ) ( 1 一2 一a g 2 ) f = e ：e = e 峨 v 缸= ( k + a v p ( 1 + 阶2 + a v ，2 ) 鼻( + ) t ( 1 一y 2 一a i s 2 ) = ( 五+ 五) ( + ) ( 1 + 缈，2 + p ”) 2 0 左韭盘堂筮生焦硷立 2韭左盟墨芷盎数血型煎 展丌得： f k ( 1 一少。，) 一e v 2 妒 2 + f ( 1 一y 2 ) 一f k 2 = k ( 1 + y ，2 ) + e 吃y ，2 + f 2 ( 1 + y ，2 ) + f 2 a v ：，2 + a f 2 g ( i + y ，2 ) + 吒a v ，2 + a - a v 2 ( 1 + 妒，2 ) + 心21 吒妒，2 得： 两端除以f ：、v ：消去相等硕，略去l 旷项并设定五= 鲁，整理并化简后可 式中 百a f 22 等”1 m 山z ( 2 - 1 8 ) 屹拉钢时取正值，堆钢时取负值： ，、蚧：增加时取正，减少时取负值 e f 值拉钢缩减，负值表示堆钢增加。 上式说明，当轧件受拉( 或压) 后，轧件断面与无张力时的断面比较减少 ( 或增大) e 值，此数值等于轧辊速差与一1 ) 相乘的乘积，减去相应比例 的前后滑值。 现以本钢6 5 0 4 连轧机轧制1 2 5 m m 圆钢为例计算列表如下： 表2 - 4 是按r 娟。架全部已按微张力调好并锁定后，轧件尺寸变化( 以下为方 便表示，将立一平轧机都表示为水平方式) 。 表2 - 5 是按r r r 。己按微张力设定完成并锁定，轧件头部咬入r 。架，并产生 动态速降，此时电控系统控制r 。与艮间轧件推力不大于8 n m m 2 时轧件尺寸变化。 盘j b 盘主题生焦硷塞2选左吐墨芷叁数曲受响 表2 - 4 张力jo l f t ：尺寸变化表( r - r d 全微张力调好) 、i ， 鼻、 ，。i 、i 、r、 乏，i - 一oii一 ，、，一l i 、nhil-j j 夕 l 0 、i 、7 机架号r ( v )乳( h 。)r ，( v 。)r 。( h 。) 孔，钭号 k 、k ， k 2k 1 五= 1 1 31 1 31 2 21 1 7 张力 q b lg ，iq b 2 q ，2 q b 3 q s 3 q b 4 q ，4 ( n m d )o1 51 51 51 51 51 5o 对应速差 1 1 1 矿矿 前滑增量 p ，ly ，2 a v ，3 妒，4 ( )0 0 80 0 20 0 20 1 1 后滑增量 a 少 2a 3a 4 妒 i ( )0 1 20 1 20 1 2 断面增鼙0 ，1 0 1 0 0 4 fif ( 减小) 断面高度 o00 增量( m m ) 断面宽度一04 m m一0 3 m m一o 2 m m 增量( m m )( 减小)( 减小)( 减小) 盘i k 盘兰墅茔焦途圭 2送左盟王艺叁越曲型煎 表2 - 5 张力与轧件尺寸变化表( r ，凡微张力、r | 产生动降) i i 。、 ，? 、 j 、r 一7( 一! ) _ j 7 7 丁、- ，j 。7 ，| ，、 ，。11 1 厂巾 p 。v j 旺互 ：i i = i i i i ，a b 段轧件承受推力( 压力) ，轧 件呈堆钢轧制，可调整2 4 电机速度( 顺调) 使2 。电机适当加快，使i z i ，达 到a b 轧件段张力最小。 l7 = i ，说明n 。，n 。机架问速度匹配同步，轧件中无张力，无推力。 东北大学硕士学位论文 3 动态速降及张力力矩记忆法 i 晚明a b 段轧件中承受张力，可调2 4 电机速度适当放慢使i7 一 i ，也可以调整l 。电机适当加快的办法( 逆调) ，采用顺调还是逆调要根据电控 系统设计及工艺要求综合考虑。 3 2 2 本钢$ 6 5 0 4 连轧机力矩记忆法张力分析 以本钢中6 5 0 4 连轧机为例，具体技术参数计算见表3 - 1 。当轧件上张力值 为1 5 2 n m m 2 时，要求电控系统对电流的控制精度达到2 以内。( 宝钢初轧 厂连轧机电控系统控制指标为l 3 ) 。 表3 - i 轧制中1 2 5 m m 时张力与力矩计算 t a b l e3 - 1t h ec a l c u l a t i o nf o r t e n s i o na