（材料加工工程专业论文）宽厚板实验轧机短行程及平面形状模拟控制研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文以莱钢铁公司技术中心宽厚板模拟实验枫建设项醋为背景，以囝内外 技术资料为基础，选用适谓的工艺和控制方案，配置功能实雨的计算机控制系统， 编制合理的p l c 程序，在实验轧祝上模撤实现宽厚板的短行程和平丽形状控翩。 本论文主要对以下几个方面进行分析讨论，并给密褶应的方案和结论。 i ) 针对实验轧机机械、液压和电气特点，确定相应的工艺方案，立辘轧杭采 取了“狗臀”变形方式的短行程轧箭，平辊轧祝采取了m a s 事l 制方式的平面形状 控制轧制。 2 ) 模拟实验轧桃控制理论中，对实验轧机的平衡控制系统、辊缝控制和液压 h c c 控制进行了详细说明。给出实验轧机的p i d 调节器使用方案和相应的控制流 稷圈。 3 ) 为了实现“狗骨”形和m a s 轧制，建立了如下数学模型：s l 佑t j 过程中轧 件位鬣跟踪数学模型和压下速度与轧制线速度匹配数学模型。轧件位置跟踪数学 模型用予轧制过程对轧件的位置进行准确定位：压下速度与轧制线速度睡配数学 模型用于轧制过程中形状控制，将轧件的特定位鬻轧铆成规程要求的板群。 4 ) 在上述工艺和控制要求下，配置了计算机控制系统。使用s i e m e n s 的s t e p 7 和c f c 软件编s f l t 系统的应用软件程序，利用w i nc c 建立了数掘采集和监控系 统。 5 ) 在实验轧机上进行了“狗骨”形和m a s 轧制的变厚度轧制模拟实验，验 证了模型的准确憔和可行性。通过采集现场的实验数据，采用m a t l a b 进行设定 数据与轧制数据对比分析研究，实现了所需要的轧制效果。 本论文主要针对模拟实验轧机设计与调试进行研究，开发出的轧件位置跟踪 数学模型、轧制过程压下速度与轧制线速度匹配数学模型应用到相应的实验轧机 上，取得了良好的控制效果。对我国宽厚板生产的控制和工范水平提高具有积极 的促进作用。 关键词：宽厚板，平面形状控制，短行程控制，p i d ，a p c ，h c c 。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p a p e ri sb a s e do nt h ep i l o th o tr o i l i n gm i l la tt h et e c h n o l o g yc e n t e ro f ai r o n a n ds t e e l c o r p o r a t i o n f o rt h ew i d eh e a v yp l a t e b yr e f e r r i n gt ol o t so ft e c h n i q u e i n f o r m a t i o n ，t h ea p p l i e dt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lp r o j e c ti sc o m f i r m e d ，a n dt h ec o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m i s u s e f u l l ys e l e c t e d ，a n d t h ep l cp r o g r a mi sw o r k e do u t t h e s h o r t s t r o k ec o n t r o la n dt h ep l a nv i e w p a t t e m c o n t r o li sr e a l i z e di nt h ep i l o tr o l l i n gm i l l s t h e f o l l o w i n ga s p e c t sw i l lb ed e t a i l e di nt h ep a p e r ，a n d t h ec o r r e s p o n d i n g p r o j e c t sa n d c o i l c l u s i o n sa r el i s t e d 1 ) b a s e do nt h ec h a r a c t e r so f t h ee x p e r i m e n tm i l l s ，t h et e c h n o l o g yp r o c e s sc a nb e c o n f i r m e d t h es h o r t m s t r o k e o f d o g * b o n e s l a p s c a nb er o l l e di nt h e p l a t e a t e d g i n g - r o i l i n gm i l l ，t h ep l a nv i e wp a t t e m c o n t r o lo f m a s r o l l i n gs l a p sc a n b er o l l e di n t h ep l a t ea tp l a tr o l l i n gm i l l 2 ) d u r i n g t h ei n t r o d u c eo f c o n t r o ls y s t e mo f t h e e x p e r i m e n tm i l l s ，t h eb a l a c ec o n t r o l s y s t e m ，t h eg a pc o n t r o ls y s t e ma n dt h eh c c a r ed e t a i l e d l ys h o w e d a n dt h eu s e d p r o j e c ta n d t h ef l o wc h a r to f t h ee x p e r i m e n tm i l l si si n t r o d u c e d 3 ) f o rr e a l i z i n gt h es h o r t s t r o k ea n dm a sc o n t r o l ，t h ep o s i t i o nt r a c k i n gm a t h m o d e l o ft h er o l l i n gp l a t ea n dt h em a t c h i n gm a t hm o d e lo ft h es c r e w i n gs p e e da n dt h e r o l l i n g s p e e d a r es e a l e d t h ep o s i t i o nt r a c k i n gm a t hm o d e lc a l lp i t c ht h er o l l i n g p l a t ep o s i t i o n ， a n dt h er a i l lc a l lr o l lt h ed i f f e r e n tt h i c k n e s sf o rt h ed i f f e r e n tp o s i t i o no ft h ep l a t e t h e m a t c h i n gm a t hm o d e lo f t h es c r e w i n gs p e e da n dt h er o l l i n gs p e e dc a no p t i m i z et h e p l a t ef o r m t h e s e m a t hm o d e l so b t a i nt h ei d e a lr o l l i n ge f f e c t 。 4 ) t h e h a r d w a r ec o n f i g u r e sa n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n ta r es t r e s se x p l a i n e di nt h e i l l u m i n a t i o no f c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m a tt h es a m et i m et h es o f t w a r ef l o wc h a r tb y s t e p 7a n dc f ca n dt h es u p e rv i e wi n t e r f a c ea r es t r e s se x p l a i n e d 5 i no r d e rf o rr e a l i z i n gt h eh i g hp r e c i s i o nr o l l i n g ，t h es h o r t s t r o k ea n dm a si s r o l l e di nt h em i l l s t h es e t t i n gd a t aa n dt h ea c t u a ld a t aa r ec o n t r a s t e da n da n a l y s e sw i t h t h el o c a l ed a t ab yt h em a t l a bl a n g u a g e 。t h ea n a l y s e sp i c t u r ea c h i e v e st h eb e 挝e r d e b u g g i n g e f f e c ta n dd i s p l a y st h ev a r i e t yg a u g ec o n t r o lo ft h es h o r t * s t r o k ea n dm a s p l a t ef o r m s 。 t h ep a p e ri si nr e s e a r c hf o rt h ed e s i g na n dt h ed e b u g g i n gp r a c t i c eo ft h ep i l o t 东北大学硕士学位论文 r o l l i n gm i l l s ，t h et w om a t hm o d e l se x p l o i t e di sa p p l i e df o rt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l s u b j e c t ，a n dt h e nt h eg o o de f f e c t i s g a i n e d a l lt h ew o r kw i l le f f e c t u a l l yb o o s tt h e c o n t r o la n d t e c h n o l o g y l e v e li m p r o v e m e mo f w i d eh e a v y p l a t ep r o d u c t i o n k e y w o r d s ：w i d eh e a v yp l a t e ，p l a nv i e w p a t t e r nc o n t r o l ，s h o r t s t r o k ec o n t r o l ，p i d ，a p c ， h c c 东北走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。论文中敬得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表戡撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我同工作过的同志对本研究所 乍教任悸贡献均已在论文中 乍了甥礞巍鹳并表示了感谢。 本人躲悄卫耷 黟欺：2 0 0 4 年2 月2 0 弱 裘弱大学硕士学位论文 l 绪言 1 1 弓| 言 i 绪言 1 a 。1 课题研究背景 本论文以柴钢铁公司技术中心宽厚扳模拟实验机建设项目为背景。本套轧机 包括一柒立辊轧祝和柒平辘可邋轧杭。立辊轧丰凡采箱手动程调辊缝和液压自动 调宽( a w c ) 控制，模拟艇行程控制实验；平辊可逆轧机为全液压四辊轧机，具 有液压位置自动控制系统( a p c ) 和很高的辊缝响应速度，模拟平面形状控制实 验。 以国内外技术资料为基础，选用适用的工艺方案和控制理论，配置功能实用 静计算税控戮系统，编稍合理静p l c 程痔，在实验裁税上攘羧实躐宽零授静短行 程和平面形状控制。因此实验轧机能够对宽厚板生产轧机的轧制过程进行模拟实 验研究。 1 1 。2 课题聚宠豹翻连势瑷状 如何确保现代化宽厚檄厂高成材率成了当务之急。国外高水平宽厚板厂的成 材率可达到9 4 以上，而我国中簿板厂的成材率( 含非定尺材和无台同牵才) 8 6 8 9 ，与国外宽厚板厂成材率楣差很大，这与我国中厚扳厂的装备水平、工艺 技术水平和控制水平落后与国外2 0 - 3 0 年有直接的关系。成材率的高低赢接关系 翔金曼趣经漭羧蓥，对于年产1 0 0 万t 瓣厚投厂，鲡象或耪率摆麓i ，每年靼 可以多创1 0 0 0 万元以上。豳外宽厚板厂广泛采用高精度轧制技术、配置多级t t 一算 谎系绕、离院秘静佼用连铸连嚣，这些繇有利于提赢宽厚授的成幸芎率h l 。 立辊轧机采用了短行程控制，在中厚板粗轧过稷中，通过立辊的侧压实现对 板坯宽度的控制，立辊的簸行程控制曲线决定了失宽量大，j 、，通避优化瓣行程控 铡麴线豹参数，可以最大琵疫地减少失宽豹大小，慰时钢投城小切边、切头尾损 量，控制鼓形度，最终为宽厚板生产提商成材率做保证。 平辊轧橇实臻了平瑟形状整鞠，稷摇窕震魄( ：糙鞔窕发，教矮长凄) 、延长 比( = 糟轧长度板坯长度) 的大小，采取实验方法可以确定宽厚檄轧制后的不同 平面形状；同时调用不同的轧箭躐程，依据茕材的最终板簿、板宽和板长，对遵 东毙走学硕士学位论定 绪言 次数、各轧锲道次熬辊缝勰预测乾裁、薅重铐进行诗算( 压下量捧业诗划计冀) ， 最终完成最佳轧制。目的都是为了获得最大的成材率。 每国努穗比，羧藿静蹙蓐投生产存在以下不是：”j 1 ) 高精度平面控制技术在国内中厚板厂应用尚属空白。 2 ) 中厚板厂+ 测簿仪与轧祝鼙远距离分布，无法采用商效前馈、后馈a g c 技 术。 3 ) 对于正在投入的t m c p 技术，多级计算机控制系统应该予以投入。 4 ) 工穆辊弯辊技术提毫乎妻度控制毽缮大量投入中蓐缀生产链瓿中。 因此，为了改变我国中厚投轧制技术的落后状况，提高中厚板的成材率，必 须积辍开震中厚板短幸亍稔衽乎瑟形获靛稍技术静研究与开发。这不仅具有重癸的 工艺与控制理论意义，而且还会对将来的实繇生产带来巨大的经济效懿。 1 2 宽厚掇模拟实验轧机工艺理论基础 l 2 。1 短行程控制工艺理论基础介绍 1 2 1 ，1 轧制调宽的论述 轧制谪宽分为轧制扩宽和牟t 铡减宽。轧制扩宽主要利粥水平筑翩时板坯的自 然展宽积剥用带凸度的轧辊强制展宽来完成约。事实上，采用强劁震宽的办法在 板带轧制中并不多见。轧制调宽更多的是利用立辊轧机轧制的减宽操作f 2 - 1 0 1 。 叛坯经平辊立瓣辜l 铡爱，产生兹横截嚣秘变形麴塑1 1 掰示。未经立辊转麓 的板坯厚度1 1 0 和宽度w o ，经立辊s l y 0 后板坯宽度为w 。，板坯中心出厚度为k ， 同辊辊接触处蓐度为h ，最大瘁度为h b 。蔽坯在宽鹰方向受到轧涮压缩的时候， 变形集中于扳坯边部的局部区域，所以减宽后的板坯的断磁出现嬲显的双鼓形( 习 惯上也称为狗骨形) ； 图i 一1 立辊轧制厉板坯截面形状 f i g 1 - is l a bc r o s ss e c t i o np r o f i l ea f t e rv e r t i c a lr o l l i n g 东北大学硕士学位论文绪言 l 。2 ，1 2 短行程轧割工艺理论蹶理 当稷坯进行大侧墨时，出于板坯头尾嚣没有受到“露l 湍”浆 乍翔，立乾爱这 部分金耩要彝中闯流动，并且不是均匀延 牵，扶露造成失凳。另外，缀坯中闽部 分瀚“狻骨”形魄板坯涎爨严整，平轧磊豹恢复量也比两端太。因此，经过乎轧 道次后，甄来黪失宽被进一步扩大【1 2 】。 短行程控制【l5 】是在大侧压下用于克服扳坯头尾部所产生的失宽，提寒板蛰威 材攀兹顼先进技术。其基本恩怒是：摄握太铡压调宽时扳坯头鼹部收缩躲轮廖 趋线，使立辊轧孛几触辊缝在孰铡过程中不版改变，其变化曲线与之对称且相反， 以 媸侧压失宽量，再经过水乎轧劁最，使头悬部的轧制失宽鬟减少到最低限发。 在实黪控制中，立辊的短行程控制曲线用两段或多段囊线近似代精，下面以 两段为例介绍短行程控制原理，如图1 - 2 所示。头部端点的开口度最大，随蔫轧 制的进行逐步缩小开1 3 度童到达到静态开口度( 板坯中间部分立辊辊缝) 。尾部则 相反，从静态开口度逐渐加大，室副慰部端点的最大开口度。这样再通过水平辊 的继续轧制，带钢的头尾部的不规则形状将大大减小。 图l - 2 短行程控制原理示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f s h o r t s t r o k ec o n t r o l 1 2 ，1 。3“狗嚣”交形的特征 尽管“稳嚣”形非常复杂，毽英几傍形状僻可以比较好地摇述出来。如图1 3 嚣示，糖述“狻嚣”形豹主要参数嘉： 东北大学硕士学位论文 1 绪言 图1 3 “狗骨”形状特征不恿图 f i g 1 - 3c h a r a c t e r i s t i c s o f d o g b o n e 示意图参数说明：鼓形最高处的厚度h b ； 狗骨的最大高度b ： b = b o - h 。 式中轧辊接触处厚度增加值h ，一h o ； 鼓形的最高点位置a ； 鼓形的影响范围c 。 t a z o e 8 1 给出了h b 计算公式： h u n 。 1 + a 甏 b 甓】c 【告】d 式中a 、b 、c 、d ：常数； d c ：减宽量。 d e = w 。一w e 式中w o 、w 。：侧压前、后原始板坯的宽度； ：立辊半径。 冈户 1 2 1 给出了描述“狗骨”形其它参数的计算公式。 1 1 狗骨的最大高度b ： b = 0 0 9 8 h 0 0 5 6 d 。o 7 0 2 ) 轧辊接触处厚度增加值h ，一1 1 0 ： h ，一h o = 0 0 2 8 h 0 07 2 d 。o 7 3 3 ) 鼓形的最高点位置a ： a = 4 3 5 h o o , 3 s d 。 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) 东北大学硕士学位论炙 绪言 4 ) 鼓形靛影晌范豳e ： c = 1 6 5 h o o - 7 7 d 。o 2 。 ( 1 7 ) 从公式可以看出，除最大厚度值之外，认为其它参数只与原始板坯厚度和立 辊氧麓压下董籀关。显然这是育一定静条 譬缀嗣静，困戴，这些公式瓣应恁逛需 要一定的条件。 事实上，“狗骨”在洽板坯长度方向上的分布是不均匀的。在校坯的头滗， 由予没有刚端的作用，“狗嚣”变形较小，在扳蟋的中段，“狗骨”变形比较大 f 1 i _ m 。 l 。2 1 4 求学轧镧詹板纛影狭 扳坯缀平辊立辊辜l 铡矮，产生的横载露的变彤磐图1 - 4 辑示。经水平轧期岳 板坯厚度分别是h f 和宽度w f 。板坯通过水平轧制进行厚度压下使板坯展宽w ， 可袭示走； w ；= w o + a w( 1 - 8 ) 其中，w 由两部分组成：由于鼓形造成的览展w b 和鼓形造成的宽展之 乡 的宽震w s ( 疆1 - 5 新示) 。 圈1 ，4 水平轧制后扳坯截厕形状 f i g 1 - 4s l a bc r o s ss e c t i o np r o f i l ea 最e rh o r i z o n t a lr o l l i n g 由此赋得到的板坯减宽效率r t ： 门= 丙w o 疆一w f l 。门2 丽。1 ”o 芝原【1 9 , 2 0 l 等人总结的展宽w b 和w 。计算公式如下： 瓢= 取 罄】8 一l l ( 1 - 9 ) ( 1 t o ) 表靶天学硕士学位论文l 跨言 d x w b 一峨等+ l 】( 1 - m 式中a ，b ：几何参数。 a 堋p - 1 6 4 舻”【孚】0 ”【和。 ( 1 1 2 ) b = e x p - 1 8 7 7 甓 。【匙】o 豇w o r5 9 【( 1 一1 3 ) 式中r ：水平# l $ y l 的轧辊半径； & ：立辊辜l 瓠熬韩糍半径： l ：水平轧机轧制时的接触弧长； m ：凡俺参数w 。m 。 幽以上各式可以看出，平辊立辊轧制调宽时，增加轧辊直径可以提高调宽效 率。 嘲1 1 5 水平轧制蔗扳坯头尾变形特征 f i g 1 - 5s l a be n d s s h a p e sa f t e r h o r i z o n t a lr o l l i n g 出于立媲轧制矮扳坯头部的缨窄、头尾熊鱼尾影及头遑的狗骨高度较小，经 水平轧制后，板坯的不均匀变形更加严重。如图i 5 所示。水平轧制后的板坯头 部形状可以袭示成头部的宽度w h f 、 # 均匀变形嚣长度l h f 稳头部鱼尾长痉蚤。n 尾部的形状可以表示为尾部的宽度w t r 、非均匀变形区长度l 玎和尾部鱼尾长度d 卅 l 215 提筒立辊轧制调宽效率和头鼹控制的方法 国予立筏茕割的“狗鸯”变形在承平轧锈时会逡成宽度静圜茬，孰两降舔了 有效调宽。大量的实际数据和分析表明，平辊立辊轧制的调宽效率般不超过7 0 。同时，由于立辊轧制时板壤的不均匀变澎，变形集中于板还的边部，在头尾 存在失宽和鱼尾等，并且在琏矮豹平轧过程中扳坯头尾部的鱼是或舌头以及失宽 量进步增大。为保持钢板的宽度精度和便于精轧操作等，在进入精轧机组前， - 6 东北大学硕士学位论文 绪言 这秘不均匀变形螅郝分烽披切除，这榉，如何搦制鱼鼹和舌头以及失宽的量，蜮 少切损，提高成材率就成为轧制调宽的关键问题口。删1 。 1 ) 提高立糍轧制调宽效率的攒旌 提商扳坯立辊轧制的调宽效率，关键是使得变形尽量向宽度中心方向渗透， 也裁是使得“狗骨”尽量向中心推移。相应采用的办法有增加立辊直径、加大道 次调宽量等等。最常用的方法是采用孔型轧辊调宽。 采用孔型轧辊比不带孔型的立辊轧制谢如下优点1 1 3 】： 舢带孔型立辊的咬入角比平立辊明显大。在用铅进行的立辊轧制实验中，如 图i - 5 所示，平立辊轧制的最大咬八角最大只有1 54 左右，而采用孔型立辊在 压下量1 5 0 m m 时咬入角可达3 0 。左右。因此咬入性能良好，改进了立辊轧制的 稳定性； b 1 增加每i l 耋次的压下量； c 1 强制使得“狗骨”向中心迁移。 以上三点都有利于提商调宽效率。 孔墅立辊的减宽效率随板宽压下萤的增加而增船，并随原始饭坯宽度的减少 而增加。对于窄板坯来说，孔垄立辊的板琏减宽效率几乎是平立辘的两倍。孔塑 立辊增加有效板宽匿下量韵主簧原因燕由于采菊孔壅立辊稼霞“狗骨”变形静峰 值位置更向板宽中央位置移动，因此当通过永平辊轧锏减厚时，会佼函轧平“狗 曾”而产生静宽展篷减小。 2 ) 减少立辊乾翻谪宽矢您不均匀变形的猜箍 减少头尾不均匀交形的措施琵较多，毽许多是不常露静。舞蜷麴立辊盏径， 据报道细暴把轭辊盏径从l 米增热爨2 来，切头长发哥戳减少2 5 。但是增翔辊 辊童径会增翔丈量静设备投资，露显一里设备定型后增热霪弪貔可悲性基本土藏 漫蠢了。比较鬻矮弱方法鸯1 6 , 2 2 - 2 7 1 ： a ) 短 亍程载副 矮行程轧铡是立辊轧翱时在援坯头尾粼减小侧压鐾，以羚偿头尾筑宽度缩宰。 采熠这静办法可以大大降低切擐，蟪别是对于宠凄较小数扳坯更楚降低银多。 b ) 优化轧制想程 在实黪调宽轧制中，罨主往不是一次调竟轧制裁能达到鲤拯的宽度值，通常需 要经过多次匏立辍轧制帮水平轧制。邋当改进轧制工艺可以大大皴少切擐。冈户 等在n k k 揠山厂进行的雯验表明，立辊轧制煎邀次袋用较小的侧压量、后遵次 采用较大的测压量可以大大减少切头量，颓切尾基本不增加。 东北大学硕士学位论文绪言 c ) 头尾颞成形 在立辊轧制前在板坯头尾进行预成形，以便在立辊 l s u 时在头尾存在刚端以 减少不均匀变形，双瑟减低甥搂。头鬣羲戒形鳃方法有狠多，翔麓毹成形、凌割 成形和压力机压缩成形等。切割成形本身就降低了成材率，因而不常采用。轧制 预成形只对耀部有用。而压缩预成形对头尾都有用。据报道降低切损在5 0 以上。 压缩颈戏形霄两方蘑的好处：一是采用预压镣后，珂以改变扳坯头尾郝的形状， 大幅度地减少切头损失；二是在利用压缩模其预压缩后，有利于立辊的皎入，增 大立辊戆压下量，键遴叛坯豹变形囊中部深入，鼓嚣改善叛垤交形豹不均匀瞧， 同时也提高调宽效率。 国采雳琵鳘辊 孔型立辊侧压可以减少不均匀变形。如前所述，采用孔型辊立辊轧制能使“狗 骨”变形的峰值位置更向板宽中央位鬣移动，因此当通过水平辊轧制减厚时，会 使因轧平“狗骨”褥产生的宽髅量减小，头鼹的失宽也就相应减小。 1 2 2 宽展的重要性 匿前，缝大部分宽度控嗣手段都集中在穰乾遥程，精轧不靛童按对宽度逶行 控制，因此，只有准确地设定粗轧的目标宽度，才能有效地控制糖轧的出口宽度。 在板坯进入粗轧之前，粗轧过程计算帆首先利用数学模型计算该板坯在随后的精 轧过程中的宽震馕，精蜒出日设定宽发减去热计算壤俸为糖轧基掭宽度。司见， 精轧宽展预测模型在宽度控制中起着十分重要的作阁。 翟辘宽凄设定跨，蓠先根糍模型镁瓣精秘宽震，然嚣出糖莪嚣标宽度确寇程 轧目标宽度【l 2 1 。由于目前精轧机组没有控宽手段，控宽技术主要集中在粗轧。 1 2 3 影响轧件宽震的基本因素 澎稿金藩在交髟区蠹沿熬囱及横翔流魂静数量关系懿鬻素缀多，这些因素黎 是建立在最小阻力定律及体积不变定律的基础上。其中各种因素对轧件宽展的影 响包括”硼：辐对厚度压下量、辘制道次、原始坯料厚度与工作辊置径之眈、原始 坯料宽度与厚度之比、坂始坯料宽度与轧辊接触弧长之比、摩擦系数的影响等。 同时凡是影响摩擦系数的因素，都将通过摩擦系数g f 起宽腥的变化，主要有：! ；乙 割瀑发、魏剿速度、车l 辍表嚣状态、转件豹化学成分、乾辗熬化学藏分。因此可 以得出如下结论旧： 1 ) 宽震系数基本上随着原始坯料浮度静埔船两臻船。 2 ) 宽展系数随潜原始坯料宽度的增加而逐渐下降。 - 8 ， 东北大学硕士学位论文 1 绪言 竟震系数随着工俸辊直径灌蕊，转辊与坯糕缓靛弧长增加霖增热。 4 1 宽展系数随着压下量增加而增加，原因是轧辊与坯料之间的接触弧长增加。 1 2 4 平面形状控制工琶理论基础介绍 1 2 4 。1 平溪形状控裁技本魏黟 究意义 影响中厚板成材率的主要因素在于中厚扳平面形状不良而造成的大量切头切 尾及切边损失，搬国外有关资料统计，该项损失约占总损失的5 0 毗上，对我国 来谈，比铡还要大些。 2 9 3 0 乎嚣形状控刳技术正悬为了铸决这难题黼开发氆的 新拽术，该技术的核心就是在中厚板轧制的初期邋次上对钢板在成型道次上表现 出的缀交鞠横商不均匀变形遴行预先 缮，实嚣产器钢板洚矩形讫，从两最大限 度地降低切头切飚及切边损失，提高成材率。 单在1 9 7 6 年，爵本藏开始了中厣板平谣形获控箭技术的研究。在平面形状控 制黝基本原理、工艺技术及乎匿形状检测等领域，日本川崎制铁水岛制钢所、闩 本钢管株式会社福田制铁所、三菱电机审控研究所等进行了许多开创性的研究， 特剐是疆豢液压按裂鼓术及毒卡箨极接铡技术在中厚扳辜l 檄上数成功应熙，搜中厚 板成材率褥到了照著的提高。 据报邋，日本多家中厚投生产厂盼袋褪率鼠8 0 年代裙黧起，裁汪普遍达弱 9 0 以上，切头切尾及切边损失控制在4 以下。e j 本名古屋厚板厂采用立辊轧边 法，除了对钢板的平面形状实施控制外，逐能对钢板的宽度进行控制，生产出齐 边躺钢材，馒中岸扳成糖率达到9 6 。8 的赢指标。 2 9 1 我国在平面形状控制领域，仅仅在理论基础上进行了一些研究，实际生产中 仍渗角一般懿辜k 耧技术及工艺。裂鬟羲惫史，国式熬中黪板车k 枫露没有暴鬟乎嚣 形状控制技术，应用实验研究尚属空白。 2 钉 1 2 4 2 中厚板平面形状控制方法 癌予在车l 件较_ 萃斡韩翻阶段，茕件产生的不均匀交形院较懿著，并决定轧件 最终的平酾形状，因而，平面_ 移状控制一般着眼于中厚板轧制的前期道次上，即 在中厚板轧制的前期的道次藏几个道次上，对将爱发生的平面形状进行预补偿， 以擦_ i 正威熬钢板麴矩形亿( 如图1 - 6 轧铡过程中平面形状控制示意图) 。平蘑形 状控制的方法很多，下面选取些典型的方法给予与简述。 东北大学硕士学位论文 1 绪言 1 2 4 3 展边展宽轧制法( m a s 法) 展边展宽轧制法( m i z u s h i m aa u t o m a t i cp l a nv i e w p a t t e r nc o n t r o ls y s t e m ) 是 f 本川崎制铁水岛厚板厂开发，并于1 9 7 8 投入运行的厚板平面形状控制技术。该 技术通过预测每块钢板轧制终了时的平面形状变化量，给出成型轧制末道次及展 宽轧制末道次的变厚度轧制补偿量，从而使钢板轧制终了平面形状为矩形，如图 l 一7 所示。具体步骤如下： 3 2 1 过厚板平面形状预报模型，计算出不良变形量，并将该量转换为成型轧制或展宽 轧制最后一道次的钢板厚度差。在成型轧制或展宽轧制的最后一道次，轧出板厚 沿纵向按一定规律分布的钢板。变厚度轧制后，将轧件旋转9 0 度，然后再进行轧 制。 成 形 轧 图1 - 6 轧制过程中平面形状变化示意n 3 1 】 f i gl 一6c h a n g eo f p l a nv i e wp a t t e r nd u r i n gp l a t er o l l i n g 东j b 大学硕士学位论文 1 绪言 此时舔涪缀两转 警簿度静不两，藏交裁了沿攒彝压下率蕊不嗣，从两产生钢 板横向延伸率各处延伸的不同，补偿了规则轧制时将会出现的不均匀变形，从而 可以控制钢板的平面形状。 m a s 轧铡法( 见图1 7 ) 对收得率的提篱有很大效果，在使用常规轧制法时， 水岛厚板厂的切头尾及切边损失达5 5 ，采用m a s 轧制法后，该类损失降至 l 。1 ，提您残秘率4 4 。 成形轧制后 哩日避猡。叵 展宽j i l $ 1 结束时的形状 伊 妙转动9 0 。 蕊绞耗懿方法 蚓1 m a s 轧制法示意剿l ”1 f i g t - 7 t h ev i e w p i c t u r eo f p l a n v i e w p a t t e r nd u n n g p l a t er o l l i n g l 24 4m a s 羲潮法数学模型 如图1 - 6 所示，最终轧件平面形状呈现f 1 和f 3 状态时，应进行m a s 变厚 度轧制，以获得邋似具肖f 2 形状的墩终轧件，提搿成材率。对于f l 和f 3 ，可以 通过单独按剃头部形状来往予嚣形状矩形化，也可以通过单独控制边部形状寐使 平面形状矩形化，因为在控制头部形状( 或边部形状) 时，相应的边部形状( 或 头鄢形状) 嗣嚣王褥到控裁。当然还爵馥按一定弱跪倒溺时控镶头部影状黟边部 形状，但这时无法准确计算施加一种控制后最终的平面形状，因此也就无法准确 实施第二稀控制方法。本文只讨论单独实施头部形状控制和边部形状箍箭的m a s 轧制方法。1 3 l j 为控制边部形状，在成形轧制最后道次进行交厚度轧制，便此时轧件头尾部 分麴厚度变恁，爝予 缮最终戆透部黪装，这选魏是藏澎m a s 魏到法。当边部 形状为凹形形状时( 图i - 6 中f 3 所示) ，应该在成形轧制最后道次轧制出头尾薄、 中溺厚的鞔件，鲡器l ，8 汹繇示：蚤边部形竣为凸澎形羧藉亨( 鹫1 - 6 中l 所示) ， 东花走学硕士学位论文 绪言 应该在残形乾裁最磊道次巍黟出头尾攫、中溺薄羲l 臀，麴鹜1 - 8 甄示。吴体 的厚度变化函数可以按体积不变原理推导如下。 ( a ) 避鄱凹彤时( b ) 边部凸形时 图t - 8 成形m a s 轧制法厚度变化示意凰 f i g1 - 8h e i g h ta d j u s t m e n to fs i z i n gm a sr o l l i n g 设成形轧制最后道次头部厚度变化函数为拙( x ) 。当边部形状为凹影时，剡 变化厚度部分的体积应等于最终轧件边部不良形状区域的体积v d ，即 h ，r g ( x ) f d x zi l s 1 2 w 。a h ( x ) d x ( 1 - - 1 4 ) 出于最终辜l 牛妁长度为成形轧割最毒l 孛长度匏繇倍，数 h 。r o ( r f x ) f d x = j l o s 2 w 。a h ( x ) d x0 - - 1 5 ) 去掉积分，得 h ( x ) = 警0 - - 1 6 ) 警边部形状为凸形形状时，姗变化厚度郝分的体积应等于最终轧件边部不良 形状区域熬 舍体积v 3 ，即 h ，r 陬净，一g ( x ) ，) d x = f k s i 2 w s h ( x ) d x( 1 一1 7 ) 如于最终轧传抟长度为或形轧割嚣轧传长度的锫，故 h 。( g ( 净，一g ( 即) ，j d x = f 0 l s 2 w 。a h ( x ) d x ( 1 1 8 ) 东藕走学硕士学位论文 l 绪言 去掉积分，褥 h ( x ) = h 。g 一( l r 2 ) f 玎- g 一( r f x h ( 1 1 9 ) 为控制头部形状，应该在展宽轧制最后道次进行变厚度轧制，使此时轧件边 部露度交亿，鼋予斡偿疆终翁头部形状，这也藏惫震宽m a s 辘割法。当头部形 状为凹形形状时( 图1 - 6 中f l 所示) ，应该在展宽轧制最后遒次轧制出两边簿、 中间厚的轧件，如图1 - 9 ( a ) 所示；当头部形状为凸形形状时( 图1 - 6 中f 3 所示) ， 应该在展宽轧制最后道次轧制如两边厚、中间薄的轧件，如图1 - 9 ) 艇示。具体 的厚度变化函数可以按体积不变原理推导如下。 ( a ) 汰部凹形对( b ) 头部凸形封 图t - 9 展宽m a s 轧制法洋度变化示意豳 f i g 1 - 9h e i g h ta d j u s t m e n t o f b r o a d s i d em a sr o l l i n g 设展宽轧制最后道次边部厚度交化的函数为a h ( y ) ，当头部形状为韶形形状 喇，则变化厚度部分的体积应等于最终轧传头部不良形状区域的体积v ；，肆 h ，r ”f ( y ) 。d y = r ”l 。h h ( y ) d y ( 1 - 2 0 ) 目前述分析中的假设，可认为w _ = 殍名，则去掉积分，得 ah ( y ) ：垃￥止( i - 2 1 ) 上一b 当头部形状为凸形形状对，则交化厚度部分的体积廉等于最终轧件头部不良 形状区域的补合体积v ，即 h ，州畴卜嘲，d y = r f z l e h h 渊y ( 1 - 2 2 ) 去掉积分，缮 东北大学硕士学位论文 绪言 h ( y ) 也巡学( 1 - - 2 3 ) 1 2 4 5 薄边展宽轧制法 薄边展宽轧制法也称差厚展宽轧制法，是日本川崎制铁公司干叶厚板厂采用 的平面形状控制技术。 该技术是将展宽轧制后的不均匀变形量折算成轧辊水平倾斜的角度，在展宽 轧制后，紧接着倾斜轧棍，追加两道次变形，对板坯的两端进行轧制，使薄边展 宽轧制后的板坯形状接近矩形，以消除成型轧制与展宽轧制阶段不均匀变形而形 成的头尾凸形。然后将轧件旋转9 0 度，延伸轧制为平面形状较好的成品钢板。 1 2 4 6 立辊轧边法及辅助立辊轧制法 立辊轧边法控制平面形状的过程利用立辊的侧压来消除边部的局部展宽和端 部的不均匀变形。同时对钢板的厚度进行控制，以生产出齐边钢板。 辅助立辊： l s j j 法是日本新同铁名古屋厚板厂开发的新技术，该技术在采用 m a s 轧制法的基础上，辅之以立辊轧边，结果即控制了平面形状，又使钢板齐边， 从而使名古屋厚板厂的成材率提高3 ，达到9 6 8 ，这一指标是世界上厚板成材 率的最高指标。 除了上面介绍的几种平面形状控制方法外，还有部分润滑法、角轧法、变坯 料断面法、成型压下量控制法，以及用于原料为钢锭的咬入返回轧制法和留尾轧 制法等，在此就不一一列举了。口5 1 2 5 轧制过程中的纵向变形一前滑和后滑 1 2 5 1 轧制过程中的前滑和后滑现象 实践证明，在轧制过程中轧件在高度方向受到压缩的金属，一部分向纵向流 动，使轧件形成延伸，而另一部分金属向横向流动，使轧件形成宽展。轧件的延 伸是由于被压下金属向轧辊入1 ：3 和出口两个方向流动的结果。在轧制过程中，轧 件出口速度v h 大于轧辊在该处的线速度v ，即v h v 的现象称为前滑现象。而轧 件进入轧辊的速度v h 小于轧辊在该处线速度v 的水平分量v - c 0 sc x 的现象称为 后滑现象。在轧制理论中，通常将轧件出口速度v h 与对应点的轧辊圆周速度的线 速度之差与轧辊圆周速度的线速度之比值称为前滑值。即 sh = 二l 1 0 0 r 1 2 4 1 东北大学碳士学位论文 1 绪言 式中s h ：薅浮壤； v h ：在轧辊出口处轧件的速度； v ：霉l 辊的圆周速度。 同样，后滑值是t r g l 件入口断丽轧件的速度与轧辊在该点处圆蒯速度的水平 分遴褒之罄曩乾辘强弱速疫隶平分逮凌之范莛来凌示，g ： sh=譬警100(1-25)cos v -程 式中s h ：后滑值。 逛可邋过实验方法戡出翦潺毽。姆式( 1 - - 2 4 ) 中的分子彝分母分爨蚤基豢以 轧制时间t ，则得到 沁k 半 | zl 。 ) ij - 、 f vx ( 1 2 6 ) 豳l l o 用刻痕法计算前滑 f i g1 一1 0 c a l c u l a t e t h e f o r w a r ds l i d e w i t hs c o t c h i n ga p p r o a c h 事先在轧辊表面上刻出躐离为h 的两个小坑，在g l n 后，轧件的表煎上出 现距离为l b 的两个凸融。测出尺寸用公式( 1 - - 2 6 ) 则能计算出轧制时的前滑值。 出于实 翼 | 出豹钱 孛足寸为冷尺寸，赦必须麓下露公式换簿藏热尺寸l ： h = l h u + a ( t l t 2 ) j( 1 - - 2 7 ) 式中l h ：轧件冷却后测得的尺寸；a ：膨胀系数( 见表1 。1 1 ) t l ，t 2 ：鞋锌辜0 翎辩躲湿度帮瓣豢辩豹瀣凄。 东北夭学硕士学位论文1 绪言 袭i 1 i 碳钢的热膨胀系数 t a b l et - 1 1t h eh e a te x p a n dc o e f f i c i e n t o f c a f b o n i z a t i o ns t e e l 潲度膨胀系数n 1 0 4 膝孑 1 5 2 0 1 3 3 1 7 5 1 3 5 1 70 爨蘩潺髑后溪作为缎囊变形考虑对媛，霉要讨论如下： 按秒流量相等的条件，则： f h v h = f h v h 戢v ”= 妾v n = 昔( 1 - - 2 8 ) 将式l(i-38) 故上式括号中之1 可以忽略不计时，则该式又变为： s = 孚f d ( 1 - - 3 9 ) 就邵为得童磁顿公式。站式掰反漱豹避数关系式与式( 1 - - 3 9 ) 是一致的。这 蛰都楚在不考虑宽展辩求蓊辩值黪近襁公式。当存在宽展时，实踩繇德的翦潜馥 东北大学硕士学位论文 1 绪言 将小于上述公式所算得的结果。在一般生产条件下，前滑值波动在2 - 1 0 之间， 但某些特殊情况也超出此范围的。 1 2 5 3 影响前滑的因素 很多实验研究和生产实践表明，影响前滑的因素很多。但总的来说主要有以 下几个因素：压下率，轧件厚度，摩擦系数，轧辊直径，前、后张力，孔型形状 等等，凡是影响这些因素的参数都将影响前滑值的变化。下面分别讨论： 1 ) 压下率对前滑的影响 前滑随着压下率的增加而增加，其原因是由于高向压缩变形增加，纵向和横 向变形都增加，因而前滑值s h 增加。 2 ) 轧件厚度对前滑的影响 轧后轧件厚度h 减小时前滑增加。因为由公式( 1 - - 3 9 ) 可知，当轧辊半径r 和中性角y 不变时，轧件厚度h 减小，则前滑值s h 增加。 3 ) 轧件宽度对前滑值的影响 在实验条件下，轧件宽度小于4 0 m m 时，随宽度增加前滑也增加；但当轧件 宽度大于4 0 r a m 时，宽度再增加时，其前滑值则为一定值。这是因为轧件宽度小 时，增加宽度其相应地横向阻力增加，所以宽展减小，相应地延伸增加，所以前 滑也因之增加。当大于一定值时，达到平面变形条件，轧件宽度对宽展不起作用， 故轧件宽度再增加，宽展为一定值，延伸为定值，所以前滑值也不变。 4 1 轧辊直径对前滑的影响 从芬克的前滑公式可以看出，前滑值是随辊径增加而增加的，这因为在其他 条件相同下，当辊径增加时，咬入角n 就要降低，而摩擦角b 保持常数，所以稳 定轧制阶段的剩余摩擦力相应地就增加，由此将导致金属塑性流动速度的增加， 也就是前滑的增加。但应当指出，当辊径d m 4 0 0 m m 时，前滑值随辊径的增加而 增加的较快，而当辊径d 4 0 0 m m 时，静滑增加的较慢，这是由于辊径增大时， 伴随着轧辊线速度的增加，摩擦系数相应降低，所以剩余摩擦力数值有所减少： 另外，当辊径增大时，变形区长度增加，纵向阻力增加，延伸相应地减少，这两 个因素的共同作用，使前滑值增加的较为缓慢。 5 ) 摩擦系数对前滑的影响 实验证明，在压下量及其它工艺参数相同的条件下，摩擦系数f 越大，其前 滑值越大。这是由于摩擦系数增大引起剩余摩擦力增加，从而前滑增大。利用前 滑公式同样可以证明摩擦系数对前滑的影响，由该公式看出摩擦系数将导致中性 角y