（材料加工工程专业论文）棒状激光热轧板材板形检测方法试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 棒状激光热轧板材板形检测方法试验研究 专业：材料加工工程 硕士牛：张兵 指导教师：王快社副教授 摘要 随着热轧板材厚度越来越薄，其在汽车制造、家用电器、集装箱、涂层板、优质焊 管、镀锌板和建筑工业等方面获得了广泛应用，热轧薄板材在部分制造业替代传统的冷 轧板材已成为一种发展趋势。 板形是热轧薄板材的一项重要质量指标，后续加工工业，对热轧板材的板形质量要 求越来越高。本文在深入研究现有板形检测方法的基础上，提出的棒状激光热轧板材板 形检测方法，详细介绍了该检测方法的检测原理和特点。并在研制开发的实验装置上进 行了热轧板材板形检测模拟试验研究，结果表明： 1 棒状激光热轧板材板形检测方法可以减小热轧板材因振动、漂浮和横向移动所引 起的测量误差，可准确测量热轧板材板形。 2 由线阵c c d 摄像机采集的线形光斑图像经数字图像处理程序处理后得出的热轧板 材板形缺陷与真实板形缺陷吻合良好。 3 本检测方法的实测结果与剖条试验的结果对比，板形指数差值5 o l 单位，可完 全满足热轧板材板形在线实时检测的精度要求。 4 该检测方法新颖，设备结构简单，具有较高的推广应用价值。 由于该板形检测方法能够减少热轧板材生产环境恶劣及高温、水蒸气等因素对板形 测量的影响，因此，该板材板形检测装置易于移植到实际生产现场进行在线板形检测。 关键词：棒状激光热轧板材板形检测试验研究 西安建筑科技大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo ns t i c ks h a p el a s e rs h a p ep r o f d ed e t e c t i o n o fh o tr o m n g s t r i ps t e e l s p e c i a l t y ： m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ： z h a n gb i n g i n s t r u c t o r ：w a n gk u a i s h e a b s t r a c t w i 也t h em o r ea n dm o r et h i nt h i c k n e s so fh o tr o l l i n gs t r i ps h e e t t h eh o tr o l l i n gs t r i p s h e e th a v eb e e nw i d e l yu s e di na u t of a b r i c a t i o n ，h o u s e h o l da p p l i a n c e ，c o n t a i n e r , p a i n ts h e e t ， h i g hq u a l i t yw e l d - p i p e ，g a l v a n i z a t i o ns h e e t ，c o n s t r u c t i o ni n d u s t r ya n ds oo n a n di tb e c o m e sa t r e n dt or e p l a c et r a d i t i o n a lc o l dr o l l i n gs t r i ps h e e tw i t hh o tr o l l i n go n ei ns o m ei n d u s t r ya r e a s h a p ep r o f i l ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tq u a l i t yi n d e x e sf o rh o tr o l l i n gt h i ns t r i ps t e e l ， w h i c hg e tm o r ea n dm o r ec o n c e m sf o r mt h ef o l l o w - u pi n d u s t r y t h i sp a p e r , w h i c hb a s eo nt h e d e e pi n v e s t i g a t i o na n ds t u d yo ft h ee x i s ts h o ep r o f i l ed e t e c t i o nm e t h o d s ，p u t sf o r w a r da m e t h o du s i n gs t i c ks h o el a s e rt od e t e c th o tr o l l i n gs t r i ps h e e ts h o ep r o f i l em a dd e t a i li t s d e t e c t i o np r i n c i p l ea n ds p e c i a l t y a n dt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld e v i c ed e v e l o p e db yt h ew r i t e r t h er e s u l t sa sf o l l o w ： 1 t h ee r r o rm a d eb yv i b r a t i o n f l o t a t i o na n dl a t e r a lo s c i l l a t i o ni sd i m i n i s h e dw i t l lt h i s m e t h o d 2 t h es h a p ep r o f i l ed e f e c to fh o tr o l l i n gs t r i ps h e e td i 酏a lh a n d m gf r o ml i n e a rf a c u l a r c a p t u r e db yt h ec c d c a m e r aw e l lt a l l i e sw i t lt h er e a ls h a p ep r o f i l e 3 t h ec o n t r a s tb e t w e e nd e t e c t i n gr e s u l ta n dc u t a w a ya n a l y z es h o w st h a ts h a p ep r o f i l e d i f f e r e n c ev a l u ei sn om o r et h a n5 o i w h i c hc a nf u l l ym e e tt h er e a l - t i m ep r e c i s i o no fo n l i n e d e t e c t i o n 4 t h i so r i g i n a ld e t e c t i o nm e t h o dr e q u e s ts i m p l ed e v i s eh a v eag r e a t p o t e n t i a lt o p o p u l a r i z ei t 。 t h cm e t h o dp u t t e df o r w a r di nt h i sp a p e rc a nd e c r e a s et h ei n f l u e n c e c a u s e db yt h eb a d e n v i r o n m e n t ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dw a t e rv 印o ri nt h eh o tr o l l i n gs t r i ps h e e pp r o d u c tl i n e ，o n s h a p ep r o f i l ed e t e c t i o n s ot h i ss h a p ep r o f i l ed e t e c t i o nd e v i c ec a ne a s i l yt r a n s p l a n tt oa c t u a l 西安建筑科技大学硕士学位论文 p r o d u c tf i e l df o rt h es h a p ep r o f i l ed e t e c t i n g k e y w o r d s ：s t i c ks h a p el a s e r ；h o tr o l l i n gs t r i p es t e e l ；s h a p ep r o f i l ed e t e c t i o n ；e x p e r i m e n t a l s t u d y 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特n i l 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过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其他单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作过的 同志对本研究所作的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致 谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 缎多、 日期：抄，j ；2 夕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、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、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：张舅、导师签名：主1 毫孔日期：a r ；。尸 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 热轧薄板材的发展及生产现状 随着科学技术的进步，金属加工工业正向高速度、高精度和自动化方向发展，要求 原材料化学成分均匀、机械性能一致、尺寸公差小、表面质量好。只有这样爿嘈发挥自 动化作业线生产稳定、材料利用率高、产品一致性好、成本低的优势。热轧薄板材作为 一种主要的机械和汽车制造业原料，其生产规模在日益扩大的同时，质量也受到了越来 越多的关注。 随着薄板坯连铸连轧工艺技术的不断发展，热轧薄板材产能日益增大。热轧薄板材 作为高附加值的钢材品种，在市场上有着很好的应用前景，如在汽车制造、家用电器、 集装箱、涂层扳、优质焊管、镀锌板和建筑工业等方面上，热车l 薄板材和超薄板材替代 传统的冷轧板材，已经得到了广泛的推广应用，发展前景广阔。目前，热轧板带产品的 规格已达到0 8 m m 1 2 m m ，未来有可能生产出厚度为0 6 彻一0 8 m m 的特薄规格热轧板材。 因此，在某些应用领域“热轧薄板材”代替“冷轧板材”已成为一种发展趋势“。 以“热”代“冷”在市场上拥有明显的价格优势。客户购买冷轧板材主要是看中其 产品尺寸精度和质量，如果热轧板材产品质量满足使用要求时自然会选择热轧板材产 品。据资料显示”1 ，在欧洲市场上，1 2 1 3 n u n 厚热轧薄板材售价比同等类型冷轧板材 低8 0 1 2 0 5 t 。在美国，3 0 4 0 的冷轧板材产品市场已被热轧板材产品所占领。未来 极薄热轧板材可以覆盖6 0 以上的冷轧板材潜在市场。所以热轧薄板材产品对客户有很 大的吸引力。 近几年来，大批薄板坯连铸连轧生产线在世界各地纷纷建成，显示出该技术在短流 程钢厂中是成功的，它具有多种技术和效益上的优势，将促进传统流程的产品结构优化， 大大提高经济效益。薄板坯连铸连轧技术的出现、成功，及其走向成熟，在我国产生巨 大的反响。我国许多研究单位、高校和企业联合攻关，投入了大量的人力、物力、资金 进行该技术的引进、吸收、消化工作。目前，我国在宝钢、珠江钢，。、邯钢、包钢等钢 厂己建成薄板坯连铸连轧生产线，以生产0 8 1 8 m m 热轧薄板材为主，并获得显著的 经济效益。然而，在产品质量主要表现在板形、尺寸精度和表面质量方面还存在有不少 问题，需要采取措施进一步提高和完善 4 - 8 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 板形检测的必要性 板形是热轧薄板材的一项重要质量指标，随着金属加工f 业自动化生产线的发展， 对热轧薄板材的板形质量要求越来越高。由于国内生产的热轧薄板材质量特别是板形质 量尚不能很好满足用户需要，所以，方面热轧板材销路不畅，另一方面又必须进口部 分板材以满足加工工业的急需。尤其是我国加入w t o 之后，市场竞争压力越来越大，面 对这种严峻的形势，迫使国内各主要热轧板材生产厂进一步改进工艺，引进新技术、新 设备，以提高轧机板形控制能力。目前，轧制生产过程中液压自动控制( a g c ) 技术的完 善，使彳寻热轧板材的纵向厚度尺寸精度越来越高，为了进一步提高产品质量，板形问题 就变得r 益突出”。 对板材板形的研究至今己有半个世纪的历史，虽然研究人员在冷轧板材板形的理 论、控制、检测方面做了大量的工作，也取得了一定地成果，但在热轧板材板形控制、 检测方面进展缓慢，其结果仍然不尽如人意。这主要是因为影响热轧板材板形的因素非 常多，而且各种因素之间具有很大的耦合关系，这期间虽有各种新技术、新设备不断涌 现，但都不能达到有效的板形检测和控制效果。 板形控制是依据板形控制系统的指令进行工作的，板形控制系统只有将可靠的在线 板形信息进行合理的处理，才能发出正确的指令控制其执行机构工作。这些在线的板形 信息，就要靠板形检测装置提供。所以，板形检测是实现板形自动控制的重要前提之一。 1 3 本课题研究的目的和意义 本课题的来源：省教育厅基金项目“板形检测新技术和新理论研究”。热轧板材板 形检测是热轧板材生产中的一项关键技术，也是当前国内外的研究热点。任何规格的热 轧薄板材，其板形不可能完美无缺。在高质量热轧薄板材生产中，如何把板形畸变降低 到最小程度，以保证产品具有良好的板形是高质量热轧薄板材生产中的主要目标之一。 板形检测是板形控制的重要前提，也是一个比较困难的问题。多方面的原因造成了 这种困难。板形本身受到许多因素的影响，板形缺陷又有各种复杂的表现形式，这就给 精确板形检测带来了困难。特别是在实行张力轧制时，因张力的作用，往往会将某些板 形缺陷掩盖起来，揭露这些潜在板形缺陷是比较棘手的问题。在热轧薄板材生产中轧机 的操作环境十分恶劣，剧烈的振动、水、油、灰尘等介质的侵入，往往会降低检测精度 甚至损坏板形检测装置。 由于实际生产的迫切需要和板形改善所带来的巨大经济效益，板形检测技术的研究 受到了世界上许多研究机构和生产厂家的广泛重视。国外关于板形检测的研究和应用始 于上世纪六十年代，我国开展研究的时间不长。因此，我国原有的许多生产厂家普遍缺 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 乏板形检测、板形控制和调整手段。尽管我国从产量上已经是个钢铁大国，但由钢铁产 品的品种和产品质量与国外发达国家有很大差距，每年由于板形不良造成的经济损失十 分严重。所以，解决我国热轧薄板材生产中的板形检测问题是一项具有藿大经济意义和 显著社会效益的课题。 近年来，国内一些厂家开始了热轧薄板材的生产，所使用的设备和技术都是由国外 成套引进的，尽快消化和吸收这些先进的技术和轧制设备是提高我国自主开发热轧薄板 材轧制设备的一条重要途径。高精度板形检测与轧制过程板形的自动控制是热轧薄板材 轧制设备的关键技术。而热轧薄板材板形检测技术是上述关键技术中的关键技术，其研 制和开发对提高我国热轧薄板材生产设备的自主开发和研制具有重要意义。本课题研究 的热轧薄板材板形检测装置就是在这样的背景之下确定的。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 国内外板形检测方法与装置的研究现状 2 1 板形及有关板形的基本概念 2 1 1 板形 所谓板形( s h a p e ) ，从直观上来讲是指板材的翘曲程度；而就其实质而言，是指板材 内部残余应力的分布。 轧制过程实质上是金属在旋转的弹性体轧辊作用下发生塑性变形的物理过程，一定 断面形状的坯料经过轧制发生明显的纵向延伸和一定的横向流动，最终成为一定尺寸和 形状的产品。为了板材横向各部位不产生波浪和瓢曲，板材轧制对变形过程有一个主要 的要求，即沿板材宽度方向上各部分有均匀分布的纵向延伸。否则就会使板材内部产生 分布不均匀的内应力，当这个内应力足够大时，就会引起明显的板形翘曲。因此，尽量 使这种变形不均限制在小的范围内，以防止板材的翘曲，就是板形控制( s h a p ec o n t r 0 1 ) 的任务o 。 a c e g 外形延伸分布外形延伸分布 f j 严。一丽一酽。 7 l 一一、 l 二p 阢7 _ 唧面r j 。p 厂赢 十寸fd 十寸￥ 凸凸凸凸凸l k i 。n 。n n 。i2 出 e 5 ，。杠f 匝丽固l 率- 赢 t ：= 。：j5 皓巨至堕至j5 讳 r 一 lnnnj| r b l 。 一旷弋，1 j j 叫一翕l e 尹 i 。_ | a 一侧弯：b 一中波；c 一边波；d 一侧边波；e 一近边波；f 一复台波；g 一中心波 图2 1 板形缺陷的种类 板材中存在有残余的内应力，就有可能导致板形不良。依据该内应力的大小可把板 形分为“表观的”板形不良和“潜在的”板形不良。如果浚内应力足够大，以致于引起 板材翘曲，则称为“表观的”板形不良：如果这个内应力存在，但不致于引起板材翘曲， 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 则称为“潜在的”板形不良。“表观的”板形不良和“潜在的”板形不良是与板材的环 境条件有关的。在一定的条件下“表观的”板形不良可转化为“潜在的”板形不良，而 “潜在的”板形不良也可转化为“表观的”板形不良。如板材在一定的张力作用f 有时 并未发生翘曲，去除张力后，发生明显的翘曲，这就是潜在的板形不良转化为表观的板 形不良一种实际例子。 板材中内应力的分布规律不同，它所引起的板材翘曲形式也不同。所以，可以根据 板材内应力的分布规律及板材的翘曲情况，将板形缺陷分为不同类型，如图2 1 所示。 2 1 2 板材翘曲的力学条件 由弹性力学的可知，板材发生翘曲的力学条件为9 “3 ： 铲k c r 焉唁h ) 2 ，( 7 - o e r ( 2 i1 ) 式中：吼。一板材发生翘曲的临界应力； o 一板材的内应力； b 一板材宽度； h 一板材厚度； e 。一板材材料的杨氏模量； v 。一板材材料的泊松比； k 。一板材翘曲临界应力系数。 上式反映了板材的厚度比h b 、板材发生翘曲的临界应力系数k 。，等对板材发生翘 曲的临界应力a 。的影响。板材发生翘曲的临界应力系数k 。，取决于应力分布特征及板材 边部支撑条件。 一些研究结果指出：对于冷轧板材，在产生边波时k 。，一1 2 6 ，产生中波时k o r m l 7 0 。 对热轧薄板材产生边波时k c r 一1 4 ，产生中波时k 。，一2 0 。根据应力分布特征及板材边部 支撑条件确定了k 。，和后，即可用上式分析板材的翘曲情况”1 。 2 1 3 常用的板形表示方法 定量的表示板形，既是生产中衡量板形质量的需要，也是研究板形问题和实现板形 自动控制的前提条件。因此，人们依据各自不同的研究角度及不同的板形控制思想，采 取不同的方式定量地描述板形。常用的板形表示方法有以下几种抽1 ： a 板形的相对长度差表示法 将板材按要求沿纵向剖分成若干窄条并辅平，如图 2 2 所示，由于纵向各点内应力的不同，可以清楚地看出横向各点的不同延伸。取横向 西安建筑科技大学硕士学位论文 上不同点的纵向相对长度差等来表示板形，其中i ，是所耿两基准点的轧后长度，l 是 各点相对基准点的轧后长度差。纵向相对长度差也称板形指数p ，表示为： p ：_ a l ( 2 2 ) p 2 t ( 2 - 2 加拿大铝公司取板材纵向最长和最短窄条之间的相对长度差作为板形单位，称为i 单位。- 4 - i 单位相当于相对长度差为t o 一，所以板形。表示为： 。= 1 0 5 竽 ( 2 3 ) 图2 2 翘曲板材( a ) 及其分割( b ) b 波形表示法在翘曲的板材上测量相对长度来求出相对长度差有时很不方便， 所以人们采用更为直观的方法，即以翘曲波形来表示板形，称为翘曲度。 将板材切取段置于标准平台之上，如将其最短纵条视为一直线，最长纵条视为正 弦波，如图2 3 所示，可将板材的翘曲度九表示为 五：坠1 0 0 ( 2 4 ) l 。 式中：r 。一波幅； l ，一波长。 这种方法直观，易于测量。设在图2 3 中与l v 的直线部分相对应的曲线部分长为 l 。+ l 。，并认为其曲线按正弦规律变化，则可用积分求出曲线部分长度l 。+ l ，则 曲线部分和直线部分的相对长度差可表示为： 生：! 查蔓：生磐( 2 5 ) l 。( 2 l ，) 2 4 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 此式表明板材波形可作为相对长度差的代替量，只要测出板材的翘曲度就可求出其 相对长度差。 图2 3 e ：弦波的波形曲线 c 矢量表示法设有某控制系统，当其设定值变化为l 时板材中心点c ，半宽中 b 点q 及边点e 处厚度变化为a 。，a 。，a 。 则 定义矢量 图2 4 矢量表示法简图 上式中：x 。，x 。，x e 分别为板材的中点，半宽中点及边点的坐标。根据矢量所在的象 限就可以表示出板形的变化趋势及变化的剧烈程度，如图2 4 所示。该表示法多用于板 形自动控制系统的研究中。 d 张应力差表示法在张力作用下的板材，其横截面上分布的应力 j ( z ) = 瓯+ a s ( z ) = 瓯+ e s ( z ) ( 2 7 ) 式中：瓯一外张力引起的应力： j ( z ) 无张力作用时的残余应力差； g ( z ) 一纵条的相对长度差。 由式2 7 可知，残余应力差占( z ) 与相对长度差a s ( z ) 成比例，这样板形的好坏就 可以通过测量张应力差a s ( z ) 来获得。在实际生产中，在翘曲的板材上求出相对长度， 然后算出相对长度差是很不方便的，尤其对板材的在线检测儿乎就是不可能的。而张力 差表示法给板形的在线检测提供了可能。它不仅可以表示出“表观”的板形，还可以表 7 冀 u 冀一 k 西安建筑科技大学硕士学位论文 示出“潜在”的板形。当残余应力a s ( z ) 大于板材发生翘曲的临界应力时，板材发生翘 曲，出现“表观的板形不良”：当a f ( x ) 小于临界应力时板材为“潜在的板形不良”。 e 厚度相对变化表示法这是一种比较简单的表示方法，它以板材边部和中心两 点厚度相对变化量来表示板形变化，其板形参数s 。表示为： s 。：当一当 ( 2 8 ) n c n e 式中： 6 。、6 。一板材中心和边部厚度的绝对变化量； h 。、h 。一板材中心和边部的厚度。 当s 。= o 时，说明板材板形没有变化；当s 。 o 时，则说明板材向边波方向变化； 当s h o 时，则说明板材向中波方向变化。 除以上五种常用的板形表示方法外，表示板形的方法还有板材断面形状的多项式表 示法等。 2 1 4 保持板形良好的条件 以前人们认为板材轧制时，如果延伸率沿板材宽度处处相同，此时所识别的板材板 形就是良好的，用公式。3 表示即： 由此可得： 墅：五：c o n s t h ( y ) 盟：坐 ( 2 9 ) hh 式中h 厂来料中部厚度与边部厚度之差； h 厂轧后产品中部厚度与边部厚度之差； h 一来料平均厚度； h 一轧后产品平均厚度。 尽管上述条件具有简洁的特点，但它是比较粗略的。上面的公式除了没有考虑到来 料板形的影响以外，主要是没有考虑金属在变形区内的横向流动。 l s j j 时金属在横向各 个部位的宽度变形量是很不均匀的，它直接影响延伸率的变化。如等厚的来料轧制凸形 时，实际测定表明，边部的波浪并没有按不考虑宽展预计的那么大，因为边部有一部分 金属向外流动。因此，必须考虑金属横向流动才能正确进行板形分析。 在来料和轧后产品的断面上，分别取出y 宽度进行分析，由体积不变定律有： h ( y ) l ( y 1 y _ h ( y ) 1 1 + 旦掣a y ( 2 1 0 ) 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 式中1 3 ( y ) 一变形区出口金属的横向流动： h ( y ) 一来料厚度； h ( y ) 对应的轧前厚度； l ，( y ) 一轧前厚度； l ( y ) 一轧后对应长度。 上式两边取增量可得： h ( y ) a l ( y ) + l ( y ) a h ( y ) = 【h ( y ) ( y ) + z ( y ) h ( y ) 】d + u ( y ) 】+ h ( y ) z ( y ) u ( y ) ( 2 11 ) 由上两式整理可得： 垒塑：些盟+ a h ( y ) a h ( y ) 型塑( 2 1 2 ) g ( y )l ( ”h ( y ) h ( y )1 + u ( y ) 一般只计算中部和边部之羞，故 ) 、l ( y ) 、h ( y ) 、h ( y ) 用平均值近似代替，而u ( y ) 沿板宽的平均值很小，于是可得： 等= 半+ 些h 一坐h 删) + u 倒 ( 21 3 ) 孽l 、 k2j 保持板材平直度的条件是垒；o 或掣：o 故得： g 坐h = 生l + 些h _ u f ( o ) 川 ( 2 1 4 ) 、7 i2j 或 _ a h ：竽+ 等一a h i 【y ) ( 2 1 5 ) 1 5 )或 i 2 了+ 百一【y ) ( 2 上面所推出的板形良好公式既考虑了来料的板形，又考虑了金属的横向流动，从原 理上更加合理与精确。 板形控制主要是控制出口的横向厚度差h 。，使它满足板形平直条件。 板形和横向厚差虽然是两个不同的概念，但互相是有联系的。由给出的公式可以看 出：板形良好，横向厚差h 。不一定很小，它决定于来料横向厚差h 。的大小；另一方 面，只要保持板形良好，横向厚差总比来料的h u 小( h h ) 。因此，只要对来料横向厚 差提出一定的板形要求，按板形厚差就可以缩小横向厚差，保证两方面都满足要求。 2 2 国内外板形检测方法与装置研究现状 2 21 概述 随着薄板坯连铸连轧技术的飞速发展，热轧板材产品规格愈来愈薄，且有朝着更薄 规格方向发展的趋势。在汽车制造、家用电器、集装箱、涂层板、镀锌板和建筑工业上， 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 热轧薄板材和超薄板材替代传统的冷轧板材，已经得到了广泛的推广应用。目前，热轧 板材产品的规格已达到0 8 一1 2 m l ，未来有可能生产出厚度为0 6 m m 一0 8 m m 的特薄舰 格的热轧板材。板形是热轧薄板材轧制过程中的一个重要控制指标，直接影响和决定产 品的最终质量，因此，热轧板材板形检测技术在板材轧制生产过程中占有非常重要的地 位”。 没有准确的轧制过程中在线板形检测和合理的数据处理，就无法实现轧制过程中的 板形自动控制，因此，实现合理可靠的板形在线检测是实现板形自动控制和人工调节的 重要前提之一，轧制过程中对板形检测装置的要求主要有： 1 高精度和高响应特性，凰l 它必须能如实地反映板材的真实板形状况，操作系统提 供及时可靠的在线板形信息； 2 良好的适应性，即它可用于测量不同材质、不同规格的板材产品，在轧制过程中 可长时间可靠工作而不发生故障或降低精度； 3 检测过程中的安全性，要求对所检测的板材产品不造成任何损伤； 4 检测设备具有安装方便、易于维护的特点； 5 检测及后续信号处理的实时性，要满足轧制速度下的控制系统要求。 由于生产的迫切需要和板形改善所带来的经济效益提高，促进了板形检测方法的发 展。从上世纪六十年代开始，各国都投入了相当的人力物力，对板形检测方法及装置的 开发研究做了大量工作。研制出了多种板形检测方法和装置，且多数已经用于生产实践， 并收到了良好的效果。 r 应摭- et z 十4 , 辅点l ! i l 触t l 厂_ 应力法 lr一非撬触 i厂光学方法 卜激光苴尔法 l 几何法+ 涡电流测距法l 激光截面法 图2 5 板形检测方法分类 板形检测装置形式繁多，按板材与板形检测装置的位置关系，可分为接触式板形检 测装置和非接触式板形检测装置两类。还可以按照其工作原理分为几何测量法( 以测量 波浪长及高度为检测i q 容) 和应力测量法( 以测量板材张应力分布为检测内容) ”。板形 捡测方法的详细分类如图2 5 所示。 平直厦瓤置法 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 22 国内外板形检测方法与装置的研究现状 板形检测方法繁多，几乎所有能够反映板材板形质量的物理量都被尝试用于板形检 测方法的研究。如张力计法、测距法、电磁法、测振法、光学法、测厚法、测温法等。 冷轧板材一般是在大张力f 的轧制，车l sj 温度较低，生产环境好，通常采用测量张应力 的接触式测量装置。而热轧板材由于与冷轧板材生产工艺和环境不同，一般在微张力下 轧制，板材的振动、漂浮、横向移动和高温对接触式板形检测装置产生的干扰较大，通 常采用非接触式检测装置测量板形”“。目f j 仃常见的板形检测装置有： a 接触式板形检测装置这类板形检测装置主要是采用辊式测张应力法，即利用 检测辊测定板材各点的张应力分布。其理论基础是：当板材的各部分都处在外张应力作 用下时，板材的波浪度可表示为： _ a l ：等 ( 2 1 6 ) le 式中：l 一相邻点纵向窄条间的相对延伸差； l 一板材的基准长度； g 一沿板材横向各点张应力的变化； e 一板材纵向弹性模量。 即板材沿宽度方向上各点的纵向张应力变化和相对延伸率成正比，利用应力计测得 g 值的横向分布，即可测量板材的板形。 接触式板形检测装置具有检测信号直接，信号处理比较容易保真的特点，测量精度 高，最高可达0 5 i 单位等优点。但其造价高，备件昂贵；辊面磨损后必须重磨，否则 会划伤板材表面，重磨后需进行技术要求很高的重新标定。典型的有瑞典a b b 公司的分 段辊式、英国d a v y 公司的空气轴承式、川崎制铁改进的空气轴承式、西德豪斯( h o e s c h ) 的活套支撑器式等根据横向测张法研制的板形检测装置和美阪、握蕨、普让克等研制的 根据测定纵向应力分布确定板型的检测装置。 ( 1 ) 瑞典a b b 公司的分段检测辊式板形仪阳1该板形检测装置是最早出现的板形 仪之一。其是输出信号大、过载能力强、寿命长、抗干扰性能好、结构简单及测量精度 高。它的不足之处是引出检测信号的水银滑环多，且容易对板材表面造成损伤。 其装置结构如图2 。6 所示，它由分割辊、滑环装置、光电装置、电子设备、显示设备 组成，滑环装置用于将检测到的正压力信号从分害辊中引出并送到电子设备，后者对所 得的信号进行处理后，给出张应力分布a c t ( z ) ，并在显示装置上显示出来。 西安建筑科技大学硕7l 学位论文 1 一支撑辊，2 一工作辊3 一板材4 一组台辊，5 一滑环，6 一光电装置，7 一屯子设备8 一显示装置 图2 6 组台辊板形检测装置的基本结构 眵 1 一淬火钢环，2 一钢芯，3 一传感器 图2 7 传感器外形和辊片结构示意图 测量辊由若干个辊片组合而成，单个辊片结构如图2 7 所示，每个辊片外面套上 经过淬火的钢环，在每个辊环内的钢芯上沿母线刻有四个凹槽，槽内安装检测元件，检 测元件为经过改进的磁弹性测压传感器，每个辊片安装四个检测元件，位于相对圆心对 称位置上的两个检测元件是一对，当其中一个位于上部时，另个恰好位于下部，这样 可以补偿套环辊子的重量及外部磁场的干扰。 这种板形检测仪的精度达到2 5 i 单位。其套环与辊体的间隙为0 0 2 o 0 4 a m 。该 板形所用的传感器为变压器式磁弹性测压传感器。它的电源线路与输出线路是相互分离 的，且相邻传感器之间只有磁的祸合，磁弹性传感器的作用原理是基于铁磁材料的压磁 效应，即在机械力p ( o ) ( 拉、压、扭) 的作用下，铁磁材料的导磁率p 发生变化，进而引 起铁磁材料的磁阻r 。变化，此变化又引起铁磁材料线圈阻抗z 或电动势e 的变化，即： p ( 6 ) u 叶r 。一z ( e ) 。通过相应的测量线路就可以衡量外力的作用。e h 于是由滑环引出 信号，故对滑环要经常清洗。 ( 2 ) 英国d a v y 公司的空气轴承式板形检测装置。1这种板形仪是通过测量空气 辊承辊中气体压力变化来测量板材中的张应力分布，从而测量板形。 检测辊的中心是一根固定轴，外面是一排辊环，在辊轴和辊环之间通以高压空气， 辊环可自由地在轴上转动，此即所谓的空气轴承。在固定轴内装有压力传感器，当板材 对辊环的压力改变时，轴承内空气层的压力也变化，这种压力变化由检测元件测出，将 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 各辊环内的检测元件测得的信号引出，经过处理后，可以给出沿板材宽度方向上各点的 纵向张应力分布。 该装置要求送入的空气非常清洁，对环境要求非常高，而且该检测仪维护困难。 日本川崎制铁公司也研制了同类空气轴承式组合辊板形仪，只是对气体压力测量方 法不同，如图2 8 为该装置基本结构。 1 一固定轴：2 一转子；3 一气压测定孔( + ) ；4 一气压测定孔( 一) ；5 一喷气孔 图2 8 川崎毒5 铁空气轴承式板形检测装置的基本结构 b 非接触式板形检测装置非接触式板形检测装置是在检测设备与板材不接触 的条件下检测出板材横向张应力的分布或相对延伸差。这些装置的硬件结构相对简单而 易于维护，且其造价及备品、备件便宜；传感器为非传动件，安装方便：因装置不和板 材接触，不但避免了由于接触式板形仪传感装置有旋转部件而可能出现的故障，而且也 消除了划伤板材表面的可能性等优点。但板形信号为非直接信号，处理精度约为5 o i 单位；信号处理技术要求高，难度大，软件编写和调试费用高。典型的有：比利时冶金 研究中心、法国钢铁研究院( i r s i d ) 、日本三道的光学和激光板形检测装置；日本新日 铁的机械加振式板形检测装置；日本神户制钢的感应( 涡流) 传感器测位移式板形检测装 置、英国钢铁研究协会( b i s r a ) 的透磁式板形检测装置和日本剩磁式磁性板形检测装置 等。 ( 1 ) 光学式板形检测装置“” 这种检测装置的检测对象是板材的波形。基本原 理如图2 1 0 所示，在板材的一侧竖立一荧光灯，它发出的光经板材反射后由板材另一 侧的摄像机摄取。当板材的板形缺陷不同时，在摄像机中会形成不同的像。如图2 1 0 中a 的板材平直，则经板材反射后所形成的虚像为一水平线；若板材有中波则形成的像 在对应位置上发生凸起或凹入( 图中b 所示) ；若板材产生边波，则像在两端发生向上或 向下弯曲( 图中c 所示) 。板材的波形越高，则成像偏离正常位置越大，虚像的位移量和 板材翘曲度成正比。 由于该装置是检测板材波形的，对环境要求高并要求板材的表面光亮洁净：同时， 它只适用于张应力较低的轧制过程，当张应力较大时，板形缺陷常常会被掩盖起来。因 j3 西安建筑科技大学硕士学位论文 此，这种装置不适用于大张力的轧制过程。 堍骖骖 ! 群珊! 毋 d口 a 一平直 b - - 中波；c 一边波 图2 i 0 光学式板形检测装置原理 ( 2 ) 感应( 涡流) 传感器板形检测装置砷3该检测装置预先将板材板形用正弦 波形近似，然后通过对来自传感器的连续性信号处理来测量传感器和板材之间距离，从 而输出板材的平直度。日本神户特钢成功的应用了这种板形检测装置，板形检测效果良 好。 这种板形检测装置有若干个非接触式感应传感器，如图2 11 所示，分成平行的两 排，沿板材横向排列。纵向相邻的一对传感器测量通过这些传感器的那段板材的平直度。 l 一空气间隙传感器：2 一支捧；3 一扳材：4 一技术放大器；5 - - 倍增器：6 一差动放大器：7 一传感器 图2 ，1l 非接触式感应传感器板形检测装置 图中s 一板材； h 一波高； h i 一板材与对应传感器之间的距离；( i ：1 ，2 ) l 一波长； 1 一纵向两排传感器之间的距离； u ，、u ”一第i 对传感器输出的信号； w 。一板材的相对延伸筹； i 一板形i 单位。 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 3 ) c r m 的光学式热轧板形检测装置“虬 比利时冶衾研究中心研制的光学式 热轧板材板形检测装置，它的测量对象是板材的波形。测量原理如图2 1 2 所示，板材 由右向左运动。图2 1 2 a 所示为板材平直的情况；而图2 1 2 b 足发生边波的情况，这时 板材中部仍保持平直，在测量平面内周期性的测量板材在基准面一辊道平面以上的高 度。这样可在板材中心或边部分别测得在时刻t 。，t 。，l 。t 。一系列高度值 y 。，y ，y 。，y3 ，”，y 。，如图2 1 2 c 。与这些高度值相对应，可以求出板材纵向纤维的长度： l ，= b 。y ( i - t ) ) 2 + v 沁一，) 2 弘( i = 0 ，1 ，2 ，n ，j = l ，2 ，m ) 式中v 一在测取y ，的时刻，板材的运动速度，它一般取输出辊道的线速度； t i - t “，一相邻两次测量中的时间问隔； n 一在限定时间内的测量次数。 因此，翘曲度p 应为： 0 = k 1 i ， 式中l 一两纤维之间的长度差，即l = l j - l l 一被测板材平直时的纤维长度值。 硼里十叫一带钢运动方向 固5 l 炒7 t 口 tj it2 ，at ：t i l t 。 一f一沁砷邓飞。“ ( 9 i ( 甲 i p yo 斜。一r 书丁l y l l ， ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) a 一带平直；b 钢带发生边波；c 一测量高度分布 图2 1 2 距离洲量原理 ( 4 ) l r s i d 激光板形检测装置”副法国钢铁研究院( i r s i d ) 研制了一种利用平 移图象法的传感器，进行板材平直度的在线测量。这个传感器被称为“激光板形仪”。 该方法是测量板材因浪形而上下摆动的位移量，而得到对应的平直度参数。由于这种板 形测量方法简单，响应速度快，在线数据容易实现，现己广泛应用于热轧板材板形测量 西安建筑科技大学硕士学位论文 c c d 图2 i 3i r s i d 激光板形仪原理 领域。激光测位移系统由激光光源( l d ) 和接收器( p s d 或c c d ) 两部分组成，如图2 1 3 所 示。激光器l d 发出的光经透镜l 、会聚照射在被测板材表面的点0 ，其散射光由透镜l z 接收会聚到线性光电元件( c c d ) 上的点0 ，0 与0 点共轭，当被测板材表面相对激光 器l d 发生位移x ，而使物光点偏离零点0 ，像光点也产生位移x 而偏离光电元件的零点 ( o ) ，由几何关系可推得： x = a x7 ( b s i n l 3 + x 7 c o sb )( 2 1 9 ) 再通过信号转换装置可得到板材的平直度信息。 ( 5 ) 光截面法平直度检测装置“ 该装置由日本住友金属公司研制，用于测 量热轧板材轧机出口处的板材平直度，原理如图2 1 4 所示。处于同一平面内的三束激 光倾斜照射在被测板材表面，形成沿板材运动方向分布的三个光斑，沿板材运动方向相 邻两光斑间距为3 0 0 4 0 0 m m 。当板材因板形缺陷产生浪形时，光斑相对基准位置a 0 、b 。、 c 。发生位置移动至a 、b 、c ，a 。、b 。、c 。、0 。、e 。、0 。、l 。l 。可通过标定过程知道， x 。、x ：、x 。可通过设置在被测板材上方的摄像机测量，从而可依下列方程组计算 a b 、b c 和a e ，并直接计算出相对延伸差( 平直度) 。 h i = ax i t g01 x 1 2 - l l 一x 广x 2 h 2 = a x 2 t g02 x 2 3 = l 2 3 + x 2 一1 x 3 h 3 = ax 3 t g03x 1 3 - x 1 2 + x 2 3 通常相对延伸差e 。可按下式计算： 。= 旦氅里1 0 5 o p 考虑到实际需要及测量方便，常以近似值来代替o ： 1 6 一a b = x 。2 + ( h z - h 。) 2 ”2 一b c = x 。2 + ( h 3 - h 。) 2 ”2 丽= x 。2 十( h 3 - h 。) 2 “2 ( 2 2 0 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 s ：a b + b c - a c l o 5 a c 擞光 ( 2 2 1 ) 图2 1 4 激光截光法测量原理图 ( 6 ) 激光莫尔法”们 激光莫尔法测量原理是利用同级次的莫尔条纹代表板材 在相同高度的位移，如图2 1 5 所示。在被测板材上方设置一格栅g ，距格栅高l 处设置 点光源s ，这时被测板材上会留下格栅的影像。若在与点光源s 同水平高度距离为d 的 t 点，通过格栅g 观察板材变形后的格栅影响，就可观察到由变形格栅与格栅的空间位 置周期变化而产生的莫尔条纹，观察到的这些条纹的级次依次为1 、2 、n 。 格栅由耐热材料制成，宽2 m ，长1j i l ，节距p 为l 1 5 m m ，直线型。格栅置于被测 板材上方1 2 m 处。为了使亮条纹表示距格栅的等高条件成立，点光源s 与观察点t 距 格栅的高度必须相等。若z 表示被测板材上亮条纹位置距格栅的距离，则在被测板板材 被 t d ； 一1 。1 。一 图2 1 5 激光莫尔法测量原理图 上的第n 次亮条纹用下式表示： z 、= n 1 ( d p n )( 2 2 2 ) 由上式可知，两条亮纹间隔az 、= ( z , - k ) 随n 变化，当测量范围小太大时，az 、可 1 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 视为不变。光源是脉冲发光式y a ( ；激光器，脉冲频率1 0 h z ，侮次发光时间为2 0 n s ，发 光能