【优秀毕业论文】高速线材自动化控制系统及其研究.pdf

东北大学 硕士学位论文 高速线材自动化控制系统及其研究 姓名 张国强 申请学位级别 硕士 专业 控制理论与控制工程 指导教师 刘建昌 肖玉源 2001 11 1 东北大学硕士学位论文 摘要 高速线材自动化控制系统及其研究 摘要 f f 线材在国民经济中的作用和地位是非常重要的 用途十分广泛 随着计算机 技术 机械制造技术 自动控制技术 捡测技术的匕速发展 线材生产发展的总 体趋势是提高轧制速度 增加盘重 提高精度及扩大规格范围 近几年 我国各 钢厂高速线材尘产线不断纷纷上马 线材产量迅速增加 彰 高速线材自动化控制系统是高速线材生产的重要组成部分 利用先进的计算 机技术 网络通讯技术 图形显示技术 提高对线材整个生产过程的监视 操作 自动化控制水平 从而提高线材的生产效率和产品质量 本文是针对某钢铁集团新建高速线材厂的自动化控制系统开展研究工作 根 据轧钢理论和工艺 主要完成以下工作和内容 1 制定高速线材自动化控制系统方案 2 完成高速线材自动化控制系统的硬件配置和组态 3 建立高速线材自动化控制系统的网络通讯 4 进行高速线材自动化控制系统各控制功能的软件丌发和编程 其中包括轧 机主速度控制 活套控制 微张力控制 线材的冷却控制 物料跟踪 轧 线联锁等控制程序 5 建立人机接口 编制各种流程图画面 操作画面 历史趋势画面等 6 通过现场实验 测得数据 分析高速线材自动化控制系统的运行效果 f 本沦文的研究p j 容已应用于生产 实践 效果不错 具有通用性和推广 r t 7 厂 关键词高速线材轧机自动化控制系统活套控制计算机网络通讯 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o fa u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m o f h i g hs p e e d w i r e a b s t r a c t t h ee f f e c ta n ds t a m so fw i r ei sv e r yi m p o r t a n ti nt h en a t i o ne c o n o m y i t su s ei s q u i t e w i d e w i t ht h e h i g hs p e e dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r t e c h n o l o g y m a c h i n e m a n u n c m r e t e c h n o l o g y a u t o m a t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d m e a s u r e t e c h n o l o g y t h e c o l l e c t i v et r e n do ft h e d e v e l o p m e n t o fw i r ep r o d u c t i o ni si m p r o v i n gt h es p e e do f m i l l i n c r e a s i n g t h ew e i g h to ft r a y s i m p r o v i n gt h e p r e c i s i o na n de n l a r g i n gt h er a n go f s p e c i f i c a t i o n d u r i n gt h el a s t s e v e r a ly e a r s t h ep r o d u c t i o nl i n e so fh i g h s p e e dw i r ea r ep u ti n t op r o d u c t i o no n eb yo n ei ns o m es t e e l w o r k si no u r c o u n t r y a n dt h ey i e l di si n c r e a s i n gv e r yf a s t a u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m o f h i g hs p e e d w i r ei st h e i m p o r t a n t c o n s t i t u t e d p a r t o fh i g h s p e e d w i r e p r o d u c t b yu s i n g t h ea d v a n c e d c o m p u t e rt e c h n o l o g y n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d g r a p h d i s p l a yt e c h n o l o g y w ec a na d v a n c et h el e v e lo ft h ew h o l ep r o d u c t i o n p r o c e s s m o n i t o r o p e r a t i o n a u t o m a t i o nc o n t r o l a n da c c o r d i n g l yw e w o u l d i n c r e a s et h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n d t h eq u a l i t yo f p r o d u c t t h i se s s a yf o c u s e so nt h er e s e a r c hw o r ko nt h ea u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e mo f an e w b u i l d i n gh i g hs p e e dw i r ef a c t o r yo f a ni r o na n ds t e e lc o l t d u s i n gt h e o r ya n d t e c h n i c so fs t e e lr o l l i n gf i n i s h e dt h ef o l l o w i n g 1 m a k eap l a nf o ra u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f h i g hs p e e d w i r e 2 f i n i s ht h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nf o ra u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mo f h i g hs p e e d w i r e i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t 3 e s t a b l i s ht h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nf o ra u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m o f h i g hs p e e dw i r e 4 d e v e l o pa n dp r o g r a m t h es o f t w a r eo fa u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o r h i g hs p e e dw i r e i n c l u d i n gm a i nr o l l i n gm i l ls p e e dc a s c a d ec o n t r o l l o o p c o n t r o l m i n i m u mt e n s i o nc o n t r o l w i r ec o o l i n gc o n t r o l m a t e r i a lt r a c k i n g r o l l i n gl i n ei n t e r l o c k e t c 5 e s t a b l i s hh m ia n dw o r ko u ta l lk i n d so f p r o c e s sp i c t u r e s o p e r a t i o n p i c t u r e s h i s t o r yt r e n d sp i c t u r e s e t c 6 a n a l y z et h er u n n i n ge f f e c t so f t h eo p e r a t i o no fa u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m f o rh i g h s p e e d w i r ew i t ht h ed a t ag o tf r o mt h es i t ee x p e r i m e n t t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i se s s a yh a v eb e e na p p l i e di nt h ep r o d u c t i o n i t se f f e c t i v e i th a st h ep r o s p e c t so f e x t e n d i n g a n d p o p u l a r i t y k e y w o r d s h i g hs p e e d w i r er o l l i n gm i l l a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m l o o pc o n t r o l c o m p u t e r n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n i v 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已在论文中作了明确 的说明并表示感谢 本人签名 苎兰生坚主兰堡垒圭 箜 兰竺丝 第一章绪论弟一早硒v 匕 线材是钢铁产品的重要品种之 泛应用于建筑和线材制品工业 1 1f m i u 界范围内线材年产量i i 世界钢材总产量的1 0 置右 t t t 界 主要产钢国家普遍采j j 全连续高速无扭线材精轧机组和控制冷却技术 作为线材生产的主要工艺设备 l f 界i 有高速轧机线材生产线2 6 0 多条 线材中高速线材轧机生产的产品比例为 8 0 以上 控冷线材比达9 5 目前 我国有线材轧机1 1 0 套 线材占钢材产量的2 0 左右 已建成的高速 线材轧机共2 0 套2 8 条生产线 线材中高速线材轧机生产的产品比例为3 0 左右 控冷线材比为3 6 从整体上看 我国线材生产水平尚有待进一步提高 l 我国改革开放的深入发展对线材生产提出了新的要求 就线材轧机的生产和 建设而言 面临的任务十分艰巨 其中主要有优化工艺和设备 提高线材质量 增加和丌发线材品种等 因此建设高速线材轧机 使现有高速线材轧机都达产并 充分发挥效益具有十分重要的意义 i i 高速线材的发展概况 1 1 1 线材轧机的发展史与高速线材轧机的诞生 掘记载 世界上第一台线材轧机在1 7 世纪已经问世 当时是用锻坯轧制线材 而比较诈规的线材轧机在1 8 世纪中期 j 出现 由租轧及精轧两列横列式轧机组成 f 受冶会工业发展的限制 线材轧机发展缓慢 直到1 9 世纪未仍以横列式轧帆 为卜 尽管1 8 6 2 年英国曾建造过 台连续式轧机 bj 二盘重小 质量差 效率还 1 殷多线横列式 这种轧机并没有得到发展 线材轧机的显著进步是在本世纪 j j 横列式 半连续式 连续式直到高速轧 机的诞生 每一个新的机型 每一个新的布簧都使线材的轧制速度 轧制质量和 盘重有所提高 然而唯独高速线材轧机得到了突飞猛进地发展 高速线材轧机与其他先进技术一样也是时代的产物 是冶金技术 机械制造 技术 电气传动和自动化控制技术的综合产物 l 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在第二次世界大战结束时 e l k 发达围家的线材生产技术仍沿着高速 连续 眄个发展方向 当时具有代表性的连续性轧机有两种 一种是以美国摩根公司为 代表研制的精轧机组集体传动的二辊水 卜式轧机 另一种是以德国施罗曼公司为 代表研制的精轧机组单独驱动的平一声交替式轧机 当集体传动的二辊水平式轧机 进行多线轧制时 椭圆轧件进入下一道必须 扭转翻钢 最初的摩根二辊水平机组 六架轧机组成 轧制速度为2 5 5 s 当轧 制速度进一一步提高时 首先受到进入精轧机活套的速度限制 其次受到扭转翻钢的 限制 主要受扭转的限制 随着轧制速度的提高 扭转导管的故障显著增加 即 便采用滚动扭转导管 轧制速度也只能提高到3 5 m s 德国施罗曼公司研制的单独驱动的平一立交替式的精轧机组克服了二辊水平 机组的缺点 完全避免了扭转而实现了单线轧制 但又出现了新问题 一是电机 传动的速度精度低 二是立轧机结构高大 轧辊高速运转震动大 所以轧制速度 并没有超过二辊水平机组 4 1 2 0 世纪6 0 年代是线材生产技术发展的兴盛与创新时期 在轧制速度不断提 高的同时 也解决了大盘重线材的控制冷却问题 高速无扭精轧机组和控制冷却 设备应用于线材生产 标志着新一代高速线材轧机的诞生 高速线材轧机一出现就显示出极大的优越性 继美国之后 其他 些国家和 公司也纷纷创新高速线材轧机 出现了各种机型 目前基本上有四种 1 侧交4 5 0 的美国摩根型 2 1 5 0 7 5 0 德国德马克型 3 顶交的英国阿希洛型 4 o o 9 0 f 一立布置的意大利达涅利型 其中摩报机型应用最广泛 各种机型备有优点 但基 本工艺特点差异不大 2 轧制速度是高速线材轧机发展水 l 二的标志 按照轧制速度可将现1 u f l 机分为 如卜 儿代 第一代 1 9 6 6 1 9 6 9 年 轧制速度4 3 5 0 m s 第二代 1 9 7 0 1 9 7 5 年 轧制速度5 0 6 0 m s 第三代 1 9 7 6 1 9 7 8 年 轧制速度6 l 7 5 m s 第四代 1 9 7 9 一1 9 8 0 年 轧制速度7 5 8 0 m s 塑 垄兰堑主兰堡垒查 箜二兰竺笙 第五代 i 9 8 1 1 9 8 5 年 轧制速度8 0 1 0 0 s 第六代 1 9 8 6 年以后 轧制速度1 0 0 1 2 0 m s 1 9 l 1 1 2 高速线材轧机的控制与自动化 高速轧机生产线材具有轧制速度商 盛币人平 产鞋高的特点 整个轧制过程 埘机械化 自动化程度要求很高 因而征自动控制系统方面也有很大的发展 其 l i 要表现是计算机在控制系统中的直蚌l 目的 高速线材 l t j l 的自动控制系统大致有如下两种 1 不采用计算机控制的常规控制系统 常规控制系统是采用大量的接触器 继电器并借助于光电检测装置 即通过硬件来完成整个工艺过程的自动控制 这 种控制系统工作不太可靠 维护工作量大 当工艺参数或控制程序修改时 要更 换大量的接触器 继电器 花费资会及时间多 因此 近年新建的高速线材轧机 逐渐淘汰了这种自动控制系统 2 常规自动控制加计算机进行部分或大部分控制的自动控制系统 采用计算 机控制 不但增强了工作的可靠性 而且当工艺需要改变控制程序时 只需修改 计算机软件即可完成 目前 计算机大致分为四级 中央管理级 车间管理级 过程控制级 设备控制级 l l 1 2 高速线材的发展趋势 近年来 世界线村生产总薰有所增长 我国及许多发展中国家线材产量迅速 增加 f 英 法等国家线材产量显著减少 我国1 9 9 8 年线材产量7 9 8 2 万吨 1 9 9 9 年为2 5 9 4 8 5 万吨 增加了2 5 倍 线材生产发展的总体趋势是提高轧制速度 增 加艋重 提高精度及扩大规格范围 1 9 6 6 年 第 台全新结构摩根4 5 高速线村 尤扭精轧机的诞生 引发了线材生产的一场深刻变革 线材轧制速度突破了限制 达到4 3 m s 3 0 多年来 随着计算机技术 机械制造技术 自动控制技术 捡测 技术的毪速发展 高速线材轧机不断改进 轧制速度突破了l o o m s 大关 最人叮 达1 2 0 m s 坯料断面尺寸扩大到1 5 0 r a m 1 5 0 r a m 一1 6 0 m m 1 6 0 m m 个别的甚至 达到1 8 0 r a m 1 8 0 m t 盘重达2 吨以上 个别的甚至达2 7 3 0 吨 线材规格上限 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 和 大至0 2 0 r a m 2 6 r a m 1 2 1 发达国家线材轧制技术的发展 2 0 世纪8 0 年代以来 除美国新建6 台线材或棒材轧机更新代替原有轧机外 f i 本和西欧各发达国家很少新建线材轧帆 多对现有轧机进 改造 部分特殊钢 f 新建了线材轧机 般为棒线材综合轧机 但技术上有突破性进展 1 无头轧制 无头轧制是近凡年棒线材轧机领域出现的一项新技术 拥有该技术的厂家为 达涅利及同本钢管公司 n k k 阿希洛等 该工艺应用在加热炉出口 首先经除 磷机去除钢坯表面的氧化铁皮 然后该钢坯的头部与前一只以进入粗轧机的钢坯 的尾部 用闪光对焊焊成一体 并清理毛刺 使各只钢坯整报无头的轧件 进行 连续轧制 焊机在预先设定的某一位置上起动 直到达到与钢坯相同速度 然后焊枫的 两个 头将两个端头夹住 并与钢坯以同步速度运动 在运动中完成钢坯的对焊 2 直接轧制 连铸机生产的方坯经过加热炉均热后直接送到连轧机进行轧制 即所谓的连 铸连轧 这可以大大节省能源 3 高精度线材轧机 在当今世界线材激烈的市场竞争中 除了降低生产成本外 大幅度提高产品 质量是关键的取胜因素 对高品质线材质量要求主要有两点 1 严格的尺寸公差 通常 s 5 r a m 矽2 0 m m 产品范围内 公差不大于o 1 m 2 品大纲的所有品种均须实现低温轧制 以提高线材产品的最终力学性 能 为实现这一目的 国外很多公司在商线轧制设计中采用了 减定径机 新型 1 艺设备 如 达涅利公司的 双模块 精轧机 奥钢联公司的 四辊式高精密 轧机 柯克斯公司的 三辊y 形轧机 摩根公司的 减定径机组 备家公司总的工艺路线都是把原有传统的8 一1 0 个无扭精轧机作为预精轧机 在其后配设强力水冷段及均热段 然后配设2 4 架高精密大刚度减定径机 以提 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 高产品精度并实现控制轧制 4 高速切头尾飞剪 线材盛卷的头尾剪切对于优质线材生产厂 来说是必不可少的工序 因为线材 盘卷中头尾有若干圈尺寸超差 用户要求切去 传统的线材f n j 线卷的头尾剪切是 在后部p f 精整线上打包机前 由人 完成的 采瑁达涅利高速飞剪 1 2 0 m i s 后 可以在吐丝机前切去头尾超差部分线眷 从而可以使线材丌始褥取时形成良好的盘卷形状 此外还可以从轧件尾部取样 以便实时控制线材质量 采用高速飞剪后由于盘卷头尾已被切除 就可能在集卷站内采用立式卷芯架 系统收集线圈 使盘卷形状良好且密实 均匀 丌卷时平稳顺畅 有利于高速拉 拔机 1 8 2 0 m i s 使用 在市场上有竞争力 采用立式卷芯架系统后 就不荐 需要p i f 钩式运输机了 从而解决了钩式运输机上常发生的松卷现象 成卷后的盘 卷以垂直位置运到压力打包机 以卷芯架卷取的盘卷形状打包 为此需设一条辊 道以垂直位置运送卷芯架 高速飞剪布置在精轧机出1 3 冷却段与吐丝机之间 飞剪前后设有两套夹送辊 一套在入口侧 另一套在出口侧 飞剪机为回转式 包括转折器和碎断剪 5 控制轧制 控制轧制是在一定的较低温度下以 定的压下量轧制 也称控温轧制 是近 代提高轧材力学性能的一项有效手段 为实现控制轧制 在高速线材精轧机组i i 需增设预冷段 在精轧机组箨帆架 川设水冷导卫装置 以降低轧件出精轧机组的温度 控制轧制有以下优点 减少 脱碳 控制晶粒尺寸 改善钢的冷变形性能控制抗拉强度及显微组织 控制瓴化 铁皮 控制轧制有如下两种变形制度 1 二段变形制度 粗轧在奥氏体再结晶区轧制 通过反复变形及再 i i l l f t 细化 奥氏体晶粒 中轧及预精轧在9 5 0 c 以f 轧制 是在奥氏体来再结晶取变形 其累 汁变形量为6 0 7 0 在a t 3 附近终轧 可以得到具有大量变形带的奥氏体未 再结晶晶粒 相变后能得到细小的铁素体晶粒 2 i 段变形制度 粗轧在奥氏体再结晶区轧制 中轧在9 5 0 0 c 以下奥氏体未 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 再结晶区轧制 变形量为7 0 精轧征a t 3 与a r l 之问的双相区轧制 这样得到 细小的铁素体晶粒及具有变形带的未再结晶奥氏体晶粒 相变后得到细小的铁素 体n t 3 卡k 并有皿结构及位错 为了实现备段变形 必须严格控制各段温度 在加热 时温度不要过高 避免奥氏体晶粒长人 许避免在部分再结晶区中4 l n 形成混晶 组织 破坏钢的韧性 般采用降低丌轧温度的办法术保证对温度的有效控制 根据几个生产f 应 川控温轧制的经验 高碳钢 或低合会钏 低碳钢的粗轧丌轧温度分别为9 0 0 c 8 5 0 c 精轧机入1 3 轧件温度分别为9 2 0 0 c 8 7 0 0 c 出口轧件温度分别为9 0 0 c 8 5 0 0 c 在设计上 低碳钢可在8 0 0 0 c 进入精轧机组 常规轧制方案也可在较低温度 下轧制中低碳钢材 以促使晶粒细化 中轧机组前加水冷箱可保证精轧温度控制在9 0 0 c 而在精轧机处轧制温度 为分别为7 0 0 0 c 7 5 0 c 压下量为3 5 一4 5 以实现三阶段s l i j 为了实现控温轧制及轧后形变热处理要求 现代高速线材轧机的布置特点是 首先在第一中轧机组后 第二中轧机组中 预精轧前及预精轧后各设置一组水冷 箱 在精轧机出口处设簧数组水冷箱 并且有均温带 在无扭精轧机组内各机架 问设有水冷导管 这些水冷段可以根据要求进行控温轧制 其次轧机设景采用v 形配置的无扭精轧机组 并在无扭精轧机组后进行水冷 冷却后在灶丝机i i 安装 2 4 架高精度减定径机 采用这种轧机组合方式 可保证尺寸精度 由于可在低温 轧制 可用控制轧制j 艺生产一些非调质钢 以简化热处理工艺 1 2 2 我国线材轧制技术的发展 改革j r 放2 0 年来 我国线材产量及消费量逐年上升 线材产量占钢材总产鞋 的比例及1 5 t e 界线材总产量的比例也逐渐增加 1 9 9 9 年线材产量已达2 5 9 4 8 5 j 吨 线材生产总量连续数年居世界首位 占世界线材总产量的2 7 左右 我国线 材轧机大约一 百矗六十套 其中只有少部分是高速线材轧机 而大部分是复二重 式或横列式轧机 1 9 9 7 年高线产品占线材产量的比例已达4 2 4 硬线比例也有增加 特别是 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来新引进的高线s l t j l 都具有国际先进水平 如1 9 9 6 年投产的张家港涧忠钢铁 公司的高速线材轧机 最大4 l n 速度达1 2 0 m i s 最大卷重2 4 吨 单线靠置设计 年产量达6 3 万吨 是世界上目前单线生产能力最大的线材轧机 1 9 9 9 年初投入试 7 l 产的 芷钢高线轧机为高精度线材轧机 在无扭精 l y l 后设有减径 定径机组 能乍产最小规格为痧5 l 的高精度线材 可年产硬线材4 0 j 吨 是圜内生产硬线 姚模最大 最先进的生产线 这些轧机的建设不仅使我国成为仳界线材产量最人 的醐家 也使我国成为捌有先进线材轧制设备最多的国家 另外 我国自行丌发 研制的高线轧机 终轧速度最高达9 0 m s 除国内自用外 还出口菲律宾 印尼 r n 越南等国 设计制造水平不断提高 1 1 3 我国线材生产存在的问题 我国虽然已成为线材生产大国 但与发达国家相比仍有相当大的差距 主要 表现在高线比低 硬线及合金线等高附加僮线材比低 控冷线材比低 总体质量 水平低等 具体指标差别参见表1 1 表1 1国内外线材生产水平比较 序号项目国际国内 l 钢材产鼙中的线材比例 5 一i o 1 4 一2 1 7 f 2 高线比 9 0 4 2 3 硬线比 2 0 约9 4 控冷线材比 9 5 3 6 5 合金线材比 5 一8 2 一3 6 制晶 线材比 5 0 一7 0 3 0 7 尺寸精度 0 1 o 2 m mo 3 0 5 r a m 8 u c 波动 0 0 1 o 0 5 o 0 i 一0 0 6 9 u p o 0 2 o 0 3 5 l o u s o 0 2 0 2 一1 因 n j n s i n a 2 2 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章高速线材生产工艺 r t c o s a 厂c o s g e 式中 口 咬入角 轧辊与轧件问的摩擦系数 将式 2 2 和式 2 3 代入式 2 1 m n f c o s a n s i n d 0 简化得 2 3 2 4 t a n d f 2 o 而 f t a n 2 6 式中 摩擦角 可得 口 2 7 由此可得出结论 轧件被轧辊自然咬入应满足咬入角t 2 小于摩擦角 的条件 2 稳定轧制条件 当轧件被轧辊咬入后开始逐渐充填辊缝 图2 1b c 在轧件充填辊缝的过 程中 轧件前端与轧辊轴心连线间的夹角j 不断减小 当轧件完全充满辊缝时 万 0 丌始进入稳定轧制阶段 3 改变咬入条件的途径 根据咬入条件口 夕可得出 凡是能提高 角的 切因索和降低口角一切因素 都有利f 咬入 由于 甜 a r c c o s 1 一a h d 1 f2 8 式中 4 h 压下量 d 轧辊直径 凶此 为降低d 角 就可以增加轧辊龃径d 和减小压f 量 实际生产中常用的降低口角的方法订 a 以小头先送入轧辊或以带楔形的钢坯进行轧制 此时对应的咬入角较小 b 强迫咬入 即用外力将轧件强制送入轧辊中 如利用央送辊 由于外力作 用使轧件前端压扇 相当于减小接触角 从丽改善咬入条件 东北大学硕士学位论文 第二章高速线材生产工艺 提高摩擦系数或摩擦角是较复杂的 i x l 勾在轧制条件下 摩擦系数决定于许 多因素 如工具 变形金属的表面状态和化学成分 接触表面的单位压力 温度 条件 轧制速度 工艺润滑剂等 实际生产中主要从以f 两个方而改善咬入条件 a 改变轧件或轧辊的表面状态 以提商摩擦角 如清除坯料上的氧化铁皮 钢坯表面的氧化铁皮使摩擦系数降低 也 i a i t l 型车削时有意使得轧槽表面粗 糙或使用前在槽孔上刻痕 以增火摩擦系数 b 合理调整轧制速度 实践表明 摩擦系数是随轧制速度的提高而降低的 因此 可以实现低速自然咬入 之后随着轧件进入辊缝使咬入条件好转 再逐渐 提高轧制速度达到稳定的轧制状态 2 q 2 i 2 连轧常数及拉钢系数 2 1 2 1 连轧常数 一根轧件同时在两架以上轧机中进行轧制 并保持在单位时间内通过各架轧 机的轧件体积相等 称为连轧 连轧各机架依次顺序排列 轧件同时通过数架轧机进行轧制 各个机架通过 轧件相互联系 从而使轧制的变形条件 运动条件和力学条件等都具有一系列特 毒 b 于轧件依次顺序通过各架轧机 轧件依靠上一机架的作用力的水平分力进 入f 机架 在此期间进 出口导卫对其有一定的侧向约束作用 因此要确保每 机架对进入该道次的轧件顺利咬入 这就要求合理的工艺 孔型设计 同时要 保证轧件头部形状和尺寸的讵确性 通常连轧生产线中都设有2 3 台1 s 剪 f jf x j l f t 的切头 切尾和事故状态下的醉断 连续轧制时 随着轧件断面的缩小 其轧制速度递增 要保持正常的轧制条 件就必须遵守轧件在轧线上每一机架的秒流量保持相等的原则 其关系式为 f 最 一一f 一 吒 c 2 9 式中 凡 分别为轧件通过各机架时的轧件断面面积 查 垄兰堡主学位论丈第二章高速线材生产工艺 y 一 分别为轧件通过各机架时的轧制速度 c 代表各机架轧件的秒流餐 f 角标 2 n 一 l 机架序寸 还可简化为 f d l n l d 二n 一 f d l n l d n c 2 一i 0 式一 1 d i d 2 d l d 分别为备机架的轧辊 作直径 1 m 分别为箨机架的轧辊转速 轧件在各机架轧制时的秒流量相等 即为一个常数 这个常数称为连轧常数 以c 代表连轧常数时 即 c 1 c 2 c 1 c c 2 1 1 影响会属秒流量的因素 一是轧件断面面积 另一个是轧制速度 轧件断面面积一旦调整好就固定不变 实际上 由于有摩擦而存在磨损 孔 型面积有不断变大的趋势 只有通过调整轧制速度来满足金属秒流量平衡关系 轧件上的张力变化是出于轧件通过相邻机架的金属秒流量差引起的 所以调 整各机架轧制速度就可以改变金属轧件的秒流量 以达到控制张力的目的 但实 际应用中 轧件面积无法给出精确的数值 故一般采用金属延伸率的概念来加以 描述 在连续小型轧机中 机架的延伸率r 应等于h 机架的速度和n l 机架速度 之比 即 r 一l 2 1 2 根据上式 只要给出基准机架的轧制速度和各机架的延伸率 就可求出各机 架的轧制速度 据此进行各机架的速度设定 似是 因为操作者给出的延伸率r n 带宵经验性 加上轧制每根钢坯的具体条件和状况 如外形尺寸和温度变化等小 町能完全一样 其结果导致上述关系遭到破坏 所以连续轧制过程中为了维持 i 述关系新的平衡 均在控制系统中设置了微张力控制和活套控制功能 微张力控制和活套调节都城于张力控制的范围 徽张力控制一般用在轧件断 面大 机架间距小 不易形成活套的机架之间 如粗轧和中轧机组等 而活套无 张力调节则是用在轧件断面小 易形成活套的机架之i 日j 如用于线材生产的预精 1 3 东北大学硕士学位论文第二章高速线材生产工艺 轧机组和用于棒材生产的精轧机组 轧制速度的调整按控制方向有逆调和顺凋之分 对于单线连续轧机 采用逆 调较为合理 即选择最后的精轧机架为基准机架 逆轧制线方向调节上游机架的 轧制速度 以此来控制全轧线的轧制张 j 顺调即为顺轧制方向调节下游机架的 轧制速度 与顺调相比 逆调有以下优点 1 呵以减少精轧机基准机粲后的辅传动的速度波动 2 上游机架轧辊速度较下游机架慢些 与顺调相比系统动特性可以得到一 些改善 2 1 2 2 拉钢系数 在连续轧制时 保持理论上的秒流量相等时连轧常数恒定是相当困难的 甚至 是办不到的 为使轧制过程能够顺利进行 常有意识地采用堆钢或拉钢的操作技 术 拉钢轧制有利也有弊 有利是说不会出现因壤钢而产生的事故 有弊是指轧 件头 中 尾尺寸不均匀 特别是在精轧机组将直接影响到成品质量 使轧件的 头尾尺寸超出公差范围 在线材和棒材连轧的过程中 一般在设有活套器的机架间采用活套轧制 即 尢张力轧制 而在其它机架之间采用轻微拉钢轧制 即微张力轧制 拉钢系数是拉钢或堆钢的一种表示方法 以凡代表第h 道次拉钢系数 则 k d m i s 旦 2 1 3 一l j 9 n i l s lc jk i 时 为拉钢轧制 f 钢牢造堆钢与拉钢的另 种表示方法 以r 代表第 道次的拉钢率 则 竿m 陪 卜 弘 x l 咣 j r 0 时 为拉钢轧制 从理论上讲 连续轧制时各机架的秒流量相等 连轧常数是恒定的 在考虑 前滑影响后这种关系仍然存在 但当考虑了堆钢和拉钢的操作条件后 实际上各 塑塑主兰堡垒查 箜三主壹堡垒丝圭兰兰堇 机架的秒流量已不相等 连轧常数已不存在 而是在建立了一种新的平衡关系下 进行生产的 2 1 3 轧钢工艺制度 轧钢工艺制度j 要包括温度制度 轧制制度和冷却制度 2 1 3 1 温度制度 在轧钢之前 要将原料进行加热 其l j 的在于提高钢坯的塑性 降低变形抗 力及改善余属内部组织和性能 以便于轧制加工 即一般要将钢加热到奥氏体单 帽固溶体组织的温度范围内 并使之有较高的温度和足够的时阳j 以均化组织及溶 解碳化物 从而得到塑性高 变形抗力低 加工性能好的会属组织 一般地 为了更好地降低变形抗力和提高塑性 加工温度应尽量高一些好 但是高温及不正确的加热制度可能引起钢的强烈氧化 脱碳 过热 过烧等缺陷 降低钢的质量 导致废品 因此 钢的加热温度主要根据各种钢的特性和压力加 工工艺要求 从保证钢材质量和产量出发进行确定 温度制度舰定了轧制时的温度范围 即开轧温度和终轧温度 开轧温度是轧 制过程中第一道次的轧制温度 终轧温度是轧制的最后一道次的轧制温度 在连 续的棒线材生产中 丌轧温度一般在1 0 5 0 0 c 1 1 5 0 0 c 左右 终轧温度一般在 9 5 0 c 1 0 0 0 c 左右 蚓 坯料的加热时1 b j 长短不仅影响加热设备的生产能力 同时也影响锅材韵质量 即使加热温度不过高 也会出于加热时l 日j 过长而造成加热缺陷 合理的加热时州 取决于原料的钢种 尺寸 装卸温度 加热速度及加热设备的性能与结构 2 1 3 2 轧制制度 轧制制度主要包括变形制度和速度制发 1 变形制度 a 轧制过程中的横变形 宽展 l s 东北大学硕士学位论文 第二章高速线材生产工艺 变形区 图2 2 轧制过程速度图示 在轧制中轧件的高度方向受到轧辊压缩作用 压缩下来的余属 将按最小阻力 定律移向纵向及横向 由移向横向的体积所引起的轧件宽度的变形称为宽展 一 确估计轧制中的宽展是保证断面质量的重要一环 在线棒材生产中 如果计算宽 展大f 实际宽展 孔型充填不满 造成很大的椭圆度 如果计算宽展小于实际宽 展 孔型充填过满 形成耳子 以上两种情况均造成轧制废品 在不同的轧制条件下 坯料在轧制过程中的宽展形式是不同的 根据会属沿 横向流动的自由程度 宽展分为自山宽展 限制宽展和强迫宽展 1 由宽展是指坯料在轧制过程中 被压下的会属体积其余属质点横向移动时 具有相垂直于轧制方向的两侧自由移动的可能性 此时 会属流动除受接触摩擦 的影响外 不受其它任何 如孔型懊l 壁等 的阻碍和限制 结聚表现出轧件宽度 尺寸的增大 自由宽展时变形比较均匀 它是最简单的轧制情况 限制宽展是指坯料在轧制过程中 会衩质点横向移动时 除受接触摩擦的影 响之外 还受孔型侧壁的限制 因而破坏了自由流动条件 这时产生的宽展为限 1 6 东北大学硕士学位论文 第二章高速线材生产工艺 制宽展 限制宽展中形成的宽展量一股小于自由宽展时所形成的宽展量 强迫宽展是指坯料在轧制过程中 令属质点横向移动时 不仅不受任何阻碍 反而受到强烈的推动作用 致使轧件宽度产 e 附加的增长 此时产生的宽展为强 迫宽展 由于出现有利于金属质点横向移动的条件 所以强迫宽展大于自由宽展 b 轧制过程中的纵变形 f j i 滑和后滑 实践证明 轧制中在高度方向受到压缩的那部分会属 一部分向纵向流动 f e 4 l f l 形成延伸 而另一部分会属向横向流动 形成宽展 轧件的延伸是由于被 愿f 会属向轧辊入口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 大于轧辊在该处的线速度的现象称为i 滑 而轧件进入轧辊的速度v 小于轧辊在该点处线速度v 的水平分置 v c o s a 的现象称 为后滑 通常将轧件出口速度uh 与对应点的轧辊圆周速度的线速度u 之差与轧辊圆 周速度的线速度之比 称为前滑值 即 瓯 型 1 0 0 2 1 5 y 式中 s 前滑值 v 在轧辊出口处轧件的速度 v 轧辊圆周速度的线速度 而后滑值是指轧件入口断面轧件的速度 与轧辊在该点处圆周速度的水 r 分量l c o s o 之差同轧辊在该点处圆周速度的水平分量i j c o 口之比来表示 即 s 盟 1 0 0 2 16uuvio j h 2 l r c o 式 1 1 s 后滑值 征轧辊入 处轧件的速度 口 咬入角 按秒流量相等的条件 则 凡 v 2 1 7 1 7 东北大学硕士学位论丈 第二章高速线材生产工艺 或 式中 根据前滑值定义公式l 1 s j 代入式 2 1 8 可得 0 s 2 1 9 代入后滑值定义公式 2 一1 6 町缁 啬珐 2 2 0 由以上公式可知 i i 滑和后滑是延伸的组成部分 当延伸系数 和轧辊圆周 速度v 已知时 轧件进出轧辊的实际速度v 和v 决定于前滑值s 或知道前滑值 便可求出后滑值s 此外 还可看出 当延伸系数 和咬入角口一定时 前滑值 增加 后滑值就必然减少 影响前滑的因素很多 主要表现在 i 压下率 前滑随压下率的增加而增加 其原因是由于多向压缩变形增加 纵向和横向变形都增加 因而前滑值增加 i i 轧件厚度 轧后轧件厚度越小时日u 滑增加 i i i 轧辊直径 前滑值随辊径增加而增加 这是因为在其它条件相同的条件 卜 刍辊径增加时 咬入角就减小 而摩擦角保持常数 所以稳定轧制阶段的剩 余摩擦力就增加 由此将导致会属塑性流动速度的增加 也就是前滑的增加 i v 摩擦系数 在压下量及其他工艺参数相同的条件下 摩擦系数越大其 河滑值越大 v 张力 前张力增加时 使金属向前流动的阻力减少 从而增加前滑 x 使d f 滑增加 反之 存在后张力时 则后滑区增加 v 1 孔型形状 因为沿孔型周边备点轧辊的线速度不同 但由于会属的整 体性轧件横断面上各点又必须以同一速度出辊 这就必然引起孔型周边各点的前 滑值才i 一样 所以轧制时所用的孔型形状对前滑值有影响 影响会属在变形区内沿纵向及横向流动的因素很多 但都是建立在最小阻力 1 8 厶 叱一 l 数系申延 一 东北大学硕士学位论文 第二章高速线材生产工艺 定律及体积不变定律的基础之上的 c 轧件在变形区内各断面上的运动速度 当会属由轧前高度hz f l n l 后高度h 时 山于进入变形区后高度逐渐减少 f 掘体积不变条件 变形区内会属质点运动速度不可能一样 会属各质点之 日j 以 及会属表面质点与工具表面质点之间就有可能产生相对运动 设轧件无宽展 且沿每一高度断面i 质点变形均匀 其运动的水平速度一样 如图2 2 所示 此情况下 根据体积不变条件 轧件在前滑区相对于轧辊来说 超 前于轧辊 而在出口处的速度h 为最大 在后滑区 轧件速度落后于轧辊线速度 的水平分速度 并在入口处的轧件速度v 为最小 在中性面上 轧件与轧辊的水 f 分速度相等 v 表示在中性面上的轧辊水平分速度 由此可得出 v y v 2 2 1 变形区任意一点轧件的水平速度可以用体积不变条件计算 也就是在单位时 f b j 内通过变形区内任一断面上的金属体积应为一个常数 即金属秒流量相等 每 秒通过入口断面 出口断面及变形区内任一断面的金属秒流量可用下式表示 昂 c v h 常数 2 2 2 式中 n r 分别为入口断面 出口断面及变形区内任一断面的面 积 v v v 分别为入口断面 出口断面及变形区内任一断面上的会 属平均运动速度 2 速度制度 4 l n 过程中的速度制度就是确定各道次的轧制速度 对于连轧来说 备道次 的轧捌速度的确定尤其重要 轧制速度高 轧机的台时产量就火 但速度太高 增加f 乜力消耗 且故障增多 作业率低产量反而会下降 因此 要结合电机能力 f i 动化水平 轧机设备的机械化程度来制定最佳速度制度 实际轧制过程中 在保证连轧各遭次孔型正确 且保证成品质量的前提下 再道次的轧制速度还应满足连轧常数的要求 现代化的连轧生产 其速度制度的实现有级联控制进行 级联控制不断地增 1 9 东北大学硕士学位论文 第二章高速线材生产工艺 加或减少轧机的设定值 使得所调整轧机的上游直至 h 轧第一架各架次设定值以 同样百分数改变 在控制台上通过调速后 从轧制程序中收到新数据后所有机架 的设定值被改写 设备自动地在此速度f 运行 实际生产中 由于轧件与轧辊之问的滑动会引起轧件速度的变化 这样会使 连轧常数改变 从而产生了拉钢或堆钢现象 也影响了轧件的尺寸精度 因此 订 连轧过程中 必须控制张力 一般在轧件断面较大时 机架f 日j 通过速度调整成 微张力 在轧件断面较小时 通过机架问的活套来消除张力 确保成品的实物质 量 2 1 3 3 冷却制度 经热轧成形的钢材 仍处在一个较高的温度范围 需经冷却使钢材温度降至 常温 由于钢在热轧后冷却 在应力作用下可能出现外部或内部裂纹 就必须全 部或部分地消除冷却时钢中所产生的各种应力 如采取缓冷等措施 另外 也可 利用轧件轧后的余热 进行控制冷却 从而获得所需要的金相组织和力学性能 这就是冷却制度 冷却过程对产品最终性能有很重要的影响 因此冷却制度的制 定是控制产品实物质量不可缺少的重要环节 冷却方法分为自然冷却 空冷 和控制冷却 控制冷却包括强制风冷和水冷 对使用单一冷却速度的常规冷却制度来说 主要控制丌始冷却温度 冷却速 度和终止冷却温度 对使用具有两个以上冷却速度的冷却制度来说 除控制丌始 冷卸温度 终止冷却温度和几个冷却速度外 还要控制不同冷却速度间的转变温 陆 2 j 2 2 高速线材生产线简介 本文以某钢铁集团的高速线材厂为例 2 0 0 0 年丌始建设 2 0 0 i 年4 月投产 机械设备立足国内制造 主要自动化及传动设备均是美国g e 公司生产的 2 2 1 主要技术指标 2 2 1 生产规模及产品大纲 i 厂年生产能力 2 5 万吨 并预留年产3 0 3 5 万吨的能力 2 0 东北大学硕士学位论文第二章高速线材生产工艺 产品规格 痧5 5 r a m 0 1 4 m m 无扭控冷热轧圆钢盘条 l 要钢种 普通低碳钢 优质碳素钢 低合金钢 标准件用钢 弹簧钢和焊 条钢 产品大纲见表2 表2 1 产品大纲 宁号向琏线材严 品规格产品年产量备j j r a m t l 由5 5 由6 4 81 2 0 0 0 0 2 巾6 5 由7 4 01 0 0 0 0 0 3 巾8 巾1 4 1 23 0 0 0 0 合计 1 0 02 5 0 0 0 0 2 产品交货状念 产品以盘卷状态并压紧 打捆后交货 每卷捆扎4 处 盘卷内外径如下 外径 1 2 0 0 m m 1 2 5 0 m m 内径 b 8 5 0 m m 9 0 0 m m 单根盘卷重量 1 7 0 0 k g 盘卷压紧打捆后的高度 1 5 3 0 m m 1 8 7 0 m m 3 外形及尺寸偏差 外形及尺寸偏差如表2 2 表2 2 圆钢盘条直径偏差和不圆度 舰格直径偏差 m m 不圆度 m m 5 5 m 一毋1 0 o m m o 1 5二0 2 4 1 0 5 m m 谚1 4 o n t m 0 2 0 二0 3 2 4 原料 j 准连铸方坯 断面 1 5 0 m i n x l 5 0 r a m长度 0 0 0 0 m m 东北大学硕士学位论文 第二章高速线材生产工艺 边长公差 5 r a m 长度公差 5 0 r a m 1 0 水长最大允许弯曲8 0 r a