六辊单机架可逆轧机板形设计与实现.doc

- 64 -第一章 综 述1.1研究板形控制必要的必要性随着我国社会经济建设的蓬勃发展对钢铁的需求量，特别是对优质板带材需求越来越大。尽管我国几年前就已经成为世界第一大钢铁生产国，但众所周知我国是钢铁大国而非钢铁强国，主要表现在生产高端钢铁产品能力不足，而同时低端产品产能严重过剩。既造成了资金和资源的浪费，又使得钢铁行业处于行业的恶性竞争中，2008-2009年金融危机背景下钢铁行业处于亏损边缘，并且多年来我国空有世界铁矿石第一进口国约占世界铁矿石贸易额的一半左右，却无铁矿石贸易价格的话语权，都集中反映出了我国钢铁行业大而不强的局面。近十年来是我国钢铁行业发展最快的一个阶段，引进了一批世界一流的板材生产线，例如可生产规格最薄达到0.8mm的CSP连铸连轧热轧超薄板带生产线，先进的酸轧联合冷轧板连轧生产机组，以及一批单机架可逆轧机，极大程度上缓解了国内市场对板带材的需求缺口，目前已经基本上可满足国内市场的需求。近些年来随着钢材市场的竞争日益激烈，下游产业用户对冷轧薄板的质量要求更加严格。用户对冷轧薄板的质量要求主要集中在冷轧薄板的机械性能、表面质量、厚度公差和板形等几个方面。家电、汽车等行业对冷轧薄板板形质量的要求尤为迫切。这使得钢铁行业开始要求轧机制造商提供的轧机具有更高性能跟多样的板形控制手段，更有效的板形检测设备，更完善的板形控制系统。板形控制的发展史可以从建立辊形曲线算起，至今已经有半个世纪的历史了，在这半个世纪里，虽然世界许多轧机机械制造公司、轧机电气公司、研究机构在板形的理论研究、控制及控制手段、板形检测方面已经做了大量的工作，而且也取得了极大的成果，但其结果仍然不尽如人意。板形控制的研究历史虽然已经有50多年，各种新设备、新技术不断涌现，但都不能达到尽如人意的板形控制效果。究其原因，主要是由于影响带钢板形的因素非常多，而且各种因素之间具有复杂的耦合关系，涉及到电气，机械，液压等各个方面的因素。因此，要想提高带钢的板形质量，完善板形自动控制，使冷轧薄板的板形质量达到较高水平还须投入大量的人力、物力在板形控制理论，控制手段，检测装置等方面进行大量的研究和实践工作，这也是提高我国钢铁行业国际竞争力的必要条件。所以说研究板形控制是非常必要的。1.2 板形检测技术和控制理论的现状及发展趋势1.2.1 检测技术的现状及发展板形检测装置从检测方式可分为两大类：非接触式和接触式非接触式板形检测装置主要应用于热轧板带工艺生产线以克服生产时产生的高温对检测设备的损害，主要采用光学原理或者射线穿透原理制成，在冷轧板生产线使用较少。但非接触式板形检测方式是未来板形检测发展的方向，几年前德国西门子公司开发了一种利用偏心轮风机和压力传感器组合在一起测量板形的新型非接触式板形检测系统命名为SI-FLAT，应用在唐钢酸轧联合机组及鞍钢单机架可逆轧机上取得了成功。该系统相对于传统的接触式板形检测系统而言优点是：造价低廉，检测精度相当，板形曲线构造更为精密。缺点是：由于需要用偏心轮风机吹扫钢带使钢带小幅震荡，易产生干扰，并使带钢处于不稳定状态；产生的信号频率较低不利于高速轧制。接触式板形检测装置是冷轧机组应用最广范的板形检测形式，国内外开发了多种不同检测原理的接触式板形仪。从检测的具体形式又可分为测距法和辊式测张法，测距法包括电气接触式、机械接触式和接触辊式；而辊式测张法包括实心棍式、中空分割辊式和张力计式。在国内冷轧机组上应较多是两种辊接触式板形检测系统，一种是ABB公司的Stressometre 板形检测系统，它是利用压磁原理制成的，检测辊根据工艺需要被分为若干个检测区，每个检测区圆周方向上安装有4个压磁传感器，每个传感器相隔900其外形图如下图1.1。另一种是德国研制的BFI板形检测系统其检测辊的结构和ABB检测辊结构类似，只是其每个检测区圆周上治安装一个压电晶体传感器，相邻检测区传感器相角相差900。从实际应用取得的效果来看在同等配置水平下ABB板形系统的检测和板形控制效果要好一些。ABB板形辊每旋转一周会产生4个板形检测信号例如检测辊直径为313mm则每0.25米就会有一条实际板形曲线产生，而BFI辊要1米才产生一条新实际检测的板形曲线。无疑板形检测频率越高其在低速阶段投入板形控制系统所要求的最小速度就越低，这有利于提高成材率。图1.11.2.2 控制理论的发展20世纪50年代以前， 带钢板形控制主要用磨削轧辊原始凸度的方法加以实现。由于原始凸度磨削完成后是固定不变的值， 很难适应千变万化的轧制情况， 因此， 人们又采用人工控制压下制度和控制轧辊热凸度及合理编制生产计划来弥补其不足。但是， 这必然会影响轧机生产能力的发挥和增加编制生产计划的复杂性。20世纪60年代， 液压弯辊装置被应用到钢板轧机上， 这标志着带钢板形控制进入了新的时期。采用液压弯辊装置的目的是为了能调节轧辊挠度，使得带钢板形的在线控制成为可能。日本石川岛播磨重工株式会社于20世纪70年代初期， 开始研制在带钢平直条件下的最佳弯辊力计算， 把它作为预设定控制模型， 用计算机进行在线控制， 这是板形模型控制的雏形。虽然弯辊控制技术比较成熟， 而且被公认是控制板形和板凸度的有效手段， 但是由于受弯辊力和模型的限制， 把它应用到连轧机上去还存在不少问题。后来出现了最优轧制规程和动态负荷分配法生产带钢的板形控制技术。板形控制技术在20世纪70年代取得了重大进展。1972年日立公司开发的HC 轧机(High Crown Control Mill)，使板形理论和板形控制技术进入了一个新的时期。1974年日本住友金属工业公司开发了VC(Variable Crown) 轧辊技术， 并在1977年研制成功。它通过瞬时改变轧辊的凸度的方法来控制板形质量。1982年， 连续可变凸度的CVC轧机(Continuously Variable CrownMill)由SMS公司开发成功19。它可以连续调节一对轧辊的凸度， 改变初始辊凸度的大小和正负，以此达到控制板形的目的。1984年， 由日本三菱重工与新日铁合作研制的PC轧机(Pair crossedrolling mill)问世，由于其在凸度及板形方面优异的控制能力，受到了世界各国的重视。20世纪90年代， 法国克莱西姆(CLECIM)公司研制成功动态板形辊 (DSRDynamic Shape Roller)及其板形控制系统，不仅能够对轧制辊缝进行全辊缝调节， 而且能够对轧制辊缝中任意位置进行调节， 满足对轧制辊缝中任意一个局部缺陷的调控要求。1997年， 北京科技大学和武汉钢铁公司联合开发了“VCR 变接触支持辊” 和“ASR非对称自补偿工作辊” 综合控制板形系统， 并成功地应用于武钢1700mm冷连轧机，取得了显著经济效益。1.3 本文的背景和主要工作1.3.1 本文背景本文主要以吉林通刚冷轧板有限公司1#、2#六辊单机架可逆轧机机组板形系统为研究背景，同时借鉴硅钢双机架轧机机组设备设计、设备配备等方面的有益经验对目前单机架可逆轧机影响板形控制和质量的设备提出改进方案。通钢单机架机组是由中冶南方设计院技术总承设计与2005年开始建设于2007年底建成的国内第一条自主设计自主制造的宽薄板六辊UCM冷轧轧机，设计生产能力为32万吨/年，产品规格0.25-2.0mm。机械设备由上重集团制造，电气商为知名电气商ABB。液压系统系统由意大利达涅利集团制造。应该说该机组配备了目前世界一流水平的电气和仪表检测设备并采用全液压压上系统。具有中间辊串辊、中间辊正弯辊，工作辊正负弯辊等功能。其传动系统采用ABB公司制造全数字IGCT交-直-交直接转矩控制传动系统，动态响应性能好，对电网污染小，控制精度高。自动化系统采用ABB的800PEC工业IT系统理念，过程控制系统配备自适应轧制模型，基础自动化系统配备AGC自动厚度控制、AFC自动板形控制、直接张力控制、速度前馈控制、钢卷偏心补偿、轧辊偏心补偿等。仪表设备配备了ABB的Stressometre板形系统，德国IMS公司X-射线测厚仪系统，日本索尼制造SONY磁尺，英国BETALASTER公司激光测速仪，德国EMG公司CPC纠偏等。图1.2为通钢单机架轧机现场仪表配置示意图： 图1.21.3.2 本文主要工作本课题围绕冷轧薄板板形性能要求，在生产中通过实际生产经验的积累总结与掌握的理论知识结合对通钢单机架轧机现有板形控制系统的设计和性能进行深入学习研究和消化吸收，对生产过程中出现的问题进行了分析和对策制定，对设计数据进行了修改和优化，以解决实际生产中出现的问题，改善板形控制系统控制性能，提高产品精度，生产出高精度的满足市场所需的优质冷轧薄板钢产品，并。本课题研究的主要内容：(1) 冷轧薄板板形性能研究及探索减轻与消除板形缺陷方法；板形的表示方法有好多种目前较为常用的主要有相对长度差表示法, 波形表示法,带钢断面形状的多项式表达法,张应力差表示法，工程上较多使用相对长度差来表示板形。影响颁行的因素有很多可归结为两大类内因因素和外因因素，内因因素指金属本身的物理性能例如硬化特性、变形抗力及金属化学成分等都可直接影响轧制力的大小， 因而与板形密切相关。金属的几何特性， 特别是带材的宽厚比、原料板凸度是影响板形的另一个重要因素。外因因素指轧制条件，它更为复杂包括更为广泛的内容。凡是能影响轧制压力、轧辊凸度和轧辊变形的因素例如冷却润滑条件、摩擦条件、轧辊直径、张力、轧制速度、弯辊力、磨损等和能改变轧辊间接触压力分布的因素例如轧辊外形、初始轧辊凸度、串辊都可以影响板形。 人们通过对上述影响板形因素的研究，提出许多减轻与消除板形缺陷的方法。主要是从改进工艺制度和改进完善设备两个方面着手。工艺方面主要是轧制规程在线改进通过自适应自学习功能在线优化轧制规程；设备方面采用液压弯辊技术、串辊技术、张应力TDC控制技术、热凸度控制技术等，并开发出了HC轧机、CVC轧机、PC轧机等一批板形控制能力强，板形控制性能稳定的新型轧机。(2) ABB板形辊、BFI板形辊和SI-FLAT板形检测装置性能的研究比较；ABB板形辊自1969年由ASEA公司研制成功并实现闭环控制后，使得冷轧板材生产告别了100I时代进入了10I时代，是当前主流板形检测控制系统的首选，经过40年的完善与发展形成成熟而完善的系统目是目前前其最新系统配置是Stressometre 7.0 FSA；BFI板形检测辊结构形式类似与ABB板形辊也是应用较广的一种板形检测装置；而Si-Flat是西门子公司近几年才研制成功的新型板形检测装置在国内几家大钢厂冷轧机组实际应用中也取得了不错的效果，本文将对三种板形检测装置的检测原理及性能做详细的介绍和比较。(3) 对通钢单机架板形控制系统设计与实现的研究与分析；本文将以通钢单机架轧机板形系统为实际基础深入分析ABB板形系统的软硬件结构和性能，对板形控制系统的目标曲线设定函数、外部执行机构控制算法函数进行分析和消化吸收，并根据实际生产中摸索出的经验改善板形控制系统的控制精度。(4) 对板形控制系统应用中应该注意的几点问题；为了使ABB AFC 系统今后能稳定的运行，必须注意一些问题。其中包括板材的位置，测量辊的转速，乳化液的流量，目标曲线的确定和对执行机构的定期检查等。另外，对各道次的压下率，换辊周期的选择等方面提出了一些看法和建议。第二章 板形性能及板形缺陷减轻与消除2.1 板形的定义方法将一定长度的带钢放到一个水平平面上使之处于无张力自由状态下， 常常可以观察到带钢的翘曲。翘曲有各种形式， 大多数是波浪形， 薄带钢常产生皱纹或局部凸凹。翘曲有时可以遍布整个带宽， 有时只限于局部。这种翘曲和带钢的变形不均及内应力分布不均有密切关系。轧制过程实际上是金属在旋转的弹性体(轧辊)作用下发生塑性变形的过程，坯料经过轧制沿着纵向延伸和横向流动， 最终成为具有一定尺寸的产品。冷轧板带轧制对变形过程有一个最基本的要求， 即沿板带宽度各部分有一致的纵向延伸。设想将带钢分割成若干细小纵条， 如果任何一条纵条上纵向延伸率发生变化， 都会引起该窄条的纵向延伸发生变化，同时又会影响到相邻窄条的变形。而带钢实际上是一个整体，各窄条之间必定互相牵制， 互相影响。因此， 当沿横向的各个纵条纵向延伸量不一致时， 各窄条就会相应的发生延伸不均， 这就会在各窄条之间产生相互作用的内应力当这个内应力足够大时， 就会引起带钢的各种翘曲。由于轧制过程是一个复杂的物理过程， 金属所发生的塑性变形和轧辊所发生的弹性变形受到许多因素的影响， 要想彻底消除这种纵向变形不均， 是不可能的。但是， 应该将这种变形不均限制在尽可能小的范围内， 以防止带钢翘曲。为了说明金属纵向变形不均的程度， 引入了板形这个概念。所谓板形， 直观说来， 是指板材的翘曲程度； 就其实质而言， 是指带钢内部残余应力的分布。只要带钢中存在残余的内应力， 就称为板形不良。如果这个应力虽然存在， 但不足以引起带钢翘曲， 则称为“ 潜在的” 板形不良； 如果应力足够大，以致引起带钢翘曲，则称为“表观的”板形不良。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的描述板形。现就主要的表示方法介绍如下：(1) 相对长度差表示法图2.1(a)所示为轧后翘曲带钢的外形，该轧件由于边部产生较大的延伸而产生严重的边波。将钢板裁成若干纵条并铺平，则如图2.1(b) 所示，可清楚的看出横向各点的不同延伸。一个比较简单的方法就是取横向上不同点的相对长度差L/L来表示板形。相对长度差也称为板形指数，=L/L。 2.1(a) 2.1(b)英国的相对长度差的单位是蒙(mon)，该术语是由W. K.Person 建议的，1 蒙相当于1单位长度差为104 。Person 定义板形s为1个长度单位横向上单位距离上的相对长度差，以蒙/厘米(mon/cm) 表示，即 (2-1) 式中Lm、Ln某两窄条的长度；b1 相邻两窄条之间的横向距离。 美国是用带材宽度上最长和最短纵条之间的相对长度差表示， 单位是百分数。式中板形，单位为百分数； (2-2) L 基准窄条的长度；L=L max -L min 最长与最短窄条长度之差。加拿大铝业公司也是取横向上最长和最短纵条之间的相对长度差作为板形单位，称为I 单位，一个I 单位相当于相对长度差为10-5，所以板形为： (2-3)式中板形，单位为I 。L 和L 表示的意义均与式(2.2)相同。目前在AFC 系统中实用的板形采用国际单位表示方法为： 或 (2-4)i 第i 个窄条的板形分布；L 基准窄条长度；Li L i -L 第i 个窄条与基准窄条的长度差；L i 第i 个窄条的长度；(x)距离带钢中心为x 处的窄条长度；L(x)=L(x)-L 距离带钢中心为x 处窄条与基准窄条的长度差；L(x)距离带钢中心为x 处的窄条的长度。(2) 带钢断面形状的多项式表达法如果图2.3 所示认为带钢断面是对称的，根据对断面的测量和计算，可以用多项式逼近带钢断面形状的： h(x) =h c +a i x2 +b i x4 (2-5)式中a i 、b i 断面的特征系数；h c 轧件轧后带材中心厚度。 B 图2.3 (3) 波形表示法在翘曲的钢板上测量相对长度来求出相对长度差很不方便， 所以人们采用了更为直观的方法， 即以翘曲波形来表示板形， 称之为翘曲度。图2.4 所示为带钢翘曲的两种典型情况。 图2.4将带材切取一段置于平台上， 如将其最短纵条视为一直线， 最长纵条视为一正弦波，用其最大波幅与波长相比则如图2.5 所示，可将带钢的翘曲度l 表示为: 式中 R V 波幅；L V 波长。这种方法比较直观形象，易于理解板形概念所以许多工作者都采用这种方法表示板形。但在工程中应用难于量化实际应用已经不多。 图2.5正弦波的波形曲线设在图2.5 中与长为Lv 的直线部分相对应的曲线部分长为：L v +L v认为波形曲线按正弦规律变化，则可利用线积分求出曲线部分与直线部分的相对长度差。可设波形曲线为正弦波，其方程为： (2-6)故与Lv 对应的曲线长度为 (2-7)曲线部分和直线部分的相对长度差为： (2-8)式(2.8)表示了翘曲度 和最长、最短纵条相对长度差之间的关系，它表明带钢波形可以作为相对长度差的代替量。只要测出带钢波形， 就可以求出相对长度差。冷轧板的翘曲度一般应小于2% 。2.2 板形缺陷减轻与消除2.2.1 冷轧轧制板形良好的条件在陈述板形缺陷产生原因前，先了解一下轧制良好板形的条件，生产良好板形产品的主要条件是如果来料板形良好的前提下轧后成品横断面形状应保持与原料断面形状一致。如 图 2.4 所示，横坐标表示各点的横向位置，即横向各点距带钢中心的距离，纵坐标分别为入口和出口轧件半高，入口断面形状为H(x)，出口断面形状为h(x)。设各点对应的原始长度为以L(x)，轧后长度为l(x)，根据体积不变定律并考虑到当保证良好板形时，板材轧制接近于平面变形，则纵向延伸和高度压缩之间应当有下述关系: (2-9)欲获得良好板形，必须保证带钢沿横断面方向有均一的延伸，来料横断面几何形状和承载辊缝的几何形状之间相匹配，即轧前和轧后轧件断面之间应保持下述几何关系: (2-10)X取值范围为,B带宽值。即横断面应为对应成比例压缩。 图2.4轧件轧前轧后的断面形状随板形表示方式的不同， 这个几何条件的形式也不同。一般为了使问题简化， 以带钢中心和边部减薄的厚度差表示断面形状。下面讨论采用这种方法时式(2.15)给出的良好板形条件应取何种形式。设轧前带钢中心和边部的厚度分别为Hc 和H e ， 轧后相应的厚度为h c 和h e ， 由式(2-10)得： (2-11)式中 轧后的轧件平均厚度；轧前的轧件平均厚度；可推得： (2-12)经过推到可得到下式： (2-13)板带凸度表达式为： (2-14) (2-15)Ch 轧后的轧件板凸度；C H 轧前的轧件板凸度。因而推得： (2-16)轧件厚度和板形、板凸度都有密切的关系， 为了将这个因素考虑进去，引入了比例凸度的概念。比例凸度CP 表示板凸度C h 与轧件平均厚度 之比，即 (2-17)式(2-16)就是常用的良好板形几何关系的表达式。虽然这种方法仅考虑带钢中心和边部两点，对于复合波等较为复杂的板形缺陷，不能确切描述，但是由于这种方法简便，因而它仍广泛的应用于板形问题研究。2.2.2 板形缺陷产生的原因 由2.2.1章节所述可知要得到良好的板形在轧制过程中必须使得钢带在横断面方向沿纵向延伸一致，使轧后横断面形状与轧前原料横断面形状保持一致即轧制过程中横断面成比例压缩。而其实质是带钢内部没有残余应力既为良好板形。但在实际生产过程中有很多因素影响板形不可能达到理想的轧制条件，不可避免的使钢带中产生残余应力，产生各种板形缺陷。其表观缺陷就是各种浪形如图2.5a、b所示。影响板形的因素归结起来可分为两类：内因因素和外因因素，内因因素指金属本身的物理性能例如硬化特性、变形抗力及金属化学成分等都可直接影响轧制力的大小， 因而与板形密切相关。金属的几何特性， 特别是带材的宽厚比、原料板凸度是影响板形的另一个重要因素。外因因素指轧制条件，它更为复杂包括更为广泛的内容。凡是能影响轧制压力、轧辊凸度和轧辊变形的因素例如冷却润滑条件、摩擦条件、轧辊直径、张力、轧制速度、弯辊力、磨损等和能改变轧辊间接触压力分布的因素例如轧辊外形、初始轧辊凸度、串辊都可以影响板形。 图2.5a 图2.5b在冷轧生产中影响最终产品板形的一个重要前提因素是热轧原料板形和板凸度是否合格，这是由冷轧工艺特点决定的。冷轧不明思议是在常温下轧制因此在轧制过程中带钢几乎没有横向流动而只有纵向流动，这就决定了冷轧生产过程中对板形缺陷客服能力不强，更不能较大的改变板凸度因为改变板凸度既是改变横断面形状而冷轧工艺金属横向流动性很差，这就会产生新的板形缺陷。因此热轧原料板形、板凸度较差而需要冷轧过程客服的板形误差较大的话，就常常引起断带等较严重的冷轧事故。除去原料本身带来的板形缺陷外在生产中影响板形其他因素主要有以下几个方面：（1）轧辊因素轧辊挠性弯曲变形、轧辊的弹性压扁变形、轧辊的磨损、轧辊的热膨胀、轧辊的原始辊形和轧辊修磨。 1) 轧辊的挠性弯曲变形一般情况下轧辊都加工成严格的圆柱形，那么在没有轧制力时，辊缝显然是平行的。但在轧制带钢时，由于轧制压力是相当大的，轧辊将产生弹性变形。这些弹性变形沿辊身长度方向是不均匀分布的， 由于轧制力是由轧辊两端液压缸施加在轧辊上的结果使轧制时的实际辊缝变成中间尺寸大于边部尺寸的形状辊缝，所轧出的带钢断面形状自然是中间厚两边薄的形状，即带钢中部产生凸度，带钢边缘减薄。通常，轧制压力愈大，轧辊的弹性弯曲变形愈大；轧辊直径愈大，刚性就愈好，则轧辊的挠性弯曲变形愈小。2) 轧辊的弹性压扁轧制过程中由于轧制压力的作用，带钢与工作辊之间、工作辊与支持辊之间均会产生弹性压扁。影响辊缝形状的不是轧辊的弹性压扁的数值，而是压扁值沿辊身长度方向的不同大小，对于工作辊来说，如果轧制压力沿带钢宽度均匀分布，则工作辊的弹性压扁分布也是均匀的。由于工作辊与支持辊之间的接触长度大于带钢与工作辊的接触，因而接触长度上各点的压力是不相同的，这就使辊与辊之间弹性压扁值沿辊身长度方向也是不均匀的，工作辊与支持辊之间不均匀压扁引起了辊缝形状的变化。3) 轧辊磨损轧辊在使用一段时间后，工作辊与带钢之间、工作辊与支持辊之间由于摩擦会使轧辊产生不均匀磨损，轧辊的不均匀磨损使辊缝形状渐渐地变得不规则起来。影响轧辊磨损的因素也是多方面的。例如，轧制不同规格的带钢、轧辊与带钢的材质、轧辊表面硬度和光洁度、轧制压力和轧制速度、前滑和后滑的大小以及支持辊与工作辊之间的滑动速度等都会影响轧辊磨损的快慢；另外，沿辊身长度方向轧辊磨损也是不均匀的，这些都将影响辊缝的形状。4) 轧辊的热膨胀冷轧生产过程中，带钢的变形主要是压下与延伸变形，厚度方面的压下几乎全部是纵向的延伸。在变形过程中，带钢将产生大量的变形热，带钢在轧制中产生的变形热是主要的热源。由于这种变形热使轧辊热膨胀而改变原始辊型，实测表明，由于辊身各部分的温度并不一致，由此引起的温度差将导致轧辊直径的热膨胀差。在多数情况下，辊身中部的温度将高于其边部的温度。可见，轧辊由于热膨胀所形成的凸度不管大小都将影响原始辊缝形状。需要注意的是辊温沿辊身长度上的分布往往也不是对称的。5) 轧辊的原始辊型轧辊的原始辊型应与实际生产中目标板形匹配例如轧制微中浪板形原始辊形就应当有一定的凸度，可在一定程度上克服挠性变形消除有害接触减轻边部减薄。在实际生产中人们就是利用原始辊型这一因素来补偿上述因素对辊缝的影响。6)轧辊的修磨在实际生产中轧辊的修磨是很重要，应根据生产计划中要求轧制的板形合理修磨轧辊。在修磨轧辊是应严格按照规程操作保证修磨的轧辊符合要求否则可能会造成板形控制困难。（2）板形控制手段为了得到更好板形人们先后开发了多种轧机主要有CVC 轧机、PC 轧机、HC 轧机等。这些轧机各有独具特色的板形控制手段。1）CVC 轧机 CVC 轧机的原理，是上、下工作辊都磨成完全一样的S 形凸度，只是互错180布置，使轧辊形状和辊缝形状相互对称，通过左右移动轧辊可连续进行凸度控制的轧机，如图2.6 所示。 a 原始凸度 b 正凸度 c 负凸度 图2.6实践证明，与常规轧机相比，CVC 轧机对带刚凸度的控制效果十分明显，轧辊的等效凸度调节范围大，能生产出平直度高的带刚。CVC轧机自开发成功以来，由于其独特的控制板截面形状和控制板形特性，因而在板带轧制领域获得了广泛的应用。CVC轧机板形控制能力见图2.7主要有以下的优点： CVC技术的调节域大小随板宽的变化而成正比例规律明显变化，但几乎不受轧制力变化的影响，凸度可调范围大，且能连续调节，再加上液压弯辊系统，使得板形控制范围显著增大。 CVC轧机各手段组合形成的承载辊缝形状曲线相对简单，仅一对轧辊就能满足多种规格轧制的需要，可大大提高轧机的适应能力；可轧制多种不同的产品，产品的宽度与厚度显著扩大。 轧辊工作时间显著延长，可大大减少换辊次数。除此之外，CVC 轧机的应用还有其它的优点，例如轧制力下降、轧辊磨损减轻和轧辊位置更加稳定等。 图2.7 四辊CVC轧机板形控制效率 2）PC 轧机PC (Pair Cross)轧机的工作原理，是通过工作辊轴线交叉一定角度，上下工作辊之间的辊缝成抛物线形， 通过对交叉角的调整而获得所需要的等效轧辊凸度， 使辊缝形状与带刚断面形状进行良好的匹配， 得到一个较宽的凸度控制范围，从而获得好的带刚凸度和板形。工作时，上工作辊始终与上支承辊平行：下工作辊始终与下支承辊平行。目前轧辊交叉共有4种交叉方式，即工作辊交叉、中间辊交叉、支承辊交叉及双交叉(工作辊和支承辊同时交叉)。等效辊凸度Cq是一个关于交叉角、带宽、工作辊直径及辊缝的函数。PC轧机中的Cq。可通过式(2-18)求出： (2-18)式中： B板宽；Dw工作辊直径;交叉角；Sc轧辊中部的辊缝。由式(2-18)可看出：Cq与板宽B的平方成正比，因此PC轧机具有较强的板形调节能力。特别是在轧制宽带时，其优势更加明显，板形调节能力远远大于其它任何一种板形调节装置。其凸度控制能力见图2.8： 图2.8 PC轧机的凸度调节能力3）HC 轧机HC轧机是一种高性能的板形控制轧机，实际上是在四辊式轧机的工作辊和支撑辊之间加入一个辊端带锥度的中间辊并作横向移动的六辊轧机。现在，高凸度控制轧机HC轧机已被公认是一种板形控制的理想轧机，是板带轧机新建和改造的主要选型轧机。这种轧机是在1974年由日本日立公司(HITACHI)试验研制的，1974年在新日铁八幡厂建成第一台单机架可逆式HC六辊轧机(320mm530mm1420mm1420mm)，从此，HC轧机得到了迅速的发展并获得了广泛的应用，HC轧机的开发成功地开创了板带轧制技术的新时期。HC轧机的工作原理和结构也是在传统的四辊轧机的基础上发展起来的，其结构特点是在辊系的上、下工作辊和支撑辊之间增加两个在轴向上可作相反方向移动的中间辊，正是这种中间辊的轴向移动使HC轧机具有稳定良好的板形和高效控制板形的独特性能，并在工作原理上成为区别于四辊轧机的根本之点。四辊轧机工作辊和支撑辊有效接触长度是不变的，且总是大于轧制带钢的宽度，这使带钢宽度以外的接触部位成为有害接触区，它迫使工作辊承受了支撑辊作用的一个附加弯曲力，由此使工作辊挠度变大而导致带钢板形变坏和边部减薄(图2.8)，也是这个接触面妨碍了工作辊的弯辊作用没有得到有效的发挥，这就是四辊轧机横向厚度和板形调节能力较差的根本原因。HC轧机的中间辊可以根据带钢宽度进行轴向移动，如图2.9所示，这就改变了工作辊和支撑辊接触应力状态，从根本上克服了有害接触。配合弯辊装置，HC轧机的板形控制系统结构示意图如图2.9所示： 图2.8 HC轧机结构图图2.9 HC轧机的板形控制系统结构示意图HC轧机的主要特点是： HC轧机具有很好的板形控制能力，能稳定地轧出良好的板形。HC轧机通过中间辊轴向窜动不同位置，可以大幅度减小轧制力引起的工作辊挠度弯曲，即防止工作辊挠性弯曲。HC轧机的平直度可控制在1以下，要比四辊轧机减小约12。 减少边部减薄量和边裂缺陷发生。合适的中间辊位置使边部减薄比率下降。HC轧机比四辊轧机的边部减薄量要减少l2左右。HC轧机还可使硬薄材料的边裂切损量很小。这样HC轧机可使带材的合格率和成材率都有所提高。 HC轧机的工作辊直径最小可为板宽的20(四辊为3550)，小直径工作辊可实现大压下轧制，增加道次压下率。这样可减少轧制道次或减少连轧机架的数目或增大坯料厚度。HC轧机的产量提高幅度约为20。使用实践表明，一般可由34架HC轧机代替56架四辊轧机。 能耗降低20。小直径工作辊降低了轧制压力，使得轧机动力能耗降低20。 提高轧机作业率，方便管理。中间辊移动使工作辊辊缝很少受到轧制力的影响，并可使用平辊进行辊型控制，也无需进行预热轧制对热凸度进行补偿。这样就没有常规四辊轧机的轧辊凸度管理，可大大减少备用轧辊的数量和扩大轧制宽度变换的自由度。 4）液压弯辊技术液压弯辊调节装置出现于20世纪60年代，其工作的基本原理为：通过向工作辊或支承辊辊径施加液压弯辊力，使轧辊产生人为的附加弯曲来瞬时改变轧辊有效凸度，从而调整板带的横向厚度。根据弯曲对象的不同，可分为工作辊弯辊和中间辊弯辊两种主要方式。工作辊弯辊方式中又有正弯曲和负弯曲之分，中间辊弯辊主要是采用正弯辊。弯辊示意图见图2.10：图2.10正弯工作辊法如图2.10a所示，在上下工作辊轴承座之间设置液压缸，对上下工作辊轴承座旋加与轧制力方向相同的弯辊力。在此弯辊力作用下，轧制时的轧辊挠度将减小。负弯工作辊法如图2.10b所示，是在工作辊与支承辊轴承座之间设置液压缸，对工作辊轴承座施加一个与轧制力方向相反的弯辊力，它使工作辊挠度增加。但不论是正弯，还是负弯，都有其不可避免的缺点。若两者相结合，则可克服各自的缺点，充分发挥各自的优点，因此便出现了双轴承座工作辊弯曲装置。同时正弯和负弯相结合，也可大大提高弯辊的板形控制能力，其板形控制范围可增大近一倍。液压弯辊由于响应快，并能在轧钢过程中在线调节板带的凸度，因此得到了广泛的采用。弯辊控制环节原理框图如图2.10所示：图2.10弯辊控制环节原理框图第三章 板形检测技术3.1 ABB压磁式板形测量系统测量原理通钢单机架轧机采用瑞典ABB压磁式板形测量测量系统，ABB板形测量系统自1969年第一套板形装置成功应用于轧机，经过40多年的发展和完善已经成为目前轧机板形系统的装备最多的一种板形系统。其测量辊由31个独立的测量区组成，每个区宽度52mm，每个测量区内装有4个压磁式压力传感器可以分别测出作用于其上面的径向带钢压力，通过计算转化进一步得到沿带钢横向的张应力分布。传感器分配图如图3.1所示图3.1a传感器分配图图3.1b板形辊现场结构示意图3.1.1 压磁传感器测量原理压磁传感器测量原理是传感器内部有两个正交线圈，外部位三种不同规格材质的钢片叠压在一起。在传感器不受力时一次线圈和二次线圈成90度正交状态即一次线圈磁场磁链与二次线圈也是正交状态因此二次线圈内不会产生电流。而当传感器受力后，传感器钢片产生变形使一次线圈磁链与二次线圈相交，二次线圈内产生电流，电流的大小与传感器收到的作用力的大小成比例关系。传感器的结构功能图如图3.2所示：图3.2传感器的结构功能图3.1.2 板形的计算 根据带钢力分布的分析如图3.3 （3-1）Fn一第n测量区的压力测量值；、一张应力之间的夹角；n一第n测量区对应带钢的张应力3.3a 张应力监测原理图3.3b 张应力分布图根据式(3-1)分别计算出每个测量区的带钢张应力值，再按照式(3-2)计算带钢内部残余张应力值n分布： (3-2)式中，一所有测量区压力测量值的平均值；T一为带钢张力w一为带钢宽度；h一为带钢厚度；一所有测量区带钢张应力的平均值。则每一个测量区的带钢板形可用式（3-3）描述为： （3-3）E -10d为被测量材料的弹性模数，冷轧带钢的弹性模数为206000 Nmm。用式(3-3)计算结果组成的带钢横向板形描述矩阵: (3-4)为了精确确定带钢位置，如果在板形测量辊后面安装带钢边部扫描仪。带钢边部扫描仪可以精确测量带钢的宽度，以及带钢边部位置。带钢边部扫描的精度为1mm。通过确定的带钢边部位置，并根据板形测量辊两个边部测量区的张应力数据，可以更准确地得到带钢边部的内部残余张应力。带钢边部补偿计算如式(3-5)： (3-5)式中，为带钢边部覆盖于板形测量辊边部测量区内的带钢宽度。3.1.3 ABB板形辊技术数据长度：1610mm直径：313mm0.5mm测量区宽度：52/26mm辊子表面材质：淬火热加工钢辊子表面承受最高温度：175 度最大包角：65 度校准速度：450r/min径向力：1500KN测量范围（力/区域）：2012500KN可检测得最小力变化/区域：1N分辨率0.5 I 带钢最大速度：3000 m/min 带钢最大宽度：1560mm 带厚范围：0.01510mm 带钢应力：10500N/mm2 带钢最大张力：750KN 3.2 BFI板形测量辊BFI板形仪采用的是压电陶瓷传感器。当有压力时，陶瓷应变片将力信号直接转变成电信号。传感器不需供电，节省了配线。选择不同级别的陶瓷应变片，就可以满足不同张力的需要。BFI测量辊，是在辊身上按照一定的位置和间距打孔，形成一定的点阵，再将传感器放在孔中，相邻检测分区传感器在圆周方向相差90度，在传感器的上边有一个帽来保护它，这样的结构使辊子与传感器结合成一体，辊身不易产生弯曲，测量值就不易受干扰。其典型的系统布置结构如图3.4所示。 图3.4 BFI板形系统结构图测量辊在转动中，沿钢带的宽度方向上，一条线上，只有一个信号给出，辊转一周，一个测量区出一个信号，但是信号之间的间隔时间很小，可以用软件来补偿，而得到平直度的实际值。测量的信号是以点阵的形式显示出来。同样，它的速度与带速同步。压电传感器产生的电荷由电荷放大器放大，以便于后面的信号处理。它固定地连接到测量辊的传感器，与测量辊一起转动。由于压电传感器围绕辊子表面以恒定的角度参差排列，最多可以将8个传感器连接到一个电荷放大器。也就是在辊子圆周上某一角度，最多可以有8个传感器位于同一条轴线上。当传感器位于测量辊包角中心时传感器的测量值最大，一个增量位置传感器用来确定测量辊的角度位置。这样，传感器测得的值以确定的时间间隔(由位置传感器的脉冲给出)到达电荷放大器。电荷放大器的输出接到AD转换器，将测量的模拟信号转换为数字信号。光电编码器将数字信号进行编码后送到PCM(Pulse Code Modulation，脉冲码调制)光耦单元，AD转换器和PCM编码器也固定安装在测量辊上，和测量辊一起转动。BFI板形仪是采用光电编耦合器引出信号，再经过解码器后，输入计算机进行运算。用这种方式来解决引出线的缠绕问题，精度较高，没有机械磨损。光耦装置为一特殊光耦装置，它由固定部分和旋转部分组成。固定部分和测量辊外的接线端子箱连接，旋转部分安装在测量辊上，和测量辊一起转动。通过光学耦合，它一方面将编码的测量信号送到测量辊外部电路，另一方面将外部电路的电源送到测量辊内部电路，提供测量辊内电路所需电源。另外，PCM光耦装置带有内设的位置传感器，该位置传感器输出两个信号，一个为记录测量辊转速的计数脉冲，一个为确定测量辊绝对角位置的同步脉冲。从PCM光耦装置输出的测量信号经过一个接线端子箱连接到电气室计算机柜内的PCM解码单元，解码后的测量信号送到板形处理计算机，用来计算和显示板形。利用板形仪控制软件，同样也可显示处理后测量值，并可绘制成3维图形。控制算法有多种，留有标准接口，可以方便地与其他系统通信。3.3 Si-Flat板形测量系统SI-Flat板形仪包含：一个用于产生真空的风机；从风机到压力平衡罐的空气管道；速控调制器(偏心轮)；带有气孔和振幅测量传感器的传感器板；用于评估计算和传动控制的电气设备。si-nat板形仪使用的传感器是涡流传感器，用它来检测带钢沿宽度方向的振幅。传感器根据以往的经验，按照中间稀，两边密，左右对称的方式布置于风机前后两侧。还可以根据实际需要对传感器的位置做适当的调整，而不需要重新编写软件。传感器上面装带孔的钢板，用于抽走气流。在孔板下面有一个旋转的调节器，用来产生空气的正弦振动。传感器置于孔板旁边。其运行是无磨损和免维护的，被测对象不会受到其它作用力的影响。Si-Flat板形仪依据带钢的周期性振动，只要测量出带钢周期性振动时沿宽度方向带钢的振幅，也就知道了带钢沿宽度方向的张力分布。带钢周期性振动是由于带钢和传感器板之间空气的周期性振荡所引起，空气的周期性振荡是由一个偏心辊的转动(周期性的打开和关闭)产生的。传感器板位于轧制线下方5mm左右，通过非接触式涡流传感器来测量带钢振幅。在风机上面有一个旋转的调节器，用来产生空气的正弦振动。调节器由可控的直流电机驱动。借助此方法，可以设定带钢振动频率，大约在310Hz之间。此频率是可以根据需要设定的。由于轧制过程中带钢本身会有振动，Si-Flat系统设定的频率必须低于有张力时带钢本身的振动频率。这样Si-Flat系统通过使用FFT快速傅里叶变换解析，在线过滤掉其设定的周期性振动频率外的其它振动，这样带钢本身的振动对测量的结果没有影响。其原理如图3.5a所示。图3.5a Si-Flat检测原理图 图3.5b Si-Flat三维外形示意图在检测时，应该使带钢的振幅为某一特定值。但由于带钢的厚度和宽度不同，如果风量不变，带钢的振幅会发生变化，不利于得到良好的检测结果。通过一台变频风机对控制的风速进行控制，就可以使得在带钢规格发生变化时，只需调整变频器，其它装置不需要做相应的调整。这样，在不同带钢的接头处，测量装置仍能保持良好的测量状态。不会因带钢规格的变化而需对检测装置做相应的调整，从而导致测量结果发生震荡。传感器通过最大长度为9 m的同轴电缆与传感器电子部件相连。这样，测量信号被转化成数字信号后，通过光纤传送到电气室。控制装置得到测量值幅值的分布后，计算出平均幅值。平均幅值的倒数和单个测量值幅值的倒数之差就是带钢张力分布的相对值。使用从测量或设定得到的单位带钢张力，可以把这些相对值转换为绝对的带钢张力差。测量值处理能根据几个测量值的设定算出一个运行平均值，用于平均值计算的测量值的数量能被设定。也可以根据带钢速度改变平均值数量如图3.6所示。经过整定的测量值可用于显示和对轧机的控制图3.7信号传输示意图。为了确保测量值和单个测量区的可比较性，对传感器进行标定十分必要。在此对每个传感器都确定一个标定因数。在调试期间，每个测量单元被标定一次。通常一个和多个传感器更换后，应重新标定。标定过程可以直接在现场进行，而不需要板形仪在生产家进行。图3.6 检测数据处理过程示意图SIFLAT板形仪有如下特点(1)不依赖速度传统的板型测量辊与轧制速度有密切关系（测量辊每转一圈得到一个测量）。由于初始道次轧制速度低，所以测量速率很低（每3s一个测量）SIFLAT是基于时间的测量，所以测量速率不依赖于轧制速度。即使轧机停止，系统也可以进行测量。对于所有的轧制速度，SIFLAT每秒可以测量10次。快速的反应时间，使控制系统能迅速纠正重要的板型误差，从而显著减少超差长度。(2)获取数据的一致性,快速性传统板型辊采用带钢宽度方向上每个测量区域分散采样,即宽度方向上各测量区域不同时取得压力值(BFI辊), 或宽度方向上各测量区域同时取得压力值,但得到的每个测量值需与同一测量区域板型辊旋转一周内其它位置的测量值取平均(ABB辊, 防止带钢短时的张力变化影响测量精度)，因此获取数据的一致性和快速性方面存在缺陷.而SIFLAT从宽度方向上所有传感器同时采集所有测量区域的测量值, 且不受短时的张力变化的影响, 因为只有与SIFLAT确定的带钢振动频率(偏心辊转速)一致的信号才用于板型测量.（3）分辨率更高本装置的结构原理及所选传感器允许传感器的安装间隔小于传统的测量辊。其它系统都限制传感器直径大于25mm，SIFLAT的传感器直径只有18mm。所以，板型的测量分辨率可以更高，在边部时尤为重要。传感器的布置可以根据每个车间情况分别选择。在典型的应用中，传感器间距为12mm。（4）测量范围广板型辊需要装备压力传感器，并且压力传感器的设计必须可以测量最大的压力（最大带钢张力）。对于最薄规格的产品，轧制时带钢张力最小，传感器的受力就非常小。同一个传感器所需测量的最大