拉矫机的延伸率控制.doc

摘要河北联合大学轻工学院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY毕业设计说明书将其修改为实际的论文提交日期，不用此信息时，删除此框。将其修改为实际的论文提交日期，不用此信息时，删除此框。论文题目：拉矫机的延伸率控制学生姓名：学 号：专业班级：学 部：指导教师： 副教授 2012年05月20日- V -摘 要拉矫机延伸率控制摘 要冷轧薄板属于高附加值钢材品种，是汽车、机械、建筑、电工电子、食品等行业必不可少的原材料。平直度是衡量冷轧带材产品质量的重要指标之一，随着用户对带材平直度要求的不断提高，带材平直度的控制和改善显得日益重要。拉伸弯曲矫直技术是消除带材板形缺陷，改善带材质量的重要途径。由于拉伸弯曲矫直过程涉及拉弯、弹复变形等多方面问题十分复杂。延伸率是拉弯矫直过程中重要的形变标准，如何准确对其进行控制就是一个十分关键的问题。因此对其展开研究，具有重要的理论和实际意义。本文介绍了连续拉伸弯曲矫直技术的产生与发展过程，分析了拉伸弯曲矫直的原理和特点，阐述了延伸率的定义和产生的原因，详细论述了延伸率自动控制系统的基本原理和具体实现方法。结合某公司拉伸弯曲矫直机组项目的设计要求，对延伸率自动控制系统做出了设计、调试。通过现场调试和正常生产，证明了这种控制方式的优越性和实用性。最后，阐述了拉弯矫直机组在现场运行中存在的一些不确定因素对延伸率控制的影响,给出了现场的调试结果，找出应用的不足之处和改进方法。关键词：带材；拉伸弯曲矫直机；延伸率自动控制AbstractSTUDY ON AUTOMATIC ELONGATION CONTROLSYSTEM OF WIDE STRIP TENSION LEVELINGABSTRACTCold sheet metal is a product that yield a high added value, and the essential raw materials of automobile, machinery, construction, electronic, food and other industries. Flatness is one of the most important factors when evaluating the quality of cold rolled strip. It is very important to control and improve the flatness of strip to meet the continuous increasing demand for the good quality. The tension leveling technology is one of the important methods to eliminate shape defects and improve the quality of strip. Because the course of tension leveling referred many questions of tension leveling and elasticity resume and so on, the distortion is extremely complicated. Elongation rate is the most important parameter of the course. how to control this parameter become the key. So the research of this paper has very important Significance of academic and practical.This article discusses the development, principle, character of tension leveling technology, gives definition of elongation, analyzes the control mode and basic principles of automatic control of elongation on detail. With further study of Automatic control of elongation systems and designing requirements of 1450mm tension leveling project in FuJian Casey Steel plant, we also improve this control model and debugging in the field. With half three months debugging, the mill puts into production normally. It fully indicates the superiority and practicability of this control method.Finally, it discusses the influence on the system performance which was caused by the existing uncertain factors in the field and finds out the the shortage of it and also shows the method to improvement.KEY WORDS: strip；tension leveling；automatic control of elongation目 录目 录拉矫机延伸率控制I摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 绪论11.1 引言11.2 关于冷轧带钢板形的介绍11.3 带材矫直技术的发展31.4 课题研究的意义和主要内容51.4.1 本课题研究的意义51.4.2 本课题研究的内容6第2章 拉伸弯曲矫直机组的工作原理及组成72.1 拉伸弯曲矫直原理及特点72.1.1 拉伸弯曲矫直原理72.1.2 连续拉伸弯曲矫直技术优点92.2 1450mm 拉伸弯曲矫直机组设备及参数92.2.1 拉伸弯曲矫直机组的主要性能指标92.2.2 主要组成设备及其参数92.3 拉伸弯曲矫直机组生产工艺流程13第3章 拉伸弯曲矫直机的延伸率控制173.1 延伸率控制的基本原理173.1.1 延伸率的定义及影响延伸率的因素173.1.2 延伸率控制的基本原理183.2 延伸率的选择与检测193.2.1 延伸率的选择方法193.2.2 延伸率的检测方法203.3 张力辊的控制方法213.3.1 张力辊组的张力放大原理213.3.2 张力辊的动态负荷分配243.4 延伸率控制器的原理263.4.1 延伸率控制器的原理263.4.2 延伸率控制程序的编写263.5 开卷机与卷取机的控制343.5.1 概述353.5.2 张力转矩363.5.3 损失转矩373.5.4 动态转矩403.5.5 卷径计算47第4章 1450 mm 拉伸弯曲矫直机组自动控制系统494.1 1450 mm 拉伸弯曲矫直机组PROFIBUS-DP 网络504.1.1 PROFIBUS-DP 的介绍504.1.2 1450mm 拉伸弯曲矫直机组的PROFIBUS-DP 网络组成514.2 1450 mm拉伸弯曲矫直机组的PLC 控制系统514.2.1 PLC 的定义和特点514.2.2 PLC 控制系统的基本结构524.2.3 PLC 的基本结构524.2.4 1450 mm 拉伸弯曲矫直机组PLC 控制系统534.3 1450mm拉伸弯曲矫直机组传动系统554.3.1 传动系统结构554.3.2 逆变器的选型564.3.3 6SE70 变频装置主要调试步骤574.4 上位机画面设计及其功能614.4.1 上位机的硬件组成与InTouch 概述614.4.2 上位机画面构成与作用62第5章 延伸率自动控制系统的现场应用和分析665.1 延伸率自动控制系统现场调试结果665.1.1 延伸率自动控制系统现场应用及主要性能指标665.1.2 现场影响延伸率控制精度的因素685.2 延伸率控制系统的改进方案68结论70参考文献71谢辞74 第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言我国作为钢铁大国，钢产量近4 亿吨，但是总体上来说还远不是钢铁强国。近几十年来我国宏观经济发生了重大变化，买方市场已经基本形成，内需不足问题日益突出。与此同时由于自主开发创新能力弱，工业发展缺少新技术的支撑，高技术含量和高附加值产品的开发滞后，生产能力明显不足。比如，二十世纪90 年代以来，我国高技术产品贸易一直保持逆差，1994 年最高达到142.6 亿美元。就是在国内生产规模很大的时候，一些产业的主体设备和技术也严重依赖进口。我国作为钢铁生产大国，年产钢已经突破2.7亿吨，且已出现产品严重积压和价格走低现象，但冷轧薄板、冷轧带钢、冷轧硅钢、镀锌板、不锈钢薄板等技术含量高、附加值高的生产用材则严重短缺。由于冷轧板带的消费市场前景广阔，应用极其广泛，其产量占轧材的比例逐年不断攀升。但与国外相比，差距还是很大。世界上美、俄、日等主要产钢国家，冷轧板卷占轧材总产量的比例大都在30% 以上，而我国冷轧板卷占轧材总量比例仅为4%，每年都需要大量进口冷轧板卷，自给率仅达40% 左右。目前国内需要的高精度带材主要依赖进口的局面与轧制控制技术落后有关。目前美国等发达国家不仅大力推进薄板坯连铸连轧生产线的建设，生产低成本薄规格的热轧宽带钢，同时还加速建设和改造冷轧宽带钢轧机，扩大冷轧宽带钢和涂镀层板等高附加值产品在钢材生产中的比例。建设冷轧宽带钢轧机模式多样化，例如美国近年来除新建和改造冷轧宽带钢连轧机组外，还大量在新建的薄板坯连铸连轧生产线后建设现代化的高产量高效率的单（双）机架可逆式轧机，形成冷轧宽带钢生产模式，节省了中间退火环节，降低了成本。从经济角度来看，随着社会发展和科学技术的进步，用户对钢材的质量、品种、性能的要求也越来越高，其指标要求已达到一个相当高的程度。钢材质量的高低已经直接影响到了企业的经济效益。1.2 关于冷轧带钢板形的介绍带钢是国民经济各部门中最广泛使用的钢材，钢板按其厚度可以分为两大类，即厚板和薄板，尺寸范围如下表所示：表1.1 钢板分类 板带材主要用于冲制各种零部件，因此除要求钢材的性能均匀一致外，对钢 材的几何精度也有特殊的要求，以利于提高冲模寿命和冲压件的精度。衡量冷轧板带钢几何精度的两个指标是：板形和厚度。轧制带材的板形包括横向凸度（Crow）、平直度（Flatness）、边部减薄量（Edge-drop）三项内容。 横截面凸度表示带材宽度中心与指定的边部的厚度差。边部减薄量表示带材边部区域内指定的某两点的厚度差。板形平直度表示带材在自然状态下的平直性，它表现为带钢全长沿宽度方向上的不均匀延伸，从而造成带材全长沿宽度方向不均匀的内力分布，在带钢的外观上表现为各种瓢曲浪形。目前，厚度控制技术已能将厚度差稳定地控制在成品厚度1%或5m 甚至是2m 的范围以内，横截面的凸度一般控制在1020m 的水平。平直度不良成为板形不良的主要表现形式。因此，当前提及板形不良一般都是指平直度不良。a-侧弯 b-中浪 c-边浪 d-长度方向瓢曲 e-宽度方向瓢曲图 1.1 金属带材产品的缺陷冷轧带材的平直度不良的主要缺陷如图1.1所示。沿板带宽度某个部位出现纵向局部延伸现象，在带材表面产生浪形，统称形状不良。浪形在板带中部出现的叫中间波，在边部的叫边波，纵向纤维长度沿板宽方向变化引起带材以其纵截面的X轴为中性轴的连续弯曲叫侧弯，俗称镰刀弯。产生形状不良的原因：1. 工作辊及支撑辊的辊形设计不当；2. 工作中轧制条件的突然变化；3. 工作中轧制板材来料形状突然变化。这三方面原因都可能引起轧制过程中辊缝形状偏离轧材形状。一旦偏离，沿带材宽度方向压下量变化，相应位置的纵向纤维延伸量不等，相邻纤维之间互相牵制，产生了内应力较短的纤维受拉，较长的纤维受压，当这个内应力大到一定数值时，受压的长纤维失稳，形成局部瓢曲，出现浪形。另外，当带材纵向厚差较大时，张力卷取也可能造成形状不良。1.3带材矫直技术的发展近年来，金属带材的冷、热轧技术进步已经在很大程度上改善了带材轧制的平直度，但是仅仅依靠轧制工艺无法满足汽车和家电等行业对带材平直度的要求，因而，在金属带材生产工艺中，通过板形矫直技术来改善金属带材的平直度的一个必不可少的工艺过程。金属带材矫直机按矫直方式可分为辊式矫直机、张力矫直机、连续张力矫直机和连续拉伸弯曲矫直机等四类，如图1.2所示。图1.2 带材的不同矫直方式在金属带材生产中式矫直工艺的历史最长，广泛用于矫正多种规格、材质的金属带材,辊式矫直机一般都配置了11辊到21辊甚至更多更细的矫直辊。在矫直带材时，通过调整矫直辊沿带材宽度上的弯曲度，改变压下量和倾斜矫直辊座，使带材的中间浪和边浪等不良板形获得部分矫直。但是，由于其结构和矫直工艺的局限性，对厚度为2mm 以下的薄板矫直十分困难，对0.5mm 以下的高强度合金带材的边缘浪形和中间瓢曲等三维形状缺陷几乎无法矫正，而且，这类矫直机还要求操作者具有熟练的技术，矫直速度一般不高于250m/min 。尽管现代化的辊式矫直机作了许多改进，如增加变凸度等，但对严重的瓢曲和镰刀弯仍然得不到理想的矫直。张力矫直，即单张钳口式拉伸矫直，方式矫正带材时，将带材两端夹紧并且拉伸达到矫直的目的。这是一种十分费时的方法，工作效率低，同时由于带材的端部要夹紧，在钳口处存在着板带沿宽度方向的厚度不均，加之设备制造精度问题，往往出现夹紧时带材受力不均的现象，使矫直效果不佳，并且会造成大量的废料头而降低成材率。连续拉伸矫直方式是为了克服上述缺点在两个张力辊之间进行连续拉伸矫直的方法。但其仍然存在某些缺点。如带材受到超过屈服极限s 的拉伸，需要很大的矫直张力，尤其是厚而宽的带材，需要消耗大量的能量，对传动装置要求极高，在矫正脆性材料和屈服极限与断裂强度接近( s = b ) 的材料时容易断带。1938 年，美国Wallingford 钢铁厂为适应板带产品由单张向成卷的发展，首先建立了能成卷形式矫直带材的生产线。为提高矫直效率，先后在机列中增加了出口和入口张力辊组，使带材在更高的张力水平下以更高的速度运行。Hessenber 和Klenz 于1951 年和1956 年在美国相继提出利用张力弯曲拉伸板带材的专利。1961 年，英国有色金属研究所P.Brock 提供实验装置，1965 年，美国Polakowski 和Bachinsky 两人发表了使用浮动工作辊装置的报告，引起了广泛注意。以后这种方式被矫直机生产厂采用并在实际中应用，终于研制出了连续式拉伸弯曲矫直机。拉伸弯曲矫直机发挥了连续拉伸矫直和辊式矫直两种工艺的优点，又打破了其局限性。带材被工作辊反复弯曲的同时又在出入口张力辊组附加的张力作用下被拉伸，带材的拉应力和弯曲部分的弯曲应力的叠加作用使带钢的中性层向受压缩一边动,使中间层产生塑性应变。通过调整带材所受的张力和工作辊的啮合量来改变带材板形。由此可见，连续式拉伸弯曲矫直技术是在拉伸矫直和辊式矫直的基础上问世的，发挥了两种工艺的优点，又打破了其局限性。具有以下特点：1. 能够矫正带材的波浪弯、瓢曲、镰刀弯等三维形状缺陷；2. 与辊式矫直机相比，其结构简单，重量轻，维修方便，操作容易，而且弯曲辊组和矫平辊组均是从动辊，与带材同步运动，不会因打滑而擦伤表面；3. 拉伸弯曲矫直机组中带材的张应力小，不会断带，也不会影响带材质量，能耗小；4. 用于酸洗机组中，不但能改善板形，同时可获得有效的破鳞效果，从而降低酸液消耗，提高生产效率及带材质量，用于热镀锌机组，可以使锌花更细致，镀层更均匀；5. 带钢退火后进入拉伸弯曲矫直，减小或消除退火屈服平台（即屈服点延伸yield point elongation ）机械性能和板形有了明显改善；6. 适用于几乎所有的带材加工作业线，矫正厚度范围广，尤其是厚度0.1-1mm 的薄带效果更好，而且矫直速度高，一般工作速度为30700m/min，最大可达1000m/min。1.4课题研究的意义和主要内容1.4.1本课题研究的意义拉弯矫直过程中带钢的厚度和宽度变化很小很难准确计量因此常用延伸率来度量带钢的拉伸程度。延伸率计算公式如下:式中，为延伸率；为单位时间通过入口处的带钢长度，m； 为单位时间通过出口处的带钢长度，m 。延伸率是拉伸弯曲矫直生产中控制带钢力学性能的唯一形变指标，因此延伸率调节是工艺质量控制的重要内容，而且不同用途、不同厚度的带钢要使用不同的延伸率。因此在拉弯矫直过程中必须合理设定延伸率，使板带材有适当的变形，才能得到较好的板形。从消除板形缺陷的角度来看，带材的延伸率必须大于来料板形波浪的相对长度差，否则板带材的浪形不可能得到彻底的消除。但是从钢带的结构性能来说延伸率又不宜过大，因为延伸率过大会降低轧件的结构性能，使带钢变硬变脆。所以选择合适的延伸率显得相当重要。在拉弯矫直过程中，为了使金属带材产生一定的延伸率，矫直张力和弯曲辊啮合量可以在一个较大的范围内组合。操作工人往往根据自己的习惯、经验来制定工艺参数，这样不仅费时而且往往不够精确，其结果可能引起带材延伸率不足或过大、断带、能耗过大、功率分配不均、张力辊打滑等众多问题。同时，随着材料和规格的变化，操作工人的经验往往不能满足客户的要求。由此可见，对金属带材连续拉伸弯曲矫直过程中延伸率的自动控制系统进行深入的研究，具有十分重要的意义。1.4.2 本课题研究的内容本论文是以某公司板带项目“1450 m m拉伸弯曲矫直机组”为背景对拉伸弯曲矫直机的延伸率自动控制系统进行研究。该项目电气控制系统采用了德国Siemens 公司原装生产的6SE70 系列全数字交流调速器，以SIMATIC S7-300 系列PLC 为控制核心，两者间通过PROFIBUS-DP 实现数据的高速传送。本系统上位机主要使用了组态软件InTouch 完成人机界面程序与PLC 在结构和功能上形成了一个有机的控制系统。本课题的主要内容是研究拉伸弯曲矫直机延伸率控制系统中的核心部分，由PLC、上位机和变频器组成的计算机控制系统。具体内容有:1研究连续拉伸弯曲矫直机对带材拉伸的原理与特点；2具体分析研究延伸率自动控制系统的控制方法，并在此基础上，结合具体项目，得出了控制系统设计方案；3根据现场调试过程，着重叙述了延伸率自动控制系统在1450 m m拉伸弯曲矫直机组中的实现和应用；4总结了延伸率自动控制系统的实际应用经验，提出以后在这个问题上的研究和发展方向。- 7 -第2章 拉伸弯曲矫直机组的工作原理及组成第2章 拉伸弯曲矫直机组的工作原理及组成2.1拉伸弯曲矫直原理及特点2.1.1 拉伸弯曲矫直原理 (a) 单纯弯曲 (b) 拉伸弯曲图2.1带材在弯曲辊上弯曲的应力变化二十世纪六十年代到七十年代初出现了拉伸弯曲矫直设备，从这种矫直设备的外形结构上看可以说是辊式矫直机和拉伸矫直机的复合形式。但实际上它的矫直过程与这两种矫直过程存在着本质的区别。拉伸弯曲矫直时附加张力带材的弯曲状态与单纯弯曲状态下的带材有明显的差别。在单纯弯曲时无论弯曲如何剧烈，带材上半纵向截面纤维的拉伸变形总是与下半纵向截面纤维的压缩变形对称，发生的带材的中性层与纵向截面的几何轴线，即中间层处于同一位置不会产生偏移。带材弹复以后，纵向截面上虽然存在残余应变，但中间层不会产生延伸。附加张力的带材在弯曲时则不同，由于张应力与弯曲应力相互叠加，使纵向截面上的拉伸应力区扩大压缩应力区减小，因而带材中性层将向弯曲曲率的中心方向偏移。图2.1b表示了带张力带材经过一个弯曲辊剧烈弯曲时各个纵向截面上应力分布的变化。由图可以看出带材经过弯曲辊时其弯曲曲率是逐渐加大的其变化规律近似呈双曲线形状, 因而带材表层的应力也逐渐加大。在0-2段带材处于弹性变形状态。此后表层应力超过屈服极限进入弹塑性变形状态。在断面4的位置弯曲最为剧烈。从图中可以看出带材断面的中性层是明显偏移了的中性层偏移值为Zn。图2.2 绘出了上述弯曲过程中断面的应力和与之相对应的应变的变化由应力分布图可以看出，带材张力引起的拉伸应变是T。带材弯曲时原来的A0A0截面转至A1A1截面。带材进入弹塑性弯曲阶段位置3、4以后由于中性层偏移带材中间层引起带材远离辊子一侧的拉伸应变明显增大，并且中间层的应变 c 大于纯拉伸应变T。在位置4,由于弯曲变形曲率最大C值也达到最大值。带材经过辊子后将产生弹复。由于此时张力仍然存在，因而只是弯曲变形的弹复。A3A3截面围绕中间层弹复，中间层的拉伸应变c变得以保留。弹复后的残余曲率将是下次反向弯曲时的原始曲率。经过几次拉伸状态下的弹塑性正反反复弯曲带材产生均匀的塑性延伸。带材瓢曲或有边缘浪形的部分所受的张应力均小于平直的部分反向弯曲时产生的值也小于平直部分。因而带材经过拉伸弯曲矫直以后其三维形状缺陷得以顺利消除。图2.2 带材拉伸弯曲时纵向截面上的应力和应变2.1.2连续拉伸弯曲矫直技术优点 拉弯矫直机的根本特点便是能在张应力水平远低于材料屈服极限的情况下而使带材产生了塑性延伸，一般只需要 (0.1-0.3s)。而且只有在矫直辊作用下的很小一段带材是处在塑性状态而在张力辊之间的其余部分仅产生弹性变形。即使在带材产生塑性变形的区域内，也总是只有一小部分带材截面处于塑性变形状态，不容易出现在带材边部的缺陷处带材断裂的危险。所以拉弯矫直的方法特别适用于薄板材，带材在矫直前不再需要切边，而且其所能达到的延伸率能达到并超过单纯拉伸矫直时的延伸率。此外，因为所需要的矫直张力比单纯拉伸矫直时小得多因此张力辊组需要输出的转矩也相应地较小，从而减小了拖动电机的功率，降低了设备成本。2.2 1450mm 拉伸弯曲矫直机组设备及参数2.2.1拉伸弯曲矫直机组的主要性能指标：1. 机组最大线速度： 220m/min2. 张力辊最大转速：100r/min3. 入口最大张力：12KN4. 矫直段最大张力： 99KN5. 出口最大张力： 37KN6. 穿带速度： 25m/min7. 带钢最大刚度：300MPa8. 最大宽度度： 1320mm9. 厚度范围： 0.15mm -0.75mm10. 张力辊张力放大系数：2.06(max)2.2.2主要组成设备及其参数 2.2.2-1开卷机： 开卷机一台布置在机组最左端。其主要作用是为机组提供原料钢带并与入口张力辊组形成一定张力。设备组成为电动机、减速箱、卷筒和压辊、自动对中装置。开卷机卷筒为悬臂液压四棱锥结构。开卷机设有机座浮动液压缸 通过CPC装置控制浮动缸的动作从而实现开卷机自动对中。 基本参数： 1.型式：悬臂式浮动开卷机带活动外支撑带碟式刹车。 2.钢卷规格内径：508mm ，外径:max1900mm，min1000mm 3.开卷机传动：交流变频电机：22kw，工作电压380V。 带增量型编码器，型号PB1024Z5/28P25X3PR，工作电压DC24V， 1个。 4开卷机外支撑，液压缸驱动。 5.上卷小车：液压缸控制钢卷升降，最大卷重 ：25t。 2.2.2-2 张力辊组 本套拉弯矫直机组共设有8根张力辊按照位置分为两组每组4根分别位于矫直段两侧。矫直段左侧靠近开卷机的一组是入口张力辊组，其主要作用是控制矫直段张力；矫直段右侧靠近卷取机的一组是出口张力辊组，其主要作用是控制拉弯矫直机组速度。 基本参数： 1.型式：防滑胶面张力辊带气动压辊。 2.规格：本项目中第18张力辊规格相同，如下： 辊 径： 700mm 辊 身 长： 1450mm3.张力辊传动系统：1#张力辊 传动电机：功率30kW，额定转速1470r/min，额定电压：AC380V ，数量1；2#张力辊 传动电机：功率45kW，额定转速1470r/min，额定电压：AC380V， 数量1；3#张力辊 传动电机：功率75kW，额定转速1470r/min，额定电压：AC380V ，数量1；4#张力辊 传动电机：功率110kW，额定转速1470r/min，额定电压：AC380V ，数量1；出口1#张力辊 传动电机：功率135kW，额定转速1470r/min，额定电压：AC380V ，数量1；出口2#张力辊 传动电机：功率90kW，额定转速1470r/min，额定电压：AC380V， 数量1； 出口3#张力辊 传动电机：功率75kW，额定转速1470r/min，额定电压：AC380V ，数量1； 出口4#张力辊 传动电机：功率45kW，额定转速1470r/min，额定电压：AC380V ，数量1；每根张力辊均配有增量式编码器：PB1024Z5/28P25X3PR 图尔克 DC24V ，数量1。 2.2.2-3弯曲矫直辊组 本课题所研究的拉伸弯曲矫直机是由两组弯曲辊和两组矫直辊组成的。弯曲辊单元有多对小直径弯曲辊（辊系），它的作用是使带材在张力作用下，经过剧烈的反复弯曲变形达到工艺要求的延伸率。矫平辊单元有多个矫平辊（辊系），它的作用是将剧烈弯曲后的带材矫平，消除多次弯曲以后形成的纵向卷弯和横向拱弯。由于弯曲辊和矫平辊的直径很小，因而它们多由一组支承辊支承组成辊系以增加刚度。本套机组的两组弯曲辊和两组矫直辊均为非传动特殊结构的上下辊组。配有上辊组的中心高度调节装置和倾斜调节装置；下辊组可以通过驱动电机上下移动，并且就有可记忆自动定位功能。根据被矫带材的材质、板厚、板形等不同可选用不同的辊缝及咬入角使带材在张力的作用下，通过弯曲矫直机时产生不同的纵向拉应力与横向弯曲应力从而达到改善板形的目的。 主要参数： 1.规格： 弯曲辊辊径：25mm 辊身长：1550mm 中间辊：共两根 辊径：35mm 辊身长：1550mm支承辊：8套/列，共3列 辊径： 65mm 辊身长 ： 152mm上矫直辊：辊径：50mm 辊身长：1550mm 下矫直辊：辊径：70mm 辊身长：1550mm2.下辊组的升降及定位装置： 传动电机：额定功率:5.5Kw，额定电压：AC380V，数量4个。下辊组精确定位：绝对值编码器，工作电压DC24V,型号8.5882.1621.2002,数量4个。 2.2.2-4切边剪 本套机组配有两套切边剪，分别位于矫直段两侧。在拉弯矫直过程中，与钢带同步运行，对带钢边部进行修剪，改善带钢质量的同时通过调节切边剪剪刃开口度精确调整剪掉的废边钢带宽度从而实现对带钢精确定宽。 2.2.2-5废边卷取机 本套机组配有两套废边卷取机，分别位于矫直段两侧。在拉弯矫直过程中，负责收集切边剪剪掉的带钢废边。两个卷筒分别由一台变频电机驱动，电机功率：5.5kW采用转矩控制方式，使带钢在废边卷筒和切边剪之间形成一定张力。 2.2.2-6卷取机 卷取机一台布位于机组最右端端。其主要作用是收集拉弯矫直后的带钢成品并与出口张力辊组形成一定张力。设备组成为：电动机、减速箱、卷筒和压辊、自动对中装置。卷取机卷筒为悬臂液压四棱锥结构。卷取机设有机座浮动液压缸，通过EPC装置，控制浮动缸的动作，从而实现卷取机自动对中。 基本参数 ：1、 型式：悬臂式可涨缩卷筒 2、 钢卷规格：内径：508mm 外径：max1900mm3、卷取机传动：交流变频电机：110kw，工作电压380V。带增量型编码器，型号PB1024Z5/28P25X3PR，工作电压DC24V，1个。4、卷取机外支撑由液压缸驱动。 5、卸卷小车：液压缸控制钢卷升降最大卷重 25t。2-2-2-7液压系统 液压系统主要作为电动、气动之外的其它机械动作的动力源。如卷取机卷筒的涨缩小车的升降、横移等都是由液压操作实现的。 1. 液压站主电机：功率30kW，转速1470r/min，工作电压AC380V， 共3台（两用一备）。 2. 系统工作压力：12Mpa。3. 加热器，用于液压站油箱加热。功率3kw，工作电压AC220V。 4. 液压介质：液压油L-HM46；2.3 拉伸弯曲矫直机组生产工艺流程拉弯矫直的工艺过程主要由开卷、入口剪切、焊接、拉弯矫直、涂油、出口剪切和卷取七个过程组成。其中，拉弯矫直是主要加工过程，而开卷、剪切、焊接等是辅助工艺。拉弯矫直机组示意图如图2.3所示。 冷轧或退火后需要进行拉弯矫直的原料钢带经检查确认后，由吊车运至开卷机前放置台上，等待上卷。上卷小车将钢卷从放置台运送到开卷机前，液压上升装置将钢卷抬至和开卷机的卷筒轴线一致位置后，小车继续前移，使开卷机的卷筒套入钢卷中空内，然后开卷机的卷筒涨开使钢卷孔与开卷机卷筒紧密贴合，保证其能随开卷机的卷筒转动并且不发生打滑现象。闭合外支撑，上卷小车上升装置下降，小车返回到放置台处，等待下一个钢卷。卷筒涨紧钢卷后，压辊压紧钢卷，然后开卷机和压辊开始向前联动，带钢头部经由引料导板进入夹送辊，夹送辊夹紧带钢并开始转动，将带钢头部送至入口液压剪处，切掉带钢头部不合格的部分为下一步焊接做准备，因为在轧制或者退火的过程中带钢头部的质量很难保证，而且在钢卷运输过程中带钢头部也极易受到损坏，如果不将其剪掉会影响焊接质量。切头后的带钢由夹送辊送至焊机区，焊机把前一个钢卷的尾部和后一个钢卷的头部焊接在一起。焊接的主要目的是避免重新穿带提高生产效率。 焊接完成后，开卷机与卷取机建张，8个张力辊同步点动运行，将焊缝点动至出口液压剪处。点动期间矫直段的张力为开卷机张力，保证点动期间带钢不发生打滑跑偏现象，同时防止因张力过大撕裂焊缝。全线停车撤张后在焊缝处剪断带钢，点动卷取机将带尾拖至卷筒合适的位置并用胶带固定。卷取完毕，卷筒缩回，外支撑打开，控制卸卷小车进行卸卷，其过程与上卷相反。卸卷完成后，钢卷由电动平车送到成品场地进行包装入库。当前一个钢卷由卷筒卸下后，卷取机外支撑闭合，卷筒涨开，助卷器摆进到位，做好下一次卷取的准备。然后，联合点动张力辊组、出口段的夹送辊和卷取机，将下一卷带钢的头部通过皮带助卷器送入卷取机进行卷取，卷取五至六圈后停止点动，全线建张，皮带助卷器自动松开，机组准备正常运行。拉伸弯曲矫直机组在正常工作之前，操作人员根据在生产实践中积累起来的经验，按照材料强度、带钢来料厚度、带钢宽度和板形状况的不同等级在HMI中预先设置带材的延伸率。机组运行速度，开卷机和卷取机张力，以及弯曲辊和矫直辊的切入深度等参数。在拉弯矫直过程中，操作人员可以根据实际拉弯矫直效果和张力辊的转矩输出情况对预先设置的上述参数进行修正，不需要停车。弯曲辊和矫直辊的切入深度是由下辊组升降机构的电机控制的，可以分别点动或低速调整，每个辊组的下降停止位置只设定一个，上升位置根据需要可以不相同，编码器记忆调整后的位置，以保证辊组下降后再升起时自动复位。接近开关限定最高上升位置以防止编码器故障时损坏设备。正常运行时入口张力辊组S1产生向后张力，即开卷机方向，出口张力辊组S2产生向前张力，即卷取机方向。出口1#张力辊是出口张力辊组S2的主辊，同时也是全线的速度基准，入口4#张力辊是入口张力辊组S1的主辊，其输出转矩的大小决定着矫直段张力的大小。 当开卷机上的钢带将要用尽时，全线减速，并减小延伸率，使矫直段的张力减小，在带尾离开开卷机卷筒的瞬间，全线停车，弯曲辊组和矫直辊组的下部各辊组下降至设定位置（编码器控制）上辊组位置不变。点动张力辊组将带尾送至入口液压剪处，剪掉带尾不合格的带钢，为焊接做准备，然后将带尾点动送至焊机处，等待与下一卷的带头进行焊接，开始下一卷的生产。 在正常生产过程中，根据用户对宽度的需要以及带钢边部的板形情况，可以利用切边剪对带钢的边部进行剪裁。通过手动操作按钮，可以调整切边剪重叠量的多少进而控制剪切量。切边剪的线速度与带钢运行速度实时保持一致，在生产线的两侧设有两个废边卷取机，收集剪下来的边部废料。两台废边卷取机分别由两台力矩电机驱动，可以根据带钢的型号手动设定力矩的大小。本套拉弯矫直机组还配备了静态涂油机，位于出口张力辊组和出口剪之间，其作用是对拉弯矫直后的带钢进行涂油，防止带钢在存放或运输过程中生锈。 - 17 -第3章 拉伸弯曲矫直机的延伸率控制第3章 拉伸弯曲矫直机的延伸率控制3.1延伸率控制的基本原理3.1.1延伸率的定义及影响延伸率的因素延伸率是指材料在拉伸后，伸长量与原始长度的百分比。即 (3-1)式中,为延伸率；为拉矫前钢带长度, mm； 为拉矫后钢带长度, mm； 由拉伸弯曲矫直原理分析可知，在拉伸弯曲矫直时，影响带材延伸率的主要因素是：带材弯曲曲率和矫直张力。弯曲曲率又是由弯曲辊与矫直辊径及其切入深度决定的，工作辊切入深度是由下辊座升降电机通过蜗轮蜗杆以及传动丝杠调节，对某些需要精细调节的工作辊还可以用手轮微量调节。在工作辊直径确定的前提下，金属带材拉伸弯曲矫直工艺的主要因素便转化为矫直张力、矫直辊切入深度。图3.1 矫直张力与弯曲辊插入深度的关系矫直辊切入深度和矫直段张力的增加都有利于带钢的延伸，同时在延伸率一定的情况下，矫直张力与矫直辊切入深度成反比如图3.1所示。因此达到一定的带材延伸率就有许多种矫直张力和矫直辊切入深度的组合方案，但是经生产实践证明拉弯矫直的理想工艺情况应该是: 小张力、大弯曲。因为较低的张力不容易发生断带，有利于提高生产效率，同时也有利于降低拖动电机的负载，节约能源。但是也需要指出，弯曲辊与矫直辊的切入深度也并不是越大越好，切入深度过大，带钢挠曲增加，将引起新的不均匀延伸。其次，当切入深度达到一定位置后，包缠角的增加将不会使弯曲应力发生大的变化，因此弯曲矫直辊的切入角度调整范围一般控制在1030。3.1.2延伸率控制的基本原理 当前拉矫机的延伸率控制方法主要包括，延伸率直接控制法和延伸率间接控制法。延伸率直接控制法，是在带钢弯曲曲率一定的情况下，对矫直段两侧的张力辊采用速度控制，通过控制其速度差值的大小来控制延伸率。这种方法思路简单，但是在实现过程中存在很多问题。最主要的问题是在转速的控制过程中，很难准确的控制电机的输出转矩，所以很容易造成矫直段的张力发生波动，导致张力辊打滑，延伸率失控。延伸率间接控制法主要通过矫直张力自动调节控制延伸率。在拉弯矫直延伸率控制过程中，矫直张力最为重要也最为活跃，却最不直观。本套拉弯矫直机组的延伸率控制系统采用矫直张力自动调节的方式来控制延伸率，它的基本原理是实时检测带钢的延伸率，然后和给定的延伸率进行比较，当反馈延伸率大于给定延伸率时，减小矫直张力；当检测值小于给定值时，加大矫直张力。从而实现恒延伸率控制。其原理图3.2所示图3.2延伸率控制框图3.2延伸率的选择与检测3.2.1 延伸率的选择方法延伸率是拉弯矫直过程中控制带钢力学性能的最重要变形指标，因此延伸率调节是工艺质量控制的重要内容。不同用途、不同厚度、不同板形状况的带钢要使用不同的延伸率，使板带材有适当的变形才能得到较好的板形。从消除板形缺陷的角度来看，拉矫时带材的延伸率必须大于来料板形波浪的相对长度差，但是若延伸率过大，又会降低轧件的结构性能。所以选择合适的延伸率显得相当重要。 延伸率的大小是由来料的材质及所要求的成品平直度决定的。被矫直带材的总延伸率E 主要包括以下几部分：1.矫平带钢的浪形所需要的塑性延伸率E1， (3-2)、为带钢波浪的波高和波长，mm。2.矫平带钢的镰刀弯所需要的塑性延伸率， (3-3)为带钢的宽度为，、带钢镰刀弯的长度和高度。3、为了消除浪形和镰刀弯，在拉伸时还要加入0.1 0.3% 过度延伸率。4、还要考虑带钢拉弯矫直后的弹性回复量，约为，大约为0.02%，所以拉弯矫直所需的总延伸率E 为：在实际生产中，一般可以利用下表初步确定延伸率，然后根据实际生产情况进行微调。表3.1 带钢延伸率的选择原则3.2.2延伸率的检测方法通过延伸率控制的基本原理可知，只有实时准确的检测出带钢在拉弯矫直段的延伸率,才能对带钢延伸率进行准确控制。式31虽然简单直接的给出了一种延伸率计算方法，但是其只适合计算一段带钢的总延伸率，不利于实时的计算当前处于矫直段带钢的延伸率，所以在实际中一般利用拉弯矫直机组出口和入口钢带的线速度的不同来检测带钢的延伸率，方法如下： （3-2） 为带钢长度，； 为带钢线速度，；为时间, 。 (3-3) 延伸率， 矫入口钢带线速度，；出口钢带线速度，； 为时间，。由上式可知,通过拉矫机出口和入口钢带的线速度就可以检测出钢带的延伸率,在本套拉弯矫直机组,我们利用装在张力辊S1.4 和张力辊S2.1 上的旋转编码器来检测张力辊的角速度进而计算出入口、出口带钢的线速度。3.3张力辊的控制方法本套拉弯矫直机组的延伸率控制系统采用矫直张力自动调节的方式来控制延伸率,而矫直段的张力主要是由入口张力辊组S1,和出口张力辊组S2的8根张力辊产生的,其中入口张力辊组S1 总得输出转矩直接决定矫直张力的大小,出口张力辊组S2的主要作用是产生与S1 张力辊组相应张力,其方向与S1的张力方向相反,同时控制全线的运行速度。图3.3 入口张力辊组3.3.1张力辊组的张力放大原理 带材在较小的开卷张力情况下进入口张力辊组,绕张力辊身形成包角,在带材与辊面之间摩擦力的作用下,带材张力逐级放大,在S1.4 与S2.1#张力辊之间达到拉弯矫直带材所需的张力值,然后通过出口张力辊组逐级减小,在卷取段恢复到较小的张力值。这样既增大了整个机组的张力调节范围,减小了开卷机和卷取机张力值,又降低了每根张力辊上的转矩载荷，提高了张力调节精度。入口张力辊组S1 和出口张力辊组S2 的张力放大方向虽然相反,但是其放大原理是相同的。下文将以入口张力辊组为例详细分析张力辊对张力的放大原理。由图3.3 可知 （34）式中，入为入口张力，KN；为S 1.1张力辊产生的张力，KN； 为经S 1张力辊放大后的张力，KN。而S1.1#张力辊是通过其拖动电机的输出转矩产生张力的： （35）式中：为张力辊拖动电机的输出转矩，N m；为张力辊直径，m；为张力辊与拖动电机之间的减速比。所以式（34）可化为： （36）由式（36）可知在入口张力一定的情况下经S1.1#张力辊放大后的张力F1和S1.1#张力辊拖动电机的输出转矩T1.1成正比，但是这种正比关系是有上限的，根据欧拉公式可知： （37）为张力辊的最大放大系数，为带钢与张力辊面的摩擦系数， 为带钢与张力辊的包角, rad。如果F1/ F入 K max 张力辊就会出现打滑现象。所以在保证每根张力辊的张力放大倍数 K 小于 K max 的情况下，张力辊对张力的放大倍数可以通过调节其拖动电机输出转矩的方式进行调节。此套1450mm 拉伸弯曲矫直机组可以加工的带钢最大屈服极限为300MPa ，最大宽度为1320mm，最大厚度为0.75mm，所需的最大矫直张力通过下式求得： （38）式中： 矫直带钢所需的最大张力，KN； 矫直带钢的最大屈服强度,Mpa；矫直带钢所需的最大宽度，mm；矫直带钢所需的最大厚度，mm。由上式可知，矫直段的最大张力为99KN。拉弯矫直机组的矫直张力是由入口张力和入口张力辊组的张力放大倍数共同决定的，出口张力辊和卷取机的张力跟随入口张力变化，其关系如下： （39）式中：分别为S1.1 S1.4#张力辊的张力放大倍数,为入口张力辊组总得放大倍数。本套拉弯矫直机组采用入口张力恒定控制，最大入口张力F入为12KN。带钢与8 根张力辊的包角都相同,均为230即4.01rad,带钢与张力辊的摩擦系数也相同,均为0.18,所以每根张力辊的最大张力放大系数为2.06。入口4 根张力辊组总得最大放大倍数为，理论上可以产生的最大矫直张力206KN,远大于所需的矫直张力,所以只要合理的设置入口张力值,然后通过调节入口张力辊组拖动电机的输出转矩进而改变入口张力辊组总的放大倍数就可以准确得到所需的矫直段张力。3.32 张力辊的动态负荷分配3.3.2-1 张力辊的动态负荷分配的原因在实际生产过程中，即使是一种材质比较均匀的带材, 在拉伸弯曲矫直过程中, 由于板形变化等实际因素的影响, 矫直段所需的张力是不断变化