板带轧制理论与工艺-3-板带材厚度控制

板带轧制理论与工艺,主讲人邸洪双2011年04月,材料加工工程硕士研究生选修课,3板带厚度控制,3.1厚度波动的原因及厚度的变化规律,板带钢厚度波动的原因,）温度变化的影响：实质是温度差对厚度波动的影响，主要是通过对金属的变形抗力和摩擦系数的影响而引起厚度差。,）张力变化的影响：张力是通过影响应力状态，改变金属的变形抗力，从而引起厚度发生变化。张力的变化除对带钢头尾部厚度有影响之外，也会影响其他部分厚度的变化。,）速度变化的影响：主要是通过对摩擦系数、变形抗力和油膜厚度的影响来改变轧制力和压下量而引起厚度变化。,）辊缝变化的影响：轧制过程中，因轧机部件的热膨胀、轧辊的磨损和轧辊偏心等会使辊缝发生变化，直接影响实际轧出产品厚度的变化。,3.1厚度波动的原因及厚度的变化规律,轧制过程厚度变化的基本规律,带钢的实际轧出厚度h与预设定辊缝S0和轧机弹跳值DS之间的关系可用弹跳方程描述如下：,由上式绘成的曲线称为轧机的弹性曲线，如右图曲线A所示。其斜率Km称为轧机刚度，它表征轧机产生单位弹跳量所需的轧制力。,带钢的实际轧出厚度主要取决于S0、Km和P三个因素。因此，无论是分析轧制过程中厚度变化的基本规律，还是阐明厚度自动控制在工艺方面的基本原理，都应从深入分析这三个因素入手。,3.1厚度波动的原因及厚度的变化规律,轧机原始辊缝设定值S0决定着弹性曲线A的起始位置。随着压下位置的改变，S0将发生变化。在其他条件相同的情况下。,Dh1,S0,H,h1,P1,P,O1,A,B,例如因压下调整，辊缝变小，则A曲线平移，从而使得A曲线与B曲线的交点由O1变为O2，此时实际轧出厚度便由h1变为h2，Dh2Dh1，带钢便被轧得更薄。,当采取预压紧轧制时，即在带钢进入轧辊之前，使上下轧辊以一定的预压靠力P0互相压紧，也就相对于辊缝为负值，这样就使得带钢轧得更薄，此时实际轧出厚度变为h3。,Dh2,Dh3,h2,h3,O2,O3,Sa,除上述情况之外，在轧制过程中，因轧辊热膨胀、轧辊磨损或轧辊偏心而引起的辊缝变化，也会引起S0改变，从而导致轧出厚度发生变化。,3.2厚度自动控制的基本形式及原理,厚度自动控制是通过侧厚仪或传感器（如辊缝仪和压头等）对板带实际出口厚度连续地进行测量，并根据实测值与设定值比较后的偏差信号，利用控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置、张力或轧制速度，把厚度控制在允许范围内的方法。实现厚度自动控制的系统称为“AGC”（AutomaticGaugeControl）。,基本形式,根据轧制过程中控制信息流动和作用情况不同，厚度自动控制系统可分为：反馈式、前馈式、监控式、张力式和金属秒流量式等。,按照设定方式和轧机压下效率补偿环节的不同，可分为：轧制力AGC、相对值AGC和绝对值AGC。,3.2.1反馈式厚度自动控制系统,厚度差运算,厚度自动控制装置,执行机构,APC,板带从轧件中轧出之后，利用测厚仪测出实际厚度h实，,h实,并与设定值h设相比较，得到厚度偏差Dhh设h实，,当二者数值相等时，厚度差运算器的输出为零，即Dh0。,若实测厚度值与使得厚度值比较出现厚度偏差Dh时，便将该值反馈给厚度自动控制装置，,变换为辊缝调节的控制信号，输出给执行机构，由压下电动机带动压下螺丝作相应的调节，以消除此厚度偏差。,为了消除已知的厚度差Dh，所必需的辊缝调节量DS应是多大呢？为此必须找出Dh与DS关系的数学模型。,（3-1）,（3-2）,由（3-2）可知，为了消除板带的厚度差Dh，必须使辊缝移动(1M/Km)Dh的距离，也就是说，要移动比厚度差Dh还要大(M/Km)Dh的距离。因此，Km越大、M越小，DS与Dh之间的差别越小。当Km和M为定值时，则DS与Dh成正比。只要检测到厚度偏差Dh，就可以计算出为消除该厚度差应做出的辊缝调节量DS。,压下有效系数,（3-3）,压下有效系数表示压下位置的改变量究竟有多大一部分能反映到轧出厚度的变化上。增大压下有效系数对于实现快速厚度自动控制具有及其重要的意义。,增大压下有效系数的措施,增加轧机整体的刚度,厚度自动控制系统的组成,厚度检测装置,厚度自动控制装置,执行机构,厚度控制系统能否精确地进行控制，首先取决于一次信号的检测。对于热连轧来说，测厚仪可以是X射线和g射线的非接触式测厚仪。而冷连轧除采用上述两种之外，在较低速度情况下还可以采用接触式侧厚仪。,厚度自动控制装置是整个系统的核心部分，其作用是将测厚仪测得的厚度偏差信号进行放大、经过计算机的功能程序，然后输出控制压下位置的信号。,根据控制信号对板带的厚度直接进行控制。例如通过电动压下和液压压下装置调整压下位置；或通过主电机改变轧制速度，调节带钢张力，来实现厚度的控制,控制策略,由于辊缝调节量DS与厚度差Dh之间成一定的比例关系（压下有效系数C），故在自动控制系统中采用比例调节器。当轧制不同尺寸和不同材质的轧件时，因M的改变会导致M/Km的改变，故在此种控制系统中的比例系数应是可变的（通常在比例调节器中是用一个电位器进行调节，实质也就是调节它的比例度）。,时间滞后,式中,由于有时间滞后，所以这种按比例进行厚度控制的系统很难进行稳定的控制。为了防止控制过程中的传递时间滞后，因而采用厚度计式的厚度自动控制系统。,（3-4）,3.2.2前馈式厚度自动控制系统,前述的两种厚度自动控制系统，都避免不了控制上的传递滞后或过渡过程滞后，因而限制了控制精度的进一步提高。特别是当来料厚度波动很大时，更会影响实际轧出厚度的精度。为了克服此缺点，在现代化的冷轧机上都广泛采用前馈式厚度自动控制系统，简称前馈AGC。,前馈AGC不是根据本机架的实际轧出厚度的偏差来控制厚度，而是在轧制过程尚未进行之前，预先测定出来料厚度偏差DH，并往前馈送给轧机，在预定时间内提前调整压下机构，以便保证获得所需要的轧出厚度h。正是由于它是往前馈送信号，来实现厚度自动控制，所以称为前馈AGC，或称为预控AGC。,DH，Dh与DS之间的关系：,g,f,b,c,H,H1,h1,h,由右图可知：,又因为,故,（2-5）,（3-6）,3.2.3厚度计式厚度自动控制系统,厚度计式厚度自动控制系统是英国钢铁研究协会(BISRABritishIronandSteelResearchAssociation)于1955年研制成功并用于生产的。一般称其为厚度计式AGC或称为BISRA式AGC。,基本原理,厚度计式AGC的基本原理是以弹跳方程为基础。在轧制过程中，任何时刻的轧制力P和空载辊缝S0都可以检测到，因此，可以用弹跳方程h=S0+P/Km计算出任何时刻的实际轧出厚度h。在此种情况下，就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”，故把这种检测厚度的方法称为厚度计（GaugeMeter,简称GM）方法，以区别于前述的用测厚仪检测厚度的反馈自动控制方法。根据轧机弹跳方程测得的厚度和偏差信号进行厚度自动控制的系统称为GMAGC或称为PAGC。,根据轧机的弹跳方程,（3-7）,当来料厚度有波动时，由H0变为H，轧制力由P1变为P2时，轧出厚度由h1变为h2，则因来料厚度波动引起的轧出厚度的厚度偏差Dh为：,（3-8）,厚度计式AGC不是控制绝对板厚，而是以一定的厚度为基准，为了消除厚度的偏差Dh为零，而去控制辊缝的一种调节方法。,辊缝变化量与厚度偏差之间的关系：,（3-9）,3.2.4张力式厚度自动控制系统,张力AGC是根据轧机出口测出的厚度偏差。来微调机架间张力，借此来消除厚度偏差的厚度自动控制系统。,根据厚度偏差，调节轧机的速度,根据厚度偏差，调节活套机构的给定转矩,张力AGC的原理是利用前后张力改变轧件塑性曲线的斜率对板带进行厚度控制。,a,B1,H,h,h,B2,B3,P,P,b,TT0,基本原理,手段,张力变化与厚度变化之间的关系,张力变动所引起的厚度变化，可以用弹跳方程与轧制力方程的增量形式来表达,（3-10）,（3-11）,联解式（3-10）和（311），得,当辊缝保持不变时，即DS0时，则,（3-12）,（3-13）,张力调节的使用条件,采用张力控制厚度，由于可以使轧制力P不变，因此可以保持板形不变。但是，为了得到一定的厚度调节量，应有较大的张力变化。例如，欲使冷轧带钢厚度变化1.0，而张力可能就需要变化10.0。所以，为了保证轧制过程稳定地进行，以及使钢卷能卷得整齐，在厚度变化较大时，不能把张力作为唯一得调节量。,一般，张力法只用于调节小厚度偏差得情况，作为精调，或者用于因某种原因不能用辊缝作为调节量的情况。例如冷连轧机的末机架，为了保证板形，以及轧制薄而硬的带钢，因轧辊压扁严重等情况，不宜用辊缝作为调节量，往往是采用张力法来控制厚度。,热轧厚度较薄的带钢，为了防止拉窄或拉断，张力的变化也不宜过大。所以，热轧厚度控制过程中，张力法往往是与调辊缝法配合使用的。当厚度波动较大时，就采用辊缝调节的方法，而厚度波动减小时，便可采用张力微调进行厚度控制。,3.2.5液压式厚度自动控制系统,液压AGC是借助于轧机的液压系统，通过液压伺服阀调节液压缸的流量和压力来控制辊缝的位置，对带钢进行厚度自动控制的系统。,液压AGC是按照轧机刚性可变控制的原理来实现厚度控制的。,假设预调辊缝值为S0，轧机的刚度系数为Km，,（3-14）,H0,H,h1,h2,P1,P2,（3-15）,（3-16）,来料厚度为H0，,此时的轧制力为P1，,则实际轧出厚度h1应为,Km,为了消除厚度差Dh，可以通过调节液压缸的流量来控制轧辊的位置，补偿因来料厚度差所引起的轧机弹跳变化量，此时液压缸所产生的轧辊位置修正量Dx，应与轧机的弹跳变化量成正比，但方向相反。,轧机经过此种补偿后，带钢的轧出厚度差便不是Dh，而是变小了，其变化量为：,式中,（3-17）,（3-18）,式(318)是轧机刚度可变控制的基本方程。轧机刚度可变控制的实质是改变轧辊位置补偿系数C，即改变KE。液压AGC就是通过改变等效的轧机刚度系数KE，来实现厚度控制的。,在某一特定结构的轧机条件下，轧机所固有的刚度系数KM是一个常数。,当C1时，则KE，Dh0，这就意味着轧机的弹跳量被100补偿掉了，即不论来料厚度偏差如何，由于此时轧机的等效刚度系数KE是无穷大，完全可以使带钢的实际轧出厚度达到所要求的尺寸，没有厚度偏差。这种情况下轧辊的辊缝称为恒定辊缝，其等效的轧机刚度称为超硬刚度，或叫做超硬特性。,为了稳定起见，取C0.80.9，KE24.5MN/mm以上，在计算机控制时，其设定值取KE24.5MN/mm。例如就1700mm热连轧机而言，当C0.84，即DP/KE=1mm时，油缸位移为0.84mm，这就说明有84的弹跳量被补偿掉了。此时轧机的等效刚度系数为,当轧机的自然刚度系数为Km=5.39MN/mm时，则,MN/mm（为实测值）,若C0，,则,这就说明实际轧出厚度还具有因来料厚度差DH所引起的厚度差Dh，此时，轧机的刚度系数KE就等于轧机原来所固有的（或称为自然的）刚度系数Km轧机的刚度称为自然刚度，或叫自然特性。一般来说，轧机的自然刚度系数Km4.95.39MN/mm。,当0C1时，其KE称为硬刚度系数，轧机的刚度称为硬特性，一般C00.8，KE4.924.5MN/mm，设定时目标值KE13.72MN/mm.,例如某厂1700mm热连轧机，当C0.6，即DP/KE=1mm时，油缸位移为0.6mm，这就说明有60的弹跳量被补偿掉了。此时轧机的等效刚度系数KE为,当轧机的自然刚度系数为Km=5.39MN/mm时，则,MN/mm（为实测值）,当C0时，其KE称为软刚度系数，轧机的刚度称为软特性，一般C150，KE1.964.9MN/mm，设定时目标值KE3.43MN/mm.,例如某厂1700mm热连轧机，当C0.53，即DP/KE=1mm时，油缸反方向移动0.53mm，这就说明弹跳不仅没有补偿掉，反而增加了53的弹跳量。此时轧机的等效刚度系数KE为,当轧机的自然刚度系数为Km=5.39MN/mm时，则,MN/mm（为实测值）,由上述分析可知，只要改变辊缝补偿系数C的数值，就可以达到轧机刚度可控的目的。这种轧机刚度可变控制的原理，近年来在现代化的冷轧机上得到日益广泛的应用，而在热连轧机上和中厚板轧机上也得到应用。,厚度补偿控制是厚度自动控制系统中不可缺少的组成部分。,主要内容,支持辊偏心补偿；油膜厚度补偿；板带宽度补偿；轧制速度补偿；带钢尾部补偿。,3.32厚度自动控制系统中的补偿控制,3.3.1支撑辊偏心的补偿控制,1)支持辊偏心对厚度的影响,支持辊偏心对厚度的影响表现在支撑辊每转动一周都产生辊缝变动，进而导致所轧板带材的厚度产生相应的周期性变化。对于薄带材的轧制，轧辊偏心对厚度精度的影响是一个不可忽视的问题。,现假设上下支持辊的偏心量相同，则偏心量对辊缝的影响便是上下支撑辊偏心的相互迭加。,0,1,2,S0,h0,1,1,1,2,2,2,P0,式中：,（3-19）,设支撑辊直径为D，轧辊速度为v，偏心变化频率为f，则轧辊偏心周期T为,（3-20）,对于薄带材（如h0.2mm以下），支撑辊偏心引起厚度的偏差仍将占很大的比例，此时仅在机械上采取措施是有困难的，必须在电气控制系统上采取措施。采用液压压下实现厚度自动控制，为进一步消除轧辊偏心的影响提供了可靠性。一般来讲，液压压下具有20Hz的频宽，而现代高速冷轧机偏心变化频率为78Hz，所以，要消除轧辊偏心的影响是可能的。,引起轧辊偏心的起因可归纳为以下五类：,2)引起轧辊偏心的主要原因,a)设计不当这主要是指轴承设计性能；例如油膜轴承中的键会造成支承辊轴承旋转套筒圆周上的局部不均匀。,b)修磨不当修磨设备的缺陷及其操作和维护方法不当而造成修磨误差。,c)装配不当当拆卸和装配轴承以及在轧辊和轴承座之间安装轴承时，常会发生划伤和异物介入等原因造成的误差。,d)轧辊和轴承变形当载荷超过轧辊和轴承的设计能力后，轧辊和轴承就会发生塑性变形和金属破坏。镶套式支承辊过载后，支承辊发生几何变形就会引起辊套相对心轴产生移动。此外，当轧辊和轴承圆周上发生不均匀磨损后，也会造成轧辊偏心。,e)辊缝控制不当根据辊缝控制类型的不同，轧辊偏心的影响可能被抑制、放大或不发生变化。,3)消除轧辊偏心的方法,当轧辊有偏心时，必须采取补偿偏心的措施，否则轧辊偏心将给厚度控制系统有关环节带来不利的影响。例如当采用厚度监控时，由于轧辊偏心引起的厚度周期变化信号，因侧厚仪测量上的滞后，就很难用它进行反馈控制。,消除轧辊偏心的方法：,1）改善支撑辊的重磨和提高其装配精度；,2）恒压控制自动补偿偏心；,3）恒位置控制自动补偿偏心；,4）偏心滤波装置；,3.3.2油膜厚度的补偿,实际轧出厚度h取决于压下位置S、轧机的弹性变形量DS、油膜厚度Of以及X射线厚度监控量XM，即,油膜厚度Of是轧制速度v和轧制力P的函数，即Off(v,P)。随着轧制速度和轧制力的变化，在厚度自动控制系统中要进行油膜厚度变化量的补偿。,在计算机控制的条件下，经实验测定的在基准压力Ps下的油膜厚度Ofs随着轧制速度变化的曲线，以表格的形式存放在内存储器中，根据实际速度插值调用。而不同压力下的油膜厚度Of则利用油膜厚度压力系数KF修正。,（3-21）,Ofs1,Ofs2,Ofs3,Ofs4,Ofs5,n1,n2,n3,n4,n5,P2,P1,油膜厚度/mm,轧制速度,油膜厚度压力系数KF,P2,P1,Ps,轧制速度与油膜厚度的关系曲线,轧制力与油膜厚度压力系数关系曲线,P1PsPs时,KF1,3.3.3板带宽度的补偿控制,在轧制过程中，轧件咬入时，工作辊与轧件接触的部分要产生变形，这个变形是有单位板宽上轧制力的大小来决定的。此外，当轧件宽度改变时，从工作辊传给支撑辊的接触压力沿宽度方向的分布也要变化，接触变形量也要产生变化。另外辊系的弯曲变形也要变化。由于这些原因，当轧件的宽度变窄时，则轧机的刚性系数就要下降。,考虑到轧件宽度对轧件刚性系数的影响，在控制轧机弹性变形量DS时，应把板带的宽度B对其影响考虑进取。其计算公式为：,式中：,（3-22）,3.3.4速度补偿的计算与控制,速度补偿是当厚度自动控制系统对第i机架给出了DSi的辊缝调节量的同时，为了保持金属的秒流量相等，则对i1机架的轧辊线速度应给出相应的调节量Dvi1/vi-1。只有这样才能保证作用于轧件上的张力恒定。,下面来研究Dvi1/vi1与DSi之间的关系：,在稳定轧制条件下,当对第i机架给出了DSi的辊缝调节量之后，则其出口厚度变化量为Dhi,为了使得金属的秒流量相等，则第i1机架相应的出口速度应变化Dvi1，于是：,（3-23）,因为,故,所以由式(2-23)和(2-24)得,又因为,当知道此补偿变化量后，就可以通过轧机的速度调节器（ASR）对i1架的速度进行补偿。,所以当第i机架的辊缝作了DSi的调整之后，则第i1机架的轧辊速度相应补偿变化为：,（3-24）,（3-25）,（3-26）,（3-27）,3.3.5带钢尾部补偿值的计算,在带钢热连轧的过程中，当带钢尾部每离开一个机架时，由于后张力的消失，必然导致尾部增厚。为了防止尾部增厚的产生，在带钢尾部离开第i1架时，应增大对第i机架的压下量，这种方法称为带钢尾部补偿。,式中：,所谓的压尾部是在带钢的尾部多压一些，为了达到此目的，采用将现有的厚度偏差控制信号Dh适当放大，这种放大的厚度偏差信号就是压尾的补偿值DhT。,（3-28）,当带钢尾部离开第i1架之后，对应于第i机架的压下行程DST为：,压尾补偿也可以采用“拉尾”的方式，即当带钢尾部离开i1机架时，降低第i机架的轧制速度，使第i机架与第i1机架间的张力加大，以补偿尾部张力损失的影响。,应当指出，并不是精轧机组所有的机架都要进行尾部补偿。压尾机架的选择可以通过操纵台上的选择开关来选取。一般来讲，对于七个机架的热连轧机组，F6和F7机架，考虑到此时的轧制速度很高，带钢比较薄，尾部厚度差已较小，故不进行厚度补偿。,（3-29）,3.4厚度检测装置,用于轧机中的测厚仪可以是接触式也可以是非接触式的。接触式的测厚仪适用于离线测量，而非接触式测厚仪一般用于在线测量。非接触式测厚仪一般分成以下三大类：a)光学测厚仪b)同位素测厚仪c)X射线测厚仪各类测厚仪不但在它们的操作原理上不同，而且在测量的范围、测量的精度以及动态响应特性等方面也有所不同。,在厚度自动控制系统中，在线厚度检测是实现厚度实时控制的先决条件。因此，研究人员为了满足实际应用的要求，开发了不同形式的侧厚仪。,在轧制中经常使用两种光学测厚仪，这两种测厚仪中的传感器的区别在于它们的工作原理不同：一种用比较法，另一种用移像法,X,m1,m2,h,d,w,3.4.1光学测厚仪,带有水平光束的光学侧厚仪原理,比较法,采用光学放大系统把目标物投影到一个刻度尺上得到的。摄像机焦距为d，目标物与摄像机之距为X，像点m1、m2的量度值与所测要测的带钢厚度值h之间的关系可由下式给出,（3-30）,移像法的光学测厚原理,X,m1,m2,a1,a2,h,y,d,1,2,3,4,1-板坯；2-光源；3接收摄像机；4辊道,板坯厚度：50500mm