热轧带钢的板形自动控制1

热轧带钢的板形自动控制1.绪论1.1.课题的背景与实际意义1.2.板形自动控制的历史与发展1.3.我国板形自动控制的应用现状1.4.本文的研究内容2.板形和板凸度的概念2.1.板形（Shape）2.1.1.板形──Flatness,Buckle,Camber主要指Flatness直观来说：指板材的翘曲程度实质：带钢内部残余应力的分布板材或带钢出现浪形、瓢曲、上凸、下凹等缺陷，而使板带钢失去平直性。它是在轧制过程中沿板宽方向不均匀压缩变形而引起的。或沿宽向不均匀的延伸率而引起的。平直度以轧制引起的板带纵向延伸沿宽度方向上的分布。平直度新的定义：平直度：板带钢断面沿宽度方向上的纵向（长度方向上的）延伸率分布（相对延伸差）。压下分布（相对）不均，纵向延伸不均，内应力，当内应力不足以产生翘曲时为潜在的板形缺陷；当内应力足以引起失稳时为板形缺陷。2.1.2.板形缺陷的产生压潜在板形缺陷(内应力不足造成翘曲)压下分布(相对)不均纵向延伸不均内应力拉表现板形缺陷(内应力足以引起失稳)只要板带中存在残余应力，就称为板形不良。如果这个残余应力虽然存在，但不足以引起板带翘曲，则称为“潜在”的板形不良；如果这个应力足够大，足以引起板带失稳而生产翘曲，则称为“表观”的板形不良。2.1.3.板形缺陷的分类:一次二次三次2.1.4.板形的表示方法定量地表示板形既是生产中衡量板形质量的要求，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，而采用不同的方法定量地表示板形。(1)相对延伸差表示法（I单位）轧后浪形板裁成纵条个条长度不同长度差LΔ用LLΔ表示板形LL──所取基准点的轧后长度。Δ其他点相对基准点的长度差。相对长度差的单位：a英国人用蒙（Mon）Person建议LLsΔΣ410=当410－＝LLΔ1=时，sΣ(Mon)bCanada铝公司，用I单位LstLΔΣ=510510−=LΔ1=当L时，stΣI单位在翘曲的板带上测量相对长度来表示相对长度差很不方便，所以人们采用更为直观的波形表示法。%LR100×=λhyRL式中：(2)两组度量方法之间的关系设波形为正弦波，波形方程：hhyLσπ=22sin()曲线长度LLdhdydyLhLvL＋＝＋（）〔＋（）〕Δ11202∫=π∴⎛⎜⎜⎞⎟⎟•⎛⎜⎞⎟=•ΔLhh＝＝πππλ22222⎝⎠⎝⎠LLL244∴••I单位－＝104522πλ冷轧：应小于15－20I单位（0.9%）热轧：应小于30I单位（1.1%）(3)带钢翘曲的力学条件翘曲的临界应力22=kcrσ112⎟⎠⎞⎜⎝⎛+Bh)(Eppcrνπkcr－临界应力系数，对边浪、中浪kcr是不同的。(4)用张力差表示带钢上的张力分布和平直度成正比。如果施加在标准长度上的单位张力为T0，板宽上某点张力T（x）为T0-T（x）=ΔT（x）=Eε（x）此式不精确。自然状态标准长度为L0，分布长度为L（x）；在张力下，带钢分布长度全部变为L1，依据张力定义，有T0=E*[L1-L0]/L0T（x）=E*[L1-L（x）]/L（x）将L1消掉，整理得[L（x）-L0]/L0={[T0-T（x）]/E}/{T（x）/E+1}T（x）/E=[L1-L（x）]/L（x）(5)板形参数表示从理论上讲，只有沿宽度方向上各点的压下率相等，从而使各小条的延伸率相等时，才能获得良好的板形。入口Δ=Hc-He，出口δ=hc-heΔ/H=δ/hα=Hδ/hΔ-1α＜0，δ/hΔ/H，中部变形大，中浪α＞0，δ/hΔ/H，中部变形小，边浪板形良好判据：|α|≤ε2.1.5.良好板形的几何条件（以二次浪形为主讨论）轧前轧后横向坐标XH(x)h(x)L(x)l(x)由体积不变条件（不考虑金属的横向流动）H(x)L(x)=h(x)l(x)LxlxhxHx()()()()=良好板形，均匀延伸Lxlxconsthxconst()()=⇒=Hxxx()()(−≤)(≤BXB22−≤)≤BXB22Hc简单情况，考虑二次波形，取边部和中心两点考虑，x=0,x=B/2轧前轧后ehe⎬⎭⇒hc⎫HcHeHhche=hcheHcHe=hcheheHcHeHe−−=hcheHcHehcHehH−−=≈令Ch=hc-he轧后凸度CH=Hc-He轧前凸度ChCHhH=Cph=CpHCp－比例凸度比例凸度恒定有经验式，考虑横向流动的结果可以放松以上的要求。故相对于Cph－CpH=ΔCp有一死区，当ΔCp之值在死区内时，并不能引起板形变化。λ中浪边浪ΔCp98119814080.phph.BhCCBh⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−－(边浪)死区批注[l1]:公式有误，应为hchehehHcH−−eHeH=≈2.2.板凸度钢板的断面形状，称为板凸度(crown)。广义上称为板轮廓(profile)主要取决于轧制时工作辊辊型曲线的昀终形状。有载辊型板轮廓：板带钢断面沿宽度方向上的厚度分布。板凸度：板中部和边部厚度之差。2.2.1.板断面形状的表示（中心）板凸度＝C－AB＋2距边部一定距离（去掉边部减薄部分）C25，C50…可按二次曲线近似楔形量＝AB－边部减落量＝G－H（近似4次）局部高点量＝D－EF＋22.2.2.比例凸度（单位凸度）CChph=良好板形条件：Cp=constant2.2.3.板凸度和板形之间的关系轧制因素→凸度（断面变化）→纵向延伸→内应力→板形（冷轧过程中）板凸度和板形之间的严格关系设Cp1和Cp2分别为轧制前和轧制后的比例凸度ΔCCCChCHpPPhH=−=−21=−−−hhhHHHceceGFCBAEHxxD批注[l2]:25，50指什么？≈−−−hhhHHHceecee=−HeehhHcc由体积不变关系ΔΔCllHHllllpecececc=−=−=1Δllc=πλ224∴=ΔCpπλ224或λπ＝2ΔCp批注[l3]:认为轧制前的1ecHH=热轧，上述关系可以放松，原因：轧件较厚，发生横向流动。hBΔCpF1F7hB-80()ahB40()ba=b=1.840CpCp边波中波0P变形半无限体model2.2.4.边部减薄发生边部减薄的原因：a.轧制压力引起轧辊压扁变形分布不均根据弹性力学的半无限体model:集中力引起的弹性变形随距作用点距离之加大而迅速降低⇓有效作用区在边部和中间不同有效作用区⇓边部的C点的有效作用区仅是BA内部A、B点的一半。→1/2b.轧制压力沿横向分布C3.影响板形和板凸度的因素良好板形条件：来料断面形状轧后断面形状（承载辊缝形状）变形因素：张力作用、横向流动3.1.辊系的弹性变形3.1.1.辊系的弹性变形包括4部分：（1）支撑辊弯曲：有害弯矩（2）支撑辊和工作辊间压扁：应力分布（3）工作辊弯曲：弯辊（4）由轧件引起的压扁：纵刚度：Mdpldh=横刚度：MdpT=dc双阶梯支撑辊改善板形：消除有害弯矩，轧制力波动不影响凸度，横刚度无限大。双阶梯辊使横向刚度KP增大。使用高速钢作轧辊。WR由Strip引起的压扁WR弯曲BUR－WR间压扁BUR弯曲3.1.2.影响辊系弹性变形的因素:1）轧制力：轧件的变形抗力（ChemicalcompositionT,ε&ε,）摩擦系数张力异步轧制Attention:负荷分配改变→各架轧制力改变；优化分配→改善板形所以轧制SETUP中对关键机架之负荷可以限制。2）轧辊的接触状态例：双阶梯BUR改善板形：3）轧辊材质：HighSpeedSteel3.2.轧辊的热变形3.2.1.轧辊传热分析：传入热量：金属→轧辊的热传导（轧件本身热量、变形热）金属→轧辊间的摩擦热（边界热源）有害弯矩－轧辊弯曲增大（可以弥补，利用凸度）M随P波动而波动，造成板形（辊身变形）随P波动，造成凸度变化无法弥补。⇒有害弯矩区⇒无有害弯矩区δrolldeflection↓Ｐ波动不影响凸度，横刚性无限大增强弯辊力的效果输出热量：轧辊热辐射与周围环境的热交换（对流传热，空气和水）热传导（工作辊→支撑辊和机架chocks）在轧辊中形成非均匀的温度场：轴向、径向导致轧辊的非均匀热膨胀形成热凸度3.2.2.热凸度的形成初始阶段，输入热量输出热量，roll温度升高，温差增大⇒形成热凸度稳态热凸度3.2.3.影响热凸度的因素－金属塑性变形发热金属本身温度－摩擦条件－冷却水量、温度－间歇时间和纯轧时间的比值过渡阶段RCRRRRRCCCCCR－RollingC-Cooling3.2.4.热凸度最活跃最难以预测控制之因素3.3.轧辊磨损3.3.1.磨损特点：边部磨损严重且不规则烫辊材（过渡过程，由窄及宽）由宽逐渐变窄，以消除边部严重不均匀磨损同宽轧制＜30km逆宽轧制3.3.2.影响因素：a.轧制长度（测量统计，建立model）b.轧制力c.冷却水量、温度d.润滑轧制、边部润滑轧制e.轧件、roll的性质，HighCr铸铁，CrNi合金铸铁，⇓高速钢轧辊3.4.来料影响热轧：来料凸度由粗轧决定前部机架，轧件凸度尚可可调冷轧：比例凸度恒定，应严格控制来料凸度；3.5.金属横向流动、张力的影响横向流动=f（w，延伸差、张力、h）研究表明：有明显的横向流动，弥补了延伸不均，有利于板形之改善张力有利于横向流动在热轧中金属发生明显的横向流动，所以可能同时控制平直度和板凸度。而冷轧中由于金属横向流动很小，目前仅进行平直度控制。但也有板凸度控制可能性的论文。对称成分的操作量使弯辊力和中间辊位置。非对称成分的平直度控制以压下位置和弯辊力的水平位置为操作变量。（1）二段滚筒式板形检测器控制系统：（2）板厚和板形联合控制系统4.改善板形的方法4.1.轧辊的原始凸度合理设计4.1.1.工作辊凸度设计应考虑的因素轧辊辊系的弹性变形轧辊的热凸度在线辊型、轧制规程的函数轧辊的磨损WR凸度的转写系数BUR的磨损状况注意：死辊型，固定不变的4.1.2.BUR的凸度合理设计大凸度支撑辊,NBCM双阶梯BUR，阶梯长度不变，板宽量变化的⇒NBCM合理设计辊型曲线，使接触宽度≈板宽，板宽小→大，轧制力小→大，BUR弯曲小→大，接触宽小→大。作用：消除有害弯矩；扩大弯辊效果。辊系变形、热变形、磨损计算。4.2.轧制规程的合理设计（负荷分配）∑－ρ法（比利时CRM）轧制规程→轧机受力→弹性变形→轧件板凸度轧机为板凸度仪（板形仪）P→f(p)→Cs=f(p)检测信号是轧制力PPfCs=−1()已知各架的目标凸度⇒各架的轧制力⇒各架的厚度⇒负荷分配。一般：末架为保证良好板形，应采用较小的轧机负荷。例如BenxiF710%左右相对压下量。4.3.液压弯辊方法（WRB）Bending批注[l4]:工作辊弯曲4.3.1.结构换辊、拆卸接头牌坊凸块4.3.2.弯辊特性WRcrown0WRBForce近似直线关系(标准辊身长/直径比)⇓3～4近似二次曲线（4次分量很小）FwP细直径WR弯曲成近似2次分量－边、中浪R弯曲变形不能4次分量－两肋、复合波深入到辊身中部4.3.3.轧制力和弯辊力的关系（最佳弯辊力）CR=K1FWRBRolCs=K2CeFWRB=KPCs=K2P4.3.4.正弯和负弯正弯⇒相当于增大轧辊凸度负弯⇒相当于减小轧辊凸度↓注意与平衡的切换4.3.5.弯辊效果的扩大•双阶梯BUR；•NBCM；•DC－WRB(Double-chock);•其它改变凸度的手段。DC－WRB：WR轴承座1分为2－保持平衡功能－增大弯辊力矩－轴承受力合理4.3.6.动态控制的基本手段其它手段：CVC、PC...⇒改变弯辊的范围（相当于在一个初始凸度下施以弯辊，但这个初始凸度是活的）。弯辊力动态补偿（随P改变）弯辊用平衡用板lnWRBFCrowCsnCr=f(p)CrowPWRB是昀基本的控制手段，在线反馈控制，动态控制依赖WRB。HC-δ4.3.7.液压弯辊的系统4.4.几种典型的板形控制轧机4.4.1.HC轧机（UC）和小辊径化1).双阶梯BUR板宽变化⇒可适应的不同板宽2).HC－δHC－δ0，P↑,Crown↑HC-δ=-ε,P↑,Crown=Const,横刚性无限大3