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帶鋼板形控制簡介2009年3月12日 目錄1 帶鋼板形指標(biāo)2 帶鋼板形控制模型3 CVC軋機(jī)工作原理4 帶鋼板形檢測5 板形控制系統(tǒng)簡介 1 帶鋼板形指標(biāo)帶鋼尺寸質(zhì)量指標(biāo)包括縱向和橫向尺寸 其中縱向厚度尺寸精度由AGC AutomaticGaugeControl 系統(tǒng)控制 AGC經(jīng)過幾十年的應(yīng)用 目前已經(jīng)很成熟 最近幾年 熱軋 冷軋帶鋼的板形控制研究及應(yīng)用也日趨成熟 新建的板帶軋機(jī)都裝備了板形控制系統(tǒng) 一個完整的板形控制系統(tǒng)必須具備以下三個條件 1 可靠的 高精度的板形指標(biāo)檢測系統(tǒng) 2 成熟的板形理論模型 3 快速的板形調(diào)節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 板形檢測儀表包括平直度儀 凸度儀等 板形調(diào)節(jié) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有彎輥裝置 軋輥竄動機(jī)構(gòu) 機(jī)架間噴水裝置等 帶鋼板形涉及到軋輥的彎曲變形 熱凸度 軋輥磨損等 因此 如果需要對板形進(jìn)行精確的控制 首先必須能夠?qū)堓伒膹澢冃?熱凸度 軋輥磨損等進(jìn)行精確的計算和預(yù)報 目前 軋輥的彎曲變形和熱凸度的計算已有比較成熟的 復(fù)雜的理論模型 但由于影響軋輥磨損的因素眾多 目前還沒有成熟的 可以實際使用的軋輥磨損模型 一般是采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ?或者是半理論半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?板形指標(biāo)通常包括縱向和橫向兩個方面 縱向用平直度 Flatness 來表示 俗稱帶鋼浪形 即指帶鋼長度方向上的平坦程度 衡量橫向板形指標(biāo)的是帶鋼的斷面形狀 ProfileorContour 即帶鋼沿板寬方向上的斷面分布 包括凸度 Crwon 楔形 Wedge 邊部減薄 Edgedrop 等 1 1凸度 Crwon 帶鋼凸度是描述帶材橫截面形狀的一項主要指標(biāo) 見圖1 凸度定義為在寬度中點處厚度與兩側(cè)邊部標(biāo)志點平均厚度之差 1 式中hR和hL為右部及左部的標(biāo)志點厚度 所謂標(biāo)志點是指不包括邊部減薄部分的邊部點 一般取離實際邊部40mm左右處的點 hc為帶材寬度方向中心點的厚度 1 2楔形 Wedge 楔形即左右標(biāo)志點厚度之差 2 1 3邊部減薄 Edgedrop 邊部減薄指的是左右標(biāo)志點厚度與帶鋼邊部厚度之差 即 EL hL hELER hR hER 3 1 4平直度 Flatness 帶鋼平直度可以用波形表示法 也可以用相長度表示法來描述 1 4 1波形表示法定義的帶鋼平直度 4 式中 R 波高 L 波距 圖3平直度波形表示法 1 4 2I單位表示帶鋼的平直度相對長度差表示波浪部分的曲線長度對于平直部分標(biāo)準(zhǔn)長度的相對增長量 一般用帶鋼寬度上最長和最短縱條上的相對長度差表示 因為該數(shù)值很小 國際上通常將相對長度差乘以105后 再用來表示帶鋼的平直度 該指標(biāo)稱為I單位 一個I單位表示相對長度差為10 5 式中 L 所取基準(zhǔn)點的軋后長度 L 其它各點相對于基準(zhǔn)點的軋后長度差 D 1 4 3兩種平直度指標(biāo)之間的關(guān)系假設(shè)帶鋼波形可以表示為正弦曲線 則通過理論推導(dǎo) 可以得到用波形表示的帶鋼平直度和用相對長度差表示的相對長度差之間的關(guān)系為 例如 R 20mm 波長L 1000mm 則 相對長度差 0 00099 即帶鋼平直度為99個I單位 1 5PCFC意義PCFC代表Profile ContourandFlatnessControl 這里Proflie指橫斷面凸度 即通常所說的Crown 其定義見圖4 絕對Proflle mm C40 hc hR hL 2相對Proflle C40REL C40 hc 100 Contour指的是帶鋼橫斷面沿寬度方向上的形狀 包括了帶鋼整個寬度范圍 見圖5 圖5帶鋼凸度和斷面形狀控制范圍Flatness意思與上述定義相同 即帶鋼平直度 2 帶鋼板形控制模型 2 1帶鋼板形控制基本原理2 1 1影響帶鋼斷面形狀的因素帶鋼的斷面形狀與軋機(jī)過鋼時軋輥的輥縫形狀相同 此時的輥縫稱為負(fù)載輥縫 影響負(fù)載輥縫形狀的因素有 1 軋輥磨削凸度 2 軋輥磨損 3 軋輥熱凸度 4 支持輥彎曲 5 支持輥與工作輥之間的壓扁 6 工作輥與軋件之間的壓扁 7 工作輥彎曲 圖6影響輥縫的因素 2 1 2帶鋼斷面形狀和平直度控制過程模型 圖7板形控制模型 2 2帶鋼板形控制模型 圖9F7機(jī)架軋輥熱凸度 圖8F7機(jī)架軋輥表面溫度沿輥身長度方向上的分布 圖8為換輥后實測的沿輥身長度上的溫度分布 圖9為軋輥熱凸度實測值 2 2 1軋輥熱凸度模型 式中 Ti 溫度 起始溫度 R 軋輥半徑 熱膨脹系數(shù) 系數(shù) 30 35 40 45 50 55 60 2000 1500 1000 500 0 500 1000 1500 2000 Rollchange20 05 1999 rolllength mm OS DS Rolltemperature C Operationalresult Offlinerecalculatedworkrolltemperature 圖10軋輥溫度 熱凸度 2 2 2軋輥磨損模型 圖11軋輥磨損實測結(jié)果 采用以下公式計算軋制一個鋼卷后軋輥的磨損情況 式中 i 機(jī)架號 FRi 軋制壓力 kN B 帶鋼寬度 mm ld 接觸弧長 mm e 磨損指數(shù) e 0 3 Laus i 本次計算軋制帶鋼的長度 m DA i 工作輥直徑 mm ai 工作輥磨損因子 2 2 3軋輥受力變形 軋輥受力變形包括 1 彎曲變形 2 壓扁變形 圖12軋輥受力示意圖 2 2 4模型自適應(yīng) 不良平直度是由于軋件橫截面上的不同延伸引起的 而軋件橫截面上的延伸差異是由于進(jìn)入軋機(jī)的軋件橫截面形狀與負(fù)載輥縫局部不匹配引起的 因此獲得平直度良好的帶鋼的條件為 H h即進(jìn) 出入軋機(jī)的軋件斷面形狀相似 圖13帶鋼平直度良好的條件 2 3帶鋼平直度良好的條件 3 CVC軋機(jī)工作原理 3 1帶鋼板形控制調(diào)節(jié) Automationsystem WRshifting bendingsystem CVC StripprofileContourFlatnessSFRstrategies ProcessmodelPCFCPhysicalknowhow Workrollcrown Shiftingposition CVC 3 2工作輥彎曲 圖14工作輥彎曲 3 3CVC軋機(jī)工作原理CVC ContinuouslyVariableCrown 技術(shù)是由德國SMS公司于1984年提出的控制軋件板形的一種新型軋輥技術(shù) 由于該技術(shù)控制板形的優(yōu)越性能而在熱軋和冷軋板帶材中獲得了廣泛的應(yīng)用 我們寶鋼80年代中期引進(jìn)的2050熱帶軋機(jī)是世界上首套采用CVC技術(shù)的軋機(jī) 近年來 我國先后引進(jìn)的幾套CSP生產(chǎn)線均采用了CVC軋輥 有的生產(chǎn)線還采用了CVC的改進(jìn)型CVCplus CVC 技術(shù) CVC軋輥輥身曲線呈S形 圖15為CVC軋輥的輥系布置及工作原理 兩個形狀相同的軋輥相互倒置180 布置 通過兩個軋輥沿相反方向的對稱移動 得到連續(xù)變化的不同凸度輥縫 等效于配置了一系列不同凸度的軋輥 圖3中 a 軋輥移動距離為零時 凸度為零 b 上輥向右移動 下輥向左移動 軋輥凸度增加 定義為正凸度 c 上輥向左移動 下輥向右移動 軋輥凸度減小 定義為負(fù)凸度 CVC輥形曲線和兩輥間的移動距離 決定了輥縫凸度的大小和正負(fù) CVC軋輥的布置見圖16 我們以CVC三次輥形曲線為例說明CVC軋輥輥形函數(shù)和軋輥凸度與軋輥軸向竄動量之間的關(guān)系 操作側(cè)傳動側(cè)圖16漣鋼CVC軋輥的布置 上工作輥曲線為 1 下軋輥輪廓與上軋輥完全一樣 但轉(zhuǎn)動180 與上軋輥配置 因此 下軋輥的輥形曲線為 2 式中 L 軋輥輥身長度 x 輥身距坐標(biāo)原點的距離 三次函數(shù)的系數(shù) 決定了曲線的形狀 假設(shè)兩輥間移動距離為零時 凸度為零 當(dāng)軋輥相對移動距離達(dá)到最大和最小值時 輥縫凸度分別為1mm和 1mm 則兩輥間移動距離與凸度的關(guān)系見圖17中曲線a 圖17軋輥移動量與凸度的關(guān)系a 三次曲線函數(shù) b 五次曲線函數(shù) 最初的CVC輥形曲線為三次曲線 后來改進(jìn)的CVCplus為五次曲線 但實際上 三次曲線和五次曲線沒有本質(zhì)的改變 兩者的區(qū)別主要在于輥縫凸度與兩個軋輥移動距離之間的關(guān)系上 當(dāng)軋輥竄動量一定時 五次曲線CVC軋輥具有更大的軋輥凸度 見圖17 b 由方程 1 和 2 確定的CVC軋輥 當(dāng)軋輥沒有相對竄動時 軋輥的原始輥縫凸度為零 如果軋輥沒有相對移動 需要輥縫具有一定的初始凸度值 則需要改變軋輥的輪廓曲線函數(shù) 此時上下軋輥輥形分別由方程 3 和 4 確定 上輥 3 下輥 4 方程 3 和 4 形成的軋輥凸度與軋輥竄動量之間的關(guān)系見圖18 b 和 c CVC原始凸度的大小取決于軋輥的相對移動量 輥形函數(shù)曲線偏移 a b c 圖18CVC輥形曲線與軋輥原始凸度的關(guān)系 可以證明 CVC軋輥凸度與軋輥竄動量之間的關(guān)系不是線性關(guān)系 而是圖14所示的曲線關(guān)系 線性關(guān)系的導(dǎo)出沒有考慮軋輥移動后對實際輥縫的影響 這與軋輥的實際凸度有一定的誤差 原因在于在推導(dǎo)線性軋輥凸度關(guān)系時 當(dāng)軋輥相對移動一定的量后 仍然認(rèn)為兩個軋輥的接觸長度為原始輥身長度 忽略了軋輥移動距離對有效凸度的影響 從而使計算軋輥凸度與軋輥移動量之間的結(jié)果產(chǎn)生誤差 由于誤差是由于忽略了軋輥移動而引起的 因此 軋輥移動量越大 則這些公式的計算結(jié)果誤差越大 圖14中的曲線a和曲線b證明了這一點 圖19軋輥凸度與軋輥移動量之間的關(guān)系 4 帶鋼板形檢測 4 1凸度多功能測量儀精軋出口的多功能測量儀RM321為總部位于德國Erlangen的鐵ThermoRadioMetrieLimited公司提供 可測量帶鋼厚度 寬度 溫度和Shape 可選 由該多功能測量可直接得到帶鋼凸度Crown和楔度C40 圖20測量儀表布置圖 圖21多功能板形儀 4 2非接觸式激光三角帶鋼平直度測量原理漣鋼CSP精軋機(jī)出口板形儀 Shapemeter BPM 120由德國PSYSTEME公司提供 采用非接觸式激光三角形測量原理測量帶鋼的高度 由檢測單元 數(shù)據(jù)處理單元等構(gòu)成 檢測單元由三組 九路 激光源和三個攝像頭組成 九個激光通道之間的距離一般為180mm 采用He Ne型單色激光 波長632 8nm 中間一路激光源位置固定在軋制線中間 和一個攝像頭配合使用 測量帶鋼中央平直度 另外八路激光源分成兩組 和另外兩個攝像機(jī)配合使用 分別檢測操作側(cè)和傳動側(cè)的帶鋼平直度 九路激光源光束和三個攝像頭安裝在軋制線上方3000mm處 與帶鋼成一固定的傾斜角 激光源向帶鋼表面發(fā)射單色激光 產(chǎn)生光斑 帶鋼高度不同 掃描攝像頭以不同的角度 看見 激光光斑 根據(jù)掃描攝像頭看到光斑的角度就可以確定帶鋼高度的變化 由于激光源 掃描攝像頭和光斑三者形成一個三角形 因此這種測量方法稱為激光三角測量原理 非接觸式三角測量法測量帶鋼平直度的原理見圖22 圖22激光板形儀平直度三角形測量原理1 激光 2 圓柱面透鏡 3 光敏二極管陣列 4 干擾過濾器 5 攝像透鏡 4 3接觸式帶鋼平直度測量原理 帶鋼板形主要有兩類指標(biāo) 表面平直度和橫斷面凸度 熱軋利用激光測速儀 采用三角形測量原理測量帶鋼的平直度和凸度等 利用多功能厚度儀測量帶鋼的凸度等 冷軋采用張力平直度測量原理測量板形 通過測量沿帶鋼橫向上的張力分布來得到橫向上的延伸分布 進(jìn)而得到帶鋼的板形 凸度仍然是用厚度計來測量 冷軋板形問題主要是平直度不好 圖23接觸式板形儀 圖24板形測量輥 冷軋板形檢測目前采用最多的是瑞典ABB公司的分段接觸式板形輥 它是通過將測量輥分成若干個測量區(qū)段 并在每區(qū)段內(nèi)安裝測量傳感器 測定帶鋼沿寬度方向上各段的徑向力分布 再經(jīng)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化得到相應(yīng)張應(yīng)力分布 從而來判斷板形缺陷的類型及大小 分段接觸式板形輥白20世紀(jì)70年代初在冷軋上使用一直沿用至今 其較高的測量精度及穩(wěn)定的使用效果已得到了世界上眾多冷軋生產(chǎn)廠家的認(rèn)可 圖25軋件延伸與板形 圖27板形的種類a 正常 b 中浪 c 邊浪 d 小邊浪 e 小中浪 f 小偏浪 圖26軋件變形說明 5 帶鋼板形控制系統(tǒng)簡介 ABB板形測量輥由36個寬度為52mm的圓環(huán)組成 每個圓環(huán)內(nèi)裝有磁彈力傳感器 在軋制時與帶鋼一起運行的測量輥受到帶鋼張力的作用而發(fā)生電磁信號 信號的強(qiáng)弱反映了帶鋼壓緊輥面的張力大小 電磁信號經(jīng)處理得出各段的應(yīng)力和應(yīng)力偏差值 各段應(yīng)力偏差值組合即反應(yīng)了帶鋼在寬度方向上應(yīng)力分布的不均勻 由此反映了帶鋼寬度方向的變形不均勻性 將檢測的帶鋼應(yīng)力偏差值傳送給板形監(jiān)視器顯示和板形控制計算機(jī)進(jìn)行計算 計算機(jī)根據(jù)給出的設(shè)定板形曲線算出板形設(shè)定值 與檢測的帶鋼實際值進(jìn)行比較得到偏差值 由計算機(jī)通過數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方法把偏差值回歸成一個四次多項式 即 Y A0 A1X A2X2 A3X3 A4X4式中 A1X 對應(yīng)一次板形缺陷的調(diào)節(jié)偏差分量 A2X2 對應(yīng)二次板形缺陷的調(diào)節(jié)偏差分量 A3X3 對應(yīng)三次板形缺陷的調(diào)節(jié)偏差分量 A4X4 對應(yīng)四次板形缺陷的調(diào)節(jié)偏差分量由此就分解出對于不同板形缺陷的偏差調(diào)節(jié)分量 輸出給各調(diào)節(jié)回路 執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段 圖28板形控制調(diào)節(jié)示意圖 每個測量段上存在的帶鋼張應(yīng)力調(diào)節(jié)偏差又被轉(zhuǎn)換成對應(yīng)于不同平坦度缺陷的調(diào)節(jié)偏差分量 這些不同的板形缺陷可以通過下列不同的調(diào)節(jié)方式和調(diào)節(jié)回路來加以消除 見圖28 1 軋輥傾斜調(diào)節(jié)軋輥傾斜調(diào)節(jié)用于消除非對稱性的帶鋼斷面形狀 如楔形 單邊浪 的平坦度缺陷 即回歸多項式中的a1x分量 該調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)帶鋼左 右兩邊的不對稱張應(yīng)力分布 根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算出軋輥傾斜的調(diào)節(jié)量 并與原軋輥傾斜設(shè)定值迭加 作為新的軋輥傾斜值輸出給傾斜控制回路對軋輥的左右壓下位置進(jìn)行修正 2 工作輥彎輥和CVC位置調(diào)節(jié) 工作輥彎輥和CVC位置調(diào)節(jié)是用于消除對稱帶鋼斷面形狀缺陷 如中間浪 兩邊浪等 即拋物線形狀的平坦度缺陷 亦即回歸多項式中的a2x2分量 利用彎輥控制法 通過控制軋輥在軋制過程中的彈性變形可以達(dá)到這一目的 所謂液壓彎輥技術(shù)就是利用液壓缸施加壓力使工作輥產(chǎn)生附加彎曲 以補(bǔ)償由于軋制壓力和軋輥溫度等工藝因素的變化而產(chǎn)生的輥縫形狀的變化 以保證生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品 a 正彎工作輥彎輥力加在兩工作輥軸承座之間 即除工作輥平衡油缸以外 尚配有專門提供彎輥力的液壓缸 使上下工作輥軸承座受到與軋制壓力方向相同的彎輥力N1 結(jié)果是減少了軋制時工作輥的撓度 控制帶鋼的邊浪 b 負(fù)彎工作輥彎輥力加在兩工作輥與支撐輥的軸承座之間 使工作輥軸承座受到一個與軋制壓力方向相反的作用力N1 結(jié)果是增大了軋制時工作輥的撓度 控制帶鋼的中浪 圖29液壓彎輥a 工作輥正彎 b 工作輥負(fù)彎 板形調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)帶鋼兩邊的對稱張應(yīng)力分布 再根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算出實際需要的軋輥彎輥力調(diào)節(jié)值 由于帶鋼的斷面形狀各種各樣 并且彎輥力對軋輥輥型的改變受到軸承強(qiáng)度的限制 其變化量是有限的 因而需要配置不同輥型不同凸度的CVC輥來適應(yīng)多變的軋制參數(shù) 通過軸向移動軋輥就可獲得各種不同的軋輥凸度 帶鋼斷面形狀的二次缺陷 中間浪 兩邊浪 首先先由工作輥彎輥裝置來消除 但此時凸度調(diào)節(jié)范圍有限 所以通過彎輥控制系統(tǒng)常常不能完全消除板形缺陷 為此亦需要軸向移動軋輥來改變軋輥凸度 即由彎輥和CVC軸向移動系統(tǒng)來共同消除板形二次缺陷 通過工作輥彎輥和CVC軸向移動系統(tǒng)組成的閉環(huán)回路可擴(kuò)大對軋輥輥縫形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)的范圍 3 軋輥分段冷卻控制分段冷卻主要用于消除帶鋼斷面形狀的其他平坦度缺陷 即多項式中的a3x3和a4x4分量 由于三次 四次板形缺陷在整個板形缺陷中所占的比例較小 可以采用軋輥分段冷卻來控制 軋輥輥身方向共有36個控制段 對這些段噴射不同劑量潤滑及冷卻劑即可控制每個測量段所對應(yīng)的軋輥段的熱膨脹量 從而得到不同的軋輥凸度 這樣 36個測量段通過9個冷卻閥組成了9個冷卻區(qū) 并通過它來控制每個冷卻區(qū)的冷卻量 每個冷卻區(qū)的控制都可以單獨進(jìn)行 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