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在軋鋼過程中如何控制板型

在軋鋼過程中如何控制板型，就能軋出好的鋼材: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-08-01

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寬帶鋼軋機(jī)板形控制技術(shù)比較研究（轉(zhuǎn)）寬帶鋼軋機(jī)板形控制技術(shù)比較研究張清東黃綸偉周曉敏摘要運(yùn)用軟件仿真方法并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，從板形調(diào)控功效和板帶軋機(jī)綜合性能兩個方面，比較研究了目前國際上各主要板形控制技術(shù)．研究結(jié)果不僅有助于板帶軋機(jī)的選型和板形技術(shù)的配置，也有益于先進(jìn)板形技術(shù)的創(chuàng)制．關(guān)鍵詞板帶軋機(jī)；板形技術(shù)；比較研究分類號 PG 335.11 Comparative Study on Shape Control Technologies for Wide Strip Mills ZHANG Qingdong HUANG Lunwei ZHOU Xiaomin （Mechanical Engineering School, UST Beijing, Beijing 100083,China ） ABSTRACT The main advanced shape control technologies in operation now were studied and compared, for this reason, shape-adjusting action matrices and mills overall shape control performances of these actuators were imitated by numerical calculation methods. The research conclusions will be not only beneficial to design of strip rolling mills and selection of shape control actuators for a mill, but also beneficialto creating new advanced shape control technologies. KEYWORDS strip rolling mill; shape control technology; comparative study 自70年代以來，由于市場對板形質(zhì)量的要求愈來愈高，推動板形控制技術(shù)成為板帶生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)．圍繞板形控制技術(shù)的開發(fā)，國際上先后出現(xiàn)了諸如HC，CVC，UC，K-WRS，PC等多種不同機(jī)型的新一代高技術(shù)板帶軋機(jī)．這些軋機(jī)都擁有1項(xiàng)自有的標(biāo)志性板形控制技術(shù)并輔以多項(xiàng)其他通用板形控制技術(shù)（如彎輥、壓下傾斜、分段冷卻），在生產(chǎn)中都配備有板形自動檢測裝置并實(shí)現(xiàn)了板形自動控制．板形控制技術(shù)都是具有特定設(shè)備形態(tài)的工藝技術(shù)，其板形控制性能與自身的設(shè)備條件，如輥系結(jié)構(gòu)與尺寸（輥數(shù)、直徑、輥長等），以及工藝條件，如軋制力與軋件寬度等有關(guān)．因此，研究和比較板形控制技術(shù)需要針對已知的設(shè)備條件和工藝條件，從板形調(diào)控功效和板帶軋機(jī)性能兩方面進(jìn)行． 1 板形調(diào)控功效的定義[1] 板形調(diào)控功效是在一種板形控制技術(shù)的單位調(diào)節(jié)量作用下，軋機(jī)承載輥縫形狀在沿帶鋼寬度方向上各處的變化量，公式表示如下： (1) 式中：E(x)—板形調(diào)控功效函數(shù)，可能是簡單多項(xiàng)式或高階復(fù)雜多項(xiàng)式；gf (x)—承載輥縫形狀變化量的函數(shù)；S —廣義調(diào)節(jié)量（力或位移）；x—沿板寬方向坐標(biāo)．調(diào)控功效也可用單位調(diào)節(jié)量引起的沿板寬方向輥縫形狀變化量的離散值表示： E=[e1,e2,…，ei，…] （2）此時，E—板形調(diào)控功效矩陣．以上形式的板形調(diào)控功效可以表示板形控制技術(shù)對承載輥縫形狀的各個描述指標(biāo)（凸度、楔形度、邊部減薄量、局部突起量）的調(diào)控作用．在板形平坦度自動控制系統(tǒng)中，板形調(diào)控功效矩陣可表示為板形控制技術(shù)的單位調(diào)節(jié)量所引起的帶鋼前張應(yīng)力沿橫向各處的變化量，公式表示如下： E=[q1,q2,…，qi，…] （3）其中，m—板寬范圍內(nèi)板形儀測量區(qū)段數(shù)；qi—第i區(qū)段上帶鋼前張應(yīng)力變化量．板形調(diào)控功效可以通過實(shí)驗(yàn)或軟件仿真2種方法確定．其中實(shí)驗(yàn)方法需在規(guī)模相同的實(shí)驗(yàn)軋機(jī)或者直接在生產(chǎn)軋機(jī)上進(jìn)行，難度較大．軟件仿真的方法經(jīng)濟(jì)有效，能靈活地模擬各種軋制條件，應(yīng)用較為廣泛． 2 板形控制技術(shù)的板形調(diào)控功效仿真比較板形調(diào)控功效可以準(zhǔn)確地描述一種板形控制技術(shù)的板形控制思想和調(diào)控特性，研究和比較板形控制技術(shù)首先要研究并比較其板形調(diào)控功效．運(yùn)用有限單元法和影響函數(shù)法對目前使用的主要板形控制技術(shù)——CVC，HC，PC，K-WRS，DSR，彎輥和壓下傾斜的板形調(diào)控功效進(jìn)行仿真研究，結(jié)果見圖1和2．各圖的縱坐標(biāo)為以0.001 mm為單位的輥縫開度變化量，橫坐標(biāo)為距帶鋼中心線的距離與半板寬之比，其中DW為工作輥直徑，DI為中間輥直徑，DB為支持輥直徑，B為板寬，P為總軋制力．圖中的曲線形態(tài)和相應(yīng)函數(shù)表達(dá)式表示了各板形技術(shù)的板形調(diào)控功效的大小、特性．圖1 6種板形控制技術(shù)仿真.橫坐標(biāo)為距帶鋼中心線距離與半板寬之比(r);縱坐標(biāo)為以0.001mm為單位的輥縫開度的變化(γ).(a)四輥CVC,(b)六輥CVC, (c)UC,(d)PC,(e)K-WRS,(f)不對稱彎輥與壓下傾斜 Fig.1Shape-adiusting action of six shape control actuators by imitation 圖2 DSR輥各個壓塊和工作輥彎輥的調(diào)控功效 Fig.2Shape-adjusting action of padsactuators and WT bending on DSR 從圖可見，CVC，HC，PC和對稱彎輥技術(shù)的板形調(diào)控功效都是對稱的，并且都以2次成分為主．其中4次成分含量最多的有：六輥CVC軋機(jī)的中間輥抽輥和工作輥彎輥，以及PC軋機(jī)的軋輥交叉和UC軋機(jī)中間輥彎輥．壓下傾斜和不對稱彎輥技術(shù)的板形調(diào)控功效是非對稱的，并且整體調(diào)控作用明顯．DSR的單個壓塊壓力調(diào)節(jié)的板形調(diào)控功效除一個是高次對稱的，其余皆是非對稱的，有一定的局部調(diào)控作用．DSR的全體壓塊壓力可以各種對稱或非對稱分布模式給出，相應(yīng)提供各種對稱或非對稱的板形調(diào)控功效．K?朩RS軋機(jī)的工作輥抽輥沒有板形調(diào)控作用，其作用在于均勻化磨損．另外，圖中的板形調(diào)控功效是在一定的板寬、輥徑、輥長和軋制力下計算所得．進(jìn)一步研究可以發(fā)現(xiàn)：（1）板寬與輥長之比對調(diào)控功效有一定影響．隨著比值的增大，各種板形控制技術(shù)的調(diào)控功效的大小增加，尤其4次成分增加更多．（2）各種板形控制技術(shù)的調(diào)控功效對軋輥直徑變化的敏感程度不同．如工作輥彎輥對軋輥直徑的變化較為敏感，而CVC則基本上與軋輥直徑無關(guān)．（3）平均單位板寬軋制壓力對某些板形控制技術(shù)的板形調(diào)控功效具有影響．對比可知，以力為調(diào)節(jié)量的板形控制技術(shù)的調(diào)控功效基本不受影響，而以輥形、抽輥為調(diào)節(jié)量的板形控制技術(shù)，其調(diào)控功效大小隨軋制壓力增大而增大． 3 板形調(diào)控功效在控制系統(tǒng)中的作用板形調(diào)控功效是板形自動控制系統(tǒng)中板形控制策略設(shè)計的前提和歸宿，它在一定程度上決定了所采取的板形控制策略，以及控制效果評價函數(shù)形式和各板形控制技術(shù)設(shè)定值調(diào)節(jié)量的求解方法，是板形自動控制模型建立的基礎(chǔ)．板形調(diào)控功效對板形自動控制模型的影響在現(xiàn)有3類閉環(huán)反饋控制模型中都顯而易見[2]． 3.1 基于模式識別類對于板形調(diào)控功效函數(shù)較簡單的板形控制技術(shù)，運(yùn)用線性最小二乘法把實(shí)測板形信號分解為與各調(diào)控功效函數(shù)相對應(yīng)的種模式：求得達(dá)極小值時的各值，直接用于確定種板形控制技術(shù)的設(shè)定值的調(diào)節(jié)量,一般有． 3.2 基于最小二乘評價函數(shù)類對于板形調(diào)控功效函數(shù)較復(fù)雜的板形技術(shù)，不進(jìn)行模式識別，直接運(yùn)用線性最小二乘原理建立離散的板形控制效果評價函數(shù)并求解各板形控制技術(shù)設(shè)定值的調(diào)節(jié)量： (6) 確定使達(dá)到極小值的, [S]p×1=[A]-1p×p[R]p×1 (7) 式中，A—板形調(diào)控功效矩陣；R—板形實(shí)測值矩陣． 3.3 基于板形參數(shù)評價函數(shù)類首先，運(yùn)用最小二乘法將板形實(shí)測值擬合為完全4次多項(xiàng)式： y(x)=λ+λ1x+λ2x2+λ3x3+λ4x4 (8) 再轉(zhuǎn)化為用于表達(dá)板形調(diào)控功效的板形參數(shù)同時將板形控制目標(biāo)表示為以板形參數(shù)分別構(gòu)造加權(quán)的對稱及非對稱的控制效果評價函數(shù)．運(yùn)用登山探索法直接確定使達(dá)到極小值的各板形控制技術(shù)設(shè)定值的調(diào)節(jié)量．以上3類模型分別為3種不同的控制策略及數(shù)學(xué)模型，用于控制不同的板形技術(shù)． 4 板帶軋機(jī)板形控制性能界定指標(biāo) 板形控制的實(shí)質(zhì)在于對承載輥縫形狀的控制．各種板形控制技術(shù)的板形控制原理都是調(diào)控承載輥縫的形狀．在軋制過程中，影響軋件板形（承載輥縫形狀）的干擾因素主要是軋輥輥形變化（軋機(jī)方面的）和軋制力波動（軋件方面的）．板形控制性能優(yōu)良的板帶軋機(jī)，其承載輥縫形狀應(yīng)該同時具有足夠大的可調(diào)控范圍和對軋制力、軋輥輥形變動干擾的抵抗能力．因此提出以下板帶軋機(jī)板形控制性能界定指標(biāo)． 4．1 輥縫形狀調(diào)控域輥縫形狀調(diào)控域即軋機(jī)各項(xiàng)板形控制技術(shù)共同對輥縫形狀的各個描述指標(biāo)——凸度、楔形度、邊部減薄量、局部突起量——的最大可調(diào)控范圍．但一般可以將帶鋼寬度跨距內(nèi)的輥縫曲線用離散數(shù)值表示，并通過多項(xiàng)式擬合得到曲線的2次凸度和4次凸度，并在坐標(biāo)系中建立輥縫凸度最大可調(diào)控范圍，稱之為輥縫凸度調(diào)節(jié)域． 4．2輥縫橫向剛度軋機(jī)一方面應(yīng)具有承載輥縫形狀的可調(diào)控柔性，另一方面則應(yīng)具有當(dāng)軋制力發(fā)生波動和存在干擾時輥縫形狀保持相對穩(wěn)定的能力即輥縫剛性．輥縫的剛性用輥縫橫向剛度K界定： K=△q/△Cw （9）式中，—軋制壓力q的變化量；—輥縫凸度對應(yīng)于的變化量． 4．3輥形自保持性（穩(wěn)定性）軋機(jī)的各軋輥在服役期內(nèi)不斷發(fā)生表面磨損，下機(jī)后可以測得磨損后的軋輥表面輪廓曲線，再與上機(jī)前的軋輥初始輥形曲線相減，就可得到軋輥在服役期內(nèi)表面上的（中點(diǎn)或邊部點(diǎn)的）相對磨損量分布曲線，稱為軋輥磨損曲線或磨損輥形．定義輥形自保持性參數(shù)Rw： Rw=1.0-Wmax.K/Lw （10）其中，Wmax—寬度方向上最大相對磨損量；Lw—磨損曲線寬度；K—軋輥徑長比．如果軋輥表面磨損均勻，則軋輥具有最優(yōu)的輥形自保持性即輥形穩(wěn)定性，Rw=1.0．實(shí)際生產(chǎn)中，除表面局部剝落外，軋輥磨損曲線多為近似光滑曲線型（C型，高次或低次多項(xiàng)式）、“梯形（T型）”、“階梯型（S型）”和“貓耳型（CE型）”．軋輥表面不均勻磨損導(dǎo)致輥縫形狀變動和某些板形控制技術(shù)的調(diào)控功效變化．輥縫調(diào)節(jié)域表明了輥縫的調(diào)節(jié)柔性，輥縫橫向剛度表明了輥縫在軋制力變動時的穩(wěn)定性．建立將二者結(jié)合組成的Cw-Cq-q坐標(biāo)系，以軋制寬度B為參變量，可以得到描述軋機(jī)板形控制性能的三維圖．如果軋輥?zhàn)员３中粤己?，則這一板形控制性能的三維圖在整個軋輥服役期內(nèi)保持恒定．輥縫的調(diào)節(jié)柔性和剛度特性以及軋輥的輥形自保持性是比較板帶軋機(jī)的板形控制性能的主要依據(jù)．板形調(diào)控功效是板形控制技術(shù)的特質(zhì)，也是決定板帶軋機(jī)板形控制特性的基本“元素”．因此，比較板帶軋機(jī)的板形控制性能也可以說明板形控制技術(shù)的優(yōu)劣． 5 板形調(diào)控功效決定板帶軋機(jī)性能板帶軋機(jī)板形控制技術(shù)的配置方案決定了軋機(jī)的機(jī)型，也決定了軋機(jī)的板形控制策略——“柔性輥縫”或“剛性輥縫”．如果軋機(jī)的標(biāo)志性板形控制技術(shù)的調(diào)控思想是擴(kuò)大輥縫形狀調(diào)控域，則稱之為柔性輥縫型；如果是提高輥縫橫向剛度，則稱之為剛性輥縫型． CVC軋機(jī)和PC軋機(jī)同屬高柔度、低剛度輥縫，即柔性輥縫型；HC（UC）軋機(jī)屬于低凸度、高剛度輥縫型，即剛性輥縫型；VCL（VCR）支持輥技術(shù)可提高輥縫剛度并使支持輥具有優(yōu)良的輥形自保持性，也屬于剛性輥縫型；DSR技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)柔性輥縫控制也可實(shí)現(xiàn)剛性輥縫控制． 6 板帶軋機(jī)綜合性能比較板帶鋼熱軋和冷軋機(jī)的主要機(jī)型有常規(guī)四輥，CVC，HC（UC），PC，K?朩RS，VCL（VCR），DSR等．通過軟件仿真和生產(chǎn)實(shí)踐調(diào)研從8個方面對各種機(jī)型板帶軋機(jī)的綜合性能進(jìn)行比較，見表1．表1 板帶軋機(jī)綜合性能比較 Table 1 Comparison of overall performances in strip rolling mill 項(xiàng)目常規(guī)四輥 CVC HC(UC) PC K-WRS VCL(VCR) DSR 軋輥是否抽動否是是交叉是否是否輥縫形狀調(diào)控域 C A A A C B B A 輥縫橫向剛度 C C A C C A A A 輥形自保持性 C C C C B A A B 軋件行進(jìn)穩(wěn)定性 B B B C B A A A 輥耗 A C C V B A A C 實(shí)現(xiàn)自由軋制 C C B C A C A C 結(jié)構(gòu)及維護(hù)簡易 A B B C B A B C 避免過大軸向力 A B B C B A A A 輥形及磨輥簡易 A C B A A C C A 比較結(jié)果進(jìn)一步說明目前的板帶軋機(jī)各種機(jī)型都各有所長也各有所短，還沒有一種機(jī)型具有絕對的優(yōu)勢．尤其是各機(jī)型都有明顯缺點(diǎn)：CVC輥形曲線易被磨損破壞，輥間接觸壓力分布呈S型使支持輥（和工作輥）磨損嚴(yán)重不均．HC（UC）軋機(jī)輥間接觸壓力呈三角形分布，使輥端出現(xiàn)較大的接觸壓力尖峰，從而導(dǎo)致輥面的剝落，增大輥耗和換輥次數(shù)．PC軋機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作輥軸向力大，交叉點(diǎn)與軋制寬度中心線重合難，軋件易跑偏．K?朩RS和CVC熱軋機(jī)上下工作輥的不相等“磨損箱”必造成工作輥移位后的非對稱輥縫，導(dǎo)致軋件楔形和單邊浪的出現(xiàn)，甚至跑偏的發(fā)生；而PC軋機(jī)由于軋輥不移動可以避免此類問題．使用常規(guī)平輥的K-WRS軋機(jī)對板形控制無有貢獻(xiàn)，但如采用具有特殊輥廓曲線的工作輥，則能兼有板形控制的功能．K-WRS軋機(jī)能使磨損分散化和平緩化，為熱軋自由規(guī)程軋制提供條件，而CVC，HC（UC），PC技術(shù)都無此能力． 7 結(jié)束語比較研究進(jìn)一步證明，目前的各項(xiàng)板形控制技術(shù)都同時具有優(yōu)勢和局限，處于發(fā)展中、尚未成熟．這一方面給板帶軋機(jī)的選型和板形控制技術(shù)的配置制造了難度，另一方面也留下了針對板形控制技術(shù)的較大創(chuàng)新空間．正因此，近年來有關(guān)板形的研究始終都是前沿和熱點(diǎn)，板形技術(shù)向系列化和一體化模式發(fā)展．系列化主要表現(xiàn)在連軋機(jī)組各機(jī)架板形控制技術(shù)的開發(fā)、兼顧板形的軋制道次設(shè)定，以及以軋機(jī)為重點(diǎn)同時開發(fā)熱軋層流冷卻、熱軋精整、冷軋酸洗、冷軋平整與精整中的板形控制技術(shù)．一體化主要表現(xiàn)在熱軋和冷軋機(jī)的機(jī)型配置、輥形設(shè)計、工藝制度和控制模型被整合為一體的板形綜合控制技術(shù)．張清東（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）黃綸偉（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）周曉敏（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）參考文獻(xiàn) 1，黃綸偉.DSR板形技術(shù)研究：[學(xué)位論文].北京：北京科技大學(xué)，1999.3 2，張清東.冷軋寬帶鋼板形檢測與自動控制.鋼鐵，1999（10）： 69: 回答者：網(wǎng)友

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