板带轧制工艺学

null板带轧制学板带轧制工艺学板带产品的几何形状 一、板带产品的几何特征 板带产品的几何形状 一、板带产品的几何特征 1、影响轧件断面形状的因素 板带产品的断面形状可以描述为产品横断面的轮廓(如图)，此轮廓由一系列指定点上或横向指定增量点上的厚度测量值来定义，当轧件只受塑性变形压缩时，轧制后没有弹性恢复。这种情况下，轧件断面形状完全由辊缝形状决定。 图1 带材横断面轮廓null影响辊缝形状的4个主要因素： ⑴轧辊的垂直位移 ⑵轧辊的水平位移 ⑶轧辊热凸度 ⑷轧辊磨损。 轧辊的垂直位移。 引起垂直面上轧辊位移的因素： 轧机延伸 轧辊弯曲 辊缝中液压润滑油膜厚度的变化； 支承辊轴承里油膜厚度的变化。 null轧辊的水平位移 可能引起水平面上轧辊位移的因素有： 作用在工作辊上的轧制负荷的水平分量； 水平面上轧辊弯曲机构产生的力引起的轧辊弯曲； 轧件变形区的入口侧和出口侧不相等的带钢张力引起的轧辊位移和弯曲。 轧辊热凸度 轧制期间由于轧辊受热和冲击引起的 轧辊直径的增量。 轧辊磨损 由于研磨、腐蚀及粘着磨损而造成的辊 型的逐渐损伤。 null2、断面形状要素的定义 平板的断面形状常以中心厚度、边部厚度、水平、楔形、凸度、边部减薄、羽痕、隆起、凹陷等术语来描述，如图1和2所示：图2 断面形状定义 a—整体和局部中心凸度符号相同；b—整体和局部中心凸度符号相反null中心厚度hf。是轧件中心线处的厚度。 边部厚度hI和hJ。分别是离轧件最边部距离为I和 J处的测量值。其中： 传动侧为hI’和hJ’； 操作侧为hI”和hJ”。 I的选择距离为9.5～19mm，J为50～75mm。 倾斜量。断面倾斜量由传动侧和操作侧的边部厚度差决定： null楔形。传动侧和操作侧楔形分别为： 传动侧楔形： 操作侧楔形： 凸度。为中心厚度hc和指定的边部厚度之差。 以下为4种形式的凸度划分： 中心凸度或整体中心凸度： null局部凸度chJ等于： 传动侧凸度chI’ 等于： 操作侧凸度chI“等于： 边部减薄。即边部厚度hI和hJ之差。 以下为3种形式的边部减薄： 平均边部减薄为： null传动侧边部减薄为： 操作侧边部减薄为： 羽痕。为靠近最边部沿着距离I处的厚度变化。 可以考虑3种形式羽痕： 平均羽痕表示为： 式中hc'、hc"——分别为传动侧和操作侧最边部各自的厚度，厚度hc'和hc"可以在最边部2～3mm处测量。 null传动侧羽痕表示为： 操作侧羽痕表示为： 凸起和凹入。即为在带钢局部断面上超出预定尺寸的矩形窗口时，厚度在公称厚度值以上或以下的差值(图3)。建议的最小窗口尺寸为：宽度＝10mm，高度＝10 。名义 厚度可以通过回归分 析的非线性曲线拟合 法来确定。 图3 凸起和凹入示意图 1—凸起；2—凹入；3—名义厚度null3、产生不良平直度的原因 带材平直度或板形是可测量的参数[1]。它们可以表征浪形或瓢曲是否存在以及其大小和在轧件上的位置。 热轧和冷轧带材的不良平直度或板形由横截面上的不同延伸引起。这些差异产生了对应的带材内部应力。事实上引起板形缺陷的这些应力可能是压应力或切应力。压应力产生于带材宽向平行的瓢曲(图4)。按照威斯持雷切(Wistreich)的，这 些带材板形缺陷定义为边浪、中浪 和两肋浪。切应力引起与带材横向 斜交分布的瓢曲，形成所谓的人字 形缺陷。 图4 带材板形参数 a—边浪；b—中部瓢曲null 当外张力作用于带材时，外部张力应力和内部应力结合。结果，带材中的压应力减弱，得到好的板形。带材的延伸差异是由于带材与有载辊缝形状局部不匹配引起的。边浪和中浪归于带材和轧辊凸度上的差异。因此，板形上较复杂的凸凹不平是由于轧辊磨损、温度不均、带材来料有隆起、带材金相不均、润滑不均匀等引起的。 null4、带材板形缺陷的形式 4种主要形式的带材板形(图5）： 图5 带材板形形式 a—应力分布；b—带材形状null理想的板形。是当带材横向内部应力相等时的纯理论情况。 潜在的板形。相当于带材横向内部应力不等，但带材的截面模数又大得足以抵抗瓢曲变形时的情况。 表现的板形。当带材横向内部应力不相等，同时带材的截面模量不能大到足以抵抗瓢曲变形时，出现表现的板形，导致局部的弹性瓢曲。 双重的板形。是带材的一部分具有潜在的板形，而另一部分具有表现的板形的情况。 null5、 带材板形的定义 带材平直度可定性地定义为潜在的板形、表现的板形和双重的板形偏离理想板形的偏差量。 皮尔逊(Pearson）提出下面的带材板形定义： 式中 ∑ ——带材板形，1/cm； Lm、Ln——两条带材的长度，cm； b——两条带材之间的距离，cm。 null威尔莫特(Wilmotte)等人把带材板形定义为： 式中 ——板形指数(无因次)； L——带材中间窄条的长度； L40——离带材边缘40mm处窄条的长度。 钢铁工业经常采用下列3个平直度单位： (1)I—单位。用下面形式(图4)表示： 式中 I——带材板形，I—单位； △L／L——带材浪形度； △L——带材横向上最长和最短的窄条之间差值； L——浪形长度。 null(2)峰与峰之间的高度。峰与峰之间的高度H定义为 两个相邻的瓢曲或波浪之间的距离。 (3)百分翘曲度。百分翘曲度等于： I——单位、峰与峰之间高度及翘曲度S之间的关系是：null6、平面几何形状 评估轧件平面几何形状的两个参数：镰刀弯和脱方偏差量 1)镰刀弯。如图6所示，镰刀弯是侧边偏离直线的最 大偏移量，亦即弧边与直边的最大距离。 2)脱方偏差量。脱方偏差量(图7)为端边的一个端点相对于自该端边的另—端点引出的侧边的垂线所发生的最大偏移量。也可以通过测量切板对角线(AC和BD)之差获得。该差值的二分之一即为脱方偏差量。 null图6 镰刀弯图7 脱方偏差量7、轧件几何尺寸的公差类型 轧件几何尺寸公差的表示还没有统一的方式，已知的公差类型分类如下： (1)绝对公差。绝对公差用与被测参数相同的单位表示。 (2)相对公差。相对公差通常用占测量参数公称值的百分数给出。 轧件质量控制的最重要的趋势之一是承认轧制过程的内在变化和应用统计术语(如差)来估计产品的几何参数。 null8、标准差 测量轧件几何参数得到的数据表示为一系列预定间隔长度上的测量数值，这一系列数据称为总体。 如果总体中，有N个观测值，标记为x1、x2、…，xn则总体平均值是： 测量值与平均值的离差通过总体方差来定义： 用方差的平方根分析单个总体的方差，所得值称为标准差：null9、直方图 步骤： 一组数据的范围确定为最大测量值和最小测量值之差； 这个范围分成m个相等的子范围，称为小区间；确定每个小区间上的测量数，即频率； 沿直方图的水平刻度标出小区间的边界； 每个小区间都画成矩形，其面积与该小区间的频率成正比。由于小区间间隔都是等宽的，因此矩形的高度也与频率成正比。 null10、 正态分布曲线 当测量数量非常大时，直方图可以通过正态分布方程来表达： 其中， 这个曲线(图9)在点有最大值，当x变得非常大或非常小时，曲线值逐渐减小并趋于零。 图9 正态分布曲线结论： (1)大约总体的68％位于平均值的一个标准差以内。 (2)大约总体的95％位于平均值的两个标准差以内。 (3)大约总体的99.7％位于平均值的三个标准差以内。null11、尺寸公差 平板轧材的尺寸公差通常表示为下列因素的函数： ①产品种类 ②金属种类 ③宽度范围 ④厚度范围 平板轧材的3种类型一般为中板、薄板和带材。美国金属协会(AsM)将这些产品划分如下： (1)中板是有某一个最小厚度而宽度取决于金属种类的平板轧材。 (2)薄板是有某一个最大厚度而最小宽度取决于金属种类的平板轧材。它比中板薄，宽厚比大于50。 (3)带材是有某一个最大的厚度，而宽度取决于金属种类的平板轧材，它比薄板窄。 二、板带产品几何参数的测量 二、板带产品几何参数的测量 1、仪器的精度 (1)准确度 (2)总误差 (3)满量程(FS) (4)滞后。滞后可定义为在恒定的环境条件下，当首先施加一个递增激励而逼近给定的激励点，随后施加一个递减激励时，仪表的输出量表现出不同的值，由此产生的总效应之和即为滞后(图10)。 图10 滞后(5)噪声 (6)非线性 (7)工作温度 (8)精度 (9)再现性 (10)分辨率 (11)比例系数 (12)灵敏度 (13)稳定性 (14)温度效应null(15)时间常数。测量时，仪器产生与测定量相对应的输出信号所需要的时间，时间常数是达到稳定状态变化量63.2％所需时间(图11)。 图11 时域响应特性轧件厚度的测量 可通过接触式和非接触式系统来完成。非接触式系统一般用于高速轧机。这些系统的基本原理如下：从X射线或其他辐射源发射一束高强度辐射线，射向被测轧件。轧件减弱了些辐射能，其余的通过轧件。衰减可以预报，并遵循下面的公式： null3、带材断面形状的测量 川崎制铁开发的断面形状检测仪由3个主要部分组成(如下图)：测量带材中心厚度的静止测厚仪、垂直于轧制方向移动并测量带材厚度的扫描测厚仪和断面形状计算器。计算器按照静止测厚仪和扫描测厚仪得到的两个测量值之差计算断面形状。 null 在同位素(Isotope)测量系统开发的断面形状检测仪中，两个铯137辐射源安装在C形架的上臂上(图32—4)，并向安装在C形架底部的22个电离盒式检测器进行辐射。为测量宽度间隔为l0mm的带材厚度，C形架垂直轧制方向摆动，所以每一个通道在1s的周期内覆盖带材宽度100mm(图32—5)。在1s循环期间内，带材宽向每10mm测量两次带材厚度。null4、带材平直度测量方法 由于带材切成条决定的带材翘曲度和沿着未切割的带材宽向的应力及几何形状变化之间有直接关系，所以这种测量成为可能。根据板形测量所用的直接参数，可划分出下列3个方法： (1)内应力法 (2)外应力法 (3)几何法 5、测量平直度的内应力法 内应力法 ：带材切成条后，窄条长度的变化量与未切条的带材宽向内应力的变化量成正比。因此，带材翘曲度等于： —带材横向内应力的变化量； Es—带材弹性模量； —带材翘曲度；L —带材最长的和最短的窄条长度之差； null6、测量平直度的外应力法 当均匀的外张力作用于带材时，可用外应力法。当带材的各部分处于张力作用时，带材翘曲度可描述为： 式中 ——带材横截面上拉应力的变化。 基于这个方法的板形仪的一个例子是利用环形组合辊的应力测量仪(图32—7)，使辊与带材接触并测量带材横向的拉应力分布M。测量过程可以参照图32—8的框图来描述，其中各符号的意义是：nullFx——测量区上的力； ——带材x区域上的机械 应力； Fm——作用在带材覆盖区域上的所有力的均值 ——机械应力的均值； T ——带材张力； B ——带材宽度； t ——带材厚度； n ——区域的数目。null 该图显示了测量区(虚线框内)信号的处理过程以及整个设备的共用部分。从x区域来的转换信号在框l中整流滤波。输出电压与力Fx成正比。带材覆盖区域内的均值Fm在框4中得出，平均机械应力 在框6内借助带材参数算出。商值 在框5中得出，并在框2内乘以Fx。输出信号 等于带材的局部机械应力 。最后，在框3内减去 ，差值 构成输出信号，显示在每个区域单独的仪表上。null7、测量平直度的几何方法 带材的翘曲度(对应板形的表观部分)等于： 式中 R——波幅； k——浪形系数，对于正弦曲线 沃尔默—阿梅里卡(VOLLmer—America)，开发的板形仪利用接触式线性位置传感器测量带材挠曲度(图32—9)。非接触式光学传感器与图形识别技术相结合被用于比利时冶金中心(CRM)和新日铁开发的板形仪上。null 图32—l0图解说明了由联合工程公司和国际轧机咨询公司提出的板形仪的工作原理。这个板形仪有若干气隙传感器，沿带材横向分两排排列。每两个在纵向相邻的传感器测量通过这些传感器的带材截面的平直度。 null第i对(上游和下游两个)传感器的输出信号表示为： 式中 Ri ——波幅； ——波的频率； t——时间； —— 信号和之间的相位差。 和 两个信号差的波幅等于： 式中 l——上游和下游两个传感器之间的距离； Li——浪的波长。 当l远远小于Li时，等式32—7简化为： null 双排传感器的优点之一是当平行列中每对相邻传感器出现偏差信号时，它能使由于温度和材料硬度在纵向变化引起的误差最小。 川崎制铁开发的板形仪应用了所谓的“水柱法”。水柱法基于两个原理，其一是超声测量，超声脉冲经由水柱被转换接受，从反射脉冲之间的时间间隔可以得到到物体的距离和厚度；第二个原理是电阻测量，恒定电流加到水柱上，水柱与接地的绝缘水嘴相接触，通过测量水嘴的电压，可以知道水柱的长度和物体的一个板形参数。null8、板形仪—应力测量仪分类 依据与带材接触的形式，板形仪可分成3种(图32—11)： (1)与带材非接触式。(2)与带材点接触式。 (3)与带材辊接触式。 null 三菱电气开发的板形仪是非接触式装置的一个例子。这个板形仪(图32—12)测量周期性磁场激起的带材横向的挠度。 如图32—13所示，在费比思(Fabian)等人提出的板形仪中，在与带材纵向相一致的平面上测量辊子径向挠度。 null 梶原(Kajiwara)提出的板形仪中，在与带材横向(图32—14)相一致的平面上，测量辊子轴的挠度。利用径向挠度测量应力分布的板形仪比利用辊子轴挠度容易得到较好的分辨率。 具有外设传感器的板形仪分成两种类型：接触式和非接触式传感器。接触式设计的主要缺点：在修理和更换任何一个传感器时，必须停下轧机。石本(Ishimoto)等人提出的板形仪中，外部分片式转动套由静止轴上的圆柱弹簧支撑(图32—15)。非接触式传感器装在支撑器内，维修时容易移出。 null 具有非接触式传感器的板形仪分成两种类型：具有退化式的基准件和具有非退化式的基准件。 后一类型非常重要，这是因为非接触式传感器通常对基准件表面的退化很敏感。 图32—15显示的装置中，外套作为非接触式传感器的基准件。这些外套与轧制带材的连续接触导致了特性的退化。这个问已经在图32—16中显示的板形仪中消除了，它具有与非接触式传感器连接的非退化式基准件。 null9、活套式板形仪 作用 ：提供连续的带材板形测量和张力测量；建立精轧机组两个机架间常规的带材张力活套。 必须满足下列要求： 设计必须保证在热带材轧机环境下可靠地操作； 当用设计的结构替代现有活套时，它必须与现有的传动和轧机结构相适应 ； 板形仪必须有足够的分辨率来测量带材板形和张力。 )分段式轧辊和提升系统的惯性及质量-弹簧系统的固有频率必须在合适的极限内； 活套板形仪必须给闭环板形控制系统及机架间张力调节器都提供所有的合适信号。 null10、板形检测仪 传统板形应力仪和板形检测仪的基本差别是：前者分段辊通常在相同的平面上排成一行，而后者分段辊高度可单独调整。 优点：(1)增加板形控制范围。(2)改善跟踪能力。 (3)在线板形修正。 带材上的张力分布可能影响辊缝中的应力分布，从而影响带材断面形状和板形。如图32—19和图32—20所示。nullnull11、非接触式带材平直度测量系统 IRSID(法国钢铁研究院)开发的热带材平直度在线测量系统依据移位成像原理，如图32—22所示，用激光做发送器，线性扫描摄像机和光敏二极管做接收器，激光束轴线SBA和摄像机轴线AA’相对辊道安装。当激光点移动到B点时，激光点A在接收器上的成像A’移动到B’，这是由于在辊道上方带材高度从y0变为yl而引起的。 图32—23所示的操作原理图显示了带材纵向波动情况，例如在选择的时间间隔(如每隔3～6s)内必须计算波的曲线长度L。在时刻t0、tl、t2…tn周期性测量基准面上(输出辊道上)的带材高度y0、y1、y2…yn。曲线长度从下式得到： nullnull式中 vi——测量yi时的带材速度 n——测量数。 同时测量yi值，对带材截面上选择的曲线计算其对应长度L，例如在中部的曲线长度(Lmi)，在操作侧的曲线长度(Lop)，带材在电机侧的曲线长度(Lmo)。由摄像机检测阵列中x－影像位置。计算L和RO指标的微机处理由摄像机控制单元提供的x－影像信号。典型的RO指标用于确定平直度和楔形，即： null12、轧件宽度的测量 测量轧件宽度可以用接触式或非接触式两种方法。非接触式方法常用在热带材和板材轧机上。 非接触式宽度测量系统一般装备有光学仪器。这个仪器根据板坯和背景之间发生的光的对比，用光学原理检测板坯边部位置。在测量期间，用光敏变换器把信息转换成测量电信号，并使检测板坯成像。 图32－24显示了板坯宽度和厚度测量的几何关系，该系统由BHP开发，它使用两个摄像机。需要测量的板坯宽度和厚度由下式给出： null 由乔治凯尔克(George Kelk)公司开发的宽度测量系统，使用立体观测测量原理。如32—25所示，用两个摄像机扫描板坯的每一个边的位置A和B。由于距离d和L是已知的，通过三角测量方法，可以计算点A和B的位置。 null UPL—Scanned系统使用了移动式成像技术。横向截面探测器扫描被测量的轧件并成像。这就产生了一个随时间变化的扫描电压信号。进一步处理以后，扫描信号转换成与轧件尺寸成正比的矩形脉冲。为了减少距离误差，使用两台计算机，被测材料每边一台(图32－26)。对摄像机进行设定，以使其适应材料的名义宽度，用扫描摄像机检测材料宽度与设定的名义宽度之间差值的变化。null13、轧件侧弯的测量 测量沿着两个侧边的轧件长度，能够完成轧件侧弯的测量，如市原(Ichihara)提出的那样。实际上板材中心线曲率半径的平均值和沿其边部板材长度之间的关系由下式给出： 式中 w——板宽； si——沿内边的板材长度； s0——沿外边的板材长度。null 在测量仪器中(图32－27)，用与两个测量辊轴相连接的两个脉冲计数器测量板坯长度，这些辊是枢轴式地安装在可容纳不同板宽的活动块上。这些测量辊用两个不相干的压力缸压在板坯边部，用位置传感器测量板坯宽度，传感器与压力缸的活塞相连接。一旦测量出板坯宽度w和板坯长度si和s0，就能够按照方程32－14由计算机计算出侧弯曲率半径Rc。厚度和宽度控制 一、厚度控制原理 厚度和宽度控制 一、厚度控制原理 1、厚度变化的原因 带材轧制中厚度变化的原因可以从弹跳方程简便地分析出来： 式中h2——轧材的出口厚度； C0——空载辊缝； P——轧制力； Ks——轧机结构刚度。 弹跳方程可以用图33-1d说明。图中，直线A的斜率表示轧机结构刚度，它等于： null式中 ΔP——轧制力增量； ΔC——空载辊缝增量； α——直线A的斜率。 直线B的斜率表示轧材的刚度： 式中 Δh——轧材厚度的变化； β——直线B的斜率。 直线A和B的交点由C点表示，它决定了轧制力P和出口厚度h2的值方程33-1和图33-1可方便地用来分析厚度变化的原因。nullnull轧缝设定变化的影响 空载辊缝变化产生于： (1)轧辊偏心和椭圆 (2)轧辊热膨胀或收缩 (3)轧辊磨损 (4)轧辊弯曲 (5)轧辊交叉 (6)轧辊轴承泊膜厚度的变化 (7)轧制中润滑膜的变化 入口厚度的影响 轧机刚度的影响 轧机刚度变化的主要原因是： 轧材宽度的变化 轧辊直径的变化 轧辊凸度的变化null2、轧缝控制执行机构 轧缝控制执行机构类：机械的和液压的。 机械执行机构通常是电气驱动压下螺丝，它安装在固定于牌坊上的螺母中。机械执行机构的另一种形式是电气或液压驱动楔形机构。为了减小摩擦因数，增加斜楔执行机构的承载能力，在楔形块与顶杆接触面上安装聚四氟乙烯布，如图33-2所示。 液压执行机构称为轧制力液压缸，通常安装在上支承辊轴承箱上方或下支承辊轴承箱下方，如图33-3和图33-4所示。在某些轧机中(图33-5)，执行机构安装在上、下支承辊之间。nullnullnull 图33-3说明了机械压下机构与液压执行机构的典型组合。在这个结构中,压下螺丝机构用于辊缝的粗调，而液压缸用于精确的辊缝控制。在某些情况下，完全不用压下螺丝机构，而由液压执行机构单独提供辊缝控制。图33-6图解说明了液压缸取代常规的压下螺丝机构的轧机配置。为保证液压缸和轧机装置的配合，在液压缸的外部(图33-6) 或内部(图33－7)安装了球面垫板。 另一种液压执行机构(图33-8)称为塞姆斯(serms)梁。该执行机构是用厚钢坯制造的，安装在主压下螺丝与上支承辊轴承箱之间。两个液压缸位于梁的两端，它们作为主液压缸的液压增强器，石墨脂作为液压介质。nullnullnull3、辊缝测量方法 最普通的方法之一是测量轧机出口处轧材的实际厚度。 主要缺点 ：时间延迟，这是由于辊缝控制元件不容易靠近辊缝安装的缘故。将辊缝检测元件安装在工作辊之间可消除这个缺点，如图33-9。然而，应用这个方法时，引入了另一个误差，即由于轧辊弯曲引起的误差。 null 在一些辊缝控制系统中，检测元件安装在支承辊轴承箱之间(图33－10)或支承辊轴承箱和牌坊立柱内的机架凸块之间(图33－4)。 轧制期间的辊缝常利用厚度计原理的方法来测量。根据这个方法，加载条件下，辊缝C由下式计算： 4、位置传感器 自动厚度控制系统中，主要利用3种基本形式的位置传感器 。 ①模拟型 ②数字型 ③磁致伸缩型null模拟型传感器 这种形式传感器的一种改进型已由沙维茨工程公司(Schaewitz Engineering)[8]开发出来，称为线性可变位移传感器(LVDT)。 LVDT是机电装置，它产生与单独可动芯子的位置成正比的电输出。它由一个初级线圈和两个与初级线圈对称的次级线圈所组成。线圈组内一个自由移动的棒形磁芯给连接线圈的磁力线提供一个通道。 LVDT的横截面和其工作特性曲线示于图33-11中，当初级线圈通过振荡器激发时，两个次级线圈中产生电压。两个次级线圈反向串联，所以两个电压是极性相反的。因此，通过反调幅器提供的传感器的纯输出是这两个电压的差值，当芯子位于中心或零位时，差值等于零。 null 当芯子离开零位运动时，芯子向一个线圈运动，该线圈中产生的电压增高，而相反方向的线圈中产生的电压降低。这个动作产生一个与芯子位置变化成线性变化的电压差输出。当芯子从零位的一侧运动到另一侧时，输出电压的相位发生180°的突然变化。数字型传感器 这类传感器中的一种已由索尼磁尺公司开发出来。 主要部分组成部分：磁尺、磁性读头和检测器。 null 磁尺由磁性材料制造的尺构成，在尺上刻度信号按一定的间距用磁性(图33－12)。磁尺由若干个单磁头组成，磁头以相同的间距排成一行，并按磁极方向串联起来。当使用这种磁头时，只读出刻度信号，而滤除不同波长的或直流磁场的偏差信号。 当载体正弦波( )输入多间隙磁头时，磁头沿磁尺移动，产生一对二次谐波信号：null 检测器对以上两个方程表示的信号进行整流并使其适用于各种用途。检测器在正弦和余弦信号波形与零水平线交叉时产生脉冲，用于数字显示。正弦波和余弦波的细化处理允许在零水平脉冲之间使用内插法，并检测出位移的方向。 感应传感器是数字感应传感器的另一种改进形式，它的原理类似于索尼磁尺，主要区别是感应传感器使用电磁而不是永磁。 磁致伸缩型传感器 由材料实验系统公司(MTS)开发，工作原理(图33－13)是基于测量询问脉冲和返回脉冲之间的时间间隔。询问脉冲传过感应波导管，返回脉冲由表示被测量位移的永磁铁产生。传感器包括一个线性位移转换器(LDT)、一个磁铁和电子线路，后者用于产生询问脉冲、检测返回脉冲并产生模拟输出信号。nullnull 电子线路发出询问脉冲给LDT，启动脉冲宽度调制信号的上升边。脉冲传入导线，使导线穿过称为波导管的磁致伸缩管。波导管安装在无磁性不锈钢棒中处于张力状态下。永磁铁沿着不锈钢管设置，装在待测位移的装置上。 询问脉冲的磁场和外部永磁铁的磁场之间相互作用使波导管发生钮转。扭转(或扭应力脉冲)沿波导管传输。扭应力脉冲在波导管端部衰减，并在感应器探头上检测出。两个磁感应应变尺接触波导管，并联接感应器探头上的敏感线圈。来自波导管的扭应力脉冲引起应变尺相对于敏感线圈磁场产生小的振动。这在线圈中产生感应电压，在感应探头中放大并调整；然后，作为返回脉冲，送回到电子线路箱中。位置传感器的运行特性随传感器的类型变化。对于模拟传感器，它们也随测量范围变化。 null5、液压执行机构的闭环控制 一种液压执行机构的典型闭环控制系统示于图33—14中，两种液压缸控制方式最常用： (1)位置控制方式。 (2)轧制力控制方式。 null 选择位置控制方式时，液压缸位置基准信号与由液压缸位置感应器提供的反馈信号相比较。偏差信号被放大，并输入到电液伺服阀中，伺服阀把该模拟电信号转变成进入或流出液压缸的流量，进或出取决于所要求的运动方向。 对操作侧和传动侧液压缸提供相同的闭环控制系统。对两个系统使用共同的位置基准值，以保证液压缸同步运动。为达到整个轧机上带材的跟踪控制，给每个液压缸控制系统提供附加的反相基准信号。 选择轧制力控制方式时，轧制力基准值与负荷元件或压力传感器提供的反馈信号相比较，如图33－14所示。null6、辊缝控制的动态特性 用下面三种形式的特性来评估辊缝控制系统的动态响应： (1)阶跃(函数)响应 (2)频率响应 (3)相位移 特性： (1)阶跃响应：是输入阶跃函数时所得出的特性曲线或输出与时间关系的曲线，也叫上升时间。 由三菱重工开发的液压辊缝控制系统的阶跃响应显示在图33－15中。null(2)频率响应：通常，是在规定的振幅误差内产生输出时，频谱能够通过仪器的那一部分。 (3)相位移：相位移是输入和输出周期函数之间相位关系的变化。 石川岛播磨重工开发的液压辊缝控制系统的频率响应特性显示在图33－16中。null7、厚度控制 液压和机械形式的执行机构都可应用于厚度控制。 由英国钢铁协会(BISRA) 和戴维联合公司(Davy－United)合作开发的具有液压执行机构的厚度控制。 本控制的算法如下： 式中CR——空载辊缝位置基准值； H2R——出口厚度基准值。 如图33－17所示，电子脉冲形成器利用轧制力P的测量值来计算轧机变形或轧机弹跳P／K。从输出厚度基准值H2R中减去这个值，得到空载辊缝位置基准值。CR然后，空载辊缝位置基准信号与由前面叙述的位置传感器提供的测量值相比较。 nullnull 厚控系统可以增加刚度使其超过轧机自然刚度。通过完全(100％)补偿轧机延伸，可以使机架有无限大的刚性，所以，辊缝不随来料的厚度或硬度的变化而变化。 为了得到优化的厚度和带材平直度特性，厚控须对前面机架提供高的轧机刚度，而后续机架刚度逐渐变软。 8、微分厚度控制 微分厚度控制(DGC)由阿肯巴赫－布施胡滕(AchenbachBuschhutten)有限公司开发，利用轧机预紧力概念来消除高于轧制力变化而引起的厚度变化。轧机预紧力FR由安装在轧机支承辊轴承箱之间的液压缸提供(图33－18)。所以，压下螺丝承受的力FA等于： 式中 Fw——轧制力 FR ——预紧力。null 因此，压下螺丝承受的力FA的一部分传过辊缝产生轧制力Fw，而另一部分力FR在上下支承辊轴承箱之间传送。预紧力值的选择略大于预先考虑的轧制力的变化量。控制系统设计应保证轧制力的任何增量dFw将产生预紧力相等的下降，所以，压下螺丝承受的力FA保持不变。而不变的压下螺丝的力意味着恒定的轧机延伸和恒定的辊缝。null9、隔离式厚度控制 隔离式厚度控制(SGC)方法由阿肯巴赫BBC开发。按照这个方法(图33－19)，由一对装置测量支承辊轴承箱之间的距离，来确定轧辊倾斜的平均值。要求值和实际值之间的控制偏差由轧机每侧的距离控制器和导向阀作用在SGC调节液压缸上。 null 距离控制电路补偿与负荷有关的轧机外部弹性变形的变化。然而，辊缝和带材厚度仍然随轧辊变形的变化而变化。把干扰值叠加到距离控制器中可以实现轧辊变形的补偿。这个干扰由SGC液压缸的压力计算出来，它考虑到了校准值和轧辊弯曲力。 该方法类似于测厚仪控制原理，但是更为精确，因为仅需要计算轧辊的弹性变形。整个轧机的刚度是常数。轴承箱与立柱之间的摩擦力没有影响。 10、厚度偏差控制 单个机架厚度偏差的控制方法：反馈力方法和前馈方法。 在反馈方法中，测得的输出厚度误差作为厚度控制系统的反馈信号。当使用厚度控制时(图33—l 9)，来自输出厚度监测器的反馈信号提供了良好的校正信号来弥补厚度控制的某些不足。null 前馈控制方法需要用厚度计测量轧机入口材料的厚度(图33－20)。由于入口厚度计安装得离辊缝有一段距离，测得的入口厚度偏差输入到一个模块中，该模块计算带材通过厚度监测器与辊缝之间距离所占用的时间延迟。然后，厚度误差信号用来改变液压缸的位置。null11、带材张力控制系统 带材张力控制系统由前面描述的辊缝控制系统和张力闭环控制组成。由来料厚度和硬度变化、轧辊偏心、油膜厚度波动等引起的辊缝扰动可能产生带材张力的变化。 用张力仪表或张力计检测带材实际张力(图33-21)，张力计的输出信号与张力基准信号相比较，误差信号输入到辊缝位置调节器或一个相邻机架的速度调节器。前一种情况的控制常叫做辊缝张力控制，而后一种情况的控制叫速度张力控制。null 带材张力控制可以同厚度控制结合，如蒂平斯(Tippins)机械公司提出的那样。在这个控制系统中(图33－22)。轧机弹跳的变化通过调整带材张力来补偿，当然，张力应当在允许范围内。一但要求带材张力超过这个范围，对轧机弹跳的进一步补偿通过改变辊缝完成。null12、冷连轧机三级AGC 冷连轧机的自动厚度控制系统由戴维－洛伊开发的，它由完全不同的三级组成：入口AGC、机架间AGC和出口AGC。 入口AGC(图33-23)装备有测厚仪和厚度偏差控制系统，以及S1和S2机架轧辊偏心补偿，后者是一种可供选择的方式。机架间AGC提供S3和S4机架上恒定的流量。出口AGC调节恒定的辊缝，也包括S5机架上的反馈厚度偏差控制。 S1和S2机架的测厚仪和厚度反馈偏差控制共同保证S2机架出口轧材厚度不变。由于S2机架的速度也是常数，所以材料将以不变的流量进入S3机架。 S1和S2机架间的带材张力通过调节就S1机架的轧辊速度来保持。S2和S3机架之间及S3印S4机架之间的张力通过改变相应下游机架的辊缝来控制。如上所述．带材张力控制的两种类型都适合于S4和S5之间。null 当需要修正出口厚度时。厚度偏差反馈控制提供了Sl、S2、S3、S4和S5机架的速度调整。null13、冷连轧机的前馈AGC 最现代的冷连轧机自动厚度控制(AGC)系统中，机架1和2装备有前馈控制。其主要目的是消除2号机架的入口厚度偏差。为了达到这个目的，1号和2号机架之间的张力通过改变1号机架的轧辊速度来调节。 由住友金属工业公司开发的前馈AGC的布置示意图如图33-24所示。安装在1号机架后的厚度计监视厚度偏差。计算机计算预先选择的一段带材的平均厚度偏差△H2；带材通过轧机时，跟踪每段的位置。 计算机也预报每段到达2号机架的时间和l号机架的速度变化量△vl。null14、流动应力前馈AGC 神户制钢开发了改进型的冷连轧机前馈AGC。该系统包括两个通常的前馈控制系统(图33-25)，用于l号和2号机架。每个系统测量轧机前的带材厚度。然后，计算出优化的辊缝，用于控制前面描述的轧机辊缝。 除了这些通常的前馈控制系统外，所谓的流动应力前馈控制系统(FS－FF－AGC)已用在2号机架上。基于1号厚度计测得的带材厚度信息和基于1号机架上轧制力的测量值计算轧材变形阻力的波动。考虑控制系统的时间延迟和带材传输时间，进行2号机架最佳辊缝的计算。nullnull15、非相干AGC 在非相干AGC中，张力控制系统和厚度控制系统是独立的。辊缝设定误差和来料带材的厚度及硬度变化由包括三个反馈控制环的自动厚度控制系统(图33－26a)来修正。每个环的反馈由安装在2号、4号和5号机架后的厚度计提供。第一个控制环调整1号机架和2号机架的辊缝。第二个环控制3号机架和4号机架辊缝。第三环通过调节5号机架的速度，影响出口带材张力，控制厚度。 机架间带材张力通过轧辊速度控制器保持常数。选择3号机架作为基准架(关键架)如图33－26b所示。nullnull16、自动张力和厚度控制系统 作用：控制整个轧制过程中轧制带材从头部到尾部的厚度。 系统由下列3个子系统组成： (1)流量厚度计算系统。 (2)厚度和张力控制系统。 (3)动态变化控制系统。 流量厚度计算系统 这个系统(图33－27)用下面方程计算第i架的流量厚度： 式中 Hi——流量输入厚度； hi——流量输出厚度； fi——前滑。nullnull稳定状态的前滑值由下面表达式计算： 式中 ri——压下率； ——摩擦因数； ——工作辊压扁直径 tfi ——前张力； tbi ——后张力； ——修正系数。 厚度和张力控制系统 两个工作方式：低速方式和高速方式。null 低速轧制时，控制系统持续地保持要求的机架间张力，通过调节辊缝和张力基准值快速使每个机架的厚度偏差达到最小。通过变化轧辊速度调整机架间张力。利用多变量优化控制概念计算所要求的辊缝和张力的基准值变化。这个概念是基于使厚度偏差平方相最小化的原理。 高速轧制时，利用下列控制环调节机架的轧辊速度： 入口厚度偏差的前馈控制。 出口厚度偏差的反馈控制。 厚度监控或整体厚度控制。 控制系统在穿带期间通过适当调节辊缝弥补无前张力的影响，也提供电机速降的补偿避免穿带期间轧辊打滑。null动态厚度控制系统 利用动态厚度控制系统将带材轧成一定的厚度，直至获得所要求轧材长度为止，然后，可以迅速把厚度变化到另一个规程值。轧机运转时，通过平滑地把每个机架的辊缝和轧辊速度调节到第二个设定值来完成这种过渡。 17、带材热连轧机上机架间张力控制 带材热连轧机上，一般用活套支撑器保持机架间张力。 已知下面3种活套支撑器： (1)由电机驱动的电动活套支撑器。 (2)由气缸驱动的气动活套支撑器。 (3)由液压缸驱动的液压活套支撑器。 null 带材热连轧机的最新发展之一是应用无活套支撑器控制来保持机架间张力M。在这种控制中，通过测量轧制力和力矩估算机架间张力。一旦估算出张力，通过调节一个相邻机架的辊速即能够容易地实现张力调整。 18、带材热连轧机的三级AGC 通过戴维－洛伊开发的厚度控制系统举例说明典型的带材热连轧机三级AGC。 AGC(图33－29)的第一级包括1号机架和2号机架的厚度控制。第二级通过保持恒定的机架间带材张力提供了不变的流量。第三级是出口厚度误差反馈系统，它通过调节后续机架速度来控制绝对厚度偏差。 1号机架和2号机架之间的机架间张力通过调节1号机架的辊速来保持，而其余机架间的张力通过调整下游机架的辊缝来控制。nullnull19、热连轧机的前馈AGC 在带材热轧机中，厚度变化的基本原因是沿带材长度上带材温度的波动。一般公认下面两种带材温度变化模式(图33－30)。null(1)从带材头部到尾部整体温度下降(偶尔上升)。 (2)板坯在加热炉中时，在板坯与炉底滑轨接触面上产生的带材上的局部冷点，叫滑道黑印。 为减小温度变化对带材厚度和平直度特性的影响，设计了前馈AGC，控制框图如图33－31所示。第一台轧机是取样机架，轧制期间这台轧机不进行辊缝调整。后面3台轧机的辊缝控制要对由于沿带材整体和局部温度变化引起的本块料软件厚度变化作过校正(负控制)。最后3个机架的辊缝控制允许将过校正或负控制的厚度再调整回来，所以在这些机架上保持恒定的轧制力。null 从安装在1号机架后的传感器读取的温度，每秒取样10次，用来预报下游轧机咬入时的带材温度。利用这些温度数据和其他带材特性，厚差预报器和负预报计建立每块样钢的厚度基准值，这样可以满足必要的反向和回调准则。null20、弥补轧机设备的不足 先进的AGC系统一般包括补偿由于轧机设备不足引入的厚度干扰的控制功能。功能中，最重要的是： (1)轧辊偏心补偿。 (2)支撑辊油膜轴承中油膜厚度变化的补偿。 (3)补偿AGC活动部件之间及轧辊轴承箱与牌坊立柱之间的摩擦力。 术语“轧辊偏心”通常用来描述较复杂的轧机设备缺陷，它包括： (1)工作辊不圆。 (2)支承辊不圆。 (3)轧辊轴承中心线与辊身中心线之间不同心。null 图33－32显示由于轧辊偏心引起的轧制力变化的典型图形。这个图形是在具有支承辊油膜轴承的四辊冷轧机上记录的。辊缝中无带材时，轧制力为5000kN。轧制力波动的振幅主要取决于轧辊的相互角度位置，当上下支承辊偏心在相反方向时，振幅达到峰值。 有三种方法减小轧辊偏心的有害影响。 ①用轧制力方式来控制辊缝。 ②引入一个死区电路，它使得在确定的范围内辊缝控制不受轧制力变化的影 ③利用轧辊偏心补偿技术。 图33－33给出了石川岛播磨重工开发的轧辊偏心控制框图。该控制系统利用了轧辊nullnull 偏心傅里叶分析方法(FARE)。由支承辊偏心引起的轧制负荷的变化与支承辊角度的旋转同步发生，后者是由安装在支承辊端部的脉冲发生器检测的。轧制负荷的同步分量代表轧辊的偏心，用傅氏分析程序从总轧制力信号中抽出来。用产生的信号提供一个附加的辊缝基准值，它可以减小由于轧辊偏心引起的轧制力变化。 通常是利用表示轧制力和轧制速度之间关系的经验曲线补偿支承辊油膜轴承中油膜厚度的变化。 图33－34所示，用两个独立的位置调节器控制两个套叠式安装的液压缸的膨胀。位置基准值H'R和H"R提供理想的辊缝。除这两个基本基准值外，引进两个同振幅反相位的周期性基准值H'O和H"O；，所以液压缸发生了振荡，而两个液压缸的总膨胀(H'A+H"A)却与振动无关。 nullnull单机架HAGC的框图 HAGC(液压AGC)动态持性模型使得人们可以评估系统的稳定性和精度．它是轧机和液压执行机构的工程参数、伺服阀形式和配置、材料刚度、轧制力等的函数。模型的结果可以用来开发在线计算机模型算法。 模型的开发包括下列3个步骤： (1)系统框图的开发。 (2)每框传递函数的开发。 (3)可使人们获得整个系统的传递函数，从而获得系统响应特性，如： 频率响应持性； 时域响应持性。 null