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1、带钢板形控制简介 2009年3月12日,目 录 1.带钢板形指标 2.带钢板形控制模型 3.CVC轧机工作原理 4.带钢板形检测 5.板形控制系统简介,1.带钢板形指标 带钢尺寸质量指标包括纵向和横向尺寸，其中纵向厚度尺寸精度由AGC（Automatic Gauge Control）系统控制，AGC经过几十年的应用，目前已经很成熟。最近几年，热轧、冷轧带钢的板形控制研究及应用也日趋成熟，新建的板带轧机都装备了板形控制系统。一个完整的板形控制系统必须具备以下三个条件：（1）可靠的、高精度的板形指标检测系统；（2）成熟的板形理论模型；（3）快速的板形调节、执行机构。,板形检测仪表包括平直度仪、凸度
2、仪等；板形调节、执行机构主要有弯辊装置、轧辊窜动机构、机架间喷水装置等。带钢板形涉及到轧辊的弯曲变形、热凸度、轧辊磨损等，因此，如果需要对板形进行精确的控制，首先必须能够对轧辊的弯曲变形、热凸度、轧辊磨损等进行精确的计算和预报。目前，轧辊的弯曲变形和热凸度的计算已有比较成熟的、复杂的理论模型，但由于影响轧辊磨损的因素众多，目前还没有成熟的、可以实际使用的轧辊磨损模型，一般是采用经验模型，或者是半理论半经验模型。板形指标通常包括纵向和横向两个方面，纵向用平直度（Flatness）来表示，俗称带钢浪形，即指带钢长度方向上的平坦程度；衡量横向板形指标的是带钢的断面形状（Profile or Cont
3、our），即带钢沿板宽方向上的断面分布，包括凸度（Crwon）、楔形（Wedge）、边部减薄（Edge drop）等。,1.1 凸度（Crwon）带钢凸度是描述带材横截面形状的一项主要指标(见图1)。凸度定义为在宽度中点处厚度与两侧边部标志点平均厚度之差：（1）式中hR和hL为右部及左部的标志点厚度。所谓标志点是指不包括边部减薄部分的边部点，一般取离实际边部40mm左右处的点。hc为带材宽度方向中心点的厚度。,1.2 楔形（Wedge）楔形即左右标志点厚度之差：（2）1.3 边部减薄（Edge drop）边部减薄指的是左右标志点厚度与带钢边部厚度之差，即：EL=hL-hEL ER=hR-hER
4、(3),1.4 平直度（Flatness）带钢平直度可以用波形表示法，也可以用相长度表示法来描述。1.4.1 波形表示法定义的带钢平直度（4）式中，R-波高；L-波距。图3 平直度波形表示法,1.4.2 I单位表示带钢的平直度 相对长度差表示波浪部分的曲线长度对于平直部分标准长度的相对增长量。一般用带钢宽度上最长和最短纵条上的相对长度差表示。因为该数值很小，国际上通常将相对长度差乘以105后，再用来表示带钢的平直度，该指标称为I单位。一个I单位表示相对长度差为10-5。式中：L-所取基准点 的轧后长度；L-其它各点相对于 基准点的轧后长度差。,D,1.4.3 两种平直度指标之间的关系 假设带钢
5、波形可以表示为正弦曲线，则通过理论推导，可以得到用波形表示的带钢平直度和用相对长度差表示的相对长度差之间的关系为：例如：R=20 mm，波长 L=1000 mm。则，相对长度差=0.00099，即带钢平直度为99 个I单位。,1.5 PCFC意义 PCFC代表 Profile,Contour and Flatness Control。这里Proflie指横断面凸度，即通常所说的Crown。其定义见图4。绝对Proflle(mm)：C40=hc(hR+hL)/2 相对Proflle(%)：:C40REL=C40/hc100%,Contour 指的是带钢横断面沿宽度方向上的形状，包括了带钢整个宽度
6、范围（见图5）。图5 带钢凸度和断面形状控制范围 Flatness意思与上述定义相同，即带钢平直度。,2.带钢板形控制模型,2.1 带钢板形控制基本原理影响带钢断面形状的因 素 带钢的断面形状与轧机过钢时轧辊的辊缝形状相同.此时的辊缝称为负载辊缝。影响负载辊缝形状的因素有：1)轧辊磨削凸度。2)轧辊磨损。3)轧辊热凸度。4)支持辊弯曲。5)支持辊与工作辊之间的压扁。6)工作辊与轧件之间的压扁。7)工作辊弯曲。,图6 影响辊缝的因素,带钢断面形状和平直度控制过程模型,图7 板形控制模型,2.2 带钢板形控制模型,图9 F7机架轧辊热凸度,图8 F7机架轧辊表面温度沿辊身长度 方向上的分布,图8为
7、换辊后实测的沿辊身长度上的温度分布，图9为轧辊热凸度实测值。,2.2.1 轧辊热凸度模型,式中，Ti-温度；,-起始温度；,R-轧辊半径；,-热膨胀系数；,-系数.,30,35,40,45,50,55,60,-2000,-1500,-1000,-500,0,500,1000,1500,2000,roll length mm,OS,DS,Roll temperature/C,Operational result:Offline recalculated work roll temperature,图10 轧辊温度（热凸度）,2.2.2 轧辊磨损模型,图11 轧辊磨损实测结果,采用以下公式计算轧制
8、一个钢卷后轧辊的磨损情况：式中，i机架号；FRi轧制压力，（kN）；B带钢宽度，（mm）；ld接触弧长，（mm）；e磨损指数（e=0.3）；Laus,i本次计算轧制带钢的长 度，(m)；DA,i工作辊直径，（mm）。ai工作辊磨损因子。,2.2.3 轧辊受力变形,轧辊受力变形包括：（1）弯曲变形；（2）压扁变形。,图12 轧辊受力示意图,2.2.4 模型自适应,不良平直度是由于轧件横截面上的不同延伸引起的。而轧件横截面上的延伸差异是由于进入轧机的轧件横截面形状与负载辊缝局部不匹配引起的。,因此获得平直度良 好的带钢的条件为：Hh即进、出入轧机的轧件断面形状相似。,图13 带钢平直度良好的条件,
9、2.3 带钢平直度良好的条件,3.CVC轧机工作原理,3.1 带钢板形控制调节,Automation system,WR shifting/bending system,CVC,Strip profile Contour Flatness SFR strategies,Process modelPCFCPhysical know how,Work rollcrown,Shiftingposition,CVC,3.2 工作辊弯曲,图14 工作辊弯曲,3.3 CVC轧机工作原理 CVC（Continuously Variable Crown）技术是由德国SMS公司于1984年提出的控制轧件板形的一
10、种新型轧辊技术，由于该技术控制板形的优越性能而在热轧和冷轧板带材中获得了广泛的应用。我们宝钢80年代中期引进的2050热带轧机是世界上首套采用CVC技术的轧机，近年来，我国先后引进的几套CSP生产线均采用了CVC轧辊，有的生产线还采用了CVC的改进型CVCplus(CVC+)技术。,CVC轧辊辊身曲线呈S形，图15为CVC轧辊的辊系布置及工作原理，两个形状相同的轧辊相互倒置180布置，通过两个轧辊沿相反方向的对称移动，得到连续变化的不同凸度辊缝，等效于配置了一系列不同凸度的轧辊。图3中（a）轧辊移动距离为零时，凸度为零；（b）上辊向右移动，下辊向左移动，轧辊凸度增加，定义为正凸度；（c）上辊向
11、左移动，下辊向右移动，轧辊凸度减小，定义为负凸度。CVC辊形曲线和两辊间的移动距离，决定了辊缝凸度的大小和正负。,CVC轧辊的布置见图16。我们以CVC三次辊形曲线为例说明CVC轧辊辊形函数和轧辊凸度与轧辊轴向窜动量之间的关系。操作侧 传动侧 图16 涟钢CVC轧辊的布置,上工作辊曲线为：（1）下轧辊轮廓与上轧辊完全一样，但转动180与上轧辊配置，因此，下轧辊的辊形曲线为：（2）式中：L-轧辊辊身长度；x-辊身距坐标原点的距离；三次函数的系数，决定了曲线的 形状。,假设两辊间移动距离为零时，凸度为零；当轧辊相对移动距离达到最大和最小值时，辊缝凸度分别为1mm和-1mm，则两辊间移动距离与凸度的
12、关系见图17中曲线a。图17 轧辊移动量与凸度的关系 a-三次曲线函数；b-五次曲线函数,最初的CVC辊形曲线为三次曲线，后来改进的CVCplus为五次曲线，但实际上，三次曲线和五次曲线没有本质的改变，两者的区别主要在于辊缝凸度与两个轧辊移动距离之间的关系上。当轧辊窜动量一定时，五次曲线CVC轧辊具有更大的轧辊凸度（见图17（b）。由方程（1）和（2）确定的CVC轧辊，当轧辊没有相对窜动时，轧辊的原始辊缝凸度为零。如果轧辊没有相对移动，需要辊缝具有一定的初始凸度值，则需要改变轧辊的轮廓曲线函数，此时上下轧辊辊形分别由方程（3）和（4）确定。,上辊：（3）下辊：（4）方程（3）和（4）形成的轧辊
13、凸度与轧辊窜动量之间的关系见图18（b）和（c）。CVC原始凸度的大小取决于轧辊的相对移动量（辊形函数曲线偏移）。,（a）（b）（c）图18 CVC辊形曲线与轧辊原始凸度的关系,可以证明，CVC轧辊凸度与轧辊窜动量之间的关系不是线性关系，而是图14所示的曲线关系。线性关系的导出没有考虑轧辊移动后对实际辊缝的影响，这与轧辊的实际凸度有一定的误差，原因在于在推导线性轧辊凸度关系时，当轧辊相对移动一定的量后，仍然认为两个轧辊的接触长度为原始辊身长度，忽略了轧辊移动距离对有效凸度的影响，从而使计算轧辊凸度与轧辊 移动量之间的结果产生误差。由于误差是由于忽略了轧辊 移动而引起的，因此，轧辊 移动量越大，
14、则这些公式的 计算结果误差越大，图14中 的曲线a和曲线b证明了这一 点。,图19 轧辊凸度与轧辊移动量之间的关系,4.带钢板形检测,4.1 凸度 多功能测量仪 精轧出口的多功能测量仪RM321为总部位于德国Erlangen的铁Thermo Radio Metrie Limited公司提供，可测量带钢厚度、宽度、温度和Shape（可选）。由该多功能测量可直接得到带钢凸度Crown和楔度C40。,图20 测量仪表布置图,图21 多功能板形仪,4.2 非接触式激光三角带钢平直度测量原理 涟钢CSP精轧机出口板形仪（Shapemeter）BPM-120 由德国PSYSTEME公司提供，采用非接触式激
15、光三角形测量原理测量带钢的高度，由检测单元、数据处理单元等构成，检测单元由三组（九路）激光源和三个摄像头组成，九个激光通道之间的距离一般为180mm，采用He-Ne型单色激光（波长632.8 nm）。中间一路激光源位置固定在轧制线中间，和一个摄像头配合使用，测量带钢中央平直度。另外八路激光源分成两组，和另外两个摄像机配合使用，分别检测操作侧和传动侧的带钢平直度。,九路激光源光束和三个摄像头安装在轧制线上方3000mm处，与带钢成一固定的倾斜角，激光源向带钢表面发射单色激光，产生光斑，带钢高度不同，扫描摄像头以不同的角度“看见”激光光斑，根据扫描摄像头看到光斑的角度就可以确定带钢高度的变化。由于
16、激光源、扫描摄像头和光斑三者形成一个三角形，因此这种测量方法称为激光三角测量原理。非接触式三角测量法测量带钢平直度的原理见图22。,图22 激光板形仪平直度三角形测量原理 1激光；2圆柱面透镜；3光敏二极管阵列；4干扰过滤器；5摄像透镜,4.3 接触式带钢平直度测量原理,带钢板形主要有两类指标：表面平直度和横断面凸度。热轧利用激光测速仪、采用三角形测量原理测量带钢的平直度和凸度等。利用多功能厚度仪测量带钢的凸度等。冷轧采用张力平直度测量原理测量板形，通过测量沿带钢横向上的张力分布来得到横向上的延伸分布，进而得到带钢的板形。凸度仍然是用厚度计来测量。冷轧板形问题主要是平直度不好。,图23 接触式
17、板形仪,图24 板形测量辊,冷轧板形检测目前采用最多的是瑞典ABB公司的分段接触式板形辊。它是通过将测量辊分成若干个测量区段，并在每区段内安装测量传感器。测定带钢沿宽度方向上各段的径向力分布，再经数学转化得到相应张应力分布，从而来判断板形缺陷的类型及大小。分段接触式板形辊白20世纪70年代初在冷轧上使用一直沿用至今，其较高的测量精度及稳定的使用效果已得到了世界上众多冷轧生产厂家的认可。,图25 轧件延伸与板形,图27 板形的种类a正常；b中浪；c边浪；d小边浪；e小中浪；f小偏浪,图26 轧件变形说明,5.带钢板形控制系统简介,ABB板形测量辊由36个宽度为52mm的圆环组成，每个圆环内装有磁
18、弹力传感器。在轧制时与带钢一起运行的测量辊受到带钢张力的作用而发生电磁信号，信号的强弱反映了带钢压紧辊面的张力大小。电磁信号经处理得出各段的应力和应力偏差值。各段应力偏差值组合即反应了带钢在宽度方向上应力分布的不均匀，由此反映了带钢宽度方向的变形不均匀性。,将检测的带钢应力偏差值传送给板形监视器显示和板形控制计算机进行计算。计算机根据给出的设定板形曲线算出板形设定值，与检测的带钢实际值进行比较得到偏差值。由计算机通过数学模型和数学方法把偏差值回归成一个四次多项式，即:Y=A0+A1X+A2X2+A3X3+A4X4式中,A1X对应一次板形缺陷的调节偏差分量；A2X2对应二次板形缺陷的调节偏差分量
19、；A3X3对应三次板形缺陷的调节偏差分量；A4X4对应四次板形缺陷的调节偏差分量 由此就分解出对于不同板形缺陷的偏差调节分量，输出给各调节回路，执行相应的调节手段。,图28 板形控制调节示意图,每个测量段上存在的带钢张应力调节偏差又被转换成对应于不同平坦度缺陷的调节偏差分量。这些不同的板形缺陷可以通过下列不同的调节方式和调节回路来加以消除，见图28。（1）轧辊倾斜调节 轧辊倾斜调节用于消除非对称性的带钢断面形状(如楔形、单边浪)的平坦度缺陷，即回归多项式中的a1x分量。该调节系统根据带钢左、右两边的不对称张应力分布，根据数学模型计算出轧辊倾斜的调节量，并与原轧辊倾斜设定值迭加，作为新的轧辊倾斜
20、值输出给倾斜控制回路对轧辊的左右压下位置进行修正。,（2）工作辊弯辊和CVC位置调节,工作辊弯辊和CVC位置调节是用于消除对称带钢断面形状缺陷(如中间浪、两边浪等)，即抛物线形状的平坦度缺陷，亦即回归多项式中的a2x2分量。利用弯辊控制法，通过控制轧辊在轧制过程中的弹性变形可以达到这一目的。所谓液压弯辊技术就是利用液压缸施加压力使工作辊产生附加弯曲，以补偿由于轧制压力和轧辊温度等工艺因素的变化而产生的辊缝形状的变化，以保证生产出高精度的产品。(a)正弯工作辊 弯辊力加在两工作辊轴承座之间。即除工作辊平衡油缸以外，尚配有专门提供弯辊力的液压缸，使上下工作辊轴承座受到与轧制压力方向相同的弯辊力N1
21、，结果是减少了轧制时工作辊的挠度。控制带钢的边浪。,(b)负弯工作辊 弯辊力加在两工作辊与支撑辊的轴承座之间，使工作辊轴承座受到一个与轧制压力方向相反的作用力N1。结果是增大了轧制时工作辊的挠度。控制带钢的中浪。,图29 液压弯辊a-工作辊正弯；b-工作辊负弯,板形调节系统根据带钢两边的对称张应力分布，再根据数学模型计算出实际需要的轧辊弯辊力调节值。由于带钢的断面形状各种各样，并且弯辊力对轧辊辊型的改变受到轴承强度的限制，其变化量是有限的，因而需要配置不同辊型不同凸度的CVC辊来适应多变的轧制参数。通过轴向移动轧辊就可获得各种不同的轧辊凸度。带钢断面形状的二次缺陷(中间浪、两边浪)首先先由工作
22、辊弯辊装置来消除。但此时凸度调节范围有限，所以通过弯辊控制系统常常不能完全消除板形缺陷，为此亦需要轴向移动轧辊来改变轧辊凸度，即由弯辊和CVC轴向移动系统来共同消除板形二次缺陷。通过工作辊弯辊和CVC轴向移动系统组成的闭环回路可扩大对轧辊辊缝形状进行调节的范围。,（3）轧辊分段冷却控制 分段冷却主要用于消除带钢断面形状的其他平坦度缺陷，即多项式中的a3x3和a4x4分量。由于三次、四次板形缺陷在整个板形缺陷中所占的比例较小，可以采用轧辊分段冷却来控制。轧辊辊身方向共有36个控制段，对这些段喷射不同剂量润滑及冷却剂即可控制每个测量段所对应的轧辊段的热膨胀量，从而得到不同的轧辊凸度。这样，36个测量段通过9个冷却阀组成了9个冷却区，并通过它来控制每个冷却区的冷却量，每个冷却区的控制都可以单独进行。,Thanks!,
