板带材厚度控制

板带轧制理论与工艺主讲人邸洪双2011年04月材料加工工程硕士研究生选修课3板带厚度控制3.1厚度波动的原因及厚度的变化规律板带钢厚度波动的原因１）温度变化的影响：实质是温度差对厚度波动的影响，主要是通过对金属的变形抗力和摩擦系数的影响而引起厚度差。２）张力变化的影响：张力是通过影响应力状态，改变金属的变形抗力，从而引起厚度发生变化。张力的变化除对带钢头尾部厚度有影响之外，也会影响其他部分厚度的变化。３）速度变化的影响：主要是通过对摩擦系数、变形抗力和油膜厚度的影响来改变轧制力和压下量而引起厚度变化。４）辊缝变化的影响：轧制过程中，因轧机部件的热膨胀、轧辊的磨损和轧辊偏心等会使辊缝发生变化，直接影响实际轧出产品厚度的变化。3.1厚度波动的原因及厚度的变化规律轧制过程厚度变化的基本规律带钢的实际轧出厚度h与预设定辊缝S0和轧机弹跳值DS之间的关系可用弹跳方程描述如下：00mPhSSSKDDhDSSHh1P1POAB由上式绘成的曲线称为轧机的弹性曲线，如右图曲线A所示。其斜率Km称为轧机刚度，它表征轧机产生单位弹跳量所需的轧制力。带钢的实际轧出厚度主要取决于S0、Km和P三个因素。因此，无论是分析轧制过程中厚度变化的基本规律，还是阐明厚度自动控制在工艺方面的基本原理，都应从深入分析这三个因素入手。3.1厚度波动的原因及厚度的变化规律轧机原始辊缝设定值S0决定着弹性曲线A的起始位置。随着压下位置的改变，S0将发生变化。在其他条件相同的情况下。Dh1S0Hh1P1PO1AB例如因压下调整，辊缝变小，则A曲线平移，从而使得A曲线与B曲线的交点由O1变为O2，此时实际轧出厚度便由h1变为h2，Dh2＞Dh1，带钢便被轧得更薄。当采取预压紧轧制时，即在带钢进入轧辊之前，使上下轧辊以一定的预压靠力P0互相压紧，也就相对于辊缝为负值，这样就使得带钢轧得更薄，此时实际轧出厚度变为h3。Dh2Dh3h2h3O2O3Sa除上述情况之外，在轧制过程中，因轧辊热膨胀、轧辊磨损或轧辊偏心而引起的辊缝变化，也会引起S0改变，从而导致轧出厚度发生变化。3.2厚度自动控制的基本形式及原理厚度自动控制是通过侧厚仪或传感器（如辊缝仪和压头等）对板带实际出口厚度连续地进行测量，并根据实测值与设定值比较后的偏差信号，利用控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置、张力或轧制速度，把厚度控制在允许范围内的方法。实现厚度自动控制的系统称为“AGC”（AutomaticGaugeControl）。基本形式根据轧制过程中控制信息流动和作用情况不同，厚度自动控制系统可分为：反馈式、前馈式、监控式、张力式和金属秒流量式等。按照设定方式和轧机压下效率补偿环节的不同，可分为：轧制力AGC、相对值AGC和绝对值AGC。3.2.1反馈式厚度自动控制系统厚度差运算厚度自动控制装置执行机构APC板带从轧件中轧出之后，利用测厚仪测出实际厚度h实，h实h设并与设定值h设相比较，得到厚度偏差Dh＝h设－h实，当二者数值相等时，厚度差运算器的输出为零，即Dh＝0。若实测厚度值与使得厚度值比较出现厚度偏差Dh时，便将该值反馈给厚度自动控制装置，变换为辊缝调节的控制信号，输出给执行机构，由压下电动机带动压下螺丝作相应的调节，以消除此厚度偏差。为了消除已知的厚度差Dh，所必需的辊缝调节量DS应是多大呢？为此必须找出Dh与DS关系的数学模型。SegDS0DSDhabigefhPmtgKatgMbfihfgMDmmmmKhMKfifiMKMSMKDDmmKhSMKDD1mmmMKMShhKKDDD（3-1）（3-2）effgmfifiKMmmMKfiKM由（3-2）可知，为了消除板带的厚度差Dh，必须使辊缝移动(1＋M/Km)Dh的距离，也就是说，要移动比厚度差Dh还要大(M/Km)Dh的距离。因此，Km越大、M越小，DS与Dh之间的差别越小。当Km和M为定值时，则DS与Dh成正比。只要检测到厚度偏差Dh，就可以计算出为消除该厚度差应做出的辊缝调节量DS。压下有效系数0mmKhCSMKDD（3-3）S0DS0DhhPH空载辊缝对轧出厚度的影响压下有效系数表示压下位置的改变量究竟有多大一部分能反映到轧出厚度的变化上。增大压下有效系数对于实现快速厚度自动控制具有及其重要的意义。增大压下有效系数的措施增加轧机整体的刚度厚度自动控制系统的组成厚度检测装置厚度自动控制装置执行机构厚度控制系统能否精确地进行控制，首先取决于一次信号的检测。对于热连轧来说，测厚仪可以是X－射线和g－射线的非接触式测厚仪。而冷连轧除采用上述两种之外，在较低速度情况下还可以采用接触式侧厚仪。厚度自动控制装置是整个系统的核心部分，其作用是将测厚仪测得的厚度偏差信号进行放大、经过计算机的功能程序，然后输出控制压下位置的信号。根据控制信号对板带的厚度直接进行控制。例如通过电动压下和液压压下装置调整压下位置；或通过主电机改变轧制速度，调节带钢张力，来实现厚度的控制控制策略由于辊缝调节量DS与厚度差Dh之间成一定的比例关系（压下有效系数C），故在自动控制系统中采用比例调节器。当轧制不同尺寸和不同材质的轧件时，因M的改变会导致M/Km的改变，故在此种控制系统中的比例系数应是可变的（通常在比例调节器中是用一个电位器进行调节，实质也就是调节它的比例度）。时间滞后Lv仪式中滞后时间；v轧制速度；L仪轧辊中心线到测厚仪的距离。由于有时间滞后，所以这种按比例进行厚度控制的系统很难进行稳定的控制。为了防止控制过程中的传递时间滞后，因而采用厚度计式的厚度自动控制系统。（3-4）3.2.2前馈式厚度自动控制系统前述的两种厚度自动控制系统，都避免不了控制上的传递滞后或过渡过程滞后，因而限制了控制精度的进一步提高。特别是当来料厚度波动很大时，更会影响实际轧出厚度的精度。为了克服此缺点，在现代化的冷轧机上都广泛采用前馈式厚度自动控制系统，简称前馈AGC。执行机构APCH0HimMSHKDD0iHHHD前馈AGC不是根据本机架的实际轧出厚度的偏差来控制厚度，而是在轧制过程尚未进行之前，预先测定出来料厚度偏差DH，并往前馈送给轧机，在预定时间内提前调整压下机构，以便保证获得所需要的轧出厚度h。正是由于它是往前馈送信号，来实现厚度自动控制，所以称为前馈AGC，或称为预控AGC。DH，Dh与DS之间的关系：DSDhgfabcDHHH1h1hPhhbcDmgcgcKMmmMKgcKMHbdDmMhHMKDDmmKSKMhDD由右图可知：又因为故（2-5）（3-6）dmgcKbdbccdmMKbcMmmmKMMHKMKDmMHKD3.2.3厚度计式厚度自动控制系统厚度计式厚度自动控制系统是英国钢铁研究协会(BISRA——BritishIronandSteelResearchAssociation)于1955年研制成功并用于生产的。一般称其为厚度计式AGC或称为BISRA式AGC。基本原理厚度计式AGC的基本原理是以弹跳方程为基础。在轧制过程中，任何时刻的轧制力P和空载辊缝S0都可以检测到，因此，可以用弹跳方程h=S0+P/Km计算出任何时刻的实际轧出厚度h。在此种情况下，就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”，故把这种检测厚度的方法称为厚度计（GaugeMeter,简称GM）方法，以区别于前述的用测厚仪检测厚度的反馈自动控制方法。根据轧机弹跳方程测得的厚度和偏差信号进行厚度自动控制的系统称为GM－AGC或称为P－AGC。根据轧机的弹跳方程mmKMShKDD2121mmPPPhhhKKDD0mPhSK（3-7）当来料厚度有波动时，由H0变为H’，轧制力由P1变为P2时，轧出厚度由h1变为h2，则因来料厚度波动引起的轧出厚度的厚度偏差Dh为：（3-8）厚度计式AGC不是控制绝对板厚，而是以一定的厚度为基准，为了消除厚度的偏差Dh为零，而去控制辊缝的一种调节方法。辊缝变化量与厚度偏差之间的关系：（3-9）3.2.4张力式厚度自动控制系统张力AGC是根据轧机出口测出的厚度偏差。来微调机架间张力，借此来消除厚度偏差的厚度自动控制系统。根据厚度偏差，调节轧机的速度根据厚度偏差，调节活套机构的给定转矩张力AGC的原理是利用前后张力改变轧件塑性曲线的斜率对板带进行厚度控制。aB1DHH’h’hHS0PDhB2B3PP’bTT0TT0基本原理手段张力变化与厚度变化之间的关系张力变动所引起的厚度变化，可以用弹跳方程与轧制力方程的增量形式来表达PPPhThTDDDmmmPKThSTPPKKhhDDDmPKhSDDD（3-10）（3-11）mPhTPTKhDD联解式（3-10）和（3－11），得当辊缝保持不变时，即DS＝0时，则（3-12）（3-13）张力调节的使用条件采用张力控制厚度，由于可以使轧制力P不变，因此可以保持板形不变。但是，为了得到一定的厚度调节量，应有较大的张力变化。例如，欲使冷轧带钢厚度变化1.0％，而张力可能就需要变化10.0％。所以，为了保证轧制过程稳定地进行，以及使钢卷能卷得整齐，在厚度变化较大时，不能把张力作为唯一得调节量。一般，张力法只用于调节小厚度偏差得情况，作为精调，或者用于因某种原因不能用辊缝作为调节量的情况。例如冷连轧机的末机架，为了保证板形，以及轧制薄而硬的带钢，因轧辊压扁严重等情况，不宜用辊缝作为调节量，往往是采用张力法来控制厚度。热轧厚度较薄的带钢，为了防止拉窄或拉断，张力的变化也不宜过大。所以，热轧厚度控制过程中，张力法往往是与调辊缝法配合使用的。当厚度波动较大时，就采用辊缝调节的方法，而厚度波动减小时，便可采用张力微调进行厚度控制。3.2.5液压式厚度自动控制系统220mPhSK21mPhhhKDD液压AGC是借助于轧机的液压系统，通过液压伺服阀调节液压缸的流量和压力来控制辊缝的位置，对带钢进行厚度自动控制的系统。液压AGC是按照轧机刚性可变控制的原理来实现厚度控制的。假设预调辊缝值为S0，轧机的刚度系数为Km，110mPhSK（3-14）S0DhDHH0H’h1h2P1P2DP（3-15）（3-16）Ph来料厚度为H0，此时的轧制力为P1，则实际轧出厚度h1应为Km为了消除厚度差Dh，可以通过调节液压缸的流量来控制轧辊的位置，补偿因来料厚度差所引起的轧机弹跳变化量，此时液压缸所产生的轧辊位置修正量Dx，应与轧机的弹跳变化量成正比，但方向相反。轧机经过此种补偿后，带钢的轧出厚度差便不是Dh，而是变小了，其变化量为：式中1mmmEPPPPhhxCKKKKCDDDDDDD+1mxCPKDD（3-17）（3-18）hD轧辊位置补偿后的带钢轧出厚度偏差C轧辊位置补偿系数EK等效的轧机刚度系数xD轧辊位置修正量式(3－18)是轧机刚度可变控制的基本方程。轧机刚度可变控制的实质是改变轧辊位置补偿系数C，即改变KE。液压AGC就是通过改变等效的轧机刚度系数KE，来实现厚度控制的。在某一特定结构的轧机条件下，轧机所固有的刚度系数KM是一个常数。当C＝1时，则KE＝∞，Dh’＝0，这就意味着轧机的弹跳量被100％补偿掉了，即不论来料厚度偏差如何，由于此时轧机的等效刚度系数KE是无穷大，完全可以使带钢的实际轧出厚度达到所要求的尺寸，没有厚度偏差。这种情况下轧辊的辊缝称为恒定辊缝，其等效的轧机刚度称为超硬刚度，或叫做超硬特性。为了稳定起见，取C＝0.8～0.9，KE≈24.5MN/mm以上，在计算机控制时，其设定值取KE≈24.5MN/mm。例如就1700mm热连轧机而言，当C＝0.84，即DP/KE=1mm时，油缸位移为0.84mm，这就说明有84％的弹跳量被补偿掉了。此时轧机的等效刚度系数为110.840.16mmmEKKKKC