板凸度和板平直度理论材料加工工程硕士研究生选修课件.ppt

板带轧制理论与工艺,主讲人:邸洪双,材料加工工程硕士研究生选修课,4 板凸度和板平直度理论,性能：强度，塑性，冲击韧性,表面：氧化铁皮，麻点，划伤，挂腊,夹杂,边裂,翘皮,尺寸精度：厚度，宽度,热轧卷板的主要质量问题,板形(平直度,凸度,边部减薄,局部高点),板形对用户产品质量的影响,由于带钢板形质量问题对用户使用及最终产品质量带来不利影响。如汽车制造、工程机械设备、集装箱和冷轧生产等,汽车梁成型后腿部距离回弹不一致，导致下工序衬板、加强板组装困难,热轧卷板表面局部高点造成冷轧卷板成品表面产生粘结浪形,工程机械钢卷板瓢曲造成吊车吊臂无法焊接,集装箱板浪形影响集装箱整体焊接质量和外观,4.1 板形和板凸度的概念,板形(shape),（平直度）,直观来说：指板材的翘曲程度,Flatness,Buckle,Camber,shape,实 质：板带材内部残余应力的分布,只要板带内部存在有残余的内应力，就称为板形不良。如果这个应力虽然存在，但不足以引起板带翘曲，则称为“潜在”的板形不良；如果这个应力足够大，以致于引起板带翘曲，则称为“表观”的板形不良。,板形缺陷的产生,残余应力,板形不良,“潜在”的板形不良,“表观”的板形不良,平直,中浪,边浪,带钢实际平直度照片,板形缺陷的分类,板带中残余应力分布的规律不同，其所引起的板带翘曲形式也不同。所以，可以根据内应力的分布规律和板带的翘曲情况，将板形缺陷分成不同的类型。,（4-1）,式中：,板带翘曲的力学条件,根据弹性力学的研究结果，板带发生翘曲的力学条件可表达为：,研究结果表明，对于冷轧宽带钢，产生边浪时，kcr12.6,产生中浪时，kcr17.0。对于热轧宽带钢，边浪时kcr14，中浪时kcr20,良好板形的几何条件,如右图所示，横坐标表示各点的横向位置，即横向各点距板带中心的距离，纵坐标分别为入口和出口轧件半厚，入口断面形状函数为H(x)，出口断面形状函数为h(x)。设各点对应的轧前长度为L(x)，轧后长度为l(x)。,根据体积不变定律并考虑到保证良好板形时，板带轧制接近平面变形，则纵向延伸和高向压下之间应有如下关系,（4-2）,式中,B 是轧件宽度,随板形表示方式的不同，这个几何条件的形式也不同。一般为了使问题简化，以板带中心和接近边部的某个厚度差表示断面形状。,（4-3）,设轧前板带中心和边部的厚度分别为Hc和He，轧后相应的厚度为hc和he，则根据式(3-3)，应该有,利用分比定理，可得,考虑到,式3-5是常用的良好板形几何关系的表达式。虽然这种方法仅考虑板带中心和边部两点，对于复合浪形等较为复杂的板形缺陷不能确切地表述，但由于这种方法简便，所以仍广泛地应用于板形问题研究。,（4-4）,应有,式中,分别为轧后和轧前轧件的平均厚度；,分别为轧后和轧前轧件的凸度。,（4-5）,定量地表示板形，既是生产中衡量板形质量的需要，也是研究板形问题和实现板形自动控制的前提条件。因此，人们依据各自不同的研究角度及不同的板形控制思想，采取不同的方式定量地描述板形。,板形的定量表示法,相对长度差表示法,这是一种比较简单的表示板形的方法，就是取横向上不同点的相对延伸差DL/L来表示板形，其中 L是所取基准点的轧后长度，DL是其它点相对基准点的轧后长度差。相对长度差也称为板形指数 r，r=DL/L。,A）英国的相对长度差的单位是蒙(mon)，该术语是由W.K.泼森（Person）建议的，1蒙相当于相对长度差为104。泼森定义板形为横向上单位距离上的相对长度差，以mon/cm表示，即：,（4-6）,相对长度差的单位,B）加拿大铝公司是取横向上最长和最短纵条之间的相对长度差作为板形单位，称为 I 单位，1个I单位相当于相对长度差为105。所以板形表示为：,（4-7）,在翘曲的板带上测量相对长度来求出相对长度差很不方便，所以人们采用了更为直观的方法，即以翘曲波形来表示板形，称之为翘曲度。下图所示为板带翘曲的两种典型情况。,波形表示法,板带翘曲的两种情况,式中：,正弦波的波形曲线,这种方法直观、易于测量，所以许多工作者都采用这种方法表示板形。,（4-8）,设与 Lv 的直线部分相对应的曲线部分长为LvDLv,并认为曲线按正弦规律变化，则可利用线积分求出曲线部分与直线部分的相对长度差。,因此，曲线部分和直线部分的相对长度差为：,（4-9）,（4-10）,（4-11）,l 和 I 单位的换算关系：,冷轧：应小于1520个 I 单位，（0.9）,热轧：应小于30个 I 单位，（1.1）,（4-12）,带材在张力作用下，表观板形消失，而变为潜在板形。此时在板宽方向上出现张力不均匀分布。原来平直部分受张力大，而原来有浪形部分受张力小。换句话说，带材上张力分布与平直度成比例。如果施加到标准长度部分上的单位张力为s0，则板宽上某一点的单位张力s(x)可用下式表示,式（4-13）说明，在张力作用下板宽方向出现张力偏差Ds(x)，它与相对长度差成比例，即,张力差表示法,如果将上式改写成,说明相对长度差的分布以及由它引起的形状凸凹不平可以由来估量。,（4-13）,（4-14）,（4-15）,带材断面形状的多项式表示法,若如图所示的带材断面是对称的，根据对断面的测量和计算，可以认为下式是逼近带材断面形状的。,（4-16）,式中：ai、bi是表示断面特征的系数,任何一个给定的断面形状，都可以用式 4-16 表达，该式对宽度上任何两点x1、x2都是成立的。所以，对x1、x2 两点可以建立下述两个关于ai、bi 的线性方程：,如果hc 给定，解上述联立方程，可以求出ai、bi。因此，只要知道了三个参量hc、ai和bi，则断面形状就完全确定了。,（4-17）,厚度相对变化量差表示法,这是一种比较简单的方法，它以边部和中心两点厚度相对变化量差来表示板形的变化，它主要在模拟计算中用来描述某些外扰对板形的影响，板形参数 Sh 表示为,（4-18）,式中：,当Sh=0 时，说明带钢板形没有变化；当Sh0时，说明带钢板形向边波方向变化；当Sh0时，说明带钢板形向中波方向变化。,板 凸 度,与板形这一概念密切相关的另一个重要的概念是所谓的板凸度（Crown）。热轧及冷轧板带材往往具有共同的特点，除板带边部外，90的中间带材断面大致具有二次曲线的特征，而在接近边部处，厚度突然迅速减小，这种现象称为边部减薄（Edge dorp）,一般所指的板凸度，严格来说，是针对除去边部减薄区以外的部分。边部厚度是以接近边部但又在边部减薄区以外的一点的厚度来代表，板凸度即为板中心处的厚度与边部代表点处的厚度之差。,中心板凸度:,（4-19）,边部减薄也是一个重要的断面质量指标，边部减薄量直接影响到切损的大小，与成材率有密切的关系。边部减薄量越小，边部切损量也越小，则成材率越高。边部减薄表示为：,（4-20）,比例凸度,（4-21）,这样一来，在板带材轧制过程中，获得良好板形的条件可以写成,（4-22）,板凸度与板形的关系,板凸度与板形有密切的关系。因为冷轧过程中要求严格保证良好板形条件，所以轧制过程中虽然板凸度的绝对值不断减小，但比例凸度应保持不变。,而热轧则有所不同，有时在板形允许的范围内改变比例凸度以满足产品在凸度方面的要求。这就要求搞清板凸度变化和板形变化之间的定量关系，以便进行板凸度控制。,首先考虑冷轧时板形变化和板凸度变化之间的比较严格的关系。若轧前、轧后的比例凸度分别为 Cp1和Cp2，则比例凸度变化为,（4-23）,根据比例凸度定义有：,根据体积不变关系可得,轧前板带长度相等，即LcLe，所以,热轧时上述关系可以放松，原因是热轧时轧件比较厚，易发生横向流动。相邻道次之间的凸度改变量可以在下面范围内变化：,再根据311式，可知翘曲度 l 和比例凸度DCp 之间有下述关系：,4.2 影响板形和板凸度的因素,金属在轧辊作用下经过一系列变形过程轧成需要的板带材。最终产品的板形受到许多因素的影响，总括起来，这些因素可以分为内因（金属本性）和外因（轧制条件）两个方面。,金属本身的物理性能（例如硬化特性、变形抗力）直接影响轧制力的大小，因而与板形密切相关。金属的几何特性，特别是板材的宽厚比、原料板凸度是影响板形的另一个重要因素。,轧制条件的影响更为复杂，它包括更广泛的内容。凡是能影响轧制压力及轧辊凸度的因素（例如摩擦条件、轧辊直径、张力、轧制速度、弯辊力、磨损等）和能改变轧辊间接触压力分布的因素（例如轧辊外形、初始轧辊凸度）都可以影响板形。,影响板形和板凸度的因素,受力分析,强调区别几个基本概念,狭义板形平直度浪形(flatness)板凸度凸度(profile-特指前段)广义板形(2)平直度轮廓形状(Contour)轮廓形状凸度（Profile）边部减薄局部高点(Contour),Contour control 板廓控制,Profile control 前段控制带钢的凸度,Flatness control 带钢平坦度控制,规 程 图,设轧前板带的凸度及所有规程变量均保持不变，仅仅调整轧辊凸度来保证获得良好板形。此时，轧辊在轧制力作用下所产生的弹性变形应恰好被轧辊凸度所平衡。现开始改变轧制力，同时调整轧辊凸度，使轧辊凸度调整值恰好抵消轧制力变化引起的轧辊弹性变形的变化量，始终保持良好板形。将这些能够获得良好板形的轧制力和轧辊凸度做成曲线，反映了轧制力和产生良好板形的轧辊凸度之间的关系，这个曲线称为完好板形线。,如图所示，完好板形线1，它通过坐标原点O。在完好板形线以上轧制时，轧件产生中浪；在完好板形线以下轧制时，轧件产生边浪；只有轧辊工作凸度和轧制力所确定的工作点位于完好板形线上时，才会获得良好板形。模拟研究表明，在实际轧制条件下，完好板形线是一条直线，其原因在于轧辊变形中表现出线性关系的轧辊弹性挠曲比表现出非线性关系的轧辊弹性压扁起更大的作用。,完好板形线,当板带原料本身具有一定的凸度CH 时，为了满足良好板形条件，承载辊型应当有一个相应的负凸度CH，这个负凸度的存在使完好板形线向下平移一段距离，得到曲线 2，它与纵坐标交点坐标为（CH）。所以当来料凸度变化时，完好板形线相应向上或向下移动。,热凸度轧制力关系曲线,假定产生热凸度的热量主要来源于金属与轧辊之间的相对滑动，且热凸度值与这个热量成正比。虽然变形时金属内部也产生大量的热，但由于金属和轧辊接触的时间很短，仅有很少一部分热量传递到轧辊中去，为了简化问题，将这部分热量忽略。基于上述前提，我们求出传到轧辊中的热量和轧制力的关系。,热凸度曲线受许多因素的影响，最明显的因素是初始轧辊凸度C0。当轧辊具有初始凸度时，相当于在原有热凸度曲线上又叠加一常数值，所以曲线平移。若初始辊凸度为正值，曲线向上移；若初始辊凸度为负值，曲线向下移。,液压弯辊实际上是以机械的方法给轧辊一个初始凸度，所以它的作用与初始辊凸度的作用相同。正弯时曲线上移，负弯时曲线下移。,由于张力和轧制力有密切的关系，所以张力变化必然影响热凸度轧制力关系曲线。理论分析表明，前后张力变化对热凸度轧制力关系曲线有不同的影响。其中后张力对曲线影响较大，即曲线对后张力敏感。,将上述完好板形曲线和热凸度轧制力关系曲线绘到一个图上，如右图所示，就构成了所谓的规程图。之所以称其为规程图，是因为它反映了各种规程变量，如轧辊凸度、轧制力（即压下量）、张力等对板形的影响。,在一定的初始轧辊凸度和一定的张力下，轧辊的实际工作凸度和轧制力之间的关系就用曲线 T 表示。而根据力学条件，轧辊凸度和轧制力只有满足曲线F所表示的关系才能得到良好板形。所以曲线 T 表示的是实际发生的情况，而曲线 F表示的是理想的情况。当轧制力取T和F曲线的交点A、B对应的轧制力值PA、PB时，可以得到良好板形。而当偏离这两点时，会发生板形缺陷。,轧制力变化对板形的影响,轧制力受许多因素的影响，例如变形抗力、来料厚度、摩擦系数、板带的张力等。因此它是轧制过程中一个非常活跃的因素。轧制力变化可以分为两种情况，一种是偶然的波动，一种是稳定的变化。,所谓偶然性，是指它变化的时间与轧辊热凸度变化所用时间相比是短的，所谓波动是指变化后基本上会恢复原值。这种情况下，轧制力变化并不涉及轧辊热凸度的变化。完好板形线为右图中的直线F，实际的轧辊凸度在轧制力波动时并不发生变化，所以是一条水平线T。当轧制力为PA时，即对应于曲线 F 和 T 的交点时，可以获得完好板形。当轧制力波动偏离PA 时，就会发生板形缺陷，轧制力低于PA 时，实际凸度大于完好板形所要求的凸度，发生中浪；轧制力高于PA 时，情况相反，发生边浪。,轧制力偶然波动对板形的影响,如果轧制力发生了稳定的长时间的变化，情况就复杂多了。,完好板形线为F，热凸度轧制力关系曲线为T，它们相切于点K。当以与K点对应的轧制力PA工作时，板形完好。当轧制力降低到PA1时，开始阶段热凸度还来不及变化，它对板形的影响与上述偶然波动时的相似，当工作点移到K1时，发生中浪。但在随后一段时间内，由于轧制力降低，热凸度随之减小，热凸度值沿垂直线由K1变化到K2。如果K2在完好板形线上，就可以获得良好板形，否则就会发生缺陷。缺陷种类视K2相对于良好板形线的位置而定。例如图示情况，K2在F曲线以上，仍产生中浪，但比在K1点有所缓和。当轧制力增大时，可以进行相似的讨论。,来料凸度对板形的影响,获得良好板形的重要条件是来料断面形状和承载辊缝形状相匹配。一般来料断面主要决定于供料厂。通常采用的方法是大量侧取原料数据，找出原料板凸度的变化规律，据此确定本车间的工艺参数，以保证获得良好板形。,在实际产生中，当来料凸度变化时，已定的轧制状态就会改变，因而使板形发生变化。如右图所示，热凸度轧制力关系曲线为T，正常的良好板形线为F，工作在最佳状态点K。若来料凸度有变化，例如来料凸度减小，这时热凸度虽然也会发生变化，但变化甚微，可以忽略，可以认为热凸度轧制力曲线基本不变。但来料板凸度减小的结果使良好板形线上升为F1，它要求轧辊有与K1点相对应的凸度，而实际凸度仍保持原来K 点所对应的数值，所以板带会发生边浪。如果来料板凸度增大，与上述情况相反，会发生中浪。,热凸度对板形的影响,轧制过程中，金属对轧辊滑动产生的热量和金属变形所释放的热量有一部分传入轧辊，使轧辊温度升高，这是轧制过程中轧辊的热输入。同时冷却水和空气又从轧辊中带走热量，使其温度降低，这是轧辊的热输出。,在开轧后的一段时间内，轧辊的热输入大于热输出，轧辊温度逐渐升高，热凸度也随之不断增大。在以某一特定规程轧制若干带卷后，轧辊热输入和热输出相等，处于平衡状态，轧辊热凸度也保持一个稳定值。轧制过程中热凸度随时间的变化情况如右图所示。一般来说，在特定的轧制规程下，板形工艺参数是依据稳定的热凸度设计的。,影响热凸度的主要原因,1）当轧机停轧一段时间又重新开动时，在极端情况下轧辊没有热凸度，实际产生中虽然通常通过烫辊等措施使轧辊有一定的热凸度，但仍较稳定值小得多。只有轧制数卷后，才形成热凸度。,2）如果某机架工作辊损坏，必须更换新辊，在极端情况下也没有热凸度。,3）不同产品常常要求由一种轧制规程变到另一种轧制规程，随之而来得是热凸度需要由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态。,初始轧辊凸度对板形的影响,对板形控制来说，初始轧辊凸度的选择是一个十分重要的问题，合理地选择初始凸度，可使板形变化始终被控制在轧机控制能力之内，这无疑是获得良好板形的重要保证。对所轧产品宽度变化大的轧机来说，应根据产品宽度的不同而采用相应凸度的轧辊，一般来说，在轧制力相同的情况下，板宽越大，所需凸度越小。,初始轧辊凸度对板形的影响,轧制力,轧辊凸度,T,O,F,K,K1,PA,T1,a,b,如右图所示，当采用初始凸度a时，热凸度轧制力关系曲线T与完好板形线F的切点恰好对应于工作轧制力PA，这时可以获得良好板形。但如果初始凸度选择不合理，例如b a，则实际的热凸度轧制力关系曲线上升为T1，实际凸度K1在良好板形线之上，会造成中浪。,板宽对板形的影响,通常所说的轧机刚度是指轧机的纵刚度，但在研究板形问题时，更关心的是轧机的横刚度。所谓横刚度是指造成板中心和板边部单位厚度差所需要的轧制力，单位是kN/mm。,板宽变化对板形的影响,轧制力,轧辊凸度,O,F2,PA,F1,宽度减小,轧机的横刚度是相对一定板宽而言的，当板宽变化时，轧机的横刚度发生变化，因而在承受同样轧制力的情况下，轧辊的变形以及为弥补轧辊变形所必需的轧辊凸度均发生变化，当然良好板形线也发生变化。如右图所示，对应某板宽的完好板形线为F1，当板宽变窄时，轧制力仍保持原来的PA，当它们集中作用到较窄的辊身中间的区域，所以必然增大了轧辊的弹性变形。为抵消这种变形以获得良好板形，当然需要更大的轧辊工作凸度。这样一来，良好板形线变化到F2。当板宽增大时，变化的趋势相反。,张力对板形的影响,其一是张力改变对轧辊热凸度发生影响，特别是后张力影响更大，因而调整张力是控制板形的手段之一。,其二是张力对轧制压力发生影响，根据轧制理论，由于张力变化，特别是后张力变化，对轧制压力有很大影响，而轧制压力变化必然导致轧辊弹性变形发生变化，所以必然对板形产生影响。,其三是张力分布对金属横向流动发生影响。这个问题今年来已引起人们的广泛注意。研究表明，当张力沿横向分布不均时，会使金属发生明显的横向流动，即使对于板材轧制这种宏观看来近于平面变形的情况也是如此。在一定的高向板形下，横向流动的结果必然改变横向的延伸分布，因而必然改变板带的板形。,轧辊接触状态对板形的影响,工作辊和支撑辊的接触状态对板形的影响是近年来人们注意探索的一个问题。通过对这个问题的研究，人们找到了一些新的改善板形的方法，例如采用双锥度支撑辊、双阶梯支撑辊、HC轧机、UC轧机、CVC轧机、PC轧机、大凸度支撑辊等。,如右图所示，普通四辊轧机工作辊和支撑辊是沿整个辊身接触的，在轧制过程中，在轧制力的作用下，工作辊合作支撑辊之间形成接触压力q*，在板宽以外的区域A，辊间压力形成一个有害弯矩，它使轧辊发生多余的弯曲。为抵消这个有害弯矩引起的轧辊变形，可以改变轧辊的产生凸度，也可以使用液压弯辊。当单位宽轧制力p*改变时，有害弯矩也随之变化，使板形改变。为了获得满意的板形，必须随着轧制力的变化不断地调整液压弯辊力。,Pb,Pb,Fw,Fw,q*,A,A,a,q*,Pb,Pb,Fw,Fw,双阶梯支撑辊,采用双阶梯支撑辊，使中间接触段长度缩短，从而减小有害弯矩，由有害弯矩引起的轧辊弯曲也随之减小。当中间接触段长度缩短到一定程度时，有害弯矩可以完全消除。这时即使轧制力改变，工作辊挠度曲线也可以基本保持不变，轧机具有无限大的横刚度。由这个例子可见，轧辊之间的接触状态对板形有重大影响，它可以从根本上轧机的板形控制特性，应特别给予重视。,4.3 板形检测技术,对板形检测装置的主要要求,1）高精度，即它能够如实地精确地反映板带的板形状况，为操作者或控制系统提供可靠的在线信息；,2）良好的适应性，即它可以用于测量不同材质、不同规格的产品，在轧制线的恶劣环境中可以长时间地工作而不发生故障或降低精度；,3）安装方便、结构简单，易于维护；,4）对带材不造成任何损伤。,板形检测仪的种类,板形检测仪器分为接触式和非接触式两大类，但是从原理上分种类就很多了。带材生产有热轧和冷轧之分。,热轧带材的板形检测仪器在高温、潮湿的恶劣环境中工作，要求该板形检测仪能适应这种环境。热轧板带在无张力下运行，直接检测板带的视在板形即可。,冷轧板带一般前后有大张力，因此要求该板形仪必须能检测出板带的潜在板形。,不可能有一种板形检测仪器能适应各种情况。从当前研究情况来看，板形检测仪器主要有接触式和非接触式两大类。非接触式又分为电磁法、变位法、振动法、光学法、音波法和放射线法等。,电视摄像机,棒状光源,电视摄像机,棒状光源,电视摄像机,棒状光源,电视监控仪,电视监控仪,电视监控仪,a,b,c,光学式板形检测装置原理棒状光源法,热轧板形检测仪,在板带的一侧竖立一个辉度达2200K的棒状荧光灯，它发出一束强光直射在板带的表面上，经板带反射后由安装在板带另一侧的摄像机摄取。当板带的板形不同时，在摄像机中会形成不同的像。如果板带是平直的，则其反射后形成的虚像为一水平线；如果板带上出现波浪，则板带反射后的虚像在与波浪对应的位置上将形成向上或向下的弯曲曲线。板带的波浪愈严重，则虚像的弯曲部分偏离直线的位置就愈大。其偏移量和板带的板形缺陷成正比。,辅摄像机,主摄像机,激光三角测量法热轧板形检测装置原理图,主激光器,辅激光器,激光器,该装置以悬挂在板带上部的氦氖激光器为激光光源，光束直射在板带上，并用其侧后方的摄像器件摄取板带上光点的像，利用三角测量的原理测量板带表面的实际高度。该高度与板带出现的波浪的大小直接相关。,在板带宽度方向上等距离排放两组共10个激光源，分别由两个摄像器件摄取它们的光点。将这10个光点的高度经过处理后可得到板形的形状。激光穿透能力强，很适合在笼罩着大量蒸汽的热带轧机上使用。,冷轧产品的平直度与板带延伸率沿板带宽度方向的分布密切相关。当板带位于平台上，在没有张力的情况下，延伸大的部分受到延伸小的部分限制，并出现波浪。而冷轧一般是在大张力下轧制。在大张力作用下，本来延伸不均匀的板带，波浪逐渐减小乃至平直。在这种情况下，板带上的张力变得不均匀。也就是说，板形缺陷与张力分布直接相关。虽然检测冷轧板带板形缺陷的种类很多，但是绝大多数是根据张力分布来检测板形缺陷的。,冷轧板形检测仪,SIFLAT FLATNESS MEASUREMENT（Contactless）,SIFLAT is new contactless flatness measurement device made by SIEMENS,it had been used in SG800ACH copper foil cold rolling mill,supplied to Turkey by SUN-GLARE,The benefit of contactless flatness measurement is that the sensor does not contact the material rolled,which avoids damnification both strip suffice and sensor.As a result high reliability,lower cost of running and maintainence.The characteristic of SIFLAT is that oscillatory air controlled is used to drive strip oscillation.Its wing and frequency can be adjusted,which would be helpful to increase measure precision and capability of anti-jamming.,Z-FLAT FLATNESS MEASUREMENT（Contactless）,Z-FLAT contactless flatness measurement is a patent originated by professor Zhong Chunsheng，Xian metallurgical architecture technic university(Paten：ZL 2003 2 0126325.1),The sensors in Z-FLAT are same as in SIFLAT.The difference of Z-FLAT from SIFLAT is that Z-FLAT uses natural oscillation occurred while strip running with tension in stead of making strip oscillation by compulsion.So it would be saved that the complicated device to make compulsion.And?much more complicated math model is included in the software.,Feedback principle is introduced in AFC system made of SUN-GLARE。,AUTOMATIC FLATNESS CONTROL(AFC),对现代化的平直度检测系统的要求,有效性：系统必须不能损坏。系统的损坏意味着轧机要停产，轧机停产当然是非常昂贵的。但是，一旦系统被损坏的话，找到和改正错误的时间必须是最短的。,新型平直度检测系统,稳定性：平直度检测系统必须能够在各种轧制条件下对整个带卷进行检测，其中包括板带的头部、尾部和边部。检测的滞后时间必须最小，以便保证基于模型的平直度控制。检测频率（单位长度板带的检测点数）必须最高，且在最大轧制速度下也能够得到保证。,准确性：轧机上的实际检测精度以I 单位进行衡量是非常必要的。精度的稳定性同样重要，也就是说，系统不能随时间的变化而产生偏差，或不需要经常地进行调整。,不复杂：检测系统必须保证容易安装、起动、操作和维护。这就意味着系统应具有尽量少的部件和尽量做到是整装的，也就是说辅助系统和输入信号越少越好。这同时也意味着系统必须具有最现代化的结构和人机界面。,传统的平直度检测系统,a,FL,T,传统的平直度检测系统框图,UFload,Strip tensionmeasurement system,Distributed forcemeasurement system,Flatnessmeasurement system,Upi,w,t,T,F2,aest,右图 是传统的平直度检测系统的简单框图。系统构成：,板带张力检测系统STMS（Strip Tension Measurement System）,分布压力检测系统DFMS（Distributed Force Measurement System）,平直度检测系统FMS（Flatness Measurement System）,DFMS系统和FMS系统通常可以集成在一起，而STMS则是独立的。,板带张力检测系统通过导线与张力计的载荷传感器相连，该载荷传感器安装在检测辊的芯轴上。载荷传感器产生一个输入信号UFload，该信号被传送到板带张力检测系统中。输入信号UFload与板带作用在检测辊上力FL的垂直分量相对应。为了计算板带的张力T还需要知道板带作用在检测辊上的当前时刻的包角a。包角a 随卷取机半径的增加而改变，所以系统中通常是采用一个估计值aest 进行计算。该估计值aest 和力传感器产生的输入信号UFload 用来计算板带张力T。,计算得到的T值传送到 DFMS系统。检测辊上有许多力传感器，每个传感器都产生一个输出信号Upi，输出信号的大小取决于板带的作用力。DFMS系统用板带张力和每个传感器的信号来确定沿检测辊横向的分布力F2。,F2值传送到FMS系统，由FMS系统确定所检测的平直度值Ds。板带的宽度和厚度，不管是以一维还是多维的向量形式，都必须事先加载到平直度检测系统中去。,平直度确定单元输入输出信号框图,现代化的新型平直度检测系统,增加了大量的压力计式的力传感器。每个传感器产生一个输出信号Up，该信号值取决于板带对传感器的作用力和板带在检测辊上的包角a。,平直度确定单元FDU（Flatness Determination Unit）,该单元最多使用13个现代化的数字信号处理器（DSPsDigital Signal Processors），以需要的速度提取来自传感器的全部必要的信息。,如图所示。该单元主要处理传感器的检测信号，同时还计算板带的平直度和板带作用在检测辊上的包角。,Quantityprocessor,Signaltreatment,Measuringroll,平直度确定单元框图,Tensionprocessor,Flatnessprocessor,E-moduleprocessor,Edgecompensator,Mean valueprocessor,Relative forceprocessor,4.4 弯辊控制系统,弯辊系统的分类,弯辊系统通常可分为工作辊弯辊系统和支承辊弯辊系统两大类。,根据弯辊力作用面分类,按弯辊力作用位置分类,垂直面(VP)弯辊系统,水平面(HP)弯辊系统。,正弯辊系统弯辊力使辊凸度增大,负弯辊系统弯辊力使辊凸度减小,单向式 弯辊力作用在与轧制方向相平 行的一个方向上,双向式 弯辊力则可作用在两个相反的 方向上,单轴承座弯辊系统：弯辊力分别通过一个轧辊轴承座作用在轧辊的两端,无轴承座弯辊系统：弯辊力通过中间滚子或液压块直接作用于辊身,多轴承座弯辊系统：弯辊力通过两个或两个以上轴承座作用于轧辊的每一端,垂直面(VP)工作辊弯辊系统,垂直面（VP）单轴承座工作辊弯辊系统之一,垂直面（VP）单轴承座工作辊弯辊系统之二,VP双轴承座工作辊弯辊系统,双轴承座工作辊弯辊系统,目的：,优点：,缺点：,1 由于辊颈处要承受较高应力，工作辊与支承辊之间有较高的接触应力；,2 成本高。这些系统的使用在一定程度上受到了限制。,这种双轴承座弯辊系统使得辊缝断面的控制更加灵活。,提高工作辊弯辊系统的效率,无轴承座工作辊弯辊系统,为了缓解辊颈处应力过大的问题，开发了无轴承座工作辊弯辊系统。在这一系统的一种改进型中，通过对作用在轧辊支撑垫上的液压缸设置不同的压力来控制辊身的弯曲程度。还有其他两种方案，一种是通过在轧辊支撑垫内设定不同的压力来改变辊身的挠曲，另一种是使用带固定心轴的衬套式工辊，通过改变支承外套衬垫内的压力来控制套筒的弯曲程度。,VP无轴承座工作辊弯辊系统,轧辊横移轧机C轧机（igh Crown，大凸度控制）C轧机（Universal Crown，万能凸度控制）CVC轧机（Continuous Variable Crown，连续可变凸度）轧辊交叉轧机PC轧机（Pair Cross Mill，对辊交叉）6H3C(6 High Cross Crown Control Mill)轧机其它（VC轧辊，柔性边轧辊，锥型辊横移轧机）,4.5 各种板形控制轧机,（1）HC 轧 机,P/2,P/2,P/2,P/2,L,LB,P/2,P/2,P/2,P/2,L,LB,a)阶梯形支撑辊,b)双向移动工作辊,LB,四辊轧机的应力分布,FW,FW,FW,FW,FW,FW,FI,FI,UC,FW,FW,FI,FI,FI,FW,FW,F1,FI,HC,aHCW轧机,HC轧机类型,bHCM轧机,cHCMW轧机,dUCM轧机,eUCMW轧机,用可轴向移动的中间辊来适应轧件宽度变化，消除有害接触区，实现横刚度无限大（板凸度不受轧制力影响）,理想状态,HC轧宽板,HC 轧窄板,HC轧机的基本原理,中间辊横移带来的优点：1 消除了有害接触区2 可以使用平直的工作辊3 可以减小工作辊直径4 可以减小边部减薄配合工作辊弯辊可以得到良好的板形板凸度中国典型的HC轧机：攀钢 4 机架冷连轧机,HC轧机的基本原理,(2)HC轧机的发展UC轧机,UC轧机：减小辊径 增加IMRB 控制W、M 复合浪形有利于：轧薄硬产品典型UC轧机宝钢1550,(2)HC轧机的发展UC轧机,HC轧机的平直度控制能力,定义：,板带平直度的改变量与对应的影响板带平直度的轧机参数所发生变化量的比值。当弯辊力作为此轧机参数时，平直度控制能力f 可以简单地表示为：,式中,Dl 由于弯辊力变化F所引起的板带平直度(翘曲度)变化。,HC轧机的平直度控制能力,C,F,F,以翘曲度表示的板形变化 Dl,每个轴承座的弯辊力变化量DF/kN,40,80,120,160,200,240,0,1,2,3,100mm,0mm,C=-100mm,HC轧机,四辊轧机,Rv,lv,l=Rv/lv100%,100,200,300,400,500,600,-24mm,-18mm,-12mm,C=0mm,轧制力/kN,-5,0,5,10,15,每个轴承座的最佳弯辊力/kN,C,F,F,20,为了在HC轧机上生产平直的带材时，轧制力与所需的最佳弯辊力之间的关系如上图所示。这一关系由一台实验室HC轧机所得的数据总结而来。从这架HC轧机可见，直线的斜率随中间辊位置C的不同而不同。当C=24mm时，斜率为负值，这意味着随轧制载荷的增加弯辊力反而要减小，这一点与传统四辊轧机不同。另外，当C18mm时，弯辊力并不随轧制载荷的变化而变化。在这种情况下，板带的平直度不会因所轧宽度的变化而变化，轧机也达到了所谓的横刚度无限大的状态。,计算得到的轧制力与最佳弯辊力之间的关系,CVC(Continuously Variable Crown)轧机工作辊轴向移动辊身为花瓶型（3次曲线）通过轴向移动调整初始凸度可以在线调整凸度减少换辊,(3)CVC轧机（技术）,轴向移动非圆柱形轧辊的轧机主要有CVC轧机、UPC轧机和KWRS轧机。这些轧机的辊型均用多项式来表示：,CVC辊型：,UPC辊型：,KWRS辊型：,式中：x 距轧机中心线的距离。,CVC系统的工作原理,CVC轧机的主要特点是将轧辊整体磨削成“S”形，上下辊形状相同，而互相相对地成180o放置，使上辊和下辊构成对称的辊缝轮廓形状。上辊和下辊可沿轴向作反向调整。虽然辊缝形状为“S”形，但轴向移动到某一位置时，可使得辊身全长方向上具有相同的高度，这时轧辊的等效凸度等于零。如果轧辊轴向移动一个距离，则轧辊的等效凸度要发生变化。,辊形曲线一般可以用三次多项式表示。如果上辊和下辊分别以其中心线为x轴，并以轧辊辊身中部为y轴，则上辊的辊形曲线为：,因为下辊与上辊呈反对称，故其辊形曲线为：,将上辊和下辊反向相对移动一个距离 a 以后，上辊和下辊的辊形曲线可以用如下的两个式子表示：,R1,R2,O1,O2,x1,x2,L/2,x,y,y1(x),y2(x),a,a,y1(0),y2(0),a,y1(x),y2(x),h(x),h(0),(4-24),(4-25),(4-26),(4-27),轧辊辊身上x 点处带钢的厚度由下试决定,(4-28),将（4-26）和（4-27）带入（4-28）式，得,(4-29),当时，由式（4-29）可求得带钢中部的厚度,(4-30),于是，可求得带钢中部相对于带钢宽度上任意一点的凸度大小，即,(4-31),（4-31）式右侧包含两部分：第一部分说明板凸度呈二次抛物线分布；第二部分说明当x为固定值时，板宽上与x点相对应处的板凸度与横移量 a成线性关系。,正横移时，板凸度随a 值增大而减小；负横移时，板凸度随a 值减小而增大。,辊凸度正好与板凸度概念相反。所以就辊凸度而论，辊凸度与横移量a 成线性关系。正横移时，辊凸度随 a 值增大而增大；负横移时，辊凸度随a 增大而减小。,如果上工作辊向右、下工作辊向左轴向移动相同的距离，两个轧辊辊缝之间的距离中间变小，则产生一个大于零的凸度，即为正凸度。如果上工作辊向左、下工作辊向右轴向移动相同的距离，两个轧辊辊缝之间的距离中间变大，则产生一个小于零的凸度，即为负凸度。,CVC横移对轧辊等效凸度影响示意图,CVC轧辊通过轴向无级移动，使得轧辊凸度能在一个最大和最小值之间无级调节，达到轧辊凸度连续变化的效果。连续可变凸度轧辊对轧制各种板宽、各种板厚和各种不同来料凸度的带钢，在各种辊温分布的情况下，都能顺利进行平直度控制，这就为热轧带钢轧机实现自由程序轧制创造了必要的条件。,CVC轧辊的辊形曲线,CVC轧辊的辊形曲线通常为一个三阶多项式,(4-32),其中：A0为CVC轧辊的中间辊径。A1 值与CVC工艺要求有关，这涉及到尽可能减小轧辊的辊径差，以及限制作用在轧辊上的轴向力大小等。A2 值决定了CVC轧辊处于中间位置时（横移量为零）所产生的辊缝凸度值。A3 值取决于辊缝凸度控制范围或有效的移动范围。x 对应于轧辊的辊身长度。,为了确定CVC辊形函数（4-32）式中的A0、A1、A2