高精度中厚板轧制的厚度控制研究

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󰀁文章编号:1000-5811(2006)05-0088-05

高精度中厚板轧制的厚度控制研究

张红云

244000)

1,2

(1.中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥󰀁230026;2.铜陵学院机械工程系,安徽铜陵󰀁

摘󰀁要:系统研究了AGC(AutomaticGageControl)系统核心数学模型󰀁󰀁󰀁高精度厚度计公式在工程实际中的实现,主要包括初始辊缝的设定、轧机弹跳模型的建立、油膜厚度的补偿及其它补偿项。经现场搜集数据并进行数据处理,证明用该方法所得到的模型具有足够高的精度。

关键词:中厚板;AGC;厚度控制

中图分类号:TG335.5+2󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

0󰀁前言

近年来我国轧钢行业得到了飞速发展,钢材年产量已达9700多万吨,成为世界上钢材产量最多的国家之一。但是随着市场对中厚板的需求,中厚板厚度的精度要求也越来越高。在中厚板轧制中,影响轧件厚度的主要因素可以从著名的弹跳方程来研究:h=s+p/k(h-轧件出口厚度;s-空载荷下的辊缝;p-轧制力;k-轧机刚度)。下面采用液压AGC系统来控制中厚板的厚度,控制过程如图1所示。

图1󰀁AGC系统框图

H-钢板入口厚度;P0-预测轧制力;s-初始辊缝;hg-计算厚度;󰀁h-计算厚度与目标厚度的差值;h0-目标厚度;P-实测轧制力;󰀁sg-计算辊缝调节量;󰀁-干扰量;sn-1-上一周期

的辊缝值;M-轧机刚度系数;Q-塑性系数;sn-本采样周期的辊缝值

1󰀁AGC系统高精度厚度计公式研究

从图1的AGC系统控制过程可看出,厚度计模型与轧制力预测模型是AGC系统的核心,其中厚度计模型更是贯穿着辊缝设定及厚度微调的全部过程。能够应用于实际控制中的高精度厚度计模型,要有一套完整的数据采集及处理方法,主要包括:(1)轧机初始辊缝设定;(2)轧机弹跳量的宽度修正;(3)油膜厚度的补偿;(4)其它补偿项。1.1󰀁轧机初始辊缝设定

忽略各补偿环节,厚度计模型可写成:

h=s+f(P)(1)

即钢板厚度h等于空载辊缝s与轧机弹跳f(P)之和。

式(1)中,空载辊缝s是轧机上下工作辊面之间的距离,在实际轧制过程中无法直接测量。在控制系统中,将上下轧辊压靠到一定压力P0(零点载荷),记录此时辊缝仪的读数s0,在实际控制中用的是相对辊缝(s-s0)。下面对相对辊缝的合理性进行理论分析。

空压靠至零点载荷P0,可以认为辊缝中间有一块宽度与工作辊相同且厚度为0的钢板,代入公式(1)

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收稿日期:2006-05-21

作者简介:张红云(1976-),女,安徽省安庆市人,在读硕士生,研究方向:金属材料加工第5期张红云等:高精度中厚板轧制的厚度控制研究

󰀁89󰀁

(2)

有:

0=s0+f(P0)

󰀁󰀁将式(2)代入式(1)得:

h=s+f(P)=s+f(P)-(s0+f(P0))=(s-s0)+f(P)-f(P0)

󰀁󰀁可见,利用相对辊缝s-s0与轧机相对弹跳值f(P)-f(P0)同样可以计算出钢板厚度h,这证明了相对辊缝的合理性。1.2󰀁轧机弹跳量的宽度修正

轧机的弹跳是指在轧制过程中,轧辊对轧件施加的压力使轧件产生塑性变形,轧件从入口的厚度H压缩到出口厚度h,与此同时,轧件也给轧机以相同大小但方向相反的反作用力,这个反作用力传到工作机座各零件上产生一定的弹性变形,这些弹性变形的累积后果都反映在轧辊的辊缝上。当轧制宽度为B的轧件时,由(1)式可得:

fB(P)=h-s(3)

󰀁󰀁式中fB(P)为轧机弹跳;P为轧制力;h为轧件厚度;s为辊缝。

在实际轧制中,轧件宽度不同,对应相同的轧制力,轧机弹跳也不同。假定轧制宽度为B的轧件时,轧机弹跳模型可设为:

fB(P)=f(P)+󰀁fB(P)(4)

󰀁󰀁式中,P为轧制力;B为轧件宽,fB(P)为对应轧件宽为B、轧制力为P时的轧机弹跳;f(P)为对应轧制力为P时的空压靠弹跳,󰀁fB(P)为轧机弹跳宽度修正量。

以宽度不同的中厚板为例,研究轧件宽度与轧制力、轧机弹跳间的关系。制定数据采集方案如下:

(1)步进空压靠,使轧机步进空压靠至不同载荷P0,P1,P2,󰀁,Pn,并记录不同载荷下的辊缝值s0,s1,s2,󰀁,sn,则各载荷下的轧机弹跳为:

f(P0)=-s0,f(P1)=-s1,󰀁,f(Pn)=-sn

󰀁󰀁将这些点绘成曲线,即为轧机实测刚度曲线。根据步进空压靠法,从1.0MN开始,压力每增加1.0MN,记录一次轧制力P和缝值s,直到20.0MN。

(2)按步骤(1)分别对宽度为1.8m、2.0m、2.3m的中厚板进行步进静压靠,除了记录每步轧制力P和辊s外,每步压力到位后,抬起液压缸取出中厚板,用千分尺测量其厚度值h(注意:轧辊不能旋转)。

(3)利用式(3)根据每步采集的辊缝s及对应的板厚度h可以求出此刻轧机的弹跳fB(P)。处理上述采集到的数据,可以

图2󰀁不同轧件宽度对轧机弹跳绘出轧件宽度为1.8m、2.0m、2.3m时的轧机弹跳曲线。将

的影响(相对于空压靠)这3条弹跳曲线各点的轧机弹跳量减去空压靠时相同轧制力

下的轧机弹跳量,得出这3种轧件宽度对轧机弹跳量的影响值,如图2中的实点所示。

根据中厚板轧机实测数据,利用关于PB0-B的双变量二次多项式模型来研究板宽对弹跳量的影响。

0-󰀁1P+󰀁2P)(B0-B)+(󰀁0+󰀁1P-󰀁2P)(B0-B)󰀁fB(P)=(󰀁(5)

󰀁󰀁式中:󰀁fB(P)-相对于空压靠状态,宽度为B的轧件在轧制力为P时对轧机弹跳的宽度修正值,󰀁fB(P)=fB(P)-f(P),mm;B-轧件宽度,m;B0-轧机工作辊长度,m。

利用上面实测到的1.8m、2.0m、2.3m宽的轧件对轧机的弹跳量,拟合模型(5)的影响值,最后回归出轧机的弹跳量宽度修正量:

󰀁fB(P)=(0.42702-0.04792P+0.00056P2)(B0-B)2

2

2

2

+(-0.29158+0.00768P-0.0013P)(B0-B)

1.3󰀁油膜厚度的补偿

1.3.1󰀁油膜厚度模型的建立

作为轧制速度的函数并引起中厚板厚度变化的主要因素有两个:支撑辊轴承油膜的厚度和辊缝中润2

󰀁90󰀁

陕西科技大学学报第24卷

滑油膜的厚度。油膜厚度由雷󰀁诺兹(Reynolds)方程可以表示如下:

hf=a1󰀁X∕(X+b1),X=S1󰀁N/P(6)

󰀁󰀁式中:a1、b1、S1󰀁常数;󰀁―轴承与辊颈之间的直径间隙差,mm;X―萨莫费尔德(Sommerfield)变

-1

量;󰀁―油粘度,Pa󰀁s;N󰀁轧辊转数,r󰀁min;P󰀁轧制力,N。

常数S1由下式给出:

2

S1=l󰀁󰀁10-2/3󰀁Dbd

式中:l―轴承宽度,mm;Db―支撑辊直径,mm;d―轴承颈直径,mm。

由式(6)可知,油膜厚度是轧制速度和轧制力的函数。为了在较低速度下促进油膜的产生,通常的做法就是使用液体润滑系统,这种系统是在轧制速度降低到某一值后才开始起作用。在没有液体润滑的情况下,人们发现油粘度与轴承速度有关。然而,当使用了液体润滑后,油粘度就几乎成了常数。如果油粘度保持不变,那么式(6)为:

a1󰀁S1󰀁N/Pa1󰀁N/Phf==

S1󰀁N/P+b1N/P+b1/S1󰀁

󰀁󰀁令a=a1󰀁,b=b1/S1󰀁,则上式可以简化为:

hf=a(N/P)(7)

(N/P)+b

󰀁󰀁式中a、b为常数。

按公式(7),如果现场能实际测出一组油膜厚度hf、转速与压力比值N/P,则可以回归出系数a、b,得出现场实用模型,其中转速与压力比值N/P可以很容易求得,但油膜厚度hf不能直接测量,只能用空压靠方法间接得出。考虑油膜厚度补偿时的厚度计公式为

h=s+f(P)-hf

空压靠时h=0,则

s=hf-f(P)(8)

在压靠力P下,令轧辊以两种不同的转速旋转,由(8)式可得:

s1=hf1-f(P),s2=hf2-f(P)

则hf1-hf2=s1-s2(9)可见,压靠力相同、主传动速度不同时,轧机弹跳f(P)相同,油膜厚度的变化等于辊缝值的变化,如式(9)所示。在静压靠的情况下,由式(7)可知,N/P=0,其油膜厚度为0,即hf1=0,则实际油膜厚度hf2=s2-s1。

根据以上分析,利用空压靠方法可以求出不同条件下的油膜厚度,但它要求轧机进行大压力静靠,提供零油膜厚度参考点。实际测量中,辊缝值为轧辊旋转一周期间记录的辊缝值的平均值,这样可以消除轧辊偏心的影响,而静压靠不具备这个功能。中厚板轧机多用油膜轴承,不允许在轧机不旋转下进行大压力静压靠,因此不存在油膜厚度为0的参考点,故无法用公式(7)进行回归,为此我们引入了相对油膜厚度的概念,人为的将调零条件下的油膜厚度定为相对油膜厚度的零点(hf0)。仿照前面的方法,将压力调为零压力,而转速为任意允许值,可以求出相对油膜厚度󰀁hf。当N/P=N0/P0,其油膜厚度必等于相对油膜厚度零点值(hf0),这样就可以确定其它压靠力的相对油膜厚度零点参考点,从而确定出不同压靠力、不同转速下的相对油膜厚度,为此对公式(7)进行改进:hf=hf0+󰀁hf,则

a(N/P-N0/P0)+a(N0/P0)aba(N/P)==a-=hf0+󰀁hfhf=

(N/P-N0/P0)+N0/P0+b(N/P)+b(N/P-N0/P0)+N0/P0+b

󰀁󰀁合并上式中的常数项,并令:a-hf0→c;-ab→a;N0/P0+b→b,则相对油膜厚度的最终模型公式为:

a󰀁hf=+c(10)

(N/P-N0/P0)+b

󰀁󰀁式中的常数可根据实测数据回归得出。1.3.2󰀁现场油膜厚度模型的获取

由式(8)可知,轧制力相同而主传动速度不同时,轧机弹跳f(P)相同,辊缝值s的变化是由油膜厚度hf引起的,因此进行了以下实验:

第5期张红云等:高精度中厚板轧制的厚度控制研究

-1

󰀁91󰀁

(1)轧机转速为10r󰀁min,分别空压靠至4000kN、8000kN、12000kN、16000kN、20000kN,记录各点辊缝读数。

(2)分别在20r󰀁min-1、30r󰀁min-1、40r󰀁min-1、50r󰀁min-1、60r󰀁min-1、70r󰀁min-1、80r󰀁-1

min转速下重复上述过程,并记录数据。

对所采集到的数据进行处理,s与N/P的关系如图3所示。

󰀁󰀁图3󰀁辊缝值与转速压力比之间的关系󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图4󰀁油膜厚度曲线实测值及理论值根据某中厚板轧机的实际情况,取转速N0=60r󰀁min-1,单侧轧制力P0=10000kN时的油膜厚度定为0(轧机辊缝清零条件)。图3中直线x=N0/P0与各曲线交点处的油膜厚度为0,各曲线压靠力相同,轧机弹跳相同,辊缝读数的不同是由于油膜厚度变化造成的。将各采样点的辊缝值减去该曲线零油膜厚度处的辊缝值即可得出各点的相对油膜厚度。各测量点油膜厚度如图4中曲线1所示。

对所测数据进行数据回归,最后可得轧机油膜厚度模型为:

-44927󰀁hf=+384

10000(N/P-N0/P0)+112

󰀁󰀁计算结果如图4中曲线2所示。1.4󰀁其它补偿

高性能的AGC系统中厚度计模型除了上述各项外,还有下列影响因素需要补偿,这些变化速度都很慢,可以通过自学习对其进行修正:

(1)冲击补偿(󰀁sc):咬钢的瞬间,由于轧制力的冲击作用,辊缝增大。因此,在咬钢前预先把辊缝降低一定值,咬钢后,再将辊缝恢复到设定值。

(2)轧辊热膨胀补偿(󰀁sT):补偿由于轧辊膨胀引起的轧辊直径的动态变化量。(3)磨损补偿(󰀁sm):补偿由于轧辊磨损引起的轧辊直径的动态变化量。

(4)轧辊偏心补偿(󰀁hp):补偿因轧辊偏心引起的轧制力的变化对厚度计AGC系统的影响。(5)头尾补偿(󰀁htw):补偿因钢板头尾温度变化对钢板头尾厚度的影响。2󰀁结束语

本文研究得出了AGC系统高精度厚度计模型,其数学式为:

h=(s-s0)+{f(P)-f(P0)+󰀁f(P)}+󰀁hp+󰀁htw+󰀁sc+󰀁sm-󰀁hf-󰀁sT

󰀁󰀁式中,s为辊缝;s0为零调辊缝;P为轧制力;P0为零调载荷;f(P)为在轧制力P下的轧机弹跳;f(P0)为零调压力下的轧机弹跳;󰀁f(P)为轧机弹跳宽度补偿项;󰀁hp为轧辊偏心补偿;󰀁htw为头尾补偿;󰀁hf为油膜厚度补偿项;󰀁sc为冲击补偿;󰀁sT为轧辊热膨胀补偿项;󰀁sm为轧辊磨损补偿项。

该模型完全具备了应用于实际控制中的条件,可与轧制力预测模型一起对中厚板进行高精度厚度控制。

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陕西科技大学学报第24卷

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RESEARCHONTHICKNESSCONTROLSYSTEM

FORHIGHQUALITYMEDIUMPLATEROLLING

ZHANGHong-yun1,2

(1.DepartmentofPrecisionMachineryandPrecisionInstrumentation,UniversityofScienceandTechnologyof

China,Hefei230026,China,2.DepartmentofMachineryEngineering,TonglingCollege,Tongling24000,China)

Abstract:Thecoremathematicalmodel󰀁󰀁󰀁gagemetermodelintheengineeringrealizationwassystematicallystudied,includingtheinitializationofrollingslot,theestablishmentformodeloftherollingmillbounces,oilfilmthicknessmeasuringandothercompensates.Thefielddatawereprocessedanddeveloped.Thenitwasprovedthatthemodelprecisionishighenough.

Keywords:mediumplate;AGC;thicknesscontrol(上接第80页)

参考文献

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DIAGNOSINGTHEOPTICALDAMAGEOFCRYSTAL

BASEDONWAVELETNEURALNETWORK

JIANGEn-song1,LIMeng-chao1,SUNLiu-jie2

(1.SchoolofOptical&ElectronicInformationEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnolo-gy,Shanghai200093,China;2.SchoolofPrint&Press,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,

Shanghai200093,China)

Abstract:Inthispaper,byusingthecrystal󰀁sphotoacousticeffect,anewdiagnosismethodforcrystal󰀁sopticaldamagewhichintegrateswiththewaveletneuralnetworkisproposed,anditisappliedindiagnosingLiNbO3󰀁sopticaldamagesuccessfully.Theexperimentout-comeshowsthatthenewmethodispreciseandvalid.

Keywords:waveletanalysis;faultdiagnosis;neuralnetwork;opticaldamage;photoacousticeffect