第9节轧钢厚度自动控制.docx
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第9节轧钢厚度自动控制
内蒙古科技大学教案
材料与冶金学院李振亮
课程名称：
《材料成型控制工程基础》（第9章，共11章）编写时间：
2010年9月1日
授课章节
9板带材生产过程自动控制
9.1热轧板带轧制过程控制的基本内容9.2厚度自动控制9.3板形自动控制9.4温度控制
目的要求
本章介绍了包钢CSP控制系统的相关组成与控制功能
（1）掌握轧机刚度K、轧件刚度M、压下有效系数的概念
（2）深入理解“弹跳方程理论”
（3）不同厚度控制方式的控制原理
重点难点
重点：
重点掌握板带钢轧制厚度控制、板形控制的分类和控制原理、压下有效系数概念
难点：
不同厚度控制方式的控制原理
第9章板带材生产过程自动控制
9.1薄板坯生产过程自动化及控制功能
■包钢CSP工艺流程特点
⏹■CSP工艺自动化过程（动画演示）
■厚度自动控制
板形自动控制
温度自动控制
约15分钟
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9.2厚度自动控制
⏹知识要点：
三个概念：
轧机刚度K、轧件刚度M、压下有效系数C
三种厚度控制基本形式：
测厚仪式（反馈式）
厚度计（反馈式）
整机架式（前馈式）
厚度自动控制原理
9.2.1P-H图是板带厚度控制的理论基础
式中：
h——轧制出口厚度
S0——预设辊缝值
ΔS——轧制弹跳值
P——轧制压力
Km——轧机刚度系数，表征使轧机生产单位弹跳量所需的轧制压
力
凡是影响预设辊缝S0和轧制压力P的因素都将最终影响到轧件出口厚度h，概括起来有如下四方面：
（1）辊缝变化的影响。
（2）温度变化的影响。
（3）张力变化的影响。
（4）速度变化的影响。
重点掌握
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9.2.2轧制过程厚度变化的基本规律
⏹厚度随辊缝变化的规律
小结：
◆轧机的原始预设辊缝值S0决定着弹性曲线A的起始位置，A曲线左移，出口厚度减小
◆采取预压紧轧制时，即在进行轧制之前，使上、下轧辊以一定的预压力P0互相压紧，能将轧件轧得更薄
◆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，从而导致轧件出口厚度h发生变化
⏹厚度随轧机刚度变化的规律
小结：
◆提高轧机刚度有利于将轧件轧得更薄，目前板带材轧机的刚度通常大于500～600t/mm
◆实际轧制过程中，由于轧辊的凸度大小不同，轧辊轴承的性质以及润滑油的性质不同，轧辊圆周速度发生变化，也会引起刚度系数发生变化
⏹厚度随轧制压力变化的规律
小结：
◆S0和Km值保持一定的条件下，来料厚度减小，则B曲线的起始位置左移，且斜率稍有减小，即材料的塑性刚度稍有减小，故实际轧出厚度也减小
◆减小摩擦系数时，轧制压力会降低可使的带钢轧得更薄
◆变形抗力增大时，B曲线斜率增大轧件出口厚度也增厚
◆张力增大时，B曲线斜率减小，可使轧件轧得更薄
（约5~10分钟）
（约5~15分钟）
（约5~15分钟
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9.2.3厚度自控系统的基本形式及其控制原理
AGC的分类有多种方法：
（1）根据轧制过程中控制信息流动与作用情况不同，厚度自动控制系统可分为：
反馈式、前馈式、监控式、张力式、金属秒流量式等。
（2）根据执行机构来看，可以分为：
电动AGC和液压AGC。
（3）根据AGC的硬件系统不同，可分为模拟式AGC和直接数字控制（DDC）式AGC。
（4）根据轧制过程中带钢承受作用的不同，还有各种补偿的厚度控制系统：
速度补偿控制、宽度补偿控制、支持辊偏心补偿控制、油膜厚度补偿控制、带钢尾部补偿等控制系统。
（5）根据设定方式和轧机压下效率补偿环节不同，它可以分为：
轧制压力AGC（又称P-AGC、GM-AGC）、相对值AGC和绝对值AGC。
厚度自动控制系统是热连轧精轧机组自动控制中的一个极为重要的组成部分。
过去一般是采用模拟系统，随着计算机技术的发展，现代化的冷、热连轧机都广泛采用直接数字控制计算机（DDC）进行带钢的厚度自动控制，称为DDC-AGC系统。
它能综合采用多种型式的厚度自动控制系统，以适应不同钢种、规格和工艺参数变化的要求，便于对动态过程中参数的变化进行补偿。
■用测厚仪测厚的反馈式厚度自控系统原理
图9-14测厚仪型反馈式厚度自动控制系统图9-15δh与δS的关系曲线
h实—实测厚度；h给—给定厚度
“压下有效系数”的概念？
由前式可知，当轧机的空载辊缝S0改变δS时，所引起的轧件出口厚度变化量δh要小于δS，δh与δS之间的比值C=δh/δS称为“压下有效系数”，表示压下螺丝位置改变量能造成多大的轧件出口厚度变化量。
（9-5）
考点
（约5~10分钟）
（约5~15分钟）
（约5~15分钟
考点
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测厚仪反馈测厚的本质：
按比例进行厚度控制
由于存在时滞，这种按比例进行厚度控制的系统很难实现稳定的控制。
为了克服这个问题，因此可以采用“厚度计式“厚度自动控制系统
■厚度计式厚度自控系统原理
本质:
根据“轧机弹跳方程P-h图”测得的厚度值进行厚度控制的系统称为GM-AGC或称P-AGC
在此种情况下，等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”。
这种检测厚度的方法称为“厚度计法”（简称GM），以区别用测厚仪检测厚度的方法。
GM-AGC工作原理图
■前馈式厚度自控系统原理
引入的原因:
用“测厚仪”和“厚度计”测厚的反馈式AGC，都无法避免信号传递的滞后，因而限制了控制精度的进一步提高，特别是当原料厚度波动较大时，更会影响轧件出口厚度的精度
为克服此缺点，在现代的冷热连轧机上都广泛采用前“反馈式”厚度自动控制系统，简称“前馈AGC”、或称为“预控AGC”。
堂课结论：
由于前馈式AGC属于开环控制系统，单独使用难以得到优良的控制性能，一般是将前馈式AGC与反馈式AGC结合使用，所以它的控制效果也只能与反馈式AGC结合在一起进行评定.
（约5~15分钟）
（约5~15分钟
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由于是上游轧机往下游轧机传送信号，来实现厚度自动控制，所以称为前馈AGC，又称预控AGC。
图9-21前馈AGC控制示意图图9-22δh、δS、δH之间的关系曲线
（9-10）
表9-2各机架的轧出厚度和厚度偏差[37]
项目
机架号
带坯
F1
F2
F3
F4
F5
原始带钢厚度/mm
16.0
9.525
5.969
3.987
2.72
1.905
有偏差后的带钢厚度/mm
17.6
9.75
6.035
4.02
2.735
1.91
厚度偏差/mm
1.6
0.225
0.066
0.033
0.023
0.01~0.015
增厚率/％
10.0
2.36
1.1
0.83
0.85
0.26
纠正厚度偏差的能力/％
86
70.6
50
30.3
34~56
压力差（
P/kN）（Km＝4900kN/mm时）
1102.5
323.4
161.7
112.7
49~73.5
由于前馈式AGC属于开环控制系统，单独使用难以得到优良的控制性能，一般是将前馈式AGC与反馈式AGC结合使用，所以它的控制效果也只能与反馈式AGC结合在一起进行评定。
■X射线监控式厚度自动控制基本原理
（约5~10分钟）
考点
（约5~15分钟）
了解
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■液压式厚度自控系统的轧机刚性可变控制原理
轧机等效刚度
（9-15）
表9-3α与KE的关系
α取值
KE值
控制方式
α=1
KE=∞
恒辊缝控制
0<α<1
KE>Km
硬特性控制
α=0
KE=Km
自然刚度控制
α<0
KE软特性控制
α=－∞
KE=0
恒压力控制
（1）恒辊缝控制（等厚轧制）。
（2）硬特性控制。
（3）自然刚度控制。
（4）软特性控制。
（5）恒压力控制（等压轧制）。
采用硬特性控制时，使纵向厚差减小，但使板形变坏；恒辊缝控制（最硬）使纵向厚差最小（为零），但板形最坏。
采用软特性控制时，使纵向厚差加大，但板形变好；恒压力控制（最软）使纵向厚差最大，但板形最好。
一般在轧制的前几个道次采用硬特性控制，在轧制的后几个道次采用恒压力控制，以达到平整轧件改善板形的目的。
重点掌握，考点
（约15分钟）
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■AGC系统的补偿功能
与AGC系统有关的主要补偿功能包括[39]：
（1）活套补偿。
（2）板形轧制力前馈补偿。
（3）弯辊、油膜厚度补偿。
（4）偏心补偿。
（5）尾部补偿。
（6）宽度补偿。
9.3板形自动控制
成品带钢的断面形状（profileorcontour）和平直度（flatness）是板形的两项指标，虽然断面形状与平直度是两项独立指标，但相互之间存在着密切关系。
实际上，只要控制带钢凸度（crown）δ并使其维持δ＝∆/λ（δ、∆分别是出口和入口带钢凸度，λ为延伸率），就能达到控制带钢板形良好的目的。
所以谈到板形的控制，实质上就是控制带钢板凸度δ的问题。
现代板带轧机的板形自动控制系统的定义有广义和狭义两种。
广义的板形自动控制包括了过程自动化级和基础自动化级的二级自动控制，而狭义的板形自动控制只是存在于基础自动化级的板形闭环反馈控制系统，也称AFC（automaticflatnesscontrol，AFC）或ASC（automaticshapecontrol，ASC）。
下面对板形的定量表示方法、凸度与平坦度的关系、板形控制系统组成、板形控制基本原理等内容分别进行介绍。
9.3.1板形的定量表示方法
衡量钢板形状的优劣分两个方面：
（1）与沿钢板宽方向的厚度分布有关的断面形状。
图9-25入口和出口断面形状
了解
（约5分钟）
（约5~15分钟
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（2）与钢板长度方向的平坦度有关的板形。
长度方向的板形是指钢板或带钢出现浪形、瓢曲、上凸和下凹等缺陷，使板带钢失去平直性。
如果两边部的延伸大于中部，则产生边浪；相反，则产生中浪；如果延伸不规则，则产生瓢曲。
此外还可能产生局部上凸和下凹。
对大多数对称的浪形和瓢曲，可通过调节辊型来加以控制。
为对板带钢的板形实现检测和控制，首要问题是对各种类型和各种程度的板形缺陷用数字形式表达出来。
最常用的有波形法、松弛系数法、张力差法、板形参数法、残余应力法五种，这里仅介绍其中两种：
（1）波形表示法。
图9-26带钢板形的波形表示法
（2）残余应力表示法。
宽度方向上分成许多纵向小条只是一种假设，实际上带钢是一整体，也就是“小条变形是要受左右小条限制的”，因此当某“小”条延伸较大时，受到左右小条影响，将产生压应力，而左右小条将产生张应力。
这些压应力或张应力称为内应力，带钢塑性加工后的内应力称为残余应力。
9.3.2板形良好的条件及其控制策略
可以推得在原料板形良好的情况下，保证带钢轧后平直的条件为：
或
（9-19）
由图9-27可知热连轧的横向及纵向流动区间存在三个区段：
图9-27带钢轧制时横向及纵向流动区间[39,41]
（约5~10分钟）
（约5分钟）
（约5~15分钟
重点
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（1）轧件厚度小于6mm左右时不存在横向流动，因此应严格遵守相对凸度恒定条件以保持良好平直度。
（2）6~12mm为过渡区，横向流动由0%变到100%。
此处100%仅意味着板带有可能完全自由地宽展。
（3）12mm以上厚度时，相对凸度的改变受到限制较小，即不会因为适量的相对凸度改变而破坏平直度。
因此将会允许板带的纵向各“小条”有一定的不均匀延伸而不会产生翘曲。
为此Shohet等曾进行许多试验，并由此得出图9-28所示的Shohet和Townsend临界曲线，此曲线的横坐标为b/h，纵坐标则为变形区出口和入口处的相对凸度差
CR
CR=
（9-20）
式中
、
——出口和入口带钢的凸度；
h、H——出口和入口带钢的平均厚度。
图9-28Shohet和Townsend的
CR允许变化范围曲线[39,41]
此曲线的公式为
（9-21）
上部曲线是产生边浪的临界线，当
CR处在曲线的上部时将产生边浪；下部曲线为产生中浪的临界线。
图9-28所示的曲线限制了每个道次所允许的相对凸度改变量，超过此量将产生翘曲，破坏平坦度。
例如当带宽为1500mm时，对6mm带钢、宽厚比为250，所允许的正负相对凸度改变量分别为＋
CR＜0.4％，－
CR＜－0.2％，而对12mm带钢、宽厚比为125，此时则允许＋
CR＜1％，－
CR＜－0.5％。
对带钢热连轧机来说，6~12mm以及12mm以上的厚度正属于F1~F3轧制厚度的范围，因此对带钢凸度的纠正可以在F1~F3进行。
此时由于在F1~F3处存在一个允许调节凸度的喇叭口，粗轧来料的凸度（相对凸度）可在精轧前三架得以校正而不会破坏带钢的平坦度。
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重点
（约5~15分钟
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从凸度及平坦度出发，可将精轧机组分为凸度调节、平坦度保持、平坦度控制三个区段。
对七机架连轧来说，一般F1~F3为凸度调节区段，F4~F6为平坦度保持区段，（F6）F7为平坦度控制区段。
9.3.3板形控制系统组成
板形检测
板形的计算机控制
板形控制手段
板形控制系统的控制方式简介
9.3.4板形控制基本原理
因此为了保证带钢板形良好，轧辊的有载辊缝形状必须满足下式要求：
（9-24）
图9-31四辊钢板轧机的受力和变形[40]
对δ值的相关公式进行联立，可求出δ值来，求解δ所用的参数如FWb、fWb、F1b、fBb、
q、
q′等都与δ值互为影响，这就增加了带钢板形和凸度的计算复杂性，详细求解过程请参阅相关文献。
了解
（约15分钟）
重点
（约5~15分钟）
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图9-33带钢良好板形线簇[40]
众所周知，轧制压力波动对带钢板形的影响不是太敏感的，带钢愈厚，影响愈为迟钝。
其原因是带钢是一个整体，只要带钢宽度上各点的不均匀纵向延伸产生的内应力不超过一定限度，带钢就不会失去它维持自身平直的稳定状态，带钢愈薄，维持自身平直的能力愈差。
所以保证轧制带钢板形良好的条件，在P-H图上表现出来的不是一条直线，而是一个区间，这个区域随板厚增大而变得愈宽，见图9-34所示。
图9-34带钢板形良好区间[40]
例如塑性线CD与区间上限AE的交点E是不产生边部浪形的临界点；塑性线CD与区间上下限AF的交点F是不产生中部浪形的临界点。
只要轧制时轧制压力在Pi′与Pi″之间波动，则轧出的带钢都能获得良好板形。
掌握
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9.4温度控制
9.4.1轧制过程中温度变化的基本规律
9.4.2带钢热连轧过程中的温降方程
了解
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