轧钢过程中如何控制板形
宽带钢轧机板形控制技术的对比研究
张黄伦伟等
采用软件仿真的方法，结合生产实际，从板形控制效率和板带轧机综合性能两个方面对世界主要板形控制技术进行了对比研究。研究结果不仅有助于板带轧机的选型和板形技术的配置，而且有利于先进板形技术的创造。
板带轧机；平整度技术；比较研究
分类号PG 335.11
宽带钢轧机板形控制技术的比较研究
张黄伦伟等
(中国北京UST机械工程学院，北京100083)
对目前主要的先进板形控制技术进行了研究和比较，并采用数值计算方法模拟了这些执行器的板形调节作用矩阵和轧机的整体板形控制性能。研究结论不仅有利于板带轧机的设计和板形控制执行器的选择，而且有利于创造新的先进板形控制技术。
板带轧机；形状控制技术；比较研究
自20世纪70年代以来，市场对板形质量的要求越来越高，板形控制技术的推广成为板带生产中的关键技术。围绕板形控制技术的发展，世界上出现了HC、CVC、UC、K-WRS、PC等不同型号的新一代高科技板带轧机。这些轧机都有65，438+0自己的符号板形控制技术，并辅以许多其他通用板形控制技术(如弯辊、弯辊、弯辊)。
板形控制技术是一种具有特定设备形式的工艺技术，其板形控制性能与其自身的设备条件有关，如辊系结构和尺寸(辊数、直径、辊长等。)，以及工艺条件，如轧制力、轧件宽度等。因此，有必要根据已知的设备条件和工艺条件，从板形控制效率和板带轧机性能两个方面对板形控制技术进行研究和比较。
1平直度控制功效的定义[1]
平直度控制效果是在平直度控制技术的单位调整量的作用下，轧机轴承间隙的形状在带钢宽度方向上的变化，公式如下:
(1)
其中:e(x)-平坦度控制功效函数，可以是简单多项式，也可以是高阶复多项式；GF(x)-轴承辊缝形状变化的函数；s-广义调整(力或位移)；沿板材宽度方向的x坐标。
调节效果也可以用单位调节量引起的辊缝形状沿宽度方向变化的离散值来表示:
E=[e1，e2，…，ei，…] (2)
这时，E形控制功效矩阵。
上述形式的板形控制效果可以表示为板形控制技术对轴承辊缝形状的各种描述性指标(凸度、楔形、边缘变薄和局部凸起)的控制效果。
在板形自动控制系统中，板形控制的效率矩阵可以表示为板形控制技术单位调整引起的带材预张力沿横向的变化，公式如下:
E=[q1，q2，…，齐，…] (3)
其中，m为板形仪在板宽范围内测量的截面数；qi——I截面中带材预拉伸应力的变化。
板形控制的效果可以通过两种方法来确定:实验或软件模拟。实验方法需要在同规模实验轧机上进行或直接在生产轧机上进行，难度较大。软件模拟法经济有效，能灵活模拟各种轧制工况，因此得到广泛应用。
两种板形控制技术板形控制效果的仿真比较
平直度控制功效可以准确地描述平直度控制技术的平直度控制思想和控制特性。研究和比较板形控制技术，首先要研究和比较其板形控制功效。
利用有限元法和影响函数法，模拟了目前使用的主要板形控制技术——CVC、HC、PC、K-WRS、DSR、弯辊和压下倾角的板形控制效果。结果如图1和2所示。各图纵坐标为以0.001 mm为单位的辊缝开口变化，横坐标为距带钢中心线的距离和半板宽度。DI为中间辊直径，DB为支撑辊直径，B为板材宽度，P为总轧制力。图中的曲线形状和对应的函数表达式显示了每种形状技术的形状控制功效的大小和特征。
图1 6形状控制技术仿真。横坐标为带钢中心线距离与半宽的比值(r)；纵坐标是以0.001 mm为单位的辊缝开度变化(γ)(a)四辊CVC，(b)六辊CVC，
(c)UC，(d)PC，(e)K-WRS，(f)非对称辊弯和拧紧倾斜。
图1模拟六个形状控制执行器的形状调整动作
图2工作辊DSR辊和弯辊各块的调节效果。
图2 DSR上平板驱动器和WT弯曲的形状调整作用
从图中可以看出，CVC、HC、PC和对称弯辊技术的板形控制效果都是对称的，而且都是以二次元件为主，其中第四个元件最多:六辊CVC轧机的中间辊拉弯和工作辊弯辊、PC轧机的轧辊交叉和UC轧机的中间辊弯辊。
压下倾斜和非对称弯辊技术的板形控制效果不对称，整体控制效果明显。DSR单次压块压力调节的平直度控制效果除一次具有高阶对称性外，其余均为不对称，具有一定的局部控制效果。DSR的总成型压力可以以各种对称或非对称的分配方式给出，从而提供各种对称或非对称的平直度控制效果。k？RS轧机的工作辊没有板形控制功能，但其作用是均匀磨损。
另外，图中的板形控制效率是在一定的板宽、辊径、辊长和轧制力下计算的。进一步研究可以发现:
(1)板宽与辊长的比值对调节效率有一定影响。随着比值的增加，各种板形控制技术的调节效率增加，尤其是四次成分增加更多。
(2)各种板形控制技术的控制效率对辊径变化的敏感程度不同，如工作辊弯曲对辊径变化敏感，而CVC基本与辊径无关。
(3)单位板宽的平均轧制压力对某些板形控制技术的板形控制效率有影响。通过对比可以看出，以力为调节量的板形控制技术基本不受影响，而以辊型和拉矫为调节量的板形控制技术随着轧制压力的增加而增加。
3板形控制功效在控制系统中的作用
板形控制的有效性是板形自动控制系统中板形控制策略设计的前提和归宿，在一定程度上决定了所采用的板形控制策略、控制效果评价函数的形式以及各种板形控制技术设定值调整的求解方法，是建立板形自动控制模型的基础。在现有的三类闭环反馈控制模型中，板形控制效果对板形自动控制模型的影响是明显的[2]。
3.1基于模式识别类
对于具有简单平直度控制功效函数的平直度控制技术，通过线性最小二乘法将测量的平直度信号分解成对应于每个控制功效函数的三种模式:
获得最小值，这些最小值直接用于确定各种平直度控制技术的设定值的调整量。
3.2基于最小二乘法的评价函数类
对于具有复杂板形控制功效函数的板形技术，无需模式识别，直接利用线性最小二乘法原理建立离散板形控制效果评价函数，求解各板形控制技术设定值的调整量:
(6)
确定最小值，
[S]p×1 =[A]-1p×p[R]p×1(7)
式中，a为板形控制的效率矩阵；平面度测量值的r矩阵。
3.3基于平整度参数的评价函数类
首先，通过最小二乘法将测量的平整度值拟合为完整的四次多项式:
y(x)=λ+λ1x+λ2x 2+λ3x 3+λ4x 4(8)
然后将其转化为板形参数来表达板形控制效能。同时，板形控制目标表示为基于板形参数的加权对称和非对称控制效果评价函数。达到最小值的各平整度控制技术设定值的调整量由爬山探索法直接确定。
以上三个模型是三种不同的控制策略和数学模型，用于控制不同的平直度技术。
4板带轧机板形控制性能定义指标
平面度控制的实质是控制轴承间隙的形状。各种平直度控制技术的平直度控制原理是控制轴承间隙的形状。在轧制过程中，影响轧件形状(轴承间隙形状)的干扰因素主要是辊型变化(轧机)和轧制力波动(轧件)。具有优良平直度控制性能的带材轧机应该同时具有足够大的轴承间隙形状和轧制力以及辊形变化的可调范围。
4.1辊缝形状控制域
辊缝形状的控制范围是轧机各平直度控制技术的辊缝形状(凸度、楔形、边缘变薄和局部凸起)各描述指标的最大控制范围。但一般带钢宽度跨度内的辊缝曲线可以用离散值表示，曲线的二次凸度和四次凸度可以用多项式拟合得到，在坐标系中建立了辊缝凸度的最大控制范围，称为辊缝凸度。
4.2辊缝横向刚度
轧机一方面应具有承受辊缝形状的可调柔性，另一方面应具有在轧制力波动和存在干扰时保持辊缝形状相对稳定的能力，即辊缝刚度由辊缝横向刚度k定义:
K=△q/△Cw (9)
式中——轧制压力q的变化量；—辊缝凸度的变化对应于。
4.3卷自保持(稳定性)
在服役期间，轧机各辊的表面磨损不断发生。下磨后，可以测量磨损轧辊的表面轮廓曲线，然后从上磨前的初始辊型曲线中减去，就可以得到服役期内轧辊表面的相对磨损分布曲线(中点或边缘点)，称为轧辊磨损曲线或磨损辊型。辊型的自保持参数Rw定义为:
Rw=1.0-Wmax。长/宽(10)
其中，Wmax——是宽度方向上的最大相对磨损；lw-磨损曲线的宽度；k——滚子的直径与长度之比。
如果滚子表面磨损均匀，滚子具有最好的自保持性能，即滚子稳定性，RW = 1.0。在实际生产中，除局部表面剥落外，轧辊磨损曲线多为近似光滑曲线(C型、高次或低次多项式)、“梯形”(T型)、“阶梯状”(S型)、“猫耳朵”(ce型)。
辊面的不均匀磨损导致辊缝形状和一些板形控制技术的控制效率发生变化。辊缝的调节域表示辊缝的调节弹性，辊缝的横向刚度表示轧制力变化时辊缝的稳定性。建立Cw-Cq-q坐标系，以轧制宽度b为参数变量，可得到描述轧机板形控制性能的三维图形。如果辊具有良好的自保持力，形状控制性能的三维图将在辊的整个使用寿命中保持恒定。
辊缝调节的灵活性和刚度特性以及辊型自保持性是比较板带轧机板形控制性能的主要依据。
板形控制效果是板形控制技术的特性，也是决定板带轧机板形控制特性的基本“要素”。因此，比较板带轧机的板形控制性能也可以说明板形控制技术的优缺点。
5板形控制效果决定了板带轧机的性能
板带轧机板形控制技术的配置方案决定了轧机的机型及其板形控制策略——“柔性辊缝”还是“刚性辊缝”。如果是为了提高辊缝的横向刚度，则称为刚性辊缝型。
CVC轧机和PC轧机属于高柔性低刚度辊缝，即柔性辊缝型；HC(UC)轧机属于低凸度高刚性辊缝型，即刚性辊缝型。VCL(VCR)支承辊技术可以提高辊缝刚度，使支承辊具有优良的辊型自保持性，也属于刚性辊缝型。DSR技术可以实现柔性和刚性辊缝控制。
6种板带轧机综合性能的比较
板带材热轧和冷轧机的主要类型有常规四辊、CVC、HC(UC)、PC、K？RS、VCL(VCR)、DSR等。通过软件模拟和生产实践调查，从八个方面比较了各类板带轧机的综合性能，如表1所示。
表1板带轧机综合性能对比
表1板带轧机综合性能对比
项目常规四高CVC HC(UC) PC K-WRS VCL(VCR) DSR
卷会抽搐吗？是的是的是的是的是的是的不不。
辊缝形状控制域C A A A C B B A
辊缝横向刚度cc cc aa aa
辊形自保持力，cc，cc，bb，bb
滚动稳定性bb bb bb aa
轧辊消耗
实现自由滚动
结构和维护简单
避免过大的轴向力。
辊形和简单磨辊A C B A A C C A
比较结果进一步表明，各种型号的板带轧机各有优缺点，没有一种机型具有绝对优势。
尤其是所有模型都有明显的缺点:CVC辊型曲线容易被磨损破坏，辊间接触压力分布呈S形，使得支撑辊(和工作辊)磨损严重不均匀。HC (UC)轧机辊间接触压力分布呈三角形，导致辊端接触压力峰值较大，导致辊面剥落，增加辊耗和换辊次数。PC轧机机械结构复杂，工作辊轴向力大，难以与轧制宽度中心线重合交点。RS和CVC热轧机上下工作辊之间不相等的“磨损箱”必然导致工作辊错位后辊缝不对称，从而导致出现楔形和单边波浪，甚至跑偏。然而，PC轧机可以避免这些问题，因为轧辊不移动。采用常规平辊的K-WRS轧机对板形控制没有贡献，但如果采用具有特殊辊型曲线的工作辊，也能起到板形控制的作用。K-WRS轧机可以分散和平滑磨损，为自由规程热轧提供了条件，而CVC、HC(UC)和PC技术没有这种能力。
7结束语
对比研究进一步证明，目前所有的板形控制技术都同时具有优势和局限性，都还在发展中，不成熟。一方面给板带轧机的选型和板形控制技术的配置增加了难度，另一方面也给板形控制技术留下了很大的创新空间。因此，平坦度的研究一直是近年来的前沿和热点。形状技术正朝着系列化和集成化方向发展。系列化主要表现在开发连轧机各机架的板形控制技术，兼顾板形的轧制道次设定，以轧机为重点同步开发热轧层流冷却、热轧精轧、冷轧酸洗、冷轧平整和精轧的板形控制技术。集成主要表现在热轧机和冷轧机的集成板形控制技术，其中集成了机器配置、辊型设计、工艺系统和控制模型。
张(北京科技大学机械工程学院，北京100083)
黄伦伟(北京科技大学机械工程学院，北京100083)
周小敏(北京科技大学机械工程学院，北京100083)
参考
1，黄伦伟。DSR平面度技术研究:[学位论文]。北京:北京科技大学，1999.3
2、张。冷轧宽带钢的板形检测与自动控制。钢铁，1999 (10): 69