1、材料成形过程自动化,东北大学 材料与冶金学院,第四章 厚度自动控制,厚度是轧制成品基本的和重要的技术指标。 随着钢板用户连续化自动化作业水平的快速发展，和不断追求节能降耗控制成本提高企业竞争力的需要， 厚度指标越来越受到重视。 厚度自动控制 （Automatic Gauge Congtrol，简称AGC),厚度控制的重要性,第四章 厚度自动控制,厚度自动控制系统的基本组成：厚度、辊缝、速度等检测环节、传动和压下执行机构、调节控制系统、控制模型、轧机及其辅助设备等。 轧制理论、自动控制理论、计算机技术、液压技术、传感检测技术、轧机设计制造技术等相关学科理论和技术的发展，有利地推动了厚度自动控制理
2、论和技术的发展及厚度控制精度的提高。,厚度控制技术的发展,第四章 厚度自动控制,具有里程碑意义的关键技术有： 厚度计模型的提出、液压压下系统的应用、计算机控制、厚度、压力、线速度等重要传感器的研制成功、现代控制理论和智能控制理论的应用等。 液压压下系统和计算机控制技术成为厚度自动控制历史上最重要的具有划时代意义的技术。,厚度控制技术的发展,第四章 厚度自动控制,中厚钢板生产的发展历史至今大约有200年。18世纪初西欧在二辊周期式薄板轧机上生产小块中板。1926年美国建成世界上第一台热轧宽带钢轧机；1928在美国威尔顿钢铁厂最早投产了五机架带钢冷连轧机组。,轧机发展,第四章 厚度自动控制,早在3
3、0年代就对冷轧机的带钢厚度自动控制进行了研究； 1953年 R.B.西姆斯（R.B.Sims）发明的方法，利用轧机弹性变形、轧制力以及压下螺丝位置计算出所轧带材的厚度值； 1955年冷轧机上开始使用AGC； 1958年在热连轧机上开始使用AGC； 1967年以前采用的是模拟式AGC； 1969年在BSC Dalzell厂液压AGC被投入商业应用； 1976年在日本扇岛板材轧机上首次成功应用绝对值AGC。,AGC技术应用时间表,第四章 厚度自动控制,厚度精度的提高,第四章 厚度自动控制,1959年美国在某4机架带钢冷连轧机上，首先采用计算机控制。 1960年美国麦克劳思（Mclouth Stee
4、l）钢铁公司在1525mm热轧宽带轧机上用计算机设定并控制了精轧机组的辊缝和速度，获得成功。 1964年、1966年英国和日本也分别采用了计算机控制。 70年代开始用计算机全面控制冷热轧机。现在，计算机控制已成为轧制生产中必不可少的手段。,计算机技术的应用,第四章 厚度自动控制,无AGC阶段，轧机固有机械刚度自然削弱厚度影响； 电动AGC阶段，响应频率低，消除厚度偏差能力有限； 液压AGC，模拟系统，存在漂移和偏差； 液压AGC，数字系统，动静态精度均较好。计算机和自动控制理论的发展，得以对各种厚度偏差影响综合治理，协调作战，解耦控制。传动系统、检测仪表性能更佳;轧机设备，包括滚珠轴承取代油膜
5、轴承等。目前的目标是追求非稳态厚度控制精度的提高。包括增减速、动态变规格和头尾厚度控制精度和超差长度。,AGC 技术的应用评述,第四章 厚度自动控制,4.1轧机弹跳方程和金属压力方程 4.2厚度波动的原因分析 4.3 厚度控制系统的分类和控制原理 4.4热轧厚度控制系统 4.5冷轧厚度控制系统,4.1轧机弹跳方程和金属压力方程,4.1.1 轧机弹跳方程 4.1.2 金属压力方程 4.1.3 弹塑性曲线,4.1.1 轧机弹跳方程,轧机弹跳方程是进行轧机空载初始辊缝设定和厚度自动控制的根本依据，其精度对于轧制成品的同板差和异板差都有决定性的影响。,轧机弹跳方程的重要性,4.1.1 轧机弹跳方程,1
6、、轧件厚度比空载辊缝大； 2、轧制过程中轧制力变化引起厚度波动； 在轧制过程中，轧辊对轧件施加的轧制力使轧件发生塑性变形，使轧件从入口厚度H压薄到出口厚度h ；与此同时，轧件也给轧辊以大小相等、方向相反的反作用力，这个反作用力经由轧辊、轴承传到压下螺丝、液压缸和牌坊上，受力部件均会发生一定的弹性变形，这些部件弹性变形的累计结果都反映在轧辊的辊缝上，使轧制前的轧机空载辊缝由S增大为轧制时的有载辊缝h。轧机的这种在轧制力作用下辊缝增大的现象，称为轧机弹跳（也称辊跳）。,轧机弹跳的概念,4.1.1 轧机弹跳方程,如果忽略轧件离开轧辊后微小的弹性恢复，轧件出口厚度就等于轧机有载辊缝。轧机有载辊缝，在空
7、载辊缝的基础上，随着轧制力的增大而增大。有载辊缝、空载辊缝和轧制力三者之间的关系可以表示为h-S=f(P) （4-1） 式中 h有载辊缝（等于轧件出口厚度），mm；S空载辊缝，mm；P轧制力，kN；（h-S）轧机弹性变形量，mm；f（）轧机弹性变形量对轧制力的函数关系；,轧机弹跳方程,4.1.1 轧机弹跳方程,轧机弹跳曲线,4.1.1 轧机弹跳方程,轧机弹跳曲线,在小轧制力阶段之所以存在非线性关系，是因为当轧制力较小时，轧机各零件以及轴承之间的间隙和不平整是逐步消除的，同时，零件之间还存在着接触变形，此时各零件尚未开始弹性变形。这一非线性段并不是稳定的，每次换辊后都会有变化，特别是轧制力接近于
8、零时的变形（实际上是零件间的间隙变化）是很难准确测定的。所以在实践中，轧辊的实际零位很难确定。,4.1.1 轧机弹跳方程,轧机刚度,对于式（4-1），在某点的微小区间内，取其增量形式为h=S+P/Km （4-2）且 Km=P/h|S=0 （4-3）式中 Km轧机弹性变形曲线上某点切线的斜率，称为轧机刚度（Mill Structural Stiffness），或轧机模数（Mill Modulus），它表征使轧机产生单位弹跳量所需的轧制力。式(4-1)和式（4-2）分别称为轧机弹跳方程及其增量形式。,4.1.1 轧机弹跳方程,轧机弹跳曲线,轧机弹跳方程反映了三个基本变量轧机空载辊缝、有载辊缝和轧制
9、力之间的数量关系； 与之相对应，在Ph二维坐标系上，轧机弹性曲线实际上是一族曲线。 其横坐标对应于有载辊缝值，其纵坐标对应于轧制力值。每一条轧机弹性曲线都与某一确定的轧机空载辊缝相对应。 轧机弹性曲线以横轴的一点（对应轧机空载辊缝）为起点，向上向右伸展，表示随着轧制力的增加，有载辊缝以空载辊缝为基础不断增大。,4.1.1 轧机弹跳方程,轧机弹跳曲线,Ph坐标系上任意一条确定的轧机弹性曲线，其对应的实验模型是，保持空载辊缝不变，即轧机的压下螺丝和液压缸均保持初始位置不变，在两个工作辊中间放置一个压力发生源（比如负载缸），不断改变作用于两工作辊间的压力，同时记录对应的有载辊缝值。,4.1.2 金属
10、压力方程,金属压力方程,金属塑性变形是在一定的轧制力P作用下发生的。而轧制力P与轧制条件和受力状态等多种因素有关。,4.1.2 金属压力方程,金属压力方程,轧制力P是 轧件宽度B、轧前入口厚度H、轧后出口厚度h、摩擦系数、轧辊半径R、轧制温度T、前张力th、后张力tH以及变形抗力k等变量的函数； P=f(B、H、h、R、T、th、tH、k) （4-4） 此式称为金属的压力方程,4.1.2 金属压力方程,轧件塑性曲线,在特定条件下将轧后出口厚度h以外的变量B、H、R、T、th、tH、k均视为常数时，轧制力P和轧后出口厚度h的关系简化为： P=f（h） （4-5） 将此关系绘制于Ph坐标系上，得到
11、轧件塑性曲线。,4.1.2 金属压力方程,轧件塑性刚度,对于式（4-5），在某点的微小区间内，取其增量形式为h=-P/M （4-6）,且 M=-P/h|（B=H=R=T=th=tH=k =0）（4-7）,式中 M轧件塑性曲线上某点切线的斜率，称为轧件塑性刚度，它表征使轧件产生单位压下量所需的轧制力。,4.1.2 金属压力方程,轧件塑性曲线,在Ph坐标系中，轧件塑性曲线起始于轧前入口厚度。从此点开始，轧件塑性曲线向上向左伸展，表示随着轧制力逐渐增大，出口厚度相应地逐渐减小，压下量逐渐增大。,4.1.2 金属压力方程,轧件塑性曲线,轧件塑性曲线与横坐标轴的交点，对应于轧件轧前入口厚度H，当轧前入口
12、厚度H变化时，相应于轧件塑性曲线平移到一个新的位置，而影响轧制力的其它因素发生变化时，包括轧件宽度B、摩擦系数、轧辊半径R、轧制温度t、前张力Th、后张力TH以及变形抗力S等，对应于轧件塑性曲线的切线斜率发生了变化。摩擦系数越大、轧制温度t越低、前张力Th或后张力TH越小、变形抗力S越大，对应的轧件塑性曲线的切线斜率就越大，使轧件产生单位压下量所需的轧制力就越大。,4.1.3 弹塑性曲线,弹塑性曲线,板带轧制过程既是轧件发生塑性变形的过程，又是轧机发生弹性变形的过程，二者同时发生。 一方面，由于轧制力引起的轧机弹跳，使轧机从其空载辊缝S弹性变形为有载辊缝（等于轧出的轧件厚度）h，轧机的弹跳量等
13、于（h- S）。 另一方面，轧件在轧制力作用下，从其入口厚度H塑性变形到出口厚度h，产生了（H-h）的压下量。 将轧机弹性曲线和轧件塑性曲线绘制于同一Ph坐标系上，就构成了弹塑性曲线，简称Ph图。,4.1.3 弹塑性曲线,弹塑性曲线,轧机弹性曲线和轧件塑性曲线的交点，对应于轧件轧制时的状态：轧制力和轧件出口厚度。 轧机和轧件在此点达到平衡，二者拥有共同的轧制力和共同的有载辊缝（轧出厚度）； 此轧制力使轧机从空载辊缝经过弹性变形至此有载辊缝； 同样地，此轧制力使轧件从轧前入口厚度经过塑性变形至此出口厚度（出口厚度等于有载辊缝）,4.2 厚度波动的原因分析,在Ph图上，轧机弹性曲线和轧件塑性曲线的
14、交点，唯一地确定了轧制状态：轧制力和轧件出口厚度。 任何影响轧机弹性曲线和轧件塑性曲线的因素，都将影响两曲线交点的位置，从而影响轧件出口厚度。,4.2 厚度波动的原因分析,简单地说，影响轧件出口厚度波动的因素包括： 影响轧机实际空载辊缝和轧机刚度的因素； 影响轧件入口厚度和轧件塑性刚度的因素。,4.2 厚度波动的原因分析,4.2.1 影响空载辊缝的因素 4.2.2 影响轧机刚度的因素 4.2.3 影响轧件入口厚度的因素 4.2.4 影响轧件塑性刚度的因素,4.2.1 影响空载辊缝的因素,1 压下螺丝和液压缸的位置 2 轧辊偏心和轧辊椭圆度 3 轧辊热膨胀和磨损 4 轴承油膜厚度 5 辊面润滑剂油膜厚度 6 轧机振动,4.2.2 影响轧机刚度的因素,1 轧件宽度 2 轧制力,4.2.3 影响轧件入口厚度的因素,1轧件轧前入口厚度,4.2.4 影响轧件塑性刚度的因素,1轧制温度 2前张力和后张力 3摩擦系数 4轧制速度 5影响变形抗力的其它因素，如组织的变化,
