CN101817023B - 一种用于轧制楔形钢板的厚度控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于轧制楔形钢板的厚度控制方法，属轧钢技术领域，用于解决轧制楔形钢板问题。技术方案是：所述方法轧制过程为前若干道次按照常规矩形钢板轧制技术轧制，末道次由TDC控制器控制轧机液压缸油柱高度变化，连续改变辊缝距离，实现钢板纵向厚度的连续变化，其中输入到TDC控制器的油柱高度模型h_oil为时间t的函数，t单位：ms，油柱高度模型由油柱高度直线模型h_{oil_1}和油柱高度弹跳补偿δS_t两部分叠加而成即：h_oil＝h_{oil_1}+δS_t。本发明核心技术是设计输入到TDC控制器的油柱高度模型，所述油柱高度模型为显式公式，其推导理论正确，计算无需迭代，节省TDC控制器的运算时间，系统响应速度完全能满足楔形板轧制要求。

Description

一种用于轧制楔形钢板的厚度控制方法

技术领域

本发明涉及一种板材轧制方法，特别是用于轧制楔形钢板的厚度控制方法，属轧钢技术领域。

背景技术

随着液压伺服系统和自动控制水平的不断提高，楔形钢板轧制这种轧钢领域的新技术得以发展，特别是高精度液压缸控制系统的应用，可以实现轧制过程中的动态连续变辊缝。所述楔形钢板为纵向变截面钢板，是在轧制过程中通过连续改变辊缝来改变纵向厚度的钢板。由于楔形钢板可根据承受载荷的情况来改变其厚度，因而可优化桥梁、船体、建筑等结构断面的设计。楔形钢板是一种减量化、节约型钢板，得到国内外厂家和用户的青睐。楔形钢板在船只建造中可用于船舱横向隔板、上甲板和底板，采用此钢板后船只建造中焊缝长度可大大减少，同时也可减轻船体重量；在桥梁建设中，应用楔形钢板能合理地改变钢板厚度，可满足弯矩和重量的优化设计，从而减少了结构重量和焊接数量。在造船和桥梁建设中，与普通钢板相比，楔形钢板钢板的凸出优点是减少焊缝长度，结构设计合理，所以楔形钢板具有巨大的潜在的市场前景和经济效益。目前，楔形钢板轧制技术处于不断探索、发展、完善阶段，对于具备先进轧制设备的钢铁企业而言，充分利用设备资源，开发出具有高附加值的楔形钢板产品，无疑对于增加企业市场竞争力，提高企业经济效益是十分重要的。

发明内容

本发明用于提供一种参数入录简便、计算无需迭代、可实现楔形钢板轧制的厚度自动化控制的用于轧制楔形钢板的厚度控制方法。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

一种用于轧制楔形钢板的厚度控制方法，其特别之处是：所述方法轧制过程为前若干道次按照常规矩形钢板轧制技术轧制，末道次由TDC控制器控制轧机液压缸油柱高度变化，连续改变辊缝距离，实现钢板纵向厚度的连续变化，其中输入到TDC控制器的油柱高度模型h_oil为时间t的函数，t单位：ms，油柱高度模型由油柱高度直线模型h_{oil_1}和油柱高度弹跳补偿δS_t两部分叠加而成即：h_oil＝h_{oil_1}+δS_t。

上述用于轧制楔形钢板的厚度控制方法，所述油柱高度直线模型计算过程如下：

矩形钢板经过末道次楔形轧制后，楔形钢板长度为：

$l_1=\frac{{2h}_0}{h_{1h}+h_{1t}}*l_0---\left(1\right)$

上式中，l₁——轧后楔形钢板长度，mm；

h_1h——轧后楔形钢板头部厚度，mm；

h_1t——轧后楔形钢板尾部厚度，mm；

h₀——轧前钢坯厚度，mm；

l₀——轧前钢坯长度，mm；

根据要求的楔形钢板头尾厚度差，初始油柱高度设定值为：

Δh_total＝h_1t-h_1h     (2)

根据实际钢板轧制速度，油柱高度在TDC每个控制周期中的变化量为：

dh＝(h_1t-h_1h)/(l₁/v)  (3)

式(3)中，钢板实际出口线速度v需考虑前滑因素影响，前滑系数λ取经验值1.0～1.1，轧辊转速v₀由编码器检测，单位：转/分钟，工作辊直径为D，单位：mm；则钢板实际出口线速度v为：

v＝λ·v₀·π·D/60   (4)

式(4)中v的单位为：10^-3mm/ms，dh单位与之相同，则在t时刻，油柱高度直线模型为：

h_{oil_1}＝Δh_total-dh*t (5)

式(5)中，t为钢板咬入后的轧制时间，单位：ms；

所述油柱高度弹跳补偿计算过程如下：

钢板出口厚度随着轧制时间的进行厚度不断变化，在t时刻的轧件出口厚度为：

h＝h_1h+dh*t           (6)

则，在t时刻相关轧制参数计算如下：

压下量：Δh＝h₀-h；

变形率： $e_1=\frac{\mathrm{\Δh}}{h};$

变形区坯料平均厚度： $h_c=\frac{h_0+h}{2};$

变形区长度l_c计算公式为：

其中D为工作辊直径单位：mm，

变形速率： $e_2=\frac{e_1}{l_c}*v;$

应力状态影响函数Q_p按照经验公式计算，即：

$Q_p=0.8049+0.2488*\frac{l_c}{h_c}+0.0393*\frac{l_c}{h_c}*e_2-0.3393*e_2+0.0732*\frac{l_c}{h_c}*e_2*e_2$

根据以上轧制参数，总轧制力根据西姆斯公式计算，则t时刻轧制力预报值为：

$F_t=1.155*w*l_c*Q_p*e^{(k_1+\frac{k_2}{T})}*{e_1}^{0.13}*{e_2}^{0.21}---\left(7\right)$

式(7)中预报轧制力F_t的单位：kN，w为钢板宽度单位：mm，k₁和k₂为温度影响系数，T为轧制时钢板的绝对温度，

则，在t时刻的弹跳量由下式(8)计算：

$\mathrm{\δ}{S}_t=\frac{F_t-F_0}{k}---\left(8\right)$

式(8)中，轧机刚度k的单位：kN/mm，零点轧制力F₀为轧机辊缝零点标定时设定的压力单位：kN。

本发明方法轧制楔形钢板，前若干个道次按照常规矩形钢板轧制技术轧制，末道次通过TDC控制器控制轧机液压缸油柱高度，连续改变辊缝距离，实现钢板纵向厚度的连续变化，从而轧制出纵向厚度连续变化的楔形钢板。本发明核心技术是输入到TDC控制器的油柱高度模型，所述油柱高度模型为显式公式，其推导理论正确，计算无需迭代，节省TDC控制器的运算时间，系统响应速度完全能满足楔形板轧制要求。该方法适用范围宽泛，对轧机液压系统无特殊要求，在所有安装有液压缸、其行程大于15mm的四辊宽厚板轧机上，都可以采用该楔形钢板轧制的厚度控制方法，轧制出头尾厚差在10～20mm之间的楔形钢板。

附图说明

图1是本发明楔形钢板轧制示意图；

图2是楔形钢板轧制在t时刻变形区示意图；

图3是本发明实施例1楔形钢板轧出后纵向上厚度变化曲线图；

图4是本发明实施例2轧制出的楔形板出口厚度沿纵向上的变化趋势图；

图5是本发明实施例3轧制出的楔形板出口厚度沿纵向上的变化图。

图1中各部件标号如下：1.TDC控制器；2.位置信号采集单元；3.电液伺服阀；4.液压缸；5.位置传感器；6.活塞杆；7.上支承辊；8.上工作辊；9.编码器；10.钢板。

具体实施方式

本发明方法在安装有液压缸、其行程大于15mm的四辊宽厚板轧机上应用。所述方法轧制过程为：前面若干道次按照常规矩形钢板轧制技术轧制，轧制出满足要求的等厚钢板后，末道次进行楔形钢板轧制，末道次轧制是在轧制过程中通过辊缝变化实现的。本发明核心技术是为辊缝设定模型，其实质是通过控制液压缸油柱的高度变化来实现辊缝的变化，将油柱高度模型程序写入西门子TDC控制器的内存，通过TDC控制器控制液压缸油柱高度实现辊缝的变化，从而轧制出沿纵向厚度可变的楔形钢板。

参看图1，末道次楔形钢板轧制时，实际油柱高度通过液压缸4上安装的位置传感器5进行测量，电液伺服阀3动作由油柱高度的偏差控制，TDC控制器1实现辊缝的闭环调节和控制，即预先把油柱高度模型存入到西门子TDC控制器中，实际油柱高度通过液压缸4上安装的位置传感器5进行测量，通过位置信号采集单元2反馈到TDC控制器，TDC控制器计算油柱高度设定值与实际油柱高度的偏差，偏差值控制电液伺服阀3的动作。钢板10被咬入后，液压缸4的油柱高度按照设定模型进行改变，油柱高度变化推动活塞杆6移动，活塞杆依次作用于上支承辊7和上工作辊8，使辊缝的开口度随之改变，同时通过安装在工作辊辊端的编码器9测量工作辊转速v₀，钢板以速度v通过变化的辊缝，则可轧制出纵向厚度变化的楔形钢板。在上述控制过程中，下支承辊和下工作辊动是保持不动的，但轧件的变形是上下对称的，轧制出楔形钢板形状为头薄尾厚的等腰梯形。

由图1可见，楔形钢板轧制前，钢板为前面若干道次常规轧制的等厚度矩形坯，其几何尺寸为：h₀，l₀(h₀为钢坯厚度，l₀为钢坯长度)；楔形钢板目标尺寸为：h_1h，h_1t，l₁(h_1h为头部厚度，h_1t为尾部厚度，l₁为成品长度，h_1h＜h_1t)。楔形钢板轧制时，在TDC控制器的闭环控制下，油柱高度逐渐减小，辊缝逐渐变大，轧制出的楔形钢板由头至尾逐步变厚。

本发明所述油柱高度模型h_oil为时间t的函数，t单位：ms，它由两部分叠加而成：一是由楔形钢板头、尾厚度目标尺寸差得到的油柱高度直线模型h_{oil_1}；二是由不同时刻预测的轧制力计算出的油柱高度弹跳补偿δS_t。以下结合实施例对油柱高度模型进行详述：

1.油柱高度直线模型：

根据轧制前后钢板体积不变原理，忽略展宽，矩形钢板经过楔形轧制后，楔形钢板长度为：

$l_1=\frac{{2h}_0}{h_{1h}+h_{1t}}*l_0---\left(1\right)$

上式中，l₁——轧后楔形钢板长度，mm；

h_1h——轧后楔形钢板头部厚度，mm；

h_1t——轧后楔形钢板尾部厚度，mm；

h₀——轧前钢坯厚度，mm；

l₀——轧前钢坯长度，mm；

根据要求的楔形钢板头尾厚度差，初始油柱高度设定值为：

Δh_total＝h_1t-h_1h      (2)

根据实际钢板轧制速度，油柱高度在TDC每个控制周期(1ms)中的变化量为：

dh＝(h_1t-h_1h)/(l₁/v)   (3)

式(3)中，钢板实际出口线速度v要考虑前滑因素影响，前滑系数λ取经验值1.0～1.1，轧辊转速v₀由编码器检测，单位：转/分钟，工作辊直径为D，单位：mm；则钢板实际出口线速度v为：

v＝λ·v₀·π·D/60    (4)

式(4)中，v的单位为：10^-3mm/ms，dh单位与之相同。

则，在t时刻，油柱高度直线模型为：

h_{oil_1}＝Δh_total-dh*t  (5)

式(5)中，t为钢板咬入后的轧制时间，单位：ms。

2.楔形板轧制过程中考虑弹跳的油柱高度补偿量：

楔形钢板轧制过程中，出口厚度不断变化，其轧制力也在变化，不同时刻弹跳也在变化。所以要得到厚度等斜率变化的楔形钢板，必须考虑弹跳的影响，为得到显式模型，在计算弹跳时忽略各个参数的耦合影响，实践证明，这样处理其厚度控制精度可以满足工程需要。楔形钢板轧制在t时刻变形区如图2所示。

首先，钢板出口厚度随着轧制时间的进行厚度不断变化，则，在t时刻的轧件出口厚度为：

h＝h_1h+dh*t    (6)

则，在t时刻相关轧制参数计算如下：

压下量：Δh＝h₀-h；

变形率： $e_1=\frac{\mathrm{\Δh}}{h};$

变形区坯料平均厚度： $h_c=\frac{h_0+h}{2};$

变形区长度l_c计算公式为：其中D为工作辊直径(单位：mm)，式中D*Δh的值远大于Δh²，因此变形区长度公式可以简化为： $l_c=\sqrt{\frac{D*\mathrm{\Δh}}{2}};$

变形速率： $e_2=\frac{e_1}{l_c}*v;$

应力状态影响函数Q_p采用邯钢3500mm宽厚板轧机现场应用的经验公式计算，即：

$Q_p=0.8049+0.2488*\frac{l_c}{h_c}+0.0393*\frac{l_c}{h_c}*e_2-0.3393*e_2+0.0732*\frac{l_c}{h_c}*e_2*e_2$

根据以上轧制参数，总轧制力根据西姆斯公式计算，则t时刻轧制力预报值为：

$F_t=1.155*w*l_c*Q_p*e^{(k_1+\frac{k_2}{T})}*{e_1}^{0.13}*{e_2}^{0.21}---\left(7\right)$

式(7)中，预报轧制力F_t的单位：kN；w为钢板宽度(单位：mm)；k₁和k₂为温度影响系数，与轧制的钢种相关，对于工程材料用钢，其碳含量一般小于0.2％，k₁取值范围在-3～-6，k₂取值范围在2500～4500；T为轧制时钢板的绝对温度。

则，在t时刻的弹跳量由下式(8)计算：

${\mathrm{\δS}}_t=\frac{F_t-F_0}{k}---\left(8\right)$

式(8)中，轧机刚度k由压靠法测定(单位：kN/mm)，零点轧制力F₀为轧机辊缝零点标定时设定的压力(单位：kN)。

本楔形钢板轧制的油柱高度模型由以上两部分叠加，得油柱高度模型为：

h_oil＝h_{oil_1}+δS_t或h_oil＝Δh_total-dh*t+δS_t    (9)

油柱高度h_oil的控制算法在Siemens TDC控制器实现，CFC程序控制周期为1ms，利用时间周期计数器计算轧制时间，自动实现油柱高度设定值变化，辊缝也随之相应变化，即可轧制出要求的楔形钢板。

实施例1

原始坯料的尺寸220*1600*3140，钢种为：Q345B，经过前面9个道次的常规轧制，轧制出的钢坯尺寸为：h₀＝40mm，l₀＝10836mm(钢坯宽度为2550mm)；楔形钢板目标尺寸为：h_1h＝30mm，h_1t＝40mm，轧制时钢板绝对温度为1253K；Q345钢种的温度影响系数k₁和k₂取经验值-5.2和4100，工作辊直径为998mm，工作辊转速25转/分钟，本四辊轧机辊身长3500mm，支承辊直径2000mm，轧机刚度由传统压靠法测定，其值为8250kN/mm，零点轧制力F₀的作用是在辊缝零点标定时消除机械间隙，取值大小取决于轧机机械系统，本轧机的零点轧制力为20000kN。

第一步：油柱高度直线模型

由(1)式得，楔形钢板长度：

$l_1=\frac{{2h}_0}{h_{1h}+h_{1t}}*l_0=12384\mathrm{mm};$

由(2)式得，初始油柱高度设定值：

Δh_total＝h_1t-h_1h＝40-30＝10mm

轧制时，工作辊转速为25转/分钟，前滑系数λ取经验值1.03，则由(3)式和(4)式得，油柱高度在TDC每个控制周期(1ms)中的变化量为：

$\mathrm{dh}=(h_{1t}-h_{1h})/(l_1/v)=\frac{(h_{1t}-h_{1h})\·\mathrm{\λ}\·v_0\·\mathrm{\π}\·D}{l_1\·60}=1.086\×{10}^{-3}\mathrm{mm}/\mathrm{ms}.$

由(5)式得，油柱高度直线模型为：

h_{oil_1}＝Δh_total-dh*t＝10-1.086×10^-3·t

第二步：油柱高度弹跳补偿量

由(6)式得，出口厚度为：

h＝h_1h+dh*t＝30+1.086×10^-3·t

其它相关轧制参数：

压下量：Δh＝h₀-h＝10-1.086×10^-3·t

变形率： $e_1=\frac{\mathrm{\Δh}}{h}=\frac{10-1.086\×{10}^{-3}\·t}{30+1.086\×{10}^{-3}\·t}$

变形区坯料平均厚度： $h_c=\frac{h_0+h}{2}=\frac{70+1.086\×{10}^{-3}\·t}{2};$

变形区长度： $l_c=\sqrt{\frac{D*\mathrm{\Δh}}{2}}=\sqrt{\frac{998*(10-1.086\×{10}^{-3}\·t)}{2}}$

变形速率：

$e_2=\frac{e_1}{l_c}*v=\frac{10-1.086\×{10}^{-3}\·t}{30+1.086\×{10}^{-3}\·t}\·\sqrt{\frac{2}{998*(10-1.086\×{10}^{-3}\·t)}}\·\frac{1.03\×3.14\×998\×25}{60};$

应力状态影响函数：

$Q_p=0.8049+0.2488*\frac{l_c}{h_c}+0.0393*\frac{l_c}{h_c}*e_2-0.3393*e_2+0.0732*\frac{l_c}{h_c}*e_2*e_2$

把各个轧制参数代人到(7)中，得到t时刻轧制力预报值为：

$F_t=1.155*w*l_c*Q_p*e^{(k_1+\frac{k_2}{T})}*{e_1}^{0.13}*{e_2}^{0.21}=1.155*w*l_c*Q_p*{2.27}^{(-5.2+4100/1253)}*{e_1}^{0.13}*{e_2}^{0.21}$

单位：kN

则，在t时刻的弹跳量由(8)计算：

${\mathrm{\δS}}_t=\frac{F_t-F_0}{k}=\frac{F_t-20000}{8250}$ 单位：mm

油柱高度总模型为：h_oil＝h_{oil_1}+δS_t，其为时间t的函数，t单位：ms，TDC控制器的控制周期为1ms，轧制时间通过程序计数器累加，油柱高度由TDC程序闭环控制实现。

本实施例楔形钢板轧出后纵向每间隔100mm卡量钢板厚度，纵向上厚度变化曲线如图3所示。

实施例2

原始坯料的尺寸220*1800*3000，钢种为：Q235B，经过前面8个道次的常规轧制，轧制出的钢坯尺寸为：h₀＝35mm，l₀＝14143mm(钢坯宽度为2400mm)；楔形钢板目标尺寸为：h_1h＝25mm，h_1t＝35mm，轧制时钢板绝对温度为1258K；Q235钢种的温度影响系数k₁和k₂取经验值-4.3和3000，工作辊直径为1020mm，工作辊转速25转/分钟，轧机刚度为8250kN/mm，零点轧制力F₀为20000kN。

计算过程与实施例1相同，轧制出的楔形钢板长度16500mm，本实施例轧制出的楔形板出口厚度沿纵向上变化趋势如图4所示。

实施例3

原始坯料的尺寸220*1800*3200，钢种为：Q345B，经过前面7个道次的常规轧制，轧制出的钢坯尺寸为：h₀＝50mm，l₀＝10137mm(钢坯宽度为2500mm)；楔形钢板目标尺寸为：h_1h＝40mm，h_1t＝50mm，轧制时钢板绝对温度为1233K；Q345钢种的温度影响系数k₁和k₂取经验值-5.2和4100，工作辊直径为1012mm，工作辊转速25转/分钟，轧机刚度为8250kN/mm，零点轧制力F₀为20000kN。

计算过程同例1，楔形钢板长度11263mm，本实施例轧制出的楔形板出口厚度沿纵向上变化如图5所示。

Claims (1)

1.一种用于轧制楔形钢板的厚度控制方法，其特征在于：所述方法轧制过程为前若干道次按照常规矩形钢板轧制技术轧制，末道次由TDC控制器控制轧机液压缸油柱高度变化，连续改变辊缝距离，实现钢板纵向厚度的连续变化，其中输入到TDC控制器的油柱高度模型h_oil为时间t的函数，t单位：ms，油柱高度模型由油柱高度直线模型h_{oil_1}和油柱高度弹跳补偿δS_t两部分叠加而成即：h_oil＝h_{oil_1}+δS_t；

所述油柱高度直线模型计算过程如下：

矩形钢板经过末道次楔形轧制后，楔形钢板长度为：

$l_1=\frac{{2h}_0}{h_{1h}+h_{1t}}*l_0$ (1)

上式中，l₁——轧后楔形钢板长度，mm；

        h_1h——轧后楔形钢板头部厚度，mm；

        h_1t——轧后楔形钢板尾部厚度，mm；

        h₀——轧前钢坯厚度，mm；

        l₀——轧前钢坯长度，mm；

根据要求的楔形钢板头尾厚度差，初始油柱高度设定值为：

Δh_total＝h_1t-h_1h                                            (2)

根据实际钢板轧制速度，油柱高度在TDC每个控制周期中的变化量为：

dh＝(h_1t-h_1h)/(l₁/v)                                         (3)

式(3)中，钢板实际出口线速度v需考虑前滑因素影响，前滑系数λ取经验值1.0～1.1，轧辊转速v₀由编码器检测，单位：转/分钟，工作辊直径为D，单位：mm；则钢板实际出口线速度v为：

v＝λ·v₀·π·D/60                                          (4)

式(4)中v的单位为：10^-3mm/ms，dh单位与之相同，则在t时刻，油柱高度直线模型为：

h_{oil_1}＝Δh_total-dh*t                                        (5)

式(5)中，t为钢板咬入后的轧制时间，单位：ms；

所述油柱高度弹跳补偿计算过程如下：

钢板出口厚度随着轧制时间的进行厚度不断变化，在t时刻的轧件出口厚度为：

h＝h_1h+dh*t                                                    (6)

则，在t时刻相关轧制参数计算如下：

压下量：Δh＝h₀-h；

变形率： $e_1=\frac{\mathrm{\Δh}}{h};$

变形区坯料平均厚度： $h_c=\frac{h_0+h}{2};$

变形区长度l_c计算公式为：其中D为工作辊直径单位：mm，

变形速率： $e_2=\frac{e_1}{l_c}*v;$

应力状态影响函数Q_p按照经验公式计算，即：

$Q_p=0.8049+0.2488*\frac{l_c}{h_c}+0.0393*\frac{l_c}{h_c}*e_2-0.3393*e_2+0.0372*\frac{l_c}{h_c}*e_2*e_2$

根据以上轧制参数，总轧制力根据西姆斯公式计算，则t时刻轧制力预报值为：

$F_t=1.155*w*l_c*Q_p*e^{(k_1+\frac{k_2}{T})}*{e_1}^{0.13}*{e_2}^{0.21}$ (7)

式(7)中预报轧制力F_t的单位：kN，w为钢板宽度单位：mm，k₁和k₂为温度影响系数，T为轧制时钢板的绝对温度，

则，在t时刻的弹跳量由下式(8)计算：

${\mathrm{\δS}}_t=\frac{F_t-F_0}{k}$ (8)

式(8)中，轧机刚度k的单位：kN/mm，零点轧制力F₀为轧机辊缝零点标定时设定的压力单位：kN。

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