CN104942014B - 中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法，涉及金属压力加工技术领域，它包括以下步骤：根据板材的道次轧制参数，计算板材轧制过程中的前滑系数，道次轧制参数从轧机二级工艺模型设定系统获取；由轧机轧辊转速及所得的前滑系数，计算得出本道次轧制的板材在轧机入口处和出口处的速度；根据板材的入口速度、出口速度、板材的宽度、锥形辊道的几何形状参数分别对轧机入口和出口锥形辊道的转速进行计算，并将计算得出的转速值发送至辊道电机传动系统执行，以对轧机前后的锥形辊道分别进行速度设定。本发明解决了板材与锥形辊道接触部分存在线速度差，严重影响板材表面质量和辊道使用寿命的问题。

Description

中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法

技术领域

本发明涉及金属压力加工技术领域，尤其是一种中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法。

背景技术

金属中厚板材通常是在中厚板轧机经过多道次可逆往复轧制生产出来的。由于某些金属板的表面质量有较高的要求，因此中厚板轧机的前后辊道布置有如图1所示的锥形辊道，目的是为了使板材的两边部接触辊道，其他部分悬空以避免与辊道接触，从而避免板材下表面接触辊道形成擦划伤缺陷。但在实际轧制过程中，由于板材与辊道接触面积较小(仅两边部接触)，当板材与辊道的接触部分存在线速度差时，辊道极易磨损并粘上轧件金属的碎屑及粉末，大大降低了辊道的使用寿命，而且金属碎屑和粉末极难清理干净，易沾染板面，对板材的表面质量构成严重影响，清理辊道的工作也带来了大量人力物力的浪费。目前还没有技术方案能够较好的解决这一难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法，这种方法可以解决板材与锥形辊道接触部分存在线速度差，严重影响板材表面质量和辊道使用寿命的问题。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：这种中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法包括以下步骤：根据板材的道次轧制参数，计算板材轧制过程中的前滑系数，道次轧制参数从轧机二级工艺模型设定系统获取；由轧机轧辊转速及所得的前滑系数，计算得出本道次轧制的板材在轧机入口处和出口处的速度；根据板材的入口速度、出口速度、板材的宽度、锥形辊道的几何形状参数分别对轧机入口和出口锥形辊道的转速进行计算，并将计算得出的转速值发送至辊道电机传动系统执行，以对轧机前后的锥形辊道分别进行速度设定。

上述中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法的技术方案中，更具体的技术方案还可以是：道次轧制时前滑系数的计算式为：

$S_{\mathrm{hn}}={\left\{\tan \right[\frac{\mathrm{\π}}{8}\sqrt{\frac{H_n}{R}}\·\ln \left(\frac{H_n}{H_{n-1}}\right)+\frac{1}{2}\arctan \sqrt{\frac{H_{n-1}}{H_n}-1}\left]\right\}}^2$

其中，S_hn为轧制第n道次的前滑系数；H_n-1为轧制第n道次的入口厚度，单位为毫米；H_n为轧制第n道次的出口厚度，单位为毫米。

进一步的，板材在轧机出口处的速度计算式为：

v_cn＝V_n·(1+S_hn)

其中，v_cn为轧制第n道次的轧机出口板材速度，单位为毫米/秒；V_n为轧制第n道次的轧机工作辊线速度，单位为毫米/秒；

按照秒流量相等的条件，板材在轧机入口处的速度计算式为：

$v_{\mathrm{rn}}=\frac{V_n}{{\mathrm{\μ}}_n}\·(1+S_{\mathrm{hn}})$

其中，v_rn为轧制第n道次的轧机入口板材速度，单位为毫米/秒；μ_n为轧制第n道次前后的轧件延伸系数，μ_n的计算式为：

${\mathrm{\μ}}_n=\frac{L_n}{L_{n-1}}$

式中，L_n-1为轧制第n道次的入口长度，单位为毫米；L_n为轧制第n道次的出口长度，单位为毫米。

进一步的，轧机入口锥形辊道的转速计算式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rn}}=\frac{{60v}_{\mathrm{rn}}}{2\mathrm{\π}\·r_{r2}}=\frac{{60v}_{\mathrm{rn}}}{2\mathrm{\π}\·[r_1+(W_{n-1}-a)\·\tan \mathrm{\β}]}$

其中，ω_rn为轧制第n道次的轧机入口处锥形辊道转速，单位为转/分；假设点A为锥形辊道的锥形部分与板材边部接触的一侧位置，则v_rn为轧机入口锥形辊道上点A处的线速度，单位为毫米/秒；r_r2为轧机入口锥形辊道的锥形部分与轧件边部接触位置处辊道截面圆的直径，单位为毫米；r₁为轧机出口和入口锥形辊道的中间圆柱形部分的直径，单位为毫米；W_n-1为轧制第n道次的入口宽度，单位为毫米；a为锥形辊道中间圆柱形部分的长度，单位为毫米；β为锥形辊道的斜度，单位为度；

轧机出口锥形辊道的转速计算式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cn}}=\frac{{60v}_{\mathrm{cn}}}{2\mathrm{\π}\·r_{c2}}=\frac{{60v}_{\mathrm{cn}}}{2\mathrm{\π}\·[r_1+(W_n-a)\·\tan \mathrm{\β}]}$

其中，ω_cn为轧制第n道次的轧机出口处锥形辊道转速，单位为转/分；r_c2为轧机出口锥形辊道的锥形部分与轧件边部接触位置处辊道截面圆的直径，单位为毫米；W_n为轧制第n道次的出口宽度，单位为毫米。

本发明的工作原理是：根据轧机的速度、板材道次轧制时的轧制方向的前滑系数、锥形辊道的设备参数等因素，计算出能够很好地匹配轧机速度的锥形辊道线速度设定值，对轧机前后的锥形辊道分别进行速度设定，使板材与辊道接触位置的速度差无限接近于零，以达到对轧机速度和锥形辊道速度协同控制的目的。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：能够使轧件与锥形辊道的接触部分的相对速度差接近于零，既提高了辊道的使用寿命，又能使其不易沾上金属碎屑和粉末，以此来改善产品表面质量，减少人工清理辊道的工作量。

附图说明

图1是轧件与锥形辊道的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详述：

本中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法包括根据板材的道次轧制参数，计算板材轧制过程中的前滑系数，道次轧制参数从轧机二级工艺模型设定系统获取；由轧机轧辊转速及所得的前滑系数，计算得出本道次轧制的板材在轧机入口处和出口处的实际速度；根据板材的入口速度、出口速度、板材的宽度、锥形辊道的几何形状参数分别对轧机入口和出口锥形辊道的转速进行计算，并将计算得出的转速值发送至辊道电机传动系统执行，以对轧机前后的锥形辊道分别进行速度设定。该方法具体分为以下三个步骤：

步骤一：道次轧制时前滑系数的计算

以轧制过程中的第n道次为例进行计算，首先计算该道次的前滑系数，以备后续PLC控制系统计算轧机入口板材和出口板材的速度时使用。

假设轧制第n道次的入口厚度为H_n-1，单位为毫米；轧制第n道次的出口厚度为H_n，单位为毫米；轧制第n道次的入口长度为L_n-1，单位为毫米；轧制第n道次的出口长度为L_n，单位为毫米；轧制第n道次的入口宽度为W_n-1，单位为毫米；轧制第n道次的出口宽度为W_n，单位为毫米；轧制第n道次的轧机工作辊线速度为V_n，单位为毫米/秒，该值在一个道次内为变化的值，在二级模型系统中可设定为一条速度曲线，PLC控制系统在根据轧辊速度曲线控制轧辊速度时，实时根据V_n计算出锥形辊道的速度，因此当V_n变化时，则锥形辊道的速度也随之变化。以上各值是轧机二级模型系统根据轧制工艺进行设定的，为已知值。轧制第n道次前后的轧件延伸系数为μ_n；轧制第n道次的咬入角为α_n，单位为度；轧制第n道次的前滑系数为S_hn；工作辊半径为R，单位为毫米。轧机的出口和入口是相对于轧制方向而言的。第n道次前滑值的计算式为：

$S_{\mathrm{hn}}={\left\{\tan \right[\frac{\mathrm{\π}}{8}\sqrt{\frac{H_n}{R}}\·\ln \left(\frac{H_n}{H_{n-1}}\right)+\frac{1}{2}\arctan \sqrt{\frac{H_{n-1}}{H_n}-1}\left]\right\}}^2$

步骤二：轧机入口板材及出口板材的速度计算

轧制第n道次的轧机入口板材速度为v_rn，单位为毫米/秒，轧机出口板材速度为v_cn，单位为毫米/秒。

由步骤一得出第n道次的前滑值后，结合轧辊速度可知轧机出口板材速度v_cn为：

v_cn＝V_n·(1+S_hn)

按照秒流量相等的条件，轧机入口板材速度v_rn的计算式为：

$V_{\mathrm{rn}}=\frac{V_n}{{\mathrm{\μ}}_n}\·(1+S_{\mathrm{hn}})$

其中，延伸系数μ_n的计算式为：

${\mathrm{\μ}}_n=\frac{L_n}{L_{n-1}}$

步骤三：轧机与前后锥形辊道的速度协同控制方法

由于本方案的目的即是保证板材与锥形辊道接触位置的相对速度差为零，因此在步骤二得出了轧机入口和出口板材的速度后，PLC系统根据板材的速度、板材的宽度和锥形辊道的几何形状参数分别对轧机入口和出口锥形辊道的转速进行计算并将转速值发送至辊道电机传动系统执行。

如图1所示，在轧制过程中，板材2的两侧边与锥形辊道1的锥形部分接触，图中的点A为锥形辊道的锥形部分与板材边部接触的一侧位置，基于对称性的考虑，另一侧不单独进行说明；a为锥形辊道中间圆柱形部分的长度，单位为毫米；b_r为入口辊道上点A至圆柱形部分的长度沿锥形辊道轴向的投影长度，单位为毫米；b_c为出口辊道上点A至圆柱形部分的长度沿锥形辊道轴向的投影长度，单位为毫米。假设轧机出口和入口锥形辊道的中间圆柱形部分的直径为r₁，单位为毫米；锥形辊道的斜度为β，单位为度；轧机入口锥形辊道的锥形部分与轧件边部接触位置处辊道截面圆的直径为r_r2，单位为毫米；轧机出口锥形辊道的锥形部分与轧件边部接触位置处辊道截面圆的直径为r_c2，单位为毫米。则点A至圆柱形部分的长度沿锥形辊道轴向的投影长度b_r或b_c为轧件宽度减掉中间圆柱形部分长度a的一半。根据几何推导，轧制第n道次时，轧机入口处锥形辊道的锥形部分与轧件边部接触位置处辊道截面圆的直径为r_r2的计算式为：

r_r2＝r₁+2b_r·tanβ＝r₁+(W_n-1-a)·tanβ

轧制第n道次时，轧机出口处锥形辊道的r_c2为：

r_c2＝r₁+2b_c·tanβ＝r₁+(W_n-a)·tanβ

假设轧制第n道次的轧机入口辊道转速为ω_rn，单位为转/分；轧机出口辊道转速为ω_cn，单位为转/分；为保证轧制时轧机前后的轧件与辊道接触位置的速度差均无限接近于零，即保证轧机入口锥形辊道上点A处的线速度为v_rn，轧机出口锥形辊道上相应点处的线速度为v_cn。则轧制第n道次时，轧机的入口锥形辊道的转速ω_rn的计算式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rn}}=\frac{{60v}_{\mathrm{rn}}}{2\mathrm{\π}\·r_{r2}}=\frac{{60v}_{\mathrm{rn}}}{2\mathrm{\π}\·[r_1+(W_{n-1}-a)\·\tan \mathrm{\β}]}$

轧制第n道次时，轧机的出口锥形辊道的转速ω_cn的计算式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cn}}=\frac{{60v}_{\mathrm{cn}}}{2\mathrm{\π}\·r_{c2}}=\frac{{60v}_{\mathrm{cn}}}{2\mathrm{\π}\·[r_1+(W_n-a)\·\tan \mathrm{\β}]}$

则当轧制第n道次，轧机入口处锥形辊道转速为ω_rn，轧机出口处锥形辊道转速为ω_cn时，轧件与锥形辊道的接触部分的相对速度差接近于零。由于轧辊速度V_n在一个道次内为变化的值，因此基于V_n计算得出的ω_cn和ω_rn也为变化的值。此时，辊道不易磨损和粘上轧件金属的碎屑及粉末，也大大减少了金属碎屑和粉末沾染板材下表面的几率。

实施例1

根据轧机二级模型系统所设定的轧制规程表，可知轧制某轧件第10道次时的各项参数如下：

轧制第10道次的入口厚度为H₉＝193.4毫米；轧制第10道次的出口厚度为H₁₀＝161.6毫米；轧制第10道次的入口长度为L₉＝10900毫米；轧制第10道次的出口长度为L₁₀＝13000毫米；轧制第10道次的入口宽度为W₉＝1715毫米；轧制第10道次的出口宽度为W₁₀＝1727毫米；轧制第10道次的轧机工作辊线速度为V₁₀＝2000毫米/秒，该值在一个道次内为变化的值，PLC控制系统实时根据V₁₀计算出锥形辊道的速度，当V₁₀变化时，则锥形辊道的速度也随之变化。此处为便于计算，设为定值。

假设轧制第10道次前后的轧件延伸系数为μ₁₀；轧制第10道次的咬入角为α₁₀，单位为度；轧制第10道次的前滑系数为S_h10；工作辊半径为R＝500毫米。轧机的出口和入口是相对于轧制方向而言的。

第10道次前滑值为：

$S_{\mathrm{hn}}={\left\{\tan \right[\frac{3.14}{8}\sqrt{\frac{161.6}{500}}\·\ln \left(\frac{161.6}{193.4}\right)+\frac{1}{2}\arctan \sqrt{\frac{193.4}{161.6}-1}\left]\right\}}^2=0.045$

假设轧制第10道次的轧机入口板材速度为v_r10，单位为毫米/秒，轧机出口板材速度为v_c10，单位为毫米/秒。轧机出口板材速度v_c10为：

v_c10＝2000·(1+0.045)＝2090毫米/秒

延伸系数μ₁₀为：

${\mathrm{\μ}}_{10}=\frac{L_{10}}{L_9}=\frac{13000}{10900}=1.193$

则轧机入口板材速度v_r10为：

$v_{r10}=\frac{2000}{1.193}\·(1+0.045)=1751.886$ 毫米/秒

设置a＝200毫米，r₁＝300毫米，β＝3度；根据几何推导，轧制第10道次时，轧机入口处锥形辊道的锥形部分与轧件边部接触位置处辊道截面圆的直径为r_r2为：

r_r2＝300+(1715-200)·tan3＝379.400毫米

轧制第n道次时，轧机出口处锥形辊道的r_c2为：

r_c2＝300+(1727-200)·tan3＝380.027毫米

假设轧制第10道次的轧机入口辊道转速为ω_r10，单位为转/分；轧机出口辊道转速为ω_c10，单位为转/分；为保证轧制时轧机前后的轧件与辊道接触位置的速度差均无限接近于零，即保证轧机入口锥形辊道上点A处的线速度为v_r10，轧机出口锥形辊道上相应点处的线速度为v_c10。则轧制第10道次时，轧机的入口锥形辊道的转速ω_r10为：

${\mathrm{\ω}}_{r10}=\frac{60\×1751.886}{2\×3.14\×379.4}=44.116$ 转/分

轧制第10道次时，轧机的出口锥形辊道的转速ω_cn为：

${\mathrm{\ω}}_{c10}=\frac{60\×2090}{2\×3.14\×380.027}=52.544$ 转/分

则当轧制第10道次，轧机入口处锥形辊道转速为44.116转/分，轧机出口处锥形辊道转速为52.544转/分时，轧件与锥形辊道的接触部分的相对速度差接近于零。此时，辊道不易磨损和粘上轧件金属的碎屑及粉末，也大大减少了金属碎屑和粉末沾染板材下表面的几率。

Claims (4)

1.一种中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法，其特征在于包括以下步骤：根据板材的道次轧制参数，计算板材轧制过程中的前滑系数，道次轧制参数从轧机二级工艺模型设定系统获取；由轧机轧辊转速及所得的前滑系数，计算得出本道次轧制的板材在轧机入口处和出口处的速度；根据板材的入口速度、出口速度、板材的宽度、锥形辊道的几何形状参数分别对轧机入口和出口锥形辊道的转速进行计算，并将计算得出的转速值发送至辊道电机传动系统执行，以对轧机前后的锥形辊道分别进行速度设定。

2.根据权利要求1所述的中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法，其特征在于：道次轧制时前滑系数的计算式为：

$S_{hn}={\{tan\[\frac{\mathrm{\π}}{8}\sqrt{\frac{H_n}{R}}\·ln\left(\frac{H_n}{H_{n-1}}\right)+\frac{1}{2}arctan\sqrt{\frac{H_{n-1}}{H_n}-1}\]\}}^2$

其中，S_hn为轧制第n道次的前滑系数；H_n-1为轧制第n道次的入口厚度，单位为毫米；H_n为轧制第n道次的出口厚度，单位为毫米；R为工作辊半径，单位为毫米。

3.根据权利要求2所述的中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法，其特征在于：板材在轧机出口处的速度计算式为：

v_cn＝V_n·(1+S_hn)

其中，v_cn为轧制第n道次的轧机出口板材速度，单位为毫米/秒；V_n为轧制第n道次的轧机工作辊线速度，单位为毫米/秒；

按照秒流量相等的条件，板材在轧机入口处的速度计算式为：

$v_{rn}=\frac{V_n}{{\mathrm{\μ}}_n}\·(1+S_{hn})$

其中，v_rn为轧制第n道次的轧机入口板材速度，单位为毫米/秒；μ_n为轧制第n道次前后的轧件延伸系数，μ_n的计算式为：

${\mathrm{\μ}}_n=\frac{L_n}{L_{n-1}}$

式中，L_n-1为轧制第n道次的入口长度，单位为毫米；L_n为轧制第n道次的出口长度，单位为毫米。

4.根据权利要求3所述的中厚板轧机与锥形辊道的速度协同控制方法，其特征在于：轧机入口锥形辊道的转速计算式为：

${\mathrm{\ω}}_{rn}=\frac{60v_{rn}}{2\mathrm{\π}\·r_{r2}}=\frac{60v_{rn}}{2\mathrm{\π}\·\[r_1+(W_{n-1}-a)\·tan\mathrm{\β}\]}$

其中，ω_rn为轧制第n道次的轧机入口处锥形辊道转速，单位为转/分；假设点A为锥形辊道的锥形部分与板材边部接触的一侧位置，则v_rn为轧机入口锥形辊道上点A处的线速度，单位为毫米/秒；r_r2为轧机入口锥形辊道的锥形部分与轧件边部接触位置处辊道截面圆的直径，单位为毫米；r₁为轧机出口和入口锥形辊道的中间圆柱形部分的直径，单位为毫米；W_n-1为轧制第n道次的入口宽度，单位为毫米；a为锥形辊道中间圆柱形部分的长度，单位为毫米；β为锥形辊道的斜度，单位为度；

轧机出口锥形辊道的转速计算式为：

${\mathrm{\ω}}_{cn}=\frac{60v_{cn}}{2\mathrm{\π}\·r_{c2}}=\frac{60v_{cn}}{2\mathrm{\π}\·\[r_1+(W_n-a)\·tan\mathrm{\β}\]}$

其中，ω_cn为轧制第n道次的轧机出口处锥形辊道转速，单位为转/分；r_c2为轧机出口锥形辊道的锥形部分与轧件边部接触位置处辊道截面圆的直径，单位为毫米；W_n为轧制第n道次的出口宽度，单位为毫米。