CN105483343B - 用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于中厚板轧制生产线的钢板从预矫直机到辊压式直接淬火装置的速度控制方法，所述生产线包括：预矫直机，辊压式直接淬火装置，二者距离为3～8米，所述方法能够使在预矫直机出口矫直辊与辊压式直接淬火装置的入口的第一组约束辊之间的钢板处于拉应力状态，为预矫直机的矫直速度与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度联合协调的自动化速度控制。预矫直机的矫直速度V_p与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度V_d之间存在速度差△V，保证钢板处于拉应力状态。本发明增加用于计算在联合使用时的预矫直机速度图参数的速度偏差控制模块，并改进原有各单元速度控制模块的新的速度控制方案。

Description

用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法

技术领域：

本发明涉及冶金中厚板轧制生产线的自动控制领域，特别是，本发明涉及一种中厚板轧制生产线的预矫直机及直接淬火装置的钢板输送速度的控制方法，尤其涉及按照预矫直机、辊压式直接淬火装置接近式紧凑布置的中厚板轧制生产线上的钢板从预矫直机到辊压式直接淬火装置的联合协调的速度自动控制方法。

背景技术：

目前有些现代化的中厚板轧制生产线为了改善进入控制冷却装置的钢板板形，保证冷却后钢板的温度和性能的均匀性，在控制冷却装置的入口侧，按接近式紧凑布置预矫直机。

如1976年建成的日本JFE水岛厚板厂(更详细描述，请见《中国中厚板轧制技术与装备》，1.2.3节主生产线布置对平面布置的影响，和1.9.2.2节预矫直，王国栋主编，冶金工业出版社，2009)。其中厚板轧制生产线的预矫直机绝大多数采用多辊矫直机，如5辊、7辊、9辊等矫直模式。预矫直机与控制冷却装置之间的距离约3～8米。

控制冷却通常包括在线加速冷却(accelerated controlled cooling，缩写ACC)和直接淬火冷却(direct quenching，缩写DQ)两种冷却工艺(更详细描述，请见《中国中厚板轧制技术与装备》，1.8.1节控制冷却)。实现直接淬火工艺的装置类型有多种(见《轧后直接淬火技术在高强度中厚板生产中的应用》，沈继刚、李宏图，宽厚板，2010年10月，第16卷第5期，和《钢板的直接淬火回火法》，小松原望、渡边征一，邹有武译，国外金属热处理，1985年06期)。作为本发明的控制对象之一，所涉及的直接淬火装置为辊压式直接淬火装置(在文献《轧后直接淬火技术在高强度中厚板生产中的应用》中被称为约束型高强度冷却装置)。其主要特点为：沿产线长度方向，高压冷却水喷嘴或冷却水狭缝的集管与输送辊及上部约束辊间隔布置，如图1所示。

约束辊可以让钢板在冷却过程中保持张紧状态，不易发生变形(设备设计的更详细方案描述，请见1979年新日铁的US4132393、1969年Drover公司的US3423254)，这是一种较传统的直接淬火设备设计方案，目前为德国西马克等主流冶金设备供应商所采用。

现有的现代化生产线通常由计算机控制系统实现生产的自动控制，又根据产线上的设备布置划分为若干个控制单元，主要控制单元包括：加热炉、轧机控制单元、控制冷却装置控制单元，辅助的控制单元包括：预矫直机控制单元、热矫直机控制单元、若干个辊道控制单元等等。主要控制单元包括两级控制系统，其中一级为基础自动化系统，二级为过程控制系统。基础自动化级主要完成设备的顺序控制、位置控制、速度控制等相关参数的实时控制。过程控制级主要执行数学模型控制功能，进行过程模型的复杂计算，完成过程参数的设定任务，过程参数中包括了钢板运行的速度图(即，时间与速度关系的曲线)。(更详细可见《中国中厚板轧制技术与装备》，第13章计算机控制系统)。与预矫直机、控制冷却装置的速度控制相关的控制单元如图2。

控制冷却装置可以由辊压式直接淬火装置和加速冷却装置两部分组成。辊压式直接淬火装置的过程参数除了常规的冷却水流量、钢板速度图等参数外，还包括各组上部约束辊约束力。

图2中，M_p是预矫直机矫直辊传动电机组，M_d是辊压式直接淬火装置的输送辊传动电机组，C1_p是预矫直机的一级控制系统，C1_d是辊压式直接淬火装置的一级控制系统，C2_p是预矫直机的二级控制系统，C2_d是辊压式直接淬火装置的二级控制系统。其中预矫直机的传动电机组M_p接收两路输入信号，分别对应不同的钢板生产过程，这两个过程是单独预矫直过程、启动直接淬火后的联合预矫直过程。

通常钢板以V_p的恒定速度进入预矫直机，开始预矫直过程，并保持V_p的速度。预矫直的用途是改善进入控制冷却装置的钢板板形，保证冷却后钢板的温度和性能的均匀性，执行单道次矫直。矫直的工艺参数包括，各矫直辊的压下量、矫直速度等，包括矫直速度V_p在内的矫直工艺参数由预矫直机的二级控制系统C2_p的矫直模型计算得到，并发送给C1_p，钢板在预矫直机单独运行，此时钢板头部尚未到达直接淬火装置，此过程称为单独预矫直过程。(与后述的辊压式直接淬火装置与预矫直机联合工作时，以直接淬火装置为主、预矫直机为从进行速度控制的模式对照，此模式被称为启动直接淬火后的联合预矫直过程)，钢板在运行中保持恒速，即预矫直单独运行时的钢板运行的速度是恒速的，速度为V_p，C1_p负责把运行图转换为转换成预矫直机的各矫直辊传动电机组M_p和钢板移动所覆盖的各辊道组传动电机的实时电机转速控制指令。此时，预矫直机电机M_p的两路输入信号中的实线表示实际起作用的输入信号，虚线表示当时未起作用的输入信号，如图3。

当钢板头部经过辊道上被称为交接点的位置之后(见图3，交接点位置通常位于辊压式直接淬火装置前的一组或两组辊道组的前面，具体为一组还是二组辊道，在生产线自动化系统设计时已确定)，钢板开始调整速度到Vdst，以Vdst的速度进入辊压式直接淬火装置。在此之前直接淬火装置已开始喷水，上下部各组高压冷却水嘴或冷却水狭缝的水流量、各组上部约束辊约束力等控制参数，由辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2_d中的冷却数学模型预先计算得到，开始冷却时的辊压式直接淬火装置及钢板覆盖下的各辊道组的运动速度图(即，时间与速度关系的曲线)也是由冷却数学模型预先计算给出。

在开始冷却前，这些参数由辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2_d发送给辊压式直接淬火装置的一级控制系统C1_d。在钢板开始冷却后，辊压式直接淬火装置的控制系统C1_d负责把钢板运行速度图转换成直接淬火装置的传动电机M_d和钢板移动所覆盖的各辊道组传动电机以及预矫直机的各矫直辊传动电机组M_p的实时电机转速控制指令，并且根据安装在辊压式直接淬火装置后面的测温仪表的测量温度，实时调整M_d、M_p，进行反馈控制。辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2_d中冷却数学模型预先计算的速度图较复杂，由于本发明技术方案中主要关心辊压式直接淬火装置速度图中的速度与预矫直机速度的实时速差，可简略示意如图4(详细请见《中国中厚板轧制技术与装备》，第10.5节控冷数学模型)。

图4中，当钢板的头部经过辊道上的交接点后，为A1时刻，触发预矫直机传动电机输入信号的切换，开始进入预矫直机和辊压式直接淬火装置联合运行的模式，执行的运行速度图为辊压式直接淬火装置的二级控制系统的冷却数学模型计算的运行图，钢板覆盖的各辊道组和预矫直机的钢板运行速度由Vp调速到Vdst。

A2时刻钢板进入辊压式直接淬火装置开始冷却，此时的速度为Vdst，即开始冷却时的钢板速度，钢板平稳运行一段时间后，在A3时刻开始缓慢加速运行，直到A4时刻钢板离开控制冷却装置，完成控制冷却过程。

在A5时刻运行到热矫直机前的辊道上停止运动，准备开始热矫直道次。上述的参数Vdst、A2、A3、A4、A5等都由辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2d中的冷却数学模型计算得到。此时，预矫直机、辊压式直接淬火装置的速度控制相关的控制单元的输入信号如下图5，图中预矫直机电机M_p的两路输入信号中的实线表示实际起作用的输入信号，虚线表示当时未起作用的输入信号。对预矫直机而言，上述的辊压式直接淬火装置与预矫直机联合工作时，以直接淬火装置为主、预矫直机为从进行速度控制的模式，此矫直过程被称为启动直接淬火后的联合预矫直过程。

有下面检索过的与预矫直机速度控制相关的技术方案，但其存在与本发明技术方案的不同：

(1)基于拉矫原理的矫直工艺与设备：

例如，采用张力矫直的技术，涉及目前中厚板轧制生产线常见的多辊模式的预矫直机的张力矫直技术方案，主要采用板带拉弯矫直，采用专门的拉矫机完成钢板矫直。比如US5161400，拉矫机和多辊模式的预矫直机的设备与本发明差异极大。

又，公开号CN 101234403(《金属板带张力辊式矫直机》)，通过各矫直辊组间的速度控制改进，在消除打滑现象的同时，提高了矫直板带的质量。考虑到由于预矫直机的各矫直辊组间的张力，会增加靠近矫直机出口侧的矫直辊组的矫直力矩，而是矫直力矩的增加受到矫直辊传动轴、接头等机械部件和传动电机设计能力的限制，这些限制使得该方法给出的钢板附加张力是有限的，矫直后钢板板形仍有进一步提高的必要性。

又，公开号CN 102886394(《宽厚金属板材矫直机张力矫直方法及装置》)和公开号CN 102649131(《辊式矫直机以及金属板的矫正方法》)，都是通过在现有的多辊模式矫直机的前后设置不同型式的入口张力辊、出口张力辊装置，提供钢板在矫直过程中的附加的张力，达到张力矫直的目的。这种方案应用于紧凑型布置的预矫直机的缺点在于：

增加添置提供附加张力的新装置的设备投资；

对于已投入使用的中厚板轧制生产线，预矫直机与控制冷却装置间的距离短，通常3～8米左右，空间有限，安装新的出口张力辊装置不具有可行性，而安装预矫直的入口的张力辊装置，则将缩短精轧机与预矫直机间的距离。这也就意味着可生产的钢板的最大长度将相应减少，由于带来了可生产产品规格的缩减，安装预矫直机入口的张力辊装置的必要性，需要权衡。

本发明技术方案利用辊压式直接淬火装置入口的第一组上部约束辊和输送辊的组合作为夹送张紧装置，通过速度控制系统的改进，形成预矫直机出口钢板的截面张力，既节省了设备投资，也不占用额外的产线位置空间。

(2)预矫直机和控制冷却装置联合使用：

公开号CN 102284522(《一种带预矫直的在线加速冷却方法》)和US 4826138的技术方案类似，都是提出预矫直机与在线加速冷却装置采用连续紧凑布置形式，实现预矫直与加速冷却同步。一方面，预矫直机与在线加速冷却装置采用连续紧凑布置形式，并不是新的技术方案，比如1976年建成的日本JFE水岛厚板厂就采用这种布置(更详细描述，请见《中国中厚板轧制技术与装备》，1.2.3.5节日本JFE水岛厚板厂，王国栋主编，冶金工业出版社，2009)，另一方面，该技术方案强调预矫直与加速冷却的速度同步，而本发明技术方案的关键点在于矫直与加速冷却的速度的小的不同步，造成钢板在矫直机出口的附加张力，提高矫直效果。

还有一类预矫直机和控制冷却装置的联合使用是基于新设计的装置的。比如公开号CN 101792847(《一种钢板轧制后直接热处理工艺技术》)是基于新设计的带矫直辊钢板电磁感应加热装置。公开号CN 102527780(《钢坯淬火矫直一体机》)新设计了专用的钢坯淬火矫直一体机。公开号CN 101993995(《超高强度带钢水淬冷却方法及装置》)是基于新设计的带水淬冷却槽和拉矫机的新装置。这些技术方案设计了新的装置，与本方案的出发点，利用现代化中厚板轧制生产线现有的常规预矫直、辊压式直接淬火装置等装备是不同的，不必过多比较。

(3)提高预矫直机的矫直板形方法：

除了上述已经提到的基于拉矫原理的装置改进的专利技术以外，提高常规的多辊式预矫直机的矫直板形方法，主要是更准确给出的矫直机本身的矫直工艺参数的方法，矫直工艺参数包括各矫直辊的压下量、矫直压力、辊缝、倾斜量、矫直速度图等。比如，公开号CN 102500658(《一种实现特厚板板形控制的热矫直方法》)和公开号CN101716618(《一种热矫直机穿带矫直钢板的方法》)、西马克公司的CN 101068631(《金属带材的矫直方法和矫直机》)，都是针对所生产钢种规格特性，给出了矫直机单体的合理的矫直压下、辊缝、速度图等矫直工艺参数，不涉及本发明关心的预矫直机和辊压式直接淬火装置的联合速度控制。

(4)预矫直机速度控制：预矫直机速度控制相关专利文献，除了上述的辊系间的速度差形成辊间张力以外，通过速度图的调整控制，主要实现的目的是避免矫直机电机过载，保护传动设备。比如，宝钢的公开号CN 102896184(《一种热矫直机反道次矫直时的降负荷控制方法》)是控制钢板头部翘起对矫直机出口辊道的冲击负荷。攀钢的公开号CN102172680(《微张力等扭矩金属材料矫直方法》)是通过调整各矫直辊的线速度，避免矫直辊的扭矩突变，延长了矫直设备的寿命。不涉及本发明关心的预矫直机和辊压式直接淬火装置的联合速度控制。

另外公开号CN 102974623(《一种实现中厚板板形控制的预矫直方法》)的专利申请，其技术方案实质是预矫直机二级控制系统的软件应用功能设计，不包含直接的有价值的板形控制技术方案，无需与之比较。

综上所述，现有中厚板轧制生产线的预矫直机通常采用多辊矫直机，多辊矫直机的矫直辊组数、矫直辊辊径、矫直辊辊距、矫直电机功率等基本设计参数决定了矫直钢板的范围。如果生产中对超出设计范围的钢板进行矫直，仅通过调整常规的矫直工艺参数，难于得到良好的矫直效果。另一方面，预矫直机通常仅能进行单道次的矫直，如果轧制工序后的钢板板形过于不良，即使经过了预矫直机的单道次矫直，由于单道次的矫直能力是有限的，预矫直后钢板的平直情况有所改善，但仍不良。所以对于安装了预矫直机的中厚板轧制生产线，为了拓展预矫直机矫直钢板的范围和进一步降低轧制后板形不良，仍需要研究更好地改善钢板冷却开始前的板形的技术方案。

对于配置预矫直机的中厚板轧制生产线，仍然有必要进一步研究改善板形的技术方案，拓展预矫直机的可生产钢种、规格、温度范围，提高进入控制冷却装置的钢板平直程度。钢板从开始预矫直、到开始直接淬火、直到预矫直结束的生产过程的钢板速度控制方案有待改进，矫直后钢板板形、矫直效果仍有待进一步提高。

发明内容：

为克服所述问题，本发明的目的在于：

提供一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，所述方法为涉及按照预矫直机、辊压式直接淬火装置接近式紧凑布置的中厚板轧制生产线上的钢板从预矫直机到辊压式直接淬火装置的联合协调的速度自动控制方法。所述中厚板轧制生产线具体流程为：针对按照预矫直机、辊压式直接淬火装置接近式紧凑布置的中厚板轧制生产线，从开始钢板预矫直，然后开始钢板直接淬火，到钢板结束预矫直的这段生产流程。本发明技术方案的目的是进一步改善进入控制冷却装置的钢板板形，提高钢板的平直程度。

本发明技术方案的创新点在于：

涉及这段生产流程的预矫直与直接淬火相互协调的钢板速度控制方案，在冷却装置前增设预矫直机的目的是为了改善钢板开始冷却前的板形情况。通过预矫直工序矫正的钢板板形，主要指钢板的是由于轧制引起的钢板变形，包括边浪、中间浪等不同类型的平直度缺陷(更详细描述，请见《中国中厚板轧制技术与装备》，1.9.1节钢板变形的类型)。然而即使安装了预矫直机，并不意味着钢板冷却开始前的板形必然是良好的，这有两方面的原因，一是预矫直机与冷却装置间的距离短，通常小于钢板长度，预矫直机通常仅能进行单道次的矫直，而单道次的矫直效果是有限的，如果上游轧制工序完成后的钢板板形过于不良，即使经过了预矫直机的单道次矫直，钢板的平直情况仍欠佳；二是，预矫直是根据设计时给定的产品钢种、规格、温度范围，进行矫直辊组数、矫直辊辊径、矫直传动电机等的设计选型，当预矫直机投入运行，如果生产超出设计范围的钢种、尺寸规格、温度范围的钢板，仅通过调整常规的矫直工艺参数，很难得到满意的矫直效果。在实际生产中，甚至会发生钢板虽然经过预矫直，但仍旧板形不良，进入控制冷却装置后，钢板头部翘起撞损设备，导致生产停顿的生产事故。

本发明基于张力矫直原理，通过控制钢板在预矫直机和辊压式直接淬火装置的速度差，使得在预矫直机出口矫直辊与辊压式直接淬火装置的入口的第一组约束辊之间的钢板处于拉应力状态，增加附加的矫直机出口的张力，形成张力矫直方式，拓展预矫直机的矫直范围。

即，本发明基于张力矫直原理，为实现附加的预矫直机出口的张力，新增用于协调预矫直机和辊压式直接淬火装置速度控制的速差控制模块的速度控制方案，扩大钢板矫直过程的弯曲变形塑性区高度，进一步降低轧制后钢板板形不良情况，从而提高矫直效果。

本发明的技术方案如下：

一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，所述方法用于中厚板轧制生产线的钢板从预矫直机到辊压式直接淬火装置的速度联合控制，所述中厚板轧制生产线顺序包括：预矫直机，辊压式直接淬火装置，预矫直机与辊压式直接淬火装置的距离为3～8米，所述速度控制方法能够使在预矫直机出口矫直辊与辊压式直接淬火装置的入口的第一组约束辊之间的钢板处于拉应力状态，其特征在于：

预矫直机的矫直速度V_p与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度V_d之间存在速度差△V，

该速度差△V可保证钢板在预矫直机出口矫直辊与辊压式直接淬火装置的入口的第一组约束辊之间处于拉应力状态，

所述预矫直机的矫直速度V_p与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度V_d之间存在的速度差△V的计算方法为：

在公式(1)中，

P是辊压式直接淬火装置入口的第一个上部约束辊的约束力，单位：N；

u是上部约束辊与钢板间的摩擦系数；

V_d是辊压式直接淬火装置的钢板运行速度，单位：m/s；

B是钢板的宽度，单位：m；

h是钢板的厚度，单位：m；

E是钢板在当时温度下的弹性模量，范围：100×10⁹～250×10⁹Pa；

z是辊压式直接淬火装置的上部约束辊的个数；

k_a是优化调整参数，范围：800～1500；

并按公式(2)计算、输出新的预矫直机的矫直速度Vp，

V_p＝V_d-ΔV 公式(2)

公式(2)中，

V_p是预矫直机的矫直速度，单位：m/s；

ΔV是根据公式(1)计算的预矫直机的矫直速度与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度的速度差，单位：m/s。

根据本发明所述的一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，其特征在于，

在公式(1)中，

P的范围：0.5×10⁶～8×10⁶N；

u的范围：0.2～0.4；

V_d的范围：0.3～3m/s；

B的范围：1.2～6m；

h的范围：0.005～0.12m；

z的范围：2～12。

根据本发明所述的一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，其特征在于，

公式(2)中，

V_d的范围：0.3～3m/s；

V_p的范围：0.25～3m/s；

ΔV的范围：0.05～0.5m/s。

根据本发明所述的一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，其特征在于，

所述预矫直机的矫直速度与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度之间的速度差△V的实现，使用一个用于计算所需速差并输出新的矫直速度的速差控制模块Cdf，上述速差控制模块Cdf根据辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2d，提供：

上部约束辊的约束力P，

钢板的宽度B，

钢板的厚度h，及

辊压式直接淬火装置的一级控制系统C1d实时输出的、钢板在辊压式直接淬火装置运行速度Vd，

根据公式(1)实时计算预矫直机的矫直速度与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度的速度差△V，并按公式(2)计算、输出新的预矫直机的矫直速度Vp。

V_p＝V_d-ΔV 公式(2)

公式(2)中，

V_d是辊压式直接淬火装置的钢板运行速度，(单位：m/s，范围：0.3～3m/s)；

V_p是预矫直机的矫直速度，(单位：m/s，范围：0.25～3m/s)；

ΔV是根据公式(1)计算的预矫直机的矫直速度与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度的速度差，(单位：m/s，范围：0.05～0.5m/s)。

根据本发明所述的一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，其特征在于，

速差控制模块Cdf在控制系统中，安装在原先辊压式直接淬火装置的一级控制系统C1d到预矫直机电机Mp的输入信号的通路上，并且接受来自辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2d的上部约束辊的约束力P、钢板的宽度B、厚度h等信息进行计算，并将计算结果，即新的预矫直机的矫直速度Vp实时传输给预矫直机电机Mp(如图6所示)。

下面进一步简要说明辊压式直接淬火装置和预矫直机的速度差产生的钢板附加张力的大致大小，以及附加张力对钢板矫直过程塑性变形的影响程度，从而更好地说明本方法进一步改善的预矫直钢板平直的程度。

对于速度差引起的钢板内部张力的大小，可以通过常规的用于分析金属受力和变形规律的有限元方法，进行数值模拟计算(具体方法可参考《冷矫直机矫直工艺参数数值模拟与试验》(重庆大学学报，2010年3月，第33卷第3期)等文献)。也可以用下述简单公式进行估算。在假设钢板在预矫直机和辊压式直接淬火装置中未发生打滑的前提下，

公式(3)中，

P是辊压式直接淬火装置入口的第一个上部约束辊的约束力，(单位：N，范围：0.5×10⁶～8×10⁶N)；

u是上部约束辊与钢板间的摩擦系数，(范围：0.2～0.4)；

kz是入口的第一个上部约束辊约束力占辊压式直接淬火装置给予钢板的总的约束力的比例，(范围：0～0.5)，由于辊压式直接淬火装置的上部约束辊有z个，所占比例近似估计为1/z；

z是辊压式直接淬火装置的上部约束辊的个数(范围：2～12)；

B是钢板的宽度(单位：m，范围：1.2～6m)；

h是钢板的厚度(单位：m，范围：0.005～0.12m)；

T是由于速度差产生的附加张力(单位：N，范围：0～13×10⁹N)；

σ_m是由于速度差产生的附加单位张力(单位：Pa，范围：0～80×10⁶Pa)；

关于公式(3)的说明，由于常规的中厚板多辊式矫直机根本不包括张力矫直技术，所以常规文献中(比如《矫直原理与矫直机械》第2版，3.2节平行辊矫直机的参数计算，崔甫，冶金工业出版社，2007年。在这本专著中，多辊式矫直机被称为平行辊矫直机)的关于多辊式矫直机矫直工艺参数的解析计算中，没有相关根据速度差估算附加张力的内容。笔者根据热轧卷取机的卷取能力参数解析相关文献(胡循铎等，《厚带钢卷取温度下限的计算及应用》，钢铁，1999.6,32-34页、李林，《热轧高强度厚板带钢的卷取分析及改进》，2005中国钢铁年会论文集，147-149页)中的约束力受力分析及公式推导，自行推导出了公式(3)。这是由于钢板在辊压式直接淬火装置和在热轧卷取机中的受力情况近似，辊压式直接淬火装置的约束辊与热轧卷取机助卷辊的施力方式一致，从受力分析的角度，辊压式直接淬火装置可以简化成有z个助卷辊的卷筒半径无限大的热轧卷取机，从而得到了公式(3)。

按照通常钢板的尺寸进行计算，可以得到附加的单位张力通常在50MPa左右，附加张力对矫直效果影响的分析，可参考公开号CN 102886394(《宽厚金属板材矫直机张力矫直方法及装置》，宝山钢铁股份公司，王英杰、王英睿)。以下对矫直效果的计算与分析采用CN102886394中描述的方法。

公式(4)中，ε是钢板延伸量，h是钢板厚度，ρ是钢板弯曲的曲率半径，σ_m是附加单位张力，σ_s是钢板屈服强度，E是钢板的弹性模量，he是无附加张力影响的钢板弯曲变形时弹性变形区高度，he'是有附加张力影响的钢板弯曲变形时弹性变形区高度，hs是无附加张力影响的钢板弯曲变形时塑性变形区高度，hs'是有附加张力影响的钢板弯曲变形时塑性变形区高度，d是在附加张力影响下的板材中性点下移量，ψ是无附加张力影响的钢板塑性变形率，ψ'是有附加张力影响的钢板塑性变形率。

公式(4)的更具体解释请见文献原文。其中的有附加张力影响的钢板弯曲变形时弹性变形区高度的计算公式原文有误，原公式计算结果为取负数的平方根，根据原文献的图5结合推导过程得到。

对于典型的中厚板预矫直钢板，设板材延伸量ε＝0.05％，当时温度下的弹性模量150GPa，钢板厚度20mm，钢板宽度3m，当时温度下的屈服强度200MPa，附加单位张力50MPa，可以根据公式(4)计算得到：

ψ＝89.3％

ψ'＝93.3％

可见，在典型规格条件下，增加附加张力后，钢板在矫直过程中的塑性变形率增加了4％。

本发明技术方案基于张力矫直原理，通过控制钢板在预矫直机和辊压式直接淬火装置的速度差，使得在预矫直机出口矫直辊与辊压式直接淬火装置的入口的第一组约束辊之间的钢板处于拉应力状态，增加附加的矫直机出口的张力，形成张力矫直方式，扩大钢板矫直过程的弯曲变形塑性区高度，从而提高了矫直效果。

从中厚板生产实践效果看，采用本发明以后，由于钢板进入辊压式直接淬火装置前的板形情况进一步改善，钢板头部撞击辊压式直接淬火装置入口第一个约束辊的发生频率减小明显，在一个生产周期内，直接淬火装置入口上部约束辊的停机修磨次数可减少50％以上,相应总的生产线停机时间也可减少了100分钟左右，既提高了生产效率，又延长了上部约束辊的更换周期，从而，产生可观的经济效益。

附图说明：

图1预矫直机和辊压式直接淬火装置布置的示意图。

图2预矫直机、辊压式直接淬火装置的速度控制单元示意图。

图3单独预矫直过程的速度控制单元图。

图4直接淬火钢板运行的速度图。

图5启动直接淬火后的联合预矫直过程的速度控制单元图。

图6增加速差控制模块后的启动直接淬火后的联合预矫直过程的速度控制单元图。

图7速差控制模块Cdf的输入输出参数图。

图中，M_p是预矫直机矫直辊传动电机组，M_d是辊压式直接淬火装置的输送辊传动电机组，C1_p是预矫直机的一级控制系统，C1_d是辊压式直接淬火装置的一级控制系统，C2_p是预矫直机的二级控制系统，C2_d是辊压式直接淬火装置的二级控制系统。V_p矫直速度，M_d直接淬火装置的传动电机，M_p钢板移动所覆盖的各辊道组传动电机以及预矫直机的各矫直辊传动电机组，A1钢板的头部经过辊道上的交接点后的时刻，A2钢板进入辊压式直接淬火装置开始冷却的时刻，此时的速度为Vdst，即开始冷却时的钢板速度，A3钢板平稳运行一段时间后时刻，在A3时刻开始缓慢加速运行，A4钢板离开控制冷却装置，完成控制冷却过程的时刻，A5运行到热矫直机前的辊道上停止运动，准备开始热矫直道次的时刻。

具体实施方式

实施例1：

设中厚板轧制生产线按照预矫直机、辊压式直接淬火装置接近式紧凑布置的中厚板轧制生产线。定义辊压式直接淬火装置接近式紧凑布置前一组辊道的位置为切换点，辊压式直接淬火装置的上部约束辊有z＝5组。

新增加了速差控制模块Cdf，安装在原先辊压式直接淬火装置的一级控制系统C1d到预矫直机电机Mp的输入信号的通路上，并且接受来自辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2d的上部约束辊的约束力P、钢板的宽度B、厚度h等信息。

在C2d按照原有的流程完成冷却模型的设定计算后，发送上部约束辊的约束力P、钢板的宽度B、厚度h等信息给Cdf。比如，上部约束辊的约束力P＝700000N、钢板的宽度B＝3m、厚度h＝0.02m。

当钢板头部经过交接点后，按照原有的流程，C1d到预矫直机电机Mp的输入信号通路被激活，起实际控制作用，预矫直机进入联合矫直过程，进行以直接淬火装置为主、预矫直机为从进行速度控制。此时安装在C1d到Mp的输入信号通路上的Cdf，接收到来自C1d的实时的速度输出值Vd，实时计算出新的预矫直机矫直速度值Vp，并把Vp传递给预矫直机电机Mp，进行实时的矫直速度控制。假设在某个时刻C1d的实时的速度输出值Vd＝1.5m/s，则Vp的计算如下：

其中，摩擦系数u＝0.3，上部约束辊组数z＝5，优化调整系数ka＝800，钢板弹性模量E＝150GPa，

计算得到ΔV＝0.14m/s,在此时刻传递给预矫直机电机Mp的实时速度Vp＝Vd-ΔV＝1.36m/s。

实施例2、3

设中厚板轧制生产线按照预矫直机、辊压式直接淬火装置接近式紧凑布置的中厚板轧制生产线。

新增加了速差控制模块Cdf，安装在原先辊压式直接淬火装置的一级控制系统C1d到预矫直机电机Mp的输入信号的通路上，并且接受来自辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2d的信息，如图6所示。

当钢板头部经过交接点后，按照原有的流程，C1d到预矫直机电机Mp的输入信号通路被激活，起实际控制作用，预矫直机进入联合矫直过程，进行以直接淬火装置为主、预矫直机为从进行速度控制。此时安装在C1d到Mp的输入信号通路上的Cdf，接收到来自C1d的实时的速度输出值Vd，实时计算出新的预矫直机矫直速度值Vp，并把Vp传递给预矫直机电机Mp，进行实时的矫直速度控制。

实施例2、3的新增速差模块Cdf的对应各输入信息、参数及模块输出结果见下表

本发明技术方案基于张力矫直原理，通过控制钢板在预矫直机和辊压式直接淬火装置的速度差，使得在预矫直机出口矫直辊与辊压式直接淬火装置的入口的第一组约束辊之间的钢板处于拉应力状态，增加附加的矫直机出口的张力，形成张力矫直方式，扩大钢板矫直过程的弯曲变形塑性区高度，从而提高了矫直效果。

另一方面，从中厚板生产实践效果看，采用本发明以后，由于钢板进入辊压式直接淬火装置前的板形情况进一步改善，钢板头部撞击辊压式直接淬火装置入口第一个约束辊的发生频率减小明显，在一个生产周期内，直接淬火装置入口上部约束辊的停机修磨次数可减少50％以上,相应总的生产线停机时间也可减少了100分钟左右，既提高了生产效率，又延长了上部约束辊的更换周期，从产生可观的经济效益。本发明使用方便，设备投资极少，在具有自动化控制的按照预矫直机、辊压式直接淬火装置接近式紧凑布置的中厚板轧机生产线上，本技术完全能够推广使用，具有广阔的技术推广前景。

Claims (5)

1.一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，所述方法用于中厚板轧制生产线的钢板从预矫直机到辊压式直接淬火装置的速度联合控制，所述中厚板轧制生产线顺序包括：预矫直机，辊压式直接淬火装置，预矫直机与辊压式直接淬火装置的距离为3～8米，其特征在于：

预矫直机的矫直速度V_p与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度V_d之间存在速度差△V，

该速度差△V可保证钢板在预矫直机出口矫直辊与辊压式直接淬火装置的入口的第一组约束辊之间处于拉应力状态，

所述预矫直机的矫直速度V_p与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度V_d之间存在的速度差△V的计算方法为：

在公式(1)中，

P是辊压式直接淬火装置入口的第一个上部约束辊的约束力，单位：N；

u是上部约束辊与钢板间的摩擦系数；

V_d是辊压式直接淬火装置的钢板运行速度，单位：m/s；

B是钢板的宽度，单位：m；

h是钢板的厚度，单位：m；

E是钢板在当时温度下的弹性模量，范围：100×10⁹～250×10⁹Pa；

z是辊压式直接淬火装置的上部约束辊的个数；

k_a是优化调整参数，范围：800～1500；

并按公式(2)计算、输出新的预矫直机的矫直速度Vp，

V_p＝V_d-ΔV 公式(2)

公式(2)中，

V_p是预矫直机的矫直速度，单位：m/s；

ΔV是根据公式(1)计算的预矫直机的矫直速度与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度的速度差，单位：m/s，范围：0.05～0.5m/s。

2.如权利要求1所述的一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，其特征在于，

在公式(1)中，

P的范围：0.5×10⁶～8×10⁶N；

u的范围：0.2～0.4；

V_d的范围：0.3～3m/s；

B的范围：1.2～6m；

h的范围：0.005～0.12m；

z的范围：2～12。

3.如权利要求1所述的一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，其特征在于，

公式(2)中，

Vd的范围：0.3～3m/s；

Vp的范围：0.25～3m/s。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，其特征在于，

所述预矫直机的矫直速度与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度之间的速度差△V的实现，使用一个用于计算所需速差并输出新的矫直速度的速差控制模块Cdf，上述速差控制模块Cdf根据辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2d，提供：

上部约束辊的约束力P，

钢板的宽度B，

钢板的厚度h，及

辊压式直接淬火装置的一级控制系统C1d实时输出的、钢板在辊压式直接淬火装置运行速度Vd，

根据公式(1)实时计算预矫直机的矫直速度与辊压式直接淬火装置的钢板运行速度的速度差△V，并按公式(2)计算、输出新的预矫直机的矫直速度Vp，

V_p＝V_d-ΔV 公式(2)

公式(2)中，

V_d是辊压式直接淬火装置的钢板运行速度，范围：0.3～3m/s。

5.如权利要求4所述的一种用于改善钢板平直度的中厚板轧制生产线速度控制方法，其特征在于，速差控制模块Cdf在控制系统中，安装在原先辊压式直接淬火装置的一级控制系统C1d到预矫直机电机Mp的输入信号的通路上，并且接受来自辊压式直接淬火装置的二级控制系统C2d的上部约束辊的约束力P、钢板的宽度B、厚度h的信息进行计算，并将计算结果，即新的预矫直机的矫直速度Vp实时传输给预矫直机电机Mp。