CN85101386A - 不等圆周速度轧制的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种不等圆周速度轧制的设定方法。高速轧辊和低速轧辊的圆周速度以及轧辊位置的设定值是通过利用进口和出口厚度、前向和后向张力、轧辊半径、摩擦系数和轧辊圆周速度比等作为轧制工艺过程的轧制参数而得到的。这些设定值是这样计算出的，即在不超过载荷极限值和张力极限条件下，这些设定值都满足轧制条件。

Description

本发明涉及一种控制轧钢机的方法。更具体地说，涉及一种设定和控制不等圆周速度轧制的方法，这种轧制方法是使一台轧钢机的工作轧辊以不同的圆周速度转动。

通常，一台轧钢机在操作时，它的上下工作轧辊是以相同转速转动的，轧制的钢板最薄板厚可达数微米。但是，最近市场已对比此限度更薄的轧制钢板提出了需求。可以说，不等圆周速度轧制方法是可以满足市场这一要求的轧制方法。

但是，到目前为止尚未为这种不等圆周速度轧制方法确立一种控制方法。为了给不等圆周速度轧制方法确立一种类似于普通等圆周速度度轧制方法的计算机系统，必须找出一种控制轧钢机的设定以及轧制过程中工件厚度、张力或适配性的方法。

由于各控制参数间相互有很复杂的影响，所以不等圆周速度轧制法就需要一种有别于等圆周速度轧制法的控制方法。尽管在实际轧制工作中设定是一个重要因素，但尚未发现有说明不等圆周速度轧制的设定方法的报告。

在美国第4，145，902号专利中透露了一种轧制方法，这种方法由于采用了一种不把钢板卷在一滚筒上的滚拉轧制（RD）方式因而减少了滚压载荷。这就是说，在这种方法中，上下工作轧辊是这样控制的：它们的圆周速度比等于轧制工件的延伸比，工件的出口速度等于高速辊的圆周速度，而其进口速度则等于低速辊的圆周速度。

除上述专利之外，据美国第4，145，901号专利还透露，所安装的一个张力极限装置和一个计算机可以在张力超过极限值时，计算机即根据轧制压缩量修正轧辊位置，而且，在这项专利中还进一步描述了对相互靠近的轧制支架进行的速度控制和张力控制。

但是，在现有技术的情况下，由于其他参数的相互干扰，使得在这种控制中对一对工作轧辊速度的设定和轧制位置的设定都是通过反复试验来决定的。

不能很容易地实现设定操作这在计算机控制中是一个大问题，因此，需要找出一种适于计算机控制的不等圆周速度轧制的设定控制方法。

因此，本发明的一个目的是为不等圆周速度轧制法提供一个设定控制方法。

本发明的另一个目的是在无须进行试误操作的情况下根据给出的轧制条件以计算设定值的方法控制不等圆周速度轧制。

本发明的特点在于通过使用一种不等圆周速度轧制模型根据轧制工艺过程的轧制条件来计算设定值。

本发明的另一特点还在于高速辊圆周速度、低速辊圆周速度以及轧辊位置的设定值是利用作为输入信号的进口和出口厚度值、前向张力和后向张力值、轧辊半径、摩擦系数和轧制支架上一对轧辊的圆周速度比等来计算的。

此外，本项发明的特点还在于，在计算设定值的过程中，高速辊圆周速度和低速辊圆周速度以及轧辊位置的设定值的计算可以使这些值满足轧制条件，也满足载荷极限值和张力极限值。

通过下面结合各附图对所选择的实施方案所做说明就会清楚地看到本发明的上述和其他各项的目的、特点和优点。

图1表示根据本项发明所进行的不等圆周速度的轧制过程;

图2表示在图1所示的轧制过程中，工件上的载荷分布;

图3以图解方式表示一种不等圆周速度轧制过程的各种因素之间的相互关系;

图4为设定值计算之一例;

图5为在载荷极限和张力极限之下计算设定值之一例的流程图;

图6为表明在将本发明应用于实际轧钢机架的情况下输入和输出关系的方框图;

图7A至7D表示利用图3中模型的一种模拟实例。

将首先对不等圆周速度轧制的基本条件加以描述。

图1表示在不等圆周速度轧制过程中直接处于工作辊之下的轧制状态。参考数码1代表上辊，2代表下辊，两者组成一对工作辊。每一工作辊有三个区，即（1）前向滑移区、（2）剪切区和（3）向后滑移区。各区之间的边界称为中性点（И_PL、И_PH），高速辊的圆周速度与工件的移动速度在前向滑移区和剪切区之间的边界处（И_PH）相等，而低速辊的圆周速度与工件的移动速度在后向滑移区和剪切区之间的边界处（И_PL）相等。φ_H为轧制结束点（工件的出口）和低速辊中心的连线与И_PH和高速辊中心的连线之间所构成的角度。φ_L为轧制结束点（工件的出口）和低速辊中心的连线与И_PL和低速辊中心的连线之间所构成的角度。

人们已知，各区的每一单位面积的轧制载荷方程（垂直应力方程）是由水平方向的应力差、屈服条件和应力平衡之间的相互关系导出的。这就是说，当水平方向应力为q，高速辊的表面压力为P_H，低速辊的表面压力为P_L，轧辊的半径分别为R_H和R_L，在φm的值域内，任意接触角分别为θ_L和θ_H时，即可列出下列关系：

dQ＝φ_L（Sinθ_L+αμθ_LCosθ_L）R_Ldθ_L

+P_H（Sinθ_H+βμ_HCosθ_H）R_Hdθ_H……（1）

在上式中，α与β为表示摩擦力方向的系数，在前向滑移区（1）中，d＝1，β＝1;在剪切区中，α＝1，β＝-1;在后向滑移区中，α＝-1，β＝-1。

符号Q表示水平总应力，如果工件厚度在角θ时为h_θ，Q可用下式表示：

……（2）

当垂直应力为P时，则表面压力P_L、P_H和P之间的关系可表示如下：

P＝P_L（Cosθ_L-αμ_LSinθ_L）

＝P_H（Cosθ_H-βμ_HSinθ_H）……（3）

式中，μ_L和μ_H分别为低速辊和高速辊的摩擦系数。

厚度h_θ可表示如下：

h_θ＝h+R_L（1-Cosθ_L）+R_H（1-Cosθ_H）

……（4）

式中，h为轧机出口的厚度。

已为人们所知的屈服条件的方程式可表示如下（例如，《轧制方法的原理及应用》，1969版，由日本钢铁研究所编辑、Seibundo    Shinkosha出版）：

（q-P）²+4τ²＝4Kτ²……（5）

式中，τ为剪切力，Kτ为剪切屈服应力。

此外，可以下列等式作为应力平衡的方程式。

式中，X和Y分别代表水平和垂直座标。

在本项发明中，上工作辊和下工作辊的圆周速度和轧辊位置是通过解上述各公式来确定的。

垂直应力P也是通过解上述各公式计算出来的。P一般按下式表示：

P＝A（B+C）……（7）

式中θ符号A和B为角位置θ_L、（或θ_H）、出口厚度h、轧辊半径R_L和R_H、摩擦系数μ_L和μ_H、剪切屈服应力Kτ、以及方向系数α和β的函数。符号C则为积分常数。积分常数C是由各区的边界条件求出的。在轧机的出口处（θ_L＝0），水平应力q与该出口的单位张力t_f相等，即q＝-t_f，而在轧机的进口处（θ_L＝φ_m），水平应力与进口单位张力t_b相等，即q＝-t_b。因此，在进口和出口侧的轧制端，可得出下列关系式：

如果θL＝0，P＝2Kτ-t_f

如果θL＝φ_m，P＝2Kτ-t_b……（8）

根据公式（7）和（8），当前向滑移区、剪切区和后向滑移区是以后缀号码1、2和3表示时，C₁和C₃则可以下式表示：

C₁＝（2Kτ-t_f）/A₁（0）-B（0）

C₃＝（2Kτ-t_b）/A₃（φm）-B（φm）……（9）

式中，A与B为θ_L的函数，并以A（θ_L）和B（θ_L）表示。利用公式（4）可通过下列公式求得总接触角φm。进口厚度以H表示。

${\phi }_m=\sqrt{\frac{R_H\mathrm{(H-h)}}{R_L{\mathrm{(R}}_L{\mathrm{+R}}_H)}}$ (10)

下面将对剪切区中分布载荷曲线的实数项加以说明：

在中性点处，分布载荷曲线是连续的，θ_L＝φ_L，以及θ_H＝φ_H。即：

P₁( (R_H)/(R_L) φH)=P₂( (R_H)/(R_L) φH) ……（11）

P₂（φ_L）＝P₃（φ_L）……（12）

公式（11）是在R_Lθ_L＝R_Hθ_H条件下导出的。

因此，

A₁（ (R_H)/(R_L) φH）｛B₁（ (R_H)/(R_L) φH）＋C₁｝（13）

A₂（φ_L）｛B₂（φ_L）+C₂｝＝A₃（φ_L）｛B₃（φ_L）+C₃｝

……（14）

式中，C₂、φ_L和φ_H是未知数。

由于在中性点处工件的体积速度与轧机出口处的体积速度相等，因此可得出下列公式。

……（15）

式中，V_RH为高速辊的圆周速度，V_RL为低速辊的圆周速度，V₀为工作的出口速度。

通过公式（4）可得出工件在角度θ处的厚度h（θ）。因此

h(φ_H)≈h+ 1/2 R_H(1+ (R_H)/(R_L) )φ_H ²……（16）

将公式（15）和（16）移项，便得出下列公式：

$\frac{V_{\mathrm{RL}}}{V_{\mathrm{RH}}}=\frac{\mathrm{h+}\frac{1}{2}{R}_H\mathrm{(1+}\frac{R_H}{R_L}{\mathrm{)\phi H}}^2}{\mathrm{h+}\frac{1}{2}{R}_L\mathrm{(1+}\frac{R_L}{R_H}{\mathrm{)\phi L}}^2}$ (17)

通过由公式（17）中给出的上辊和下辊的速度比，便可得出两个中性点之间的关系。因此，通过解公式（13）、（14）和（17），即可解出C₂、φ_H和φ_L。

从上述说明中可明显看出，各轧制区的分布载荷曲线（7）以及中性点φ_H和φ_L是通过给出的进口厚度H、进口单位张力t_b、出口厚度h、出口单位张力t_f以及上辊和下辊速度比来确定的。此外，根据φ_H和φ_L，高速辊的前向滑移速度f_H和低速辊的前向滑移速度f_L可通过下列公式得出：

……（18）

此外，如果分布载荷曲线已经确定，总轧压力F可通过对各区中的P进行积分得到，如下所示：

式中，W为工件的宽度。

应用虎克定律可将轧制位置S、总辗压力F和出口厚度h之间的相互关系表示如下：

h＝S+F/M+S_o……（20）

式中，M为轧制的刚性系数，S₀为零调整值。

图2表示根据本发明进行的轧制过程中，工件上的载荷分布。实线表示在不等圆周速度轧制情况下的分布载荷，虚线则表示在一般等圆周速度轧制情况下的分布载荷。此图表明不等圆周速度轧制法减少了载荷。但是，由于在不等圆周速度轧制法中，上述的各种关系相互间有着复杂的影响，所以被称之为调整控制法是非常困难的。图3以图解方式表明了这些关系。

图2表示在调整控制轧制中计算设定值的一个例子。

两个轧辊速度的设定值可利用工件出口速度的预定值V₀来确定，如下式：

将各项参数置入到轧制工艺过程之后，根据图4所示流程图的步骤41以及随后的步骤42至48，可计算出轧机的轧辊位置S和上、下辊转速V_RH和V_RL的设定值。

但是，实际上，由于中性点和载荷有时是反常的。所以上辊和下辊的圆周速度值（V_RH、V_RL）和轧辊位置S要在对图5中流程图所示的速度比和前向张力加以修正之后，在允许载荷值范围内通过计算确定。换句话说，就是把步骤52至54补充到图5之中。例如，在步骤52中，需要对0＜φ_L＜φ_m和0＜φ_H＜φ_M是否成立作出判断，如果不能满足这些条件的话，则需对G_V进行修正。如果G_V大于极限值时，则对t_f进行修正。但是，在t_f已超过极限值的情况下则对h进行修正。

图6表示3在实际控制过程中所用的控制方框图。图中，在图4所示的步骤4时将参数输入到计算机70中。参考数码66和68分别表示上辊和下辊的速度调整装置。符号M_L和M_H分别代表上辊和下辊的驱动电动机，62和64代表其速度探测器，72为前向张力探测器，74为后向张力探测器，76为进口速度探测器，78为出口速度探测器，而H和h则分别为进口速度探测器76和出口速度探测器78的信号输出。

计算机70计算出上辊速度V_RH、下辊速度V_HL、以及轧辊位置S的设定值，如图5流程图所示，并将这些值输出。数字69代替一个轧辊位置调整装置。

现在对轧制过程中所实行的控制予以解释。在轧制过程中可以测量的参数一般有轧辊位置、辗压力、上下辊的速度以及进口和出口处的张力f_f和t_b。出口厚度h可以用一台X射线厚度探测器测得，或者也可用上述公式（20）计算得出。至于进口厚度，在使用串联式轧钢机时，可采用这样一个值，它是如此得出的：将前一级轧钢机架的出口厚度值延迟传送工件所化的时间。将这些测量值应用到图3所示的关系中，并如前述加以模型化就可计算出高速辊和低速辊的前向滑移速度和各区中的分布载荷。

需要将厚度控制法和张力控制法区别开。厚度是通过对进口张力、出口张力和进口厚度的测量以及下述的与出口厚度的预定值和测量值有关的问题的计算而进行控制的。

首先利用公式（13）和（14），然后从公式（20）中得出总辗压力F_A和与出口厚度h预定值有关的总辗压力，并导出公式（19）。由于公式（13）、（14）和（19）都是具有未知数C₂、φ_H和φ_L的方程式，所以解这些公式即可求出C₂、φ_H和φ_L。利用求出的φ_H和φ_L，从公式（17）可求出速度比。最后得出与实测的出口厚度有关的速度比（即实际速度比）和与出口厚度预定值有关的速度比之间的差值，此结果可用来作为上轧辊和下轧辊速度比的修正量。如果φ_H＜0和/或φ_L＞φ_m，就需对轧辊位置或张力预定值进行修正以使φ_H＞0和φ_L＜φ_m。

至于张力控制法、出口速度是根据张力偏差进行控制的。

在由等圆周速度轧制状态切换到不等圆周速度轧制状态的瞬间，速度比改变而厚度和张力则保持为原预定值（但是，在等速条件和不等速条件下的厚度和张力的预定值有时是不同的，因此，需根据速度比的变化，在从等圆周速度轧制状态改变到不等圆周速度轧制状态时也需改变这些预定值）。

图7A至7D表示以上述的模型化方法所做模拟之一例。图7A表明在上下轧辊圆周速度比改变时得出的分布载荷。以GV＝1.0所表示的曲线给出普通等圆周速度轧制情况下的分布载荷。从此图可明显看出，随轧辊圆周速度比的增加，分布载荷将减少。图7B表示在向前张力和向后张力发生变化时得出的分布载荷，图7C则给出在工件进口厚度发生变化时得出的分布载荷。图7D表示高速轧辊和低速轧辊上中性点位置的变化。图7D所示ψ_LC为在A和B-D情况下的极限值并与图1中的φ_m相对应（在这里，由于不是一一对应的，所以现在用的是符号ψ_L而不是φ_m。ψ_L约等于向前滑移速度f_L、f_H的根值）。例如，在A情况下，如果轧制条件为ψ_L＞ψ_LC，或者ψ_H＜0，那么就将产生一种不稳定的滑移现象。在B至D的情况下也会产生相同的现象。

尽管上面叙述的内容在目前可认为是本发明提出的实施方案，但应理解，其中的内容可进行修改，因此，在附后的要求书中包括进全部此类符合本发明实质构思和范围的各种修改。

Claims (4)

1、一种控制不等圆周速度轧制的设定方法，要轧的工件通过至少一对轧辊，其中各轧辊是以不同圆周速度驱动的，所述的设定方法以下列步骤为其特征：根据与所述的成对轧辊的圆周速度比(作为轧制参数)有关的所述轧辊之间的载荷分布情况对高速和低速轧辊上中性点的角度进行计算；在所述的高速轧辊上的中性点的角度大于零以及在所述的低速轧辊上中性点的角度小于所述轧制工件与所述轧辊的接触角条件下对辗压力进行的计算；根据所述工件的出口速度(作为轧制参数)以及所述计算得出的各中性点角度对所述各轧辊的圆周速度进行计算；根据所述计算得出的辗压力对一个轧辊的位置进行计算，以及控制各轧辊的实际圆周速度和轧辊的实际位置以与所述计算出的圆周速度和轧辊位置相符。

2、根据权利要求1，一种控制不等圆周速度轧制的设定方法，其特征在于把所述工件的进口厚度、所述轧辊的半径、摩擦系数以及所述轧辊圆周速度比作为轧制参数而加以使用。

3、根据权利要求2，一种控制不等圆周速度轧制的设定方法，其特征在于可对计算得出的载荷是否超过预定载荷极限值作出判断，在所述载荷超过所述极限值时，即对所述轧辊的圆周速度比（作为轧制参数）加以修正，以使所述辗压力不超过允许极限值。

4、根据权利要求2，一种控制不等圆周速度轧制的设定方法，其特征在于，对计算出的辗压力是否超过预定极限值作出判断，在所述辗压力超过所述极限值时，将对所述轧辊的所述圆周速度比加以修正以使所述辗压力不超过所述极限值。

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