双机架可逆四辊冷轧机轧制特性及板形控制特性研究

摘要

本文以济钢冷轧厂的“双机架可逆冷轧机板形控制研究与仿真软件开发”项目为背景，以降低断带率，优化板形为目的，系统研究了双机架可逆冷轧机组的轧制特性，板形控制系统的基本理论、数学模型及辊形曲线优化设计。主要研究内容和结果如下:
　　(1)为充分了解轧制参数对机组轧制状态的影响，分析所采用的厚度和张力控制方式的合理性，建立了双机架可逆冷轧机组静态特性分析模型。利用所建立的模型分析了进行张力控制和不进行张力控制时，辊速、辊缝、来料厚度、摩擦系数及变形抗力变化对各机架出口厚度和机架间张力的影响。在此基础上，确定了入口机架辊缝用于厚度控制，入口机架和出口机架辊速以及出口机架辊缝均可用于机架间张力控制的控制策略，故现场采用入口机架和出口机架辊缝进行厚度控制，入口机架辊速进行机架间张力控制的控制策略是合理的。
　　(2)为研究轧制参数变化后，轧制状态随时间的变化规律，建立了双机架可逆冷轧机组动态特性分析模型。利用所建立的模型分别对参数波动以及启车和加速过程进行了分析。分析结果表明:轧制参数阶跃变化后，在达到新稳态的过程中，带钢厚度和机架间张力均呈阶梯形的变化趋势，最终结果与静态特性分析结果一致;建张阶段形成的减薄区导致后续轧制过程中张力瞬间增大，对带钢形成的冲击力，是导致启车断带的主要原因，采用修改启车方式减小减薄区减薄量的方法，基本杜绝了启车断带事故的发生;针对轧机加速过程中的厚度减薄，提出采用辊缝对摩擦系数和支撑辊油膜轴承油膜厚度进行补偿的策略，模拟结果证明采用此补偿方式不仅能减小厚度减薄量，还能减小加速过程中的张力波动，是一种可行和有效的补偿策略。
　　(3)针对双机架可逆冷轧机组的特殊布置形式，对辊系的稳定性进行了分析。改进了CVC工作辊接触的判定条件，在考虑张应力分布和工作辊压靠的情况下，利用影响函数法建立了四辊CVC轧机辊系弹性变形模型。辊系稳定性分析的结果表明工作辊向机架间偏移比向开卷机或卷取机方向偏移更能保证辊系的稳定性。利用所建立的四辊CVC轧机辊系弹性变形模型，研究了工作辊横移和弯辊力对工作辊挠曲、支撑辊挠曲、工作辊和轧件间的压扁量以及辊间压扁量的影响，分析了CVC辊形和单位宽轧制力对带钢凸度的影响。
　　(4)研究了四辊CVC冷轧机轧辊热变形和磨损模型。将接触弧按照等分咬入角的方式进行单元分割，然后利用混合摩擦模型精确计算各单元的轧制力和摩擦力，利用秒流量相等条件确定各单元与轧辊的速度差，利用经验公式确定了轧辊与各介质之间的传热系数，在此基础上采用有限差分法建立了轧辊温度场和热凸度计算模型。采用分割单元法建立了考虑轧制带钢长度和辊间压力分布的CVC轧机轧辊磨损计算模型。计算结果表明所建模型的计算精度满足实际需求。
　　(5)综合利用所开发的轧机辊系弹性变形模型、工作辊热变形计算模型和轧辊磨损计算模型，采用二维单纯形搜索法建立了四辊CVC轧机板形控制预设定模型。对两种规格带钢进行轧制实验的结果表明:采用新建模型提供的设定值，带钢的板形标准差平均值分别减小了0.44IU和1.58IU，且分布更为平稳，即采用本文的预设定模型提高了轧机板形控制稳定性，大大改善了轧后带钢的板形质量。
　　(6)在深入分析CVC轧机特点的基础上，研究了CVC工作辊及其配套支撑辊辊形曲线的优化设计方法。提出了一种新的考虑辊缝有效区域的CVC辊形曲线设计方法，并在考虑轧制规程的基础上，改进了一次项系数设计的轴向力最小算法，提高了CVC辊形曲线的适应性。以辊间压力均匀化、辊缝横向刚度最大化和辊间轴向力最小为目标进行了支撑辊倒角形状的优化设计，现场应用表明新设计的倒角形状使支撑辊磨损不均匀度由1.5580降低至1.2179，即使支撑辊磨损更趋均匀。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 连轧静态特性分析的发展

1．3 连轧动态特性分析的发展

1．4 板形控制理论的发展

1．4．1 辊系弹性变形理论研究的发展

1．4．2 轧辊热变形及轧辊磨损理论研究的发展

1．5 板形控制技术的发展

1．5．1 压下倾斜技术

1．5．2 液压弯辊技术

1．5．3 轧辊横移技术

1．5．4 轧辊交叉技术

1．5．5 轧辊液压胀形技术

1．6 辊形曲线设计的发展

1．6．1 CVC工作辊辊形曲线优化设计的发展

1．6．2 支撑辊辊形曲线优化设计的发展

1．7 本文的主要研究内容

第2章 双机架可逆冷轧机组静态特性分析

2．1 数学模型及其线-|生化

2．1．1 弹跳方程

2．1．2 秒流量方程

2．1．3 功率方程

2．2 偏微分系数计算

2．2．1 轧制力的偏微分系数

2．2．2 轧制力矩的偏微分系数

2．2．3 前滑的偏微分系数

2．2．4 特殊偏微分系数的处理

2．3 影响系数的求解

2．3．1 求解方案的确定

2．3．2 基本方程组的矩阵表示

2．3．3 影响系数及其计算方法

2．3．4 影响系数计算流程图

2．4 计算实例

2．4．1 轧制规程

2．4．2 影响系数分析

2．5 厚度和张力控制策略分析

2．6 本章小结

第3章 双机架可逆冷轧机组动态特性分析

3．1 主要数学模型

3．1．1 轧件速度方程

3．1．2 机架间张力方程

3．1．3 油膜厚度方程

3．2 主要计算方法

3．2．1 机架间的厚度延时计算方法

3．2．2 弹、塑性方程的联立求解

3．2．3 直接法过程仿真的原理

3．3 计算实例

3．3．1 参数波动仿真

3．3．2 加速过程仿真

3．3．3 加速过程完全辊缝补偿规律研究

3．4 启车轧制工艺分析

3．5 本章小结

第4章 四辊CVC轧机辊系弹性变形的研究

4．1 辊系受力特点及辊系稳定性

4．1．1 辊系稳定性分析

4．1．2 辊系受力特点及离散化

4．2 轧辊弹性变形的影响函数

4．2．1 轧辊弹性弯曲影响函数

4．2．2 轧辊压扁影响函数

4．3 轧辊弹性变形的基本方程

4．3．1 力平衡方程

4．3．2 力-变形关系方程

4．3．3 变形协调关系方程

4．4 张应力分布计算

4．5 辊间接触的判定与处理

4．5．1 工作辊互相接触判定的修正与接触压力的求解

4．5．2 工作辊与支撑辊之间接触的判定

4．6 影响函数法计算流程图

4．7 CVC轧机板形控制特性分析

4．7．1 轧辊弹性变形的研究

4．7．2 板形调控特性的研究

4．8 本章小结

第5章 冷轧机轧辊热变形及磨损的研究

5．1 冷轧机轧辊热变形的特点

5．2 传热学基本定律

5．3 变形功和摩擦热的计算

5．3．1 轧制压力及摩擦力的计算

5．3．2 变形功的计算

5．3．3 摩擦热的计算

5．3．4 带钢温度的计算

5．4 轧辊温度场和热凸度的计算

5．4．1 工作辊分割模型

5．4．2 差分方程的建立

5．4．3 边界条件

5．4．4 换热系数的确定

5．5 轧辊热变形的计算

5．6 轧辊温度场及热变形的计算结果

5．7 轧辊磨损对板形控制能力的影响

5．7．1 分割模型

5．7．2 磨损模型

5．7．3 磨损量计算结果

5．7．4 轧辊磨损对板形控制特性的影响

5．8 板形控制预设定模型的建立

5．8．1 板形模式识别策略及目标板形设定

5．8．2 板形控制策略及预设定模型的建立

5．9 本章小结

第6章 辊形曲线优化设计

6．1 CVC工作辊辊形曲线设计

6．1．1 空载辊缝凸度方程的推导

6．1．2 辊形曲线系数求解

6．1．3 CVC曲线设计实例

6．1．4 板形控制能力分析

6．2 与CVC工作辊配套的支撑辊辊形曲线设计

6．2．1 辊间压力影响因素分析

6．2．2 优化设计目标

6．2．3 支撑辊倒角形状优化设计流程图

6．2．4 支撑辊端部倒角优化设计实例

6．2．5 板形控制能力分析

6．3 本章小结

第7章 现场应用及结果分析

7．1 双机架可逆冷轧机组概述

7．1．1 工艺布置及设备参数

7．1．2 计算机控制系统

7．2 数据采集

7．2．1 带钢厚度测量

7．2．2 轧辊温度测量

7．2．3 轧辊辊形测量

7．2．4 过程数据采集和分析

7．3 现场应用情况

7．3．1 新启车方式的应用

7．3．2 板形预设定模型的应用

7．3．3 支撑辊辊形曲线的应用

7．4 本章小结

第8章 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的工作

致谢

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