板带材厚度控制

材料加工工程硕士研究生选修课板带轧制理论与工艺3 板带厚度控制主讲人邸洪双2011年04月3.1 厚度波动的原因及厚度的变化规律板带钢厚度波动的原因１）温度变化的影响：实质是温度差对厚度波动的影响，主要是通过对金属的变形抗力和摩擦系数的影响而引起厚度差。

２）张力变化的影响：张力是通过影响应力状态，改变金属的变形抗力，从而引起厚度发生变化。

张力的变化除对带钢头尾部厚度有影响之外，也会影响其他部分厚度的变化。

３）速度变化的影响：主要是通过对摩擦系数、变形抗力和油膜厚度的影响来改变轧制力和压下量而引起厚度变化。

４）辊缝变化的影响：轧制过程中，因轧机部件的热膨胀、轧辊的磨损和轧辊偏心等会使辊缝发生变化，直接影响实际轧出产品厚度的变化。

轧制过程厚度变化的基本规律带钢的实际轧出厚度h 与预设定辊缝S 0和轧机弹跳值D S 之间的关系可用弹跳方程描述如下：00mP h S S S K =+D =+D hD S S H h 1P 1P O A B 由上式绘成的曲线称为轧机的弹性曲线，如右图曲线A 所示。

其斜率K m 称为轧机刚度，它表征轧机产生单位弹跳量所需的轧制力。

带钢的实际轧出厚度主要取决于S 0、K m 和P 三个因素。

因此，无论是分析轧制过程中厚度变化的基本规律，还是阐明厚度自动控制在工艺方面的基本原理，都应从深入分析这三个因素入手。

轧机原始辊缝设定值S 0决定着弹性曲线A 的起始位置。

随着压下位置的改变，S 0将发生变化。

在其他条件相同的情况下。

D h 1S 0H h 1P 1P O 1A B 例如因压下调整，辊缝变小，则A 曲线平移，从而使得A 曲线与B 曲线的交点由O 1变为O 2，此时实际轧出厚度便由h 1变为h 2，D h 2＞D h 1，带钢便被轧得更薄。

当采取预压紧轧制时，即在带钢进入轧辊之前，使上下轧辊以一定的预压靠力P 0互相压紧，也就相对于辊缝为负值，这样就使得带钢轧得更薄，此时实际轧出厚度变为h 3。

D h 2D h 3h 2h 3O 2O 3S a 除上述情况之外，在轧制过程中，因轧辊热膨胀、轧辊磨损或轧辊偏心而引起的辊缝变化，也会引起S 0改变，从而导致轧出厚度发生变化。

3.2厚度自动控制的基本形式及原理厚度自动控制是通过侧厚仪或传感器（如辊缝仪和压头等）对板带实际出口厚度连续地进行测量，并根据实测值与设定值比较后的偏差信号，利用控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置、张力或轧制速度，把厚度控制在允许范围内的方法。

实现厚度自动控制的系统称为“AGC”（Automatic Gauge Control）。

基本形式根据轧制过程中控制信息流动和作用情况不同，厚度自动控制系统可分为：反馈式、前馈式、监控式、张力式和金属秒流量式等。

按照设定方式和轧机压下效率补偿环节的不同，可分为：轧制力AGC、相对值AGC和绝对值AGC。

3.2.1 反馈式厚度自动控制系统厚度差运算厚度自动控制装置执行机构APC板带从轧件中轧出之后，利用测厚仪测出实际厚度h实，h实h设并与设定值h设相比较，得到厚度偏差D h＝h设－h实，当二者数值相等时，厚度差运算器的输出为零，即D h＝0。

若实测厚度值与使得厚度值比较出现厚度偏差D h时，便将该值反馈给厚度自动控制装置，变换为辊缝调节的控制信号，输出给执行机构，由压下电动机带动压下螺丝作相应的调节，以消除此厚度偏差。

为了消除已知的厚度差D h ，所必需的辊缝调节量D S 应是多大呢？为此必须找出D h 与D S 关系的数学模型。

S eg D =S 0D S D h ab i g e f h P m tg K a =tg Mb =fi h fg M D ==m m m mK h M K fi fi M K M S M K ⎛⎫D +== ⎪D +⎝⎭m mKh S M K D =D +1m m m M K M S h h K K ⎛⎫+D =D =+D ⎪⎝⎭（3-1）（3-2）ef fg =+m fi fi K M =+m m M K fi K M ⎛⎫+= ⎪⎝⎭由（3-2）可知，为了消除板带的厚度差D h ，必须使辊缝移动(1＋M /K m )D h 的距离，也就是说，要移动比厚度差D h 还要大(M /K m )D h 的距离。

因此，K m 越大、M 越小，D S 与D h 之间的差别越小。

当K m 和M 为定值时，则D S 与D h 成正比。

只要检测到厚度偏差D h ，就可以计算出为消除该厚度差应做出的辊缝调节量D S 。

压下有效系数0m m K h C S M K D ==D +（3-3）S 0D S 0D h h PH 空载辊缝对轧出厚度的影响压下有效系数表示压下位置的改变量究竟有多大一部分能反映到轧出厚度的变化上。

增大压下有效系数对于实现快速厚度自动控制具有及其重要的意义。

增大压下有效系数的措施增加轧机整体的刚度厚度自动控制系统的组成厚度检测装置厚度自动控制装置执行机构厚度控制系统能否精确地进行控制，首先取决于一次信号的检测。

对于热连轧来说，测厚仪可以是X －射线和g－射线的非接触式测厚仪。

而冷连轧除采用上述两种之外，在较低速度情况下还可以采用接触式侧厚仪。

厚度自动控制装置是整个系统的核心部分，其作用是将测厚仪测得的厚度偏差信号进行放大、经过计算机的功能程序，然后输出控制压下位置的信号。

根据控制信号对板带的厚度直接进行控制。

例如通过电动压下和液压压下装置调整压下位置；或通过主电机改变轧制速度，调节带钢张力，来实现厚度的控制控制策略由于辊缝调节量D S与厚度差D h之间成一定的比例关系（压下有效系数C），故在自动控制系统中采用比例调节器。

当轧制不同尺寸和不同材质的改变，故在此种控制系统中的比例的轧件时，因M的改变会导致M/Km系数应是可变的（通常在比例调节器中是用一个电位器进行调节，实质也就是调节它的比例度）。

时间滞后Lτ=仪（3-4）v式中τ滞后时间；v轧制速度；L轧辊中心线到测厚仪的距离。

仪由于有时间滞后，所以这种按比例进行厚度控制的系统很难进行稳定的控制。

为了防止控制过程中的传递时间滞后，因而采用厚度计式的厚度自动控制系统。

3.2.2 前馈式厚度自动控制系统前述的两种厚度自动控制系统，都避免不了控制上的传递滞后或过渡过程滞后，因而限制了控制精度的进一步提高。

特别是当来料厚度波动很大时，更会影响实际轧出厚度的精度。

为了克服此缺点，在现代化的冷轧机上都广泛采用前馈式厚度自动控制系统，简称前馈AGC 。

执行机构APCH 0H imM S HK D =D 0iH H H D =-前馈AGC 不是根据本机架的实际轧出厚度的偏差来控制厚度，而是在轧制过程尚未进行之前，预先测定出来料厚度偏差D H ，并往前馈送给轧机，在预定时间内提前调整压下机构，以便保证获得所需要的轧出厚度h 。

正是由于它是往前馈送信号，来实现厚度自动控制，所以称为前馈AGC ，或称为预控AGC 。

D H ，D h 与D S 之间的关系：D S D h gfabcD HHH 1h 1hPhh bc D =m gc gc K M=+m m M K gc K M⎛⎫+=⎪⎝⎭H bdD =m M h HM K ⎛⎫D =D ⎪+⎝⎭m m K S K M h +D =D 由右图可知：又因为故（2-5）（3-6）dmgcK =bd bc cd =+m M K bc M +⎛⎫= ⎪⎝⎭m m m K M M H K M K ⎛⎫+=D ⎪+⎝⎭mMH K =D3.2.3 厚度计式厚度自动控制系统厚度计式厚度自动控制系统是英国钢铁研究协会( BISRA ——British Iron and Steel Research Association )于1955年研制成功并用于生产的。

一般称其为厚度计式AGC或称为BISRA式AGC。

基本原理厚度计式AGC的基本原理是以弹跳方程为基础。

在轧制过程中，都可以检测到，因此，可以用弹任何时刻的轧制力P和空载辊缝S+P/K m计算出任何时刻的实际轧出厚度h。

在此种情况跳方程h=S下，就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”，故把这种检测厚度的方法称为厚度计（Gauge Meter,简称GM）方法，以区别于前述的用测厚仪检测厚度的反馈自动控制方法。

根据轧机弹跳方程测得的厚度和偏差信号进行厚度自动控制的系统称为GM－AGC或称为P－AGC。

根据轧机的弹跳方程m mK MS hK +D =D 2121m mP P P h h h K K -D D =-==0mPh S K =+（3-7）当来料厚度有波动时，由H 0变为H ’，轧制力由P 1变为P 2时，轧出厚度由h 1变为h 2，则因来料厚度波动引起的轧出厚度的厚度偏差D h 为：（3-8）厚度计式AGC 不是控制绝对板厚，而是以一定的厚度为基准，为了消除厚度的偏差D h 为零，而去控制辊缝的一种调节方法。

辊缝变化量与厚度偏差之间的关系：（3-9）3.2.4 张力式厚度自动控制系统张力AGC 是根据轧机出口测出的厚度偏差。

来微调机架间张力，借此来消除厚度偏差的厚度自动控制系统。

根据厚度偏差，调节轧机的速度根据厚度偏差，调节活套机构的给定转矩张力AGC 的原理是利用前后张力改变轧件塑性曲线的斜率对板带进行厚度控制。

a B 1D HH’h’hH S 0P D h B 2B 3PP’bTT 0T > T 0基本原理手段张力变化与厚度变化之间的关系张力变动所引起的厚度变化，可以用弹跳方程与轧制力方程的增量形式来表达P P P h Th T∂∂D =D +D ∂∂m m m PK T h S T P P K K h h ∂∂D =D +D ∂∂⎛⎫⎛⎫-- ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭()m P K h S D =D -D （3-10）（3-11）m Ph T P T K h ∂D ∂=∂D ⎛⎫- ⎪∂⎝⎭联解式（3-10）和（3－11），得当辊缝保持不变时，即D S ＝0时，则（3-12）（3-13）张力调节的使用条件采用张力控制厚度，由于可以使轧制力P不变，因此可以保持板形不变。

但是，为了得到一定的厚度调节量，应有较大的张力变化。

例如，欲使冷轧带钢厚度变化1.0％，而张力可能就需要变化10.0％。

所以，为了保证轧制过程稳定地进行，以及使钢卷能卷得整齐，在厚度变化较大时，不能把张力作为唯一得调节量。

一般，张力法只用于调节小厚度偏差得情况，作为精调，或者用于因某种原因不能用辊缝作为调节量的情况。

例如冷连轧机的末机架，为了保证板形，以及轧制薄而硬的带钢，因轧辊压扁严重等情况，不宜用辊缝作为调节量，往往是采用张力法来控制厚度。

热轧厚度较薄的带钢，为了防止拉窄或拉断，张力的变化也不宜过大。