1、特殊仪表测控技术在板带轧制中的应用特殊仪表测控技术在板带轧制中的应用湘投金天钛金公司 彭一江 1.引言 随着工业生产的高速发展和科学技术的不断进步，当今先进工业生随着工业生产的高速发展和科学技术的不断进步，当今先进工业生产步入了大规模、快节奏、连续化生产的时代。现代化企业生产日趋复产步入了大规模、快节奏、连续化生产的时代。现代化企业生产日趋复杂的工艺流程，更高更严的产品质量要求，对工厂现场自动化、信息化杂的工艺流程，更高更严的产品质量要求，对工厂现场自动化、信息化水平提出了更新更高的要求，因而，自动化仪表检测和控制的应用场合水平提出了更新更高的要求，因而，自动化仪表检测和控制的应用场合也越来越
2、广。也越来越广。常规工业自动化仪表经过数十年的发展，已经步入了系常规工业自动化仪表经过数十年的发展，已经步入了系列化、标准化、智能化、规模化生产和应用的成熟技术阶段，基本满足列化、标准化、智能化、规模化生产和应用的成熟技术阶段，基本满足各类工业现场生产工艺常规物理参数的检测需要。而越来越高的产品质各类工业现场生产工艺常规物理参数的检测需要。而越来越高的产品质量要求以及越来越精的产品品种开发，使得各种满足特定工艺过程测控量要求以及越来越精的产品品种开发，使得各种满足特定工艺过程测控的特殊仪表应运而生，方兴未艾，显示出广阔的发展前景。的特殊仪表应运而生，方兴未艾，显示出广阔的发展前景。1.1 自动
3、化仪表自动化仪表发展趋势发展趋势 自动化仪表总的趋势是向多功能、集成化、高性能、高精度方向发自动化仪表总的趋势是向多功能、集成化、高性能、高精度方向发展，人们不断利用新的物理化学原理，采用新方法、新技术、新材料设展，人们不断利用新的物理化学原理，采用新方法、新技术、新材料设计开发各类新型元器件、装置和系统，取得了前所未有的喜人发展态势。计开发各类新型元器件、装置和系统，取得了前所未有的喜人发展态势。在检测方面，应用射线、激光、超声波、微波、红外线、核磁共振、在检测方面，应用射线、激光、超声波、微波、红外线、核磁共振、超导等原理开发的各种新型传感检测器不断推出；广泛采用计算机技术、超导等原理开发
4、的各种新型传感检测器不断推出；广泛采用计算机技术、信息技术、网络技术、通信技术和人工智能技术，实现仪表检测上的高信息技术、网络技术、通信技术和人工智能技术，实现仪表检测上的高稳定性、可靠性、准确性、快速性和功能上的自动化、智能化、多功能稳定性、可靠性、准确性、快速性和功能上的自动化、智能化、多功能化；设计水平和制造加工精度的提高也使得仪表结构和外形上趋于小型化；设计水平和制造加工精度的提高也使得仪表结构和外形上趋于小型化、轻量化；各类集成化、智能化、低成本、高性能和更便于使用与维化、轻量化；各类集成化、智能化、低成本、高性能和更便于使用与维修的实用型仪表越来越多地应用于工业现场。修的实用型仪表
5、越来越多地应用于工业现场。在调节方面，除一般的经典比例、积分、微分调节规律外，人们在调节方面，除一般的经典比例、积分、微分调节规律外，人们正在研究前馈、大滞后、非线性、相关和计算值调节等技术，以适应正在研究前馈、大滞后、非线性、相关和计算值调节等技术，以适应多回路复杂对象的自动化控制的需要。专家系统、模糊控制、神经网多回路复杂对象的自动化控制的需要。专家系统、模糊控制、神经网络等人工智能理论和应用技术也逐步步入了实际工程应用络等人工智能理论和应用技术也逐步步入了实际工程应用 。此外数字、字符、图象显示技术的发展，此外数字、字符、图象显示技术的发展，HMIHMI技术使人与计算机技术使人与计算机的
6、联系更为简便。以微型计算机为核心的综合测控装置正在进一步发的联系更为简便。以微型计算机为核心的综合测控装置正在进一步发展。展。1.2 1.2 自动化仪表组成及原理自动化仪表组成及原理 自动化仪表是由若干自动化元件构成的，具有特定功能的自动测自动化仪表是由若干自动化元件构成的，具有特定功能的自动测量与控制装置。一般同时具有数种功能，如测量、显示、记录或测量、量与控制装置。一般同时具有数种功能，如测量、显示、记录或测量、控制、报警等。自动化仪表本身是一个系统，又是整个自动化系统中控制、报警等。自动化仪表本身是一个系统，又是整个自动化系统中的一个子系统。自动化仪表是一种的一个子系统。自动化仪表是一种
7、“信息机器信息机器”，其主要功能是信息，其主要功能是信息形式的转换，将输入信号转换成输出信号进而实现系统控制的目标。形式的转换，将输入信号转换成输出信号进而实现系统控制的目标。自动化仪表一般工作原理：自动化仪表一般工作原理：物理量物理量电（光）量感应电（光）量感应 电（光）量转换电（光）量转换 信号放大信号放大 信信号处理号处理 信号传输信号传输监视显示监视显示/控制信号控制信号 1.3 常规工业自动化仪表类型 常规工业自动化仪表按其功能一般分为常规工业自动化仪表按其功能一般分为:检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行器、计算仪表、设定值发生器、信号检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行器、计算仪表、
8、设定值发生器、信号转换器。转换器。1.1.检测仪表检测仪表 检测仪表是指能感受被测变量大小的一类仪表之总称，常称为一次仪表。如传感器、变送器等。常用的有流量测量仪表、电磁流量计、温度变送器等。2.2.显示仪表显示仪表 显示仪表用来指示、记录被测变量的数值，或者对生产过程的不正常状态发出警报。常称为二次仪表。显示仪表的种类很多，依其显示方式可以分为模拟式、数字式以及图形显示等三种类型。3.3.调节仪表调节仪表 调节仪表亦称控制仪表，是按照一定控制规律自动控制被控变量的仪表。用于实现闭环控制的调节仪表通常称为调节器。根据控制作用的不同，可分为微分、比例、积分及比例积分微分调节器等。4.4.执行器执
9、行器 执行器亦称为终端控制元件，其作用是根据调节器发出的控制信号，改变能量或物料的输送量，以达到调节温度、压力、流量、液位等工艺参数的目的。执行器通常包括执行机构和调节机构两个部分。如常用的调节阀，是一种根据控制信号来调整流体通路的口径，以改变流体流量的执行器。5.5.计算仪表计算仪表 计算仪表是能够对一个或多个输入变量进行数学运算的仪表。根据其输出与输入变量之间的运算关系，一般分为加法器、乘法器、开方器等。6.6.设定值发生器设定值发生器 设定值发生器亦称给定单元，可发出一个以时间或另一变量为函数的信号，以设定被控变量的预期值。如设定值(给定值)随时间按一定规律变化，即可以实现时间程序控制。
10、7.7.信号转换器信号转换器 能够将一种信号转换成另一种信号(一般为标准信号：14mA或15V)的仪表称为信号转换器，如毫伏信号变送器等。另外，将标准电流信号转换成标准气压信号的转换器称为电一气转换器，反之则称为气一电转换器。1.4 常规仪表的应用 检测仪表检测仪表主要用于检测工业生产过程的参数，如温度、压力、流量、物位、机械量、流程分析等，有时也带有记录和调节功能。其中工业检测最为常见的重要工艺参数为：四大工艺参数：温度、压力、流量、物位。四大工艺参数：温度、压力、流量、物位。显示仪表显示仪表将检测仪表的输出信号显示出来以供观察的仪表，与检测仪表、变送器和传感器配套使用。按显示方式不同分为模
11、拟式显示仪表、数字式显示仪表和字符图像显示仪等。调节仪表调节仪表又称调节器，它的作用是将生产过程中的被测参数与设定参数进行比较，然后按一定调节规律发出调节信号给执行器。调节仪表按调节方式不同分为断续调节器和连续调节器；按结构形式又分为基地式、单元组合式和组装式；按工作能源和介质分为自力式、电动式、气动式和液动式。有的调节仪表也带有检测和显示部分。执行器执行器又称执行机构，它根据来自调节仪表的调节信号和调节规律，用于直接调节工业生产过程的输入、输出量，如电动阀、气动阀、伺服电机等。集中控制装置集中控制装置用于对分散参数进行集中检测和控制，按预定的程序进行控制或对被测量进行处理。集中控制装置包括巡
12、回检测装置、顺序控制器和数据处理装置等。1.5 1.5 特殊仪表特殊仪表 工业自动化仪表按其应用特性和场合又可分为常规仪表和特殊工业自动化仪表按其应用特性和场合又可分为常规仪表和特殊仪表。仪表。特殊仪表是指根据某种特定工艺或生产装置特殊设计制造的非常规仪表。特殊仪表是金属板带轧制测控技术发展的必然产物。特殊仪表在线测控优势：直接、实时、全程、无损、准确特殊仪表在线测控优势：直接、实时、全程、无损、准确。1.5.1 1.5.1 特殊仪表采用的相关技术特殊仪表采用的相关技术 特殊仪表利用的主要技术：特殊仪表利用的主要技术：射线、射线、X X射线、激光、超声、光电、磁电、射线、激光、超声、光电、磁电
13、、CCDCCD技术等技术等1.5.2 1.5.2 特殊仪表在金属板带轧制中的作用特殊仪表在金属板带轧制中的作用应用场合：应用场合：外形尺寸、外观形状测控外形尺寸、外观形状测控厚度、宽度、凸度、板形厚度、宽度、凸度、板形 位置状态测控位置状态测控边部扫描、纠偏、物料跟踪边部扫描、纠偏、物料跟踪 运动状态测控运动状态测控速度、加速度速度、加速度 表面质量检测表面质量检测缺陷、划痕等等缺陷、划痕等等 内部质量和组织性能检测内部质量和组织性能检测夹杂，裂缝等夹杂，裂缝等 成分分析检测成分分析检测材料及工艺介质成分等材料及工艺介质成分等1.5.3 1.5.3 金属板带轧制中常用的特殊仪表金属板带轧制中常
14、用的特殊仪表板带轧制工业现场在线检测常用的特殊仪表：板带轧制工业现场在线检测常用的特殊仪表：X X射线测厚仪；射线测厚仪；激光测速仪；激光测速仪；磁电板形仪；磁电板形仪；光电测位仪；光电测位仪；超声探伤超声探伤仪；仪；等等。等等。2.特殊仪表在金属板带轧制中的应用市场的激烈竞争市场的激烈竞争 高效率高质量的要求高效率高质量的要求 轧制轧制生产检测手段的发展生产检测手段的发展 特殊仪表应用普及特殊仪表应用普及 金属板带材是广泛应用于国民经济各部门的重要材料。板带的材金属板带材是广泛应用于国民经济各部门的重要材料。板带的材料性能、几何尺寸、表面质量和内在质量是其主要质量指标，而板带料性能、几何尺寸
15、、表面质量和内在质量是其主要质量指标，而板带的几何尺寸精度包括厚度和板形两项主要内容。的几何尺寸精度包括厚度和板形两项主要内容。2.1 几种典型板带轧制特殊仪表 X射线测厚仪 激光测速仪 板形仪 磁电张力计 磁尺位移仪 表面质量检测仪 2.2典型应用场合应用场合厚度检测厚度检测速度检测速度检测凸度和板形测量凸度和板形测量张力检测张力检测表面质量检测表面质量检测内部质量检测内部质量检测 3.X射线测厚仪 X射线测厚仪是利用X射线穿透作用与吸收衰减原理开发的。它采用模块化设计，配置灵活，维护简便，经济且性能指标优异。作为一种在线板材厚度测量的精密仪器，X射线测厚仪在整个轧机的AGC控制系统中占 有
16、非常重要的地位。它为AGC系统提供实时厚度偏差信号，信号的正确和灵 敏度直接影响了轧制板材的厚度质量。X射线测厚仪的在线应用，为板带生产提供了精确，高速的非接触式厚度检测手段。3.1 X射线应用原理1895年伦琴发现用高速电子冲击固体时，有一种新射线从固体上发出来X Ray。射线 X射线 紫外光可见光红外光 微波 无线电波/nm 0.01 10 400 760 5105 8105MHz 波长频率短高长低3.2 X射线发生装置3.3 X射线测厚仪测厚仪工作原理 高压发生器的电源产生高压，加在高压发生器的电源产生高压，加在X-X-射线管上射线管上的高压在加热的阴极和阳极之间建立一个电场。的高压在加
17、热的阴极和阳极之间建立一个电场。阴极发射的电子在这个电场中加速。它们高速撞阴极发射的电子在这个电场中加速。它们高速撞击阳极，在撞击的过程中电子释放能量，与此同击阳极，在撞击的过程中电子释放能量，与此同时产生时产生X-X-射线。测厚仪基于射线。测厚仪基于X X射线被板带吸收的原射线被板带吸收的原理。理。X X射线源产生一个事先可以设定强度的辐射。射线源产生一个事先可以设定强度的辐射。处在处在X X射线束中的任何金属都会吸收来自射线束中的任何金属都会吸收来自X X射线源射线源的部分辐射。的部分辐射。没被金属吸收的没被金属吸收的X X射线被传感器检射线被传感器检测。传感器将所接收的辐射转换成电压。该
18、电压测。传感器将所接收的辐射转换成电压。该电压与所接收到的与所接收到的X X射线的强度成正比。射线的强度成正比。传感器X射线源发射与吸收的关系遵循下列公式：发射与吸收的关系遵循下列公式：ln(I/I0)=-S式中：式中：ln=自然对数函数自然对数函数I=通过板带后的通过板带后的X射线的强度射线的强度=板带的质量吸收系数板带的质量吸收系数=板带的密度板带的密度S=板带的厚度板带的厚度I0 =放射源产生的放射源产生的X射线的强度射线的强度 令令u=，则：，则：I=I0*e-us图 3.3 测厚仪的测量原理 3.4 X射线测厚仪在板带控制中的应用 厚度偏差是冷轧板带最重要的尺寸精度指标，特别是厚度偏
19、差是冷轧板带最重要的尺寸精度指标，特别是用于制管的冷轧板带材尤为重要。现代制管生产线具有高用于制管的冷轧板带材尤为重要。现代制管生产线具有高效生产率效生产率,模具公差很小，要求冷轧带材必须保证尽量小模具公差很小，要求冷轧带材必须保证尽量小的纵向和横向厚度偏差。工艺上一般要求带材厚度横向偏的纵向和横向厚度偏差。工艺上一般要求带材厚度横向偏差小于厚度的差小于厚度的1%1%、纵向偏差小于、纵向偏差小于1 1.5%,5%,冲片的重冲片的重量偏差小于量偏差小于2%,2%,边部减薄小于边部减薄小于3%3%。因此，厚度在线检。因此，厚度在线检测是实现其精确控制的基础。测是实现其精确控制的基础。3.4.1 板
20、带厚度检测与控制HGCATCmATCmPHCaHhPhPCaC 流量流量AGC的手段的手段前馈前馈AGC控制控制、反馈反馈AGC控制控制张力和流量张力和流量AGC控制控制3.4.2 X射线测厚仪的组成图3.4.2测厚仪基本组成结构图 板带轧制工艺中采用的板带轧制工艺中采用的X射线测厚仪射线测厚仪，其，其外观组件主要外观组件主要由主控制柜、由主控制柜、接线箱、报警灯、冷却器、接线箱、报警灯、冷却器、C形架等几大部分组成。如图形架等几大部分组成。如图3.4.2所示。所示。3.4.3 X射线板带厚度测控系统 4.4.激光测速仪激光测速仪 4.1 激光的产生激光的产生 英文英文Light Amplif
21、ication by Stimulated Emission of Radiation(LASER)-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER)-受激扩大的发射光受激扩大的发射光 处于激发态的原子，如果在入射光子的作用下，引起高能态向低能态跃迁，处于激发态的原子，如果在入射光子的作用下，引起高能态向低能态跃迁，这种辐射叫做受激辐射。原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等这种辐射叫做受激辐射。原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等都跟入射光子完全一样，并使光得到加强，这就是激光产生的机理。若一外
22、来光都跟入射光子完全一样，并使光得到加强，这就是激光产生的机理。若一外来光子作用原子，且能量恰好满子作用原子，且能量恰好满 足足hv=E2-E1hv=E2-E1 ，原子就有可能从激发态，原子就有可能从激发态E2E2跃迁至低能跃迁至低能态态E1E1，同时在两个能态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，放出一个与外，同时在两个能态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子。来光子具有完全相同状态的光子。这种连续反复的受激辐射会产生大量相同性质这种连续反复的受激辐射会产生大量相同性质的光子，放大后形成激光。的光子，放大后形成激光。射线射线 X射线射线 紫外光紫外光
23、 可见光可见光 红外光红外光微波微波无线电波无线电波/nm 0.01 10 400 760 5105 8105MHz 波长频率短高长低4.2 激光测速激光测速的基本原理 激光多普勒测速的原理：用一束单色激光照射到运动体表面，测出其散射光相对于入射光的频率偏移，即所谓的多普勒频移，进而确定运动体的运动速度。图4.2 激光多普勒测速仪基本原理图 4.2.1激光测速基本公式激光测速基本公式式中：式中：f fD D=多普勒频率多普勒频率l=l=激光波长激光波长K=K=两束激光交叉角度的一半两束激光交叉角度的一半多普勒原理指出：速度可根据频率变化或多普勒作用求得，公式如下：多普勒原理指出：速度可根据频率
24、变化或多普勒作用求得，公式如下：fD V=l 2 sin K 根据上式，检测仪表只要测量到从传感器接收到的信号频率，就能确定移动物根据上式，检测仪表只要测量到从传感器接收到的信号频率，就能确定移动物体的速度。体的速度。测量的方法可分为两类：测量的方法可分为两类：参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移（多普勒频移）；参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移（多普勒频移）；双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）。双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）。V=C.fD因为激光的波长和半角因为激光的波长和半角K K为常数，合并为一个常
25、数为常数，合并为一个常数C C，上面的公式可以写成：，上面的公式可以写成：4.2.2 4.2.2 频率计数法频率计数法 频率计数法原理频率计数法原理:计算计算n n个脉冲的时间个脉冲的时间,计算出多普勒频移的平均周期计算出多普勒频移的平均周期,从而计算出频移。从而计算出频移。n n为设为设定的脉冲数目定的脉冲数目,N,N为时钟数目为时钟数目,T,T为时钟周期。为时钟周期。图4.2.2频率计数法信号处理原理图 f =1TN=nNfn4.3 激光多普勒测速仪工作原理图4.3激光多普勒测速仪工作原理 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪LDV(L aser dopp ler velocimeter)LD
26、V(L aser dopp ler velocimeter)的工作原理如图的工作原理如图4.34.3所所示示,通过光调整仪通过光调整仪AOM,AOM,将一束激光束分为两束光强相等的光束将一束激光束分为两束光强相等的光束,其中一束被一个频其中一束被一个频率为率为40MHz 40MHz 高频信号调制高频信号调制,系统测出带材的零速度及运动方向。两束激光交叉后系统测出带材的零速度及运动方向。两束激光交叉后,形成一个测量区形成一个测量区,当带材通过此测量区时当带材通过此测量区时,两束光便产生散射光两束光便产生散射光,经过混频经过混频,在在光探测器上接收到的散射光光探测器上接收到的散射光,经信号处理便获
27、得多普勒移动频率经信号处理便获得多普勒移动频率,移动频率最终被移动频率最终被转换为带材速度和速度方向。转换为带材速度和速度方向。4.4激光多普勒测速仪的组成 激光多普勒测速仪组成激光多普勒测速仪组成:（1）激光器（2）入射光学单元（3）频移系统（4）接受光学单元 （5）信号数据处理器 图4.4 激光多普勒测速仪组成4.5 激光测速仪在板带轧制中的应用 激光多普勒测速仪目前已广泛应用于冷轧板带测速及厚度控制系统，实现板带轧制线速度的快速精密测量和厚度秒流量AGC控制。测速仪测量板带在轧机入口速度v1和出口速度v2，测厚仪测量入口厚度h1，控制系统根据秒流量恒等法则v1.h1=v2.h2，计算出板
28、带在轧机出口厚度h2，实现板带的厚度控制。图4.5 激光测速仪在板带轧制中的应用4.5.1 激光测速仪在秒流量AGC中的应用式中：vh板带速度;v 轧辊线速度;S h 前滑值。vh=v(1+S h)秒流量（Mass Flow）AGC 控制精度关键的是板带速度的确定,传统的带材速度确定方法都是间接式的,在没有带材测速仪情况下,一般根据主马达转速、轧辊直径并考虑板带在变形区的前滑,然后按下式换算成板带线速度:关于前滑不少学者已作过大量的研究,前滑与许多因素有关,例如轧辊直径R、变形区润滑与摩擦状况L、轧件几何尺寸h、压下量E、轧制力p 及张力q 等,可用下式表达:S S h h=f(=f(R R,
29、h h,E,L,E,L,p p,q q)由于变形区内带材的前滑受许多因素影响,在计算时对一些参数只能作出某种假设,因此这种方法存在精度不高的缺点。要想得到与实际误差很小的结果是十分困难的,激光测速仪应用使问题迎刃而解,采用激光多普勒测速技术,系统误差可控制在0.10.5%,这一精度完全能满足轧机自动控制的要求。4.5.2 秒流量基本公式 根据流量恒定根据流量恒定原理,入口金属体积等于出口体积，即入口金属体积等于出口体积，即:v 0h0=v 1h1 式中：v 0入口速度;h0入口设定厚度;v1出口速度;h1出口厚度。4.5.3 X射线测厚与激光测速集成化测控 由于金属板带轧制现场场地条件的限制，
30、由于金属板带轧制现场场地条件的限制，X X射线测厚仪和激光测速射线测厚仪和激光测速仪两种测量特点相近的特殊仪表往往采取了集成化安装的方式，即各自仪两种测量特点相近的特殊仪表往往采取了集成化安装的方式，即各自的检测探头集成与一个的检测探头集成与一个C C形架上，各自独立承担其检测功能。如图形架上，各自独立承担其检测功能。如图4.5.24.5.2所示。所示。图图4.5.34.5.3 X射线测厚与激光测速集成化示意图5.板形仪及其板形控制 目前，最新的板带冷轧机组广泛应用了厚度偏差与平坦度高精度控目前，最新的板带冷轧机组广泛应用了厚度偏差与平坦度高精度控制技术，其中板厚控制精度己经达到令人满意的效果
31、，厚度控制技术可制技术，其中板厚控制精度己经达到令人满意的效果，厚度控制技术可以将板带的纵向厚差稳定地控制在成品厚度的以将板带的纵向厚差稳定地控制在成品厚度的1%1%或或5m5m甚至甚至2m2m的范围内，而板形控制技术尚未达到稳定成熟的地步。的范围内，而板形控制技术尚未达到稳定成熟的地步。带材具有良好的平坦度是后道生产工序稳定运行的重要前提带材具有良好的平坦度是后道生产工序稳定运行的重要前提,成品成品制管用材要求距边部制管用材要求距边部15 mm 15 mm 处比例凸度小于处比例凸度小于1 1.5%,5%,面板用材的平坦度面板用材的平坦度要求波高小于要求波高小于2 mm2 mm。板形检测是进行
32、板形控制的基础，因此，板形仪在。板形检测是进行板形控制的基础，因此，板形仪在板形监视与控制中扮演了非常重要的角色。板形监视与控制中扮演了非常重要的角色。板形：板形：所谓板形直观地说是指板材的翘曲程度，其实质是指金属板带内部残余应力的分布。板形不良：板形不良：板带中存在较大的不均匀残余内应力称为板形不良。潜在板形不良：潜在板形不良：板带中存在残余内应力，但不足以引起板带翘曲，称为潜在板形不良。表观板形不良：表观板形不良：板带中存在残余内应力足够大，以致引起板带翘曲，则称为表观的板形不良。5.1 5.1 板形基本概念板形基本概念5.1.2冷轧板带的板形表观缺陷类型冷轧板带的板形表观缺陷类型边浪边浪
33、中浪中浪单边浪单边浪复合浪复合浪二肋浪二肋浪板形缺陷类型图示板形缺陷类型图示5.1.3 板形缺陷产生的主要原因 板带的平坦程度即翘曲程度，其实质是板带轧制时，宽度方向板带的平坦程度即翘曲程度，其实质是板带轧制时，宽度方向的各处在厚度方向上不均匀压缩塑性变形，或由于各纤维内部相互制的各处在厚度方向上不均匀压缩塑性变形，或由于各纤维内部相互制约，形成轧件内部的拉力应力，因而造成板带不平。约，形成轧件内部的拉力应力，因而造成板带不平。板带材断面形状 楔形 he1-he2中心凸度 hc-(he1+he2)/2边部减薄 he1-he3局部高点he1he2he4he3hca.板带材横断面b.厚度方向放大后
34、楔形及其发生的原因与后果原因原因原料带有楔形原料带有楔形两侧压下不均两侧压下不均带钢两侧温度不均带钢两侧温度不均带钢未对正带钢未对正后果后果侧弯（厚）侧弯（厚）单边浪（薄）单边浪（薄）边部减薄发生的原因轧辊压扁变形的特点：轧辊压扁变形的特点：由于边部的金属三维流动，轧制力降低，减少压扁量由于边部的金属三维流动，轧制力降低，减少压扁量 中间和边部的轧制力作用区域不同，造成边部压扁量少中间和边部的轧制力作用区域不同，造成边部压扁量少局部高点发生原因边部过多的磨损不规则的反跳同宽轧制过长CVC轧辊的轴向移动轧辊局部磨损Edge部Edge部定常部WSDS5.1.4 板形的度量板形的度量 板形度量的目的
35、：板形度量的目的：定量地表示板形，既是生产中衡量板形质量的需要，也是研究板定量地表示板形，既是生产中衡量板形质量的需要，也是研究板形问题和实现板形自动控制的前提条件。因此，人们依据各自不同的形问题和实现板形自动控制的前提条件。因此，人们依据各自不同的研究角度及不同的板形控制思想，采取不同的方式定量地描述板形，研究角度及不同的板形控制思想，采取不同的方式定量地描述板形，如：如：相对长度差表示法相对长度差表示法 波形表示法波形表示法 张力差表示法张力差表示法 带材断面形状的多项式表示法带材断面形状的多项式表示法 厚度相对变化量差表示法厚度相对变化量差表示法翘曲板带翘曲板带(a)及其分割及其分割(b
36、)LVRVaLVLVLLb 这是一种比较这是一种比较简单的表示板形的简单的表示板形的方法，就是取横向方法，就是取横向上不同点的相对延上不同点的相对延伸差伸差D DL/L来表示板来表示板形。其中形。其中 L是所取基是所取基准点的轧后长度，准点的轧后长度，D DL是其它点相对基是其它点相对基准点轧后长度之差。准点轧后长度之差。相对长度差也称为相对长度差也称为板形指数板形指数 r r，r r=D DL/L。5.1.5 相对长度差表示的板形相对长度差表示的板形A)英国的相对长度差的单位是蒙英国的相对长度差的单位是蒙(mon)，该术语是由，该术语是由W.K.泼森建议的，泼森建议的，1蒙相当于相对长度差为
37、蒙相当于相对长度差为10-4。泼森定义板形为横向上单位距离的。泼森定义板形为横向上单位距离的相对长度差，以相对长度差，以mon/cm表示，即：表示，即：510stLLDB)加拿大铝公司是取横向上最长与最短纵条之间的相对长度差作为板加拿大铝公司是取横向上最长与最短纵条之间的相对长度差作为板形单位，称为形单位，称为 I 单位，单位，1个个I单位相当于相对长度差为单位相当于相对长度差为10-5。所以板。所以板形表示为：形表示为：410sLLD 式中：式中：L最短纵条的长度，最短纵条的长度，mm。相对长度差的单位相对长度差的单位板带翘曲的两种典型情况板带翘曲的两种典型情况LvRv 在翘曲的板带上测量相
38、对长度差很不方便，所以人们在翘曲的板带上测量相对长度差很不方便，所以人们采用了更为直观的方法，即以采用了更为直观的方法，即以翘曲波形翘曲波形来表示板形，称之来表示板形，称之为为翘曲度翘曲度。LvRv5.1.6 波形表示法波形表示法5.1.7 翘曲度表示法翘曲度表示法VRVLVVLLD平台带钢 板形的波形表示法板形的波形表示法 从翘曲的板带切取一段置于平台上，如将最短纵条视从翘曲的板带切取一段置于平台上，如将最短纵条视为一直线，最长纵条视为一正弦波为一直线，最长纵条视为一正弦波。式中：式中：100vvRL波幅波幅vR波长波长vL翘曲度与相对长度差的关系：翘曲度与相对长度差的关系：2sin2vvR
39、xyL则可利用线积分求出曲线部分的长度则可利用线积分求出曲线部分的长度：20222021 1cos2 12vLvvvvvvvvLLdy dxdyLRLdLRL D 设与设与 Lv 的直线部分相对应的曲线部分长为的直线部分相对应的曲线部分长为LvD DLv，并认为曲线，并认为曲线按正弦规律变化：按正弦规律变化：222224252210244 51024.6740112vvvvvvVStVLRRLLLLLDD式中：翘曲度，%；St相对长度差，I。上式经过整理可得：曲线部分和直线部分的相对长度差为：上式经过整理可得：曲线部分和直线部分的相对长度差为：两种度量之间的关系：2/42/4105 I 单位例
40、如，1，对应7.85 I 单位板凸度板凸度板中心处厚度与边部代表点处厚度之差。有时为强调它没有将边部减薄考虑进去，又称它为中心板凸度中心板凸度，它可以表示为：1hceChh式中：hc板中心处厚度，mm；he1边部代表点处厚度，mm。phCChconstpC 比例凸度：比例凸度：板凸度与轧件平均厚度之比在金属轧制过程中，良好板形条件良好板形条件可以表示为：5.1.8比例凸度与良好板形的条件比例凸度与良好板形的条件板凸度与板形良好条件板凸度与板形良好条件比例凸度定义：Cp=Cr/h（单位厚度上的凸度）良好板形条件：比例凸度恒定比例凸度恒定 （精轧机组由出口到入口凸度与厚度成比例增大）板形与板凸度的
41、关系板形与板凸度的关系板凸度与板形有密切的关系。因为冷轧过程中要求严板凸度与板形有密切的关系。因为冷轧过程中要求严格保证良好板形条件，所以轧制过程中虽然板凸度的绝对格保证良好板形条件，所以轧制过程中虽然板凸度的绝对值不断减小，但比例凸度应保持不变。值不断减小，但比例凸度应保持不变。若轧前、轧后的比例凸度分别为若轧前、轧后的比例凸度分别为 Cp1和和Cp2，则比例凸，则比例凸度变化为度变化为：21pppCCCD2hcepChhChh1ceHpHHCCHH根据比例凸度定义有：根据比例凸度定义有：252510 2 21006.3661977VVpppcLLCClClD DDDD式中：翘曲度，%；CP
42、比例凸度差，%。严格按照比例凸度恒定的原则，翘曲度与比例凸度变化之间有严格按照比例凸度恒定的原则，翘曲度与比例凸度变化之间有下述关系：下述关系：5.5.2 2 影响板形控制的因素影响板形控制的因素影响板形控制的主要因素有以下几个方面影响板形控制的主要因素有以下几个方面(1)轧制力的变化；轧制力的变化；(2)来料板凸度的变化；来料板凸度的变化；(3)原始轧辊的凸度；原始轧辊的凸度；(4)板宽度；板宽度；(5)张力；张力；(6)轧辊接触状态；轧辊接触状态；(7)轧辊热凸度的变化。轧辊热凸度的变化。5.3 板形质量在线检测技术5.4 板形检测仪的种类板形检测仪分为接触式和非接触式两大类，但是从原理上
43、分种类就很多了。带材生产有热轧和冷轧之分。热轧带材的板形检测仪在高温、潮湿的恶劣环境中工作，要求该板形检测仪能适应这种环境。热轧板带在无张力下运行，一般直接检测板带的视在板形。冷轧板带一般前后有大张力，因此要求该板形仪必须能检测出板带的 潜在板形，一般采用接触式板形仪可检测潜在板形。不可能有一种板形检测仪能适应各种板带轧制情况。从当前研究情况来看，板形检测仪器主要有接触式和非接触式两大类。非接触式又分为电磁法、气动法、变位法、振动法、光学法、音波法和放射线法等。板形检测仪国外厂商：一、DAVY（SIEMENS/VAI）英国 VIDIMON 空气轴承悬浮式；二、ABB瑞典压磁式；三、德国Ache
44、nbachBFI压电式；四、美国Thermo/RadiometrieX射线式。5.5 对板形检测装置的主要要求对板形检测装置的主要要求1）高精度，即它能够如实地精确地反映板带的板形状况，为操作者或控制系统提供可靠的在线信息；2）良好的适应性，即它可以用于测量不同材质、不同规格 的产品，在轧制线的恶劣环境中可以长时间地工作而不 发生故障或降低精度；3）安装方便、结构简单，易于维护；4）对带材不造成任何损伤。5.6 表面质量与板形控制板形控制是一项综合技术，生产中必须通过先进的控制手段与工艺参板形控制是一项综合技术，生产中必须通过先进的控制手段与工艺参数的合理匹配，才能获得理想的板形。数的合理匹配
45、，才能获得理想的板形。改善和提高板形控制水平，需要从两个方面入手，一是从设备配置方改善和提高板形控制水平，需要从两个方面入手，一是从设备配置方面，如采用先进的板形控制手段，增加轧机刚度等；二是从工艺配置面，如采用先进的板形控制手段，增加轧机刚度等；二是从工艺配置方面，包括轧辊原始凸度、串辊的给定、变形量与道次分配等。方面，包括轧辊原始凸度、串辊的给定、变形量与道次分配等。常规的板形控制手段主要有弯辊控制技术、倾辊控制技术和分段冷却常规的板形控制手段主要有弯辊控制技术、倾辊控制技术和分段冷却控制技术等。近年来，一些特殊的控制技术，如抽辊技术控制技术等。近年来，一些特殊的控制技术，如抽辊技术(HC
46、(HC 轧机和轧机和UC UC 系列轧机系列轧机)、涨辊技术、涨辊技术(VC(VC 轧机和轧机和IC IC 轧机轧机)、轧制力分布控制技术、轧制力分布控制技术(DSR(DSR 动态板形辊动态板形辊)和轧辊边部热喷淋技术等先进的板形控制技术，得和轧辊边部热喷淋技术等先进的板形控制技术，得到日益广泛的应用。到日益广泛的应用。1.板形与板凸度的基本概念2.板形与板凸度控制的执行机构3.热轧板形与板凸度控制4.冷轧带材的板形控制5.板形与板凸度模拟分析系统6.过程控制与自动化5.7 板形与板凸度的控制5.5.8 8 板型仪组成结构及工作原理板型仪组成结构及工作原理测量辊有一个钢质的内核，带有测量辊有一
47、个钢质的内核，带有4 4个轴向的凹槽，在凹槽里面的磁力个轴向的凹槽，在凹槽里面的磁力-弹性形变传感器受到了保护。辊子被划分成弹性形变传感器受到了保护。辊子被划分成26mm26mm和和/或或52mm52mm宽的测量宽的测量区域，每个区域带有区域，每个区域带有4 4个传感器。个传感器。传感器的构造类似于一个变压器。内核包含有一定量的平板，由一大传感器的构造类似于一个变压器。内核包含有一定量的平板，由一大片金属板冲压得到，带有适当的磁性。在机械加载情况下，主线圈和片金属板冲压得到，带有适当的磁性。在机械加载情况下，主线圈和二级线圈间的磁耦合会改变。输出电压改变的结果是对应用力的测量。二级线圈间的磁耦
48、合会改变。输出电压改变的结果是对应用力的测量。所有主侧的传感器都是串联的。在次级侧，所有主侧的传感器都是串联的。在次级侧，4 4个传感器串联在一起形个传感器串联在一起形成一个测量区域。反向成对连接有利于板带张力改变的寄存，且将温成一个测量区域。反向成对连接有利于板带张力改变的寄存，且将温度变化和离心力对输出信号的影响减小到了一个可以忽略的水平。度变化和离心力对输出信号的影响减小到了一个可以忽略的水平。5.8.1 BFI 板形辊组成结构板形辊安装 Measuring Roll 板形应力传感器原理板形应力传感器原理板带应力测量点的分布板带应力测量点的分布 板形仪的电气连接板形仪的电气连接 板形辊信
49、号数据输出连接组件板形辊信号数据输出连接组件板形仪信号采集与传输板形显示板形显示 Flatness Display板形自动控制（AFC）系统板形测控 通过周期地通过周期地测量测量运动板带施加于板形辊横向各测运动板带施加于板形辊横向各测量点上的压强，对当前板带的平直程度进行整体评估，量点上的压强，对当前板带的平直程度进行整体评估，进而对凸度、串辊等调节装置施以相应的进而对凸度、串辊等调节装置施以相应的控制控制，以使板，以使板带在轧制过程中达到目标板形。带在轧制过程中达到目标板形。板形的闭环控制回路板形的闭环控制回路 Flatness congtrol circuits6.张力计磁电式张力仪测量原
50、理磁电式张力仪测量原理：张力传感器的测量原理基于压磁效应，即在机械加载的情况下，导磁材料的磁性能将发生变化。张力计的传感头是由铁磁材料做成，这个传感器的中央有两组线圈成一定角度穿过铁磁材料，这两组线圈分别叫做原线圈和次级线圈，在原线圈中通以稳定的交流电流，无机械加载时由于两个线圈时垂直绕制的，他们之间没有磁耦合，因此载次级线圈中没有感应电压。当传感头受压时，导致铁磁材料中次级线圈的磁场发生变化，从而在次级线圈中产生一个交变电流，电流的大小通过整流按比例以直流输出相应信号值。如下图所示：6.1 张力计原理及组成结构6.2 张力计相关计算公式-其中：其中：FR：在测量方向的张力分量在测量方向的张力
