CN102744268A - 一种确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法，根据钢卷的原始数据、轧机的设备参数和工艺要求和给定的负荷分配比例系数，然后根据轧制工艺数学模型对轧制工艺参数进行计算，在计算过程中对设备能力进行极限校核，如果超限则对超限的工艺参数进行修正计算，对于不同的工艺条件分别采用不同的压下分配调整策略，进行迭代计算，直到满足算法的收敛条件为止，如果超过系统最大迭代次数或不满足收敛条件，则在画面上显示出错信息提示操作工，修改总道次数或者张力分配后重新进行计算，直到获得的满意的压下分配为止，最后将此压下分配保存到数据库中，为设定计算模型准备数据。

Description

一种确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法

技术领域

本发明涉及冶金自动化领域，尤其涉及一种确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法。

背景技术

压下分配是冷轧轧制中轧机设定计算的重要组成部分，它是根据轧件特性、轧机特性和工艺要求计算出特定意义下最优的厚度分配。合理的压下分配既可以有效地利用现有设备，充分发挥设备潜力，提高轧机的产品质量，同时还能降低轧制能耗。因此，寻找一种合理的压下分配计算方法对于实际生产有着重要的现实意义。

压下分配最主要功能是在钢种、轧制道次、张力、入口厚度、出口厚度已知的情况下，确定各道次的压下率，同时得到相关的轧制工艺参数。单机架可逆冷轧机压下分配计算方法可以分为三个发展时期：以能耗曲线为代表的经验分配法；以轧制负荷比例关系为代表的轧制理论法；以目标优化函数为代表的优化计算方法。

早期生产按照经验进行压下分配，各种规格带钢的压下分配按经验表格形式存储，表格的经验通常以能耗曲线为基础，轧制负荷分配以最小能耗消耗为目标。根据待轧钢卷的钢种、规格从表格中获取经验数据。这种方法没有考虑带钢材料特性的差异和轧制生产条件的变化对控制参数的影响，同时，由于本方法需要以前类似轧机的生产经验数据，它不适应现代冷轧机生产的要求。

随着计算机控制技术的发展，以轧制工艺参数计算模型为基础的轧制理论用于在线控制。以各道次轧制负荷相关关系为目标，通过轧制模型在线计算的方法获得各道次的压下率。

随着冷轧机自动控制技术的发展，提出以单一或多个工艺参数为优化目标，并建立起相应的约束条件，在寻优过程中确定轧机各道次的带钢厚度。计算过程中不同的负荷分配方法使用了动态规划、人工智能等优化计算方法。使用这种方法目标函数和约束条件的结构复杂，并且单纯从理论上构建的目标优化函数和约束条件与轧机实际工况有较大差异。

另外，对于在线过程控制而言，轧制压下分配目标函数的建立可以由生产操作工进行手动干预，因此要求目标函数和约束条件的建立及其物理含义尽可能简单明了，操作工在轧制过程中可以根据实际生产情况对各道次的压下量的分配进行快速干预，但这种方法的使用依赖于操作工的操作水平和经验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法，能够满足不同钢种、不同规格的产品的轧制工艺要求。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1、输入带钢原始数据、设备参数、设备能力参数、模型系数和工艺要求；

步骤2、输入初始轧制总道次数：依据经验给定初始的轧制总道次数；

步骤3、给定各道次带钢出口厚度初值：将总压下率在各道次进行平均分配，计算得到的厚度分配作为迭代计算的初始值；

步骤4、确定带钢单位张力：查带钢单位张力表确定各道次带钢的单位前张力和单位后张力，如果此表中没有，则采用插值或人工输入确定；

步骤5、给定各道次轧制速度初值：确定各道次的轧制速度，取各道次轧制速度的最大值作为其轧制速度初值；

步骤6、检查开卷、卷取功率是否超限：对开卷、卷取功率进行校核，如果超限根据开卷、卷取额定功率的δ1反算轧制速度，并返回到步骤4，修改带钢单位张力后继续计算，直至开卷、卷取功率没有超限；δ1为比例系数，为经验值，取90%-98%；

步骤7、利用工艺数学模型计算轧制工艺参数，工艺参数包括材料变形抗力、各道次摩擦系数、前滑、轧制力、压扁半径；

步骤8、确定第i次迭代的最大轧制力和第i次迭代的最小轧制力所处的道次号；

步骤9、检查是否满足轧制力平衡条件：

$\frac{F\max \left[i\right]-F\min \left[i\right]}{\mathrm{Fm}\left[i\right]}<\mathrm{\&epsiv;}$

上式中，Fmax[i]为第i次迭代的最大轧制力；Fmin[i]为第i次迭代的最小轧制力；Fm[i]为第i次迭代的平均轧制力；ε为对数应变系数，由人为设定；

若不满足轧制力平衡条件则执行步骤10；若满足轧制力平衡条件，则执行步骤11；

步骤10、判断i是否大于最大迭代次数：如果i大于系统设定的最大迭代次数则结束，并输出本次计算的厚度分配；否则根据不同情况分别采用10a或10b调整压下分配：

10a、如果本次迭代的最小轧制力处于最大轧制力的右侧，则：

将Fmin[i]所处道次的压下率增加压下率调节量dr作为下次迭代的压下率，其余道次的压下率保持不变；

采用倒推的方法计算各道次的入口厚度，即根据出口厚度和压下率计算入口厚度；然后根据厚度，重新计算道次压下率；

返回步骤4继续计算；

10b、如果本次迭代的最小轧制力处于最大轧制力的左侧，则：

将Fmin[i]所处道次的压下率增加压下率调节量dr作为下次迭代的压下率，其余道次的压下率保持不变；

采用顺推的方法计算各道次的出口厚度，即根据入口厚度和压下率计算出口厚度；然后根据厚度，重新计算道次压下率；从而计算相关工艺参数；

返回步骤4继续计算；

步骤11、利用工艺数学模型计算轧制力矩、电机转矩、电机功率；对主电机功率进行校核，检查主电机功率是否超限：

11a、若主电机功率超限，则采用工艺数学模型，用主电机额定功率的δ₂，反算各道次的轧制速度，并返回步骤5；δ₂为比例系数，小于δ₁；

11b、若主电机功率未超限，则输出压下分配及轧制工艺参数，将计算得到的厚度分配保存到数据库中。

按上述方案，所述的带钢原始数据包括钢种、来料厚度、成品厚度和宽度；所述的设备参数包括工作辊直径和杨氏弹性模量；设备能力参数包括最大轧制力、最大轧制速度、主电机额定功率、开卷机额定功率和卷取机额定功率；工艺要求包括各道次轧制力平衡负荷分配比例系数。

按上述方案，所述的对数应变系数ε取0.05或者0.1。

按上述方案，所述的压下率调节量dr取0.001。

本发明的工作原理为：根据钢卷的原始数据、轧机的设备参数和工艺要求和给定的负荷分配比例系数，然后根据轧制工艺数学模型对轧制工艺参数进行计算，在计算过程中对设备能力进行极限校核，如果超限则对超限的工艺参数进行修正计算，对于不同的工艺条件分别采用不同的压下分配调整策略，进行迭代计算，直到满足算法的收敛条件为止，如果超过系统最大迭代次数或不满足收敛条件，则在画面上显示出错信息提示操作工，修改总道次数或者张力分配后重新进行计算，直到获得的满意的压下分配为止，最后将此压下分配保存到数据库中，为设定计算模型准备数据。

本发明的有益效果为：

1、本方法对不同的工艺条件分别采用不同的压下分配调整策略，进行迭代计算，原理简单、计算可靠，避免了传统技术中复杂的函数处理；本发明操作简便、实现容易，无须依赖操作工的操作水平和经验，适用于生产现场在线控制。

2、本发明具有推广应用价值，可推广应用于单机架两辊、四辊可逆冷轧机以及多机架冷连轧机的压下分配及过程控制中。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

具体实施方式

基于本发明的确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法可适用于两辊、四辊、六辊单机架冷轧机。本实施例公开的是某单机架六辊可逆冷轧机过程控制系统中的确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法。该六辊轧机可轧制的产品包括普碳钢、高强钢、部分不锈钢和硅钢等。本实施例轧制的是中高牌号硅钢，机型为UCM轧机。

本实施例提供的确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、输入带钢原始数据、设备参数、设备能力参数、模型系数和工艺要求。

带钢原始数据包括钢种、来料厚度、成品厚度和宽度；所述的设备参数包括工作辊直径和杨氏弹性模量；设备能力参数包括最大轧制力、最大轧制速度、主电机额定功率、开卷机额定功率和卷取机额定功率；工艺要求包括各道次轧制力平衡负荷分配比例系数。

带钢原始数据：以钢种HNGO（高牌号无取向硅钢）为例，来料厚度h0=2.3mm，成品厚度hn=0.5，宽度b=1270mm；设备参数：工作辊泊松系数=0.3，工作辊杨氏弹性模量=20600kg/mm²；设备能力参数：轧机最大轧制力Fmax=18000kN，主电机额定功率Nmax=5500kW，开卷机额定功率Nuncoilermax=650kW，卷取机额定功率Ncoilermax=2640kW，工作辊直径wr_diam=340mm，轧机最大出口速度vmax=900m/min，开卷机最大速度vmaxuncoiler=500m/min，卷取机最大速度vmaxcoiler=950m/min，轧制力平衡负荷分配比例系数=1:1:1:1:1。

步骤2、输入初始轧制总道次数：依据经验给定初始的轧制总道次数，PASSCOUNT＝5。

步骤3、给定各道次带钢出口厚度初值：将总压下率在各道次进行平均分配，计算得到的厚度分配作为迭代计算的初始值，计算公式如下：

$h[0,j]=h[0,j-1]\&times;{\left(\frac{\mathrm{hn}}{h0}\right)}^{\frac{1}{n}}---\left(1\right),$

上式中，h[0，j]为第0次迭代时各道次轧制带钢出口厚度；j为道次号，j=1,2,3，…，n为PASSCOUNT总道次数，PASSCOUNT=5（以轧制道次=5为例）；hn为成品带钢厚度；h0为原料带钢厚度。

步骤4、确定带钢单位张力：查带钢单位张力表确定各道次带钢的单位前张力和单位后张力，如果表中没有，则采用插值或人工输入确定。

在本实例中查带钢单位张力表得到的单位张力如下表所示：

步骤5、给定各道次轧制速度初值：确定各道次的轧制速度，取各道次轧制速度的最大值Vmax[j]作为其轧制速度初值Vr[0，j]，j为道次号，j=1～5。

步骤6、检查开卷、卷取功率是否超限：对开卷、卷取功率进行校核，如果超限根据开卷、卷取额定功率的96%反算轧制速度，并返回到步骤4，修改带钢单位张力后继续计算，直至开卷、卷取功率没有超限。

步骤7、利用工艺数学模型计算轧制工艺参数，工艺参数包括材料变形抗力、各道次摩擦系数、前滑、轧制力、压扁半径。

步骤8、确定第i次迭代的最大轧制力和第i次迭代的最小轧制力所处的道次号。

步骤9、检查是否满足轧制力平衡条件：

$\frac{F\max \left[i\right]-F\min \left[i\right]}{\mathrm{Fm}\left[i\right]}<\mathrm{\&epsiv;},$

上式中，Fmax[i]为第i次迭代的最大轧制力；Fmin[i]为第i次迭代的最小轧制力；Fm[i]为第i次迭代的平均轧制力；ε为对数应变系数，由人为设定，一般取0.05或者0.1；

若不满足轧制力平衡条件则执行步骤10；若满足轧制力平衡条件，则执行步骤11。

步骤10、判断i是否大于最大迭代次数：如果i大于系统设定的最大迭代次数则结束，并输出本次计算的厚度分配；否则根据不同情况分别采用10a或10b调整压下分配：

10a、如果本次迭代的最小轧制力处于最大轧制力的右侧，则：

将Fmin[i]所处道次的压下率增加压下率调节量dr作为下次迭代的压下率，其余道次的压下率保持不变；压下率调节量dr一般取0.001。

采用倒推的方法计算各道次的入口厚度，即根据出口厚度和压下率计算入口厚度：

h[i+1,k]=h[i+1,k+1]/(1-r[i+1,k+1])，

上式中k为Fmax与Fmin之间的道次，h[i+1,k]为第i+1次迭代时，第k道次的入口厚度，h[i+1,k+1]为第i+1次迭代时，第k道次的出口厚度，r[i+1,k+1]为第i+1次迭代时，第k+1道次的压下率；

然后根据厚度，重新计算道次压下率；

返回步骤4继续计算；

10b、如果本次迭代的最小轧制力处于最大轧制力的左侧，则：

将Fmin[i]所处道次的压下率增加压下率调节量dr作为下次迭代的压下率，其余道次的压下率保持不变；压下率调节量dr一般取0.001。

采用顺推的方法计算各道次的出口厚度，即根据入口厚度和压下率计算出口厚度：

h[i+1,k+1]=h[i+1,k]*(1-r[i+1,k+1]);

上式中k为Fmax与Fmin之间的道次，h[i+1,k+1]为第i+1次迭代时，第k道次的出口厚度，h[i+1,k]为第i+1次迭代时，第k道次的入口厚度，r[i+1,k+1]为第i+1次迭代时，第k+1道次的压下率；

然后根据厚度，重新计算道次压下率；从而计算相关工艺参数；

返回步骤4继续计算。

步骤11、利用工艺数学模型计算轧制力矩、电机转矩、电机功率；对主电机功率进行校核，检查主电机功率是否超限：

11a、若主电机功率超限，则采用工艺数学模型，用主电机额定功率的93%，反算各道次的轧制速度，并返回步骤5；

11b、若主电机功率未超限，则输出压下分配及轧制工艺参数，将计算得到的厚度分配保存到数据库中。

下表为本实施例的计算结果，由下表可知，采用本方法能够得到在满足轧制力平衡的条件下，同时满足在设备能力允许范围内的满意的压下分配。

道次号	出口厚度(mm)	轧制力(kN)	电机功率(kW)	压扁半径(mm)
					1	1.813	12125.4	3021.8	241.15
2	1.335	12717.7	5452.8	246.40
					3	0.977	12412.2	5461.3	269.40
4	0.697	12085.0	5450.0	293.83
					5	0.5	12088.1	5459.3	346.37

本发明所采用的主要工艺数学模型：

1．变形抗力模型

kp＝kO×(ε+m)ⁿ

上式中：ε为对数应变系数，k0、m、n为模型系数，kp为带钢的平均变形抗力。

ε＝ln(H1/hm)，其中H1为热轧后带钢来料厚度，hm为平均带钢厚度。

hm＝(1-β)×H+β×h，其中H为入口带钢厚度，h为出口带钢厚度，β为加权系数=0.75。

2．摩擦模型

$\mathrm{\&mu;}=m0+\frac{m1}{m2+\mathrm{vr}}$

上式中：μ为摩擦系数，vr为轧制速度，m0、m1、m2为模型系数。

3.轧制力模型

$A1=1.79\&times;\mathrm{\&mu;}\&times;\mathrm{\&gamma;}\&times;\sqrt{\mathrm{\&gamma;}}\&times;R$

$A2=\frac{1}{\mathrm{RP}\&times;\mathrm{nt}}-\frac{A1\&times;\mathrm{CH}}{H-h}$

A3＝1.08-1.02×γ

$A4=\frac{A1}{A2}-\frac{R\&times;\mathrm{CH}}{2}{\left(\frac{A3}{A2}\right)}^2$

$A5={\left(\frac{A1}{A2}\right)}^2+R(H-h){\left(\frac{A3}{A2}\right)}^2$

$A6=\sqrt{{A4}^2-A5}$

F＝b×(A4+A6)

上式中：r为压下率

μ为摩擦系数，R为工作辊半径，H为入口带钢厚度，h

为出口带钢厚度，b为带钢宽度，kp为平均变形抗力，nt为张力影响系数，CH为压扁系数，A1，A2,A3,A4，A5，A6为中间变量，F为轧制力。

$\mathrm{nt}(1-\frac{\mathrm{tb}}{\mathrm{kp}})\&times;(1.05+0.1\&times;\frac{(1-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{kp}})}{(1-\frac{\mathrm{tb}}{\mathrm{kp}})}-0.15\frac{(1-\frac{\mathrm{tb}}{\mathrm{kp}})}{(1-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{kp}})})$

其中，tb为单位后张力，tf为单位前张力，kp为平均变形抗力。

4.工作辊压扁半径模型

$R^{\&prime;}=(1+\frac{\mathrm{CH}\&times;F}{b(H-h)})\&times;R$

上式中：R’为工作辊压扁半径，R为工作辊半径，CH为压扁系数，F为轧制力，b为带钢宽度，H为入口带钢厚度，h为出口带钢厚度

5.中性角模型

$\mathrm{\&phi;}=\sqrt{\frac{h}{R^{\&prime;}}}\&CenterDot;\tan \{\frac{1}{2}\&CenterDot;{\sin }^{-1}\sqrt{r}+\frac{1}{4\mathrm{\&alpha;\&mu;}}\&CenterDot;\sqrt{\frac{h}{R^{\&prime;}}}\&CenterDot;\ln (\frac{h}{H}\&CenterDot;\frac{1-\frac{\mathrm{tb}}{\mathrm{kb}}}{1-\frac{\mathrm{tf}}{\mathrm{kf}}})\}$

上式中：R’为工作辊压扁半径，r为压下率，H为入口带钢厚度，h为出口带钢厚度，tb为单位后张力，tf为单位前张力，kp为平均变形抗力，μ为摩擦系数，α为模型系数。

6.前滑模型

$f=\frac{R^{\&prime;}}{h}\&CenterDot;{\mathrm{\&phi;}}^2:\mathrm{\&phi;}\&GreaterEqual;0$

f=0:φ<0

Ф为中性角。

7.轧制力矩、张力力矩、损失力矩模型

轧制力矩GR模型：

GR＝b×kp×R×(H-h)×DG

$\mathrm{DG}=1.05+(0.07+1.32\&times;\mathrm{\&gamma;})\&times;\mathrm{\&mu;}\&times;\sqrt{\frac{R^{\&prime;}}{H}}-0.85\&times;\mathrm{\&gamma;}$

上式中，R为工作辊半径，R为工作辊压扁半径，r为压下率，H为入口带钢厚度，h为出口带钢厚度，b为带钢宽度，kp为平均变形抗力，μ为摩擦系数。

张力力矩GT模型

GT＝R×b×(tb×H-tf×h)

上式中R为工作辊半径，tb为单位后张力，tf为单位前张力，H为入口带钢厚度，h为出口带钢厚度，b为带钢宽度。

损失力矩GL模型

$\mathrm{GL}=\mathrm{KL}\&times;F\&times;V\&times;\frac{1}{60000}$

上式中，KL为模型系数，F为轧制力，V为轧制速度。

8.电机转矩模型

GM＝GR+GT+GL

9.电机功率模型

HP=0.2192×10^-3·(v/R)·G_M/1.34

上式中，v为轧制速度，R为工作辊半径，GM为电机转矩。

以上实施例仅用于说明本发明的计算思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1、输入带钢原始数据、设备参数、设备能力参数、模型系数和工艺要求；

步骤2、输入初始轧制总道次数：依据经验给定初始的轧制总道次数；

步骤3、给定各道次带钢出口厚度初值：将总压下率在各道次进行平均分配，计算得到的厚度分配作为迭代计算的初始值；

步骤4、确定带钢单位张力：查带钢单位张力表确定各道次带钢的单位前张力和单位后张力，如果带钢单位张力表中没有，则采用插值或人工输入确定；

步骤5、给定各道次轧制速度初值：确定各道次的轧制速度，取各道次轧制速度的最大值作为其轧制速度初值；

步骤6、检查开卷、卷取功率是否超限：对开卷、卷取功率进行校核，如果超限根据开卷、卷取额定功率的δ₁反算轧制速度，并返回到步骤4，修改带钢单位张力后继续计算，直至开卷、卷取功率没有超限；δ₁为比例系数，为经验值，取90%-98%；

步骤7、利用工艺数学模型计算轧制工艺参数，工艺参数包括材料变形抗力、各道次摩擦系数、前滑、轧制力、压扁半径；

步骤8、确定第i次迭代的最大轧制力和第i次迭代的最小轧制力所处的道次号；

步骤9、检查是否满足轧制力平衡条件：

$\frac{F\max \left[i\right]-F\min \left[i\right]}{\mathrm{Fm}\left[i\right]}<\mathrm{\&epsiv;}$

上式中，Fmax[i]为第i次迭代的最大轧制力；Fmin[i]为第i次迭代的最小轧制力；Fm[i]为第i次迭代的平均轧制力；ε为对数应变系数，由人为设定；

若不满足轧制力平衡条件则执行步骤10；若满足轧制力平衡条件，则执行步骤11；

步骤10、判断i是否大于最大迭代次数：如果i大于系统设定的最大迭代次数则结束，并输出本次计算的厚度分配；否则根据不同情况分别采用10a或10b调整压下分配：

10a、如果本次迭代的最小轧制力处于最大轧制力的右侧，则：

将Fmin[i]所处道次的压下率增加压下率调节量dr作为下次迭代的压下率，其余道次的压下率保持不变；

采用倒推的方法计算各道次的入口厚度，即根据出口厚度和压下率计算入口厚度；然后根据厚度，重新计算道次压下率；

返回步骤4继续计算；

10b、如果本次迭代的最小轧制力处于最大轧制力的左侧，则：

将Fmin[i]所处道次的压下率增加压下率调节量dr作为下次迭代的压下率，其余道次的压下率保持不变；

采用顺推的方法计算各道次的出口厚度，即根据入口厚度和压下率计算出口厚度；然后根据厚度，重新计算道次压下率；从而计算相关工艺参数；

返回步骤4继续计算；

步骤11、利用工艺数学模型计算轧制力矩、电机转矩、电机功率；对主电机功率进行校核，检查主电机功率是否超限：

11a、若主电机功率超限，则采用工艺数学模型，用主电机额定功率的δ₂，反算各道次的轧制速度，并返回步骤5；δ₂为比例系数，小于δ₁；

11b、若主电机功率未超限，则输出压下分配及轧制工艺参数，将计算得到的厚度分配保存到数据库中。

2.根据权利要求1所述的确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法，其特征在于：所述的带钢原始数据包括钢种、来料厚度、成品厚度和宽度；所述的设备参数包括工作辊直径和杨氏弹性模量；设备能力参数包括最大轧制力、最大轧制速度、主电机额定功率、开卷机额定功率和卷取机额定功率；工艺要求包括各道次轧制力平衡负荷分配比例系数。

3.根据权利要求1所述的确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法，其特征在于：所述的对数应变系数ε取0.05或者0.1。

4.根据权利要求1所述的确定单机架可逆冷轧机压下分配的方法，其特征在于：所述的压下率调节量dr取0.001。

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