CN105290115B - 冷轧硅钢边降控制调控功效系数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷轧硅钢边降控制调控功效系数的确定方法，以五机架冷轧硅钢单锥度工作辊窜辊轧机为对象，以带钢边降最小作为目标函数，应用硅钢材料的有限元分析方法，通过弹塑性材料设定、接触边界设置、模型网格划分、边界条件设置和N‑R迭代非线性求解，获取有效的准确计算窜辊调整量的边降控制调控功效系数。本发明能够提高工作辊锥形段插入调节量的精度，快速有效地控制带钢边部减薄缺陷，进而提高冷轧硅钢成品的质量，使硅钢产品的边部减薄平均值≤10μm的比率达到100%，边部减薄平均值≤8μm的比率达到98.5%。本发明可以利用原有控制设备，易于维护，节省技术引进资金的投入。

Description

冷轧硅钢边降控制调控功效系数的确定方法

技术领域

本发明属于冷轧工艺控制领域，特别涉及一种冷轧硅钢单锥度工作辊窜辊轧机的边降控制调控功效系数的确定方法。

背景技术

冷轧硅钢作为国家优先发展的高效节能、用量大的优秀软磁功能材料，是我国钢铁工业品种结构调整的重中之重，广泛应用于电力、机电、邮电和军工等领域。横向厚差是硅钢产品的重要质量指标，决定了硅钢的叠片系数，因此为了提高电机和变压器效率，对硅钢的横向厚差的要求极高，普通要求≤10μm，高级要求≤5μm。为了能够反映带钢横向厚差的情况，目前通常采用边缘降量的方法，就是带钢边部特定点与基准点厚度的差值量。冷轧过程中带钢边部减薄现象是由轧机工作辊的弹性压扁及带钢边部区域金属的横向流动引起的。为了减少带钢的边部减薄缺陷，通常采用具有单锥度工作辊窜辊的轧机T-WRS(TaperWork Roll Shifting Mill)，其工作辊分为常规段(一般为平辊)和锥形段，如图1所示。

硅钢边降控制的目的是使带钢实测边降值与目标边降值一致。为此，需要根据工作辊锥形段对带钢边部各个特征点的影响效果，综合考虑确定锥形段插入调节量。为了达到这一目的，在窜辊调节量计算中需要采取有效的调控功效系数，通过检测到的特定点实际边部减薄量与相应的调控功效系数乘积，获得有效的窜辊插入调节量来消除边部减薄缺陷。边降控制模型中引入调控功效系数这一概念，导致了模型控制逻辑的革新，将有助于提高边降控制系统的效能，进一步改善带钢横向厚度质量。

国内外有关边降控制调控功效系数工艺方法的专利和文献几乎没有，调控功效系数经常作为带钢板形控制的重要因素提出，且有过相关文献介绍，但作为边降控制中调控功效系数的工艺方法，尚未见相关文献介绍，可以说是一直作为最核心技术而未公开。

发明内容

本发明旨在提供一种适合于冷轧硅钢单锥度工作辊窜辊轧机的边降控制调控功效系数的确定方法，通过综合考虑带钢边部多个特征点的边部减薄程度，给出轧机S1(第1机架)精确计算窜辊插入量的有效调控功效系数，从而提高硅钢生产过程中边缘降量的控制精度。

为达此目的，本发明采取了如下解决方案：

一种冷轧硅钢边降控制调控功效系数的确定方法，其特征在于，冷轧硅钢单锥度工作辊窜辊轧机的边降控制调控功效系数的定义如下式所示：

式中：i为机架号；j为特征点位置；δS_Wi为工作辊窜辊量变化；δED_i,aj为第i机架的aj特征点在窜辊量变化δS_Wi时的边降变化量。

单锥度工作辊窜辊边降调控功效系数的计算是基于辊系-轧件一体弹塑性有限元模型的仿真得来。调控功效系数的具体确定方法为：

1、弹塑性材料设定

弹性模量主要随温度变化而变化，一般正比于金属的沸点，随温度的升高而降低；带钢轧制属于大应变塑性问题，弹性变形占总变形量10^-2，可以简化为理想塑性问题处理；在板带冷连轧的过程中，金属均受三向压缩，不存在反向屈服的可能，因而，采用各向同性硬化准则；在冷连轧生产中，轧制速度由很低增加到很高，轧制平均单位压力不变或降低，因此不考虑变形速度对变形抗力的影响；根据冷连轧的特点，无取向硅钢的静态变形抗力主要与相应的累计变形程度有关，需要通过将带钢轧制不同厚度进行拉伸试验进行回归，取前几机架累计变形量的真实应变所对应的真实应力为下一道次的屈服强度；有限元模型中的材料参数为：轧辊弹性模量为2.1×10⁵MPa，带钢弹性模量为2.05×10⁵MPa，轧机5个机架的带钢变形抗力分别为280MPa,660MPa,764MPa,810MPa,832MPa。

2、接触边界设置

辊系-轧件耦合模型中，轧辊之间、工作辊与带钢之间存在复杂的接触关系，对于接触问题，接触体的变形和接触边界的摩擦作用使得边界条件随加载过程而变，两接触体间的接触面积和接触压力分布随外载荷的变化而变化，并与接触体的刚度系数有关，属于边界非线性问题。

为了反映轧制过程的真实受力情况，模型中考虑辊系的挠曲和压扁变形以及带钢的塑性变形，因此接触均采用柔-柔接触类型的面-面接触方式；采用直接约束的接触算法追踪物体的运动轨迹，一旦检测出接触的发生，便将接触所需的运动约束即法向无相对运动，切向可滑动和节点力作为边界条件，直接施加在产生接触的节点上，程序根据物体的运动约束和相互作用自动探测接触区域；摩擦模型采用滑动库伦摩擦模型，根据冷轧现场实际情况，将摩擦系数定义为0.05。

3、模型网格划分

网格划分是有限元分析中最重要的因素之一，所划分的网格形式对计算精度和计算规模有决定性的影响；轧辊和轧件均采用六面体8节点等参单元划分网格，为保证精度，各接触区域网格细分；考虑到带钢边部发生横向流动，为较准确地描述其流动特性，带钢边部进行网格细划，单元长宽高尺寸为1:1:1，但由于模型中带钢宽厚比很大，为了保证计算模型不过大，划分网格时，考虑到带钢宽向变形远远小于轧制方向和带钢厚向的变形，带钢宽度方向网格尺寸设置为厚度方向的20倍，轧制方向和厚向网格尺寸应趋于1:1；以宽度为1230mm、厚度为2mm的典型硅钢带钢建模，带钢厚度方向的网格尺寸为0.5mm，带钢长度方向的网格尺寸为0.5mm，带钢宽度方向网格尺寸为10mm；由于采用直接解法求解接触问题，同时由于辊-辊及辊-带钢接触区受力弹性压扁，近似直线，因此接触区域网格密度只需保证轧后带钢运动方向不出现锯齿形厚度分布即可。

4、边界条件设置

模型在带钢1/2宽度截面施加Z向对称约束UZ＝0，在轧辊辊径中心施加X向位移约束UX＝0；另外，为便于带钢咬入，在带钢尾部设置速度低于轧辊线速度的刚性面迫使带钢咬入，咬入后刚性面与带钢脱离接触，并在带钢头部尾部施加前张应力σ_f和后张应力σ_b；各机架前后张力逐渐增大，第3机架前张力适当减小，在工作辊的端部以旋转的刚性面带动工作辊旋转，中间辊及支持辊在摩擦力带动下被动旋转，摩擦系数取0.1，在支持辊辊颈中心施加Y向位移边界，模拟辊系压下。

5、N-R迭代非线性求解

由于材料中所发生的塑性应变是不可逆的，并且塑性应变要消耗能量，因此塑性是一种路径相关现象；对于大应变的有限塑性变形问题，模型采用更新的Lagrangian格式确定应变的定义，非线性方程组采用迭代的方法求解，本模型所用的迭代方法称为NewtonRaphson法，可写成下式：

{u_i+1}＝{u_i}+{△u_i}

式中，为Jacobian形式系数矩阵；{u}为未知自由度值的向量；I为第i次迭代；为对应单元增量载荷的内力向量；{F^a}为名义载荷向量；

将Newton Raphson法在一个载荷步内分为三个子步，每个子步通过3次平衡迭代后达到平衡收敛；

根据同一道次不同窜辊量边部增厚的实际检测数据，从中提取工作辊窜辊量改变量δS_Wi的特征点aj的边降改变值δED_i,aj，代入上述方程中计算得到一系列边降调控功效系数离散点，形成调控功效系数，即窜辊量与边升量的对应关系。

本发明的主要特点及有益效果为：

本发明以五机架冷轧硅钢单锥度工作辊窜辊轧机为对象，以带钢边降最小作为目标函数，应用硅钢材料的有限元分析方法，获取有效的准确计算窜辊调整量的边降控制调控功效系数，其主要特点为：

1、提出适应工业应用的工作辊窜辊边降控制调控功效系数的定义。

2、基于辊系-轧件一体弹塑性有限元模型计算给出边降调控功效系数。

3、给出适合冷轧硅钢边降控制的单锥度工作辊窜辊的调控功效系数。

本发明能够提高工作辊锥形段插入调节量的精度，快速有效地控制带钢边部减薄缺陷，进而提高冷轧硅钢成品的质量。实验结果表明，应用本发明的边降控制调控功效工艺计算方法和给定参数，可大幅度提高冷轧硅钢边部减薄缺陷的控制效果，使硅钢产品的边部减薄平均值≤10μm的比率达到100％，边部减薄平均值≤8μm的比率达到98.5％。本发明可以利用原有控制设备，易于维护，节省技术引进资金的投入。

附图说明

图1是单锥度工作辊窜辊原理图；

图2是Newton Raphson法在一个载荷步内的迭代路径图；

图3是调控功效系数曲线图；

图4是操作侧边降控制效果图；

图5是工作侧边降控制效果图。

图3中KSF1ED0-120表示S1机架特征点从0～120mm的功效系数曲线。

具体实施方式

以硅钢aw800为例，预设来料宽度为1075mm，预设厚度为2.5mm，预设来料凸度为C40＝40μm，各机架固定工况参数如表1所示，根据各机架不同工作辊窜辊量S_Wi连续计算各机架出口轧件厚度分布。

表1各机架固定工况参数表

基于工作辊窜辊六辊轧机的反对称性，采用MSC.Marc有限元软件建立了轧机辊系-带钢耦合隐式1/2三维有限元模型。所建立的辊系-带钢耦合隐式静力模型具有以下特点：(1)模型中轧辊为弹性材料，轧件为弹塑性材料，使之成为真正的辊系-轧件耦合模型，能真实反映轧辊挠曲、压扁以及轧件受力变形和横向流动；模型中包含轧件，可以分析轧件厚度和变形抗力等影响因素的效果；

(2)对于上下辊系呈反对称的UCM机型来说，1/2模型就能够更真实地反映辊系和轧件的变形；模型的几何参数如表2所示。

表2模型几何参数表

(3)由于是动态模型，仿真模拟支持辊压下，因此模型计算达到稳定的标志是轧制力不随时间剧烈波动。如图2所示将Newton Raphson法在一个载荷步内分为三个子步，每个子步通过3次平衡迭代后达到平衡收敛。

有限元仿真计算提供一定离散点的窜辊边降调控功效系数值，这些离散点受到以下参数的约定：钢种、宽度、厚度、道次负荷分配。由于目前1500冷连轧机组道次负荷分配是依据钢种、宽度、厚度而确定，因此，可以以钢种、宽度、厚度划分层别，建立窜辊边降调控功效系数数据库，图3为调控功效系数分布曲线。同时将生成的调控功效系数应用于实际边降控制效果如图4、图5所示，生成特征点的调控功效系数数据如下：

带钢边部0mm位置调控功效：

窜辊量mm	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
														边部增厚μm	0.5	1	3	5	10	16	23	30	40	50	60	71	84

带钢边部10mm位置调控功效：

窜辊量mm	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
														边部增厚μm	0	0.4	1	3	6	10	16	22	30	40	50	59	71

带钢边部20mm位置调控功效：

窜辊量mm	0～10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
													边部增厚μm	0	0.45	1.1	3	6	10	16	22	30	40	50	60

带钢边部30mm位置调控功效：

窜辊量mm	0～20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
												边部增厚μm	0	0.55	1.2	3	6	10	16	22	30	39	49

带钢边部40mm位置调控功效：

窜辊量mm	0～30	40	50	60	70	80	90	100	110	120
											边部增厚μm	0	0.5	1	3	6	10	16	22	30	40

带钢边部50mm位置调控功效：

窜辊量mm	0～40	50	60	70	80	90	100	110	120
										边部增厚μm	0	0.4	1	3	6	10	16	22	30

带钢边部60mm位置调控功效：

窜辊量mm	0～50	60	70	80	90	100	110	120
									边部增厚μm	0	0.45	1	3	6	10	16	22

带钢边部70mm位置调控功效：

窜辊量mm	0～60	70	80	90	100	110	120
								边部增厚μm	0	0.35	1	3	6	10	16

带钢边部80mm位置调控功效：

窜辊量mm	0～70	80	90	100	110	120
							边部增厚μm	0	0.3	1	3	6	10

带钢边部90mm位置调控功效：

窜辊量mm	0～80	90	100	110	120
						边部增厚μm	0	0.45	1.1	3	6

带钢边部100mm位置调控功效：

窜辊量mm	0～90	100	110	120
					边部增厚μm	0	0.55	1	3

Claims (1)

1.一种冷轧硅钢边降控制调控功效系数的确定方法，其特征在于，冷轧硅钢单锥度工作辊窜辊轧机的边降控制调控功效系数的定义为：

$K_{S_{Wi,aj}}=\frac{{\mathrm{\δED}}_{i,aj}}{{\mathrm{\δS}}_{Wi}}$

式中：i为机架号；j为特征点位置；δS_Wi为工作辊窜辊量变化；δED_i,aj为第i机架的aj特征点在窜辊量变化δS_Wi时的边降变化量；

单锥度工作辊窜辊边降调控功效系数的计算是基于辊系-轧件一体弹塑性有限元模型的仿真得来；调控功效系数的具体确定方法为：

(1)弹塑性材料设定

将弹性变形简化为理想塑性问题，压缩变形采用各向同性硬化准则，且不考虑变形速度对变形抗力的影响；根据冷连轧的特点，通过将带钢轧制不同厚度进行拉伸试验进行回归，取前几机架累计变形量的真实应变所对应的真实应力为下一道次的屈服强度；有限元模型中的材料参数为轧辊弹性模量、带钢弹性模量及轧机5个机架的带钢变形抗力；

(2)接触边界设置

辊系-轧件耦合模型中，两接触体间的接触面积和接触压力分布归属于边界非线性问题；考虑辊系的挠曲和压扁变形以及带钢的塑性变形，采用柔-柔接触类型的面-面接触方式；采用直接约束的接触算法追踪物体的运动轨迹，一旦检测出接触的发生，便将接触所需的运动约束即法向无相对运动，切向可滑动和节点力作为边界条件，直接施加在产生接触的节点上，程序根据物体的运动约束和相互作用自动探测接触区域；摩擦模型采用滑动库伦摩擦模型，根据冷轧现场实际情况，将摩擦系数定义为0.05；

(3)模型网格划分

轧辊和轧件均采用六面体8节点等参单元划分网格，且各接触区域网格细分；考虑到带钢边部发生横向流动，带钢边部进行网格细划，单元长宽高尺寸为1:1:1，带钢宽度方向网格尺寸设置为厚度方向的20倍，轧制方向和厚向网格尺寸趋于1:1，接触区域网格密度以保证轧后带钢运动方向不出现锯齿形厚度分布为准；

(4)边界条件设置

模型在带钢1/2宽度截面施加Z向对称约束UZ＝0，在轧辊辊径中心施加X向位移约束UX＝0；带钢尾部设置速度低于轧辊线速度的刚性面，咬入后在带钢头部尾部施加前张应力σ_f和后张应力σ_b；各机架前后张力逐渐增大，第3机架前张力减小，在工作辊的端部以旋转的刚性面带动工作辊旋转，中间辊及支持辊在摩擦力带动下被动旋转，摩擦系数取0.1，在支持辊辊颈中心施加Y向位移边界，模拟辊系压下；

(5)N-R迭代非线性求解

塑性是一种路径相关现象，对于大应变的有限塑性变形问题，模型采用更新的Lagrangian格式确定应变的定义，非线性方程组采用迭代的方法求解，本模型所用的迭代方法称为Newton Raphson法，可写成下式：

$\[K_i^T\]\left\{{\mathrm{\Δu}}_i\right\}=\left\{F^a\right\}-\left\{F_i^{nr}\right\};\left\{u_{i+1}\right\}=\left\{u_i\right\}+\left\{{\mathrm{\Δu}}_i\right\}$

式中，为Jacobian形式系数矩阵；{u}为未知自由度值的向量；I为第i次迭代；为对应单元增量载荷的内力向量；{F^a}为名义载荷向量；u_i+1为第i+1次迭代的边降量；u_i为第i次迭代的边降量；Δu_i为第i次迭代的边降变化量；

将Newton Raphson法在一个载荷步内分为三个子步，每个子步通过3次平衡迭代后达到平衡收敛；根据同一道次不同窜辊量边部增厚的实际检测数据，从中提取工作辊窜辊量改变量δS_Wi的特征点aj的边降改变值δED_i,aj，代入上述方程中计算得到一系列边降调控功效系数离散点，形成调控功效系数。