CN106011450A - 连退过程以稳定通板与质量控制为目标的张力优化方法 - Google Patents

Abstract

一种连退过程以稳定通板与质量控制为目标的张力优化方法，其主要包括以下由计算机执行的步骤：1、收集机组的关键设备与工艺参数；2、收集带钢的参数；3、定义相关参数；4、相关参数赋初值；5、计算当前工艺段的跑偏因子、瓢曲指数，段内板形、段外板形，带材拉窄量；6计算板形控制函数F(X)，连退机组出口带材总拉窄量ΔB；7、计算张力优化的目标函数；8、输出各工艺段张力优化值。本发明实现了对带钢连退过程中的张力优化设定，在保证产品质量的前提下，最大限度的提高了带钢的稳定通板性。

Description

连退过程以稳定通板与质量控制为目标的张力优化方法

技术领域

本发明属于冶金轧钢技术领域，特别涉及一种冷轧带钢加工的控制方法。

背景技术

冷轧带钢在精整之前，需要经过退火以达到消除加工硬化、残余应力以及改善机械性能的目的。而连续退火由于采用了快速加热、高温退火、快速冷却、过时效处理等技术，能够将清洗、退火、平整、精整等工序合而为一，具备效率高、生产周期短、适合大批量生产等一系列优点而得到了广泛应用。与此同时，连退生产过程中的各类缺陷问题也对技术人员造成了极大困扰：首先，连退炉内带钢的跑偏和热瓢曲缺陷对机组的稳定通板和产品质量危害极大，轻则影响生产效率，重则造成炉内断带，导致机组停产，故而二者一直是现场攻关的重点；其次，作为精整的上游工序，连退炉的出口板形精度对成品板形起着举足轻重的影响，因此，退火前后的带钢板形变化问题也得到了越来越多的关注。而张力作为连退机组的核心工艺参数，其设定优劣与带钢的通板稳定性及板形变化息息相关。除此之外，在连退炉高温段内，张力在改变带钢板形的同时，也会导致带钢宽度方向变窄。

针对以上连退过程中的几大技术难点，纵观国内外所有研究成果，已有许多学者分别采用解析法、有限元法以及实验法等不同手段进行了相关研究^[1-6]，同时为连退炉内张力的设定及优化给出了一定建议，但只针对单一问题，相对较为片面，没有提出针对以上问题的综合优化方案。而现场技术人员对于复杂、多样的带钢产品也只是通过表格法根据钢种、规格合并归类分段处理，操作起来过于死板，对现场经验依赖较大。这样，如何对连退炉各工艺段内张力进行综合优化设定就成为现场攻关的重点。

参考文献：

[1]王海玉，杨荃，张.连续退火炉内双锥度辊辊形参数对带钢跑偏的影响[J].北京科技大学学报，2014，36(7)：373-377

[2]张清东，常铁柱，戴江波.带钢高温态横向瓢曲的理论与试验[J].机械工程学报.2008，44(8)：219-225

[3]令狐克志，乔建军，王洋，等.带钢连退热瓢曲与初始板形关系仿真与实践[J].钢铁.2012,47(2)：58-61

[4]曹强.冷轧高强钢板带热处理过程板形变化规律研究[D].北京：北京科技大学，2015.

[5]Tetsu Matoba，Matsuo Ataka，Itaru Aoki，Takashi Jinma.Effect of Crownon Heat Buckling in Continuous Annealing and Processing Line[J].Iron andSteel.1994，80(8)：61-66

[6]N.Jacques，A.Elias，M.Potier-Ferry，H.Zahrouni.Buckling and wrinklingduring strip conveying in processing lines[J].Journal of Materials ProcessingTechnology.2007，190：33-40

发明内容

本发明的目的在于提供一种在保证产品质量的基础上，最大程度的提高连退机组通板能力的连退过程以稳定通板与质量控制为目标的张力优化方法。

本发明主要是充分结合连退机组的设备与工艺特点，制定了带钢稳定通板综合控制指标，并以此作为控制目标，将带材在各工艺段内的跑偏、热瓢曲作为约束条件，同时兼顾带材板形及拉窄问题，建立了一套适用于连退过程的张力综合优化技术。

本发明包括以下由计算机执行的步骤：

(a)收集机组的关键设备与工艺参数，主要包括：连退机组炉内总工艺段数n，并依次编号，收集各个工艺段内设定张力最大值σ_j,max及最小值σ_j,min，炉辊半径R_j，炉辊平直段长度S_j，炉辊锥度γ_j，机组速度V，带钢与炉辊的摩擦系数μ，相邻炉辊中心线之间的距离H，退火温度T_j；

(b)收集带钢的参数，主要包括：带钢宽度B，带钢厚度h，带钢泊松比ν，带钢临界瓢曲指数λ*，带钢临界跑偏因子ψ*；

(c)定义相关参数，主要包括：第j个工艺段内带钢跑偏因子ψ_j，第j个工艺段内带钢瓢曲指数λ_j，第j个工艺段的段内板形β_j(x)，第j个工艺段的段外板形β'_j(x)，第j个工艺段的带材拉窄量Δb_j，连退机组出口带材总拉窄量ΔB，连退炉出口目标板形β_o(x)，板形控制函数F(X)，带钢最大允许拉窄量ΔB_max，板形控制目标值shape_max，张力优化目标函数G(X)，目标函数初始值G₀，各工艺段设定张力σ_j及过程调整参数σ_k,max、σ_k,min，过程调整参数k，各工艺段张力优化值σ_jy，张力调节步长Δσ，加权系数a_j、b_j、A₁、α₁、α₂；

(d)相关参数赋初值，主要包括：令j＝1，σ₁＝σ_1,min给定目标函数初始值G₀、张力调节步长Δσ以及加权系数a_j、b_j、A₁、α₁、α₂，带钢最大允许拉窄量ΔB_max，板形控制目标值shape_max；

(e)计算当前工艺段的跑偏因子ψ_j、瓢曲指数λ_j，段内板形β_j(x)、段外板形β'_j(x)，带材拉窄量Δb_j，并令σ_j+1＝σ_j+1,min；

(f)判断j≤n是否成立？如果不等式成立，则令j＝j+1，转入步骤(e)；否则，转入步骤(g)；

(g)计算板形控制函数F(X)，连退机组出口带材总拉窄量ΔB；

$F\left(X\right)={\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\{\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\[\frac{1}{B}\sqrt{{\∫}_{-\frac{B}{2}}^{\frac{B}{2}}{\mathrm{\β}}_j{\left(x\right)}^{2}dx}\]\}+{\mathrm{\α}}_1(1-{\mathrm{\α}}_2)\max \left(\right|{\mathrm{\β}}_j\left(x\right)\left|\right)+(1-{\mathrm{\α}}_1)\frac{1}{B}\sqrt{{\∫}_{-\frac{B}{2}}^{\frac{B}{2}}{\left(\right|{{\mathrm{\β}}^{\′}}_n\left(x\right)-{\mathrm{\β}}_o\left(x\right)\left|\right)}^{2}dx}$

$\mathrm{\Δ}B=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\Δb}}_j$

(h)判断是否同时成立？若不等式成立，则转入步骤(i)；否则，转入步骤(k)；

(i)计算张力优化的目标函数G(X)；

$G\left(X\right)=A_1\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_j{\mathrm{\ψ}}_j}{\mathrm{\ψ}*}+(1-A_1)\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{b}_j{\mathrm{\λ}}_j}{\mathrm{\λ}*}$

(j)判断G(X)＜G₀是否成立？如果不等式成立，则记录当前最优张力，令σ_jy＝σ_j，转入步骤(k)；否则，直接转入步骤(k)；

(k)令k＝n；

(l)判断σ_k＜σ_k,max是否成立？如果不等式成立，则令j＝k，σ_k＝σ_k+Δσ，转入步骤(e)；否则，转如步骤(m)；

(m)判断k＞1是否成立？如果不等式成立，则令k＝k-1，转入步骤(l)；否则，转如步骤(n)；

(n)输出各工艺段张力优化值σ_jy。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

工作量小，可在线调节，在保证带钢不发生跑偏、瓢曲等缺陷以及保证带钢材料性能的同时，实现对带钢最终出口板形的精准控制，极大地提高了生产效率，并在最大程度上保证了下游工序对高质量板形的要求。实现了连退机组高速稳定通板，为现场创造了较大的经济效益，具有进一步推广应用的价值。

附图说明

图1为本发明的总计算流程图；

图2为本发明实施例1的段内板形及段外板形曲线图；

图3为本发明实施例2的段内板形及段外板形曲线图。

具体实施方式

实施例1

选取钢种为CQ、规格0.50mm×1500mm的带钢，以国内某厂连退机组为例，建立一套适用于连退过程的张力综合优化方法，其总流程如图1所示：

首先，在步骤1中，收集机组的关键设备与工艺参数，主要包括：连退机组炉内总工艺段数7(加热段、预热段、均热段、缓冷段、快冷段、时效段、终冷段)，并依次编号，收集各个工艺段内设定张力最大值σ_j,max＝{8.9 7.2 7.2 8.5 12.3 12.8 13.6}MPa及最小值σ_j,min＝{7 5.5 5.5 5.4 9.2 9.4 11.5}MPa，炉辊半径R_j＝{450 j＝1···7}mm，炉辊平直段长度S_j＝{450 600 250 450 450 600 450}mm，炉辊锥度γ_j＝{0.003 j＝1···7}rad，机组速度V＝6m/s，带钢与炉辊的摩擦系数μ＝0.1，相邻炉辊中心线之间的距离H＝16000mm，退火温度T_j＝{150 760 760 650 450 130 25}℃；

随后，在步骤2中，收集带钢的参数，主要包括：带钢宽度B＝1500mm，带钢厚度h＝0.5mm，带钢泊松比ν＝0.3，带钢临界瓢曲指数λ*＝0.95，带钢临界跑偏因子ψ*＝58；

随后，在步骤3中，定义相关参数，主要包括：第j个工艺段内带钢跑偏因子ψ_j，第j个工艺段内带钢瓢曲指数λ_j，第j个工艺段的段内板形β_j(x)，第j个工艺段的段外板形β'_j(x)，第j个工艺段的带材拉窄量Δb_j，连退机组出口带材总拉窄量ΔB，连退炉出口目标板形β_o(x)，板形控制函数F(X)，带钢最大允许拉窄量ΔB_max，板形控制目标值shape_max，张力优化目标函数G(X)，目标函数初始值G₀，各工艺段设定张力σ_j及过程调整参数σ_k,max、σ_k,min，过程调整参数k，各工艺段张力优化值σ_jy，张力调节步长Δσ，加权系数a_j、b_j、A₁、α₁、α₂；

随后，在步骤4中，相关参数赋初值，主要包括：令j＝1，σ₁＝7MPa，给定目标函数初始值G₀＝10¹⁰、张力调节步长Δσ＝0.1MPa以及加权系数a_j＝{0.1 0.2 0.2 0.15 0.15 0.10.1}、b_j＝{0.1 0.2 0.2 0.15 0.15 0.1 0.1}、A₁＝0.35、α₁＝0.4、α₂＝0.6，带钢最大允许拉窄量ΔB_max＝1.5mm，板形控制目标值shape_max＝18I；

随后，在步骤5中，计算当前工艺段的跑偏因子ψ₁＝18、瓢曲指数λ₁＝0.21，段内板形β_j(x)、段外板形β'_j(x)(如图2所示)，带材拉窄量Δb₁＝0，并令σ₂＝5.5；

随后，在步骤6中，判断1≤7是否成立？显然不等式成立，则令j＝1+1＝2，转入步骤(5)；

随后，在步骤7中，计算板形控制函数F(X)＝15，连退机组出口带材总拉窄量ΔB＝0.8；

随后，在步骤8中，判断是否同时成立？显然不等式成立，则转入步骤(9)；

随后，在步骤9中，计算张力优化的目标函数G(X)＝0.26；

随后，在步骤10中，判断0.26＜10¹⁰是否成立？显然不等式成立，则记录当前最优张力令σ_1y＝7、σ_2y＝5.5、σ_3y＝5.5、σ_4y＝5.4、σ_5y＝9.2、σ_6y＝9.4、σ_7y＝11.5，转入步骤(11)；

随后，在步骤11中，令k＝7；

随后，在步骤12中，判断11.5＜13.6是否成立？显然不等式成立，则令j＝7，σ_k＝11.5+0.1＝11.6，转入步骤(5)；

随后，在步骤13中，判断7＞1是否成立？显然不等式成立，则令k＝7-1＝6，转入步骤(12)；

随后，在步骤14中，输出各工艺段张力优化值σ_1y＝8.3、σ_2y＝6.7、σ_3y＝6.9、σ_4y＝6.8、σ_5y＝11、σ_6y＝11.3、σ_7y＝13.2。

根据上述实施结果可知，针对不同规格的来料带钢在连退机组各工艺段内的跑偏及瓢曲趋势，在保证带钢质量的前提下，可以通过张力优化加以调节。如表1所示，为采用本发明前后各项指标对比情况。

表1 优化前后各项指标对比

实施例2

选取钢种为CQ、规格0.40mm×1350mm的带钢，以国内某厂连退机组为例，建立一套适用于连退过程的张力综合优化方法：

首先，在步骤1中，收集机组的关键设备与工艺参数，主要包括：连退机组炉内总工艺段数7(加热段、预热段、均热段、缓冷段、快冷段、时效段、终冷段)，并依次编号，收集各个工艺段内设定张力最大值σ_j,max＝{9.1 7.4 7.4 8.7 12.5 12.8 13.6}MPa及最小值σ_j,min＝{7.1 5.7 5.7 5.6 9.4 9.4 11.5}MPa，炉辊半径R_j＝{450 j＝1···7}mm，炉辊平直段长度S_j＝{450 600 250 450 450 600 450}mm，炉辊锥度γ_j＝{0.003 j＝1···7}rad，机组速度V＝6m/s，带钢与炉辊的摩擦系数μ＝0.1，相邻炉辊中心线之间的距离H＝16000mm，退火温度T_j＝{150 760 760 650 450 130 25}℃；

随后，在步骤2中，收集带钢的参数，主要包括：带钢宽度B＝1350mm，带钢厚度h＝0.4mm，带钢泊松比ν＝0.3，带钢临界瓢曲指数λ*＝0.95，带钢临界跑偏因子ψ*＝58；

随后，在步骤3中，定义相关参数，主要包括：第j个工艺段内带钢跑偏因子ψ_j，第j个工艺段内带钢瓢曲指数λ_j，第j个工艺段的段内板形β_j(x)，第j个工艺段的段外板形β'_j(x)，第j个工艺段的带材拉窄量Δb_j，连退机组出口带材总拉窄量ΔB，连退炉出口目标板形β_o(x)，板形控制函数F(X)，带钢最大允许拉窄量ΔB_max，板形控制目标值shape_max，张力优化目标函数G(X)，目标函数初始值G₀，各工艺段设定张力σ_j及过程调整参数σ_k,max、σ_k,min，过程调整参数k，各工艺段张力优化值σ_jy，张力调节步长Δσ，加权系数a_j、b_j、A₁、α₁、α₂；

随后，在步骤4中，相关参数赋初值，主要包括：令j＝1，σ₁＝7.1MPa，给定目标函数初始值G₀＝10¹⁰、张力调节步长Δσ＝0.1MPa以及加权系数a_j＝{0.1 0.2 0.2 0.15 0.150.1 0.1}、b_j＝{0.1 0.2 0.2 0.15 0.15 0.1 0.1}、A₁＝0.35、α₁＝0.4、α₂＝0.6，带钢最大允许拉窄量ΔB_max＝1.4mm，板形控制目标值shape_max＝18I；

随后，在步骤5中，计算当前工艺段的跑偏因子ψ₁＝24、瓢曲指数λ₁＝0.27，段内板形β_j(x)、段外板形β'_j(x)(如图3所示)，带材拉窄量Δb₁＝0，并令σ₂＝5.7；

随后，在步骤6中，判断1≤7是否成立？显然不等式成立，则令j＝1+1＝2，转入步骤(5)；

随后，在步骤7中，计算板形控制函数F(X)＝12，连退机组出口带材总拉窄量ΔB＝0.9；

随后，在步骤8中，判断是否同时成立？显然不等式成立，则转入步骤(9)；

随后，在步骤9中，计算张力优化的目标函数G(X)＝0.29；

随后，在步骤10中，判断0.26＜10¹⁰是否成立？显然不等式成立，则记录当前最优张力令σ_1y＝7.1、σ_2y＝5.7、σ_3y＝5.7、σ_4y＝5.6、σ_5y＝9.4、σ_6y＝9.4、σ_7y＝11.5，转入步骤(11)；

随后，在步骤11中，令k＝7；

随后，在步骤12中，判断11.5＜13.6是否成立？显然不等式成立，则令j＝7，σ_k＝11.5+0.1＝11.6，转入步骤(5)；

随后，在步骤13中，判断7＞1是否成立？显然不等式成立，则令k＝7-1＝6，转入步骤(12)；

随后，在步骤14中，输出各工艺段张力优化值σ_1y＝8.4、σ_2y＝6.9、σ_3y＝6.9、σ_4y＝7.1、σ_5y＝11.2、σ_6y＝11.5、σ_7y＝13.2。

根据上述实施结果可知，针对不同规格的来料带钢在连退机组各工艺段内的跑偏及瓢曲趋势，在保证带钢质量的前提下，可以通过张力优化加以调节。最后，为了说明本发明所述相关技术的先进性，如表2所示，为采用本发明所述方法后某机组近三年年产量及通板缺陷量统计数据。

表2 通板缺陷量及年产量统计

由表2可知，从2013年至2015年全年年产量由554622t增长到604605t，而因跑偏和瓢曲所造成的通板缺陷量却由0.0642％降低到0.0023％，在年产量显著提高的同时，缺陷量得到了有效的控制，为机组创造了较大的经济效益。

Claims (1)

1.一种连退过程以稳定通板与质量控制为目标的张力优化方法，其特征在于：它包括以下由计算机执行的步骤：

(a)收集机组的关键设备与工艺参数，主要包括：连退机组炉内总工艺段数n，并依次编号，收集各个工艺段内设定张力最大值σ_j,max及最小值σ_j,min，炉辊半径R_j，炉辊平直段长度S_j，炉辊锥度γ_j，机组速度V，带钢与炉辊的摩擦系数μ，相邻炉辊中心线之间的距离H，退火温度T_j；

(b)收集带钢的参数，主要包括：带钢宽度B，带钢厚度h，带钢泊松比v，带钢临界瓢曲指数λ*，带钢临界跑偏因子ψ*；

(c)定义相关参数，主要包括：第j个工艺段内带钢跑偏因子ψ_j，第j个工艺段内带钢瓢曲指数λ_j，第j个工艺段的段内板形β_j(x)，第j个工艺段的段外板形β'_j(x)，第j个工艺段的带材拉窄量Δb_j，连退机组出口带材总拉窄量ΔB，连退炉出口目标板形β_o(x)，板形控制函数F(X)，带钢最大允许拉窄量ΔB_max，板形控制目标值shape_max，张力优化目标函数G(X)，目标函数初始值G₀，各工艺段设定张力σ_j及过程调整参数σ_k,max、σ_k,min，过程调整参数k，各工艺段张力优化值σ_jy，张力调节步长Δσ，加权系数a_j、b_j、A₁、α₁、α₂；

(d)相关参数赋初值，主要包括：令j＝1，σ₁＝σ_1,min给定目标函数初始值G₀、张力调节步长Δσ以及加权系数a_j、b_j、A₁、α₁、α₂，带钢最大允许拉窄量ΔB_max，板形控制目标值shape_max；

(e)计算当前工艺段的跑偏因子ψ_j、瓢曲指数λ_j，段内板形β_j(x)、段外板形β'_j(x)，带材拉窄量Δb_j，并令σ_j+1＝σ_j+1,min；

(f)判断j≤n是否成立？如果不等式成立，则令j＝j+1，转入步骤(e)；否则，转入步骤(g)；

(g)计算板形控制函数F(X)，连退机组出口带材总拉窄量ΔB；

$F\left(X\right)={\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\α}}_2\left\{\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\[\frac{1}{B}\sqrt{{\∫}_{-\frac{B}{2}}^{\frac{B}{2}}{\mathrm{\β}}_j{\left(x\right)}^{2}dx}\]\right\}+{\mathrm{\α}}_1\left(1-{\mathrm{\α}}_2\right)\max \left(\left|{\mathrm{\β}}_j\left(x\right)\right|\right)+\left(1-{\mathrm{\α}}_1\right)\frac{1}{B}\sqrt{{\∫}_{-\frac{B}{2}}^{\frac{B}{2}}{\left(|{{\mathrm{\β}}^{\′}}_n\left(x\right)-{\mathrm{\β}}_o\left(x\right)|\right)}^{2}dx}$

$\mathrm{\Δ}B=\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\Δb}}_j$

(h)判断是否同时成立？若不等式成立，则转入步骤(i)；否则，转入步骤(k)；

(i)计算张力优化的目标函数G(X)；

$G\left(X\right)=A_1\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_j{\mathrm{\ψ}}_j}{\mathrm{\ψ}*}+(1-A_1)\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{b}_j{\mathrm{\λ}}_j}{\mathrm{\λ}*}$

(j)判断G(X)＜G₀是否成立？如果不等式成立，则记录当前最优张力，令σ_jy＝σ_j，转入步骤(k)；否则，直接转入步骤(k)；

(k)令k＝n；

(l)判断σ_k＜σ_k,max是否成立？如果不等式成立，则令j＝k，σ_k＝σ_k+Δσ，转入步骤(e)；否则，转如步骤(m)；

(m)判断k＞1是否成立？如果不等式成立，则令k＝k-1，转入步骤(l)；否则，转如步骤(n)；

(n)输出各工艺段张力优化值σ_jy。