CN109848221A - 一种热连轧轧制全流程负荷分配方法 - Google Patents
一种热连轧轧制全流程负荷分配方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种热连轧轧制全流程负荷分配方法,流程包括:确定生产计划中的PDI数据、轧线基本参数以及轧辊数据;确定轧制过程的工艺和设备限制条件;分别计算加热炉加热能耗和轧制总能耗;将加热炉加热能耗与各道次/机架轧制能耗求和,得到总能耗;用单纯性替换算法求出总能耗的最小值;计算控制目标的值;直至满足所有轧制过程的工艺和设备限制条件,得到能耗最小值,输出耗能最小时对应的出炉温度和各道次/机架的出口厚度;本发明安全可高,计算精度高,从热连轧全加热炉加热能耗和轧制过程轧制能耗两个方面综合考虑,通过目标函数的求解最终确定加热炉出炉温度和各机架的出口厚度,从而达到了降低生产过程能耗的目的。
Description
技术领域
本发明属于轧钢自动控制技术领域,具体涉及一种热连轧轧制全流程负荷分配方法。
背景技术
在热连轧生产过程中,在保证产品质量的前提下,降低生产能耗是生产部门追求的目标,合理的生产工艺制度是降低生产能耗的核心内容之一。针对于热轧轧制过程,良好的温度制度和负荷分配制度能够充分发挥轧机的生产能力,在降低生产能耗的同时,确保生产过程的稳定性,并保证产品的厚度和板形的前提。
对于热轧生产过程来说,生产能耗不仅包括轧制过程能耗,还包括加热炉加热能耗,轧制过程能耗与各机架的负荷分配有关,在板坯入炉温度确定的前提下,加热炉加热能耗高低与出炉温度直接相关,而出炉温度的高低对后续轧制过程中的轧制能耗的高有直接的影响;一般来说,在工艺要求的范围内,出炉温度高,所需加热能耗就会越高,但轧制过程中轧件的变形抗力有减小趋势,导致轧制过程能耗可能降低;出炉温度低,所需加热能耗低,但在轧制过程中轧件的变形抗力有增大趋势,轧制过程中的能耗也随之发生变化。因此,降低热连轧生产过程总能耗需要同时考虑加热炉加热能耗与轧制过程能耗两者的影响。而轧制能耗不仅与出炉温度有关,而且与轧制过程中的负荷分配有关,合理的负荷分配能够降低轧制能耗。
传统的轧制负荷分配的方法多依靠经验法,已经不能满足现代轧钢生产的需要,为充分发挥轧制设备能力,达到节能降耗的目的。长期以来,很多学者的研究工作都是集中在如何调整轧制过程的负荷分配降低轧制过程能耗方面,如文献《热轧带钢负荷分配目标厚度函数法》提出的综合复合函数分配法,文献《基于惩罚项的热连轧轧制规程多目标函数优化》提出的基于板形良好的负荷分配法等,文献《基于KDD和案例推理的热轧负荷分配法》采用案例推理方法进行负荷分配,《一种降低热连轧轧制过程能耗的机架负荷分配方法》采用的改进的差分算法进行复合分配的调整等,上述方法是均能通过某一负荷分配方法得到各机架的出口厚度,并根据温度和穿带速度等参数计算得到轧制功率,进一步通过力能参数校核,完成负荷分配过程。但上述方法存在两方面的缺陷,一方面,在计算轧制过程的能耗的过程中仅考虑了轧制功率,没有考虑轧制时间的影响,由于轧件在轧制过程中轧件的长度发生变化,出口厚度的变化会影响到轧件在各机架轧制的时间,因此轧制过程能耗应考虑轧制时间的影响;另一方面,未考虑初始的加热炉出炉温度的影响;在实际的生产过程中,从降低能耗的角度出发,不仅需要考虑各机架的出口厚度变化对轧制能耗的影响,还应考虑出炉温度变化对加热炉加热能耗的影响。
从热连轧生产全流程的角度出发,轧制全流程负荷分配方法应同时对出炉温度和各机架的出口厚度进行优化,从而达到生产过程能耗最低的目的。
发明内容
基于以上技术问题,本发明提出一种热连轧轧制全流程负荷分配方法,同时优化加热炉出炉温度和轧制过程各机架的出口厚度,使生产过程总能耗最小。
一种热连轧轧制全流程负荷分配方法,具体包括如下步骤:
步骤1:确定生产计划中的PDI数据、轧线基本参数以及轧辊数据;其中,PDI数据包括钢种、板坯尺寸以及成品规格;钢种进一步包括:名称和化学成分,板坯尺寸进一步包括:板坯长度、宽度和厚度,成品规格进一步包括:成品宽度和厚度;轧线基本参数包括粗轧轧制道次数目,精轧机架数目以及各设备的位置等;轧辊参数包括轧辊直径以及材质;
步骤2:确定轧制过程的工艺和设备限制条件,具体包括(1)和(2):
(1)工艺限制条件:
出炉温度限制:针对不同的生产钢种,出炉温度TFUR应限定在一定的范围之内:
TFUR,min≤TFUR≤TFUR,max
其中,TFUR,min为出炉温度最小值,TFUR,max为出炉温度最大值;
精轧入口温度限制:针对不同的生产钢种,精轧入口温度TFET应限定在一定的范围之内:
TFET,min≤TFET≤TFET,max
其中,TFET,min为精轧入口温度最小值,TFET,max精轧入口温度最大值;
精轧出口温度限制:针对不同的生产钢种,精轧出口温度TFDT应限定在一定的范围之内:
TFDT,min≤TFDT≤TFDT,max
其中,TFDT,min为精轧出口温度最小值,TFDT,max为精轧出口温度最大值;
中间坯厚度限制:针对不同的成品规格,中间坯厚度HM应限定在一定范围之内:
HM,min≤HM≤HM,max
其中,HM,min为中间坯厚度最小值,HM,max为中间坯厚度最大值;
压下率限制:针对机架i,压下率ri应小于最大允许值:
ri≤ri,max
其中,ri,max为最大允许值;
(2)设备限制条件:
轧制力限制:轧制力应满足液压设备要求,针对机架i,轧制力Pi应小于最大允许轧制力:
Pi≤Pi,max
其中,Pi,max为最大允许轧制力;
电机转矩限制:电机转矩应满足电机设备要求,针对机架i对应的电机设备,电机转矩Ni应小于最大允许电机转矩:
Ni≤Ni,max
其中,Ni,max为最大允许电机转矩;
电机功率限制:轧制功率应满足电机的负荷要求,针对机架i对应的电机设备,电机功率Pi应小于最大允许电机功率:
Pi≤Pi,max
其中,Pi,max为最大允许电机功率;
轧制速度限制,即电机转速限制:电机转速应满足电机设备要求,针对机架i对应的电机设备,电机转速ni应小于最大允许电机功率:
ni≤ni,max
其中,ni,max为最大允许电机功率;
进一步,通过电机转速可以进一步转化为轧辊线速度的限制,即轧件在某一机架的最大运行速度不能大于通过电机最大转速计算得到的最大速度。
步骤3:分别计算加热炉加热能耗和轧制总能耗;
步骤3.1:计算加热炉热能耗:
其中,TIN为板坯的初始入炉温度,TFUR为出炉温度,假设板坯在加热炉入口和出口温度均匀分布,ms为钢坯重量;cs为钢坯比热容;为加热炉燃烧效率;
步骤3.2:计算轧制总能耗,轧制能耗为粗轧各道次的轧制能耗与精轧各机架的轧制能耗的总和,其中,第i道次/机架的轧制能耗的计算公式如下:
Ji=Ni·ti
其中,Ni为轧制功率,单位为kW;ti为轧件通过粗轧某一道次或精轧某一机架的轧制时间,单位为s;
步骤3.2.1:获得加热炉出炉温度TFUR,获得轧线初始参数,包括轧辊半径R,各机架之间的距离LR,穿带速度V;
步骤3.2.2:根据经验初始负荷分配原则,获得各道次和机架的出入口厚度,设定第i道次/机架的入口厚度为Hi,出口厚度为hi,上一道次/机架的出口厚度为下一道次/机架的入口厚度,即hi=Hi+1,粗轧区轧制速度为设定值,精轧区各机架的速度vi可以按照秒流量恒定原则,根据各机架的出口厚度计算得到;
步骤3.2.3:轧件入口温度计算:
轧件在运输辊道运行,通过辐射和对流的方式散出热量造成空冷温降,与高压水或冷却水接触产生水冷温降,第i道次/机架轧件入口温度Ti,0计算公式如下所示:
Ti,0=Ti-1,1+△Ta,i+△Tw,i
其中,△Ta,i为第i道次/机架的空冷温降,单位为K;△Tw,i为第i道次/机架的水冷温降,K;Ti-1,1为第i-1道次/机架轧件出口温度,单位为K;针对于粗轧第一道次,加热炉出炉温度为其上一工序的出口温度,即T0,1=TFUR;
第i道次/机架的空冷温降△Ta,i的计算公式如下所示:
其中,T为轧件温度,单位为K;τa为轧件与空气接触的时间,单位为s;ε为热辐射率;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数;cs为轧件比热,单位为J/kg·K;γ为轧件密度,单位为kg/m3;
第i道次/机架的水冷温降△Tw的计算公式如下所示:
其中,Twater为冷却水温度,单位为K;aw为对流换热系数,单位为W/(m2·K);τw为轧件与冷却水接触的时间,单位为s;
轧制变形过程中发生塑性变形产生变形热,与轧辊相对运动产生摩擦热和接触温降,第i道次/机架出口温度由下式计算:
Ti,1=Ti,0+△Td,i+△Tf,i+△Tc,i
其中,△Td,i为第i道次/机架的变形热,单位K;△Tf,i为第i道次/机架的摩擦热,单位为K;△Tc,i为第i道次/机架的接触温降,单位为K;
第i道次/机架的变形热△Td,i计算公式为:
其中,β为轧件与轧辊的热传导效率;
第i道次/机架的摩擦热△Tf,i计算公式为:
其中,μ为摩擦系数,0<μ<1,lc,i为接触弧长度;
第i道次/机架的接触温降△Tc,i计算公式为:
其中,Troll为轧辊温度,单位K;hm,i为轧件平均厚度,单位为mm,
步骤3.2.4:计算变形抗力Km,i,单位为MPa;
其中,εi为变形程度,单位为%,由如下公式计算:
其中,△hi为第i道次/机架压下量,单位为mm,由如下公式计算:
△hi=Hi-hi;
其中,为第i道次/机架变形速率,单位为s-1,由如下公式计算:
其中,vi为轧件通过第i道次/机架时的速度;
步骤3.2.5:计算机架轧制力Pi,公式如下:
Pi=1.15Km,ilc,iQPw/1000
其中,lc,i为接触弧长,单位为mm;QP为应力状态影响系数,w为轧件宽度,单位为mm;
接触弧长由下式计算;
应力状态影响系数由下式计算:
步骤3.2.6:计算压扁半径
R′为压扁半径,由如下公式计算;
其中,R为轧辊半径,单位为mm,w为轧件宽度,单位为mm;
步骤3.2.7:压扁半经收敛判断
使用步骤3.2.6计算得到的压扁半径R′替换轧辊半径R,重复步骤3.2.4至步骤3.2.6,将前后两次计算得到的压扁半径进行收敛条件判断,若两次计算得到压扁半径值偏差△R′≤0.01R,则压扁半径收敛,转到步骤3.2.8;若不收敛,继续使用本次计算得到的压扁半径R′替换轧辊半径R,重复步骤3.2.4至步骤3.2.6,直至达到收敛;
步骤3.2.8:计算轧制功率,公式如下:
其中,Mi为第i道次/机架轧制力矩,单位为N·m;n为转速,单位为rad/min;
轧制力矩计算公式为:
Mi=2Pilcψ
其中,ψ为力臂系数,其中粗轧机组ψ=0.40~0.48,其中精轧机组ψ=0.39~0.44;Pi为第i道次/机架轧制力;
步骤3.2.9:计算第i个道次/机架的轧制能耗Ji:
步骤3.2.10:判断此时机架是否为最末机架,若不是最末机架,机架数目加1,则重复步骤3.2.3至步骤3.2.9;若是最末机架,则将所有机架轧制能耗求和,计算轧制总能耗;
步骤4:将加热炉加热能耗与各道次/机架轧制能耗求和,得到总能耗;
计算总能耗,即确定控制目标;
目标是使在保证生产稳定性的前提下,使总能耗最小,总能耗计算公式如下所示:
其中:JT—钢坯加热能耗;Ji—轧制过程轧制能耗;NR—粗轧区的总轧制道次;NF—精轧区机架总数目;在生产过程中,粗轧每轧制一个道次相当于轧件通过粗轧机架一次,每一道次需要计算轧制能耗一次,因此在计算过程中将粗轧道次等效为机架数目。
步骤5:用单纯性替换算法求出优化后的工艺变量的值,即优化后的加热炉出炉温度和各道次/机架的出口厚度;
步骤5.1:确定待优化的工艺变量:待优化的工艺变量为出炉温度TFUR和各道次/机架的出口厚度hi,i=1~n-1;
步骤5.2:利用单纯性替换算法对控制目标进行求解,得到待优化的工艺变量;
步骤5.2.1:采用实际设定规程初始化单纯形中的出炉温度和各道次/机架出口厚度,构造单纯形矩阵;
x=[TFRU,h1,h2,…,hn-1]T+λ[δT,δh,1,δh,2,…,δh,n-1]T
其中,n=NR+NF;
若首次执行本步骤,λ=0;否则,λ=1;δT和δi(1≤i≤n)为随机数,δT∈(-1,1),δi∈(-0.01hn,0.01hn);
步骤5.2.2:采用单纯性替换算法对待优化变量及开始寻优;
步骤5.2.2.1:确定中心位置:
设某次迭代得到的单纯形对应的控制目标值记为fi=(xi):设 则单纯形的最好顶点和最坏顶点分别为xb和xw,去除最坏顶点之后的剩余顶点构成单纯形的中心点x0为:
步骤5.2.2.2:反射操作:
对中心点进行反射,得到最坏点xw的反射点xr,转至步骤6计算反射点对应控制目标值fr。
xr=x0+r·(x0-xw)
式中:r为反射系数。
若fr<fb,转至步骤5.2.2.3;
若用反射点xr替换xw,转至步骤5.2.3;
若转至步骤5.2.2.4;
若转至步骤5.2.2.5;
步骤5.2.2.3:延伸操作:
对xr点进行延伸操作,得到延伸点xe,转至步骤6计算延伸点对应控制目标值fe。
xe=x0+e·(xr-x0)
式中:e为延伸系数。
步骤5.2.2.3.1:若满足fe≤fb,用延伸点xe替换xw,转至步骤5.2.3;否则转至步骤5.2.2.3.2。
步骤5.2.2.3.2:用反射点xr替换xw,转至步骤5.2.3;
步骤5.2.2.4:外收缩操作:
对xr点进行延伸操作,得到收缩点xoc,转至步骤5计算计算延伸点对应控制目标值fe。
xoc=x0+coc·(xr-x0)
式中:coc为外收缩系数;
步骤5.2.2.4.1:若满足fc>fr,转至步骤5.2.2.6;否则转至步骤5.2.2.5.2;
步骤5.2.2.4.2:用收缩点xoc替换xw,转至步骤5.2.3;
步骤5.2.2.5:内收缩操作:
对xh点进行收缩操作,得到收缩点xic,转至步骤5计算计算延伸点对应控制目标值fe。
xic=x0+cic·(xh-x0)
式中:cic为内收缩系数。
步骤5.2.2.5.1:若满足fc>fh,转至步骤5.2.2.6;否则转至步骤5.2.2.5.2。
步骤5.2.2.5.2:用收缩点xic替换xw,转至步骤5.2.3;
步骤5.2.2.6:减小棱长:
原单纯形最好顶点xb保持不动,各棱长减半,计算公式为:
并转至步骤5.2.2.1;
步骤5.2.3:终止准则:
首先计算
判别式为:
式中:η为最小收敛条件。
若满足上式,则xi即满足条件的量,转至步骤6;反之,根据本次得到的单纯形的各顶点重新确定中心位置,转回步骤5.2.2.1。
步骤6:根据优化后的加热炉出炉温度和各道次/机架的出口厚度,按照步骤4中的公式计算控制目标的值;
步骤7:根据步骤2中工艺和设备限制条件进行判断,若满足所有限制条件,则输出出炉温度和各道次或机架的出口厚度,完成负荷分配过程,若不满足所有限制条件,转到步骤5.2.1,重新生成随机数,重新构造单纯形矩阵,直至满足所有步骤2中限制条件,得到能耗最小值,输出此时对应的出炉温度和各道次/机架的出口厚度值。
有益技术效果:
本发明提出了一种热连轧轧制全流程负荷分配方法。在工艺要求的许可范围之内,确定最优的出炉温度和轧区(粗轧区和精轧区)各机架的出口厚度,使生产过程的总能耗降到最低。
本发明安全可高,计算精度高,能够成功应用于热连轧机全流程负荷分配过程,从热连轧全加热炉加热能耗和轧制过程轧制能耗两个方面综合考虑,通过目标函数的求解最终确定加热炉出炉温度和各机架的出口厚度,从而达到了降低生产过程能耗的目的。
附图说明
图1为本发明实施例的一种热连轧轧制全流程负荷分配方法整体流程图;
图2为本发明实施例的计算轧制总能耗流程图;
图3为本发明实施例的采用单纯性替换算法对待优化变量及开始寻优流程图;
图4为本发明实施例的热连轧轧线布置图。
图中,1-加热炉;2-粗轧机组;3-精轧机组;4-板坯;5-中间坯;6-成品。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明,本实施方式采用典型热连轧生产线,布置形式如图4所示,板坯4经过加热炉1加热至目标出炉温度之后,到达粗轧机组2,经过总数为奇数道次的轧制后,得到中间坯5,而后到达精轧机组3,顺次通过各机架之后,得到成品6。
一种热连轧轧制全流程负荷分配方法,如图1所示,具体包括如下步骤:
步骤1:确定生产计划中的PDI数据、轧线基本参数以及轧辊数据;其中,PDI数据包括钢种、板坯尺寸以及成品规格;钢种进一步包括:名称和化学成分,板坯尺寸进一步包括:板坯长度、宽度和厚度,成品规格进一步包括:成品宽度和厚度;轧线基本参数包括粗轧轧制道次数目,精轧机架数目以及各设备的位置等;轧辊参数包括轧辊直径以及材质;
PDI数据如表1所示,轧线基本参数如表2所示,轧辊数据中的轧辊半径如表3所示,粗轧轧辊材质为高铬铸钢轧辊,精轧F1-F4机架为高速钢轧辊,F5-F7为高耐磨型轧辊。
表1 PDI数据
序号 | 内容 | 数值 | 单位 |
1 | 钢种名称 | Q235B | |
2 | 板坯尺寸 | 7000×1200×230 | mm×mm×mm |
3 | 成品尺寸 | 1200×2.00 | mm×mm |
4 | 化学元素碳 | 0.16 | % |
5 | 化学元素硅 | 0.26 | % |
6 | 化学元素锰 | 0.35 | % |
7 | 化学元素磷 | 0.03 | % |
8 | 化学元素硫 | 0.03 | % |
表2轧线基本参数
序号 | 内容 | 数值 | 单位 |
1 | 粗轧轧制道次数目 | 5 | |
2 | 精轧机架数目 | 7 | |
3 | 精轧机机架间距 | 5 | m |
4 | 加热炉与粗轧间距 | 35 | m |
5 | 粗轧与精轧间距 | 62 | m |
表3轧辊参数
序号 | 内容 | 数值 | 单位 |
1 | 粗轧轧辊直径 | 450 | mm |
3 | 精轧轧辊直径 | 380 | mm |
步骤2:确定轧制过程的工艺和设备限制条件,具体包括(1)和(2):
(1)工艺限制条件:
出炉温度限制:针对不同的生产钢种,出炉温度TFUR应限定在一定的范围之内:
TFUR,min≤TFUR≤TFUR,max
其中,TFUR,min为出炉温度最小值,TFUR,max为出炉温度最大值;
精轧入口温度限制:针对不同的生产钢种,精轧入口温度TFET应限定在一定的范围之内:
TFET,min≤TFET≤TFET,max
其中,TFET,min为精轧入口温度最小值,TFET,max精轧入口温度最大值;
精轧出口温度限制:针对不同的生产钢种,精轧出口温度TFDT应限定在一定的范围之内:
TFDT,min≤TFDT≤TFDT,max
其中,TFDT,min为精轧出口温度最小值,TFDT,max为精轧出口温度最大值;
中间坯厚度限制:针对不同的成品规格,中间坯厚度HM应限定在一定范围之内:
HM,min≤HM≤HM,max
其中,HM,min为中间坯厚度最小值,HM,max为中间坯厚度最大值;
压下率限制:针对机架i,压下率ri应小于最大允许值:
ri≤ri,max
其中,ri,max为最大允许值;
本实施例中工艺限制条件:如表4所示:
表4工艺限制条件
序号 | 内容 | 下限 | 上限 | 单位 |
1 | 出炉温度 | 1240 | 1270 | |
2 | 精轧入口温度 | 980 | 1080 | ℃ |
3 | 精轧出口温度 | 860 | 890 | ℃ |
4 | 中间坯厚度 | 28 | 38 | mm |
5 | 压下率 | - | 55% | mm |
(2)设备限制条件:
轧制力限制:轧制力应满足液压设备要求,针对机架i,轧制力Pi应小于最大允许轧制力:
Pi≤Pi,max
其中,Pi,max为最大允许轧制力;
电机转矩限制:电机转矩应满足电机设备要求,针对机架i对应的电机设备,电机转矩Ni应小于最大允许电机转矩:
Ni≤Ni,max
其中,Ni,max为最大允许电机转矩;
电机功率限制:轧制功率应满足电机的负荷要求,针对机架i对应的电机设备,电机功率Pi应小于最大允许电机功率:
Pi≤Pi,max
其中,Pi,max为最大允许电机功率;
轧制速度限制,即电机转速限制:电机转速应满足电机设备要求,针对机架i对应的电机设备,电机转速ni应小于最大允许电机功率:
ni≤ni,max
其中,ni,max为最大允许电机功率;
进一步,通过电机转速可以进一步转化为轧辊线速度的限制,即轧件在某一机架的最大运行速度不能大于通过电机最大转速计算得到的最大速度。
设备限制条件,如表5所示:
表5设备限制条件
步骤3:分别计算加热炉加热能耗和轧制总能耗;
步骤3.1:计算加热炉热能耗:
其中,TIN为板坯的初始入炉温度,TFUR为出炉温度,假设板坯在加热炉入口和出口温度均匀分布,ms为钢坯重量;cs为钢坯比热容;为加热炉燃烧效率;
步骤3.2:计算轧制总能耗,轧制能耗为粗轧各道次的轧制能耗与精轧各机架的轧制能耗的综总和,如图2所示,第i道次/机架的轧制能耗的计算公式如下:
Ji=Ni·ti
其中,Ni为轧制功率,单位为kW;ti为轧件通过粗轧某一道次或精轧某一机架的轧制时间,单位为s;
步骤3.2.1:获得加热炉出炉温度TFUR,获得轧线初始参数,包括轧辊半径R,各机架之间的距离LR,穿带速度V;
步骤3.2.2:根据经验初始负荷分配原则,获得各道次和机架的出入口厚度,设定第i道次/机架的入口厚度为Hi,出口厚度为hi,上一道次/机架的出口厚度为下一道次/机架的入口厚度,即hi=Hi+1,粗轧区轧制速度为设定值,精轧区各机架的速度vi可以按照秒流量恒定原则,根据各机架的出口厚度计算得到;
步骤3.2.3:轧件入口温度计算:
轧件在运输辊道运行,通过辐射和对流的方式散出热量造成空冷温降,与高压水或冷却水接触产生水冷温降,第i道次/机架轧件入口温度Ti,0计算公式如下所示:
Ti,0=Ti-1,1+△Ta,i+△Tw,i
其中,△Ta,i为第i道次/机架的空冷温降,单位为K;△Tw,i为第i道次/机架的水冷温降,K;Ti-1,1为第i-1道次/机架轧件出口温度,单位为K;针对于粗轧第一道次,加热炉出炉温度为其上一工序的出口温度,即T0,1=TFUR;
第i道次/机架的空冷温降△Ta,i的计算公式如下所示:
其中,T为轧件温度,单位为K;τa为轧件与空气接触的时间,单位为s;ε为热辐射率,ε=0.7;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,σ=5.69×10-8W/(m2·K4);cs为轧件比热,单位为J/kg·K;γ为轧件密度,单位为kg/m3;
第i道次/机架的水冷温降△Tw的计算公式如下所示:
其中,Twater为冷却水温度,单位为K;aw为对流换热系数,单位为W/(m2·K);τw为轧件与冷却水接触的时间,单位为s;
轧制变形过程中发生塑性变形产生变形热,与轧辊相对运动产生摩擦热和接触温降,第i道次/机架出口温度由下式计算:
Ti,1=Ti,0+△Td,i+△Tf,i+△Tc,i
其中,△Td,i为第i道次/机架的变形热,单位K;△Tf,i为第i道次/机架的摩擦热,单位为K;△Tc,i为第i道次/机架的接触温降,单位为K;
第i道次/机架的变形热△Td,i计算公式为:
其中,β为轧件与轧辊的热传导效率;
第i道次/机架的摩擦热△Tf,i计算公式为:
其中,μ为摩擦系数,0<μ<1,lc,i为接触弧长度;
第i道次/机架的接触温降△Tc,i计算公式为:
其中,Troll为轧辊温度,单位K;hm,i为轧件平均厚度,单位为mm,
步骤3.2.4:计算变形抗力Km,i,单位为MPa;
其中,εi为变形程度,单位为%,由如下公式计算:
其中,△hi为第i道次/机架压下量,单位为mm,由如下公式计算:
△hi=Hi-hi;
其中,为第i道次/机架变形速率,单位为s-1,由如下公式计算:
其中,vi为轧件通过第i道次/机架时的速度;
步骤3.2.5:计算机架轧制力Pi,公式如下:
Pi=1.15Km,ilc,iQPw/1000
其中,lc,i为接触弧长,单位为mm;QP为应力状态影响系数,w为轧件宽度,单位为mm;
接触弧长由下式计算;
应力状态影响系数由下式计算:
步骤3.2.6:计算压扁半径
R′为压扁半径,由如下公式计算;
其中,R为轧辊半径,单位为mm,w为轧件宽度,单位为mm;
步骤3.2.7:压扁半经收敛判断
使用步骤3.2.6计算得到的压扁半径R′替换轧辊半径R,重复步骤3.2.4至步骤3.2.6,将前后两次计算得到的压扁半径进行收敛条件判断,若两次计算得到压扁半径值偏差△R′≤0.01R,则压扁半径收敛,转到步骤3.2.8;若不收敛,继续使用本次计算得到的压扁半径R′替换轧辊半径R,重复步骤3.2.4至步骤3.2.6,直至达到收敛;
步骤3.2.8:计算轧制功率,公式如下:
其中,Mi为第i道次/机架轧制力矩,单位为N·m;n为转速,单位为rad/min;
轧制力矩计算公式为:
Mi=2Pilcψ
其中,ψ为力臂系数,其中粗轧机组ψ=0.40~0.48,其中精轧机组ψ=0.39~0.44;Pi为第i道次/机架轧制力;
步骤3.2.9:计算第i个道次/机架的轧制能耗Ji:
步骤3.2.10:判断此时机架是否为最末机架,若不是最末机架,机架数目加1,则重复步骤3.2.3至步骤3.2.9;若是最末机架,则将所有机架轧制能耗求和,计算轧制总能耗;
步骤4:将加热炉加热能耗与各道次/机架轧制能耗求和,得到总能耗;
计算总能耗,即确定控制目标;
目标是使在保证生产稳定性的前提下,使总能耗最小,总能耗计算公式如下所示:
其中:JT—钢坯加热能耗;Ji—轧制过程轧制能耗;NR—粗轧区的总轧制道次;NF—精轧区机架总数目;在生产过程中,粗轧每轧制一个道次相当于轧件通过粗轧机架一次,每一道次需要计算轧制能耗一次,因此在计算过程中将粗轧道次等效为机架数目。
步骤5:用单纯性替换算法求出优化后的工艺变量的值,即优化后的加热炉出炉温度和各道次/机架的出口厚度,如图3所示;
步骤5.1:确定待优化的工艺变量:待优化的工艺变量为出炉温度TFUR和各道次/机架的出口厚度h1~h11;
步骤5.2:利用单纯性替换算法对控制目标进行求解,得到待优化的工艺变量;
步骤5.2.1:构造初始单纯形;
x=[TFRU,h1,h2,…,h11]T
其中,n=NR+NF;初始单纯形采用经验规程中的出炉温度和各道次/机架出口厚度;
步骤5.2.2:采用单纯性替换算法对待优化变量及开始寻优,如图3所示;
步骤5.2.2.1:确定中心位置
设某次迭代得到的单纯形对应的控制目标值记为fi=(xi):设则单纯形的最好顶点和最坏顶点分别为xb和xw,去除最坏顶点之后的剩余顶点构成单纯形的中心点x0为:
步骤5.2.2.2:反射操作
对中心点进行反射,得到最坏点xw的反射点xr,转至步骤6计算反射点对应控制目标值fr。
xr=x0+r·(x0-xw)
式中:r为反射系数,取r=1。
若fr<fb,转至步骤5.2.2.3;
若用反射点xr替换xw,转至步骤5.2.3;
若转至步骤5.2.2.4;
若转至步骤5.2.2.5;
步骤5.2.2.3:延伸操作
对xr点进行延伸操作,得到延伸点xe,转至步骤6计算延伸点对应控制目标值fe。
xe=x0+e·(xr-x0)
式中:e为延伸系数,取e=2。
步骤5.2.2.3.1:若满足fe≤fb,用延伸点xe替换xw,转至步骤5.2.3;否则转至步骤5.2.2.3.2。
步骤5.2.2.3.2:用反射点xr替换xw,转至步骤5.2.3;
步骤5.2.2.4:外收缩操作
对xr点进行延伸操作,得到延伸点xoc,转至步骤5计算计算延伸点对应控制目标值fe。
xoc=x0+coc·(xr-x0)
式中:coc为外收缩系数,取coc=1/2。
步骤5.2.2.4.1:若满足fc>fr,转至步骤5.2.2.6;否则转至步骤5.2.2.5.2:。
步骤5.2.2.4.2:用收缩点xoc替换xw,转至步骤5.2.3;
步骤5.2.2.5:内收缩操作
对xh点进行收缩操作,得到收缩点xic,转至步骤5计算计算延伸点对应控制目标值fe。
xic=x0+cic·(xh-x0)
式中:cic为内收缩系数,取cic=1/2。
步骤5.2.2.5.1:若满足fc>fh,转至步骤5.2.2.6;否则转至步骤5.2.2.5.2。
步骤5.2.2.5.2:用收缩点xic替换xw,转至步骤5.2.3;
步骤5.2.2.6:减小棱长
原单纯形最好顶点xb保持不动,各棱长减半,计算公式为:
并转至步骤5.2.2.1;
步骤5.2.3:终止准则
首先计算
判别式为:
式中:η为最小收敛条件。
若满足上式,则xi即满足条件的量,转至步骤6;反之,根据本次得到的单纯形的各顶点重新确定中心位置,转回步骤5.2.2.1。
步骤6:根据优化后的加热炉出炉温度和各道次/机架的出口厚度,按照步骤4中的公式计算控制目标的值;
步骤7:根据步骤2中工艺和设备限制条件进行判断,若满足所有限制条件,则输出出炉温度和各道次或机架的出口厚度,完成负荷分配过程,若不满足所有限制条件,转到步骤5.2.1,重新生成随机数,重新构造单纯形矩阵,直至满足所有步骤2中限制条件才完成负荷分配过程,得到能耗最小值,输出此时对应的出炉温度和各道次/机架的出口厚度值。
经验法和本发明方法得到入炉温度、出炉温度、加热能耗如表6所示,经验法和本发明方法得到的各机架的负荷分配结果,粗轧区如表7-1所示,精轧区如表7-2所示:
经验法的加热能耗为:4534693kJ,轧制能耗为3160191kJ,总能耗为7694884kJ;
本方法的加热能耗为:4437023kJ,轧制能耗为3060068kJ,总能耗为7497091kJ;
本方法能够节省能耗:7694884-7497091=197793kJ,证明了该方法的有效性。
表6经验法和本发明方法得到入炉温度、出炉温度、加热能耗
入炉温度/℃ | 出炉温度/℃ | 加热能耗/kJ | |
经验法 | 600 | 1250 | 4534693 |
本方法 | 600 | 1236 | 4437023 |
表7-1:本发明方法得到的各机架的负荷分配结果-粗轧区
表7-2:本发明方法得到的各机架的负荷分配结果-精轧区
Claims (3)
1.一种热连轧轧制全流程负荷分配方法,其特征在于,包括如下流程:
步骤1:确定生产计划中的PDI数据、轧线基本参数以及轧辊数据;其中,PDI数据包括钢种、板坯尺寸以及成品规格;钢种进一步包括:名称和化学成分,板坯尺寸进一步包括:板坯长度、宽度和厚度,成品规格进一步包括:成品宽度和厚度;轧线基本参数包括粗轧轧制道次数目,精轧机架数目以及各设备的位置等;轧辊参数包括轧辊直径以及材质;
步骤2:确定轧制过程的工艺和设备限制条件,具体包括(1)和(2):
(1)工艺限制条件:
出炉温度限制:针对不同的生产钢种,出炉温度TFUR应限定在一定的范围之内:
TFUR,min≤TFUR≤TFUR,max
其中,TFUR,min为出炉温度最小值,TFUR,max为出炉温度最大值;
精轧入口温度限制:针对不同的生产钢种,精轧入口温度TFET应限定在一定的范围之内:
TFET,min≤TFET≤TFET,max
其中,TFET,min为精轧入口温度最小值,TFET,max精轧入口温度最大值;
精轧出口温度限制:针对不同的生产钢种,精轧出口温度TFDT应限定在一定的范围之内:
TFDT,min≤TFDT≤TFDT,max
其中,TFDT,min为精轧出口温度最小值,TFDT,max为精轧出口温度最大值;
中间坯厚度限制:针对不同的成品规格,中间坯厚度HM应限定在一定范围之内:
HM,min≤HM≤HM,max
其中,HM,min为中间坯厚度最小值,HM,max为中间坯厚度最大值;
压下率限制:针对机架i,压下率ri应小于最大允许值:
ri≤ri,max
其中,ri,max为最大允许值;
(2)设备限制条件:
轧制力限制:轧制力应满足液压设备要求,针对机架i,轧制力Pi应小于最大允许轧制力:
Pi≤Pi,max
其中,Pi,max为最大允许轧制力;
电机转矩限制:电机转矩应满足电机设备要求,针对机架i对应的电机设备,电机转矩Ni应小于最大允许电机转矩:
Ni≤Ni,max
其中,Ni,max为最大允许电机转矩;
电机功率限制:轧制功率应满足电机的负荷要求,针对机架i对应的电机设备,电机功率Pi应小于最大允许电机功率:
Pi≤Pi,max
其中,Pi,max为最大允许电机功率;
轧制速度限制,即电机转速限制:电机转速应满足电机设备要求,针对机架i对应的电机设备,电机转速ni应小于最大允许电机功率:
ni≤ni,max
其中,ni,max为最大允许电机功率;
进一步,通过电机转速可以进一步转化为轧辊线速度的限制,即轧件在某一机架的最大运行速度不能大于通过电机最大转速计算得到的最大速度;
步骤3:分别计算加热炉加热能耗和轧制总能耗;
步骤3.1:计算加热炉热能耗:
其中,TIN为板坯的初始入炉温度,TFUR为出炉温度,假设板坯在加热炉入口和出口温度均匀分布,ms为钢坯重量;cs为钢坯比热容;为加热炉燃烧效率;
步骤3.2:计算轧制总能耗,轧制能耗为粗轧各道次的轧制能耗与精轧各机架的轧制能耗的总和,其中,第i道次/机架的轧制能耗的计算公式如下:
Ji=Ni·ti
其中,Ni为轧制功率,单位为kW;ti为轧件通过粗轧某一道次或精轧某一机架的轧制时间,单位为s;
步骤4:将加热炉加热能耗与各道次/机架轧制能耗求和,得到总能耗;
计算总能耗,即确定控制目标;
目标是使在保证生产稳定性的前提下,使总能耗最小,总能耗计算公式如下所示:
其中:JT为钢坯加热能耗;Ji为轧制过程轧制能耗;NR为粗轧区的总轧制道次;NF为精轧区机架总数目;在生产过程中,粗轧每轧制一个道次相当于轧件通过粗轧机架一次,每一道次需要计算轧制能耗一次,因此在计算过程中将粗轧道次等效为机架数目;
步骤5:用单纯性替换算法求出优化后的工艺变量的值,即优化后的加热炉出炉温度和各道次/机架的出口厚度;
步骤6:根据优化后的加热炉出炉温度和各道次/机架的出口厚度,按照步骤4中的公式计算控制目标的值;
步骤7:根据步骤2中工艺和设备限制条件进行判断,若满足所有限制条件,则输出出炉温度和各道次或机架的出口厚度,完成负荷分配过程,若不满足所有限制条件,转到步骤5.2.1,重新生成随机数,重新构造单纯形矩阵,直至满足所有步骤2中限制条件,得到能耗最小值,输出此时对应的出炉温度和各道次/机架的出口厚度值。
2.根据权利要求1所述一种热连轧轧制全流程负荷分配方法,其特征在于,所述步骤3.2中计算轧制总耗能,具体步骤如下:
步骤3.2.1:获得加热炉出炉温度TFUR,获得轧线初始参数,包括轧辊半径R,各机架之间的距离LR,穿带速度V;
步骤3.2.2:根据经验初始负荷分配原则,获得各道次和机架的出入口厚度,设定第i道次/机架的入口厚度为Hi,出口厚度为hi,上一道次/机架的出口厚度为下一道次/机架的入口厚度,即hi=Hi+1,粗轧区轧制速度为设定值,精轧区各机架的速度vi可以按照秒流量恒定原则,根据各机架的出口厚度计算得到;
步骤3.2.3:轧件入口温度计算:
轧件在运输辊道运行,通过辐射和对流的方式散出热量造成空冷温降,与高压水或冷却水接触产生水冷温降,第i道次/机架轧件入口温度Ti,0计算公式如下所示:
Ti,0=Ti-1,1+△Ta,i+△Tw,i
其中,△Ta,i为第i道次/机架的空冷温降,单位为K;△Tw,i为第i道次/机架的水冷温降,K;Ti-1,1为第i-1道次/机架轧件出口温度,单位为K;针对于粗轧第一道次,加热炉出炉温度为其上一工序的出口温度,即T0,1=TFUR;
第i道次/机架的空冷温降△Ta,i的计算公式如下所示:
其中,T为轧件温度,单位为K;τa为轧件与空气接触的时间,单位为s;ε为热辐射率;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数;cs为轧件比热,单位为J/kg·K;γ为轧件密度,单位为kg/m3;
第i道次/机架的水冷温降△Tw的计算公式如下所示:
其中,Twater为冷却水温度,单位为K;aw为对流换热系数,单位为W/(m2·K);τw为轧件与冷却水接触的时间,单位为s;
轧制变形过程中发生塑性变形产生变形热,与轧辊相对运动产生摩擦热和接触温降,第i道次/机架出口温度由下式计算:
Ti,1=Ti,0+△Td,i+△Tf,i+△Tc,i
其中,△Td,i为第i道次/机架的变形热,单位K;△Tf,i为第i道次/机架的摩擦热,单位为K;△Tc,i为第i道次/机架的接触温降,单位为K;
第i道次/机架的变形热△Td,i计算公式为:
其中,β为轧件与轧辊的热传导效率;
第i道次/机架的摩擦热△Tf,i计算公式为:
其中,μ为摩擦系数,0<μ<1,lc,i为接触弧长度;
第i道次/机架的接触温降△Tc,i计算公式为:
其中,Troll为轧辊温度,单位K;hm,i为轧件平均厚度,单位为mm,
步骤3.2.4:计算变形抗力Km,i,单位为MPa;
其中,εi为变形程度,单位为%,由如下公式计算:
其中,△hi为第i道次/机架压下量,单位为mm,由如下公式计算:
△hi=Hi-hi;
其中,为第i道次/机架变形速率,单位为s-1,由如下公式计算:
其中,vi为轧件通过第i道次/机架时的速度;
步骤3.2.5:计算机架轧制力Pi,公式如下:
Pi=1.15Km,ilc,iQPw/1000
其中,lc,i为接触弧长,单位为mm;QP为应力状态影响系数,w为轧件宽度,单位为mm;
接触弧长由下式计算;
应力状态影响系数由下式计算:
步骤3.2.6:计算压扁半径:
R′为压扁半径,由如下公式计算;
其中,R为轧辊半径,单位为mm,w为轧件宽度,单位为mm;
步骤3.2.7:压扁半经收敛判断:
使用步骤3.2.6计算得到的压扁半径R′替换轧辊半径R,重复步骤3.2.4至步骤3.2.6,将前后两次计算得到的压扁半径进行收敛条件判断,若两次计算得到压扁半径值偏差△R′≤0.01R,则压扁半径收敛,转到步骤3.2.8;若不收敛,继续使用本次计算得到的压扁半径R′替换轧辊半径R,重复步骤3.2.4至步骤3.2.6,直至达到收敛;
步骤3.2.8:计算轧制功率,公式如下:
其中,Mi为第i道次/机架轧制力矩,单位为N·m;n为转速,单位为rad/min;
轧制力矩计算公式为:
Mi=2Pilcψ
其中,ψ为力臂系数,其中粗轧机组ψ=0.40~0.48,其中精轧机组ψ=0.39~0.44;Pi为第i道次/机架轧制力;
步骤3.2.9:计算第i个道次/机架的轧制能耗Ji:
步骤3.2.10:判断此时机架是否为最末机架,若不是最末机架,机架数目加1,则重复步骤3.2.3至步骤3.2.9;若是最末机架,则将所有机架轧制能耗求和,计算轧制总能耗。
3.根据权利要求1所述一种热连轧轧制全流程负荷分配方法,其特征在于,所述步骤5中,用单纯性替换算法求出优化后的工艺变量的值,即优化后的加热炉出炉温度和各道次/机架的出口厚度,具体步骤为:
步骤5.1:确定待优化的工艺变量:待优化的工艺变量为出炉温度TFUR和各道次/机架的出口厚度hi,i=1~n-1;
步骤5.2:利用单纯性替换算法对控制目标进行求解,得到待优化的工艺变量;
步骤5.2.1:采用实际设定规程初始化单纯形中的出炉温度和各道次/机架出口厚度,构造单纯形矩阵;
x=[TFRU,h1,h2,…,hn-1]T+λ[δT,δh,1,δh,2,…,δh,n-1]T
其中,n=NR+NF;
若首次执行本步骤,λ=0;否则,λ=1;δT和δi(1≤i≤n)为随机数,δT∈(-1,1),δi∈(-0.01hn,0.01hn);
步骤5.2.2:采用单纯性替换算法对待优化变量及开始寻优;
步骤5.2.2.1:确定中心位置:
设某次迭代得到的单纯形对应的控制目标值记为fi=(xi):设 则单纯形的最好顶点和最坏顶点分别为xb和xw,去除最坏顶点之后的剩余顶点构成单纯形的中心点x0为:
步骤5.2.2.2:反射操作:
对中心点进行反射,得到最坏点xw的反射点xr,转至步骤6计算反射点对应控制目标值fr;
xr=x0+r·(x0-xw)
式中:r为反射系数;
若fr<fb,转至步骤5.2.2.3;
若用反射点xr替换xw,转至步骤5.2.3;
若转至步骤5.2.2.4;
若转至步骤5.2.2.5;
步骤5.2.2.3:延伸操作:
对xr点进行延伸操作,得到延伸点xe,转至步骤6计算延伸点对应控制目标值fe;
xe=x0+e·(xr-x0)
式中:e为延伸系数;
步骤5.2.2.3.1:若满足fe≤fb,用延伸点xe替换xw,转至步骤5.2.3;否则转至步骤5.2.2.3.2;
步骤5.2.2.3.2:用反射点xr替换xw,转至步骤5.2.3;
步骤5.2.2.4:外收缩操作:
对xr点进行延伸操作,得到收缩点xoc,转至步骤5计算计算延伸点对应控制目标值fe;
xoc=x0+coc·(xr-x0)
式中:coc为外收缩系数;
步骤5.2.2.4.1:若满足fc>fr,转至步骤5.2.2.6;否则转至步骤5.2.2.5.2;
步骤5.2.2.4.2:用收缩点xoc替换xw,转至步骤5.2.3;
步骤5.2.2.5:内收缩操作:
对xh点进行收缩操作,得到收缩点xic,转至步骤5计算计算延伸点对应控制目标值fe;
xic=x0+cic·(xh-x0)
式中:cic为内收缩系数;
步骤5.2.2.5.1:若满足fc>fh,转至步骤5.2.2.6;否则转至步骤5.2.2.5.2;
步骤5.2.2.5.2:用收缩点xic替换xw,转至步骤5.2.3;
步骤5.2.2.6:减小棱长:
原单纯形最好顶点xb保持不动,各棱长减半,计算公式为:
并转至步骤5.2.2.1;
步骤5.2.3:终止准则:
首先计算
判别式为:
式中:η为最小收敛条件;
若满足上式,则xi即满足条件的量,转至步骤6;反之,根据本次得到的单纯形的各顶点重新确定中心位置,转回步骤5.2.2.1。
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Application publication date: 20190607 Assignee: TIANJIN ZHONGZHONG SCIENCE TECHNOLOGY & ENGINEERING Co.,Ltd. Assignor: Northeastern University Contract record no.: X2020210000032 Denomination of invention: A load distribution method for the whole process of hot strip rolling Granted publication date: 20191231 License type: Exclusive License Record date: 20201209 |