CN112916624B - 一种ucm轧机板形执行机构调控功效系数获取方法 - Google Patents

一种ucm轧机板形执行机构调控功效系数获取方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112916624B
CN112916624B CN202110125458.XA CN202110125458A CN112916624B CN 112916624 B CN112916624 B CN 112916624B CN 202110125458 A CN202110125458 A CN 202110125458A CN 112916624 B CN112916624 B CN 112916624B
Authority
CN
China
Prior art keywords
strip steel
rolling
plate
rolling mill
regulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110125458.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN112916624A (zh
Inventor
王青龙
孙杰
李旭
张新春
江文强
杨文刚
王璋奇
韩会龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN202110125458.XA priority Critical patent/CN112916624B/zh
Publication of CN112916624A publication Critical patent/CN112916624A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112916624B publication Critical patent/CN112916624B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/28—Control of flatness or profile during rolling of strip, sheets or plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/22—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/22—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length
    • B21B2001/221—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length by cold-rolling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Metal Rolling (AREA)

Abstract

本发明公开了一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，该UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法具体步骤如下：步骤一：获取带钢参数、轧制工艺参数和UCM轧机参数，步骤二：构建板形执行机构的调控功效系数计算获取模型，步骤三：构建轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型，步骤四：利用所述三维弹塑性有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段带钢的厚度和长度数据。该UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，提高了UCM轧机三维有限元模型的精度和稳定性，具有较强的可移植性，可针对不同尺寸和种类的冷热轧生产线进行板形控制研究，具有成本低、可操作性强等特点，且具有更强的适用。

Description

一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法
技术领域
本发明涉及板带轧制技术领域，具体为一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法。
背景技术
板形闭环反馈控制系统是整个板形控制系统中最关键也最为复杂的部分，其控制精度直接影响成品带钢的形状质量，传统板形闭环反馈控制模型一般采用模式识别与解耦计算的方法，现代新型带钢轧机如UCM轧机通常配备多种板形执行机构，如工作辊弯辊、中间辊弯辊以及中间辊横移等，由于板形执行机构种类众多，模式识别算法复杂，各个板形执行机构对板形偏差的影响无法完全通过模式识别获得调控效果函数的线性、二次以及四次等分量，提高板形控制精度的前提是正确地理解和定量地描述各种板形执行机构的调控性能，板形调控功效这一思想的提出使得定量描述执行机构的调控性能成为可能，与基于模式识别的控制模型相比，基于调控功效的控制模型能够实现对板形测量信号更为全面的利用，有利于充分发挥轧机板形控制能力，提高板形控制精度，板形调控功效系数作为控制模型的基础和核心，是板形执行机构对带钢板形偏差影响规律的量化描述，调控功效系数全面考虑了单个执行机构对板形控制所产生的综合控制效果，可以准确地描述一种执行机构的板形控制思想和调控特性；
由于各板形调节机构对带钢板形的影响很复杂，且它们之间互相影响，很难通过现有的辊系弹性变形理论以及轧件三维变形理论来精确地求解各板形执行机构的调控功效系数，在实际轧制过程中，调控功效系数还受许多轧制参数的影响，如带钢宽度、轧制力以及中间辊横移位置等，因而通过轧机实验获取板形调控功效的方法并不能满足实际生产中板形控制的要求，且操作困难，容易引起现场事故，为此，我们提出一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，以解决上述背景技术中提出的由于各板形调节机构对带钢板形的影响很复杂，且它们之间互相影响，很难通过现有的辊系弹性变形理论以及轧件三维变形理论来精确地求解各板形执行机构的调控功效系数，在实际轧制过程中，调控功效系数还受许多轧制参数的影响，如带钢宽度、轧制力以及中间辊横移位置等，因而通过轧机实验获取板形调控功效的方法并不能满足实际生产中板形控制的要求，且操作困难，容易引起现场事故的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，该UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法具体步骤如下：
步骤一：获取带钢参数、轧制工艺参数和轧机参数；
步骤二：构建轧机的板形执行机构调控功效系数获取模型；
步骤三：构建UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；
步骤四：利用有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段带钢的厚度和长度数据，计算板形调控功效系数获取模型所需参数；
步骤五：利用板形调控功效系数获取模型计算执行机构的板形调控功效系数；
步骤六：利用所获取调控功效系数对带钢板形控制效果进行工业测试。
优选的，步骤一中所述带钢参数包括带钢宽度、带钢厚度、带钢入口凸度、带钢入口边部减薄、带钢密度、带钢弹性模量、带钢屈服强度、带钢泊松比以及带钢切线模量，所述UCM轧机参数包括工作辊辊径、工作辊辊身长度、工作辊密度、工作辊弹性模量、工作辊泊松比、中间辊辊径、中间辊辊身长度、中间辊密度、中间辊弹性模量、中间辊泊松比、支撑辊辊径、支撑辊辊身长度、支撑辊密度、支撑辊弹性模量以及支撑辊泊松比，所述轧制工艺参数包括压下率、摩擦系数、轧制速度、前张力以及后张力。
优选的，步骤二的具体操作过程如下：
S1：设置带钢中心为坐标原点，通过宽度方向、长度方向、厚度方向为三维坐标轴构建带钢的坐标系；
其中，带钢可看作连续离散化纵向纤维条组成的实体，i为离带钢中心距离为yi的宽向位置取离散纤维条的离散点编号，且离散纵向纤维条的轧前厚度为H(yi)，长度为L(yi)，轧后厚度减小为h(yi)，长度增大为l(yi)；j为UCM轧机的第j种板形执行机构编号，Δuj为第j种板形执行机构的调节量，Δhi,j(yi) 为第j种板形执行机构在调节量Δuj作用下坐标yi处带钢的厚度改变量，
Figure GDA0003686080540000031
为第j种板形执行机构在调节量Δuj作用下坐标yi处带钢的厚度相对改变量(零均值)；ΔIi,j(yi)为第j种板形执行机构在调节量Δuj作用下坐标yi处带钢的纵向纤维条的相对延伸差的变化量(板形，IU)；Ei,j(yi)为第j种板形执行机构在宽向坐标yi处的调控功效系数；
S2：构建第j种板形执行机构的调控功效系数获取模型。
优选的，步骤S2中构建第j种板形执行机构的调控功效系数获取模型的具体操作如下：
SS1：计算在第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度改变量；
SS2：计算在第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度相对改变量；
SS3：计算在第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后纵向纤维条的相对延伸差改变量；
SS4：构建板形执行机构的调控功效系数获取计算模型；
其中，第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度改变量可通过公式(1)求出；
Δhi,j(yi)＝H(yi)-h(yi) (1)
第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度相对改变量可通过公式(2)求出；
Figure GDA0003686080540000041
第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后纵向纤维条的相对延伸差改变量，即平直度变化量可通过公式(3)求出；
Figure GDA0003686080540000042
优选的，步骤S2中通过轧制前后带钢的横向厚度差改变量来描述轧机的有载辊缝形状改变量计算出第j种板形执行机构的调控功效系数为：
Figure GDA0003686080540000043
其中，某些板形控制数学模型中采用带钢纵向纤维条的相对延伸差变化量来计算执行机构的调控功效系数，因此可确定用带钢平直度变化量来表征的第j种板形执行机构的调控功效系数为：
Figure GDA0003686080540000044
优选的，步骤四中计算UCM轧机的板形执行机构调控功效系数具体操作过程如下：
A1：对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型进行精度验证；
A2：将轧机有限元模型的第j个板形执行机构分别设置n个调节量 uk,j(k＝1,2,…n)，并利用所述三维弹塑性有限元模型对带钢轧制分别进行模拟仿真，提取稳定轧制阶段带钢的厚度和长度数据；
A3：利用稳定轧制阶段的带钢厚度数据，根据公式(1)、(2)、(4)计算第j个板形执行机构在第k个调节变化量Δuk,j(Δuk,j＝uk+1,j-uk,j)的板形调控功效系数；或利用稳定轧制阶段的带钢长度数据根据公式(3)、(5)计算第j 个板形执行机构在第k个调节变化量下Δuk,j(Δuk,j＝uk+1,j-uk,j)的板形调控功效系数。
优选的，在三维模型中，轧辊材料模型的弹性矩阵[D]为：
Figure GDA0003686080540000051
式中，E为轧辊材料的弹性模量，μ是轧辊材料的泊松比，带钢的应力- 应变关系在弹性变形阶段同样遵循广义胡克定律，在塑性变形阶段遵循von Mises屈服准则和Prandtl-Reuss应力-应变关系，三维模型中带钢材料模型的弹塑性矩阵[D]ep为：
Figure GDA0003686080540000061
式中，σx',σy',σz',τxy,τyz,τzx分别为带钢的微单元体在轧制变形区内的偏应力分量；
Figure GDA0003686080540000062
是等效应力；
Figure GDA0003686080540000064
G是材料的剪切模量，ψ′是材料加工硬化曲线的斜率；在三维有限元模型中建立一段长度的带钢而非一卷带钢的模型。
优选的，步骤三中建立UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型具体方式如下：
根据带钢参数、轧制工艺参数和轧机参数，采用非线性有限元分析程序 LS-DYNA建立轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型，利用ANSYS参数化设计语言APDL编写UCM轧机和带钢的有限元仿真程序，并将有限元仿真程序编写成宏文件；通过将执行有限元建模与分析的脚本语言集成为宏命令，实现带钢轧制过程的快速参数化建模。
优选的，步骤A1中对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型进行精度验证包括以下两点：
一：选取典型规格带钢在冷连轧机进行前m道次轧制实验，根据轧制实验获取带钢参数和轧制过程的工艺参数；利用三维弹塑性有限元模型模拟仿真该带钢轧制过程中的前m道次轧制，提取仿真过程中的轧制力数据，将轧制力的波动低于δ％的阶段作为稳定轧制阶段，提取仿真轧制过程中稳定轧制阶段轧制力数据和带钢厚度数据；
二：利用轧制力仿真数据计算带钢稳定轧制过程轧制力平均值，并将其与现场轧制试验中实际测量的轧制力进行对比计算，获得轧制力相对误差；利用带钢厚度仿真数据描绘带钢厚度横向分布曲线，并将其与实测带钢厚度分布曲线进行对比计算，获得带钢厚度相对误差；根据对比结果，当轧制力和带钢厚度相对误差分别低于δh％和δp％时，认为所述三维弹塑性有限元模型满足精度要求。
优选的，步骤六中对带钢板形控制效果进行工业测试包括以下两个方面：
一：将获取的板形执行机构调控功效系数写入UCM轧机的板形控制系统数学模型中，选取一卷带钢进行工业实验轧制测试；
二：通过过程数据采集器采集一中带钢轧制过程第五机架出口板形测量值、板形偏差值以及板形标准偏差值数据，观察记录第五机架出口带钢的板形质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法构建有三维弹塑性有限元模型，基于轧制过程中带钢的横向厚度差变化量和纵向纤维条的相对延伸差变化量构建了板形执行机构调控功效系数计算模型，并通过对带钢在UCM轧机中的轧制过程高精度三维弹塑性有限元模型有限元模拟分别获取了不同板形执行机构投入时带钢的厚度和长度数据，对轧制过程没有进行过多的简化处理，提高了UCM轧机三维有限元模型的精度和稳定性；
该UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型进行精度验证，通过板形执行机构调控功效系数获取计算模型与带钢轧制过程三维弹塑性有限元模型结合，给出一种能够精确计算获取UCM轧机不同板形执行机构调控功效系数的方法，该方法不依赖于某个轧机或者生产线，具有较强的可移植性，可针对不同尺寸和种类的冷热轧生产线进行板形控制研究，具有成本低、可操作性强等特点，且具有更强的适用。
附图说明
图1为本发明UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法流程图；
图2为本发明具体实施方式中典型的带钢横截面轮廓图；
图3为本发明具体实施方式中带钢的坐标系示意图；
图4为本发明具体实施方式中1420mm UCM轧机及板形执行机构示意图；
图5为本发明具体实施方式中1420mm UCM轧机的三维弹塑性有限元模型图；
图6为本发明具体实施方式中1420mm UCM轧机有限元建模与模型验证的流程图；
图7为本发明具体实施方式中1420mm五机架带钢冷连轧机现场图；
图8为本发明具体实施方式中有限元仿真模拟中轧制力随时间变化的历程图；
图9为本发明具体实施方式中实际带钢横向厚度测量部位示意图；
图10为本发明具体实施方式中模型中带钢横向厚度测量部位示意图；
图11为本发明具体实施方式中第一道次入口带钢厚度模拟计算值与实测值对比图；
图12为本发明具体实施方式中第一道次出口带钢厚度模拟计算值与实测值对比图；
图13为本发明具体实施方式中第二道次入口带钢厚度模拟计算值与实测值对比图；
图14为本发明具体实施方式中第二道次出口带钢厚度模拟计算值与实测值对比图；
图15为本发明具体实施方式中中间辊横移零位示意图；
图16为本发明具体实施方式中中间辊横移最大位示意图；
图17为本发明具体实施方式中不同工作辊弯辊调节量时带钢厚度横向分布图；
图18为本发明具体实施方式中不同中间辊弯辊调节量时带钢厚度横向分布图；
图19为本发明具体实施方式中不同中间辊横移调节量时带钢厚度横向分布图；
图20为本发明具体实施方式中不同工作辊弯辊调节量时带钢纵向纤维条相对长度差分布图；
图21为本发明具体实施方式中不同中间辊弯辊调节量时带钢纵向纤维条相对长度差分布图；
图22为本发明具体实施方式中不同中间辊横移调节量时带钢纵向纤维条相对长度差分布图；
图23为本发明具体实施方式中工作辊弯辊调控功效系数分布曲线图；
图24为本发明具体实施方式中中间辊弯辊调控功效系数分布曲线图；
图25为本发明具体实施方式中中间辊横移调控功效系数分布曲线图；
图26为本发明具体实施方式中基于调控功效系数的板形闭环反馈控制系统原理图；
图27为本发明具体实施方式中轧制试验中一卷带钢的板形偏差分布图；
图28为本发明具体实施方式中轧制试验中一卷带钢的实测板形分布图；
图29为本发明具体实施方式中板形闭环控制系统投入前后带钢板形质量对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-29：本实施例中，利用本发明的方法计算获取国内某带钢冷连轧生产线上的UCM轧机的工作辊弯辊、中间辊弯辊和中间辊横移的板形调控功效系数，如图1所示，本发明的UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，包括以下步骤：
步骤一：典型的带钢横截面形状如图2所示，定义带钢的凸度C40和边部减薄D40为：
Figure GDA0003686080540000101
Figure GDA0003686080540000102
获取带钢参数、轧制工艺参数和UCM轧机参数，所述带钢参数包括带钢宽度、带钢厚度、带钢入口凸度C40、带钢入口边部减薄D40、带钢密度、带钢弹性模量、带钢屈服强度、带钢泊松比以及带钢切线模量，所述UCM轧机参数包括工作辊辊径、工作辊辊身长度、工作辊密度、工作辊弹性模量、工作辊泊松比、中间辊辊径、中间辊辊身长度、中间辊密度、中间辊弹性模量、中间辊泊松比、支撑辊辊径、支撑辊辊身长度、支撑辊密度、支撑辊弹性模量以及支撑辊泊松比，所述轧制工艺参数包括压下率、摩擦系数、轧制速度、前张力以及后张力。
本实施例中，获取的参数如表1所示：
表1
Figure GDA0003686080540000103
Figure GDA0003686080540000111
步骤二：构建板形执行机构的调控功效系数计算获取模型；
步骤三：根据带钢参数、UCM轧机参数和轧制工艺参数，构建轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型，利用所述三维弹塑性有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段带钢的厚度和长度数据，计算板形执行机构的调控功效系数获取模型所需参数，根据所述板形执行机构的调控功效系数计算获取模型计算UCM轧机的板形执行机构调控功效系数；
步骤四：将所获取调控功效系数植入实际板形控制系统的数学模型中，对带钢板形控制效果进行工业测试。
步骤二的具体操作过程如下：
S1：设置带钢中心为坐标原点，通过宽度方向、长度方向、厚度方向为三维坐标轴构建带钢的坐标系如图3所示；将带钢可看作连续离散化纵向纤维条组成的实体，i为离带钢中心距离为yi的宽向位置取离散纤维条的离散点编号，且离散纵向纤维条的轧前厚度为H(yi)，长度为L(yi)，轧后厚度减小为 h(yi)，长度增大为l(yi)；j为UCM轧机的第j种板形执行机构编号，Δuj为第 j种板形执行机构的调节量，Δhi,j(yi)为第j种板形执行机构在调节量Δuj作用下坐标yi处带钢的厚度改变量，
Figure GDA0003686080540000121
为第j种板形执行机构在调节量Δuj作用下坐标yi处带钢的厚度相对改变量；ΔIi,j(yi)为第j种板形执行机构在调节量Δuj作用下坐标yi处带钢的纵向纤维条的相对延伸差的变化量；Ei,j(yi)为第j 种板形执行机构在宽向坐标yi处的调控功效系数，本实例中j＝1,2,3分别代表工作辊弯辊、中间辊弯辊和中间辊横移，如图4所示为本实例中所涉及1420mm UCM轧机的板形执行机构示意图；
S2：构建第j种板形执行机构的调控功效系数获取模型。
构建第j种板形执行机构的调控功效系数获取模型的具体操作如下：
SS1：计算在第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度改变量；
SS2：计算在第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度相对改变量；
SS3：计算在第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后纵向纤维条的相对延伸差改变量；
SS4：构建板形执行机构的调控功效系数获取计算模型；
其中，第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度改变量可通过公式(1)求出；
Δhi,j(yi)＝H(yi)-h(yi) (1)
第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度相对改变量可通过公式(2)求出；
Figure GDA0003686080540000131
第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后纵向纤维条的相对延伸差改变量，即平直度变化量可通过公式(5)求出；
Figure GDA0003686080540000132
通过轧制前后带钢的横向厚度差改变量来描述轧机的有载辊缝形状改变量能够计算出第j种板形执行机构的调控功效系数为：
Figure GDA0003686080540000133
其中，某些板形控制数学模型中采用带钢纵向纤维条的相对延伸差变化量来计算执行机构的调控功效系数，因此可确定用带钢平直度变化量来表征的第j种板形执行机构的调控功效系数为：
Figure GDA0003686080540000134
步骤三的具体操作过程如下：
A1：对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型进行精度验证；
A2：将轧机有限元模型的第j个板形执行机构分别设置n个调节量 uk,j(k＝1,2,…n)，并利用所述三维弹塑性有限元模型对带钢轧制分别进行模拟仿真，提取稳定轧制阶段带钢的厚度和长度数据，本实例板形执行机构的调节量以定步长从最小值增大到最大值，即n＝5，工作辊弯辊，中间辊弯辊与中间辊横移的设定值如表4所示。
表4
Figure GDA0003686080540000141
表4中板形执行机构调节量的最大设定值被限制在工程允许内，当中间辊横移为零时，中间辊的中心线和与轧机中心线对齐，如图15所示；当中间辊横移达到最大值时，中间辊的端部与带钢的边缘对齐，如图16所示，此外，当研究工作辊弯辊或中间辊弯辊的板形调控功效时，中间辊横移被设置为一个定值(205mm)，同样地，当研究中间辊横移的板形调控功效时，工作辊弯辊和中间辊弯辊分别设置为恒定值(225.40kN和269.50kN)；
A3：利用稳定轧制阶段的带钢厚度数据，根据公式(1)、(2)、(4)计算第j个板形执行机构在第k个调节变化量Δuk,j(Δuk,j＝uk+1,j-uk,j)的板形调控功效系数；或利用稳定轧制阶段的带钢长度数据根据公式(3)、(5)计算第j 个板形执行机构在第k个调节变化量下Δuk,j(Δuk,j＝uk+1,j-uk,j)的板形调控功效系数，图17–19所示为根据数值模拟结果获取的不同工作辊弯辊、中间辊弯辊和中间辊横移调节量下，带钢横向厚度分布曲线的变化，图20–22为相对应的各离散横向坐标点处带钢纵向纤维条的相对长度差变化量，根据公式(5)计算获取的工作辊弯辊、中间辊弯辊和中间辊横移在不同调节量下的板形调控功效系数分布曲线，如图23–25所示，三种板形执行机构的调控功效系数曲线呈对称倒V型分布，即执行机构可以使带钢边部板形值下降，中部板形值增大，板形执行机构的调控功效系数越大，表明其板形调控效率越高，单位变化量的板形控制能力越强，因此，曲线的斜率越大，中心与边部之间的差值越大表明执行机构的板形控制工作效率越高，对比图20–22可知，中间辊横移的板形调控效率最高，工作辊弯辊的调控效率次之，中间辊弯辊的效率最低，在不同调节量设定值区段，工作辊弯辊与中间辊弯辊的调控功效变化不大，功效系数曲线的形状和分布基本不变，中间辊横移的调控功效系数分布曲线并非恒定不变，随中间辊横移的增加，其功效系数曲线斜率变大，中心与边部的差值增大，表明中间辊横移值越大，板形调控效率越高。
在三维模型中，轧辊材料模型的弹性矩阵[D]为：
Figure GDA0003686080540000151
式中，E为轧辊材料的弹性模量，μ是轧辊材料的泊松比，带钢的应力- 应变关系在弹性变形阶段同样遵循广义胡克定律，在塑性变形阶段遵循von Mises屈服准则和Prandtl-Reuss应力-应变关系，三维模型中带钢材料模型的弹塑性矩阵[D]ep为：
Figure GDA0003686080540000161
式中，σx',σy',σz',τxy,τyz,τzx分别为带钢的微单元体在轧制变形区内的偏应力分量；
Figure GDA0003686080540000162
是等效应力；
Figure GDA0003686080540000163
G是材料的剪切模量，ψ′是材料加工硬化曲线的斜率；在三维有限元模型中建立一段长度的带钢而非一卷带钢的模型。
步骤三中根据带钢参数、轧制工艺参数和UCM轧机参数，采用非线性有限元分析程序LS-DYNA建立轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型，利用ANSYS参数化设计语言APDL编写UCM轧机和带钢的有限元仿真程序，并将有限元仿真程序编写成宏文件；通过将执行有限元建模与分析的脚本语言集成为宏命令，实现带钢轧制过程的快速参数化建模。
对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型进行精度验证包括以下两点：
一：选取典型规格带钢在冷连轧机进行前m道次轧制实验，根据轧制实验获取带钢参数和轧制过程的工艺参数，有限元建模和轧制实验精度验证的流程如图6所示，带钢首先以一个合适的初速度向辊缝位置移动，当接触到工作辊后在摩擦力的作用下实现咬入过程，随后经过一小段波动轧制后进入稳定轧制阶段，最后带钢尾部移出辊缝完成整个仿真轧制过程；本实例中带钢的宽度为1200mm，钢种同样为SPPC钢，m＝2，图7所示为本实例中的1420 mm五机架冷连轧机现场图，获取的带钢参数和轧制过程工艺参数如表2所示。
表2
Figure GDA0003686080540000171
二：利用所述三维弹塑性有限元模型模拟仿真该带钢轧制过程中的前2 道次轧制，提取仿真过程中的轧制力数据，将轧制力的波动低于δ％的阶段作为稳定轧制阶段，提取仿真轧制过程中稳定轧制阶段轧制力数据和带钢厚度数据；本实例中δ＝3，图8给出了仿真模型中轧制力随时间变化的历程图，由图8可知，在带钢咬入辊缝的过程中轧制力的波动较大，但随着轧制的进行逐渐趋于稳定，随后其波动范围稳定在3％以内。
利用轧制力仿真数据计算带钢稳定轧制过程轧制力平均值，并将其与现场轧制试验中实际测量的轧制力进行对比计算，获得轧制力相对误差，对比结果如表3所示。
表3
Figure GDA0003686080540000172
此外，如图9和图10所示，利用带钢厚度仿真数据描绘带钢厚度横向分布曲线，并将其与实测带钢厚度分布曲线进行对比计算，对比结果如图11– 14所示，根据轧制力和带钢厚度的对比结果可知，两道次轧制力的仿真模型计算值与实测值的相对误差分别为-2.8％和0.3％，两道次带钢厚度的仿真模型计算值与实测值的相对误差分别为0.99％和0.81％。
根据对比结果，将轧制力相对误差和带钢厚度相对误差的绝对值分别低于δh％和δp％时，认为所述三维弹塑性有限元模型满足精度要求；本实例中δp＝3,δh＝2，从对比结果中可知轧制力和带钢厚度的相对误差绝对值分别低于 2.8％和1％，且带钢厚度横向分布实测曲线与仿真计算曲线基本一致，因此用该有限元模型模拟带钢的轧制过程，其精度和稳定性完全满足精度要求对带钢板形控制效果进行工业测试包括以下两个方面：
一：将获取的板形执行机构调控功效系数写入UCM轧机的板形控制系统数学模型中，选取一卷带钢进行工业实验轧制测试；如图26所示，本实例将所获取的工作辊弯辊、中间辊弯辊的调控功效系数矩阵写入所述UCM轧机的板形控制系统数学模型中，并同样选取相近规格的一卷带钢进行轧制实验，所轧带钢同样为SPCC钢。
二：通过过程数据采集器采集一中带钢轧制过程第五机架出口板形测量值、板形偏差值以及板形标准偏差值数据，观察记录第五机架出口带钢的板形质量。
图27描述为轧制所述带钢时，第五机架出口板形偏差云图和板形标准偏差变化曲线，如图27所示，当带钢头部刚进入辊缝时，板形辊没有检测信号，而控制系统的闭环反馈控制尚未建立，只依赖于预设定控制，因此在这个非稳态阶段板形偏差较大，标准差甚至达到了11IU；随着轧制进行，一旦建立闭环反馈控制，板形标准差迅速下降到3IU以下，并稳定在0～2IU以内变化。图28为所轧钢卷的实测板形分布云图和某个轧制时刻的板形测量值和目标值沿带钢宽向分布，结果表明，带钢的板形实测值大多控制在-5～5IU以内，实测的板形分布曲线与目标板形分布曲线一致。图29给出了带钢生产现场实测板形情况，当板形闭环反馈控制系统未投入时，带钢出现了较为明显的浪形缺陷问题，如图29(a)所示。当板形闭环反馈控制系统投入后，带钢的板形缺陷很快被消除，并在轧制过程中保持良好的平整度，如图29(b)所示。
工作原理：对于这类的UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，首先获取带钢参数、轧制工艺参数和UCM轧机参数，然后工作人员以带钢中心为坐标原点，通过宽度方向、长度方向、厚度方向为三维坐标轴构建带钢的坐标系，然后计算在第j种板形执行机构调节量作用下带钢轧制前后横向厚度改变量、带钢轧制前后横向厚度相对改变量以及带钢轧制前后纵向纤维条的相对延伸差改变量，构建板形执行机构的调控功效系数获取计算模型，紧接着根据带钢参数、UCM轧机参数和轧制工艺参数，构建轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型，利用所述三维弹塑性有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段带钢的厚度和长度数据，计算板形执行机构的调控功效系数获取模型所需参数，根据所述板形执行机构的调控功效系数计算获取模型计算UCM轧机的板形执行机构调控功效系数，最后对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型进行精度验证。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，其特征在于：该UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法具体步骤如下：
步骤一：获取带钢参数、轧制工艺参数和轧机参数；
步骤二：构建轧机的板形执行机构调控功效系数获取模型；
步骤三：构建UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型；
步骤四：利用有限元模型对带钢轧制进行仿真模拟，提取稳定轧制阶段带钢的厚度和长度数据，计算板形调控功效系数获取模型所需参数；
步骤五：利用板形调控功效系数获取模型计算执行机构的板形调控功效系数；
步骤六：利用所获取调控功效系数对带钢板形控制效果进行工业测试；
步骤一中所述带钢参数包括带钢宽度、带钢厚度、带钢入口凸度、带钢入口边部减薄、带钢密度、带钢弹性模量、带钢屈服强度、带钢泊松比以及带钢切线模量，所述轧机参数包括工作辊辊径、工作辊辊身长度、工作辊密度、工作辊弹性模量、工作辊泊松比、中间辊辊径、中间辊辊身长度、中间辊密度、中间辊弹性模量、中间辊泊松比、支撑辊辊径、支撑辊辊身长度、支撑辊密度、支撑辊弹性模量以及支撑辊泊松比，所述轧制工艺参数包括压下率、摩擦系数、轧制速度、前张力以及后张力；
步骤二的具体操作过程如下：
S1：设置带钢中心为坐标原点，通过宽度方向、长度方向、厚度方向为三维坐标轴构建带钢的坐标系；
其中，带钢可看作连续离散化纵向纤维条组成的实体，i为离带钢中心距离为yi的宽向位置取离散纤维条的离散点编号，且离散纵向纤维条的轧前厚度为H(yi)，长度为L(yi)，轧后厚度减小为h(yi)，长度增大为l(yi)；j为UCM轧机的第j种板形执行机构编号，Δuj为第j种板形执行机构的调节量，Δhi,j(yi)为第j种板形执行机构在调节量Δuj作用下坐标yi处带钢的厚度改变量，
Figure FDA0003686080530000021
为第j种板形执行机构在调节量Δuj作用下坐标yi处带钢的厚度相对改变量(零均值)；ΔIi,j(yi)为第j种板形执行机构在调节量Δuj作用下坐标yi处带钢的纵向纤维条的相对延伸差的变化量(板形，IU)；Ei,j(yi)为第j种板形执行机构在宽向坐标yi处的调控功效系数；
S2：构建第j种板形执行机构的调控功效系数获取模型；
步骤S2中构建第j种板形执行机构的调控功效系数获取模型的具体操作如下：
SS1：计算在第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度改变量；
SS2：计算在第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度相对改变量；
SS3：计算在第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后纵向纤维条的相对延伸差改变量；
SS4：构建板形执行机构的调控功效系数获取计算模型；
其中，第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度改变量可通过公式(1)求出；
Δhi,j(yi)＝H(yi)-h(yi) (1)
第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后横向厚度相对改变量可通过公式(2)求出；
Figure FDA0003686080530000031
第j种板形执行机构Δuj调节量作用下带钢轧制前后纵向纤维条的相对延伸差改变量，即平直度变化量可通过公式(3)求出；
Figure FDA0003686080530000032
步骤S2中通过轧制前后带钢的横向厚度差改变量来描述轧机的有载辊缝形状改变量计算出第j种板形执行机构的调控功效系数为：
Figure FDA0003686080530000033
其中，某些板形控制数学模型中采用带钢纵向纤维条的相对延伸差变化量来计算执行机构的调控功效系数，因此可确定用带钢平直度变化量来表征的第j种板形执行机构的调控功效系数为：
Figure FDA0003686080530000034
步骤五中计算UCM轧机的板形执行机构调控功效系数具体操作过程如下：
A1：对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型进行精度验证；
A2：将轧机有限元模型的第j个板形执行机构分别设置n个调节量uk,j(k＝1,2,…n)，并利用所述三维弹塑性有限元模型对带钢轧制分别进行模拟仿真，提取稳定轧制阶段带钢的厚度和长度数据；
A3：利用稳定轧制阶段的带钢厚度数据，根据公式(1)、(2)、(4)计算第j个板形执行机构在第k个调节变化量Δuk,j(Δuk,j＝uk+1,j-uk,j)的板形调控功效系数；或利用稳定轧制阶段的带钢长度数据根据公式(3)、(5)计算第j个板形执行机构在第k个调节变化量下Δuk,j(Δuk,j＝uk+1,j-uk,j)的板形调控功效系数。
2.根据权利要求1所述的一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，其特征在于：在三维模型中，轧辊材料模型的弹性矩阵[D]为：
Figure FDA0003686080530000041
式中，E为轧辊材料的弹性模量，μ是轧辊材料的泊松比，带钢的应力-应变关系在弹性变形阶段同样遵循广义胡克定律，在塑性变形阶段遵循von Mises屈服准则和Prandtl-Reuss应力-应变关系，三维模型中带钢材料模型的弹塑性矩阵[D]ep为：
Figure FDA0003686080530000042
式中，σx',σy',σz',τxy,τyz,τzx分别为带钢的微单元体在轧制变形区内的偏应力分量；
Figure FDA0003686080530000045
是等效应力；
Figure FDA0003686080530000044
G是材料的剪切模量，ψ'是材料加工硬化曲线的斜率；在三维有限元模型中建立一段长度的带钢而非一卷带钢的模型。
3.根据权利要求1所述的一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，其特征在于：步骤三中建立UCM轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型具体方式如下：
根据带钢参数、轧制工艺参数和轧机参数，采用非线性有限元分析程序LS-DYNA建立轧机和带钢的三维弹塑性有限元模型，利用ANSYS参数化设计语言APDL编写UCM轧机和带钢的有限元仿真程序，并将有限元仿真程序编写成宏文件；通过将执行有限元建模与分析的脚本语言集成为宏命令，实现带钢轧制过程的快速参数化建模。
4.根据权利要求1所述的一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，其特征在于：步骤A1中对UCM轧机和带钢三维弹塑性有限元模型进行精度验证包括以下两点：
一：选取典型规格带钢在冷连轧机进行前m道次轧制实验，根据轧制实验获取带钢参数和轧制过程的工艺参数；利用三维弹塑性有限元模型模拟仿真该带钢轧制过程中的前m道次轧制，提取仿真过程中的轧制力数据，将轧制力的波动低于δ％的阶段作为稳定轧制阶段，提取仿真轧制过程中稳定轧制阶段轧制力数据和带钢厚度数据；
二：利用轧制力仿真数据计算带钢稳定轧制过程轧制力平均值，并将其与现场轧制试验中实际测量的轧制力进行对比计算，获得轧制力相对误差；利用带钢厚度仿真数据描绘带钢厚度横向分布曲线，并将其与实测带钢厚度分布曲线进行对比计算，获得带钢厚度相对误差；根据对比结果，当轧制力和带钢厚度相对误差分别低于δh％和δp％时，认为所述三维弹塑性有限元模型满足精度要求。
5.根据权利要求1所述的一种UCM轧机板形执行机构调控功效系数获取方法，其特征在于：步骤六中对带钢板形控制效果进行工业测试包括以下两个方面：
一：将获取的板形执行机构调控功效系数写入UCM轧机的板形控制系统数学模型中，选取一卷带钢进行工业实验轧制测试；
二：通过过程数据采集器采集一中带钢轧制过程第五机架出口板形测量值、板形偏差值以及板形标准偏差值数据，观察记录第五机架出口带钢的板形质量。
CN202110125458.XA 2021-01-29 2021-01-29 一种ucm轧机板形执行机构调控功效系数获取方法 Active CN112916624B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110125458.XA CN112916624B (zh) 2021-01-29 2021-01-29 一种ucm轧机板形执行机构调控功效系数获取方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110125458.XA CN112916624B (zh) 2021-01-29 2021-01-29 一种ucm轧机板形执行机构调控功效系数获取方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112916624A CN112916624A (zh) 2021-06-08
CN112916624B true CN112916624B (zh) 2022-09-16

Family

ID=76168466

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110125458.XA Active CN112916624B (zh) 2021-01-29 2021-01-29 一种ucm轧机板形执行机构调控功效系数获取方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112916624B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114798755B (zh) * 2022-04-26 2023-02-17 东北大学 一种分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法
CN116274403B (zh) * 2023-05-15 2023-08-18 东北大学 获取SmartCrown轧机板形执行机构调控功效系数的方法
CN116371942B (zh) * 2023-06-05 2023-10-20 东北大学 一种基于带钢横向强度不均的横向厚度分布预测方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003326305A (ja) * 2002-05-13 2003-11-18 Nisshin Steel Co Ltd 冷間圧延における形状制御方法
CN101920269B (zh) * 2009-06-11 2012-10-31 鞍钢股份有限公司 冷轧机板形控制执行器调控功效系数优化方法
CN101716607B (zh) * 2009-12-17 2011-09-21 燕山大学 Hc轧机非对称弯辊非对称横移板形控制方法
US9211573B2 (en) * 2010-12-24 2015-12-15 Primetals Technologies Japan, Ltd. Hot rolling equipment and hot rolling method
CN102366760B (zh) * 2011-09-13 2014-04-09 中冶南方工程技术有限公司 冷轧带钢板形控制执行器调控功效系数在线解耦方法
CN106475420B (zh) * 2015-08-28 2018-03-30 宝山钢铁股份有限公司 一种基于冷轧带钢目标板形设定的板形控制方法
CN108480405B (zh) * 2018-04-16 2020-05-05 东北大学 一种基于数据驱动的冷轧板形调控功效系数获取方法
CN110773573B (zh) * 2019-11-06 2021-03-02 燕山大学 一种板形调控功效系数实测数据处理方法
CN110947774B (zh) * 2019-12-06 2020-12-01 东北大学 一种考虑轧制宽展的板形预测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112916624A (zh) 2021-06-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112916624B (zh) 一种ucm轧机板形执行机构调控功效系数获取方法
KR101889668B1 (ko) 압연 시뮬레이션 장치
CN101920269B (zh) 冷轧机板形控制执行器调控功效系数优化方法
CN108637020B (zh) 一种自适应变异pso-bp神经网络带钢凸度预测方法
CN101758084B (zh) 模型自适应的板形预测控制方法
WO2023130666A1 (zh) 一种基于数据驱动和机理模型融合的板带钢凸度预测方法
CN1311922C (zh) 确定额定值和中间量的计算机辅助方法及轧机机列
CN107272412B (zh) 一种暂冲式风洞流场控制的辩识方法
CN103357669A (zh) 一种板形模型预测控制方法
CN104942019A (zh) 一种带钢冷轧过程宽度自动控制方法
CN113275387B (zh) 一种ucm轧机辊系横纵刚度特性曲线的获取方法
CN112037209A (zh) 一种钢板轧辊磨损量预测方法及系统
Wang et al. Actuator efficiency adaptive flatness control model and its application in 1250 mm reversible cold strip mill
Wang et al. Numerical analysis of intermediate roll shifting–induced rigidity characteristics of UCM cold rolling mill
CN115470595A (zh) 一种数据与机理融合的热轧带钢凸度预测方法
Li et al. Modeling and validation of bending force for 6-high tandem cold rolling mill based on machine learning models
CN109675931B (zh) 一种板形调控功效系数自学习方法及系统
CN116371942B (zh) 一种基于带钢横向强度不均的横向厚度分布预测方法
JP4047875B2 (ja) 設計パラメータの最適値決定方法とこの方法を用いた圧延パススケジュールの決定方法
Nastran et al. Stabilisation of mechanical properties of the wire by roller straightening
Ji et al. Coordinate control of strip thickness-crown-tension based on inverse linear quadratic in tandem hot rolling mill
CN101690949B (zh) 含有三次板形的板形闭环控制方法
CN116329297A (zh) 一种基于轧件横向力学性能差异的板形预测方法
CN116274403B (zh) 获取SmartCrown轧机板形执行机构调控功效系数的方法
CN117019884B (zh) 一种冷连轧各机架出口板形预测可视化方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant