CN1760913A - 设定金属板带轧制规程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种设定金属板带轧制规程的方法，其主要步骤包括①确定轧机参数、工艺条件和质量要求；②确定负荷分布规律；③计算各道次力能参数；④设定轧制规程。该方法是一种“目标负荷设定法”，其最大特点在于：新规程在产品质量和生产效率方面的优势源于优秀的老规程，因而是合理并且可行的；整个设定过程具有较强的必然性，无须作过多人为选择，因而具有较强的可操作性，可以达到较为理想的轧制效果。

Description

设定金属板带轧制规程的方法

技术领域

本发明涉及金属板带轧制技术，尤其涉及设定金属板带轧制规程的方法。

背景技术

设定轧制规程是金属板带加工技术中一项极其重要的工作，对于冷轧其具体任务是，确定金属板带制品在两次退火之间需要轧制的道次数量，以及每个道次的压下量、前后张力和轧制速度。轧制规程一旦设定，轧制进程便有章可循，轧制结果即可预期。

一个完整的轧制规程包括压下制度、张力制度和速度制度。判断一个规程的“好”与“坏”没有绝对的标准，一般希望：板形要好一点、能耗要低一点、产量要大一点。现有技术中，人们往往根据经验设定轧制规程：有人提出各道次之间等压力轧制，这种方法有利于保持板凸度稳定，缺点是没有考虑首道次咬入和末道次成品质量对变形程度的限制要求；有人提出各道次恒功率轧制，这种方法有利于充分发挥设备潜力，提增产量，缺点是难以获得各道次压力和速度的最佳匹配；还有人提出在特定约束条件下，板形、能耗、产量的多目标优化方案，但具体应用时，这些目标之间相互矛盾，需要工艺人员给出加权系数，操作的直观性较差。国外进口轧机及其软件系统有存储老规程的做法，但是这种存储并没有与新规程的能力负荷(轧制力、轧制功率)客观地联系起来，它们仅仅是人们凭主观经验设定新规程的一种参考，可操作性较差。

因此，据申请人所知，到目前为止尚没有一种比较公认、客观并且容易操作的金属板带轧制规程的设定方法。

发明内容

针对传统方法中人为因素过多、轧制质量难以保证等缺陷，本发明提供一种设定金属板带轧制规程的方法，其目的是降低人为干涉因素，增强轧制进程的可操作性，使轧制产品的质量更加符合加工要求。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

设定金属板带轧制规程的方法，其特征在于包括以下步骤：①确定轧机参数、工艺条件和质量要求；②确定负荷分布规律；③计算各道次力能参数；④设定轧制规程。

本发明的目的通过以下技术方案来进一步实现：

上述设定金属板带轧制规程的方法中，步骤②包括确定轧制压力、张力系数和轧制功率的分布规律；步骤③包括在各道次轧件厚度、入口或出口张应力、轧制速度已知的条件下，计算轧制压力、力矩、功率；步骤④设定的轧制规程包括各道次的出口厚度、压缩率、变形抗力、入口张力、出口张力、轧制速度、摩擦系数、轧制压力、轧制扭矩、轧制功率。

再进一步地，上述设定金属板带轧制规程的方法中，步骤②确定负荷分布规律的方法是，收集实际生产中的优秀轧制规程，注明其在板形、能耗、产量指标上的优势所在，找出其各道次轧制力和轧制功率的分布规律，然后绘制负荷分布规律曲线，存入相应的数据库，设计新的轧制规程时，从数据库中选择与工艺条件相近的负荷曲线，从而确定负荷分布规律。

更进一步地，上述设定金属板带轧制规程的方法中，各道次轧件厚度的计算方法是，首先对轧制压力目标曲线[F]进行回归，得出[F]的回归方程，然后运用罚函数方法，通过将有约束的寻优问题转化成无约束问题，得到以轧制压力为寻优目标的目标函数：

$T_1\left(h\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{F_i}{F_{i+1}}-\frac{\left[F_i\right]}{\left[F_{i+1}\right]})}^2+{\mathrm{\ϵ}}_k\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,{\mathrm{\ϵ}}_i]\}}^2$

式中：F_i，F_i+1——相邻道次实际轧制压力，

[F_i]，[F_i+1]——相邻道次轧制压力目标，

n—轧制道次

ε_k—压缩率罚因子

$\min [0,{\mathrm{\ϵ}}_i]=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\ϵ}}_{i\max })+|{\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\ϵ}}_{i\max }|}{2}+\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\ϵ}}_i)+|{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\ϵ}}_i|}{2}$

$=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }& {\mathrm{\&epsiv;}}_i>{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }-{\mathrm{\&epsiv;}}_i& {\mathrm{\&epsiv;}}_i<{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\\ 0& {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_i\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\end{array}\right.$

当T₁(h)取极小值时，Fi→[Fi]，并且满足压下率约束；此时的解向量便是各道次轧件的出口厚度。

更进一步地，上述设定金属板带轧制规程的方法中，各道次入口或出口张应力的计算方法是，根据目标曲线回归出张力系数目标曲线[C_r]的方程，然后根据σ＝C_r·k计算出各道次入口或出口张应力σ，式中k为入口或出口轧件变形抗力。

更进一步地，上述设定金属板带轧制规程的方法中，各道次轧制速度的计算方法是，首先对轧制功率目标曲线[P]进行回归，得出[P]的回归方程，然后运用罚函数方法，通过将有约束的寻优问题转化成无约束问题，得到以轧制功率为寻优目标的目标函数：

$T_1\left(h\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\frac{P_i}{P_{i+1}}-\frac{\left[P_i\right]}{\left[P_{i+1}\right]})}^2+{\mathrm{\&epsiv;}}_k\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left\{\min \right[0,{\mathrm{\&epsiv;}}_i\left]\right\}}^2$

式中：P_i，P_i+1——相邻道次实际轧制功率，

[P_i]，[P_i+1]——相邻道次轧制功率目标，

n—轧制道次

ε_k—压缩率罚因子

$\min [0,{\mathrm{\&epsiv;}}_i]=\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max })+|{\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }|}{2}+\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_i)+|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_i|}{2}$

$=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }& {\mathrm{\&epsiv;}}_i>{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }-{\mathrm{\&epsiv;}}_i& {\mathrm{\&epsiv;}}_i<{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\\ 0& {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_i\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\end{array}\right.$

当T₁(h)取极小值时，Pi→[Pi]，并且满足压下率约束；此时的解向量便是各道次的轧制速度。

本发明技术方案可以概括为“目标负荷设定法”。与现有技术中设定金属板带轧制规程的方法相比，本发明的最大特点在于：新规程在产品质量和生产效率方面的优势源于优秀的老规程，因而是合理并且可行的；整个设定过程具有较强的必然性，无须作过多人为选择，因而具有较强的可操作性，可以达到较为理想的轧制效果。本发明应用性较强，通过数据库的不断丰富与完善，人们在设定新的轧制规程之前可以根据需要拟定较为理想的轧制负荷目标曲线，然后应用本发明技术方案确定轧制压力、轧件厚度、张力系数、轧制功率和轧制速度，从而形成一套完整的轧制规程。根据该规程进行轧制操作，即可达到预期的轧制效果。该方法适用于各种金属板带冷轧(和热轧)过程，为该领域技术标准的形成(或完善)提供了有力的技术支撑。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。其中，

图1是轧制负荷目标曲线。

具体实施方式

本发明的总体思路是：根据轧制力沿道次分布的规律，反推各道次的压下量；根据轧制功率沿道次分布的规律，反推各道次的轧制速度。实施方案的主要过程包括：(1)收集实际生产中的优秀轧制规程，注明其在板形、能耗、产量等考核指标上的优势所在，找出其各道次轧制力和轧制功率的分布规律；(2)绘制负荷分布规律曲线，存入相应的数据库；(3)设计新轧制规程前，由操作人员选定与当时工艺条件相近的目标负荷曲线；(4)采用单纯形或其它优化算法，结合各道次最大压下率和轧机参数等约束条件，求出最佳道次压下量和轧制速度。

下面以西安某窄带钢生产企业为例，对本发明技术方案作进一步详细描述。

一、原始条件

1、轧机参数

轧机类型：四辊可逆轧机，工作辊传动；轧辊尺寸：450×φ200/φ550mm；辊颈直径：φ150/φ412mm；最大允许轧制力：1700KN；最大允许轧制力矩：13.6KNm；主电机额定功率和转速：504KW，426rpm；总传动比：2.23；总传动效率：0.96。

2、工艺条件

合金牌号：低碳钢08AI；坯料厚、宽、重：2.5(mm)×257(mm)×2000(kg)；成品厚度：0.36mm；允许最大累计压缩率：90％；首道次允许最大压缩率：25％；末道次允许最大压缩率：20％；中间道次允许最大压缩率：40％；润滑剂种类：乳化液。

3、质量要求

尺寸精度：厚差±0.008mm，负公差交货；板型：比例凸度：C_h/h≤0.014；力学性能：满足深冲性能要求。

二、规程设定

1、确定负荷分布规律

根据原始条件，初算后认为5个道次即可满足设备和工艺要求。但考虑到该轧机目前没有配备自动厚度控制系统，而适当增加轧制道次有利于消除厚差，故最终确定轧制规程的道次数为6。下面确定负荷分布：

(1)轧制压力分布曲线

根据对以往轧制规程的分析，首道负荷较低可保持良好轧件组织，末道负荷减小有利于改善尺寸精度和板型质量，由此确定轧制压力目标曲线，见图1当中曲线[F]。

(2)张力系数分布曲线

张力系数C_r的概念定义为各道次入(出)口带材张应力与相应部分带材变形抗力之比。一般地，随着轧制道次的增加，轧件的变形抗力增大，对应的张应力也应增大，张力系数可以保持不变，也可以略有变化。一般认为，道次入口C_r＝1％～5％，其余道次C_r＝10％～20％，个别情况(如轧制铝箔时)C_r＝40％～80％，由此确定张力系数目标曲线，见图1当中曲线[Cr]。

(3)轧制功率分布曲线

考虑充分发挥电机能力，首先按各道次恒功率考虑，且电机负荷按50％左右考虑，见图1当中直线[P]。

2、计算各道次力能参数

(1)轧制压力和轧件厚度

由[F]目标曲线回归得到：

[F]＝850+20.6X-0.24X²    (式中X＝100(i-1)/(n-1)，下同)

运用罚函数方法，通过将有约束的寻优问题转化成无约束问题，得到以轧制压力为寻优目标的目标函数：

$T_1\left(h\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\frac{F_i}{F_{i+1}}-\frac{\left[F_i\right]}{\left[F_{i+1}\right]})}^2+{\mathrm{\&epsiv;}}_k\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left\{\min \right[0,{\mathrm{\&epsiv;}}_i]\}}^2$

式中：F_i，F_i+1——相邻道次实际轧制压力，(令F_n+1＝F_n)

[F_i]，[F_i+1]——相邻道次压力目标，(令[F_n+1]＝F₁])

n—轧制道次

ε_k—压缩率罚因子

$\min [0,{\mathrm{\&epsiv;}}_i]=\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max })+|{\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }|}{2}+\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_i)+|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_i|}{2}$

$=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }& {\mathrm{\&epsiv;}}_i>{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }-{\mathrm{\&epsiv;}}_i& {\mathrm{\&epsiv;}}_i<{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\\ 0& {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_i\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\end{array}\right.$

当T₁(h)取极小值时，F_i→[F_i]，并且满足压下率约束。

此时的解向量是各道次轧件的出口厚度，即当各道次轧件的出口厚度取相应值时，各道次的轧制压力满足目标曲线给出的变化规律。

求得1～6道次的出口厚度分别为：1.9627，1.3569，0.8244，0.5256，0.4000，0.3600。

(2)入(出)口张应力

由[C_r]目标曲线回归得到：

[C_r]＝0.0877+7.9×10^-4X+2.5×10^-5X-2.3×10^-7X³

根据“张力系数”C_r定义：C_r＝σ/k

式中：σ—入(出)口张应力，N/mm²，k—入(出)口轧件变形抗力，N/mm²

所以，σ＝C_r·k

(3)轧制功率和速度

轧制功率的计算方法与轧制力相似。不同之处为：此时的解向量是各道次的轧制速度，即当各道次的轧制速度取相应值时，各道次的轧制功率满足目标曲线给出的变化规律。

求得1～6道次的轧制速度(m/min)分别为：189，132，127，172，313，770。考虑工艺上具体要求，特别是充分考虑首道次和末道次的影响，可以调整为：130，130，130，180，300，300。

3、规程设定结果设定后的规程如下表所示。

道次	出口厚度	压缩率		变形抗力	入口张力	出口张力		轧制速度
									(/)	(mm)	(％)		(N/mm2)	(N/mm2)	(N/mm2)		(m/min)
1	1.9627	21.6％		435.6	36.4	48.5		130
									2	1.3569	31.2％		573.4	48.5	63.5		130
3	0.8244	39.2％		637.4	63.5	86.5		130
									4	0.5256	36.5％		671.0	86.5	118.3		180
5	0.4000	23.1％		685.5	118.3	122.5		300
									6	0.3600	10.0％		690.7	122.5	129.0		300
道次	摩擦系数		轧制压力		轧制扭矩		轧制功率
									(/)			(KN)		(KNm)		(KW)
1	0.061		1007.8		6.36		139.0
									2	0.061		1359.0		9.48		207.0
3	0.053		1404.4		9.40		205.2
									4	0.038		1087.8		5.59		169.2
5	0.032		766.5		2.94		147.8
									6	0.029		492.8		1.11		56.1

以上是本发明技术方案的一种应用范例，它对本发明要求保护的范围不构成任何限制。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.设定金属板带轧制规程的方法，其特征在于包括以下步骤：①确定轧机参数、工艺条件和质量要求；②确定负荷分布规律；③计算各道次力能参数；④设定轧制规程。

2.根据权利要求1所述的设定金属板带轧制规程的方法，其特征在于：步骤②包括确定轧制压力、张力系数和轧制功率的分布规律。

3.根据权利要求1所述的设定金属板带轧制规程的方法，其特征在于：步骤③包括各道次在特定轧件厚度、入口或出口张应力、轧制速度的条件下，计算轧制压力、力矩、功率。

4.根据权利要求1所述的设定金属板带轧制规程的方法，其特征在于：步骤④设定的轧制规程包括各道次的出口厚度、压缩率、变形抗力、入口张力、出口张力、轧制速度、摩擦系数、轧制压力、轧制扭矩、轧制功率。

5.根据权利要求1所述的设定金属板带轧制规程的方法，其特征在于：步骤②确定负荷分布规律的方法是，收集实际生产中的优秀轧制规程，注明其在板形、能耗、产量指标上的优势所在，找出其各道次轧制力和轧制功率的分布规律，然后绘制负荷分布规律曲线，存入相应的数据库，设计新的轧制规程时，从数据库中选择与工艺条件相近的负荷曲线，从而确定负荷分布规律。

6.根据权利要求3所述的设定金属板带轧制规程的方法，其特征在于：各道次轧件厚度的计算方法是，

首先对轧制压力目标曲线[F]进行回归，得出[F]的回归方程，然后运用罚函数方法，通过将有约束的寻优问题转化成无约束问题，得到以轧制压力为寻优目标的目标函数：

$T_1\left(h\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\frac{F_i}{F_{i+1}}-\frac{\left[F_i\right]}{\left[F_{i+1}\right]})}^2+{\mathrm{\&epsiv;}}_k\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left\{\min \right[0,{\mathrm{\&epsiv;}}_i\left]\right\}}^2$

式中：F_i，F_i+1——相邻道次实际轧制压力，

      [F_i]，[F_i+1]——相邻道次轧制压力目标，

      n—轧制道次

      ε_k—压缩率罚因子

$\min [0,{\mathrm{\&epsiv;}}_i]=\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max })+|{\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }|}{2}+\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_i)+|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_i|}{2}$

$=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }& {\mathrm{\&epsiv;}}_i>{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }-{\mathrm{\&epsiv;}}_i& {\mathrm{\&epsiv;}}_i{<\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\\ 0& {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_i\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\end{array}\right.$

当T₁(h)取极小值时，F_i→[F_i]，并且满足压下率约束；此时的解向量便是各道次轧件的出口厚度。

7.根据权利要求3所述的设定金属板带轧制规程的方法，其特征在于：各道次入口或出口张应力的计算方法是，根据目标曲线回归出张力系数目标曲线[C_r]的方程，然后根据σ＝C_r·k计算出各道次入口或出口张应力σ，式中k为入口或出口轧件变形抗力。

8.根据权利要求3所述的设定金属板带轧制规程的方法，其特征在于：各道次轧制速度的计算方法是，

首先对轧制功率目标曲线[P]进行回归，得出[P]的回归方程，然后运用罚函数方法，通过将有约束的寻优问题转化成无约束问题，得到以轧制功率为寻优目标的目标函数：

$T_1\left(h\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\frac{P_i}{P_{i+1}}-\frac{\left[P_i\right]}{\left[P_{i+1}\right]})}^2+{\mathrm{\&epsiv;}}_k\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left\{\min \right[0,{\mathrm{\&epsiv;}}_i\left]\right\}}^2$

式中：P_i，P_i+1——相邻道次实际轧制功率，

[P_i]，[P_i+1]——相邻道次轧制功率目标，

n—轧制道次

ε_k—压缩率罚因子

$\min [0,{\mathrm{\&epsiv;}}_i]=\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max })+|{\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }|}{2}+\frac{({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_i)+|{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{iman}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_i|}{2}$

$=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&epsiv;}}_i-{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }& {\mathrm{\&epsiv;}}_i>{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }-{\mathrm{\&epsiv;}}_i& {\mathrm{\&epsiv;}}_i{<\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\\ 0& {\mathrm{\&epsiv;}}_{i\min }\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_i\&le;{\mathrm{\&epsiv;}}_{i\max }\end{array}\right.$

当T₁(h)取极小值时，P_i→[P_i]，并且满足压下率约束；此时的解向量便是各道次的轧制速度。