CN100409242C - 一种冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，该方法收集冷连轧机的设备、带钢特征、轧制工艺等参数，并给定各个机架初始张力与压下量设定值，再分别求出冷连轧机各个机架的打滑因子和各个机架的划痕综合判断指标的值，求出轧制规程优化设定的目标函数；再判断该目标函数是否满足鲍威尔条件，求出最优张力与压下量设定值。本发明的方法引入了划痕判断概念，将冷连轧机的各个机架作为一个整体来统筹考虑，并把划痕防治作为目标进行轧制规程的在线优化设定，该方法能够起到在保证产品质量的前提下大幅度的提高轧制速度，提高了带钢的表面质量，大大减少了企业因此而造成的巨大经济损失。

Description

一种冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法

技术领域

本发明涉及冷带钢的成型加工，特别涉及一种冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法。

背景技术

冷带钢连轧工艺如图1所示，带材1从开卷机2卷出后送至机架31～3i，经过多个机架的轧制，带材1达到规定的厚度并被送至卷取机回卷。每个机架的轧辊包括支承辊4和工作辊5，其中工作辊5与带材表面直接接触。

轧制过程中，一般包括对每个机架前后张力、道次变形量(以道次压下量或压下率表征)即等参数的设定。由于这些参数是冷带钢连轧工艺中质量控制的关键因素，因此在这方面已经作了大量的研究工作，有关这些参数的优化控制或设定方法具体可参见“板带钢轧机压下规程能量优化设计”《有色金属》1998年第2期第51～54页，“冷轧带钢压下规程优化设计”《河北冶金》2002年第2期第24～27页，以及“冷轧宽带钢轧制规程优化”《上海金属》1997年第11期第49～53页)等参考文献。

上述的公开文献所涉及轧制规程的优化与设定，一般只考虑到各机架电机相对负荷均匀、厚控以及板形等因素，从未考虑划痕的防治与预防问题，因此常常造成轧制过程中带钢的表面与轧辊的表面产生划痕，见图2，图中，带材1和工作辊5中均有划痕6，划痕的产生不但影响了轧制速度的提高，限制了轧机的产量，而且影响了带钢的表面质量，造成产品质量等级下降甚至判废，给企业造成了巨大的经济损失。

发明内容

本发明的目的是针对传统冷带钢轧制过程中存在的上述缺陷，提供一种冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，该方法能够防治冷连轧过程中划痕产生，以实现冷带钢轧制的线控制。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案，

该冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法包括以下步骤：

a、收集冷连轧机的设备参数、带钢特征参数、轧制工艺参数、润滑制度参数；

b、给定连轧机的各个机架初始张力与压下量设定值，以及初始步长和终止精度；

c、求出冷连轧机各个机架的打滑因子的值ψ_i，其中，i为冷连轧机中第i个机架的表示符号；

d、根据打滑因子的值ψ_i，求出冷连轧机的各个机架的划痕综合判断指标的值λ_i，其中，i为冷连轧机中第i个机架的表示符号；

e、求出轧制规程优化设定的目标函数；

f、判断该目标函数是否满足鲍威尔条件，若满足，得到优化后的张力与压下量的值；若不满足，则重复上述步骤c、d以及e，直至满足鲍威尔条件，得出最优张力与压下量设定值；

g、输出优化后的张力与压下量的值，并将优化后的张力与压下量设定值作为新的轧制规程，完成在线设定。

在本发明的上述技术方案中，该方法先收集冷连轧机的设备、带钢特征、轧制工艺、润滑制度参数，并给定连轧机的各个机架初始张力与压下量设定值，以及初始步长和终止精度，再分别求出冷连轧机各个机架的打滑因子和各个机架的划痕综合判断指标的值，以及求出轧制规程优化设定的目标函数；最后再判断该目标函数是否满足鲍威尔条件，求出最优张力与压下量设定值，完成了在线设定。因此本发明的方法不但考虑到各机架电机相对负荷均匀、厚控以及板形等因素，而且引入划痕判断新概念，将冷连轧机的各个机架作为一个整体来统筹考虑，并把划痕防治作为目标进行轧制规程的在线优化设定，该方法能够起到在保证产品质量的前提下大幅度的提高轧制速度、充分发挥轧机潜能作用，提高了带钢的表面质量，大大减少了企业因此而造成的巨大经济损失。

附图说明

图1是冷带钢连轧工艺的示意图；

图2是冷带钢连轧生产中产生的划痕缺陷示意图；

图3是本发明的优化方法流程示意图；

具体实施方式

为了能对本发明作较好地理解，下面先对划痕所产生的机理进行分析，

对于划痕缺陷产生机理问题，一开始现场认为该缺陷是一种由于润滑油膜局部破裂而引起的热滑伤问题，起因是润滑不足的。实际上，根据相关文献可以知道，热滑伤缺陷从表观上来看并非细长状、贯穿性的，而是短粗状，因此从形态上来看该缺陷根本不是热滑伤。为了探其究竟，现场从改进润滑制度入手，增大乳化液的流量，结果发现相关实验对划痕缺陷影响甚微，这就说明该缺陷并非润滑不足而引起的。

这样，为了寻求划痕产生的真正原因，首先对现场进行跟踪调研，发现划痕缺陷集中发生在冷连轧机的后两个机架、尤其是最末机架。在此基础上，从轧制基本理论入手，对发生划痕缺陷的带材的轧制工艺参数进行分析，发现所有发生划痕缺陷的带材都有两个共同的特点：(1)产生划痕缺陷的相关机架都有打滑倾向；(2)产生划痕缺陷的相关机架轧制速度都非常高。于是，经过进一步的分析与推断认为划痕产生的主要原因是由于冷连轧机在轧制过程中高速打滑而引起，具体可以这么描述：划痕主要由打滑而产生，但打滑本身并不一定能够造成划痕，必须是高速状态下的打滑才会产生划痕，两者缺一不可，这也是划痕集中发生在冷连轧机的后两个机架、尤其是最末机架的原因。

通过上述的分析可以知道，决定冷连轧机轧制过程中某一机架是否产生划痕缺陷的因素有两个：一个是打滑出现的概率以及打滑发生的程度，另外一个是轧制速度。

对于冷连轧过程中的打滑问题，可以引入一个通用的表征打滑出现概率与打滑发生程度的参数-打滑因子ψ来反映冷连轧过程中某一机架打滑出现的概率以及打滑发生的程度，其表达式为：

$\mathrm{\ψ}=|\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}|---\left(1\right)$

式中：γ-中性角；

      α-咬入角。

打滑因子ψ的物理意义是中性面在变形区内的相对位置。ψ越小表示中性面靠变形区中部越近，打滑出现的概率越小、发生程度越轻；而打滑因子ψ越大，则表示中性面离变形区中部越远，打滑出现的概率越大、发生程度越重，轧制过程越不稳定。

这样，为了判断冷连轧过程中某一机架轧辊和带材表面是否会发生划痕，以及划痕发生的程度，同时也为了有利于冷连轧机各机架之间的横向对比，特提出一个表征划痕出现概率及程度的参数λ，将其命名为划痕综合判断指标，其表达式为：

λ＝ψ·V^α                                         (2)

式中：ψ-打滑因子；

      V-轧制速度；

      α-速度影响指数，与冷连轧机的特性密切相关，一般α＝0.8□1.2，宝钢1220五机架冷连轧机根据统计与回归，α＝1.15。

显然，划痕综合判断指标λ越小，则代表划痕出现的概率越小、发生程度越轻；反之，划痕综合判断指标λ越大，则代表划痕出现的概率越大、发生程度越严重。

应该说明的是，对于一个冷连轧过程而言，只要有任何一个道次产生了划痕，就认为该轧制过程已经发生了划痕现象。由于划痕综合判断指标λ值的大小最终决定于打滑因子ψ与轧制速度V的综合作用。而对于冷连轧机，尽管轧制速度总是越来越大的，即下游机架的轧制速度总比上游机架的轧制速度大，但是各机架打滑因子的值却是受轧制规程(包括张力制度与压下规程)所影响的。这就是说，可以通过轧制规程的优化来改变各机架划痕综合判断指标λ的值，使得冷连轧过程中各机架的划痕综合判断指标λ值均衡分布，既不出现出现整体λ值偏大的现象，又不出现整体λ值虽小但某一机架λ值偏大的现象，从而最终达到防治划痕的目的。

请参阅图3所示，本发明冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法可归纳为以下步骤：

第一步，收集冷连轧机的设备参数、带钢特征参数、轧制工艺参数、润滑制度参数；

第二步，给定连轧机的各个机架初始张力与压下量设定值，以及初始步长和终止精度；

第三步，求出冷连轧机各个机架的打滑因子的值；

第四步，根据打滑因子的值ψ_i，求出冷连轧机的各个机架的划痕综合判断指标的值λ_i；

第五步，求出轧制规程优化设定的目标函数；

第六步，判断该目标函数是否满足鲍威尔条件，若满足，得到优化后的张力与压下量的值；若不满足，则重复上述步骤三、四以及五，直至满足鲍威尔条件，得出最优张力与压下量设定值；

第七步，输出优化后的张力与压下量的值，并将优化后的张力与压下量设定值作为新的轧制规程，完成在线设定。

根据轧制理论可以知道，对于一个冷连轧过程而言，对于任意一机架，以下方程成立：

${\mathrm{\α}}_i=\sqrt{\frac{h_{0i}-h_{1i}}{{R_i}^{\′}}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{h_{0i}-h_{1i}}{{R_i}^{\′}}}[1-\frac{1}{2{\mathrm{\μ}}_i}(\sqrt{\frac{h_{0i}-h_{1i}}{{R_i}^{\′}}}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{0i}{h}_{0i}-T_{1i}{h}_{1i}}{p_i})]---\left(4\right)$

${R_i}^{\′}=R_i[1+\frac{C_0{p}_i}{h_{0i}-h_{1i}}]---\left(5\right)$

$C_0=\frac{16(1-v^2)}{\mathrm{\πE}}---\left(6\right)$

式中：h_0i-第i机架的带材的入口厚度；

      h_1i-第i机架的带材的出口厚度；；

      R′_i-第i机架的工作辊压扁半径；

      R_i-第i机架的工作辊半径；

      p_i-第i机架的单位宽度轧制压力；

      σ_1i，σ_0i-第i机架的前后张力；

      μ_i-第i机架的摩擦系数；

      E、v-工作辊的杨氏模量和泊松比。

这样，第i机架的打滑因子ψ_i可以进一步的用下式来表示：

${\mathrm{\ψ}}_i=\frac{1}{4{\mathrm{\μ}}_i}|\sqrt{\frac{h_{0i}-h_{1i}}{{R_i}^{\′}}}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{0i}{h}_{0i}-T_{1i}{h}_{1i}}{p_i}|---\left(7\right)$

同时，如果在轧制中采用乳化液润滑，则摩擦系数主要决定于轧制变形区的油膜厚度^[4]，可以用下式表示：

${\mathrm{\μ}}_i=\mathrm{\μ}\left({\mathrm{\ξ}}_{0i}\right)\≈k_{\mathrm{ri}}\·({\mathrm{\μ}}_{0i}-c_1{{\mathrm{\ξ}}_{0i}}^{c_2})---\left(8\right)$

 式中：k_r-轧辊粗糙度影响系数，轧辊粗糙度越大，k_r越小。

     μ₀-相同轧辊粗糙度下的干摩擦系数；

     c₁，c₂-拟合系数，可由实验得出；

     ξ_0i-轧制变形区油膜当量厚度，其表达式为：

${\mathrm{\ξ}}_{0i}=\frac{6\mathrm{a\η}{V}_i}{\sqrt{\frac{h_{0i}-h_{1i}}{{R_i}^{\′}}}[1-e^{-a(K_i-{\mathrm{\σ}}_{0i})}]}---\left(9\right)$

式中： $\mathrm{\η}={\mathrm{\η}}_0{e}^{(\mathrm{ap}-b{T}_m)}$

     η₀-润滑剂在一个大气压下的室温粘度；

     a-润滑剂的粘度压力系数；

     b-润滑剂的粘度温度系数；

     T_m-润滑油膜的平均温度；

     V_i-第i机架的轧制速度；

     K_i-第i机架带材的变形抗力。

同样，根据秒流量相等原则，各机架出口轧制速度可以用下式来表示：

$V_i=\frac{V_n\·h_{1n}}{h_{1i}}---\left(10\right)$

式中：V_n-设定轧制速度，即最后一机架的轧制速度；

      h_1n-最后一机架轧机的出口带材厚度。

如果定义L_i为第i机架的相对变形量，综合(3)-(10)式可以知道，在工艺润滑制度与轧辊应用工艺不变的前提下，冷连轧机各机架划痕综合判断指标λ_i的值主要决定于各机架压下量的分配L_i与张力制度σ_0i，σ_1i，并可以用以下函数表示：

λ_i＝λ(L_i，σ_0i，σ_1i)   i＝1，2，…，n       (11)

于是，可以把轧制规程优化目标函数简单的定义为：

f(X)＝A·g₁(X)+(1-A)·g₂(X)                            (12)

式中：

$g_1\left(X\right)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\λ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}})}^2}---\left(13\right)$

g₂(X)＝λ                                                   (14)

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i---\left(15\right)$

X＝{L_i，σ_0i，σ_1i，i＝1，2，3，…n}                 (16)

A-加权系数

n-连轧机的机架数。

需要说明的是，式(12)中g₁(X)代表各机架λ值的均匀度，g₂(X)代表各机架λ整体数值。两者是缺一不可的，因为优化结果既不希望出现整体λ值偏大的现象，又不希望出现整体λ值虽小但某一机架λ值偏大的现象。

这样，整个优化过程可以描述为寻找一个合适的压下分配标准与张力制度X＝{L_i，σ_0i，σ_1i，i＝1，2，3，…n}，使得f(X)最小，采用鲍威尔(powell)优化方法得出优化结果。

实施例

(1)、收集所需的设备、带材原始数据

冷连轧机设备参数：工作辊直径D_w1＝550/500mm；D_w2＝533.4(～535)/470mm；D_w3＝533.4(～535)/470mm；D_w4＝533.4(～535)/470mm；D_w5＝533.4(～535)/470mm

工作辊原始粗糙度：Ra₁＝0.60μm；Ra₂＝0.58μm；Ra₃＝0.56μm；Ra₄＝0.43μm；Ra₅＝0.38μm

工作辊的轧制公里数：L_w1＝80Km；L_w2＝80Km；L_w3＝80Km；L_w4＝80Km；L_w5＝80Km

产品品种规格范围：带钢宽度1000mm，入口厚度1.8mm，出口厚度0.195mm，钢种为MRT3

(2)轧制工艺参数的选取

冷连轧机末机架的出口轧制速度设定为1600m/min

(3)润滑剂在一个大气压下的室温粘度80、润滑剂的粘度压力系数50、润滑剂的粘度温度系数0.2

(4)轧制规程的优化

1)给定各个机架初始张力与压下量设定值X0＝[0.2，0.2，0.2，0.2，0.2，176，176，176，176，176，176，176，176，176，176]，定义收敛精度为0.001；

2)求出冷连轧机各个机架的打滑因子的值ψ_i＝[0.1，0.21，0.3，0.32，0.4]；

3)、计算出冷连轧机各个机架的划痕综合判断指标的值λ_i＝[6.2，7.9，8.4，9.5，18.2]；

4)、求出轧制规程优化设定的目标函数f(x)＝4.3；

5)、判断是否符合鲍威尔条件，进行反复迭代计算，得出最优张力与压下量设定值，

各机架的参数结果如表1所示。

表1  典型规格产品轧制规程优化结果

从表中可以看出，优化后，划痕判断指标的峰值较优化前的峰值指标大大下降，如：优化前，机架4、机架5的峰值为10.52、15.31；优化后，机架4、机架5的峰值仅为8.22、9.10。

由上述的描述可以看出，本发明的方法的确能够起到在保证产品质量的前提下大幅度的提高轧制速度、降低了带钢在轧制过程中出现划痕的概率，较好地保证了带钢的表面质量。

Claims (8)

1. 一种冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，

其特征在于，该方法包括以下步骤：

a、收集冷连轧机的设备参数、带钢特征参数、轧制工艺参数、润滑制度参数；

b、给定连轧机的各个机架初始张力与压下量设定值，以及初始步长和终止精度；

c、求出冷连轧机各个机架的打滑因子的值ψ_i，其中，i为冷连轧机中第i个机架的表示符号；

d、根据打滑因子的值ψ_i，求出冷连轧机的各个机架的划痕综合判断指标的值λ_i，其中，i为冷连轧机中第i个机架的表示符号；

e、求出轧制规程优化设定的目标函数；

f、判断该目标函数是否满足鲍威尔条件，若满足，得到优化后的张力与压下量的值；若不满足，则重复上述步骤c、d以及e，直至满足鲍威尔条件，得出最优张力与压下量设定值；

g、输出优化后的张力与压下量的值，并将优化后的张力与压下量设定值作为新的轧制规程，完成在线设定。

2. 如权利要求1所述的冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，

其特征在于：

所述的设备参数包括各个机架工作辊的直径、各个机架工作辊的粗糙度、各个机架工作辊的轧制公里数、各个机架工作辊的杨氏模量和泊松比。

3. 如权利要求1所述的冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，

其特征在于：

所述的带钢特征参数包括带钢宽度，第一机架带钢入口厚度，带钢初始屈服强度和带钢的加工硬化系数。

4. 如权利要求1所述的冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，

其特征在于：

所述轧制工艺参数包括冷连轧机末机架的出口轧制速度。

5. 如权利要求1所述的冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，

其特征在于：

所述的润滑制度参数是指润滑剂在一个大气压下的室温粘度、润滑剂的粘度压力系数、润滑剂的粘度温度系数。

6. 如权利要求1所述的冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，

其特征在于：

所述的步骤c中的打滑因子ψ_i定义为，

${\mathrm{\ψ}}_i=|\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\α}}-\frac{1}{2}|$

式中，γ-中性角

      α-咬入角。

7. 如权利要求1所述的冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，

其特征在于：

所述的步骤d中划痕综合判断指标λ_i定义为，

λ_i＝ψ_i·V^α

式中，V-轧制速度；

      α-速度影响指数，与冷连轧机的特性密切相关，一般α＝0.8～1.2。

8. 如权利要求1所述的冷带钢连轧机中以划痕防治为目标的优化方法，

其特征在于：

所述的步骤e中，轧制规程优化目标函数定义为：

f(X)＝A·g₁(X)+(1-A)·g₂(X)

式中：

$g_1\left(X\right)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\mathrm{\λ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}})}^2}$

g₂(X)＝λ

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i$

X＝{L_i，σ_0i，σ_1i，i＝1，2，3，…n}，其中，i为冷连轧机中第i个机架的表示符号；

L_i为第i机架的相对变形量；σ_1i，σ_0i-第i机架的前后张力，

A-加权系数，一般情况下，取A＝0.35

n-连轧机的机架数。

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