CN102161052B - 热轧平辊窜动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热轧平辊窜动控制方法，为不同的交叉轧制计划提供更有针对性的窜辊策略，包括：根据临界宽度将轧制计划所有带钢划分为宽板和窄板两类；对于窄板，先按递推方式计算所有带钢的窜辊位置，再取出其中窄板的窜辊位置；对于宽板，先确定各卷窜辊位置容许变化的范围，再在计划层面建立评价带钢断面形状的目标函数，最后运用遗传算法优化计算出宽板的窜辊位置。本发明突破了传统的窜辊模式，为不同的交叉轧制计划提供更有针对性的窜辊策略，将所有带钢分为宽板和窄板，窄板通过递推方式计算，宽板则通过遗传算法优化计算，对提高交叉轧制带钢的板形质量起到积极作用。

Description

热轧平辊窜动控制方法

技术领域

本发明涉及热轧带钢成型加工技术领域，尤其涉及一种用于交叉轧制的轧辊窜动控制方法。

背景技术

随着用户对热轧带钢几何尺寸精度要求越来越高，现在对于带钢几何尺寸精度的要求不仅仅在于厚度、宽度、平直度和凸度，更加注重带钢断面形状。

然而，在热轧带钢精轧过程中，由于带钢边部温度相对较低，以及带钢横向流动和带钢边部形状等因素的影响，造成带钢边部对轧辊的磨损大于中部，形成所谓的边部局部磨损。特别是在硅钢与镀锡板交叉轧制时，随着轧制公里数的延长，对应于带钢边部区域的轧辊磨损相对于带钢中部越来越大，结果造成轧辊边部出现严重的局部磨损低点，反映到带钢上就形成断面反翘或局部高点，造成带钢断面形状恶化。这既影响了计划轧制公里数的延长，亦严重影响了硅钢、镀锡板等产品的质量。此外，轧辊热膨胀亦会对带钢断面形状造成同样的影响。

获得良好的热轧带钢断面形状，特别是在交叉轧制中，要在宽度反跳和延长轧制公里数的同时仍能获得良好的带钢断面形状，一直是热轧带钢生产领域的难题。为解决这一难题，通常可在精轧F5-F7机架配备长行程窜辊***。

窜辊***的使用最重要的是窜辊策略的确定，目前现有技术中的窜辊策略如图1所示，为定步长恒范围周期性窜辊，这种窜辊模式控制简单，能一定程度的解决轧辊磨损不均匀的问题，但在实际生产中发现：随着轧制卷数的增多，工作辊中央区域磨损越来越严重，容易造成轧破、周期性大边浪等缺陷，对热轧产线的正常生产造成了较大影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种热轧平辊窜动控制方法，确定交叉轧制计划每卷带钢的窜辊位置，从而提高带钢的板形质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种热轧平辊窜动控制方法，包括以下步骤：

步骤一、将计划内所有带钢划分为宽板和窄板；

步骤二、计算轧制计划内各卷窄板的窜辊位置：

先按递推方式计算出轧制计划内所有带钢的窜辊位置，再取出其中窄板的窜辊位置，而宽板的窜辊位置则由后述步骤计算；

所述递推方式为：

①窜动步长：前X卷每步窜45～55mm，从第X+1卷到计划结束每步窜35～45mm；

②窜动范围：前X卷窜动范围均为工作辊窜动的最大行程M，第X+1卷到计划结束从M逐渐减少至M/2，各卷窜动范围计算公式，

$w_1\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}M& i\≤X\\ M\·\exp (-C\·(i-X))& i>X\end{array}\right.---\left(1\right)$

C＝ln(2)/(N-X)                            (2)

其中w₁(i)为第i卷带钢的窜动范围，N为计划轧制的带钢卷数，i为第几卷带钢，C为衰减系数；

③窜动方向：如果继续沿前一卷带钢窜动方向窜动一个步长后将要超出当前卷窜动范围时，即|sa(i)+d|＞w₁(i+1)，则反向窜辊d＝-d，当前卷的窜辊位置为sa(i+1)＝sa(i)+d，其中d为带方向的窜动步长，sa(i)与sa(i+1)分别为第i卷与第i+1卷的窜辊位置，第1卷取sa(1)＝d；

按上述递推方式计算出计划内所有带钢的窜辊位置，仅取出那些属于窄板的窜辊位置，作为对应带钢的窜辊位置；

步骤三、计算轧制计划内各卷宽板的窜辊位置：

宽板则由下述优化方式得到，

首先确定各卷宽板窜辊位置容许变化的范围和优化的目标函数，

各卷宽板窜辊位置容许变化的范围：

离前后相邻两卷窄板的窜辊位置均在80mm以内，同时满足宽板的窜动范围，计算公式

$w_2\left(i\right)-w_1\left(i\right)-\left(\frac{B-A}{2}\right)---\left(3\right)$

A为窄板的平均宽度，

B为宽板的平均宽度，

w₁(i)为公式(1)计算出的窜动范围，

w₂(i)为各卷宽板的窜动范围，

优化的目标函数：

对计划内各卷带钢，考虑三个带钢断面指标——边部平滑、边缘降与等效凸度，加权各指标得到该卷带钢的综合断面指标，计算公式

profile_coil_i＝0.5·smooth_i+0.3·edgedrop_i+0.2·crown_i    (4)

其中，profile_coil_i为第i卷带钢的综合断面指标，smooth_i为边部平滑、edgedrop_i为边缘降、crown_i为等效凸度；

对整个轧制计划，取所有带钢的综合断面指标平均值作为交叉轧制窜辊优化的目标函数：

$\mathrm{fitness}=\frac{1}{N}\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{profile}\_{\mathrm{coil}}_i---\left(5\right)$

其中，fitness为交叉轧制窜辊优化的评价值；

在确定宽板窜辊位置变化范围和优化的目标函数之后，应用优化方法计算出各卷宽板的窜辊位置，再和步骤二计算出的窄板窜辊位置按轧制计划各卷宽板与窄板出现的先后次序组合得到该轧制计划的窜辊策略。

步骤一中所述计划内所有带钢分为主体材和交叉材，交叉材要比主体材宽200～450mm。

所述步骤一具体为，根据计划内各卷带钢的宽度选择一个大于主体材并小于交叉材的宽度作为临界宽度，根据临界宽度将计划内所有带钢划分为两类：大于临界宽度的带钢为宽板，小于临界宽度的带钢为窄板。

所述确定临界宽度之间还包括将烫辊材都划分为窄板的步骤。

步骤二中所述X取12卷，前12卷每步窜50mm，从第13卷到结束每步窜40mm，工作辊窜动的最大行程M取200mm。

步骤三中所述宽板窜动范围，当由公式(3)计算出的窜动范围小于50mm时，则该卷宽板的窜动范围取50mm。

步骤三中所述带钢断面指标一边部平滑、边缘降与等效凸度，均由轧辊磨损导致的带钢断面横向厚差计算得到，而各卷带钢的横向厚差由轧制计划的窜辊策略决定。

步骤三中所述的边部平滑计算，

取带钢边部200mm内的带钢断面横向厚差，每5mm取一点，共计40点，用四次多项式去拟合横向厚差：

y＝a₀+a₁·x+a₂·x²+a₄·x⁴            (6)

其中，x为各点离带钢边部的距离，y为横向厚差，a₀，a₁，a₂，a₄为待定系数，

定义边部平滑指标为：

$\mathrm{smooth}=\frac{1}{40}\underset{j=1}{\overset{40}{\mathrm{\Σ}}}|{y_j}^{*}-{\hat{y}}_j|---\left(7\right)$

式中，smooth为边部平滑指标，y_j ^*为第j点的横向厚差实际值，

为第j点的多项式拟合值。

如权利要求1所述的热轧平辊窜动控制方法，其特征是，步骤三中所述的优化方法为遗传算法，编码方式为二进制，交叉和变异方式均为单点操作，选择算法为轮盘赌，目标函数为式(5)，为极小值问题，优化计算的输出结果为各卷宽板的窜辊位置。

本发明突破了传统的窜辊模式，为不同的交叉轧制计划提供更有针对性的窜辊策略。针对交叉轧制带钢宽度交替变化的特点，将所有带钢分为宽板和窄板，窄板通过递推方式计算，与传统窜辊相比窜动范围逐渐减小；宽板则通过遗传算法优化计算，在计划层面建立评价带钢断面形状的目标函数。本发明提供的轧辊窜动控制方法明显提高了交叉轧制带钢的板形质量。

附图说明

图1为现有的定步长恒范围周期性窜辊模式示意图；

图2为交叉轧制中带钢宽度变化示意图；

图3为按递推方式算出的一个轧制计划所有带钢窜辊位置示意图；

图4为本热轧平辊窜动控制方法流程示意框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

首先对交叉轧制计划及如何划分宽窄板进行说明。

在实际生产中经常会遇到交叉轧制的要求，此时在计划的编排上，会突破宽度对生产自由度的严格要求，打破传统的“coffin”图的编排原则，宽度实现可连续自由的变化，在计划中出现“反跳轧制”和“批量同宽轧制”。典型的交叉轧制计划中宽度的变化如图2所示。

传统窜辊策略并未考虑带钢宽度变化对窜辊的影响，而交叉轧制带钢宽度的交替变化(一般有固定的交叉比)会加剧工作辊的不均匀磨损，使得在轧制宽的带钢时有可能处于轧辊磨损区域的边缘，影响后续带钢的板形。为此，将交叉轧制中宽带钢与窄带钢的窜辊策略分开处理。

在交叉轧制过程中，主体材(通常为硅钢)的宽度基本相同而交叉材(通常为碳钢)的宽度比主体材要宽200～450mm，这为区分宽板与窄板提供了方便，选择一个大于计划内主体材并小于交叉材的宽度作为临界宽度，根据临界宽度将计划内所有带钢划分为两类：大于临界宽度的带钢为宽板，小于临界宽度的带钢为窄板。

考虑到大部分轧制计划开始时烫辊材的宽度变化没有规律，选择临界宽度时可不考虑烫辊材的影响，同时不管烫辊材的宽度如何，都将烫辊材划分为窄板。

下面说明窄板窜辊位置的计算方法。

先按递推方式计算出轧制计划内所有带钢的窜辊位置，再取出其中窄板的窜辊位置，而宽板的窜辊位置则由后述步骤计算；

所述递推方式为：

①窜动步长：前X卷每步窜45～55mm，从第X+1卷到计划结束每步窜35～45mm；

②窜动范围：前X卷窜动范围均为工作辊窜动的最大行程M，第X+1卷到计划结束从M逐渐减少至M/2，各卷窜动范围计算公式，

$w_1\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}M& i\≤X\\ M\·\exp (-C\·(i-X))& i>X\end{array}\right.---\left(1\right)$

C＝ln(2)/(N-X)                            (2)

其中w₁(i)为第i卷带钢的窜动范围，N为计划轧制的带钢卷数，i为第几卷带钢，C为衰减系数；

③窜动方向：如果继续沿前一卷带钢窜动方向窜动一个步长后将要超出当前卷窜动范围时，即|sa(i)+d|＞w₁(i+1)，则反向窜辊d＝-d，当前卷的窜辊位置为sa(i+1)＝sa(i)+d，其中d为带方向的窜动步长，sa(i)与sa(i+1)分别为第i卷与第i+1卷的窜辊位置；

本实施例X取12卷，前12卷每步窜50mm，从第13卷到结束每步窜40mm，工作辊窜动的最大行程M取200mm，第1卷带钢的窜辊位置取sa(1)＝50，第2卷sa(2)＝sa(1)+50＝100，第3卷sa(3)＝sa(2)+50＝150，第4卷sa(4)＝sa(3)+50＝200，第5卷sa(5)＝sa(4)+50＝250＞200，则第5卷要反向窜辊d＝-50，故sa(5)＝sa(4)-50＝150，同理可一直递推到计划结束，对一个轧制卷数N＝73的计划，按递推方式计算出的窜辊位置序列如图3所示，可见窜动范围在不断减小。

按上述递推方式可计算出计划内所有带钢的窜辊位置，仅取出那些属于窄板的窜辊位置，作为对应带钢的窜辊位置。

下面说明工作辊窜辊位置如何影响带钢断面形状。

工作辊窜动后，必须根据每次的窜辊位置确定与带钢实际的接触单元，并计算其磨损量。也就是说，窜辊位置决定了磨损量在轧辊长度方向的分布位置。每轧制一卷带钢会在轧辊上产生一定的磨损，随着轧制计划的进行，轧辊的累积磨损就是各卷带钢磨损量在辊身长度方向相应点上的叠加，磨损的累积使得轧辊表面凹凸不平。工作辊表面的不均匀磨损会导致有载辊缝产生畸变，畸变的有载辊缝使得带钢断面变差，影响到带钢断面的横向厚差。也就是说，窜辊位置决定了由工作辊磨损导致的带钢断面的横向厚差。

为了量化窜辊位置对带钢断面的影响，引入三个断面指标——边部平滑、边缘降与等效凸度，加权各指标得到该卷带钢的综合断面指标，计算公式

profile_coil_i＝0.5·smooth_i+0.3·edgedrop_i+0.2·crown_i    (4)

其中，profile_coil_i为第i卷带钢的综合断面指标，smooth_i为边部平滑、edgedrop_i为边缘降、crowni为等效凸度；

对整个轧制计划，取所有带钢的综合断面指标平均值作为窜辊优化的目标函数：

$\mathrm{fitness}=\frac{1}{N}\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{profile}\_{\mathrm{coil}}_i---\left(5\right)$

其中，fitness为交叉轧制窜辊优化的评价值。

上述边部平滑、边缘降与等效凸度指标均由轧辊磨损导致的带钢断面横向厚差计算得到。

对边缘降和等效凸度指标，可按常规定义由带钢断面横向厚差计算得到；对边部平滑指标：

取带钢边部200mm内的带钢断面横向厚差，每5mm取一点，共计40点，用四次多项式去拟合横向厚差：

y＝a₀+a₁·x+a₂·x²+a₄·x⁴            (6)

其中，x为各点离带钢边部的距离，y为横向厚差，a₀，a₁，a₂，a₄为待定系数，

定义边部平滑指标为：

$\mathrm{smooth}=\frac{1}{40}\underset{j=1}{\overset{40}{\mathrm{\Σ}}}|{y_j}^{*}-{\hat{y}}_j|---\left(7\right)$

式中，smooth为边部平滑指标，y_j ^*为第j点的横向厚差实际值，为第j点的多项式拟合值。

上述带钢断面的横向厚差由工作辊的累积磨损与原始辊型计算得到，工作辊的累积磨损受轧制计划的窜辊策略影响。因而，改变轧制计划的窜辊策略，也就改变了轧制出的各卷带钢的断面指标。

下面对宽板窜辊位置的优化进行说明。

不同的窜辊策略决定了不同的带钢断面，因而通过优化窜辊策略可得到较好的带钢断面。

由于窄板的窜辊位置已经在步骤二中决定(受窜动步长及计划长度影响)，因此窜辊优化的调节余地主要在宽板。

为了获得较好的优化效果，先要对个各卷宽板窜辊位置容许变化的范围进行精细确定，其变化范围受两方面的约束：

一是要满足离前后相邻两卷窄板的窜辊位置均在80mm以内，这是工艺方面的要求，因为工作辊窜动的速度是有限的，而轧制间隙时间也比较短。

二是要满足宽板的窜动范围的限制，宽板的窜动范围计算公式

$w_2\left(i\right)-w_1\left(i\right)-\left(\frac{B-A}{2}\right)---\left(3\right)$

A为窄板的平均宽度，

B为宽板的平均宽度，

w₁(i)为公式(1)计算出的窜动范围，

w₂(i)为各卷宽板的窜动范围。

由于交叉轧制计划中宽板比窄板要宽200～450mm，为避开工作辊磨损区域的边缘，让宽板处于工作辊的最佳辊形范围内，故宽板的窜动范围要在窄板基础上减去窄板与宽板平均宽度差的一半。

但当由公式(3)计算出的窜动范围小于50mm时，则该卷宽板的窜动范围取50mm，这仅在少数交叉轧制计划中出现，这样做是为了让该卷宽板的窜辊位置仍有一定的变化余地。

在待优化变量(各卷宽板的窜辊位置)的变化范围和优化的目标函数确定之后，可应用遗传算法进行优化。

构造窜辊优化问题的遗传算法，编码方式为二进制，交叉和变异方式均为单点操作，选择算法为轮盘赌，目标函数为式(5)，为极小值问题。优化计算的输出结果为各卷宽板的窜辊位置。

具体优化时各参数取值，交叉概率取0.9，变异概率取0.01，种群数取30，进化代数取50，当搜索结果超过预定阈值或进化代数超过50次时，搜索结束。

最后，将优化出的各卷宽板窜辊位置和步骤二计算出的窄板窜辊位置按轧制计划各卷宽板与窄板出现的先后次序组合得到该轧制计划的窜辊策略。

Claims (6)

1.一种热轧平辊窜动控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一、将计划内所有带钢划分为宽板和窄板；计划内所有带钢分为主体材和交叉材，交叉材要比主体材宽200～450mm；

根据计划内各卷带钢的宽度选择一个大于主体材并小于交叉材的宽度作为临界宽度，根据临界宽度将计划内所有带钢划分为两类：大于临界宽度的带钢为宽板，小于临界宽度的带钢为窄板；

步骤二、计算轧制计划内各卷窄板的窜辊位置：

先按递推方式计算出轧制计划内所有带钢的窜辊位置，再取出其中窄板的窜辊位置，而宽板的窜辊位置则由后述步骤计算；

所述递推方式为：

①窜动步长：前X卷每步窜45～55mm，从第X+1卷到计划结束每步窜35～45mm；

②窜动范围：前X卷窜动范围均为工作辊窜动的最大行程M，第X+1卷到计划结束从M逐渐减少至M/2，各卷窜动范围计算公式，

                                                

        （1）

      

                      （2）

其中

为第i卷带钢的窜动范围，N为计划轧制的带钢卷数，i为第几卷带钢，C为衰减系数；

③窜动方向：如果继续沿前一卷带钢窜动方向窜动一个步长后将要超出当前卷窜动范围时，即

，则反向窜辊

，当前卷的窜辊位置为

，其中d为带方向的窜动步长，与

分别为第i卷与第i+1卷的窜辊位置，第1卷取

；

按上述递推方式计算出计划内所有带钢的窜辊位置,仅取出那些属于窄板的窜辊位置，作为对应带钢的窜辊位置；

步骤三、计算轧制计划内各卷宽板的窜辊位置：

宽板的窜辊位置则由下述优化方式得到，

首先确定各卷宽板窜辊位置容许变化的范围和优化的目标函数，

宽板窜辊位置容许变化的范围受两方面的约束：

一、宽板的窜动范围，计算公式

 

    （3）

为窄板的平均宽度，

为宽板的平均宽度，

为公式（1）计算出的窜动范围，

为各卷宽板的窜动范围，

二、离前后相邻两卷窄板的窜辊位置均在80mm以内；

优化的目标函数：

对计划内各卷带钢，考虑三个带钢断面指标——边部平滑、边缘降与等效凸度，加权各指标得到该卷带钢的综合断面指标，计算公式

    （4）

其中，为第i卷带钢的综合断面指标，

为边部平滑、

为边缘降、为等效凸度；

对整个轧制计划，取所有带钢的综合断面指标平均值作为交叉轧制窜辊优化的目标函数：

  

    （5）

其中，

为交叉轧制窜辊优化的评价值；

在确定宽板窜辊位置容许变化范围和优化的目标函数之后，应用优化方法计算出各卷宽板的窜辊位置，再和步骤二计算出的窄板窜辊位置按轧制计划中各卷宽板与窄板出现的先后次序组合得到该轧制计划的窜辊策略。

2.如权利要求1所述的热轧平辊窜动控制方法，其特征是：所述确定临界宽度的步骤之中还包括将烫辊材都划分为窄板的步骤。

3.如权利要求1所述的热轧平辊窜动控制方法，其特征是，步骤二中所述X取12卷，前12卷每步窜50mm，从第13卷到结束每步窜40mm，工作辊窜动的最大行程M取200mm。

4.如权利要求1所述的热轧平辊窜动控制方法，其特征是，步骤三中所述宽板窜动范围，当由公式（3）计算出的窜动范围小于50mm时，则该卷宽板的窜动范围取50mm。

5.如权利要求3所述的热轧平辊窜动控制方法，其特征是，步骤三中所述的边部平滑计算，

取带钢边部200mm内的带钢断面横向厚差，每5mm取一点，共计40点，用四次多项式去拟合横向厚差：

        （6）

    其中，

为各点离带钢边部的距离，

为第j点的横向厚差的多项式拟合值，

为待定系数，

   定义边部平滑指标为：

  

            （7）

式中，

为边部平滑指标，

为第j点的横向厚差实际值，

为第j点的横向厚差的多项式拟合值。

6.如权利要求1所述的热轧平辊窜动控制方法，其特征是，步骤三中所述的优化方法为遗传算法，编码方式为二进制，交叉和变异方式均为单点操作，选择算法为轮盘赌，目标函数为式（5），为极小值问题，优化计算的输出结果为各卷宽板的窜辊位置。

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