CN106126941A - 一种冷轧机组功率建模方法 - Google Patents

Abstract

一种冷轧机组功率建模方法。本发明针对酸洗‑连轧机组功率特点，提供了一种酸洗‑连轧产线机组功率建模的方法，对酸洗‑连轧产线中由变频电机控制的大功率机组建立了电功率模型，对酸洗槽建立了热功率模型，并将电功率模型和热功率模型耦合成为统一的功率模型。本发明所述基于电功率的机组以轧机机架、矫直机、卷曲机为例，其他机组的建模方法与之类似；热功率建模方法与电功率建模方法类似。本发明所建立的功率模型可以为后续冷轧工艺能量效率研究提供基础，也可以进行加工能耗评估和预测。建立的功率模型物理意义明确，合理、简单而准确，解决了酸洗‑连轧产线机组能效评估的问题。

Description

一种冷轧机组功率建模方法

技术领域

本发明提供了一种酸洗-连轧机组的功率建模方法，属于冷轧机组的能耗优化领域。

背景技术

2010年中国钢铁业工序能耗(吨钢可比综合能耗差7.47％，焦化工序差4.96％，炼铁差17.45％，轧钢差49.85％)中轧制工艺能耗落后于国际先进水平49.85％，是各种工序能耗差距最大的，节能降耗潜力很大。因此，提高冷轧工序机组能源消耗的效率，具有重要的意义。

建立酸洗-连轧产线机组输出功率的模型，不仅可以描述和评估酸洗-连轧产线机组的能源使用情况，也可以指导后续能量效率优化的研究。在当前的能效评估的研究中，“能量流(Energy Flow)”已经成为一种评估制造业能效的有效方法，并且在机床领域的研究已经达到比较成熟的层次，黄拯滔提出的一种基于能量守恒原理的数控车削能耗模型的精度已经达到99％以上(HUANG Zhengtao,ZHANG Chaoyong,LUO Min.An AssessmentModel of Energy Consumption for NC Turning Process Based on Principle ofConservation ofEnergy[J].Chinese Mechanical Engineer,2015,18(26):2419-2421)。冷轧工序作为多源能耗生产流程与传统机床能耗构成完全不同，将机床的能量流模型运用到冷轧机组，从电、热等多能量源进行综合能量流分析，对于冷轧工序的能耗控制和能效优化具有实际意义和广阔的应用前景。

目前钢铁冶金的功率模型的分析研究一般都集中在炼钢以及连铸等工序。赵业清(Zhao Yeqing.Research on Energy Flow Network Model in Iron and SteelEnterprises Based on Hybird Petri Net[J].Metallurgical IndustryAutomation,2014,38(5):27-28)应用能量流和物质流的方法对钢铁行业从原料到热轧的过程进行了分析。朱里红和王俊飞(Zhu Lihong,Wang Junfei,Zhang Feng.Development of EnergyMonitoring System Reheating Furnace in Hot Rolling Process[J].EngineeringControl Computer,2011,24(5):72-72)提出了一种在热轧过程的能耗监测加热炉实时能耗的***。李姗姗(Li Shanshan.Research on Energy Efficiency Assessment MethodofIron and Steel Production Process Based on Exergy Analysis[D].Jinan:Shandong University,2013)提出了一种基于分析的能耗分析方法，主要针对钢铁生产的炼钢工序。而关于冷轧(Cold Rolling)工序，尤其是生产流程复杂，涉及到的机组、参数众多的酸洗-连轧产线，机组的功率模型未见有文献报道。

冷轧作为钢铁生产的高能耗工序，节能潜力巨大。由于产线机组和工艺参数众多，生产过程复杂，关于冷轧能效优化的研究比较少，也缺少一个精确的冷轧机组功率模型，来分析冷轧机组功率与工艺参数之间关系。

发明内容

本发明提供了一种酸洗-连轧机组功率建模方法，用于评估和预测机组的能耗，解决了现有技术中的不足。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种冷轧机组功率建模方法，包括以下步骤：(1)、对酸洗-连轧产线中由变频电机控制的大功率机组建立电功率模型，所述电功率模型包括轧机机架输入功率P_i、矫直机输入功率P_in、卷取机输入功率P_im；轧机机架输入功率P_i＝P_z+P_f1+P_f2，其中P_z为轧制工艺所需功率，P_f1为辊颈与轴承摩擦损失的功率，P_f2为轧辊与带钢摩擦损失的功率；矫直机输入功率P_in＝P_j+P_m，其中P_j为用于矫直工艺的功率，P_m为矫直辊与带钢摩擦损失的功率；卷取机输入功率P_im＝P_q+P_qm，其中P_q为用于带钢卷取工艺的功率，P_qm为卷筒轴颈与轴承之间摩擦损失的功率；

(2)、对酸洗-连轧产线中的酸洗槽建立热功率模型，所述酸洗槽的输入功率为Q_in＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄；其中Q₁为用于带钢加热功率，Q₂为新酸加热功率，Q₃为酸液蒸发散失功率，Q₄为设备散热散失功率；

(3)、将电功率模型和热功率模型耦合成为统一的功率模型。

步骤(1)中P_z的计算公式如下：

$P_z=\frac{2\stackrel{\‾}{p}\stackrel{\‾}{b}\mathrm{\ψ}{(\sqrt{R\mathrm{\Δ}h+{\left(c\stackrel{\‾}{pR}\right)}^2}+c\stackrel{\‾}{p}R)}^2\×\frac{n_0{h}_0}{h_i}}{\mathrm{\η}},$

其中为轧制单位压力，为轧制前后带钢的平均宽度，ψ为轧制力臂系数，Δh为压下量，R为轧辊的半径，c为与工艺有关的系数，n₀为机架轧辊转速，h_i为带钢出i轧机时的厚度，η为电机到轧机的传动效率；

P_f1的计算公式为：

其中p为轧制力，d₁为辊颈直径，f为轴颈和轴承之间的摩擦系数；

P_f2的计算公式为：

其中M_f2、M_f1为摩擦力矩，i为传动机构的传动比。

步骤(1)中P_j的计算公式为：

其中v为带钢运行的速度，σ_s为钢种的屈服强度，r₀为带钢的初始曲率，k_n为带钢经过第n个矫直辊时的残余曲率，E为带钢的弹性模量；

P_m的计算公式为：

其中μ和μ₁分别为工作辊和支承辊轴承摩擦系数，d和d₁分别为工作辊和支承辊的轴辊直径，f₁为工作辊与支承辊间的滚动摩擦系数，为相邻上下两辊连线与垂直线夹角余弦值，t为相邻下辊圆心距离，D_g为下辊直径，D_z为上辊直径。

步骤(1)中P_q的计算公式为：

其中T为卷曲时的张力，P为卷曲支点作用力；

P_qm的计算公式为：P_qm＝F_f2d₂v₅，

其中，F为卷重与张力的合力，f₂为轴颈的摩擦系数，d₂为卷曲机轴颈直径，v₅为卷曲机滚筒转速。

步骤(2)中Q₁的计算公式为：

其中b为带钢的宽度，h为带钢厚度，v为带钢在酸洗工艺段运行速度，ρ₁为带钢密度，C₁为带钢的比热容，t₁为带钢进酸洗槽时候的温度，t₂为带钢的最终温度；

Q₂的计算公式为：Q₂＝qC₂(t₂-t₁)，

其中q为新酸的流量，C₂为新酸的比热容，t₁为新酸温度，t₂为酸洗槽内酸液温度；

Q₃的计算公式为：Q₃＝kS₁，

其中K为蒸发散热系数，S₁为蒸发液体表面积；

Q₄的计算公式为：

其中λ₂为设备导热系数，S₂为设备表面积，Δt为设备内外壁温差，d₂为设备厚度。

本发明中将电功率和电热功率耦合成为一个统一的功率模型后，表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_z=\frac{2\stackrel{\‾}{pb}\mathrm{\ψ}{(\sqrt{R\mathrm{\Δ}h+{\left(c\stackrel{\‾}{p}R\right)}^2}+c\stackrel{\‾}{p}R)}^2}{\mathrm{\η}}\×\frac{n_0{h}_0}{h_1}\\ P_f=\[(\frac{1}{\mathrm{\η}}-1)\frac{M_Z+{\mathrm{pd}}_{1}f}{i}+{\mathrm{pd}}_{1}f+(0.03~0.06)M_H\]\×\frac{n_0{h}_0}{h_1}\\ .\\ .\\ .\\ Q_1=\frac{{\mathrm{bhv\ρ}}_1{C}_1(t_2-t_1)}{1000}\\ Q_2={\mathrm{qC}}_2(t_{s2}-t_{s1})\\ Q_3={\mathrm{kS}}_1\\ Q_4={\mathrm{\λ}}_2{S}_2\frac{\mathrm{\Δ}t}{d_2}\end{array}\right.$

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明主要针对冷轧工序的酸洗-连轧产线，通过分析机组输入输出功率的特性和机理，建立了电功率模型和热功率模型。不同于传统的功率模型，本发明将电功率模型和热功率模型耦合成为统一的功率模型。解决了当前酸洗-连轧产线缺少一种能效评估方法的问题，同时为后续的能效优化研究提供了理论依据。

2.本发明提出的方法基于能量流的理论方法，依据输入到机组的功率与机组输出的功率相等的原理，对每个机组的每个功率输出进行分解，并分别建立与工艺参数有关的平衡方程，获得的功率模型较为精确，如图1所示。

3.采用本发明方法建立的酸洗-连轧机组功率模型，只需给出合同中带钢的尺寸、弹性模量等参数，即可快速获得较为准确的轧制能耗，在实际生产中具有一定的预测功能。

附图说明

图1为本发明提供的酸洗-轧机组功率模型总示意图；

图2为迭代过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实例，仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所建立的功率模型可用于对不同品种的带钢加工时所需的功率进行预测，也能为后续的能效优化研究提供基础。以功率预测为例，机组的工艺能耗都与带钢的工艺参数存在一种映射的关系，所建立的功率模型实际上就是关于工艺参数的方程，方程的自变量为带钢自身的参数，因变量为输出功率的值。将产品的参数代入到模型方程，就可以实现加工所需的功率的预测和评估。模型自身应该具有一定的可靠性和准确性，表1中的数据来自某冷轧厂提供的数据，作为对照。

表1酸洗-连轧产线机组电机型号

机器名称	电机型号	容量(Kw)
			七辊矫直机	1PQ8355-6PM80-Z	200
1号机架	TDZBS 4174-4	4174
			2号机架	TDZBS 5250-4	5250
3号机架	TDZBS 5250-4	5250
			4号机架	TDZBS 5250-4	5250
5号机架	TDZBS 5250-4	5250
			卷取机	TDZBS 2850-4	2850

由于酸洗-连轧产线属于流程式生产，具有连续性的特点，一旦启动将不能随意停机，所以模型中的参数无法用实验的方法直接测的。本发明基于某冷轧厂的酸洗-连轧产线建立的功率模型，涉及到机组参数从该冷轧厂的提供的数据中获得；与工艺有关的参数将通过文献资料获取。

下面以单个的轧机机架为例对本发明的实施方法做详细具体的说明，矫直机输入功率、卷取机输入功率以及酸洗槽的输入功率的建模均可参照下述方法，本实施例中不进行一一累述。

本实施例中功率模型中出现的机组工艺参数如表2中所示：

表２模型中参数值

轧制工艺的功率方程为：

$P_z=\frac{2\stackrel{\‾}{p}\stackrel{\‾}{b}\mathrm{\ψ}{(\sqrt{R\mathrm{\Δ}h+{\left(c\stackrel{\‾}{pR}\right)}^2}+c\stackrel{\‾}{p}R)}^2\×\frac{n_0{h}_0}{h_i}}{\mathrm{\η}}$

表2中的参数代入后得到如下方程

$P_z=1.05\stackrel{\‾}{p}\stackrel{\‾}{b}{(\sqrt{300\mathrm{\Δ}h+{(3.22\×{10}^{-3}\stackrel{\‾}{p})}^2}+3.22\×{10}^{-3}\stackrel{\‾}{p})}^2\×\frac{n_0{h}_0}{h_1}$

上述方程中只剩是不确定的，需要通过公式(a)、(b)进行迭代求得，迭代过程如图2所示：

$\stackrel{\‾}{p}=95\frac{e^{\frac{0.05l^{\′}}{h}}-1}{\frac{0.05l^{\′}}{\stackrel{\‾}{h}}}---\left(a\right)$

$l^{\′}=\sqrt{300\mathrm{\Δ}h+{(3.22\×{10}^{-3}\stackrel{\‾}{p})}^2}+3.22\×{10}^{-3}\stackrel{\‾}{p}---\left(b\right)$

按照上述迭代法求出单位轧制压力带入轧制工艺功率模型中，得到一个以带钢自身工艺参数为自变量的方程。即可根据将要加工的带钢自身的工艺参数求出轧制工艺功率P_z。

以1号机架为例进行计算，从某冷轧厂提供的合同明细中随机取5种带钢作为样本，将其尺寸参数代入到方程，得出的轧制不同钢种对应的轧机所需功率列在表3所示：

表3机组所需功率预测

表3中5种带钢样本的入口厚度、出口厚度以及宽度均来自某冷轧厂某年提供的一份合同明细。根据表中计算获得的数据，5种样本在1号机架中加工所需的轧制功率分1982.8Kw、2304.1Kw、2577.6Kw、3046.5Kw、4028.9Kw，表1中1号机架的电机容量为4174Kw，模型所预测的功率小于机架电机的容量，而且轧制功率随带钢厚度的增大而增大。由上可知本发明所建立的模型具有一定的可靠性，在实际工程应用中具有一定的价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的实施例子而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种冷轧机组功率建模方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、对酸洗-连轧产线中由变频电机控制的大功率机组建立电功率模型，所述电功率模型包括轧机机架输入功率P_i、矫直机输入功率P_in、卷取机输入功率P_im；轧机机架输入功率P_i＝P_z+P_f1+P_f2，其中P_z为轧制工艺所需功率，P_f1为辊颈与轴承摩擦损失的功率，P_f2为轧辊与带钢摩擦损失的功率；矫直机输入功率P_in＝P_j+P_m，其中P_j为用于矫直工艺的功率，P_m为矫直辊与带钢摩擦损失的功率；卷取机输入功率P_im＝P_q+P_qm，其中P_q为用于带钢卷取工艺的功率，P_qm为卷筒轴颈与轴承之间摩擦损失的功率；

(2)、对酸洗-连轧产线中的酸洗槽建立热功率模型，所述酸洗槽的输入功率为Q_in＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄；其中Q₁为用于带钢加热功率，Q₂为新酸加热功率，Q₃为酸液蒸发散失功率，Q₄为设备散热散失功率；

(3)、将电功率模型和热功率模型耦合成为统一的功率模型。

2.根据权利要求1所述的冷轧机组功率建模方法，其特征在于：步骤(1)中P_z的计算公式如下：

$P_z=\frac{2\stackrel{\‾}{p}\stackrel{\‾}{b}\mathrm{\ψ}{\left(\sqrt{R\mathrm{\Δ}h+{\left(c\stackrel{\‾}{pR}\right)}^2}+c\stackrel{\‾}{p}R\right)}^2\×\frac{n_0{h}_0}{h_i}}{\mathrm{\η}},$

其中为轧制单位压力，为轧制前后带钢的平均宽度，ψ为轧制力臂系数，Δh为压下量，R为轧辊的半径，c为与工艺有关的系数，n₀为机架轧辊转速，h_i为带钢出i轧机时的厚度，η为电机到轧机的传动效率；

P_f1的计算公式为：

其中p为轧制力，d₁为辊颈直径，f为轴颈和轴承之间的摩擦系数；

P_f2的计算公式为：

其中M_f2、M_f1为摩擦力矩，i为传动机构的传动比。

3.根据权利要求1所述的冷轧机组功率建模方法，其特征在于：步骤(1)中P_j的计算公式为：

其中v为带钢运行的速度，σ_s为钢种的屈服强度，r₀为带钢的初始曲率，k_n为带钢经过第n个矫直辊时的残余曲率，E为带钢的弹性模量；

P_m的计算公式为：

其中μ和μ₁分别为工作辊和支承辊轴承摩擦系数，d和d₁分别为工作辊和支承辊的轴辊直径，f₁为工作辊与支承辊间的滚动摩擦系数，为相邻上下两辊连线与垂直线夹角余弦值，t为相邻下辊圆心距离，D_g为下辊直径，D_z为上辊直径。

4.根据权利要求1所述的冷轧机组功率建模方法，其特征在于：步骤(1)中P_q的计算公式为：

其中T为卷曲时的张力，P为卷曲支点作用力；

P_qm的计算公式为：P_qm＝Ff₂d₂v₅，

其中，F为卷重与张力的合力，f₂为轴颈的摩擦系数，d₂为卷曲机轴颈直径，v₅为卷曲机滚筒转速。

5.根据权利要求1所述的冷轧机组功率建模方法，其特征在于：步骤(2)中Q₁的计算公式为：

其中b为带钢的宽度，h为带钢厚度，v为带钢在酸洗工艺段运行速度，ρ₁为带钢密度，C₁为带钢的比热容，t₁为带钢进酸洗槽时候的温度，t₂为带钢的最终温度；

Q₂的计算公式为：Q₂＝qC₂(t₂-t₁)，

其中q为新酸的流量，C₂为新酸的比热容，t₁为新酸温度，t₂为酸洗槽内酸液温度；

Q₃的计算公式为：Q₃＝kS₁，

其中K为蒸发散热系数，S₁为蒸发液体表面积；

Q₄的计算公式为：

其中λ₂为设备导热系数，S₂为设备表面积，Δt为设备内外壁温差，d₂为设备厚度。