CN109829219A - 连轧机轧辊变速能量流模型和连轧机能量流模型建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连轧机能量流模型建模方法，本发明的建模方法针对某冷轧厂酸洗‑连轧产线中由变频电机控制的五机架连轧机机组，利用了能量流的理论方法，依据输出功率的特性和运行机理，将五机架连轧机的能量输出分为用于轧制工艺的功率Pz、轧辊变速能耗的功率Pg、轴颈与轴承摩擦损失的功率Pf1与传动机构摩擦损失的功率Pf2，轧机的输入功率等于四个输出功率之和。根据各输出功率与工艺参数之间的物理和力学关系，建立输出功率与对应工艺参数之间的平衡方程。所建立的模型用于评估轧机能量消耗的情况，为后续冷轧能耗优化研究提供基础。本发明方法建立的功率模型物理意义明确、结构简单、合理，也可应用于单机架轧机功率计算。
Description
技术领域
本发明涉及冷轧机组轧机的能耗优化技术领域，尤其涉及一种连轧机轧辊变速能量流模型和连轧机能量流模型建模方法。
背景技术
冷轧生产是我国制造业中重要产业，冷轧的薄板产品用于制造业的很多领域。由于冷轧设备大型化，冷轧产品产量巨大，消耗的能源也惊人，冷轧工艺的能耗问题十分突出。随着我国越来越注重节能减排，降低能源消耗，冷轧工序的节能减排任务面临着严重挑战。冷轧工艺作为钢铁生产的终端工序，长期以来关注的一直是产品的质量和交货期等指标，能耗很少被关注。五机架连轧机是冷轧生产中消耗电能最大的设备，也是节能潜力最大的装备。五机架连轧机的节能降耗研究具有十分重要的意义。传统的能量流模型是一种为描述和评估数控机床加工***能量消耗的建模方法。申请号为201410524619.2的专利利用能量流的理论，***的建立了数控机床切削过程的功率模型，平均误差只有1.3％。酸轧产线的五机架连轧机与数控机床同为变频电机驱动控制机器，加工过程的参数与能耗有着密切的关系。五机架连轧机的额定功率更大，根据某冷轧厂提供的数据，一台轧机的电机容量可以达到5250kW，而一台数控机床的额定功率通常为7～12千瓦。能量流的理论方法也可以用于五机架连轧机。申请号为201410487219.9的专利，依据能量流模型，对数控机床加工过程的切削参数进行了优化，提高了能量效率。根据现有的文献以及专利情况，目前还没有采用能量流建立冷轧机组功率模型，来对能耗进行描述和评估，并开展节能优化研究。
申请号为201610487049.3的专利针对整条酸洗连轧生产线的大部分设备进行了功率建模，并且针对酸轧产线酸洗槽需要消耗热功率，建立了电功率与热功率耦合的酸轧产线功率模型。在五机架连轧机功率模型中，轧制过程中的张力也是影响轧制工艺功率的一个重要参数。但是该专利所述的冷轧机组功率模型的五机架连轧机模型，没有体现出张力与轧制功率的影响关系。在冷轧加工过程中，由于相邻两卷带钢之间的焊缝通过轧机的时候，轧辊需要减速，同时钢卷的品种规格非常的多，轧辊需要频繁的进行变速，而轧辊本身具有较大的质量和转动惯量，因此轧辊变速消耗的动能不可忽略，而该专利中的五机架连轧机功率模型没有考虑这个因素。因此，上述专利记载的五机架连轧机模型存在一定的不足之处。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种连轧机轧辊变速能量流模型和连轧机能量流模型建模方法，用于弥补现有技术的不足。
本发明的实施例提供一种连轧机轧辊变速能量流模型建模方法，包括如下步骤：
A1：对连轧机中的每一个轧辊构建轧辊电功率模型，该轧辊电功率模型包括单个轧辊变速消耗的轧辊动能Pgi,Pgi的计算公式为
其中,轧辊的端部为轴颈，轧辊通过轴颈可转动的固定于轴承中，i整数，Pgi为第i个轧辊的密度，Lgi为第i个轧辊的长度，Rgi为第i个轧辊的半径，Lji为第i个轧辊的轴颈的长度，Rji为第i个轧辊的轴颈半径，αi为第i个轧辊变速时的角加速度，ni为第i个轧辊的转速；
A2：计算连轧机中所有轧辊变速消耗的轧辊动能和Pg，得到连轧机轧辊变速能量流模。
本发明的实施例提供一种连轧机能量流模型建模方法，包括如下步骤：
B1：对酸洗-连轧产线中的连轧机构建连轧机电功率模型，该连轧机电功率模型包括连轧机的输入功率P，P的计算公式为
P＝Pz+Pg+Pf1+Pf2
其中，Pz为连轧机轧制工艺所需功率，Pg为连轧机中所有轧辊变速消耗的轧辊动能和，Pf1为连轧机中所有轴颈与轴承摩擦损失的功率，Pf2为连轧机中所有轧辊与带钢摩擦损失的功率；连轧机中单个的轧辊变速消耗的轧辊动能为Pgi，
轧辊的端部为轴颈，轧辊通过轴颈可转动的固定于轴承中，N为连轧机中轧辊的总数，i整数，Pgi为第i个轧辊的密度，Lgi为第i个轧辊的长度，Rgi为第i个轧辊的半径，Lji为第i个轧辊的轴颈的长度，Rji为第i个轧辊的轴颈半径，αi为第i个轧辊变速时的角加速度，ni为第i个轧的辊转速；
B2：对酸洗-连轧产线中酸洗槽建立热功率模型，耦合连轧机电功率模型和热功率模型得到连轧机能量流模型。
进一步地，Pz的计算公式为：
其中，为第k台连轧机轧制时的平均单位压力，为第k台连轧机轧制前后带钢的平均宽度，ψ为第k台连轧机的轧制力臂系数，R为连轧机的轧辊的半径，所有轧辊具有相同的半径，c为与连轧机工艺有关的系数，n0为连轧机轧辊转速，h0为连轧机初始轧制厚度，h为带钢出轧机时的厚度，η为连轧机电机输出功率传到轧机的效率，Δh为连轧机轧制的压下量。
进一步地，Pf1的计算公式为：
其中F为单个轧辊的轧制力，d1为轴颈直径，d1＝2R,f为摩擦系数，所述轧辊具有相同的摩擦系数，n1是总功率系数。
进一步地，Pf2的计算公式为：
n2是总功率系数
进一步地，总功率系数等于2。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1.本发明针对冷轧工艺的酸洗-连轧产线的五机架连轧机，进行功率输入输出的分析，建立了电功率模型，解决了当前冷轧产线缺少能效评估的模型，并解决了现有的轧机模型存在的不足，为后续的能效优化研究提供了理论基础。
2.本发明使用了能量流的理论，依据输入到机组的功率与机组输出的功率相等的原理，对每个机组的功率输出进行分解，分别建立与工艺参数有关的平衡方程，获得了功率模型。
3.采用本发明方法建立的冷连轧机组功率模型，只需给出合同中带钢的尺寸等参数，即可快速获得加工所需功率，在生产中具有一定的预测作用。
4.由于轧辊变速消耗的轧辊动能对连轧机轧辊变速能量流模型和连轧机能量流模型建模具有较大的影响，而现有的功率模型均没有考虑轧辊变速消耗的轧辊动能，本发明弥补了现有技术的该点不足，使构建的连轧机能量流模型建模更接近实际生产情况和更具有参考、指导价值。
附图说明
图1至图2本发明连轧机能量流模型建模方法中的参数Δh(压下量)与功率(能耗)之间的关系图；
图2为本发明连轧机能量流模型建模方法中的参数n0(轧制速度)与功率(能耗)之间的关系图；
图3为迭代过程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例提供了一种连轧机轧辊变速能量流模型建模方法，包括如下步骤：
A1：对连轧机中的每一个轧辊构建轧辊电功率模型，该轧辊电功率模型包括单个轧辊变速消耗的轧辊动能Pgi,Pgi的计算公式为
其中,i整数，Pgi为第i个轧辊的密度，Lgi为第i个轧辊的长度，Rgi为第i个轧辊的半径，Lji为第i个轧辊的轴颈的长度，Rji为第i个轧辊的轴颈半径，αi为第i个轧辊变速时的角加速度，ni为第i个轧辊的转速。
A2：计算连轧机中所有轧辊变速消耗的轧辊动能和Pg，得到连轧机轧辊变速能量流模。
本发明的实施例还提供了一种连轧机能量流模型建模方法，包括如下步骤：
B1：对酸洗-连轧产线中的连轧机构建连轧机电功率模型，该连轧机电功率模型包括连轧机的输入功率P，P的计算公式为
P＝Pz+Pg+Pf1+Pf2
其中，Pz为连轧机轧制工艺所需功率，Pg为连轧机中所有轧辊变速消耗的轧辊动能和，Pf1为连轧机中所有轴颈与轴承摩擦损失的功率，Pf2为连轧机中所有轧辊与带钢摩擦损失的功率。
由上文可知，连轧机中单个的轧辊变速消耗的轧辊动能为Pgi，
N为连轧机中轧辊的总数，i整数，Pgi为第i个轧辊的密度，Lgi为第i个轧辊的长度，Rgi为第i个轧辊的半径，Lji为第i个轧辊的轴颈的长度，Rji为第i个轧辊的轴颈半径，αi为第i个轧辊变速时的角加速度，ni为第i个轧的辊转速。
B2：对酸洗-连轧产线中酸洗槽建立热功率模型，耦合连轧机电功率模型和热功率模型得到连轧机能量流模型。热功率模型的构建方法在申请号为201610487049.3的专利中有较为详细的记载，在此不再赘述。
上文中所述的Pz的计算公式为：
其中，为第k台连轧机轧制时的平均单位压力，为第k台连轧机轧制前后带钢的平均宽度，ψ为第k台连轧机的轧制力臂系数，R为连轧机的轧辊的半径，所有轧辊具有相同的半径，c为与连轧机工艺有关的系数，n0为连轧机轧辊转速，h0为连轧机初始轧制厚度，h为带钢出轧机时的厚度，η为连轧机电机输出功率传到轧机的效率，Δh为连轧机轧制的压下量。
上文中所述的Pf1的计算公式为：
其中F为单个轧辊的轧制力，d1为轴颈直径，d1＝2R,f为摩擦系数，所述轧辊具有相同的摩擦系数，n1是总功率系数。乘以总功率系数n1后，可以得到连轧机中所有轴颈与轴承摩擦损失的总功率，本实施中，n1≈2。
上文中所述的Pf2的计算公式为：
n2是总功率系数。乘以总功率系数n2后，可以得到连轧机中所有轴颈与轴承摩擦损失的总功率，本实施中，n2≈2。
下面以更为具体的例子进行说明。
由于酸洗-连轧产线属于流程式生产，各机组(连轧机)之间串联式连接，具有生产连续性的特点，一旦启动将不能随意停机，所以连轧机能量流模型中的参数无法用实验的方法直接测得。连轧机属于大型化设备，无法在实验室进行实验获取参数。因此本发明基于冷轧厂的酸洗-连轧产线建立的五机架连轧机电功率模型，涉及到机组尺寸的系数，从该冷轧厂提供的数据中可以直接获得。与工艺有关的系数将通过文献资料查得。具体的实施方法，以单个的连轧机为例，所用钢带以SUS304为例：
连轧机电功率模型中出现的机组的系数如表1中所示：
表1连轧机电功率模型中系数值
计算所获得的轧制工艺的功率方程为：
代入表1中的参数后得到如下方程
上述方程中只剩是不确定的，需要通过以下两个公式，进行迭代求得，迭代过程如图3所示：
按照上述迭代法求出单位轧制压力再带入带钢轧制工艺的功率方程中，便得出一个以带钢产品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Pz。图1和图2分别为Δh、n0与功率之间的关系图。
连轧机电功率模型自身应该具有一定的可靠性和准确性，可以通过下述内容来进行验证，表2中的数据来自某冷轧厂提供的数据，可以与计算结果进行对照。
表2五机架连轧机电机型号及其电机容量
| 机架号 | 电机型号 | 容量(kW) |
| 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 |
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h0、出口厚度h以及宽度均来自某冷轧厂2012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别为2416.2～2982.8kW、2446.1～3804.1kW、2461.1～3877.6kW、2576.1～3846.5kW、2877.8～4028.9kW，表1中1号机架的电机容量为4174Kw，连轧机电功率模型所预测的功率与电机容量在同一数量级，且小于机架电机的容量，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应用价值。
本发明所建立的功率模型可对每个品种的带钢加工时所需的功率进行评估，也可为能效优化研究提供基础。以功率评估为例，工艺能耗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，方程的自变量为冷轧轧制过程的参数，因变量为输出的功率的值。模型可通过将带钢自身的参数代入到方程，对轧制所需的功率进行预测和评估。
通过本发明所构思的技术方案能够取得下列成果。
1.本发明针对冷轧工艺的酸洗-连轧产线的五机架连轧机，进行功率输入输出的分析，建立了电功率模型，解决了当前冷轧产线缺少能效评估的模型，并解决了现有的轧机模型存在的不足，为后续的能效优化研究提供了理论基础。
2.本发明使用了能量流的理论，依据输入到机组的功率与机组输出的功率相等的原理，对每个机组的功率输出进行分解，分别建立与工艺参数有关的平衡方程，获得了功率模型。
3.采用本发明方法建立的冷连轧机组功率模型，只需给出合同中带钢的尺寸等参数，即可快速获得加工所需功率，在生产中具有一定的预测作用。
4.由于轧辊变速消耗的轧辊动能对连轧机轧辊变速能量流模型和连轧机能量流模型建模具有较大的影响，而现有的功率模型均没有考虑轧辊变速消耗的轧辊动能，本发明弥补了现有技术的该点不足，使构建的连轧机能量流模型建模更接近实际生产情况和更具有参考、指导价值。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种连轧机轧辊变速能量流模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
A1：对连轧机中的每一个轧辊构建轧辊电功率模型，该轧辊电功率模型包括单个轧辊变速消耗的轧辊动能Pgi,Pgi的计算公式为
其中,轧辊的端部为轴颈，轧辊通过轴颈可转动的固定于轴承中，i整数，Pgi为第i个轧辊的密度，Lgi为第i个轧辊的长度，Rgi为第i个轧辊的半径，Lji为第i个轧辊的轴颈的长度，Rji为第i个轧辊的轴颈半径，αi为第i个轧辊变速时的角加速度，ni为第i个轧辊的转速；
A2：计算连轧机中所有轧辊变速消耗的轧辊动能和Pg，得到连轧机轧辊变速能量流模。
2.一种连轧机能量流模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
B1：对酸洗-连轧产线中的连轧机构建连轧机电功率模型，该连轧机电功率模型包括连轧机的输入功率P，P的计算公式为
P＝Pz+Pg+Pf1+Pf2
其中，Pz为连轧机轧制工艺所需功率，Pg为连轧机中所有轧辊变速消耗的轧辊动能和，Pf1为连轧机中所有轴颈与轴承摩擦损失的功率，Pf2为连轧机中所有轧辊与带钢摩擦损失的功率；连轧机中单个的轧辊变速消耗的轧辊动能为Pgi，
轧辊的端部为轴颈，轧辊通过轴颈可转动的固定于轴承中，N为连轧机中轧辊的总数，i整数，Pgi为第i个轧辊的密度，Lgi为第i个轧辊的长度，Rgi为第i个轧辊的半径，Lji为第i个轧辊的轴颈的长度，Rji为第i个轧辊的轴颈半径，αi为第i个轧辊变速时的角加速度，ni为第i个轧的辊转速；
B2：对酸洗-连轧产线中酸洗槽建立热功率模型，耦合连轧机电功率模型和热功率模型得到连轧机能量流模型。
3.如权利要求2所述的连轧机能量流模型建模方法，其特征在于：Pz的计算公式为：
其中，为第k台连轧机轧制时的平均单位压力，为第k台连轧机轧制前后带钢的平均宽度，ψ为第k台连轧机的轧制力臂系数，R为连轧机的轧辊的半径，所有轧辊具有相同的半径，c为与连轧机工艺有关的系数，n0为连轧机轧辊转速，h0为连轧机初始轧制厚度，h为带钢出轧机时的厚度，η为连轧机电机输出功率传到轧机的效率，Δh为连轧机轧制的压下量。
4.如权利要求3所述的连轧机能量流模型建模方法，其特征在于：Pf1的计算公式为：
其中F为单个轧辊的轧制力，d1为轴颈直径，d1＝2R,f为摩擦系数，所述轧辊具有相同的摩擦系数，n1是总功率系数。
5.如权利要求4所述的连轧机能量流模型建模方法，其特征在于：Pf2的计算公式为：
n2是总功率系数。
6.如权利要求4或5所述的连轧机能量流模型建模方法，其特征在于：总功率系数等于2。
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