（机械电子工程专业论文）带钢冷轧轧辊热行为及其补偿策略研究.pdf

摘要 摘要 轧辊的热行为，特别是工作辊的热膨胀、热凸度及其变化过程是轧制过程中的 主要干扰因素之一。在市场竞争中，高质量、高成材率、低成本成为现代钢铁企业 竞争的核心。对于带钢产品，厚度偏差和平直度是冷轧带钢最重要的尺寸精度指标。 如何进一步提高冷轧带钢的板厚、板形精度是摆在所有相关领域研究者面前的难题。 在现代冷轧过程中，冷轧机组速度高、功率大，部分能量将在轧制过程中转化为轧 件变形热和轧制区摩擦热。动态热交换过程会使轧辊产生一定的膨胀和变形，导致 工作辊平均直径和初始辊型的改变，影响板形板厚质量。对轧辊的热行为进行必要 的研究，进而应用到板形板厚控制当中进行动态补偿是提高冷轧水平的新的突破口。 因此，论文以3 0 0 轧机为主要对象，对轧辊温度场的建模方法、热行为的预报方式 以及模型的维护方法进行了深入的研究。 首先，在原有轧辊温度场及热行为数值建模的基础上提出了基于扫描法的准三 维温度场模型。针对轧辊的高速旋转的工作特点，用局部二维温度场过程拓展出全 局三维温度场。虽然研究对象是一个两维的轴半剖面，但是考虑的热传导是轴向、 径向、以及周向三个方向的热传导，经过一段时间累积和延拓可以得到轧辊的三维 全局温度场，这种方法可以准确全面刻画出轧辊温度场的分布。同时，合理的简化 方案大大减少了计算工作量。 其次，在对冷轧过程的板厚、板形控制原理和过程进行适当分析的基础上，找 出了轧辊热膨胀和热凸度与纵向厚差、横向厚差、轧机刚度、压下缸位移、轧制力、 弯辊力等过程变量的相关关系，结合6 5 0 轧机的过程数据，提出了一套基于车l a , j 过 程数据库进行数据挖掘和误差溯源，将隐藏在海量过程数据背后的有价值的知识和 规律特别是轧辊热行为规律进行发掘的技术方案。 然后在3 0 0 可逆冷轧实验轧机上，进行了实际的轧制实验，通过专门的过程数 据库对各过程数据进行归档和保存。实验后可根据过程数据溯源出该过程的热凸度 曲线和热膨胀曲线。同时在轧制实验过程中采用红外热像仪对轧辊表面温度场进行 拍摄，获得轧辊表面瞬时温度分布，同溯源得到的热行为曲线一起，构成了对轧辊 热行为过程全面、立体的证据体系，为数值模型和预报模型的校验和优化提供充分 的证据。在完成轧制实验的基础上，融合获得的现场数据，运用遗传算法对数值模 燕山大学工学博士学位论文 型的若干不确定参数进行了参数优化。优化的结果使得数值模型预报精度、可靠性 和适应性得到了进一步的提高，具有了实际应用价值。 最后在3 0 0 可逆冷轧实验轧机的板形板厚控制系统中设计了热凸度补偿和热膨 胀补偿模块，为了提高模型的适应性和准确性，设计了预报模型的自适应方法， 实 现了热行为的在线预报和补偿，根据热行为变化过程的预报，控制系统对压下缸位 置设定值和弯辊力设定值进行了动态的补偿，并进行了与其它控制策略的对比轧制 实验。补偿结果表明，这种热行为的预报模型基本准确，补偿后纵向厚差显著降低， 横向厚差更加稳定，板形良好。 关键词带钢冷轧；工作辊；热行为；温度场；数据挖掘；误差溯源；预报补偿 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h et h e r m a lb e h a v i o ro fr o l l e r si so n eo ft h em a i ni n t e r f e r e n c e si nr o l l i n gp r o c e s s ， e s p e c i a l l yf o r t h et h e r m a le x p a n s i o n , t h et h e r m a lc a m b e ra n dt h e i rc h a n g ep r o c e s s i nt h e m a r k e tc o m p e t i t i o n , t h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o ni st h ek e yt ow i nf o ra l ls t e e le n t e r p r i s e s f o rt h ec o l dr o l l i n gs t ，t h et h i c k n e s sp r e c i s i o na n dt h es h a p eo fs t r i pi st h em o s t i m p o r t a n td i m e n s i o np r e c i s i o nt a r g e t ，a n das e v e r i t yc h a l l e n g em u s tf a c et oi sh o wt o i m p r o v et h i sd i m e n s i o np r e c i s i o n d u r i n gm o d e m c o l dr o l l i n gp r o c e s s ，t h er o l l i n gs p e e d a n dt h ep o w e ri sr a t h e rh i g h , a n dap a r to fp o w e ri st r a n s f e r r e dt oh e a tc o n d u c t i n gt ot h e r o l l e r s ，t h es t ，a n de n v i r o n m e n t t h ed y n a m i c a lh e a te x c h a n g er e s u l t si nt h et h e r m a l e x p a n s i o na n dc a m b e r , a n di n f l u e n c et h et h i c k n e s sp r e c i s i o na n dt h es h a p eo fs t r i p t h e n e w s a l l yp o r tt oi m p r o v er o l l i n gq u a l i f yi st h a ts t u d yo nt h et h e r m a lb e h a v i o ro fr o l l e r s ， a n dc o m p e n s a t ei ta c c o r d i n gt h ep r e d i c t i o ni nt h ea g ca n da f c t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e s t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a lb e h a v i o ro fw o r k i n gr o l l e r sa n da st h er e s e a r c ho b j e c t s ， f o c u s e so nt h es o l u t i o n st ok e yt e c h n o l o g i e s ，a n dp u tt h er e s e a r c hr e s u l tt oc o m p e n s a t e t h e r m a lb e h a v i o ri n3 0 0s t r i pc o l dr o l l i n gc o n t r o ls y s t e m t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , b a s i n go nt h ec o n v e n t i o n a lm o d e lo f t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a lb e h a v i o r , a n e wb u i l d i n gm o d e lm e t h o dc a l l e d “s c a n n i n gm e t h o d i sa d v o c a t e d ，w h i c hd e r i v a t e st h e q u a s it h r e ed i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l df r o mas e q u e n c et w o d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r e f i e l d a l t h o u g ht h er e s e a r c ho b j e c ti sal o n g i t u d i n a ls e c t i o na c t u a l l y , t h ec o n t i n u a t i o no f t h i ss e c t i o nc a nf o r mt h ew h o l er o l l e rt e m p e r a t u r e d u r i n gt h ea n a l y s i s ，a l lt h et h r e e d i m e n s i o n a lc o n d u c t i n gi st a k ei nc a l c u l a t i o n t h i sn e wm e t h o dc a nd e s c r i p tt h ef e a t u r e o ft e m p e r a t u r ef i e l do nd e t a i l , a n dr e d u c et h ec o m p u t i n gw o r ka tt h em o s t t h i si sv e r y r a t i o n a lf o rt h e r m a lb e h a v i o ro fr o a s e c o n d l y , b a s i n go nt h er e a s o n a b l ea n a l y s i so ft h et h e o r yo fa g ca n d a f c ，t h e r e l a t i o no ft h et h e r m a lb e h a v i o r , t h et h i c k n e s so fs t r i p ，t h es t i f f i a e s so fr o um i l l s ，a n do t h e r v a r i a b l e si np r o c e s si sf m do u t a c c o r d i n gt h ed a t am i n i n gt h e o r ya n dt h ee r r o rt r a c i n g t e c h n o l o g y , a n db a s i n go nt h ed a t ao f6 5 0r e v e r s i b l ec o l ds t r i pr o l lm i l l , an e w m e t h o di s p u t t i n gf o r w a r dt od i s c o v e rt h ev a l u a b l er u l eh i d i n gb e h i n dm a s sp r o c e s sd a t u m , i n c l u d i n gt h et h e r m a lb e h a v i o ro f w o r k i n gr o l l e r s i i i 燕山大学t 学博七学位论文 t h i r d l y , t h er o l l i n ge x p e r i m e n ti sp r o c e e d so n3 0 0r e v e r s i b l ec o l ds t r i pr o l lm i l l d u r i n ge x p e r i m e n t ，a l lt h ep r o c e s sd a t aa r es a v e di nap r o c e s sd a t a b a s e ，a c c o r d i n gt o w h i c ht h et h e r m a lb e h a v i o ro fr o l l e r si nt h er o l l i n gp r o c e s si st r a c i n go u t i tp r o v i d e st h e d i r e c t l ye v i d e n c et ot e s t i f ya n do p t i m i z et h ed i g i t a lm o d e la n dp r e d i c a t i o nm o d e l a n dt h e t h e r m a li m a g eo fr o l l e r si sc o l l e c ta n dr e c o r do np e r i o d ，a sar e l i a b l ee v i d e n c ef o rd i g i t a l m o d e l b a s i n go nt h ee x p e r i m e n ta n df u s i n ga l lt h ef i e l dd a t a , s o m em o d e lp a r a m e t e ri s o p t i m i z e dw i t hag e n e t i ca l g o r i t h mp r o g r a m t h eo p t i m i z e dm o d e li sm o r ea c c u r a t ea n d m o r er e l i a b l e f i n a l l y , a c c o r d i n gt h ep r e d i c a t i o no f t h 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5 3 1g r o s sd e s i g no f o p t i m i z i n gp r o g r a m 8 8 5 3 2s t r u c t u r eo fg e n e t i ca l g o r i t h mp r o g r a m “9 2 5 4g e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z i n gp r o g r a mb a s i n go n 脚l a b 9 6 5 5s u m m a r y ”9 8 c h a p t e r6a p p l i c a t i o no ft h e r m a lb e h a v i o rc o m p e n s a t i o ni nr o l l i n gc o n t r o l 9 9 i x 燕山大学t 学博士学位论文 6 1s t r i pt h i c k n e s s & s h a p ec o n t r o ls y s t e mo n3 0 0r o l lm i l l 9 9 6 1 1s t r u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e m j ”9 9 6 1 2p r e s s i n gd o w ns y s t e m & c o n t r o lm o d u l e ”1o o 6 1 3r o l lb e n d i i l gs y s t e m & c o n t r o lm o d u l e ”10 3 6 1 4t h i c k n e s sc l o s e dl o o p l0 4 6 2i b ut h c r m a lb e h a v i o r p r e d i c t i o n & c o m p e n s a t i o n 10 5 6 2 1t h e o r yo f t h e r m a le x p a n s i o np r e d i c t i o n & c o m p e n s a t i o n 1 0 5 6 2 2r e s u l to f t h e r l t l a lc a m b e rp r e d i c t i o n & c o m p e n s a t i o n 10 7 6 2 3s e l fa d a p t i n go f p r e d i c t i o nm o d e l 10 8 6 3c o m p e n s a t i n gr e s u l ta n a l y s i s 11o 6 3 1t h e r m a le x p a n s i o nc o m p e n s a t i n gr e s u l ta n a l y s i s ”1 1 0 6 3 2t h e r m a l c a m b e rc o m p e n s a t i n gr e s u l ta n a l y s i s 1 1 2 6 4s u m m a r y 113 c o n c l u s i o n s 。l1 4 r e f e r e n c e s ll6 r e s e a r c hp r o j e c t si n v o l v e da n de o n t h b u t i o n sd u r i n gd o c t o r a ls t u d y 1 2 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 1 2 4 r e s u m e 。1 2 5 x 第1 章绪论 第1 章绪论 冷轧带钢作为高附加值的钢铁产品用途十分广泛。主要用于汽车制造、包装、 机电产品等方面。带钢冷轧的生产技术水平不仅代表着一个国家钢铁工业的综合实 力，也关系着工业生产链条的各个环节。近年来我国钢铁工业实现了快速增长，仅 从2 0 0 2 年初到2 0 0 3 年底两年间的固定资产投入达到2 0 0 0 亿元以上。然而冷轧薄 板缺口仍然较大，满足不了国内市场旺盛的需求。例如在2 0 0 5 年1 月至9 月间， 我国进口钢材1 7 5 0 4 2 万吨，其中板材产品1 5 2 1 3 4 万吨，进口板材产品的8 6 9 1 主要是冷轧薄板、涂层板、电工钢等高端产品。2 0 0 5 年国家调整产业投资结构，将 部分钢铁项目列为限制投资的范围，而冷轧项目由于技术含量高，国内生产能力不 足，不在限制范围之内，成为钢铁行业最大的增长点之一。 1 1带钢冷轧中的板厚控制与板形控制 在冷轧带钢生产中，厚度偏差和平直度是冷轧带钢最重要的尺寸精度指标。因 此冷轧带钢厚度自动控制( a g c ) 和板形自动控常t j ( a f c ) 是冷轧带钢生产的两大关键 技术。近年来国内外在冷轧过程控制技术方面取得了许多新的进展，大大提高了板 带材的几何尺寸精度和生产率。主要的进步表现在三个方面：包括板厚控制技术、 板形控制技术、以及基础自动化平台技术。 1 1 1 带钢冷轧板厚控制技术 板带材的厚度自动控制系统又称为a g c ( a u t o m a t i cg a u g ec o n t r 0 1 ) 系统。它通过 测厚仪、位移传感器和压力传感器等对轧件实际轧制状态连续地进行测量，然后将 实测厚度值与目标厚度值相比较，得出偏差信号经处理后输出一个控制量去调整压 下、张力或轧制速度，把板带材厚度( 纵向测量) 控制在允许的偏差范围。板带轧 机厚度控制技术从轧机诞生之日起，到今天由计算机完成各种复杂功能的控制，其 发展过程大致可分为以下几个阶段。 1 1 1 1 人工操作阶段本世纪三十年代以前是板厚控制发展的第一阶段。这一阶 段的轧机装机水平较低尚未形成自动控制。厚度控制是以手动压下或简单的电动压 燕山大学工学博十学位论文 下移动辊缝方式为主。由于当时各种检测手段尚不完善，轧机的调整和轧制过程的 实时调节主要凭操作人员的经验进行，轧制产品的质量很难达到较高的技术要求【1 j 。 1 1 1 2常规自动调整阶段三十年代到六十年代是板厚控制发展的第二阶段。 1 9 5 2 年，英国h e s s e n b e r g 等根据出1 2 1 板厚决定于轧机弹性曲线与轧件塑性曲线交 点的事实推导出了板厚表达式，奠定了板厚控制理论基础。同时，控制理论和技术 不断地成熟和发展，并逐步进入到轧制领域，使轧机的控制步入了常规模拟调节自 动控制阶段。早期的厚度控制系统是根据测量出口板厚偏差来调节电动压下实现 的。“厚度计”与测厚仪结合，模拟量控制与逻辑量控制相组合，根据测量出口板厚 偏差而调节电动压下，是这一阶段厚度控制的特点。这种板厚自动调节系统可对轧 制过程进