（钢铁冶金专业论文）板带热连轧过程模拟.pdf

河北理工学院硕士学位论文 摘要 由于现代化的短流程生产是集高精度、高速度、高质量、自动化及连续化于一 体的现代化生产过程，其产量大、任务重，不适合进行风险大的科研试验，而且在 现场进行上岗人员培训易出现事故，使生产停顿，造成巨大损失，因此亟待能真实 反映过程多种变化的仿真系统应用到连轧试验与培训工作中来。热连轧生产过程由 于机械、电气控制系统和工件( 工艺参数) 间的紧密联系，形成了一个复杂的综合 系统。带钢热连轧又是冶、铸、轧生产中的一个重要组成部分。当今，随着热连轧 过程控制自动化技术的发展，对控制系统操作人员的要求也越来越高，因此作为热 连轧过程系统设计及操作指导手段的控制仿真系统，已经成为现代轧钢技术研究的 先进手段之一。 热连轧生产过程是带张力轧制过程，张力的存在使连轧具有比单机架轧制复杂 的牵连影响。正是这种影响，使得人们对于连轧过程的认识不易深入，在实际参数 设定时模型不够准确，造成设定与实际轧制的偏差。这种偏差在轧制厚产品时尚不 显出问题，自适应功能可以逐渐调整。一旦轧制薄产品，或变规格轧制，轧机来不 及调整，就会造成轧制生产不正常，难以轧出合格产品，甚至出现事故，损坏设 备。 在本课题的研究中，深入研究张力在连轧中的影响，运用张力直接计算公式， 叠代计算多架轧机间张力。系统采用直接法仿真原理，应用轧制原理的基本模型， 使用w i n d o w s 环境下的v i s u a lb a s i c 语言，编写了热连轧部分的静态仿真程序。它 以唐钢薄板厂热连轧部分为背景，进行连轧过程计算机模拟。仿真程序运用可视化 操作技术，结合动画设计，使界面生动形象，完成轧件穿带、稳定轧制和抛钢三个 过程的轧制运动学过程仿真。 由于仿真软件以运动力学为基础，建立连轧平衡的算法，直观反映实际张力影 响过程，因而对现有规程进行验证，得到与现场速度和轧制力较为吻合的结果，大 大提高了软件的实用性。系统界面友好，具有较好的扩充性。不但可以作为研究工 具使用，也为今后建立实时培训仿真器作技术准备。 关键词：热连轧，张力，数学仿真，静态 塑j ! 堡三堂堕堡主堂垡笙塞 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g yo f s h o r tr o u t ei sam o d e m t e c h n o l o g yw i t hh i g ha c c u r a c y ，h i g hs p e e d ， h i g hq u a l i t ya n dh i g ha u t o m a t i o n b e c a u s eo fl a r g ep r o d u c t i v i t ya n dh e a v yt a s k ，i ti sn o tf i t f o rr i s ks c i e n c ea n ds e a r c ht e s t m o r e o v e r ，p e r s o n n e l st r a i n i n gi nt h ep r o d u c t i o ns i t e si s e a s i e rt oh a v ea na c c i d e n tt h a tw i l lp u tt h e p r o d u c t i o n l i n ei n t oah a l ta n dm a k et r e m e n d o u s l o s s a sac o n s e q u e n li ti sn e c e s s a r yt oa p p l yt h et e c h n o l o g yo f s i m u l a t i o nt op e r s o n n e l t r a i n i n g t h ep r o c e s so fh o tc o n t i n u o u sr o l l i n gf o r m sac o m p l i c a t e dc o m p r e h e n s i v es y s t e m b e c a u s eo f c o m p a c t r e l a t i o n a m o n ge q u i p m e n t s ， e l e c t r i cc o n t r o la n d w o r k p i e c e ( d e f o r m a t i o np a r a m e t e r ) t h ep r o c e s so fh o ts t r i pc o n t i n u o u sr o l l i n gi so n eo f i m p o r t a n tp a r ti nm e t a l l u r g y ，c a s t i n ga n dr o l l i n g ，a tp r e s e n t , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o f a u t o m a t i o nt e c h n o l o g yo fh o tc o n t i n u o u sr o l l i n gc o n t r o l ，i ti sm u c hh i g h e rr e q u e s tt o o p e r a t i o np e r s o n n e l o fc o n t r o l s y s t e m s o t h e e x p l o i t a t i o n a n dr e s e a r c ho fc o n t r o l s i m u l a t i o n s y s t e m ，a s t h em e a n so fs y s t e m i c d e s i g n a n d o p e r m i o n i n s t r u c ti nh o t c o n t i n u o u sr o l l i n g ，h a sb e e no n eo fa d v a n c e dm e a n si nt h et e c h n o l o g yr e s e a r c ho fm o d e m s t e e lr o l l i n g t h e p r o c e s so f h o ts t r i pc o n t i n u o u sr o l l i n gi sar o l l i n gp r o c e s s d mt e n s i o n b e c a u s e o ft e n s i o n ，c o n t i n u o u sr o l l i n gh a sm o r ec o m p l i c a t e de m b r o i l e di n f l u e n c et h a ns i n g l em i l l r o l l i n g ，a si s d i f f i c u l tf o rp e o p l et ou n d e r s t a n dc o n t i n u o u sr o l l i n g ，w h i c hm a k e sp e o p l e h a v en o te n o u g he x a c t n e s si n p r a c t i c a lp a r a m e t e r e n a c t m e n ta n dp o s eb i a sb e t w e e n e n a c t m e n ta n dp r a c t i c a lr o l l i n g ，w h e nr o l l i n gt h i c kp r o d u c li ti sn o to b v i o u sb e c a u s eo f a d j u s to fs e l f _ a d e p t n e s s o n c er o l l i n gt h i np r o d u c t o rs p e c i f i c a t i o n c h a n g i n g ，i tw i l ls h o w d i s a d v a n t a g eo fe n a c t m e n t s e r i o u s l y ，i ti sd i f f i c u l tt or o l l i n gr e g u l a rp r o d u c t ，e v e na p p e a r i n c i d e n ta n dd a m a g e e q u i p m e n t i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rd e e p l yr e s e a r c h e dt e n s i o n si n f l u e n c ei nc o n t i n u o u sr o l l i n g ， a p p l i e dd i r e c t c a l c u l a t e df o r m u l ai nt e n s i o na n dc a l c u l a t e d i t e r a t i v e l yt e n s i o n sa m o n g r o l l i n gm i l l s t h es y s t e ma d o p t e dd i r e c tm e t h o d ，a p p l i e db a s i cm o d e l so fr o l l i n gt h e o r y ， c o m p i l e ds i m u l a t i o np r o g r a m i ns t a t i cs t a t ea n dd e s i g n e dt h es y s t e mo fc o n t i n u o u sr o l l i n g s i m u l a t i o nf o rh o ts t r i pr o l l i n gc o m p a n yo f t a n g s h a n i r o na n ds t e e lc o b yu s i n gc o m p u t e r l a n g u a g eo f v i s u a lb a s i cu n d e rt h ec o m p u t e ro p e r a t i o ns y s t e mo fw i n d o w s t h ea u t h o r n 河北理工学院硕士学位论文 a p p l i e dv i s u a lo p e r a t i o n ，c o m b i n e dm o v ed e s i g nt h a tm a d e i n t e r f a c em o r ev i v i d ，r e a l i z e d t h r e er o l l i n gs i m u l a t i o n ：c r o s s i n gr o l l i n g ，s t a b i l i z a t i o nr o l l i n ga n d t h r o w i n gr o l l i n g ， b y t h es i m u l a t i o no f p r e s e n tr e g u l a t i o n s ，c a l c u l a t e dv a l u ew a sc l o s et os p o tv a l u ea n d t h es o f tc a ni n t u i t i v e l yr e f l e c tp r a c t i c a li n f l u e n c ep r o c e s so ft e n s i o na n df o r e c a s tr o l l i n g f o r c e ，t h ei n t e r f a c eo f t h es o f t w a r ei sk i n da n di tc a nb es u p p l e m e n t e d ，w h i c h w i l ln o to n l y b er e s e a r c ht o o l sb u ta l s ob et h ep r e p a r a t i o n sf o r t h es t u d yo f e s t a b l i s h m e n to fs i m u l a t o ro f p e r s o r m e it r a i n i n g k e y w o r d s ：h o t c o n t i n u o u sr o l l i n g ，t e n s i o n ，m a t h e m a t i c ss i m u l a t i o n ，s t a t i cs t a t e 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 签名： 日期：年一月一日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 - ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名： 日期：年一月一日 河北理工学院硕士学位论文 弓 = ! ， 口 钢铁材料强度高、种类多、原料广、易回收，是人类现代生活中不可缺少的物 质材料。发达国家板带材产品占钢材总量的百分之五十左右，广泛用于汽车、家 电、集装箱等的产品，2 0 0 1 年我国占百分之三十，近两年又上升十个百分点，因而 是国民经济的重要产业。 板带生产数量大、质量要求高、经济效益显著，因而各国都重视板带钢技术的 提高，竟相把最先进的检测、控制技术用于板带轧制生产当中。目前实际尺寸精 度、组织性能都达到较高的水平。而且随着连轧过程自动化技术的发展，对控制系 统操作人员和工艺设计人员的要求也越来越苛刻。特别是* l n 速度普遍提高，基于 实际运行或人的直觉来评价控制系统或控制器的优劣，已不可能保证获得较好的控 制参数。而且连续轧制的控制算法日新月异，各种组合投入会带来不同的效果。但 是连轧机设备庞大复杂，投资巨大，不可能轻易变动。此外，连轧生产任务繁忙， 停车代价很大。在现场试验还存在人员和设备的危险。在现场进行上岗人员培训也 易出现事故，使生产停顿，造成巨大损失。因而，随着热连轧过程控制自动化技术 的发展，控制系统也越来越复杂，对仿真系统需求也就越来越迫切。 连轧控制仿真系统的开发研究促进* l n 理论的深化，因此作为现代轧钢技术研 究的先进手段之一，具有十分重要的意义和广阔的应用前景。 功能全面的连轧仿真软件不仅能校核设备的动态响应、设定轧制速度、进行参 数设定预报、验证已有压下规程或预报产品板形质量，实现寻优计算合理分配负 荷。还能作为培训手段，使操作人员上岗前，就能对轧机操作深入了解，减少因为 操作不当引起生产中出现事故。 本课题是针对唐钢薄板坯连铸连轧生产过程中连轧过程，自拟定的计算机 仿真课题。 河北理工学院硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 热连轧概述 i 1 。1 热连轧的特点 在两架以上连续配置的轧机，同时轧制材料的状态被定义为连轧。连轧机占地 少，温降小，产量大，因而是轧制工艺未来发展的主要方向。 连轧一般是带张力轧制。张力有助于减少轧件跑偏，有利于吸收动态速降引起 的堆钢，稳定生产。但增加头尾失张段尺寸波动，容易甩尾叠钢。无张力轧制是一 种理想状态，但不宜实行，因为即便自由轧制时前架出口速度与后架入口速度相 等，一旦连轧，咬入瞬间的动态速降也会引起轧机间堆钢，没有速度差，就不能吸 收活套。所以一般实际过程采用拉钢或微拉钢轧制。有张力轧制的特点是，通过轧 件内的张力，各架轧机产生相互影响。这是连轧所特有的轧制现象，它们与单机轧 制时的轧制现象不同。例如，前架辊缝变化对板厚的影响，不仅是本架辊缝的问 题，其出口速度的变化还引起与下一架的张力变化，反过来影响出口厚度。 板带轧制时，热轧带钢轧机的精轧机组一般为6 7 个机架串列布置组成。其轧 制参数有机架入口和出口厚度、机架阈张力、摩擦系数、辊缝、轧辊速度、辊径、 材料的变形抗力等。这些轧制因素在张力影响下，不再是独立变化而是相互牵联， 一架变动遍及所有机架，因此，从轧机整体来考虑，则有几十个轧制因素以机架间 张力为媒介互相施加影响l l 】。 1 12 热连轧的发展 从1 9 2 4 年美国在阿斯兰建设的1 4 7 0 m m 带钢热连轧机和1 9 2 6 年在巴特勒建设的 1 0 7 0 m m 带钢热连轧机起，带钢热连轧机已经有将近8 0 年的发展史了【2 】。因为带钢热 连轧生产的高效率、高经济性，带钢在经济生活中，有广泛的用途，因而在轧钢生 产中发展得最为迅速，而且也是各种新技术应用最为广泛的一个领域。从某种意义 上来说，带钢热连轧机的设备水平和工艺已经成为一个国家工业发展水平的一项重 要标志 2 1 。 2 河北理工学院硕士学位论文 近年来，近终形连铸技术飞速发展，世界上第一套薄板坯连铸连轧生产线于 1 9 8 9 年在美国n u c o r 公司投产，带钢的铸轧也取得了突破性的进展。由于该工艺具 有大幅度缩短生产周期、节约能耗、提高钢材收得率、降低生产成本、减少基建投 资等一系列优点。因而，被认为是今后带钢生产的发展方向 3 。5 j 。 1 1 3 热带钢生产工艺的新动向 ( 1 )超薄带的生产。热带生产可以在一定范围内替代冷轧带钢，但超薄带钢 生产将降低成材率和轧机产量，经济上是否合算目前尚有争谢。 ( 2 ) 无头轧制在带钢热连轧上的应用。 还有一种新工艺称为全连续生产带钢热轧技术即热带无头轧制，日本川崎钢铁 公司千叶厂的第三套热轧线，是世界上首次采用热带无头轧制技术的生产线。据资 料介绍，实现热带无头轧制，使板厚和板形波动减少，成材率提高0 5 一1 5 【7 4 j 。 1 2 仿真技术及其发展趋势 计算机仿真是近几十年发展起来的一门综合性技术学科，它为进行系统分析、 综合、研究、设计以及对专业人员的培训提供了一种先进的技术手段一j 。 仿真根据被研究系统的特征可以分为两大类：连续系统仿真和离散系统仿真。 连续系统仿真是对那些系统状态变化( 包括由于数据采集是在离散时间点上进 行的因此数据是非连续的) 的系统建立其数学模型并将它放在计算机上进行试验。 这类系统的数学模型包括：连续模型( 微分方程等) ，离散时间模型( 差分方程 等) 及连续一离散混合模型，其基本特点是能用组方程式来描述。 离散事件系统仿真则是指对那些系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件 的驱动而发生变化的系统建立其数学模型，并将它放在计算机上进行试验。这类系 统的状态量是由于事件驱动而发生变化的，在两个事件之间状态量保持不变，也就 是离散变化的，所以称为离散事件系统 1 0 。另外这类系统的数学模型一般很难用数 学方程来描述，通常是用流程图或网络图来描述。 1 2 1 系统仿真的概念及分类 一般有两种模型，即物理模型和数学模型。 3 河北理工学院硕士学位论文 物理模型就是根据相似原理，把真实系统按比例放大或缩小制成的模型。这种 模型多用于土木建筑、水利工程、船舶、飞机制造业。用数学形式( 数学方程、逻 辑关系、流程图或结构图) 来描述系统性能的模型叫数学模型。系统的数学模型有 很多分类方法1 。 如果模型中变量不含时间因素叫静态模型；如果模型变量与时间有关则叫动态 模型。如果模型的状态量是连续变化的叫连续变化模型；如果模型的状态变量是不 连续变化的，即只在特定的时刻变化而在两个特定时刻之间保持不变叫离散变化模 型。 根据模型的种类不同，系统仿真可以分为三种：物理仿真，数学仿真和物理一 数学仿真。 按照真实系统的关系建立数学模型，并对数学模型进行试验、研究的过程叫数 学仿真。数学仿真经济、方便、时间短，而且非常灵活。对数学模型进行仿真，实 际上就是把数学模型变成能在计算机上进行研究的运算模型( 即仿真模型) ，再在 计算机上对仿真模型进行求解，进而对系统进行分析、研究的过程。 实际上数学仿真是离不开计算机的，因而数学仿真又称为计算机仿真，是用计 算机进行试验、研究，然后把试验研究的结果应用到实际系统的过程。因而计算机 仿真包括三要素：系统、模型与计算机，联系这三个要素有三个基本活动：模型建 立、仿真模型建立及仿真试验，如图1 1 所示。 图1 1 系统、模型、计算机三者关系 f i 9 1 1t h e r e l a t i o no f s y s t e m ，m o d e la n d c o m p u t e r 4 河北理工学院硕士学位论文 按照真实系统的关系建立数学一物理的混合模型，进行试验研究的过程，叫仿 真器仿真。也就是将系统的一部分化为数学模型，并将它放在计算机上，而另一部 分则构造成物理模型或采用实物，然后连接成系统进行试验、研究。这种仿真器仿 真常常被用来培训现代化交通运载工具和各种复杂生产设备的操作人员1 1 。 针对板带连轧机，其仿真过程可分为以下几个阶段，如图1 2 所示 坦 ： ( 1 ) 首先，确定仿真的范围和目的。通常这将依次决定所使用的某个或多个模 型的类型。 ( 2 ) 接着，用一套数学方程去描述这个过程。 ( 3 ) 然后将方程以相应的计算机代码形式表示，该代码形式取决于所使用的仿 真软件或语言。 ( 4 ) 此时，进行第一次仿真过程的运行，并将结果与工厂数据相比较。如果误 差较大，就有必要对仿真进行修改甚至重新设计。 ( 5 ) 进行综合性的仿真运行并与工厂数据比较，以便对模型进行调试，将预测 误差减少到较低的可接受程度。 ( 6 ) 在将数学模型用于在线控制的场合下，熬个模型的运行时间较长，因此就 有必要对模型进行简化。简化的、快速运行的模型也必须经过工厂数据或原来整个 模型计算结果的验证。模型与真实过程的吻合过程能通过参数的对比或在输出的计 算结果 图1 2 仿真的步骤 f i 9 1 2t h es t e p so f s i m u l a t i o n 5 河北理工学院硕士学位论文 系统仿真具有以下优尉1 o 】： ( 1 ) 对于复杂的、带有多种随机成分的系统，要用数学模型来做精确的描述， 往往是十分困难的，但系统仿真则可以根据系统内部的逻辑关系和数学关系，面向 系统的实际过程和系统行为来构造模型，从而能方便地得到复杂随机系统的解，这 是系统仿真得到广泛应用的基本原因。 ( 2 ) 系统仿真直接面向问题的特点，使仿真模型与实际过程具有形式上和内容 上的对于性与直观性，避免了建立抽象数学模型的困难，从而显著地简化了建模过 程，使建模分析人员有可能把主要精力用于深入了解所研究的问题或过程本身，使 非计算机专业的广大科技人员和管理人员都能成为系统仿真的直接使用者。 ( 3 ) 系统仿真为分析人员和决策人员提供了一种有效的实际环境，从而可以直 接控制试验条件或输入参数，得到不同的结果，从中选择满意的方案。 然而，仿真技术也并非十全十美，还存在其固有的缺点1 0 l ： ( 1 ) 开发和运行仿真模型往往需要进行大量的独立、重复仿真运行，需要占用 较大的内存并耗费较多的机时费。 ( 2 ) 系统仿真本身不具有优化功能，每次仿真试验只能给出实际问题的一个可 行解，如果要获得问题的最优解或满意解，往往需要做多次仿真试验，因此带有枚 举发的弱点。 ( 3 ) 仿真构模是直接面向问题的建模过程，对于同一个实际问题，由于构模人 员素质和风格上的差异或对问题了解的深度不同，往往会构造出对过程描述深度不 同的仿真模型，其仿真运行结果自然也就不同。简单不全面的模型和欠缺相互联系 的系统，不可能很好模拟真实过程。一般需要不断改进，完善。 ( 4 ) 模型越复杂，计算耗时越多，使仿真难以实时。 随着计算机内存的扩展和计算机运算速度的加快，仿真需要机时将会减少到可 以接受的程度。 1 2 2 仿真技术在连轧上的应用及其前景 在连轧方面，过去在连轧系统的设计阶段，通常要求建立试验轧机( 相当于物 理仿真) ，这是因为建立一套连轧机系统，要求考虑的因素很多并且十分复杂，若 一6 一 河北理工学院硕士学位论文 不进行中间试验，一般是没有把握的。然而，建立试验轧机不仅周期长，而且投资 较大。6 0 年代初，英国钢铁协会在计算机上进行了四机架冷连轧机的仿真试验，它 的结果与试验轧机比较基本一致，从而开始用仿真试验来取代试验轧机( 即用计算 机仿真来替代物理仿真) 。9 0 年代后，美、日、德等国的大型电气设备制造公司的 研究开发部门，在研究、设计、制造新型热连轧机与冷连轧机系统时，也先后采用 了计算机仿真技术，并相继建立了热连轧机与冷连轧机的专用仿真系统。这类仿真 系统主要是利用一套仿真软件在中型计算机上进行轧制生产工艺控制系统的研究。 由于连轧机系统十分庞大，投资极为昂贵，所以这种仿真软件在经济上收益是十分 大的( a e g 公司的冷连轧机仿真软件报价6 0 万马克) ，即通过仿真研究若能使设 计合理，可大大降低为达到同样产量而需要的投资【2 】。 国内外学者在连轧仿真方面投入过大量精力，编制出相应的软件。澳大利亚的 i r 。m c d o n a l d 1 习在1 9 9 3 年发表冷板连轧仿真程序，数学模型全部为线性经验回归 式，实际应用需要现场大量数据才能确定模型中的系数，不能异地实用。b u l e n t h s l m s e k 在1 9 9 7 年发表关于连轧车间调度的论文【1 4 1 ，对双线加热的连轧车间进行仿 真，对连轧过程没有涉及。国外有几家具有大型连轧计算机安装调试能力的大公 司，开发出冷热轧现场实用的多级计算机的仿真运行软件。西门子公司已有一套单 机版连轧仿真软件，在与包钢、邯钢谈判引进连铸连轧项目时，就用来讨论一些问 题。 国内最早是8 0 年冶金部自动化所陈振宇在冶金自动化发表的连轧a g c 的 仿真研究【”】，其研究考虑了压下机械间隙、采样效应、轧辊偏心效应、张力波动效 应，但仅仅讨论了两架轧机，这种考虑多项控制的方法扩展到多架轧机连轧时能否 正常运行还不很清楚。 东北大学自动化研究中心【l6 】潘学军与山东电力高等专科学校合作开发出冷连轧 仿真软件包，它将各种控制算法写成模块，用户可以对这些模块进行适当的、有效 的配置，还可以进行影响系数分析，阶跃响应分析，频率响应分析、误差分析及连 轧控制性能分析，是比较全面的连轧仿真程序。但对连轧中最关键的张力研究不够 深入，程序运行速度和准确性还有待提高。太原重机学院2 0 0 0 年初步编出考虑动态 影响的热连轧仿真程序 1 7 1 8 】，对穿带、正常连轧和抛钢划分成三个阶段，对压力 一7 一 河北理工学院硕士学位论文 a g c 和前馈a g c 进行仿真。其中用线性链表数据库解决带钢厚度滞后的计算方法 很适合连轧张力无延时，厚度延时的特殊情况。但程序预报的轧制力与实际相差甚 远。主要是对热连轧过程没有建立坚实的理论基础。北京科技大学杨海波【1 9 l 对液压 a g c 作了成功的局部仿真，对现场分析工作起到一定作用。此外，东北大学关于仿 真算法上发表多篇论文1 2 0 2 5 l ，对仿真数据库及离散时间等技术进行探讨。北京科技 大学高校轧制中心近年来在连轧计算机控制领域取得较大进展【2 6 - 2 7 1 ，已在国内几个 现场参与设计调试，特别是前两年在鞍钢连轧厂精轧机计算机系统调试的成功2 8 1 并 编出相应仿真软件，体现出对热连轧计算机控制的掌握程度。但这些软件都是在多 级计算机上实现，为某一连轧机使用，不便任意携带进厂核实计算或设计压下规 程。 以上研究多是采用轧制模型线性处理的方法来化简方程，需解高阶线性方程 组，使计算量过大，计算时间长，精度不高。 另外，由于以往人们在连轧张力理论方面认识还不足，加上控制方式的多样 性，完成的多是局部仿真，国内一直没有完熬全面的连轧仿真软件出现，一些颇费 功夫的软件与现场数据一对比便搁置一边。生产现场迫切希望用上真正实用的软 件。 - 8 - 河北理工学院硕士学位论文 第二章课题来源、理论基础及研究方法 2 1 课题来源 本课题为导师自选题目。要求以唐钢热轧厂为背景，以连轧速度理论为基础， 运用直接法仿真原理进行仿真。其特点是对各种数学模型均采用其原型，保证计算 精度。采用张力直接计算新公式，保证运算量较少，运算速度加快。操作过程及人 机界面均与其实际生产过程相一致。可完成穿带阶段、稳定轧制阶段和抛钢阶段的 仿真，而且还可进行自动设定或人工设定，并允许操作员对生产过程进行干预( 如 手动微调各架轧机转速、辊缝等) 。 2 2 热连轧过程数学模拟的张力平衡基础 带钢热连轧过程( 包括控制过程) 的一个显著特点是机械、电气控制系统和工 件( 工件参数) 间的紧密联系，形成了一个复杂的综合系统。机座的弹性变形使各 种工艺参数的变动都通过轧制压力而影响到轧出厚度。而机架问带钢的弹性变形及 其相应的张力，一方面本身是各工艺参数( 通过两个机架间的速度来影响张力) 的 复杂函数，另一方面又反过来影响各工艺参数( 前滑、后滑和轧制力矩) ，最终影 响出口和入口速度。这些“自然反馈现象”使连轧过程的分析更加复杂化，特别是 多机架连轧。 多机架连轧机由于带钢的联系而形成了一个系统，带钢起着机架间传递能量、 传递影响的作用。前一架轧出的厚度延时地决定了后一架的入口厚度，因此，各种 扰动对前一架轧出厚度的影响都将经过一定时间后，由被影响的那一段带钢带到下 一架而成为新的“外扰源”。这种通过轧件厚度所传递的影响是延时的同时又是 “顺流”的( 向轧制方向传递影响) ，而带钢的张力则同时影响前后两架轧机的参 数，因此任何外扰产生的张力波动将“瞬时”地既“顺流”又“逆流”地( 逆流是 指和轧制方向相反) 传递影响。 每一外扰量产生的后果( 厚度波动或张力波动) 都将延时成为新的外扰源。因 此各种“原始”和“再生”的外扰将在多个机架间来回影响。由此可见，连轧机中 9 河北理工学院硕士学位论文 任何一架轧机某个参数发生变化时，除直接影响本身的工作外，还将影响其它各架 轧机的工作，而最终都在成品厚度上反映出来。 2 3 连轧速度平衡的讨论 由于张力本身不易直接测量，宏观上只能看到平直的稳定连轧，不容易搞清张 力的作用。此外，人们经常把连轧视为简单的秒流量相等问题口0 1 。这在板带连轧压 下规程设计时，并不总是正确。实际上，不少文献或多或少早已经提到3 1 - 3 2 1 ，连轧 过程首先要符合运动学的速度规则。文献 3 3 - 3 4 1 更是明确指出秒流量相等的适用范 围，并初步论述了连轧张力的影响。 变形区内秒流量相等是公认的原则。但在连轧的轧机之间，轧件断面未必保持 不变，这时应用秒流量相等法则就应当注意。秒流量相等是流体在管道中流动的基 本规律，变形区内轧件受轧辊限制，可以使用秒流量相等法则，而在轧机之间，只 有轧件断面不变，才有流量相等的现象，即在机架间轧件尺寸不变的稳定轧制时， 机架间是秒流量相等。因而对于轧件这样的柔性实体，在机架间，秒流量相等只是 一种特殊状态。如果不考虑具体情况，均使用秒流量相等的法则来解决问题，轻则 设定与实际偏离甚远，重则导致现场操作堆钢，造成事故。 本文以平衡状态下，机架间轧件各断面质点速度相等为平衡原则，十分便于变 规格轧制的情况处理。 2 3 1 连轧建张过程和速度平衡 连轧张力的产生在于，前后轧机自由轧制时轧件出入口的速度差。连轧后，轧 件承受张力。张力不是作用的最后结果，它还要反作用于整个连轧系统。在张力的 作用下，一方面是张力影响变形区金属流动，直接影响轧件前后滑，一方面是张力 力矩对电机负荷起作用，间接影响转速，再一方面是影响变形区三向应力状态，改 变轧制力和轧制力矩，间接影响轧件速度。 在单机架轧制中，施加前张力，可以使电机力矩减轻，出口速度加快；施加后 张力，电机力矩增加，入口速度减慢。对于连轧，可以先假设前后两架轧机在自由 状态下轧制，后架轧机的原料入口厚度正好是前架轧机出口轧件的厚度。连轧时， 当后架轧制的入口速度等于前架轧件出口速度，两架轧机互不影响。如果后架入口 - 1 0 河北理工学院硕士学位论文 速度略微大于前架轧件出口速度，前架轧件进入后架实现连轧后，后架必然会通过 轧件拉拽前架，即在轧件中产生张力。这如同同向行驶的两部汽车，用截面不等的 刚性杆连接在一块。如果两部车原来速度相等，连接后，杆上没有力。如果速度不 等，杆上作用拉力，速度快的车受到向后的作用力，速度减慢，速度慢的车受到向 前的拉力，速度加快，同时拉力上升，最终如果杆没有拉断，两部车便以相同的速 度行进。平均速度的大小取决于两部车各自的动力与质量。而杆内承受拉力大小与 杆本身断面是否变化没有关系。 连轧张力还要影响前后滑，减缓张力上升。综合作用的结果，使轧件速度改 变，达到轧件出入口速度相等。这时张力在一定数值上不变，连轧保持动平衡，进 入稳定轧制阶段。连轧本质是速度问题，与轧件断面大小无判3 5 】。 两架轧机连轧时，张力随时间变化的动态过程由张力微分方程描述，张力微分 公式最早由前苏联a n 切克马廖夫推出，以后又有张进之【3 司等人的改进。基本形式 如下： 粤：7 e ( k 。一) 西”7 ( 2 1 ) 式中 q 连轧时轧件内张应力； e 轧件弹性模量； 三轧机闽轧件长度； 。后架轧机轧件入口速度； k 。前架轧机轧件出口速度。 式( 2 1 ) 表示只要存在速度差，张力通过积分就会上升。然而，式中的出入口 速度不是常数，而是在张力的作用上，不断改变，逐渐接近相等。这时积分式成为 隐含方程，因而难以确定。 另外，弹性模量对于热轧钢而言，本身就是一个难以确定的数值，温度稍微变 化，e 就相差很大。 河北理工学院硕士学位论文 后架轧机轧件入口速度与前架轧机轧件出口速度都不是常量，它们在张力的作 用下发生变化。以前张力为例，根据前张力实验结果，在通常的应用范围内变化 时，张力对前滑的影响可用线性式( 2 2 ) 表示。 k = k ( 1 + s h o + a q ) 式中 k 轧辊线速度； 瓯。无张力时的前滑； a 影响系数； ( 2 2 ) q 单位前张力或前后单位张力差。 式( 2 2 ) 说明，前张力使轧件出口速度提高，自然就是与后架轧件入1 ：3 速度差 减小，张力增加变缓。将此式带入连轧张力微分方程( 2 1 ) 进行积分，得到张力变 化的时域解( 2 3 ) 3 7 】。 g 2 半i 1 ( 1 一e x p ( - 鲁v a t ) ) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 表示的张力曲线见图2 1 。 图2 1 表明，张力是随时间上升的，但趋于平缓，这是因为轧件出入口速度差在张 力作用下逐渐变小。速度差越小，张力上升越缓慢。速度差最后趋于零，张力也趋予随 定。从机理上看，张力上升会使前架前滑增加，即轧件出口速度增加，仅此就能使前架 轧机轧件出口速度与下一架轧机的轧件入口速度接近，速差减少。同样，机架间张力也 会使后一架轧机后滑增加，入口速度降低，更使出入口速度相互接近。 f i 9 2 1t e n s i o nc u r v e 1 2 河北理工学院硕士学位论文 在张力微分式里，速度差为零，意味着张力对时间的变化率为零，即张力维持 在某一值上。机架间的轧件内各质点不可能有相互位移，忽略张力引起的弹性变 形，各质点一定是速度相等。事实上，张力变化的时间非常短，建张过程是咬入瞬 间便完成的，轧件出入口速度也就达到平衡。张力微分方程仅仅描述了这一短暂的 动态变化。张力连轧过程是在张力作用下的速度平衡过程，只有速度差为零，张力 才趋于稳定，尺寸才1 能保证。如果没有新扰动，连轧保持稳态，轧件尺寸得以稳 定。若有外来扰动，则完成稳态干扰新的稳态这样一种调整过程，张力、 速度稳定在新水平上，轧件尺寸也会随之有些变动。 自由轧制的轧件出入口速度差对连轧后的平衡张力大小至关重要，如果轧件前 后出入口速度差增大，张力上升快，电气系统来不及调整，张力就已经超过屈服应 力，这时出现断带事故，谈不上正常生产。轧件前后出入口速度差大小选择合适， 既便于动态速降吸收，又可保持较小的张力，减少轧辊的磨损。 由此可见，即便轧机自动调节能力很强，准确计算带张力的轧件出口速度也还 是很必要，进行无活套微张力轧制就更依赖于此。 2 4 研究方法 带钢热连轧过程是一个非常复杂的物理过程，由于轧件同时在两个以上顺序布 置的轧机上进行轧制，从而把整个机组的机械、电气设备联成一个整体，使连轧过 程的机械、电气设备参数和工艺参数形成相互联系、相互影响、相互制约的关系。 当连轧过程处于稳态时，各参数之间保持着相对稳定的关系。然而，一旦在某个机 架上出现了干扰量( 如来料厚度、材质、温度等) 或调节量( 如辊缝、辊速等) 的 变化，则不仅破坏了该机架的稳定，而且还会通过机架间张力和出口厚度的变化， 瞬时地( 如张力) 或延时地( 如带厚) 把这种变化的影响“顺流”与“逆流”地传 递给前面和后面的机架，从而使整个机组的稳态遭到破坏。随后通过张力对轧制过 程的自调作用，上述扰动又会逐渐趋于稳定，从而使连轧机组进入一个新的稳态。 这时，各参数之间又建立起新的相互关系，而目标参数( 如带厚) 也将达到新的水 平。由于干扰因素总是不断出现，所以连轧过程中的稳定是暂时的、相对的，连轧 过程总是处于稳态一干扰一新的稳态这样一种不断波动着的动态平衡过程中。 1 3 河北理工学院硕士学位论文 这种动态平衡过程是非常复杂。但为了精确地调整连轧机，使其在最优工况下 工作，或为了设计新的连轧机与自动控制系统，、就必须综合分析各种参数之问的定 量关系，研究机组的力能参数、运动学参数和变形参数的变化规律，特别是研究在 外扰量和调节量的作用下整个机组运行状态的变化规律。但是，由于问题复杂，用 物理模拟的方法，即在实验机组上或直接在生产轧机上进行研究是非常困难的。而 计算机仿真技术的发展给连轧机组数值模拟创造了条件口8 1 。 2 4 1 静态仿真与动态仿真 根据是否考虑时间因素，连轧仿真分静态仿真和动态仿真两种，不考虑时间因 素的称为连轧静态仿真，考虑时间因素的称为连轧动态仿真。 连续车l a j 在稳定状态下进行时，无论在轧机的任何一点，秒流量= 板宽x 板厚 板速度为一定。一旦改变辊缝、轧辊转速等参数将破坏稳定，对应其变化各机架 间的张力、板厚等将发生变化，直达到新的稳定轧制状态。这时秒流量成为定值， 然而这个值与前一稳定轧制状态的秒流量值不同。静态连轧仿真是求解这两种稳定 轧制状态间的关系，不讨论向稳定状态变化的过渡状态。通过解析能求出各车l a j 变 量间的相互关系，因此从理论上说明连续轧制的轧制现象。轧制中改变各种轧制条 件时稳定状态将转移为过渡状态，经过一定时间再恢复到另一各稳定状态。动态连 轧仿真就是求解因外界影响因素或者轧制操作的原因使轧制从前个稳定状态过渡 到下一个稳定状态的过渡特性的一种方法【3 4 1 。 本课题所研究的是稳定轧制状态间的关系，不讨论向稳定状态变化的过渡状 态，因此属于静态连轧仿真。 2 4 2 直接法仿真的基本原理 本软件采用直接法仿真原理，直接法仿真的特点是对各种数学模型均采用其原 型( 多为非线性方程) ，而不是像稳态分析那样使各种数学模型线性化之后才用于 计算( 称为线性化法或增量法) 。显然线性化只能用于过程参数发生微小变化的情 况，而直接法则不受此限制，因此直接法往往优于线性化法。所以直接法仿真采用 了一种独特的算法，这种算法可以分为两拍进行【1 7 】【3 8 l 。 1 4 河北理工学院硕士学位论文 第一拍：在时刻，1 ，各机架有特定的辊缝、轧件入口和出1 3 厚度、轧件的前后 张力等，从而计算出此时的轧制压力、前滑值、轧件的出入口速度、轧辊辊速等 值，然后就进入第二拍计算。 第二拍：在第一拍计算的基础上，若假定在微小时间6t 内，比较各机架的前 架轧件出v i 速度是否等于后架轧件入口速度。如果不等，则按张力公式重新计算张 力，从而计算出此时刻的各机架的轧制压力、前滑值、轧件的出入1 ：3 速度、轧辊辊 速、辊缝等，看是否前架出口速度等于后架入口速度。如果有两架轧机不能满足要 求，就得重新计算张力，这样各架轧机间的每一次张力在微小时间6t 内的变化都 会影响到各机架参数的不断变化，直到所得到的张力值满足前架轧件出口速度等于 后架轧件入口速度为止。此时表明轧制过程进入了一个稳定状态，并计算出此时的 轧制压力、辊缝、轧辊转速，轧件出入1 3 速度等。其中轧制过程中任何一个轧制因 素的变化都必将影响张力的变化，这样轧制过程又处于另一个不平衡的状态，从而 又开始进行第一拍的计算。事实上，在轧制过程中的多数时间里，由于各种因素的 扰动，轧制过程处于不平衡状态，而不平衡状态总是在瞬间达到平衡，所以可以认 为轧制过程是由无数不平衡状态的微小区间和无数个瞬时平衡状态组成的。其中轧 件中的张力起着重要的联系作用，图2 3 就是张力平衡下的流程图。 其中： s ，辊缝： h i ，h i 轧件入1 3 和出口厚度； p 厂一轧制压力； n i _ 一轧辊转速； 矗前滑； q r 一机架间张力： v l i ，v 2 。轧件出口和入1 3 速度。 河北理工学院硕士学位论文 一 l l 第一拍 ll 第二拍 l ，此时变形基本上已深入轧件中心，沿轧件高 度方向的变形比较均匀，接触弧上摩擦力( 称为外摩擦力) 是造成应力状态的主要