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东北大学硕士学住论文 摘要 中厚板精轧机辊型设计及规程动态调整 摘要 辊型设计和规程动态调整是中厚板轧制技术的重要组成部分，在中厚板生产 领域内备受关注。本文结合国内某中板厂轧机过程机改造项目，对四辊精轧机辊 型设计和规程动态调整进行了研究。具体研究内容和研究结果如下： 运用影响函数法分析了辊系弹跳变形，选取了适当的承载辊缝凸度计算模 型。研究了几个影响轧辊承载辊缝凸度的因素包括轧辊磨损和热膨胀，并给出了 相应的在线计算模型。 通过分析支撵辊直径、支撑辊凸度，工作辊直径、工作辊凸度和轧件宽度对 轧机横向刚度的影响规律，建立了轧机横向刚度的计算模型。比较不同辊型曲线 下的辊问压力分柿，推导出四次曲线为最优支撑辊辊型曲线形式。建立了适合于 中厚板四辊精轧机支撑辊辊型优化的目标函数，针对国内某钢厂的实际情况，对 其四辊精轧机辊型曲线进行了优化设计。 针对国内某钢厂的现场情况采用负荷协调分配法制定轧制舰程，采用适合于 该厂特点的规程动态调整方法道次自学习和长期自学习。在道次自学习中， 利用实测参数修正轧制力模型，提高了轧制力模型预测精度：在长期自学习中， 通过测量厚度消除弹跳曲线零点漂移，提高了弹跳模型的预测精度；在长期自学 习中，通过板形反馈信号修正后续轧件的规程，提高了板形控制效果。以上方法 联合应用于某厂，可达到厚度控制和板形控制的要求。 本文研究内容的辊型优化设计部分，对提高板形控制效果，延长轧辊寿命具 有重要意义；精轧阶段轧制规程动态调整部分已在现场取得了应用，提高了中厚 板轧制过程控制的自动化水平和控制精度，提高了产品质量。为我国中厚板轧机 过程控制模型的研究起到了积极的促进作用。 关键词：中厚板，精轧机，板凸度，横向刚度，辊型设计，规程动态调整，自学 习 i i 耋兰苎兰罂圭茎堡垒耋! 墼! ! 些! r o l lc o n t o u rd e s i g na n dd y n a m i ca d ju s t m e n to f p a s sd r a f ts c h e d u l eo ff i n i s h i n gp l a t em i l l a b s t r a c t r o l lc o n t o u rd e s i g na n dd y n a m i c 删u s t m e n to fp a s sd r a f ts c h e d u l ea r ei m p o r t a n t t e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t yo fp l a t er o l l i n g b a s e do nt h ep r o j e c to f t h e h y d r a u l i ca g ca n dc o n t r o l l e dr o l l i n g a n dc o o l i n ga u t oc o n t r o ls y s t e mr e f o r m i n g p r o j c o ti nap l a n t ，t h et h e o r yo fr o l lc o n t o u rd e s i g na n dd y n a m i ca d j u s t m e n to fp a s s d r a f ts c h e d u l e o ff o u rh i g hp l a t em i l lh a v eb e e ns t u d i e d b y i n f l u e n c ef u n c t i o nm e t h o dt h er o l l se l a s t i cd e f o r m a t i o no nd i f f e r e n t d e f o r m a t i o nc o n d i t i o n sw a sr e s e a r c h e d t h e na no n l i n el i n e a rc a l c u l a t i o nm o d e lo f l o a d e dr o l lc r o w nw a se s t a b l i s h e db yt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t b a s eo nt h er e s e a r c hr e s u l t o ft h ew e a ra n d 出ee x p a n s i o no f r o l l ，出eo n l i n em o d e lh a sb e e na d o p t e d b a s e do n t h e s et h r e em o d e l s ，a no n l i n em o d e lo f c r o w no f p l a t eh a sb e e na d o p t e d b a s e do nt h ef o u rh i g h p l a t em i l l ，t h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n td e f o r m a t i o n c o n d i t i o n so nt h eh o r i z o n t a ls t i f f n e s sh a sb e e ns t u d i e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm o d e l o fh o r i z o n t a ls t i f f n e s sh a sb e e nf o u n d e d b a s e do nt h e c o m p a r i s o no fc o n t a c tp r e s s u r e a m o n gd i f f e r e n tr o l lc o n t o u r , t h eq u a r t i cc u r v eh a sb e e np r o v e dt ob et h eo p t i m a lr o l l c o n t o u r a n da no b j e c tf u n c t i o no fr o l lc o n t o u rd e s i g nh a sb e e ne s t a b l i s h e d b a s e do n t h ep r a c t i c a lc o n d i t i o no fap l a t e ，t h er o l lc o n t o u ro ff o u rh i g hp l a t em i l lh a sb e e n d e s i g n e d b a s e do nt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o no fap l a t e , t h el o a dc o o r d i n a t i o nb a l a n c i n g m e t h o dh a sb e e na d o p t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fap l a t e ，t h et w om e t h o d sh a v eb e e n a d o p t e d - 1 d y n a l i cm o d i f i c a t i o n o fp a s st op a s sa n dl o n gt e r ms e l f - l e a r n t h e m o d i f i c a t i o no fp a s st op a s si su s e dt od e v e l o pt h ep r e c i s i o no fr o l l i n gf o r c em o d e l t h el o n gt e r ms e l f - l e a r ni su s e dt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fg a u g em e t e rm o d e la n d s h a p ec o n t r 0 1 r o l lc o n t o u rd e s i g ni si m p o r t a n tt op r o l o n gt h ea c t i v et i m eo ft h er o l la n dt ob e f a v o rt os h a p ec o n t r 0 1 d y n a m i ca d j u s t m e n to fp a s sd r a f ts c h e d u l ei su s e dt oi m p r o v e i l l t h ep r e c i s i o no fr o l l i n gp r o c e s sc o n t r 0 1 t h es e c o n dp a s th a sb e e na p p l i e dt op r a c t i c e a n da c q u i r e dh i g h e rp r o d u c t i v i t ya n db e t t e rq u a l i t i e st h a nb e f o r e ，a n di m p r o v e dt h e p r e c i s i o no fr o l l i n gp r o c e s sc o n t r o la n dt h ea u t o m a t i o nl e v e l k e yw o r d s ：p l a t e ，f i n i s h i n gm i l l ，c r o w n ，h o r i z o n t a ls t i f f n e s s ，d e s i g no fr o l lc o n t o u r , d y n a m i ca d j u s t m e n to f p a s sd r a f ts c h e d u l e ，s e l f - l e a r n i v 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 论文背景、目的和意义 世界钢铁工业发展历程表明，中厚板生产水平是一个国家钢铁工业水平的重 要标志。国外发达国家的钢材板管带比在7 8 左右，我国总体水平在4 0 左右。 其中，我国( 到2 0 0 4 年1 0 月份) 一中厚板、卷产量4 1 1 2 力- 吨，占钢材产量比重 1 7 ，实际中厚板轧机生产的中厚板( 中板和厚板) 1 9 0 6 力吨，占钢材产量比重 仅为7 8 9 。其中专用钢中厚板比例仅占2 5 左右i 美国、闩本和欧洲中厚板中 专用钢板比例达6 5 t l “。 目前中厚扳最大的消费市场为华东地区，约占全国中厚扳消赞总量的3 5 ： 其次为中南区域，约占3 2 ；华北地区占到9 ，如图1 1 所示。由于这些地区的 经济发展较快，特别是华东地区经济迅猛发展，中厚板需求保持长期旺盛态势。 由于中厚梗需求不断增长，我国中厚板企业生产舰模不断扩大，全国共有中厚板 轧机：3 0 台( 套) ，总的生产能力约2 2 0 0 万吨左右，在建和拟建中厚扳轧机i i 台 ( 套) ，生产能力1 2 7 0 力吨。其中2 0 0 4 年新增3 台( 套) 4 1 。 图1 1 中厚板消费量分布图 f i g 1 1p e r c e n t a g eo f c o n s u m p t i o no f p l a t ei nc h i n a 但我国当前的中厚板轧机技术水平普遍较低，除了少数几套国外引进的轧机 和国内新近改造的轧机外，绝大部分轧机基本还处在人工手动轧钢的水平，产品 的产量和质量无法得到保证，迫切需要对落后的轧机进行技术改造和新建高技术 水平的中厚板轧机，采用先进的轧机设备和计算机控制系统，配备以先进的生产 工艺，以提高中厚板产品的产量和质量，满足国民经济建设的需要【l 4 “。 东北犬学硕士学位论文1 绪论 某些发达国家的中厚板轧机和生产技术都各有特色，钢板产量和各种经济指 标也达到了较高的水平。中厚板的发展向高速化、自动化和精确化方向发展。 本文结合国内某中板厂四辊轧机h a g c 、控轧控冷工程项目，结合该厂现场 实际情况将轧机过程控制模型系统用于在线设定，同时对陔厂四辊精轧机进行辊 型优化设计，从而提高了过程机的控制精度，这项工作对提高我国中厚板生产的 技术水平具有重要的现实意义。 1 2 中厚板轧机的发展概述 1 2 1 国外中厚板轧机发展 从1 8 世纪初西欧在二辊周期式薄板轧机上生产小块中扳丌= 始，中厚板生产 的发展历史至今已经有2 0 0 年左右。在这2 0 0 年罩具有重大意义的发展事件有： 1 8 5 0 年左右丌始采用二辊可逆式轧机，辊身长度增至2 m 以上： 1 8 6 4 年，美国创建了世界上第一台三辊劳特式轧机； 1 8 9 1 年，美国钢铁公司投产了世界上第一台四辊可逆式厚板4 ：i , $ j l ； 1 9 0 7 年，荚囡钢铁公司酋次创建了力_ 能式厚板轧机： 1 9 1 8 年，卢肯斯钢铁公司建成了世界上第一套5 m 以上的特宽厚板轧机； 1 9 3 1 年美国钢铁公司建成了世界上第一套连续式中厚板轧机，在精整机组 后设糖整作业线。 二次世界大战期间，美国钢铁公司在日内瓦投产了年产量1 8 8 万吨，世界上 产量最高的厚板轧机。 辊身长度是表征轧机能力的一项重要指标，辊身长度的不断增大是中厚板轧 机设备发展的典型体现。辊身长度的发展状况如下：最早中厚板生产采用 2 3 0 0 m m 级轧机；上世纪5 0 年代发展到2 8 0 0 m m 轧机：6 0 年代发展到以4 7 0 0 m m 为典型代表的宽厚板轧机；7 0 年代开始，轧机又加大了一级，以5 5 0 0 m m 轧机 为典型代表，5 米级轧机世界上有1 3 套，其中日本有5 套、美国2 套、前苏联3 套、德国2 套、法国l 套，现在国内宝钢正在筹建一条新的5 米轧机生产线。在 轧机设备的发展过程中，6 0 年代以前优势在美国，6 0 年代以后日本逐渐取得领 先，另外欧洲和韩国也有较高的水平【2 ，3 1 。截至1 9 9 9 年，世界各国辊身长度大于 3 0 0 0 m m 的轧机共有了7 套，其中4 7 0 0 m m 以上的轧机有1 9 套。见表1 1 2 东北大学硕士学位论文1 绪论 某些发达国家的中厚板轧机和生产技术都各有特色，钢板产量和各种经济指 标也达到了较高的水平。中厚板的发展向高速化、自动化和精确化方向发展。 本文结合国内某中板厂四辊轧机h a g c 、控轧控冷工程项目，结合该厂现场 实际情况将轧机过程控制模型系统用于在线设定同时对该厂四辊精轧机进行辊 型优化设计从而提高了过程机的控制精度，这项工作对提高我国中厚板生产的 技术水平具有重要的现实意义。 1 2 中厚板轧机的发展概述 1 2 1 国外中厚板轧机发展 从1 8 世纪初西欧在二辊周期式薄板轧机上生产小块中扳丌始，中厚板生产 的发展历史至今已经有2 0 0 年左右。在这2 0 0 年罩具有重大意义的发展事件有： 1 8 5 0 年左右丌始采用二辊日r 逆式轧机，辊身长度增至2 m 以上； 1 8 6 4 年，荚国创建了世界上第一台三辊劳特式轧机； 1 8 9 1 年美国钢铁公司投产了世界上第一台四辊可逆式厚板4 ：l j l ； 1 9 0 7 年，美国钢铁公司酋次创建了万能式厚板轧机； 1 9 1 8 年，卢肯斯钢铁公司建成了世界上第一套5 m 以上的特宽厚板轧机： 1 9 3 1 年美国钢铁公司建成了世界上第一套连续式中厚板轧机，在精整机组 后设糟整作业线。 二次世界大战期闻，美国钢铁公司在月内瓦投产了年产量1 8 8 万吨，世界上 产量最高的厚板轧机。 辊身长度是表征轧机能力的一项重要指标，辊身长度的不断增大是中厚板轧 机设备发展的典型体现。辊身长度的发展状况如下：最早中厚板生产采用 2 3 0 0 m m 级轧机：上世纪5 0 年代发展到2 8 0 0 m m 轧机：6 0 年代发展到以4 7 0 0 m m 为典型代表的宽厚板轧机；7 0 年代开始轧机又加大了一级，以5 5 0 0 m m 轧机 为典型代表，5 米级轧机世界上有1 3 套，其中日本有5 套、美国2 套、前苏联3 套、德国2 套、法国l 套，现在国内宝钢正在筹建一条新的5 米轧机生产线。在 轧机设备的发展过程中，6 0 年代以前优势在美国，6 0 年代以后日本逐渐取得领 先，另外欧洲和韩国也有较高的水平【2 1 。截至1 9 9 9 年，世界各国辊身长度大于 3 0 0 0 m m 的轧机共有7 7 套，其中4 7 0 0 m m 以上的轧机有1 9 套。见表1 1 3 0 0 0 m m 的轧机共有7 7 套，其中4 7 0 0 m m 以上的轧机有1 9 套。见表1 1 奎兰苎兰罂主主竺釜耋：窒耋 表1 1 世界备国4 7 0 0 m m 以上宽厚板轧机 t a b l e1 1p l a t em i l lo v e r4 7 0 0 r a mo nt h ew o r l d 注：r m 一租轧机；f m 一：i i l 轧帆：( ) 表示预c 玎 现代中厚板轧机除了辊身长度不断增加外，轧机刚度、电机功率和转矩、轧 制速度也不断提升，以1 9 8 5 年投产的德国迪林根公司5 5 0 0 m m 轧机为例，其支 撑辊直径为由2 4 0 0 m m ，牌坊断面为9 9 4 0 c m 2 ，牌坊单重3 9 0 t ，最大轧制力为 1 0 8 m n ，轧机剐度为1 0 ，4 m n m m ，主电机功率为2 x1 0 9 0 0 k w ，最大轧制力矩 为2 4 5 0 0 k n m ，最大轧制速度为7 3 5 m s t 7 一。 1 2 2 国内中厚板轧机发展及其改造 我国第一套中板轧机是1 9 3 6 年在鞍山钢铁公司第一中板厂建成的2 3 0 0 m m - - 辊劳特式轧机。1 9 4 9 年前，中板产量只有几万吨，钢种只有几个，规格也只有 末北走学硕士掌住论丈1 绪论 j _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - 自- _ e | _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ 一 几种，质量很差，只能满足一般的用途。在5 0 年代，我国钢铁工业迅速发展， 先后建成多套中厚板轧机。7 0 年代开始，为了提高装备水平，所建生产线都不 再采用三辊劳特式轧机。1 9 7 8 年9 月河南舞阳钢铁公司投产了我国第一套4 2 0 0 宽厚板轧机。另外，1 9 8 7 年9 月首都钢铁公司也建成了一套二手设备3 3 4 0 m m 宽 厚板轧机i ”。 7 0 年代以来，我国开始了中厚板轧机的改造工程。一般情况下有两种改 造模式。一种是三辊劳特式轧机后增加一架四辊式精轧机。这种方案的最大缺点 是仍然受三辊劳特式轧机的限制薄弱环节没有克服，坯料单重不可能加大。优 点是大大提高了产量改善了产品的厚度偏差，板形明显好转。另一种是将三辊 劳特式换成四辊式单机生产。这种改造方式克服了三辊劳特式的薄弱环节，减小 了厚度偏差，板形明显好转，表面质量提耐i 。 1 2 3 国内中厚板生产与国外的差距 在我国现有中厚板生产厂家中，尘产舰模最大的是鞍钢新轧股份宵限公司厚 板厂和上海浦东钢铁公司厚板厂，年产能力均可达到i o o 万吨以上。其余厂家多 在3 0 1 0 0 万t a 之间( 2 0 0 2 年新余中板、济钢中板、南钢中扳的年产量都达到 1 0 0 力吨左右) 。与同本、德国等工业发达国家相比( 见表i 2 ) ，我国中厚板的 总体生产规模尚可，但存在着中厚板生产厂家多、生产能力分散等问题。各厂家 生产设备、技术水平与国外槽比有很大差距1 2 3 , 9 - 1 1 i 。 表1 2 我国中厚板生产规模与国外比较 t a b l e1 2 t h ec o m p a r i s o n o f p r o d u c t i o nc a p a c i t y b e t w n c h i n a a n dd e v e l o p e dc o u n t l y 如表1 3 所示，将代表我国先进水平的首钢中板厂、一般水平的重钢五厂与 代表国际先进水平的日本大分厚板厂和德国迪林根厚板厂进行比较，可以看出， 在轧机设备参数、规模和装备水平上国内中厚板厂家与国外先进水平的差距是非 常大的，特别是轧机装备水平不高，直接制约产品品种的开发和产品质量的提高。 4 东_ = i l ：大学硕士学位论文1 绪论 在一些轧制力仅为3 0 6 0 m n 的轧机上，难以实施真正意义上的控制轧制工艺技 术。这也是我国目前相当部分的高、精、尖产品不能自己生产而依赖进口的一个 重要原因【4 j 。 表i 3 我国中厚板轧机水平与国际先进水平比较 t a b l e1 3t h ep l a t em i l ll e v e lc o m p a r i s o nb e t w e e nd o m e s t i cp l a n tw i t hf o r e i g na d v a n c e dp l a n t 表1 4 为我国中厚板产品的质量丽国际先进水平的比较，不难看出，在尺寸 精度、表西质量和包装囊量上我们与国际先进水平都存在非常犬的差距，急需大 力改进。 袭1 4 我圆中厚扳产品水平与国际先进水平比较 t a b l e1 4t h ep l a t eq u a l i t yl e v e lc o m p a r i s o nb e t w e e nd o m e s t i cp l a n tw i t hf o r e i g na d v a n c e dp l a n t 项目 谨诗一股水平国内先进水平国际先进水平 厚度精度m m 宽度精度t m 长度精度m m 表面质量 0 0 4 5 4 - 5 士1 0 表面光洁无缺陷 包装质量鑫磊胖赢瓣蜘、珊氢 1 3 中厚板轧制过程控制技术的发展 随着中厚板轧机设备的发展，相应的中厚板生产工艺技术也得到了很大的发 展。特别是在上世纪七八十年代以后，在轧机设备发展到一定水平后，人们将注 意力更多地投向中厚板生产工艺技术的发展。 答圳撇一：群 苻p 耋兰查主罂主兰竺墓毫：笪黧 1 3 i 厚度控制技术的发展 由于中厚板轧制过程的特点是轧件长度短，道次阃有间隙时间，对钢板头尾 部分的厚度公差要求严格【4 ，5 】。 在a g c 系统发展的过程中【1 2 】，经历了进步较大的3 个阶段：液压a g c 的 采用；绝对值a g c 的采用：近置式y 射线测厚仪的监控a o c 或反馈a o c 系统 的应用。图1 2 表示的是采用不同的a g c 系统所得到的不同厚度精度。由图1 2 可见随着a g c 技术的不断进步，中厚板的厚度偏差在逐渐减小。目前，中厚 板的厚度精度最好可达4 0 岫。 e = ： 槭 坚 掣 耻 1 2 - i ，l 2 - ： | - + 驰 _ ， 3 8 0 ；9 5 2 i _- 1 78 5 、 7 9 7 5 5 0 4 0 - 2 5 8 08 28 48 68 89 09 29 49 69 8 短柑 l 一采用液压a g c 2 一采用绝对值a g c 3 一采用帆架闻测厚仪 图l ，2 各种a g c 系统的厚度精度比较 f i g 1 2t h ec o m p a r i s o no f g a u g ep r e c i s i o nb yt h ed i f f e r e n t a g cs y s t e m 1 3 2 平面形状控制和宽度控制 为了减低成本，提高成材率，从7 0 年代开始，一系列平面形状控制和宽度 控制方法【1 2 】逐渐用于中厚板轧制过程。平面形状控制的目的就是控制成品钢板的 矩形化、减少切头、切尾及切边损失。宽度控制的目的是减少切边量。平面形状 控制和宽度控制涉及的主要研究内容有： 中厚板平面形状预测模型的研究 平面形状测量装置的开发 立辊轧边机的有效利用 6 柏的驰加。 东北大学硕士学位论文1 绪论 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - 轧制前板坯的加工技术 平面形状控制技术的开发 当前已经开发出许多平面形状控制手段，如m a s 轧制法、狗骨轧制法( d b r 法) 、滓边展宽轧制法、立辊轧边法等。 目前采用近置式轧边机进行自动宽度控制的方法也得到应用。采用近置式轧 边机后使得板宽控制与板厚控制一样，具有绝对值a w c 和前馈a w c 功能。根 据日本新日铁大分厚板厂的资料，其板宽控制精度在采用了液压a w c 控制系统 后，其头尾有效板宽的偏差为l 盯= 1 0 3 8 r a m 。我国舞阳钢铁公司厚板开发出相应 的咬边返回轧制法和留尾轧制法对改变轧件形状，提高成材率也有明显效果。 图l _ 3 反映出中厚板板宽控制精度的发展趋势。 董 摧 豫 g 1 9 7 5 1 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 0 年 圈1 3 中厚板板宽控制精度的发展趋势 f i g 1 3 t h ed e v e l o p i n gt r e n do f p l a t ew i d t h c o n t r o ! p r e c i s i o n 1 3 3 板形板凸度控嚣替 钢板凸度和平直度是评价钢板质量的重要指标。在厚板轧制过程中，钢板凸 度及板形与压下规程、工作辊原始凸度、热凸度等有关。板形控制主要从工艺手 段和设备结构上进行考虑。较为先进的中厚板轧制板形板凸度控制手段主要有： 液压弯辊技术、轧辊横移技术、c v c 技术、轧辊变形技术和p c 轧机。表1 5 列 出了世界部分先进厚扳轧机的板形控制设备。 7 东北大擘硕士学位论文 l 绪论 表l _ 5 世界先进厚扳轧机的扳形控制设备 t a b l e1 5t h es h a p ec o n t r o le q u i p m e n t so f a d v a n c e dp l a t em i l l si nt h ew o r l d 目前我国中厚板轧机装备水平普遍比较落后，不具有板形控制设备。所以针 对国内中厚板轧机的板形控制手段主要是通过工艺手段进行板形板凸度控制，主 要包括合理安排轧制计划、辊型优化设计和调整轧制规程等。 1 3 4 轧制过程数学模型和算法的发展 s l , 甫m j 过程涉及众多数学模型，如轧制力模型、轧制力矩模型、温度模型等等， 每个模型的建立部是通过一系列简化与近似建立起来。 数学模型的发展与计算机计算能力的发展密不可分。早期过程计算机的计算 能力比较弱，轧制过程数学模型大多是简化公式和表格【i ”。而且数据的采集和处 理很麻烦，这些限制对轧制过程数学模型的设定精度影响很大。 随着计算机的能力迅速发展和价格的下降，$ l n 过程数学模型的形式和精度 有了质的飞跃，其结构性、合理性以及精度上比以前有了很大提高，而且能完成 大量的数值计算。 数学模型的结构性、合理性以及精度虽然有了很大提高，但是现场条件的不 断变化，降低了数学模型的设定精度，为了提高轧制过程数学模型的设定精度， 自学习过程被引入到在线设定。自学习就是通过收集轧制过程实测信息对数学模 型中的系数进行在线修正，使之能自动跟踪轧制过程状态的变化，从而减少计算 值与实际值之间的偏差。 层别的划分也是提高轧制过程数学模型的一个有效方法，但是它必须与自学 习方法进行结合才能发挥出相应的效果。因为轧制过程数学模型一般都是非线性 模型，其计算精度取决于数学模型的非线性拟合程度。采用层别划分在某种意义 上降低了模型的非线性程度，所以可以大幅度提高数学模型的计算精度。 另一方面随着社会发展、技术进步，人们对产品质量提出更高的要求。而经 东北走学硕士学位论文 1 绪论 典轧制理论在一定程度上无法适应新的要求。因此，以有限元等数值模拟技术为 代表的新轧制理论与方法应运而生。 1 4 本文研究内容 针对国内中厚板轧机轧制过程控制模型系统还处于初级阶段的现状，结合国 内某中板厂四辊轧机h a g c 、控轧控冷工程项目，对中厚板轧机的辊型进行优化 设计以及提出轧制规程的优化方法。主要内容如下： 1 ) 运用影响函数法分析四辊轧机辊系弹性变形，改进承载辊缝凸度计算模 型。分析现场情况下的轧辊热凸度和轧辊磨损凸度，分别给出相应的在 线计算模型。改进中厚扳出口凸度在线汁算模型。 2 ) 分析不同变形条件对轧机横向刚度的影响，建立四辊轧机横向刚度模型， 确立最佳辊型曲线形式，在此基础上对中厚板四辊轧机的轧辊进行辊型 曲线优化设计。 3 ) 分析不同轧制规程制定方法的特点，针对现场实际条件，采用负荷协凋 法制定轧制规程，提出轧制舰程的动态调整方法。 9 2 中厚板出口凸度模型研究 板凸度控制是轧制过程控制的一项重要任务，它不仅直接影响轧件的最终板 形，而且还直接关系着成品成材率。目前的连轧系统都配备有完善的板凸度控制 手段，国外许多中厚板厂家也非常重视轧件的凸度控制，为此发展了比较完善的 板凸度计算模型。中厚板板凸度控制离不开高精度的板凸度计算模型，基于这种 情况，本文对在中厚板线板凸度计算模型进行了研究。 2 1 在线板凸度预测模型的确立 板凸度计算模型有很多种，但为了满足工程在线控制的需要，板凸度模型必 须结构简单，物理意义明i 晰，而且能够保证计算精度。通过理论汁算和实践应用 轧件的出口侧板凸度一般可以用下式表示 旧1 ： c = k ，- f + k 口凡+ k 州c ，+ n t ( 2 1 ) 式中：c l l 一轧件出1 2 1 凸度，m m ； k f 一轧机横向刚度，m m ： ，一轧制力，k n ： k b 一弯辊系数； 凡一弯辊力，k n ； k ，k 。一工作辊和支撑辊的凸度影响系数： q ，g 一工作辊和支撑辊凸度，i n l n a 由于目前国内中厚板轧机一般不具有弯辊设备，所以式( 2 1 ) 可简化为： c = 足，f + 足0 - c ，+ 足d c 6 ( 2 2 ) 但是式( 2 2 ) 未考虑入1 ：3 板凸度的存在造成宽度方向延伸率的差异，可将 式( 2 2 ) 进行如下处理： c = 砟f + 艮c 。+ k a , c 。“( 鲁一导) 。， 1 0 东北大学硕士学位论文 2 中厚板l j 凸度模型研究 式中：c 。一轧件入口凸度，r 洫 口一出入口比例凸度差异对轧件凸度的影向系数。 将式( 2 2 ) 右边看成是有载辊缝凸度，即承载辊缝凸度c 。 c o = k f f4 - k 。c 。4 - k n c h 则有： c 咆叫鲁一鲁) - w 们j 东北大学硕士学位论文2 中厚板“1 u 凸艘模型研究 2 3 2 轧辊热凸度计算 中厚扳轧制中，工作辊因轴向不均匀热膨胀引起的辊型尺寸变化明显，并在 轧制过程中随着轧制状态发生变化，是钢板板形的主要干扰因素之一。实测表明， 中厚板轧制中因轧辊( 工作辊和支撑辊) 热膨胀引起的辊型变化可达到0 1 0 3 r a m ，这对轧机承载辊缝形状有显著的影响。无论进行辊型设计还是兼顾板形 的压下负荷分配，都需要精确地预测工作辊在轧制过程中的膨胀量。 轧辊温度分布的研究主要在于精确理论计算方法研究和在线工程应用模型 的研究。轧辊温度的计算方法有解析法、有限差分法和有限元法。由于实际轧制 中轧辊边界条件相当复杂，对于现场要想用解析方法求精确解更是不大可能；而 有限元法虽然计算精度高，但计算时间长，要求的计算机存储容量大，也很难满 足现场的设备条件和实时预测控制的要求。所以，大量研究工作的重点都放在有 限差分法上，现场主要也是使用这种算法【1 7 1 0 现场轧辊的热交换极其复杂，包括轧件向轧辊传导热量，轧件与轧辊相对运 动产生摩擦热，轧辊与空气、集管冷却水、挡水板积水的热交换等。所有这些边 界条件的处理，构成了轧糍热凸度汁算的难点。本文着煎于建立一种可投入中厚 板精轧过程实时控制的温度场计算模型，建立了一个二维的半经验的工作辊热辊 型计算模型。 2 3 2 1 工作辊的热交换与热传导 在计算轧辊温度场时，轧辊边界条件按周期变化。轧制过程中随着轧辊旋转 轧辊表面反复受热和冷却【1 7 】。影响轧辊温度场的因素包括下述两方面。 流入工作辊的热量： ( 1 ) 高温轧件接触传热及热辐射； ( 2 ) 轧件塑性变形功转化的热量： 轧件与工作辊的摩擦生热： ( 4 ) 工作辊轴承发热向工作辊的热传导； ( 5 ) 工作辊与支撑辊的摩擦生热。 流出工作辊热量： ( 1 ) 轧辊冷却水从工作辊表面带走的热量； ( 2 1 通过接触传至支撑辊的热量； ( 3 ) 传到辊颈的热量及辊面向空间辐射热量。 2 1 东北大学硕士学位论文2 中厚扳u 凸度模型研究 以上几种形式的热交换涉及的因素很多，精确定量地描述十分困难，但他们 最终结果都表现为使轧辊温度场发生改变。在保证计算最终结果能达到模型控制 精度要求的前提下合理地简化计算过程符合实际生产的需要。 2 3 2 。2 湿度场模型简化 中厚板轧制过程中，工作辊温度场主要经历两个周期性变化： ( a )工作辊整体地加热和冷却过程，当轧钢时，工作辊整体温度升高，在 间隙时f g j 内，工作辊整体温度下降。 ( b ) 工作辊转动一周过程中工作辊与高温轧件接触，辊面温度迅速上升， 轧辊面罩经过冷却水冷却，温度下降。 大量地研究和试验表明，由于轧制过程中工作辊高速转动温度场的波动仅 发生在轧辊极溥地袭层上，而在任一截面的圆周方向几乎没有温度波动。将轧辊 沿宽度方向分割成s 片，取某个小片作为研究对豫。热膨胀的计算的关键就是计 算轧辊每片的温度场。假设在一个小片内轧辊的温度是均匀的。则轧辊与辊身水 之问存在下式： t ( i ，f + ，) = t ( i ，t ) + c ( 7 1 ( f + i ，t ) - 2 t ( i ，t ) + t ( i l ，f ) ) + r ( l 。，一t ( i ，) ) ( 2 3 4 ) 式中：t ( j ，t ) 一第i 片在时刻t 时的温度： r ( i ，+ a t ) 一第i 片在时刻f + f 时的温度： t ( i + l ，) 一第i + l 片在时刻t 时的温度； t ( i 一1 ，f ) 一第i - l 片在时刻t 时的温度； i 。，一辊身水温度； c 一热传导系数； r 一轧辊与辊身水之间的热交换系数。 轧辊与轧件之间有下式存在： r ( i , t + a t ) = t ( i , t ) + 垃等等掣 ( 2 3 5 ) 式中：r ( f ，) 一第i 片在时刻t 时的温度； 耋i l 苎童塑圭童釜笙圭! 妻星堡坠呈些暨堡墨2 銮 t ( i ，f + f ) 一第i 片在时刻t + 出时的温度： 一轧件长度； 口r c 一接触弧长： 了k 一轧辊渐进温度： 一轧辊角速度； 尺一轧辊半径； 6 一小片宽度： t 。一时间系数； 口( ) ( f ) 一换热系数。 由上式可以计算轧辊的表面温度。 2 3 2 3 模型计算结果 | ：b 式( 2 3 4 ) 和( 2 3 5 ) 计算得到轧辊表面温度后根据备l 取元与端点单元 的温度差来计算轧辊热凸度，工作辊第f 片在，时刻的热凸艘为i ”i ： d = 卢d 。仃( f ，) 一t ( s ，) ) ( 2 3 6 ) 式中：巩一工作辊直径； 口一热膨胀系数； t ( n , n ) 一辊端部温度。 根据离线模拟计算结果得到图2 4 ： 耋些垄茎罂主兰兰耋矗：主2 篓省量些警堡茎：i 耋 o l 8 岳 兽 节 墅 三 墨 & e i - - 2 4 小结 、 ，t e r_ l p e r a t u r ed i 。怕r e r t c赔、 一 l i 剖 ：o a n s i o n f ，。 l a a a j i i a a a a jb a & j i , l a & a l h 、? 、厂 k j ， a x i so fw o r kr o l l m 图2 41 - 作辊表恧温度及热凸度曲线 f i g 2 4c u r v e so f s u r f a c et e m p e r a t u r ea n de x p a n s i o no f w o r kr o l 运用影响函数法分析了四辊轧机辊系弹性变形，简化了四辊中厚扳轧机在线 轧件出口凸度计算模型。对模型中的轧辊承载辊缝凸度，轧辊磨损凸度，热膨胀 等进行了分析和研究，并分别采用了适合于在线应用的计算模型。 ee，uo葫cmox 东北太学硕士学位论文3 中厚板 峨f 晰向刚度模型的建立及辊型优化 3 中厚板轧机横向刚度模型的建立及 辊型优化 3 1 轧机横向刚度模型的建立 轧机的横向刚度是决定轧件横向厚度分布的重要因素，然而国内对中厚板轧 机横向刚度的研究较少5 “。一般来说，横向刚度与纵向刚度之间的关系反映了板 形板厚之问的耦合关系如果存在弯辊系统，则可以利用该横向刚度模型进行解 藕控制。横向刚度也是进行板形控制的主要参数改变轧制压力控制钢板凸度值 的定量关系就是通过横向刚度计算的。同时，轧机横向剐度模型的建立为轧机辊 型优化设计提供了依掘。 基于以上情况，本文通过自行开发的中厚扳凸度模拟计算软件，分析轧辊受 力变形情况利用影l 卿函数法研究了轧机参数对轧机横向刚度的影响，并建立了 横向刚度的计算模型。 按横向刚度定义，当轧件出口凸度产生单位变化时所需轧制力的增量： 耻g ( 3 1 ) 式中：p 一轧制力增量： c 。一出口凸度增量。 3 1 1 轧机横向刚度的计算 四辊轧机横向刚度的大小受支撑辊直径、工作辊直径、支撑辊凸度、工作辊 凸度以及轧件宽度的影响。在以上各个参数确定的情况下，改变每次计算时的压 下量，则可计算得到不同轧制力下的轧件出口凸度。根据式( 3 1 ) 可回归出该 套参数下的横向刚度。其计算流程图3 1 所示： 圭些垄兰丝圭兰竺尘耋 ：主堡垫：皇堂鱼型垒堡型竺塞圭垒! 曼型垡些 厂百未打 堕竺! 堡 二二 i 甏勰搿絮l | 土一l 也! 竺竺竺l i 秘 、。 翻 j 已- 一 i f 倬特蛾辅l1 由 l 刳3 i 横向刚度汁傩流w 蚓 f i g 3 1f l o wc h a r to f c a l c u l a t i o no f h o r i z o n t a ls t i f f n e s s 计算过程中所用参数如表3 1 所示。 表3 1 计算初始参数 名称 支撑辊半径 工作辊半径 支撑辊长度 工作辊凸度 支撑辊凸度 代号，单位参数大小或范i f ；】 d m m d 。r a m 厶，m m c b m m o r a m 7 3 口0 8 0 3 6 5 3 9 0 2 4 0 0 0 3 o 3 0 2 加6 压下螺丝中心距厶m m 3 4 3 0 3 1 2 横向刚度计算结果分析 以下各图是对不同轧机参数下横向刚度计算结果的分析。 虽 东北大学硕士学往论文3 中厚板轧机横向刚度模型的建立及辊型优化 3 1 2 1 支撑辊半径对横向刚度的影响 l 茎| 3 2 支撑辊i i 争对轧目l 横向日1 赝的彤l 啊 f i g 3 2i n f l u e n c eo fr a d i u so fb a c k u pr o l lo nh o r i z o n t a ls t i f f h e s s 如图3 t 2 所示，随着支撑辊半径的增大，轧机横向刚度近似呈线性增加。支 撵辊直径从7 3 0 m m 增加到7 8 0 9 u n 时，轧机横向刚度增加了3 2 5 5 1 0 ( n m m 。 这足由于支撑辊半径增大，则使其产生单位挠曲的力越大，从而提高丁轧机横向 刚度。 3 1 2 2 - 1 - 作辊半径对横向刚度的影响 8 06 5 7 07 j7 47 b7 i8 06 28 , 48 , 01 1 8 d r o “n ( a ) 图3 3 工作辊半径对轧机横向刚度的影响 f i g 3 3i n f l u e n c eo f r a d i u so f w o r kr o l lo nh o r i z o n t a ls t i f f n e s s 如图3 3 所示，随着工作辊半径增大，轧机横向刚度基本呈线性增加。工作 东北大学硕士学位论文3 中厚板轧机横向刚度模型的建立及辊型优化 辊半径从3 6 5 m m 变化到3 9 0 m m 时，轧机横向刚度增加了3 4 2 2 1 0 6 n m m 。这 是因为工作辊半径增加，则在相同轧制力下的挠曲变形越小，轧机横向刚度越大。 而其线性度不如支撑辊直径的影响这是由于工作辊的作用力直接作用于轧件上 的缘故。 3 1 2 3 支撑辊凸度对横向刚度的影响 ( a ) 幽3 ：4 支撑辊凸皮对轧机横向月1 度的影响 f i g 3 4i n f l u e n c eo fr a d i u