（机械电子工程专业论文）六辊可逆冷轧辊系参数优化研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 冷轧钢板具有表面质量好、尺寸精度高和良好的机械工艺性能等优点，被广 泛应用于国民经济各部门。随着我国新兴工业化道路的提出和发展，冷轧板的使 用也会越来越广泛，同时，经济的发展对钢铁工业的进步也提出了越来越高的要 求，节能降耗、高强度、高表面质量等要求也促进了世界范围内轧钢技术、轧钢 设备和控制技术的革新进步。 轧制工艺参数及轧机辊系参数是轧机设计过程中非常重要的参数，其取值直 接影响到轧机的设备能力、轧件最小可轧厚度、轧机纵向刚度和横向刚度等指标， 并最终影响到产品的产量和质量。目前，轧制工艺制度的制订和轧机辊系结构参 数的选取在很多情况下，仍然是依据国外的现有数据完成的，今后新上和改造的 项目应该不能都依赖国外，而要逐步使之国产化。如若这些改造项目均由国内厂 家自行来完成，其带来的经济效益将是相当可观的。 本论文来源于某公司( 甲方) 和重庆大学( 乙方) 签署的实际科研项目。针对攀钢 1 4 5 0 n 吼六辊可逆冷轧机生产工艺的特点，依据轧机设计机理及轧制工艺理论，建 立了可逆冷轧机轧制规程、张力制度以及速度制度的数学模型，并编制了相应的 计算软件，方便了设计人员快速准确地制订出工艺制度；为了更准确地计算出辊 系的弹性变形，本文利用弹性基础梁理论中比较完善的本城模型建立了六辊可逆 冷轧机辊系弹性变形的数学模型，并编制了计算软件；最后利用约束最优化理论 中的复合形法对六辊可逆冷轧机辊系参数进行了优化设计，在优化过程中，本文 综合运用了弹塑性理论、数值计算、优化设计、软件工程等基本理论，优化出的 结果与实际情况比较吻合，且在辊系刚度、辊系重量、轧制能耗等指标上优于实 际值，表明了该设计方法的合理性和准确性，从而为轧机辊系设计的国产化提供 了理论和技术上的支持。 关键词：六辊可逆冷轧，轧制工艺，辊系参数，优化设计 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t c o l dr o l l e ds t e e ls h e e th a s9 0 0 d 姗晌c eq u a l i 劬h i 曲a c c u r a c ya 1 1 dg o o d p e r f 0 n i l a l l c ei i lm e c h a l l i c a lp r o c e s s ，e t c ，a 1 1 di sw j d e l yu s e di i lv a r i o u sd e p a r 畹e i l t so f t 1 1 en a t i o n a le c o n o m y w i t hn l ep r o p o s e da n dd e v e l o p m e n to fm en e wi i l d u s t r i a lr 0 她 n l eu s eo fc o l dr o l l e ds h e e tw i l lb em o r e 锄dm o r e 谢d e l y a tm es 锄et i m e ，t l l e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i ch 鹊i n c r e a s i n g l yh i 曲r e q u i r e m e n t st 0t h ei r o na n ds t e e l 协d i i s t 移s a v i n ge n e 礓莎h i g hi i l t e n s 吼h i g hs u r f a c eq u a l i 哆r e q 嘶m 髓t sh a v ep r o m o t e d r 0 1 1 _ i i 培t c c l l i l o l o g y ，r o l l i r 培m i l le q u i p m e n t 锄dt e c h n o l o g i c a l 劬o v a t i o no f 廿1 ec o n 坷0 1 r 0 1 1 i i l gp r o c e s sp a r a m e t e r s 觚dm er 0 1 1 e r sp a r a m e t e r 盯et w ov e d ri r i l p o r t a n t p a r a m e t e r s ，n l e i r sv a l u ed i r c c t l ya f 梵c t 吐l ea _ b 主l i 锣o fr o l l i n gm i l le q u i p m e n t ，m i n i m u m 廿1 i c 虹e s si i lc o l dr 0 1 1 i n g ，l o n g i t u d i n a ls t i 伍l e s s 觚d 仃锄s v e r s es t i 伍l e s s ，肌da 髓c t l e q u a n t i 锣觚dq l l a l i 够o fp r o d u c t se v 咖1 l y a tp r e s e m ，m ep r o c e s so fr o l l i i l gm i l l s y s t e ma i l dm es n 弧加r a lp a r a m e t i 昌r so fm er 0 1 l e r si i lm a i l yc a s e s ，s t i l la r eb a s e d0 n e x i s t m gd a 协c o n l p i e t e da b r o a d h l 廿l ef i m 船a i l dn l et r a n s f 0 m a t i o no fm en e wp r o j e c t s s h o u l dn o tr e l y0 nf o r e i 朗c o u l l 州e s ，肌dt 0 伊a d 吼1 l ym a k ei tc h i l l a i fm e s ep r o j e c t s 袱鹏m o d i f i e dt 0a c c o m p l i s h0 ni t so w nd o m e s t i cm a n u 岔c t u l e r s ，a i l di t se c o n o m i c b e n e 蜀t sw i l lb ec o n s i d e r a b l e 1 1 1 i sp 印e ro r i g i n a t e df b m p r a c t i c a le n g i n e 丽n gp r q e c t ，w h i c hi ss i g n e db e t w e e n s o m ec o m p a l l ya i l dc h o n g q i n gu n i v e r s i 够ni sb a s e do n1 4 5 0 m mr e v e r s i n g6 - hc o l d r o l l i n gm i l lo fp a l ls t e e l a c c o r d 证gt om ed e s i 盟o ft h em e c h a n i s m 锄dt 1 1 er o l l i n gm i l l p r o c e s s 吐l e o r y ，n l i sp 印e re s 切b l i s h e sm em a t l l e m a t i c a lm o d e l o f 廿l er 0 1 1 i n gt e c l 1 0 1 0 黟 b e s i d e s ，t 1 1 ep r 印a r a t i o no fm ec o r r e s p o n d i n gs o 脚a r ea r ev e 巧c o n v e n i e n tf o r d e s i 弘e r sq u i c l ( 1 ya n da c c u r a t e l yt 0d e v e l o pt l i et e c h n o l o g ys y 呶l m s h io r d e rt 0 c a l c u i a t em ee l a s t i cd e f 0 r m a t i o no ft l l er o l l e r sm o r ea c c m t e l y ，m ep a p e rp r o 伊a m s c o r r e s p o n d i n gs o f h v a r eb a s e do n 廿l eh 0 n - s a im o d e lw h i c hi sc o r n p a r a t i v e l yp e r f e c ti l l m ee l a s t i cf o u l l d a t i o nb e 锄t 1 1 e o f i n a l l y 廿1 e c o m p l e xm e t h o d i l lc o n s t r a i n e d o 衅i m i z a t i o nm e o 巧i su s e dt 0c o n l p l e t e 廿1 e0 p t i m i z a t i o nd e s i g n h 1t l l ep r o c e s so f 也e 叩t i m i z a t i o n ， 也e e l a s t i c 巾1 硎c 也e o n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ， 0 p t i l l l u md e s i 乳 s o f t 、a r ee n g i i l e e r i 芏l g ，s u c ha sb a s i ct l l e o d ra r eu s e d t h er e s u l t sc o n f o 咖t 0r e a l i 劬锄d a r eb e t t e rm a n m er e a l 时i 1 1r o ns t i 丑- n e s s ，r 0 1 1w e i g h ta n dr o l l i i l ge 1 1 e r g yc o n s 姗p t i o n i t m d i c a t e sm a tt 1 1 ed e s i g nm e m o di sr e a s 0 n a b l ea i l da c c u r a t e ，w h i c hw i l lp r 0 v i d ea 也e o r e t i c a la i l dt e c h n i c a ls u p p 嘣t 0t l l ed e s i g no f m er o l l e r s 。 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 k e y w o r d s ：r e v e r s i n g6 - hc o l dr o l l i n g ，r 0 l l i n gp r o c e s s ，r 0 l l sp a r a m e t e r o p t i m i z a l i o n d e s i g n m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的三耻士学位论文主绍弓毫：墟纽毖耄冬运砭 丛丕军夤 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知j 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己经发表 学位论文作者签名： 飙趴 导师签名：立多砀 签字日期砩事6 月垌 签字日期：1 。掣 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程) ，愿意将本人的填士学位论文三髯番；堇奠蠢雠 耋掐躯鳓提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 作者签名：烟锄作者签名：1 孝韬霪靴 导师签名：三身勘导师签名：苎塑塑 硼年舌月p 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一目。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 l绪论 1 1 冷轧板带钢发展现状 冷轧钢板作为一种高附加值环保产品，具有表面质量好、尺寸精度高和良好 的机械工艺性能等优点，被广泛应用于国民经济各部门，可以说是国民经济必不 可少的支柱之一。随着经济的迅速发展，世界范围内粗钢产量不断增加，据国际 钢铁协会公布的数据显示，2 0 0 8 年全球粗钢产量已经达到1 3 3 亿吨【1 1 。改革开放 以来，随着我国产业结构的不断调整，中国的钢铁工业也得到了长足发展，1 9 7 8 年实行改革开放时钢产量仅为3 0 0 0 万吨，1 9 9 6 年我国钢产量首次突破l 亿吨大关， 2 0 0 3 年、2 0 0 5 年、2 0 0 6 年分别踏上了2 亿吨、3 亿吨、4 亿吨的台阶，2 0 0 8 年更 是突破5 亿吨，达到5 0 0 4 8 8 0 万吨【2 】。2 0 0 7 年由美国世界钢动态公司评选的2 3 家 “世界级钢铁公司 名单中，我国有6 家钢铁企业名列其中，包括宝钢公司、鞍 本钢铁公司、马鞍山钢铁公司、沙钢公司、武汉钢铁公司、台湾中钢公司。2 0 世 纪9 0 年代以来，中国钢铁工业的高速发展震惊了世界钢铁界。图1 1 为中国近年 来的钢铁产量及增长示意图。 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 ，、4 0 0 0 0 营 仅 o 3 0 0 0 0 棚 釜2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 年2 0 0 8 年 图1 1 中国钢产量及增长率( ) 飚1 1s t e e lo u t p u ta i l dg r o 叭hr a t e 证西缸a 中国是钢铁大国，但非钢铁强国。产品结构不合理，高附加值、高技术含量 板材、管材生产供应不足，低技术含量、 板材中的高档汽车用板、家电用镀锌板、 低附加值的长材生产能力过剩，特别是 彩涂板、冷轧薄板等，国内产能不足， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 需要从国外进口。表1 1 为我国近年来冷轧板进出口情况表【1 1 】： 表1 1 我国近年来冷轧板进出口情况：万吨 1 a b l e1 1 i m p 叽a n de x p o r ts i t u a t i o no f c o l dr 0 1 l e ds t r i pi i lc h i i l ar e c e n t l y ：1 0 0 0 0 t 我国的冷轧板生产存在的不足主要表现在以下几个方面【3 】： 生产能力不足：冷轧产品和热轧产品相比比例偏低。美、日、德3 个钢铁 强国有7 0 以上的热轧板深加工成各种冷轧板材，而我国热轧板材转换率仅为5 0 左右； 品种、规格不全：国内生产板厚1 0 删以上的占多数，0 5n h n 以下的薄 板比例小，在品种结构方面，普碳钢比例过高，优碳、深冲系列和专用钢比例偏 低； 装备水平高的轧机不够多； 产品质量有待提高：板形、表面、尺寸公差及性能与世界一流产品相比还有 差距： 产品加工的伸长率低。 1 2 可逆式冷轧机概述及发展前景 带钢冷轧机是与轧机结构、工艺过程以及电气控制系统各因素相互间紧密联 系着的，其轧制速度、机架刚度、轧辊辊缝、轧辊原始辊型、压下量以及张力的 分配等都是调整和应详尽计算的主要参数。这些参数的性质及其相互间联系的紧 密程度就决定了轧机的生产能力和产品质量。 在冷连轧机中，只改变一个机架的压下量或者稍微改变两相邻机架的速度比， 不仅仅会使两个相邻机架间带钢张力发生变化，同时也使带钢厚度发生变化，甚 至使带钢断带，使轧制不能正常进行。因此冷连轧机的工艺计算和控制要求就比 较精确，轧机的调整也比较复杂和困难。而可逆式冷轧机具有生产灵活性大、投 2 重庆大学硕士学位论文1绪论 资少、轧制品种多等优点，它可以根据具体生产情况调节各道次的轧制速度和压 下量，能够选择最有利的轧制条件与电机能力相配合，且在轧制合金钢、高强钢、 不锈钢、高硅电工钢方面比冷轧机更具有优越性。在轧机机型方面，已经有4 辊、 c v c 6 h s 、h c m 、u c m w 、h c w 、u c 2 、u c 3 、8 辊、1 2 辊、2 0 辊以及3 2 辊式 轧机。2 0 世纪9 0 年代以来，全球新建单( 双) 机架可逆式宽带钢冷轧机的台数首次 大大超过新建的连续式宽带钢冷轧机，前者为5 0 套，后者则为2 4 套，使二者数 量比为2 ：1 ，而产量比大致为1 ：2 。美国在新一轮钢铁装备更新中，7 条短流程 连铸连轧生产线配套的都是单( 双) 可逆式宽带钢冷轧机；在欧美一些发达国家冷轧 宽带钢生产已基本饱和，但仍在建设单( 双) 可逆式冷轧机，特别是一些轧制特殊钢 种和规格的可逆式轧机，如c v c 6 h s 六辊可逆式轧机、h c c ) 六辊轧机、2 0 辊 轧机、1 2 辊轧机和z 型( 1 8 辊) 轧机等h o 目前国外的现代化可逆冷轧机一般采用较为先进的a g c 以及较为完善的带钢 凸度及板形控制手段，使产品的质量和尺寸精度有了很大的改善。当前，国外对 冷轧机的研究主要在新的轧机机型和凸度与板型控制手段上。其一是通过改进轧 机结构，使轧辊凸度可调。比如，液压弯辊系统的引进就是通过改变轧辊的弯曲 状态，人为地造成了一个轧辊凸度，以提高板形；其二是开发新的轧机机型，比 如近些年出现的h c 轧机、c v c 轧机、p c 轧机、n 口c o 辊、v c 辊、tp 辊等。 这些新型轧机结构的设计意图都与提高带材板凸度和平直度控制能力有关。部分 新型轧机的结构设计还考虑到来料的不规则断面及其它非对称因素的影响。各种 机型的同时并存和相互竞争，一方面表面了板形技术是当前国际上开发研究的前 沿和热点，另一方面也表明现有的板形技术尚未达到成熟稳定的程度。为了轧制 出高质量的冷轧板带钢，选择合适的新型轧机是建厂及改造中的一个重要环节。 随着我国钢铁工业的迅速发展，近年来，我国可逆式冷轧机也取得了长足的 发展。国内也已经有不少单位进行过可逆式冷轧机的研究【3 0 1 。北京钢铁研究总院 已成功开发四辊式和六辊式可逆冷轧机，其中六辊可逆式冷轧机早在上世纪九十 年代初就已定型生产，它可比同类四辊轧机效率高2 0 ，提高成材率1 2 ，降 低能耗1 0 ；中国重型机械研究院( 原西安重型机械研究所) 从7 0 年代开始就进行 液压轧机厚度控制系统( a g c 系统) 的研究分析，其开发成功的四辊液压轧机a g c 系统已成功用于国内几十套窄带轧机上；东北大学轧制技术及连轧自动化国家重 点实验室设计并建成了国内第一台实验用单机架可逆u c 轧机m i v e r s a lc r 0 、m c o n t r o lm i l l ) ，它采用小直径的工作辊，中间辊可以沿轴向移动，同时还配备有中 间辊正负弯辊装置及工作辊正负弯装置。但国内与国外在可逆式冷轧机领域上的 差距还是比较是明显的，国内可逆式冷轧机大多数工艺与装备水平落后，产品表 面质量差，成材率低，因此可逆式冷轧机在现有冷轧机技术改造上有着十分广阔 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的发展前景。 1 3 本文研究意义及主要研究内容 由于近年来钢铁行业的迅速发展，国内钢铁公司的可逆式轧机取得了较大发 展，单机产量也日益提高。但轧制工艺的制订及辊系结构参数的选取在很多情况 下，仍然是依据国外的现有数据完成的。今后新上和改造的项目应该不能都依赖 国外，而要逐步使之国产化。如若这些改造项目均由国内厂家自行来完成，其带 来的经济效益将是相当可观的。 目前国内外有关轧机辊系优化设计的资料基本上都是在已有轧机的情况下进 行的，而对基于确定设备能力的辊系优化设计却很少有资料阐述。而且其中的内 容大都是定性论述，无法直接根据产品工艺大纲直接进行轧辊的优化设计。为了 实现这一目的，我们有必要根据轧机的现代设计方法和理论对轧辊辊系的结构参 数进行定量的优化计算。为了从理论上解决辊系参数的优化设计，本论文将从以 下几个方面进行较深入地理论分析和研究，建立一整套数学模型，并在此基础上 编制相应的计算机软件。 轧制压下制度的制订：该部分是研究工作的开端，轧机压下规程制订的是 否合理直接影响产品的产量和质量。目前主要有以下三种情况：1 ) 压下率逐道次减 小，这种方法是国内外应用最广的方法。2 ) 压下率各道次基本相同，即压下率相等 法，多用于连轧机，可逆式单机架冷轧机无法采用该方法。3 ) 压下率逐道次增大( 一 般均有工艺润滑) 。本论文将采用目前国内外应用最广的第一种情况，并采用翰 负荷分配方法用于优化轧制压下规程，以提高工厂的经济效益。其中，在压下规 程的优化过程中，采用了数值方法中的迭代算法，人工计算时计算量较大，为此， 本论文编制了相应的计算软件以方便设计人员快捷的计算出结果。 轧制速度制度的制订：速度制度是指轧辊随时间变化的规律，它关系到轧 机产量、轧制温度计算、主电机能力等，因此合理选择和确定速度制度是轧制工 艺设计的一项重要内容。本论文是采用梯形速度图来定量分析轧制速度的。具体 研究了轧制周期的计算，道次间隔时间和轧制时间的分配关系，各道次咬入速度 和抛出速度的确定以及各道次轧制速度的计算等。 张力制度的制订：轧制张力是冷轧带钢生产必须要严格控制的重要参数， 它不仅影响轧制工艺条件，影响产品尺寸精度和板形质量，甚至使得整个轧制过 程变的不稳定。关于可逆式轧制张力大小的选取，目前的参考资料非常少，而且 大部分都是定性的分析，本论文根据工厂实际采用的张力大小，建立了相应的数 学模型，同时研究和分析了轧制前后张力在轧制过程中所起的不同作用，为板形 调控手段提供了依据和参考。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 辊系变形计算：轧辊弹性变形理论在板形理论中占据着重要的地位，因为 轧辊的弹性变形直接影响到最终产品的断面形状。只有从本质上充分地研究轧辊 的弹性变形，才能准确地预测一定工艺条件下的轧后断面分布、张应力分布和板 形，才能找出板形随各种扰动因素及控制因素的变化而变化的规律，从而为确定 准确的工艺参数、寻找改善板形的途径、探索控制板形的方法提供可靠的理论依 据。本论文详细介绍了弹性基础梁理论中的本城模型，并建立了相应的数学模型。 辊系参数优化方法的选择：用优化设计方法来改造传统工程设计方法已成 为竟相研究和推广的不可缺少的技术和环节。本论文综合比较了目前常用的几种 优化算法，并详细介绍了约束复合形法的基本思想和优化流程。 辊系参数的优化设计：本论文采用了最优化方法中的复合形法，针对六辊 可逆冷轧机辊系参数进行了优化设计。主要包括设计变量的选取、优化目标函数 的建立以及约束条件的选择等。为了全面评价设计方案，本论文建立了多种目标 函数，进行多目标优化，从中选择最好的设计方案。 软件设计思想及功能介绍：该部分将介绍软件设计的思想以及软件的部分 功能。该软件将运用视窗界面、多界面切换、人机对话、数据输入和编辑、数据 分析表格、图形曲线、动态模拟等形式，将各个数学模型进行可视化的计算机再 现。设计人员可以利用实际经验与理论计算进行合成，找到最佳的设计方案，轻 松、快捷地完成辊系相关主要参数的设计工作和分析出相关参数的内在决定因素。 5 重庆大学硕士学位论文 2 冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 2 冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 2 1 冷轧生产的工艺特点及流程分析 热轧具有塑性好，变形抗力低，改善性能的优点，但在热轧过程中温降的不 均匀会导致钢板厚度不均匀，性能不一致，而且热轧难以生产表面光洁度要求较 高的产品。所有这些问题就可以通过冷轧较好地解决。冷轧与热轧的主要区别在 于变形前轧件没有加热，因而，变形温度远低于再结晶温度。较之熟轧，冷轧板 带生产中的轧制工艺主要有以下几个特点【5 】： 轧制过程中，由于加工温度低，金属加工硬化现象明显：冷轧是在金属的 再结晶温度以下进行的轧制。在冷轧中，金属的晶粒被破碎且不能在加工过程中 产生再结晶回复，导致金属产生加工硬化。且这种加工硬化会随着变形程度的增 加而加剧，从而使变形抗力及轧制压力增大。当加工硬化超过一定程度后，因金 属过于硬脆而不能继续进行轧制。因此，板带钢经一定的冷轧变形后，须经热处 理，使其恢复塑性，降低变形阻力，以利于继续轧制出更薄的轧件。 冷轧是采用工艺润滑与冷却的生产过程：冷轧中采用工艺润滑剂的主要作 用是减小轧制压力、减低轧制能耗、提高轧辊的寿命、改善钢板性能，并使轧机 轧制出更薄的产品。同时，在冷轧过程中，由于轧件变形产生的变形热和由于轧 件和轧辊摩擦产生的摩擦热会使轧件和轧辊温度升高。温度过高，一方面会导致 轧辊淬火层硬度下降，使辊面出现附加的组织应力，另一方面会使工艺润滑剂失 效，使轧制不能正常进行。因此，冷轧过程必须采用工艺冷却。 冷轧中采用张力轧制：所谓张力轧制，就是轧件在轧辊中的变形是在一定 值的前张力和后张力的作用下实现的。采用张力轧制可以使带钢能准确地进入轧 辊和卷取，使轧制过程更为稳定、使所轧制的带钢厚度均匀、表面无折纹、板形 良好，同时采用张力轧制能降低轧制压力，减少能量消耗，从而有助于获得较大 的压下量，以轧制出更薄的产品。 冷轧板带钢的工艺流程和产品的要求紧密相关，随产品的要求不同，工艺流 程也有所不同。冷轧板带钢产品以热轧带钢作为原料，因其表面有氧化铁皮，所 以在冷轧前要把氧化的铁皮清除掉，故酸洗是冷轧生产的第一工序。酸洗后即可 进行轧制，轧制到一定厚度时，由于冷轧加工硬化的影响，必须进行中间退火， 使带钢软化。退火之后的带钢表面是光亮的，所以在进一步的轧制或平整时就不 需酸洗。带钢轧制到产品所需的厚度后，通常进行最终退火，为获得平整光洁的 表面及均匀的厚度尺寸和调节机械性能就要经过平整。带钢在平整后，根据定货 要求进行剪切。 6 重庆大学硕士学位论文2 冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 综上所述，一般用途的冷轧板带钢的生产工序是：酸洗、冷轧、退火、平整、 剪切、检查缺陷、分类分级以及产品包装。其工艺流程如图2 1 所示。 图2 1 冷轧板带钢生产工艺流程 f i g 2 1p 玎。d u c t i o np r o c e s sn o w o f c o l dr o l l e ds t r i p 2 2 冷轧轧制规程数学模型 板带钢轧制压下规程是板带轧制制度最基本的核心内容，直接关系到轧机的 产量和产品的质量。压下规程的中心内容就是要确定由一定的板坯轧制成所要求 的板带的变形制度，亦即要确定所须采用的轧制方法、轧制道次及每道次压下量 的大小，在操作上就是要确定各道次压下螺丝的升降位置( 即轧辊之间辊缝的大 小) 。 2 2 1 轧制规程制订的原则和要求 板带钢轧制制度的确定要求充分发挥设备潜力、提高产量、保证质量，并且 操作方便、设备安全。因此合理的轧制规程设计必须满足下列原则和要求。 在设备允许的条件下尽量提高产量：充分发挥设备潜力，提高产量的的途 径不外是提高压下量、减小轧制道次、确定合理速度规程、缩短轧制周期、减少 换辊时间、提高作业率、合理选择原料、增加坯重等。对可逆式轧机而言主要是 提高压下量以减少轧制道次。但是压下量的提高受许多条件的限制，如：咬入能 力、设备能力( 包括最大轧制力、弯辊力、轧制力矩和电机能力) 等。 在保证操作稳定的条件下提高产量：为保证带钢操作的稳定，要求工作辊 缝成凸形，而且凸形值愈大，操作愈稳定。但这就使轧出的钢板的横向厚差增大， 降低了产品的质量。为保证钢板轧制稳定性的最小板凸度c 可按下式计算： 式中： c = 4 p ( x 2 + b x 2 ) ( 口2 后) 7 ( 2 1 ) 重庆大学硕士学位论文 2冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 x 轧件偏离轧制中心线的距离，m m a 两压下螺丝中心线的距离，m m k 轧机刚性系数( 不包括轧辊) ，n ，m m p 轧制压力，n b 板带宽度，舢 2 2 2 常用的轧制规程负荷分配方法 常用的负荷分配方法可分为三类：一类是经验方法，一类是最优化方法，另 一类就是两者的结合。 经验法 依靠操作者的生产经验，按照带钢材料的强度、来料厚度、成品厚度、带钢 宽度、润滑条件、压下方式等把压下值、张力、冷却量等以数据库的形式存入计 算机，形成标准轧制规范表，作为负荷分配的依据。或由实际生产数据制定能耗 关系，即能量消耗与各道次带钢轧制厚度之间的数量关系，并按带钢钢种和规格 整理成表格形式存储。使用时根据能耗曲线确定总的能耗，再按给定的各道次负 荷分配比例系数确定出各道次带钢轧制厚度。经验法虽然可行，但不能进行自适 应学习，无法随生产过程的变化而动态调整。 最优化方法 最优化法分为单目标优化和多目标优化法。单目标优化法包括比例负荷分配 法及最小能耗分配法，将某一个轧制负荷作为目标函数，寻优确定各道次轧制厚 度。多目标优化法是综合考虑轧制过程中的轧制力、轧制力矩、电机功率、板形 等因素，建立目标函数，在满足多个约束条件下，确定各道次带钢轧制厚度。这种 方法的目标函数和约束条件的结构复杂，在线过程控制的程序不容易实现。 经验法和理论优化方法相结合的方法。基于以上情况，生产中通常采用原 则性与灵活性相结合的方法来处理压下规程问题，这就是： 1 ) 根据原料、产品和设备条件，按前述制订轧制规程的原则和要求，采用理 论或者经验的方法制定出一个原则指导性的初步压下规程，或者只是从保证设备 安全出发，通过计算规定出最大压下率的限制范围，有了这个初步规程或者限制 范围，就基本上保持了原则性和合理性。 2 ) 在实际操作中以此规程或范围为基础，根据当时的实际情况具体灵活掌握， 这样就有了适应具体情况的灵活性。没有一个从实际条件出发并根据科学计算而 定出的原则性规程或范围，就难以合理地充分发挥设备能力；而没有实际操作中 的随机应变，便无法适应生产条件的变化而保证生产的顺利进行。这两方面相辅 相成，体现为原则性和灵活性的结合。 8 重庆大学硕士学位论文2 冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 2 2 3 翰法在轧制规程分配中的应用 k h 法数学模型简介【6 】 压下规程是指轧件在各道次轧制厚度分配，般也常指各道次压下率s ，( ) 的分配或各道次压下系数；( 或称“厚度减缩系数) 的分配。 压下系数。定义为： i = 等，( i = l ，2 ，埘) 1 ( 2 2 ) 式中耳。和耳分别为轧件在轧制前、后的厚度，姗。过去缺少统一的数学模 型来完成这项分配任务，本文推荐用“k h 数学模型 来计算各道次轧后轧件的厚 度。 耳= 老= 而一撕乩2 ，埘 上 【2 3 ) 式中墨册为计算用平均压下系数；胡为压下系数等差数列的公差；n 为轧制 道次数；a ；为道次修正系数，按设备条件和工艺要求等因素选取。 k 聊按下式计算 k 啪= ( 2 4 ) 当口，全部取值为“l 时，此时足h 驴就与常规意义上的平均压下系数 l 厂【r 二 k 肿( k 胛= l 半i ) 等同。此时压下系数的等差数列翰。称“基础数列 。经过不等 l 仃nj 于1 的口，修正，则压下系数基础数列；将由线性数列转变为非线性数列，o 实际中的k 日，数列多为非线性数列。式( 2 3 ) 中勰的取值很重要，它有多种方法取 值，一般取o 0 0 5 o 0 5 ，对于冷轧钢带，也可采用公式( 2 5 ) 胡：型坠二鱼：彗! 刀 ( 2 5 ) 因为冷轧钢带的末道次足胁一般要控制在1 0 5 1 1 8 f ，即相当于s 。= 5 一1 5 矧才能保证冷轧带材的要求。当胡为正值时，如。为递减数列? 当姐为 负值时，则。为递增数列。考虑到式( 2 3 ) 是近似公式，需要对计算用压下系数 数列。进行修正。具体办法很简单，设c 为计算不到位系数”，只要将c 值 9 每一 重庆大学硕士学位论文2 冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 与某道次，相乘，并将乘积作为，的新值即可。这点在计算机程序中是很容 易实现的。取c 值为 盟 c = j 兰l 一 睇- 搴磁工幸睇前 ( 2 6 ) 建议选用，。项将c 值合并进去。一般条件下c 值在1 0 5 左右( 即所计算的 数列翰，的相对误差为5 左右) 。若胡的绝对值控制( 或选用) 在o 0 0 5 一o 0 5 范围 内，则c 值大多在1 0 2 左右( 即相对误差在2 左右) 。 k 日法主要特点 k h 数学模型的主要特点，在于它的灵活性，通过对口，的选取，可以适应压下 规程的多样性或多种需要。实践证明k h 法是可行的，它完全能够结合轧件材质和 具体的设备条件，依据事先选定的口f ，胡和k 卿的取值范围制订出高效压下规程。 另外k h 法运算操作简便，便于工厂推广使用。将k 法用于优化轧制压下规程， 可以提高工厂的经济效益。 2 3 冷轧张力数学模型的建立 2 3 1 张力的产生 轧制张力在单机生产的轧机上是通过卷取机构( 如卷取机、打卷机、拉盘) 和开 卷机构( 或卡塞压板) 与轧机的速度差( 流量差) 产生的，概括地说张力是线速度差造 成的拉力。具体对卷取机来说，是该卷取机线速度大于工作辊线速度而造成的拉 力称为前张力，即卷取机电机处于电动状态。而对开卷状态的卷取机，是卷取机 电动机处于发电状态运转，即卷取机固有的线速度方向与工作辊线速度方向相反 而产生的拉力称为后张力。存在张力的轧制过程称为张力轧制，张力轧制是冷轧 工艺生产的一个重要特点。当轧机在高速轧制时，因某种原因而断带时，注意观 察各卷取机的动态可知，做卷取机的卷筒，仍按原方向加速飞快旋转，而做开卷 机的卷筒，则改变原来的方向，向相反方向加速运转，表现出了它固有的旋转方 向。 2 3 2 张力的作用 众所周知，轧制带钢尤其是较薄带钢，当其被轧辊咬入，而带钢采用无张力 轧制时，带钢在轧制过程中会左右窜动，处于不稳定状态。而一旦采用张力轧制， 则带钢不仅在轧制过程中比较平稳，同时轧后的板形也较理想。可见张力轧制相 比于无张力轧制有很多优点，具体表现在以下几个方面： 张力轧制可以使所轧制的带钢厚度更为均匀、板形更为良好； 采用张力轧制可以避免带钢在轧制过程中的左右窜动，使轧制过程更稳 l o 重庆大学硕士学位论文2 冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 定； 采用张力轧制可以有效地降低轧制压力，减少能量消耗，从而有助于获得 较大的压下量，轧制出更薄的轧件； 张力轧制可以使带钢能准确地进入轧辊和卷取，并卷取均匀，保证带钢的 平直度要求； 允许高速轧制，有利提高轧机生产率，提高轧机工作的可靠性。 张力轧制在轧制过程中之所以能起到如此重要的作用，主要是因为前后张力 改变了带钢轧制时在轧辊变形区内的受力状态【2 4 】。在塑性变形过程中，金属材料 的实际变形抗力要受应力状态的影响，用相同材料在相同模具上进行挤压和拉拔 实验，其变形抗力前者远比后者大，这是由于挤压时材料处于三向压应力状态， 而拉拔时材料处于二压一拉的应力状态所致。般情况下，三向压应力状态使变 形抗力提高。未加张力之前，变形区内的单元呈三向压应力状态，( 如图2 2 b 所示) ， 施加张力之后，成为两向压应力，一向拉应力( 如图2 2 a 所示) ，从而降低了轧件的 变形抗力，更有利于带钢变形。 i ( a ) 图2 2 张力对应力状态的影响 f i g 2 2h i f l u 锄c eo fs 吮s ss t a t e 城d e r 璩t e i l s i o n 由于带钢在轧制过程中受带钢本身加工硬化程度的影响，前张力与后张力在 轧制过程中起着不同的作用网。 前张力在轧制过程中的主要作用是： 减少带钢在轧制过程中的平均单位压力； 改变轧制变形区单元的应力状态，使带钢更易拉伸变形，以轧制出更薄的 产品； 有助于带钢平稳地咬入轧辊，并且前张力消除“浪形的作用较后张力明 显： 重庆大学硕士学位论文2 冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 前张力作为驱动力，当后张力一定时，增加前张力，能减小轧制力矩； 增加机械的制动消耗。 后张力的主要作用是： 后张力对减少单位压力的效果较前张力更为明显； 加大后张力更能使带钢变薄。这是因为冷轧时后滑区大于前滑区，后滑区 张力对轧件变形影响较大，同时后滑区内的带钢的加工硬化程度较小； 不利于带钢咬入轧辊； 后张力大于前张力时，对轧制力矩会有一定量的增加； 增加启动时的能量消耗。 在生产过程中是采用前张力大于后张力或者后张力大于前张力要根据轧机的 具体条件、轧制的钢种、牌号及规格而定。计算及实验表明后张力对减小轧制压 力的效果较前张力更为明显。采用后张力大于前张力的轧制办法可以更有效地降 低轧制力。 图2 3 前后张力对轧制力的影响曲线 f i g 2 3h l f l u 朗c ec u r v eo fr o l l i i 培f o r c eu n d c r 五啪t - b a c kt 髓s i o n 图2 3 的计算条件为工作辊直径：4 2 5 m m ；轧件入口厚度：5 i 锄；轧件出口厚 度：3 8 5 n u n ：轧件宽度：1 6 0 0 m m ；材料屈服极限：5 9 0 m p a ；摩擦系数：0 0 5 ； 轧件弹性模量：2 1 0 0 0 0 m p a ；轧件泊松比：0 3 。由图2 - 3 所示，当前后张应力分别 达到2 0 0 m p a 时，前张力可降低轧制压力l o 左右，而后张力可以达到2 1 。 目前小型冷轧带钢生产大多采用前张力大干后张力的方案。这主要是从带钢 的平直度考虑，实践证明，前张力消除“浪形的作用较后张力明显。只有在选 择合适的前张力以保证带钢平直度要求的前提下，方可考虑增加后张力以达到降 1 2 重庆大学硕士学位论文2 冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 低轧制压力的目的。同时，采用前张力大于后张力还有助于轧制过程的正常进行， 并可防止“打滑 和擦伤。因此，一般对于较厚的带钢，后张力要低于前张力1 0 2 0 。冷轧高强度合金带钢时，容易出现主电机能力不足，后张力小于前张力可以 降低主电机负荷。 2 3 3 张力值的具体选取 在轧制过程中，张力的给定值大小很关键，张力太小，显不出张力的作用， 板形得不到保证，并会出现带钢跑偏现象。大张力对减小轧制压力、控制带钢跑 偏及卷紧带钢有利，但过大的张力会使卷取机构及电机容量增大，增加了设备投 资，还可能使所轧制的带钢宽度变窄甚至使带钢超过塑性变形限度而有拉断的危 险。因此，必须根据实际情况，正确给定张力值。所给定的张力值，一般要求以 不至于使加工硬化的带钢因裂口等而被拉断为原则。实践中张力的选择主要是指 选择单位张应力q ，一般理论值中的单位张应力不超过o 5 os ，通常为( 0 3 0 5 ) os 范围内。亦即： q = ( o 3 o 5 ) 叮。 ( 2 7 ) 实际使用时可能超过这个范围，这主要根据所轧制的具体情况而定。不同的 轧机，不同的轧制道次、不同的品种规格甚至不同的原料条件，要求单位张力与 之相适应。一般对于较厚的带钢或硬、脆性能的带钢及带钢边缘状况较差的带钢 其单位张应力q 应取小值；对于薄带钢或变形较均匀且原料比较理想和工人操作 水平较高时，单位张应力q 可取大值。成品轧机与卷取机之间的单位张应力约为 通常张应力的1 3 ，即 q = ( o 1 o 1 5 ) q ( 2 8 ) 表2 1 列出了带钢张应力和带钢厚度的取值关系，可以作为实际选取张应力的 参考依据。 表2 1 冷轧带钢张应力取值 1 a b l e2 1 ，i h s i l es 仃e s so fc o l dr o l l e ds t r i p 重庆大学硕士学位论文2 冷轧生产工艺参数数学模型建立及轧制力能参数计算 2 4 轧制速度制度的制订 冷轧机的轧制速度一般是指轧件在出口侧时的速度，如果忽略前滑的影响， 轧机轧制速度也即轧辊( 工作辊) 辊身的线速度。轧制速度作为轧机的一项重要性能 指标，它与轧机本身的结构，生产能力、轧件的工艺特性以及轧制时的操作条件 都有很大的关系。不同的轧机，其轧制速度差别很大。例如在板片式单张生产的 板材轧机上，轧制速度为o 3 1 5 米秒，而在现代带钢冷轧机上，轧制速度则高 达4 0 米秒。单机架可逆式轧机的速度制度通常用速度图来直观表示，它以轧辊( 工 作辊) 转速( 印m ) 为纵坐标，时间( s ) 为横坐标。常见的为梯形速度图和三角形速度图， 本文采用的是梯形速度图，如下图2 4 所示： ， 口 _ 一 v 型n 朴 入八一 u 时问 1 ，r t 图2 4 梯形速度图 f i g 2 4l a d d e rd i a g r a mo f r o l l i n gs p e e d l 墨 2 4 1 等功率负荷分配原理 由于轧机轧制负荷和轧件入口厚度、出口厚度、轧机轧制速度有关，可以认 为轧制负荷是轧件入口厚度、出口厚度和轧制速度的函数，即 露= 厂( 红小岛，m ) ，其中，k 。，曩分别为轧件入口处和出口处的厚度；v ，为该 道次的轧制速度。 为了充分发挥轧机的生产能力，通常希望各道次的轧制功率相等，选择等功 率分配原则，即 丑= 忍= 忍= - 只( 2 9 ) 式中日、昱、b 只为各道次轧制功率计算值，