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东北大学硕士学位论文摘要 宝钢初轧轧制规程离线优化仿真 摘要 宝钢初轧厂始建于1 9 7 8 年，拥有的4 5 1 3 5 0 初轧机组在目前仍属世界先进水 平，但随着连铸技术发展，初轧厂的年产量逐渐下降，为了不使这套投资巨大的 设备闲置，在工程技术人员的努力下已经将其改造为可以生产各种规格板坯和方 坯的成品轧机，改造为成品轧机后由于新钢种的增加和产品规格的变化，原有的 轧制规程已经远远不能适应生产的需要，因此，对原有轧制规程的补充、整理和 完善以使之科学化，系统化就成为非常迫切的问题。 由于宝钢的初轧机组是人一机联合控制且压下制度是整个轧制规程的核心， 所以本文只针对压下制度进行了优化和离线仿真，通过离线仿真系统，不仅可以 降低成本，减少事故，准确快捷的计算力能参数，直观显示不同参数设定对轧制 规程的影响，而且可以采取适当的目标函数和优化算法，得到一定约束条件下的 最优轧制规程，以减少能耗，提高生产效率，充分利用设备和提高产品的竞争 力。同时，按照一定的规则将* l n 规程进行分门别类的管理，也可以消除原来轧 制规程冗余重复，杂乱无章和不易于管理的问题。 在轧制规程中进行负荷分配的方法有许多种。如经验分配法、能耗 分配法、n e w t o n r a p h s o n 法、基于范例的推理方法( c a s e b a s e dr e a s o n i n g 简 称c b r ) 等。优化单目标分配法包括等负荷分配法、等相对负荷分配法、能耗 最小优化分配法。优化多目标分配法包括综合等负荷分配法、人工智能分配法。 考虑到初轧生产的特殊性，并结合一些文献中的研究成果，本文针对# l 车l 机 和# 2 轧机的不同特点，采用了不同的优化方法，既：# 1 轧机主要是加工压一i - ，采 用单目标的等负荷函数法，以每道次电机的输出转矩相等为目标；# 2 轧机主要控 制成品的规格精度且轧辊上孔型较多，以尽可能的利用孔型和保证成品的尺寸要 求为目标。在进行优化运算时采用了动态规划和叠代循环两种方法，在使用时可 以根据实际需要进行选取。 在实际生产过程中难免存在扰动，本文采用一种比较简单的方法，既将前一 道次的扰动平均分配到以后各个道次去补偿，这样处理运算方便，而且对目标转 矩的影响不至过大。本离线优化仿真程序较好的解决了宝钢初轧厂以往轧制规程 中存在的问题，可以作为工程技术人员制定轧制规程时的辅助工具。 关键词：初轧，轧制规程，离线优化，仿真 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o f f l i n eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n ds i m u l a t i o n o nr o l l i n gs c h e d u l eo fb a o s t e e l a b s t r a c t t h eb l o o m i n gf a c t o r yo fb a o s t e e lw a sf o u n di n1 9 7 8a n di t sb l o o m i n gm i l ls e t so f 圣1 3 5 0i ss t i l la m o n gt h em o s ta d v a n e e do n e si nt h ew o r l d b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o n t i n u o u sc a s t i n g ，i t so u t p u td e c r e a s e sg r a d u a l l ye v e r yy e a r l no r d e rt of u l l yu s et h i ss e t o f m a c h i n ew h i c hc o s t sal o t ，t h ee n g i n e e r sh a v et u r ni ti n t oan e wo n ew h i c hc a np r o d u c e d i f f e r e n tt y p e so fs q u a r eb i l l e ta n dc i r c l eb i l l e t a f t e rt e c h n i c a lr e b u i l d i n g ，t h eo r i g i n a l r o l l i n gs c h e d u l e sa r e n tf i tf o rn e ws i t u a t i o ng r i e v o u s l yd u et ot h ee m e r g eo fn e ws t e e l t y p e sa n ds t a n d a r d s s oi ti s am e a n i n g f u la n du r g e n tt a s kt oa d da n da m e n dr o l l i n g s c h e d u l e ss ot h a tt h e ya r es c i e n t i f i ca n ds y s t e m i c b e c a u s et h er o l l i n gm i l ls e t si so p e r a t e db ym a n u a l - a u t o m a t i cc o n t r o la n dt h ec o g - g i n gs c h e d u l ei st h ec o r eo f w h o l er o l l i n gs c h e d u l e s oio n l yr e s e a r c ha n d d os o m es i m u l a t i o no ni ti nm yp a p e r o p e r a t o r sc a nn o to n l yr e d u c et h ec o s to f p r o d u c t i o n ，c u td o w na c c i d e n t s ，c a l c u l a t et h ep a r a m e t e r sw h i c ha r ec r i t i c a lf o rr o l l i n gr a p i d l ya n dc o r r e c t l y , s h o wt h e a f f e c to nr o l l i n gs c h e d u l eo f d i f f e r e n t p a r a m e t e r ss e t t i n gd i r e c t l y , b u ta l s og e tt h eo p t i r e a l r o l l i n gs c h e d u l eu n d e rs o m ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n sd e p e n d i n go ns e l e c t i n gp r o p e ro b j e c t i r ef u n c t i o na n do p t i m i z i n gm e t h o d ，i fu s i n gt h e s eo p t i m a lr o l l i n gs c h e d u l et oa r r a n g e r o l l i n gp r o d u c e ，w ec a r lr e d u c et h ee n e r g yr e s u m e ，i n c r e a s et h ep r o d u c ee f f i c i e n c y ，u t i l i z e t h ee q u i p m e n tf u l l ya n de n h a n c et h ec o m p e t i t i o no f p r o d u c t i o n a tt h es a m et i m e ，w ec a n a l s or e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h eo r i g i n a lr o l l i n gs c h e d u l e sa r er e d u n d a n c ya n d d i s o r d e r l y t h r o u g ht h en e wm a n a g e m e n tw a yw h i c h i si n c l u d e di nm yo f f l i n es i m u l a t i o ns y s t e m t h e r ea r em a n ym e t h o d so fb u r d e na l l o c a t i o ni nr o l l i n gs c h e d u l ed e s i g n ，s u c ha s e x p e r i e n c e d a l l o c a t i o nm e t h o d ，e n e r g y c o n s u n l e a l l o c a t i o nm e t h o da n dn e w t o n r a p h s o n m e t h o de t c i f y o uw a n tt oo p t i m i z eas i n g l ea i m ，y o uc a nu s ee q u a l b u r d e nm e t h o d ，e q u a l r e l a t i v e b u r d e nm e t h o do re n e r g y c o n s u m e m i n i m u mm e t h o d i fy o uw a n tt oo p t i m i z e m u l t i a i m s , y o uc a nu s ei n t e l l i g e n c e a l l o c a t i o nm e t h o do rc a s e b a s e dr e a s o n i n ge t e c o n s i d e r i n gt h es p e c i f i c i t yo fb l o o m i n ga n dr e f e r i n gt os o m ee x i s t e dr e s u l t s ，iu s e d i f f e r e n tm e t h o d so fo p t i m u md e p e n d i n go i ld i f f e r e n tc h a r a c t e r so ft h eb l o o m i n gm i l l s e t s b e c a u s et h e1 s tb l o o m i n gm i l li sm a i n l yu s e dt oe x e c u t ec o g g i n go p e r a t i o n ，iu s e t t 东北大学硕士学位论文 a b s 仃a c t e q u a l - b u r d e nm e t h o df o rs i n g l ea i ma n dm a k ei tb ea p p r o x i m a t e l ye q u a lf o rt h em o t o r t o r q u eo fe v e r yo r d e r o nt h eo t h e rh a n d , t h e2 n db l o o m i n gm i l li sm a i n l yu s e dt oc o n t r o l t h ep r e c i s i o no f f i n a lp r o d u c t i o na n dt h e r ea r em o r ep a s s e so nr o l l e rt h a nt h e1 s tb l o o m i n g m i l l ，t h e r e f o r , it h h 】_ ko v e rt h e s ef a c t o r sw h e nim a k ed e s i g n i nm ys i m u l a t i o ns y s t e m ，y o u c a ns e l e c td y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o do rl o o p - c a l c u l a t i o nm e t h o dt oo p t i m i z es u b j e c t a c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d i ti si m p o s s i b l ei na c t u a lp r o d u c t i o nt h a tt h e r ea r en od i s t u r b a n c e ，s oiu s eas i m p l e w a yt or e s o l v et h i sp r o b l e m ，t h a ti si f t h e r ei sad i s t u r b a n c ei ns o m eo r d e r , i ti sc o m p e n s a t e d a v e r a g e l yb ya l lo t h e ro r d e r sa f t e ri t t h r o u g ht h i sm e t h o d ，w ec a ne l i m i n a t et h ea f f e c t e a s i l ya n dc o n v e n i e n t l y , w h a t sm o r e ，i tw i l lo n l yb r i n gt h el e a s ti m p a c tt os u b j e c tv a l u e t h i so f f l i n eo p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mc a nr e s o l v et h ep r o b l e m sp a r t l yw h i c h e x i s t e di no r i g i n a lr o l l i n gs c h e d u l e sa n dc a l lb eau s e f u lt o o lf o re n g i n e e r sw h e nt h e ym a k e n e wr o l l i n gs c h e d u l e s k e yw o r d s ： b l o o m i n g ，r o l l i n gs c h e c u l e ，o f t t i n eo p t i m i z a t i o n ，s i m u l a t i o n i 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明显的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名： f ：t 期：o 耐 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名：起弗 签字日期： d 时a dl 导师签名： 签字日期： 雠渊 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 初轧机发展概况 世界上第一台初轧机于1 8 6 6 年建于英国，距今已有一百多年的历史。这台初 轧机是三辊式的( 有3 4 个孔型) ，它将6 英寸的钢锭轧制成钢轨用的钢坯。目 前，在全世界大约已有四百多台初轧机旧。 1 1 1 初轧机分类 按轧辊尺寸和生产能力不同，初轧机可分为大、中、小型三类。 表1 1 初轧机的轧辊尺寸 类型轧辊直径主电机功率锭重产品年产量备注 ( 毫米)( 千瓦) ( 吨) ( 毫米)( 万吨) 3 0 0 3 0 0 4 0 0 4 0 0 大型1 1 0 0 1 3 7 02 x 2 9 4 0 7 4 0 以上1 8 0 3 5 0 5 0 0 6 0 0最大轧辊直 2 5 1 4 5 2 4 0 0 6 0 0 x径1 5 0 0 毫米 2 4 0 0 中型 9 0 0 1 0 0 04 4 1 0 5 1 4 53 78 0 3 0 0 小型1 5 0 8 5 02 2 0 5 , - - , 2 9 4 0 1 4 5 4 0 8 0 初轧机发展大致经历了三个阶段 表1 2 初轧机发展经历的三个阶段 年代轧辊直径主电机功率单锭单重年产量控制水平 ( 毫米)( 千瓦)( 吨)( 万吨) i 第一代1 8 6 6 1 9 4 5 1 0 0 02 1 01 0 0人工 f 第二代 1 9 4 5 1 9 6 01 0 0 0 2 0 0 02 5 0 01 2 2 52 0 0 基本上人工 l 第三代1 9 6 0 年以后1 3 0 0 以上 2 6 7 0 0 4 0 以上5 0 0 6 0 0自动控制 1 1 2 各国初轧机状况 我国大型初轧机具有一定的生产水平，某些技术经济指标如作业率、机时产 量等与国外相比是比较先进的，但是，在初轧机自动化方面还有很大差距。 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 9 6 0 年以后，全世界共建了将近7 0 多台大型初轧机。由于对板材需要量的不 断增加，由此在新建的初轧机中以万能板坯初轧机为最多，萁次是大开口度方板 坯初轧机，方坯初轧机建的很少。在各国新建的数量方面，日本居首位。 美国拥有近1 3 0 台初轧机，其中有l o 台万能板坯初轧机，1 0 0 0 毫米以上的大型 初轧机约7 0 台，多数为方板坯初轧机，并有1 6 台初轧机带有连续式钢坯轧机。包 括连铸机在内，其成坯总能力约为1 6 4 亿吨佯。总的来说，美国初轧机的总能力 大，可轧制的品种规格多，但早期建造的初轧机较多，又由于近期钢铁工业发展 停滞，故在大型化、自动化等方面不如日本，但是日本和西欧所建的大型初轧机 仍在不同程度上采用美国的技术和准备。 原苏联有初轧机5 0 多台，1 9 6 1 1 9 7 1 年共投产了1 0 台t 】0 0 毫米以上的大型初 轧机。在新建初轧机的同时，对一些老初轧机进行了改造。 德国在二次世界大战后钢铁工业迅速恢复和发展，现有初轧机约4 0 台生产能 力为约为2 7 0 0 万吨年。德国国内建设的初轧机在设备的大型化、装备水平以及生 产能力来看，都不是当前最先进的。 目前我国拥有大小初轧机2 1 套，中1 0 0 0 m m 以上的大型初轧机7 套( 鞍钢2 套， 宝钢、包钢、武钢。攀钢、本钢各1 套) ，其余为o7 0 0 、中8 2 5 、中8 5 0 m m 的小初 轧机。而其中8 套为特殊用初轧机。 1 1 。3 大型初轧机的发展特点 1 1 3 。1 大型化 随着造船、桥梁、建筑、汽车等工业的发展，使宽带钢轧机和厚板轧机迅速 发展，因此，现代着重发展万能板坯初轧枫。轧机的辊径达1 3 7 0 毫米( 实际上 有加大到1 4 0 0 1 5 0 0 毫米的趋势) ，辊身长度达3 4 0 0 毫米( 日本福山二初轧) ； 主电机功率大，采用2 6 7 0 0 千瓦：钢锭重量大，单锭轧制达6 0 吨( 日本名占 屋厂预留7 0 吨) ，双锭轧制一般为2 2 3 5 吨，最大达5 0 吨；轧机产量高，最高 达5 0 0 6 0 0 万吨年。 1 1 3 2 精整在线化 近十几年来大型初轧机的精整系统已经采用了下列改进措施： 1 广泛采用了在线热火焰清理机； 2 采用钢坯水冷装置； 3 采用冷钢坯火焰清理机，解决热清理中尚未解决的问题 这样，不仅提高了劳动生产率，而且节省了精整场地的面积。 2 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 3 3 自动化 初轧机由采用程序控制发展到计算机在线控制，特别是近期发展到由均热炉 开始到轧制、精整、冷却的在线控制和信息处理，以及整个车间生产调度及管理 系统均由电子计算机自动控制。 1 增加均热炉产量，提高初轧机产量； 2 减少燃料、原料、电力及其它动力消耗，降低成本约3 3 提高扳坯尺寸精度； 4 减少人员； 1 1 3 4 工艺改进 1 ) 双锭轧制。为了提高初轧机能力，大型初轧机普遍采用双锭s l 南t j ，这样能 提高生产率4 0 一5 0 ，同时还在研究三锭串列轧制的所谓“三轧法”，其生产效 率还能提高l o 。还有在初轧机上同时平行轧两根钢锭的所谓“平行轧制法”。 2 ) 采用低速度大压下量轧制。大型初轧机最大轧制力矩可达3 3 0 吨米。 1 1 3 5 设备改进 1 ) 主电机采用双电枢或三电枢的单独传动方式，减小电机的回转力矩，减小 了间隙时间，提高了轧机产量。 2 ) 在初轧机结构上，提高水平辊的开口度。 3 ) 钢锭车很多采用钢绳牵引方式，提高运锭速度。 4 ) 采用电动式板坯剪切机可增大剪切能力。 1 1 4 初轧机与连铸机 连续铸钢是六十年代浇钢工艺的一项重大的新技术。主要特点是进行连续生 产，即通过连铸机将钢水直接铸成各种断面的连铸坯，大大简化了铸锭及轧钢的 生产过程。目前连续铸钢发展迅速，并部分的替代了初轧机的工作。 连铸与一般铸锭生产相比具有一系列优点： l 可提高金属收得率( 从钢水到钢材) 1 2 1 5 2 降低生产成本1 0 ，节省基建投资3 0 4 0 ： 3 缩小占地面积3 0 以上； 连续铸锭与初轧机开坯相比，具有金属消耗低、热能损失少的优越性。它从 钢液到成坯的总收得率可以高达9 7 ，在采取严格的操作和一系列新技术的情况 下( 如氩洗钢液、保护浇钢、严格控制浇铸温度等) 钢的质量好，连续铸锭的机 一3 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 械化程度高，劳动条件好，当保证一定的连铸作业率时其总投资和成本也是核算 的。因而连续铸锭具有广阔的发展前途。 虽然连铸技术发展很快，但初轧机在以下几个方面，仍然比连铸生产占有优 势： 1 就目前所能浇铸的品种来看，对占钢产量5 0 6 0 的沸腾钢以及宽商比在1 0 左 右的大板坯和1 0 0 毫米以下的小方坯尚有困难； 2 ，铸对批量的适应性差，操作的可靠性还比较低； 3 连铸工艺基本上是原料决定成品，而成品却不能对原料提出要求，与初轧机 相比，具有很大的局限性； 因此，连铸目前尚难以完全取代初轧机，如在近乎全连铸的日本，从始建连 铸机到连铸比达至1 j 9 6 ，花费了约3 0 年的时间，至今仍有近半数的初轧机在继续 发挥其作用，因此初轧机在我国现阶段仍有其重要的位置，应该以大的糟力去研 究初轧厂改造的方案，以适应形式发展的要求f 2 0 。 宝钢初轧厂是我国引进新建的国内唯一双机架工作辊直径为1 3 0 0 r a m 初轧机， 该套轧机以大型化、产品多样化、生产自动化及精整机械化为主要特点，装备 上至今仍属世界先进水平。自1 9 8 5 年投产至1 9 9 4 年，已累计轧锭量2 5 9 0 万吨；生 产钢坯量2 2 8 7 万吨；产品质量优良，居国内领先地位，多种产品如预应力钢绞线 钢，焊条钢、芯棒钢和部分冷墩钢铜坯均达到日本或德国同类产品的实物质量水 平。因而如何改造利用现有的初轧机使之能与连铸比增长后的新形势相适应，是 宝钢初轧厂今后所需要研究的重要课题i 1 3 】。 1 2 课题背景 宝钢初轧厂建立于1 9 7 8 年，主要任务是为2 0 5 0 热轧厂等后续工厂提供板坯或 方坯，随着冶金生产技术的发展，宝钢在炼钢厂后建成板坯连续浇铸生产线后， 连铸生产的板坯就取代初轧机生产的板坯向2 0 5 0 热轧机直接供料。条钢厂在9 8 年 电炉投产后产量逐年下降，产品结构发生了较大的变化。一方面受铁水资源供求 制约的影响，生产设备开动率不足，另一方面高附加值产品比例较低。2 0 0 0 年双 高产品占1 6 ，2 0 0 1 年双高产品占1 8 ，作为一个年能力达3 0 0 万吨的现代化开坯 钢厂，在这种钢水资源与双高产品的比例下很难体现效益最大化的组织生产原 则，难以实现企业价值。在目前的形势下，实现条钢产品效益最大化，就必须充 分挖掘生产能力，开发市场所需的高附值产品，为了不使这套投资巨大的初轧厂 闲置，现已把初轧机改造成为可以生产各种厚度和各种宽度的钢板以及各种规格 的圆钢的成品轧机1 2 目。 4 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 初轧机改成生产成品厚钢板和的规格圆钢后，不仅厚钢板的厚度和宽度规格 种类增加很多，而且从钢种来看，还增加了许多合金钢，由于原计算机中存储的 轧制规程种类很少，因此，一方面在该初轧机上无法生产与计算机这存储的轧制 规程不相一致的新增规格的厚钢板和大圆钢；另一方面在生产合金钢厚钢板或大 圆钢时，只好选用计算机中存储的同规格的普通碳钢的轧制规程。众所周知，合 金钢的变形抗力要比普通碳钢大很多，因此，生产合金钢厚钢板采用同规格普通 碳钢的轧制规程带有很大的不安全因素，使初轧机超负荷运转，容易造成设备损 坏。从初轧厂当前的生产情况来看，成品厚钢板和大圆钢的需求量逐年增加，厚 钢板的规格品种有上百种，要逐步形成系列化，合金钢的品种也在增多，生产合 金钢板成为今后的发展趋向，根据市场需求信息，工厂今后不仅要生产低合金 钢，而且还要生产高合金钢。因此必须在初轧机上为不同的钢种、不同规格的厚 钢板和大圆钢编制适合各自特点的轧制规程f 1 _ i 】。 1 _ 2 _ 1 轧制规程编制方法分类 结合初轧机控制方式，轧制规程的编制有三种方式：人工手动编制，在线自 动编制和离线自动编制。 人工手动编制是由技术人员对每一种钢种每一规格的厚钢板和大圆钢根据各 自的不同特点分别编制轧制规程，这种编制方法工作量大，而且主要是根据个人 的经验编制，缺乏统一性且难于管理。现在成品规格、钢种变化很大，加上设备 老化，所以手工编制规程，很难做到系统化和科学化。 在线自动编制是监控计算机根据钢锭情况和均热炉烧钢等一系列数据，在铡 锭运到初轧机之前自动编制出”最佳轧制规程”，通过在线方式输送给轧机控制计 算机，并按此对轧机实行自适应控制，即在轧制过程中根据压力、电流、功率等 数值的反馈，对钢锭的变形抗力不断的进行计算，根据实际情况自动修正”最佳轧 制规程”，使轧机能以最短的时间轧出质量好、尺寸合格的钢坯。但是这种控制方 式一般都需要二级计算机控制，而且从钢锭出炉到轧制的短时问内要在线编制最 佳轧制规程，需要大型、快速、高性能的监控控制机，在初轧机前后需要安装复 杂的检测设备，这是一般初轧机不具备的。 离线自动编制是预先研究出适合实际情况的轧制规程数学模型，将数学模型 编制成适合计算机实现的程序，根据所给的轧制条件( 比如钢种、锭型、成品规 格、和设备参数等) 自动生产轧制规程，然后通过通讯网络将轧制规程中的具体参 数输入到过程计算机，并保存在内存中，供生产中调用。这种方式编制的轧制规 程比较快捷，离线计算出来的轧制规程可以经过实际考核后存入控制计算机，因 此生产中使用起来安全可靠。但由于规程是预先选定的，钢锭轧制不能完全符合 5 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 预先设定的条件，其适应性和灵活性不够理想，仍属于静态控制，不能使轧机达 到更高的生产效率。新s p c ( n 变存贮程序控制) 能根据轧制的实际情况通过在线计 算自动改选最佳轧制规程，进行实时控制。它与a p c 同是动态控制，但轧制规程 是事先做好存贮在计算机的存储器中，所以不需要在线的计算轧制规程，用一一台 过程控制计算机即可实现，对计算机的要求较低，建立数学模型、编制软件的工 作量也大为减少。宝钢初轧机原设计是采用s p c 人一机联合的半自动控制方式生 产板坯和方坯，生产中根据生产计划安排所生产钢坯的轧制条件f 如钢种、锭型、 钢坯规格等信息) 自动或人工选出合适的轧制规程，并按此规程对初轧机进行自动 控制。 综合考虑以上因素，采用新s p c ，即规程离线自动编制及在线数学模型自适 应控制方式，是最合理的选择。 研制离线自动编制规程的数学模型时，应当考虑初轧机生产的复杂环境和恶 劣条件，其中最主要的有以下几个方面： i 考虑各钢种的高温机械性能对车l i r j 规程有直接的影响，应对各钢种进行高温 力学试验，以获得各钢种轧制时的真实变形抗力； 2 考虑初轧机电机功率对轧制规程的影响，在制定* l n 规程时应避免电机超负 荷，也不应使电机发生堵转的情况； 3 考虑在轧制扳坯或方坯的过程中初轧机的推床移动、翻钢、抛钢等操作对编 制轧制规程的影响； 4 考虑根据现有的检测到的参数对初轧轧制过程进行在线自动修正，并在此基 础上不断优化与更新规范数据； 此外，还要考虑建立完善的轧制规程数据库以及自动程序调用系统，解决计 算机通讯问题，实现现场数据采集的自动化，并建立数据分析软件系统，重点对 钢种、温度、压下量、轧制力、电机电流及速度等进行统计和分析。 1 2 2 轧制规程制定现状及缺陷 宝钢初轧机原设计是采用s p c 人一机联合的半自动控制方式生产板坯和方坯， 即事先把设计好为数不多的几种板坯和方坯的* l n 规程存放在计算机h 一0 b e 的外 存内，生产中根据生产计划安排所生产钢坯的l i l i f j 条件( 如钢种、锭型、钢坯规格 等信息) 自动或人工选出合适的轧制规程，并按此规程对初轧机进行自动控制。该 方式存入计算机的轧制规程是根据生产板坯或方坯设计的，由于板坯和方坯的规 格种类不多，因此存入计算机的轧制规程的种类也很少。当前由于客户对钢材生 产质量要求的不断提高，以及生产钢种的不断增多，宝钢初轧机组的计算机控制 6 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 系统中存储的规程远远不能满足生产的需要，也不能适应现代钢铁生产中控制技 术的要求。 原有的轧制规程，都是在设备和工艺要求的基础上根据操作工的经验制定 的，当新钢种不断出现，并且成品的尺寸变化很大时，仅凭借经验来制定轧制规 程是很困难的，常常是要么设备不能发挥最大效率，要么造成电机发热，而且这 种经验带有主观成分，缺乏严密的数学推导和证明，也不能抽象成理论知识来指 导以后人的实践。原有规程仅凭借经验考虑了咬入能力、设备强度和电机能力等 这些限制条件。只要各道次力能参数指标不超过许可值，轧件又能顺利咬入，此 压下量就认为是基本合理的，没有进一步考虑压下量分配对产量、质量以及各道 次力能参数的变化情况对主传动系统安全运行的影响。规程编号混乱，缺乏规 律，有重复现象，更重要的是规程与实际操作的脱节不仅增加了操作工的工作强 度和难度，更容易造成生产事故和产生废品，所以，对轧制规程的系统化，科学 化和理论化是一项非常有现实意义的工作【1 q 。 1 2 3 最佳$ l $ 1 1 规程 理论上轧制规程由压下规程a ，和速度规程帆组合而成。 计算压下规程时首先确定轧制方案，然后选择各轧制阶段的总压下 量风，每道次压下量凰，宽展量且，轧件尺寸凰，鼠，厶每道次的变 形区长度如等。因此，所得的压下规程是是由许多参数组成的【1 5 】： a ，= ( k ，厶，皿) 式中：一轧制阶段数( 以翻钢划分) ； 矗一在k 阶段的道次数； 卜一总道次数； 皿一轧件高度。 压下规程确定后，根据结果计算速度规程暖( 由于目前宝钢初轧采用的 是s p c 人一机联合控制方式，咬入速度、抛钢速度、最大轧制速度和翻钢等都由 操作工控制，故先不考虑速度优化【1 2 j ) 。长期以来传统的习惯是根据生产经验或 按轧机等负荷的观点进行规程的制定，即对机架以等负荷分配作为目标函数，这 样的分配不是很合理( 我们在进行压下分配时主要考虑的限制条件有设备强度能力 的限制( 比如允许的最大轧制压力、轧制力矩) ，电机能力的限制( 比如额定功率和 过载发热) ，工艺限制( 轧件的质量) 等，这样的轧制规程在生产中是可行的，但不 是最优的，比如各阶段道次压下量是否要均匀分配，在总压下量一定的情况下， 7 一 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 是采取少道次大压下量，还是多道次小压下量，这些都影响电机发热和生产效率 问题，所以考虑到轧制过程的复杂性，必须将这些因素综合考虑，制定综合目标 函数) 目前适合于初轧机轧制条件的最可接受的方法是非线性规划法( 逐次改变变 量法、梯度法、最速下降法等) 。其中最方便的是逐次改变变量法。1 1 6 1 1 5 合理的压下规程是轧钢生产过程科学化、规范化的首要问题，它的确定与设 备、轧件规格、品种、加工过程中力学性能诸因素有关，但是一般情况下主要考 虑下面几个限制条件： 1 设备强度能力的限制，主要是允许最大s l n 压力、轧制力矩，以确保轧辊、 轴承和接轴等强度； 2 电机能力的限制，主要是额定功率，以确保电机的安全； 3 工艺限制，主要考虑的是轧件质量对生产过程的要求。 如下图所示。 图1 1轧制规程限制条件 f i g u r e1 1 c o n s t r a i n t so f r o l l i n gs c h e d u l e 8 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 从理论上讲，一个完整的轧制规程编制流程如图( 1 2 ) 所示。 1 3 本论文的研究目的及内容 1 3 1 本论文的研究目的 在这里先简单介绍一下轧制生产的基本流程。 宝钢初轧厂有可逆式初轧机两台，其工艺流程如下： 从炼钢送来的钢锭由均热炉控制室操作人员根据炼钢厂传送过来的钢锭数 据，确定读八计算机的生产制造命令卡中的内容。然后由操作工安排将钢锭装到 那些炉坑中去。人工用c r t 键盘把装炉顺序输送给计算机，并通知钳吊按照规定 顺序装炉，一般来讲同一炉钢锭装入两个炉坑。 根据传搁时间和钢种的加热要求，由计算机进行自动燃烧控制、烧钢情况及 出炉时间预测，所有结果通过c r t 显示出来。操作工通过钢锭车把选定的钢锭送 到轧靠4 道上去。钢锭在轧制之前，需要从受料辊道送到钢锭称量机上进行称量。 称量值自动显示出来，同时送入计算机。在双锭轧制的情况下，计算机凭籍两次 称量将两个并列的钢锭分成一前后运到初轧机口。初轧机为两架串列布置， 轧辊直径毫米，公称直径垂1 1 5 0 1 3 5 0 毫米，轧身长3 1 0 0 毫米。一号初轧机电机 容量为5 0 0 0 千瓦x 2 台，转速为o 一3 5 7 0 转，分；二号初轧机电机容量为5 0 0 0 千瓦 2 台，转速为o 一5 0 一1 2 0 转分。 由初轧机轧制的供钢坯连轧机所用的初轧方坯用辊道送到热火焰清理机，对 钢坯四面同时清理。根据钢种和用途，坯料可进行全清理、局部清理或不清理。 进行火焰清理的坯料，其清理深度和清理速度由计算机进行自动控制，一般清理 深度为1 5 4 5 毫米。 对于板坯，在空气中自然冷却后即为成品，如果需要轧制为圆钢，则送入连 轧机继续轧制。可以发现在整个轧制生产过程中，初轧处于工序中非常关键的 位置，其动作的成败将对其后续工序产生巨大的影响【1 u f l 3 。具体工序如图( 1 3 ) 所 示。 正如在前面提到的，为提高市场竞争力，充分挖掘初轧机的潜力，满足对多 规格合金钢成品的生产，首先要解决轧制规程的科学化、合理化和规泛化的问 题，由于轧制规程的优劣直接影响到生产的进行，而且其涉及到的大量的力能参 数计算，所以需要开发高效，使用方便的仿真软件。 在轧制过程中，涉及到的参数计算非常的多，而且由于轧制过程中的不确定 性以及复杂性，许多计算公式都是半经验公式或针对某种情况结果比较正确，加 9 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 2最优轧制规程计算流程 f i g u r e1 2 c a l c u l a t i o np r o c e s so f o p t i m a lr o l l i n gs c h e d u l e 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 于一 、l ， 热火蝤处理器 | | 钳吊i 嗤删 、【 l 码热炉| | 、【 i 菠坯剪断刮 l 钳吊 i l i 翻钢钆1 l 重望圭i 0 l | i l 坯融l 刮 阳键称量机1 上 1 i 增j i 舶i 椹l 机l 0 l 收曩辊道i in 0 韧轧机ii 小钢腊r 印机 l 图1 3工艺流程示意图 f i g u r e1 3 s k e t c hm a po f p r o d u c i n gp r o c e s s 之初轧的工作环境非常恶劣，缺乏必要的检测设备( 如测厚仪，测温仪等) ，更重 要的，由于连铸技术的发展，使得对初轧技术的研究和投入都比较少，所以这方 面的资料也相对匮乏，所以根据已有资料查找计算相对准确又比较简单实用的公 式也直接对轧制规程的编制产生影响。这些工作也将为后续工作或进一步的开发 工作奠定良好的基础。 1 3 2 本论文的研究内容 本课题的研究内容主要是针对宝钢初轧厂的具体情况开发离线的压下规程优 化软件，主要包括三部分的工作：现场调研、数学模型研究和仿真软件设计。 现场调研：熟悉轧制工艺和初轧生产的工艺流程，了解轧制规程的编制方法和 编制思想，找出原有轧制规程中存在的缺陷并有针对的提出改进办法，和现场的操作 工就相关问题进行探讨并将他们的经验加以总结和量化，转变成可以用编程语言实 现的数学模型，收集现场数据，分析模型计算误差产生的原因，使之能真正符合实际 生产情况。 一1 1 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 数学模型研究：抽象出轧制规程制定中涉及到的数学模型，并查找相关资料 找出合适的计算公式或计算方法，对某些难以精确定量计算的物理量找出其统计 学规律，利用现场的数据求得回归方程，确定关键参数，突出主要矛盾，力求在 符合工程需要的基础上简化模型计算。 软件设计要求：在现场调研和数学模型设计的基础上编制离线优化仿真软 件，使之符合以下要求。 1 针对锭型3 2 8 0 ，根据成品的不同规格要求，离线编制出最优的轧制规程，在 对现有轧制规程的总结分析的基础上，合理的安排轧制道次和翻钢次序，在 保证设各安全运行的前提下，充分发挥设备潜力，减小能耗； 2 进行力能参数计算，尽量减小理论计算与实际结果之间的偏差； 3 适应多钢种和多规格的要求，为开发新产品提供可行性的技术参考； 4 对轧制规程进行管理，做到有序化和自动化，实现保存、检索、删除等功 能： 5 采取一定的方法克服在轧制过程中产生的随机扰动，并可以做出简单的演 示； 6 界面友好，易于使用，规范健壮。 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章轧制规程优化设计 第二章轧制规程优化设计 在板带钢，型钢生产中，轧制规程的制定是基本工艺问题之一。一般说来， 最好的轧制规程在单位时间内轧制产品的产量最高，质量最好，各种消耗最少， 因而使产品的效益最好。反之，如果轧制规程不合理或不完全合理，则会使生产 过程不顺利，影响到产量、质量，甚至无法正常生产。轧制规程是# l 镌i j 工艺的核 心，对轧钢生产至关重要。合理的制定轧制规程，将使轧制过程达到最佳状态， 是工艺设计人员所追求的目标1 1 日。 钢锭经过数道次轧制，产生塑性变形，最终轧制出符合产品标准的成品钢 材。这一系列的轧制过程，是按着设计者根据生产条件设计的轧制规程进行的。 所以为使轧钢生产能够达到优质、高产、低消耗、低成本，则需要设计轧制规 程。要确定最优的轧制规程，用通常的经验法或试验法制定的轧制规程达到该目 标是很困难的。这是由于用经验法与试验法确定菜参数的可行域全凭经验或试验 而确定，很难做到确定的该参数是最佳参数。而优化设计，是使用计算机通过数 学规划的方法在一切可能的设计方案中寻找最优的方案 3 6 1 。 2 1 轧制规程优化设计概述 轧制规程优化设计，即在一定的工艺条件下f 如材质、锭型、目标成品规格 等) ，最优的分配各道次的压下量，并保证各种限制条件都能得到满足，最终达到 高产、高效、低耗的生产轧制成品的目的的一种设计方法。它是以压下制度为重 点，对包括速度制度、张力制度、温度制度等在内的各工艺进行计算机的离线辅 助设计。轧制规程优化设计，首先要明确优化目标。该目标是设计者按轧制过程 提出来的具体要求，用数学形式来表达即构成目标函数。同时，实际生产条件都 有一定的限制。这些限制条件，便构成了寻求目标的元素条件。在满足这些约束 条件，寻求所追求目标的极值，便可得到最优化的轧制规程。 优化设计的步骤一般可分为： 1 根据设计的实际问题，建立优化设计的数学模型，包括目标函数和约束条 件； 2 根据目标函数和约束条件的性质，选择合适的优化方法； 3 根据实际设计问题，确定必要的初始数据和设计点； 4 编制或运用计算机的语言程序，通过计算机求解并输出计算结果； 5 对计算结果进行进一步的分析，经检验合理的保存以指导实际生产。 一】3 一 东北大学硕士学位论文第二章轧制规程优化设计 2 1 1 轧制中负荷分配方法概述 在初轧生产中，负荷分配计算是设定计算的前提和基础。生产中一般根据经 验分配压下量，虽然这是可行的，但缺乏定量的科学依据。也可以根据能耗曲 线优化负荷分配，但能耗曲线需要实测得到，并且能耗曲线不能对所有的钢种 都准确的预测出轧制能耗与压下量之间的定量关系；以每道次出口厚度为未知 数，根据轧制力成比例原则建立非线性方程组，利用n e w t o n r a p h s o n 法求解称之 为n e w t o n r a p h s o n 法，该方法需要求解轧制力对厚度的偏导数以及逆矩阵，计算 过程复杂、运算量大( 2 3 。 以上各方法具体叙述如下： 2