（钢铁冶金专业论文）h型钢计算机辅助孔型优化设计.pdf

接要 摘要 h 燮镪是一嵇经济数蠢聚麓，存着其稔王字锈无法魄叛斡俊熬力学蛙簸，两盈 发袋势头楚好。毽是当今镄褥市场 差壅钢生产仍存在一些薅题，翔筑铡能耗过高， 轧辊磨损严重等。 为解决h 型钢生产过程中轧制能耗过高的问题，采取优化方法设计了一套h 型 钢孔型系统静与原始轧制规程进行比较。根据h 型铜的生产特点以及金属在万能孔 墼中戆浚动麓律，采取了爨辏饯纯洼，鞋最繇熬筏制辘耗n 赫。兔瑟拣螽鼗，廷 枣系 数弘为强变量，最大最小楚 枣系数以及主电枫允许的最大功率n 衲。等为约束条件进 行寻优。直至网格的最大间服小于预先给定的计算精度为止。最终得到总轧制能耗 最小时的孔型参数。比较优化前后的轧制能耗，优化前电机总功率为2 7 1 3 4 k w ， 优化后为2 5 2 9 蠲：w ，节约熊耗6 ，7 7 。 羧攒疆鍪钢戆强型爨蠢鳢蓰大致稷蘑，尺寸不弱懿：| 每点，袋薅参数纯设诗方 法，成粥v i s u a lb a s i e6 ，o 编程语言编稍了“量差穗钢计算机辅助孔激优化设计”软 件，取代了传统的靠经验进行轧制规程制定及孔型参数计算的方法。不仅计算精 确，误熬小，省时省力，而熙通用性和适应性强。更重要的是为h 趔钢生产提供了 一套转制麓耗最低他的诗葬搬优化系统。v b 语言霹a l l 幻c a d 绘图较件的结合充分 逮菱箨了v b 弱诗算戆力及a 强| 葩a d 豹绘爱魏力，最终实甏按琵鳖参数绘裁手l 登罄 的参数忧绘图。 匿9 ，褒4 ，参 关键试：辩型铜；李l 裁憩耧；疆下甄程：耄| | 己豫设诗；瓣穰法；参数纯绘圈。 分类号：t g 3 3 5 2 河北理工大学硕士学协论文 a b s t 阮e t h b e a f 矬i so n ek i n do fe c o n o l n i cs e c t i o nm a t e r l a l s 巍i sb e t t e rt h a 娃瓣lt 量l eo 墙e rl b e 锄si nm e c h 姐i c a lp f o p e r t ya n d “a i s oh 踮ab r i l l i a n tf u t u r e b u ti r it h ep r o d l l c t i o n p r o c e s st h e r ea r es t i ns o m ep r o b l e m ss u c ha st o oh i g ho n e r g yc o n s l l i m n ga n ds e r i o u sw e a r o f r o i k 蹬g 1 珏。撼。f 托d 轻e e 氆ee 躺群c o 热s 蛙越主珏g 法氇e 却l l 瓤gp e e s sw es 蠢。c t 撼as 礤e so f h b e a mf o l lp a s s e sa n da d o p t c dm 晌0 do fl a 拄i c et oo p t i l l l i z et h er o l l i n gs c h e d u l e 硒e a i m 如n c d o ni st h el o w e s te n e r g yc o n s u m m g t h cc o i l g t r a i n tc o n d j t i o ni s 懒el l i g h e s ta n d t h el o w e s te l o n g 撕o nm o d u l u sa i l d 也eh i g h e s tm l l 如gp o w e ro fm er o l l i n gm i l l s c 胡删l a t i o nw o n ts t c i p 舶t i l t h eb i g g e s ti n t e 戚b 帆nt w ol 搬i c e si ss 瓣a l l c fl h 觋t h e l i m i lg i v e 歉法翻v 越。e 。e o 毽p 藤黼娃糟托懿l 括w ec 器耩s e e 蠡e 。p 耄i 疆蘸f c s 谢t2 5 2 9 。辕详主s l o w e f t h a n 龇p r e v i o u s 2 7 1 3 4 k w b y6 7 7 p e r c e n l t h or o l lp a s s e so fh b e a ma r es i m i l 盯t 0e a c ho 也e ro n l yd i 饪b r e mi 苴ls i z e ，s oi ti s p r o p e rf o ru st oa d o p tp 雒哪e 懈r i z a t i o nd i a 谢n gt od r a wm e f o l lp a s s e s w ea d o p t e dt h c p r o 蓼吼l 鞘g u a g ev i s u a lb a s 沁6 ot op 蓼啦t h es o f 哺a 揩“o p 垃m a 重d e 曦潍o fh - b e a 耋芏l 蹦lp a s 鼹妒溉i 凌莹荦1 8 c e ( 1 壕。e o 藏v e 蠊鞠蘸珏瑶氆藤联c a l e 蠢8 重江gt 函o h 酶e 榉e 蠢e 懿ea n d s a v e dt h ec a l c u l a t i n gt i m ea l l d 缸”u b l e i ta l s oh a sh 主曲e rp r e c i s i o na n da d a p t a b i l i t y t h e c o m b i n a t i o no fv ba l l da u t 0 c a di i l a d em eb e s to ft h ep r o 掣瑚c da b i l 时o fv i s u a l b a s i c 6 oa n dn ”妇嘶n gc a p i t yo fa u t o c a d i n 协em o d m eo fp a 删n e t 嘶z a 虹o n d f a 蛹n g s ，i t 姆e ka h 沁c a da sp 主c t 珏f 嚣翱删n gs o 鼓w 鑫f ea n dt o o 圭v ba sc o m 蟊l e r ， 氆l l s s i 帮e 鹅c a nw o 矗o np a 娥o f i z a 螽强击a w i 致g s 溆f o l l - p a s s e so f 珏一酶a mp d 疆e 童s f i g l 鹏9 ；t a b l e4 ；r e f c r c n c e6 0 k e y w o r d s ：h b e 蛐，e n e 唱yc o n s u m i n go fr o l l 协g ，r o l l i n gs c h e d u l e ，o p t i m a jd e s i 凹， m e t h o do fj a t t i c e ，p a r 锄e t e r i z a t i o n 出 厕n g c h 洫e s eb o 硝se a t 鑫k g ：t g 3 3 5 ，2 i i 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 河北理工大学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：缢金盎日期：趔年卑，且堕日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、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) 、日期：堑 _ 年舅月丝日 引言 弓 目 h 型钢自问世以来就显示出其他工字钢无法比拟的优良力学性能，使其在很多 行业都有着广泛的应用。但是据统计近十年来由于激烈的市场竞争h 型钢的售价有 所下降，而成本却高居不下，其主要原因之一就是h 型钢生产的耗能太高。而且随 着现代化工业的迅猛发展，近年来能源问题已经被人们普遍关注。钢铁行业是耗能 大户，占整个工业部门能耗的1 5 ，而据统计钢铁产品的能耗消费已经达到了生产 成本的3 5 左右，如何节约能源已经成为各钢铁企业所必须面对的问题。因此，在 一定的现场调研和理论分析的基础上，结合h 型钢轧制的特点，设计了一套以节约 轧制能耗为目标的h 型钢优化压下规程。 h 型钢压下规程的优化设计主要是进行各道次孑l 型尺寸的优化设计、或者说确 定各道次轧辊的压下量，也就是利用数值计算方法进行最优的负荷分配，使得分配 结果在某一目标条件下达到晟优。由于h 型钢轧制时，腰部和腿部的厚度和压下量 都不同，如果以轧件的出口厚度作为自变量，将会使计算过程复杂化。h 型钢轧制 时，要求均匀变形，所以我们选择了延伸系数作为自变量，不同的延伸系数对应不 同的轧制功率。选择使总轧制功率最小的延伸系数来确定孔型尺寸。 在绘制孔型图时，采取参数化绘图取代了传统的手工制图。将图形尺寸与设计 条件相关联，看成是“设计条件的函数”，当设计条件发生变化时，图形尺寸也随 之发生变化，从而完成图形的绘制。操作者只需输入坯料的原始尺寸，成品尺寸， 以及轧件出炉温度等初始参数，系统就会自动进行计算，得到优化的孔型尺寸。这 样，不但可以缩短设计周期，而且提高了设计质量。 河北理工大学硕士学能论文 1 1 珏型钢的产生及发展现状 l 文献综述 1 1 1 h 型钢简史 1 + h 蒌! 镪熬产生及发震 1 8 4 7 露法国人兹尔发明了工字镶，当时酶工字锈建用疆个角钢霸一块钢板焊接 而成的，高10 0 m m ，腿宽6 0 n 狮。尽管这种工字钢腿很窄，焊接方法生产效率也不 高，但是由于它比角钢具有更大的抗弯能力，仍被人们广泛采用。为掩高生产效 率，降低成本，兹尔通过两年的努力，成功地用轧制方法生产了匪种王字钢，其高 褒麦l 1 7 器翔m ，长凄超过6 m ，兰嚣这些工字镄蹩在横蠢式季l 捷上生产懿，荬蘧 宽受到辗辍的限砖，其内衡带裔赫度。后来，逐步钝钊出高为8 0 6 0 0 m m 的工字 钢，其腿内侧的斜度为8 1 7 ，与现在所用的游通工字钢基本相同。 1 8 5 0 1 8 6 0 年，万能轧机出现，这种轧机由两个水平辊和两个立辍组成，其水 平辊靠电枫驱动，立辊靠轧体的摩擦力带动。万能钝枫的发明，给h 魁钢生产剖造 了设器条 牛。1 8 强年，蓄先在德遥戆穆拉茨厂嗣骛邋粒毒l 秘生产塞了辍黧钢，英足 寸为8 0 m m x8 0 m m ，但是箕腿部的尺寸不稳定，予怒试采用万能车l 枫加工其腿部并 获得成功。但应用到生产实践叉发现，尽管力- 能轧机可使工字钢的腿部受到垂直压 力而宽展和贼伸，但无法准确控制其腿部的宽展以及其腿尖部的加工精度。 1 8 8 7 年，播拣等人的研究擞誊瞻确指出，仅纛一架万能轧枫无法保诞工字钢的 褪部舞度秘髓失豹霸王穰度，豢绦涯工字镶静蘧发，必须还毒一絮立筑税絮与之连 轧，才能僳u i i e 其腿高的控带和腿尖的加工。所以，从1 9 0 8 年开始，先聪在美国和德 国建立了泊利亨厂及培因厂。这种轧机的建造一赢持续到1 9 5 5 年，在1 9 5 5 年后， 由于建筑业的发展，要求轧钢一提供腿和腰更薄的平行腿工字钢，即i p e 系列的h 型钢，以及锹柱秘桩曩的l p b 系捌熬h 鍪钢。这鼹种h 型钢霉要采爆多秘万链轧援 才能生产。隧誊璎e 窥p b 系列的珏型钢静出现，又键遂了矗麓孝i 穰翡建设帮发 展。1 9 5 7 年9 月第一批i p e 系列的h 型钢在德国的培因厂问世【l l 。 2 0 世纪6 0 年代以前，世界上共有大型轧机7 4 套，轨梁轧机2 4 套，宽边钢梁 轧机1 2 套。宽边钢梁轧机当时以美国为最多共6 套，日本仅有2 套。6 0 年代以 螽，夔蓉撼：箨钢铁工翌魏发展，鞭登镄享l 掇遵照之褥到了逐蘧发震，大多数重家鹣 一2 一 1 文献综述 钢铁界都在积极筹建新型h 型钢轧机，为了节约投资，各国充分利用原有的大型和 轨梁轧机进行技术改造，这种作法在日本先后改造了三个大型厂和一个轨梁厂，主 要是引进万能轧机。用了大约4 年的时间进行技术改造和引进新技术，到1 9 6 5 年日 本已能大量生产h 型钢，在1 9 6 7 年到1 9 7 2 年的5 月里，日本的h 型钢生产又获得 巨大发展，在这期间先后新建了八个h 型钢厂，特别是川崎制铁公司的水岛中型厂 和新日铁公司的君津大型厂的h 型钢万能轧机装备水平均处于当时世界领先地位。 据不完全统计，到1 9 9 8 年世界共有万能轧机1 0 3 架，分布情况如下表。 表1 世界万能轧机分布情况 t 曲id i s t r i b u 6 0 no f u n i v e r s a lm 1 la l lo v e rt 1 1 ew o r l d 热轧h 型钢诞生1 0 0 多年来，主要经历了四个发展阶段：第一阶段为普通工字 钢；第二阶段为窄腿h 型钢( i p e ) ；第三阶段为宽腿h 型钢( i p b ) ；第四阶段为 闭合型钢，如方管，用热轧的平行腿槽钢经焊接而成，其断面模数比h 型钢的更 大。 2 h 型钢的生产工艺 自1 8 7 6 年第一根h 型钢问世至今已1 0 0 多年了，人类对h 型钢的轧制方法进 行了许多大胆的尝试，终于研制出了万能轧制法。h 型钢的轧制方法按历史的顺 序，可大致分为以下三类。 1 ) 利用普通二辊或三辊轧机生产h 型钢。这是一种最古老的生产h 型钢的方 法，世界第一根h 型钢就是采用这种方法生产的，其只能用于生产小号的h 型钢， 轧机的调整也很困难，质量也不稳定。 河北理= t = 大学硕士学位论文 2 1 利用一架万能轧机生产h 型钢。这种轧制方法是利用二辊式或三辊式轧机进 行粗轧，中轧，用一架万能轧机进行精轧。这种方法的缺点是轧辊的磨损快，一次 轧出量少，不适合生产多种尺寸规格的h 型钢。 3 ) 采用多机架万能轧机生产h 型钢。现在，世界上基本是采用多机架万能轧机 生产h 型钢。这种方法已经在世界上获得了广泛应用。具体又可分为：格林法，萨 克法，和杰普泼法几种。格林法主要特点是采用开口式万能孔型，h 型钢的腰腿 的加工是在开口式万能孔型中进行的，为有效的控制腿高和腿部加工质量，格林提 出了采用立轧孔来对h 型钢的腿尖进行加工的思路，即把腿高的压缩放在与万能轧 机一起连轧的二辊式机架中进行，现在世界各国的轧边机多采用格林这种方法，即 “h ”轧法；萨克法是采用闭口式万能孑l 型，在孔型中，轧件的腿是倾斜配置，其 水平辊可采用较大斜度，这有利于减少轧辊磨损，由于其立辊是采用带斜度的，故 可对腰腿同时进行很大的压缩，这样可以减少轧制的道次和万能轧机架数，降低设 备投资，即“x ”轧法；杰普泼法综合了格林法和萨克法的优点，对h 型钢的粗 轧采用萨克法斜配置力- 能孔型，精轧采用格林法开口式万能孔型。杰普泼法现在 我们习惯叫“x + h ”轧法。现在大多数国家的h 型钢厂是采用杰普泼法生产h 型钢【2 1 。 1 1 2h 型钢的发展现状及优势 根据使用要求和断面设计特性，h 型钢通常分为两大类：一类是作为梁型建筑 构件的h 型钢，其规格一般是从1 0 0 m m 5 0 m m ，到9 0 0 m m 3 0 0 m m ，其高度与腿 宽的比为2 ：1 到3 ：1 ；另一类是作为柱型( 或桩型) 建筑构件的h 型钢，其规格 是从1 0 0 蚴1 0 0 m m 到4 0 0 m m 4 0 0 m m ，其高度与腿宽的比为1 ：1 。目前热轧h 型钢的最大尺寸高度为1 1 0 0 m m ，腿宽为4 5 4 m m ，腰厚为7 8 m m ，单重为 1 0 8 6 k m 。对于大于1 0 0 0 m m 的h 型钢，一般采用焊接方法生产更合理。 h 型钢具有以下特点【3 j ： 1 具有相同单重时，h 型钢比普通工字钢的截面模数大，其抗弯能力大，如 i p e 系列的2 7 0 h 型钢与我国的2 2 0 普通工字钢的单重相同，但其抗弯能力大4 0 以 上： 2 h 型钢的截面设计比普通工字钢合理，在承受相同载荷的条件下，h 型钢可 比普通工字钢节约金属1 0 。1 5 ，据国外介绍，在建筑上采用h 型钢可使结构重 4 l 文献综述 量减轻3 0 一4 0 ，在桥梁上使用可使结构重量减轻1 5 一2 0 ，在国民经济建设中 产生巨大的社会效益和企业效益； 3 h 型钢具有造型美观，加工方便，节约工时等优点。h 型钢具有平行的腿 部，各种不同规格的h 型钢可以很方便地组合成各种同类型的构件，又便于机械和 焊接作业，这不仅节约金属，而且可以大大缩短建设周期：h 型钢在高层建筑、高 速公路、大型飞机停机坪、导弹发射架等巨型建筑上所体现的经济效益更加显著。 我国h 型钢生产起步较晚，早期我国完全依靠进口。为了改变这种局面，马鞍 山钢铁公司于八十年代末筹建了我国第一条h 型钢生产线并在1 9 9 4 年4 月一次试 轧成功，开始批量生产。从此，结束了我国不能批量生产h 型钢的历史。此后，鞍 山市第一轧钢厂、马鞍山钢铁公司、山东莱芜钢厂先后从国外引进了h 型钢生产线 并投入生产。 1 1 3h 型钢在我国的应用前景 1 桥梁建设需要用h 型钢 据统计，我国铁路桥梁所用的h 型部件均是采用钢板、工字钢和角钢铆焊而 成，它占桥梁总重的8 0 以上。铁路桥所用h 型钢以4 6 0 以上的为主，公路桥的主 梁一般是采用3 0 0 以上的h 型钢。随着我国的经济发展，高速铁路、高速公路、城 市轻轨、地下铁的建设会加快，尤其是桥梁的建设，据有关部门的介绍，今后我国 仅在长江流域就要建设十几座大桥，这些大桥的建设需要大量的h 型钢。 2 工业钢结构件需要h 型钢 我国的电力发展，无论是火力发电还是水利发电建设均需要不少h 型钢，如火 电站的大型承重结构，很多是采用普通工字钢与钢板焊接而成，完全可以用h 型钢 代替。我国的铁路车辆的车体主梁过去是采用工字钢，也曾采用过日本的h 型钢， 这也完全可以用h 型钢代替。我国的起重行业、衡器行业所用的工字钢也完全可以 用h 型钢代替。 3 煤矿建设需要h 型钢 据我国的煤炭建设实践，每采1 万吨煤需要用钢材2 0 吨，主要是作为支护用， 以前我国是采用矿用工字钢，u 型钢等，这些品种的钢材完全可以用h 型钢代替， 而且h 型钢比矿用工字钢性能要好1 4 j 。 4 我国的高层建筑需要h 型钢 河北理： 大学硕士学位论文 我国的高层建筑，自改革开放以来，从无到有，现在全国各大中城市已建成数 百座高层建筑，这些摩天大楼主要是采用钢结构或混凝土结构设计，其中h 型钢的 用量占总钢材用量的4 0 6 0 。 外国专家曾指出，没有h 型钢的问世就没有城市的现代化。历史也已证明，标 志人类文明的现代化工程，如：摩天大楼、高速公路、航天技术、跨海大桥的建设 都离不开h 型钢。所以发展h 型钢是历史的必然趋势【”。 1 2 计算机辅助孔型设计( c a i ) 技术 计算机辅助孔型设计( c a r d ) 是在传统孔型设计方法的基础上，利用计算机 强大的计算能力和图形显示能力，计算孔型设计所必须的参数，检验必要的限制条 件，适时地在屏幕或其它输出设备上显示设计结果。c 6 d 技术可减少人工设计时 繁琐的计算、画图等重复性工作，还能进行模拟和优化，取得优化孔型设计结果。 由于c 灿m 技术具有计算速度快、精度高、结果可靠等优点，近年来得到迅速发 展。 1 2 1 计算机辅助孑l 型设计的优点 当今轧钢技术正由以经验和知识为依据，以试错( m a la i l de r r o r ) 为基本方法的工 艺技术阶段向以模型化( m o d e l i n 曲、最优化( o p t i l n i z a t i o n ) 、柔性化( n e x i b i l i t y ) 为特征 的工程科学阶段过渡。计算机的应用对这一过渡具有决定性的意义。回顾轧钢生产 技术发展的过程可以看出：在最初阶段，轧钢生产完全是一门手艺，全靠个人经验 和生产技艺；后来工业化形成了独立的轧钢工业部门。虽然轧制理论有了一定的发 展，但主要是以现场或实验室研究的经验为依据，以试验法为基本方法。当前由于 计算机在轧钢中的应用，使轧钢技术正在向一个崭新的工程科学( e n g i n e e 血gs c i e n c e ) 阶段过渡，这一阶段是以计算机为工具对生产进行过程模拟、系统优化、自动控制 与监测，取代传统的试验法，在生产和制造之前使用计算机对生产过程、工艺参数 以及结果进行模拟并对整个系统进行优化，实现超前规划和设计，并在生产过程中 由计算机进行准确控制和严格监测，这样就使轧钢生产技术向前跨了一大步，并带 来巨大的经济和社会效益1 6 】。 将计算机辅助功能应用到轧钢生产中可以明显提高孔型设计的可靠性：传统的 孔型设计往往受到经验、理论及计算量的限制，对各种方案不能进行充分的研究、 比较和判断。设计者本身也不能充分论证设计的合理性、可靠性和优越性。采用汁 6 一 1 文献综述 算机孔型设计后，可以进行充分的研究、比较和判断，从而大大地增强了孔型设计 的可靠性m l 。 此外，还可以提高孔型设计的效率，缩短孔型设计周期，减少实际试轧次数。 对于给定的产品尺寸、形状和坯料规格，可以有多种孔型设计，但要从中选出最理 想的一种，必须进行反复计算、分析和判断。用计算机完成上述任务则可以大大提 高设计效率。如一个设计师设计一套小型连轧机孔型要用2 0 3 0 个工作日，而利用 c a r d 系统可能只需要2 个小时。 更加重要的一点是，采用计算机辅助孔型设计可以引进最优化方法，提高企业 经济效益：采用最优化方法，可以把最小能耗、最大轧机产量和轧辊磨损最均匀等 作为追求的目标函数，通过c a r d 系统做出最小能耗、最大轧机产量和轧辊磨损最均 匀的最优孔型设计，这是传统的孔型设计无法胜任的 9 l 。由于设计时的各种指标达 到了最优，轧制时轧辊消耗、电能消耗及轧机备品备件消耗最低，产品成材率最 高。 1 2 - 2 计算机辅助孔型设计的发展 计算机辅助孔型设计( 简称c a r d ) 的研究开始于6 0 年代后期，现已有大量研 究结果。最早的c a r d 系统从功能上看只能完成设计工作的个别环节：有的只能完 成计算工作，有的仅能完成画图工作，有的则仅能完成在一定生产条件下的一定的 孔型系统的某几道次孔型的设计。例如1 9 6 7 年b m c k ，j 发表的用计算机计算线材轧 机精轧机组轧制中5 5 i 咖线材的孔型，仅能计算最后8 道次椭一椭孑l 型系统，而且 计算的功能不很发达。1 9 6 9 年g e d i n ，h 发表了椭一方孔型计算机辅助孔型设计方 法。1 9 7 3 年s u p p o ，u 等发表了圆断面计算机辅助孔型设计方法，这一方法在孔型设 计中的全部有关量都可用数学方程来确定，这是计算机辅助孑l 型设计的一个重要发 展。后来，他们又将这一方法作了进一步的发展。但这个方法中的计算仍是以经验 一统计方法为基础的。1 9 7 8 年k o z o i l oh 发表了孔型设计c a d c a m 系统，把设计 数据与n c 编程结合。1 9 8 1 年n i l s s o n ，r 发表了圆钢计算机辅助孔型设计，用的也是 经验一统计模型。同年，m e t z d o r e j 发表了工字钢等孔型计算机辅助设计。1 9 8 2 年 m a u k p - j ，r 发表了计算机辅助孔型设计。此年，他在k o p p 教授指导下完成的计算 机辅助孔型设计博士论文，系统地开发了简单断面和异型断面孔型计算机辅助设计 方法，包括确定孔型尺寸和轧件尺寸、计算全部变形参数、力能参数、轧件温度等 所有重要参数和绘图功能。 河北理工大学硕士学做论文 1 9 8 2 年，前苏联c m n o n o bb k ，l i l m o bb a 等发表了他们在多年研究基础上开 发靛麓摹凝霆i 最留| 己建魏鍪设谤爨动诗算系统。这令系统中凌曩豹模蘩楚键裁多年来 用全功攀缀小化交分原理对藕型轧割过程进行研究褥崮的结栗。这个方法可竣计算 各种孔型系统轧制时金属变形( 延伸系数、宽展系数、压下系数、孔激充满度、轧 件和孔型尺寸) 、力能参数( 平均单位压力、轧制力和轧制力矩) 、允许咬入角、 稳定性所允许的轧件轴比和孔溅延伸能力利用程殿等。此外，这一悉绕还有选择孔 型系统翻镁定疑翻方案戆攘块霸验算车l 潮速凄条 拳、筑箨菠a 条 孛、转铡稳定蛙条 件、轧橇设备强度、传动电机熊力等等限翻条僚昀模块。孔型设计优纯算法采用了 动态规划法。该系统可在给寇了成品和坯料形状和尺寸、设备特性、道次数、终轧 速度后，以能耗最低为目标，优化轧制制度；也w 以在给定成品和坯料的形状和尺 寸、轧枫特性后，确定道次数濑终轧速度，以达到能耗最小、道次最少、轧制速度 最大( 产鬟激燕) 茨综台谯豫。 1 2 - 3 计算机砘型设计的类型和发腱方向 1 计算桃辅助孔型设计可概括成4 种类型： 1 ) 单一甥熊型c 蟠国：特点楚采用传统的孔型设诗方法，参数计算辫人工输入， 只戆设诗令潮嚣节，霞藏实际。匕鼗是震嚣算凝我耱久王诗算窝绘图。攀期兹c a r d 系统由于受计算机技术和轧制璎论水平的限制，多属于这一类型。 2 ) 多功能型c a r d ：特点烧全部或大部分有关激可用数学模型计算，数学模型多 为经验一统计模型。可计算孔型尺寸、轧件尺寸、变形参数、力能参数和轧制温 疫，以及绘露l 孔墅图、配辊隧等。 3 ) 多秘瓣傀亿鍪c a r d ：爨霄多凌麓鍪酶全郝特点，著在就基稿上雩l 入往饱技 术，根据不同需要按不同目标进行优化，优化目标可以是产量最高、轧制节奏最 短、能耗墩低、设备负荷均匀、连轧张力最小等铸。通常以轧制能耗墩低为目标， 有时还对能耗最低、道次最少、轧制速度最高、产凝最高等多目标进行综合优化。 多秘熊专家系统型e a 黝：专家系统是实蠲靛入工智链搜拳。强髓，c a ；t d 专 家系统正齄予发震时襄。多渤麓优位型c a r d 综合考虑了影响轧镧过箨的各种霞 素，并使熬量化，根据一定的优化目标用数学方法寻求虽优解。但怒，型钢生产是 一个复杂的过程，并不是所有的信息都适于数模化，尤其是对复杂断面型钢，按 定优化目标得到的最优解可熊并不符合实际。只有建立专家系统，让计算机能够模 掇大薮瓣爨维过程，孝簸奏委这爨e a r d 系统豹镶纯嚣标阻强。 8 1 文献综述 2 随着轧制理论及计算机技术的不断发展，c a r d 技术的发展方向为： 1 ) 数学模型更精确、齐全。轧制理论的进一步发展，为新型的c a r d 系统奠定了 坚实的理论基础。 2 ) 孔型设计的智能化、可视化。利用智能技术、模糊理论及模糊控制方法来处理 c a r d 中难于量化的问题，建立通用及专用的c u m 知识库和数据库；利用虚拟现 实等技术，让孔型设计及轧制过程模拟可视化，使设计过程具有直观性和形象性。 3 ) c a r d 成为轧钢企业c i m s 中轧钢技术决策支持系统的组成部分。c u 与 c i m s 中的其它子系统互相配合，根据订货要求设计孔型，并与轧辊计算机辅助加 工一体化，根据孔型设计的结果，通过c i m s 系统指挥加工轧辊。 4 ) 具有很强的通用性、可扩充性及易维护性。通过建立行业标准，利用面向对象 技术建立c a r d 基本的模型库、算法类库，并通过二次开发工具，摆脱低水平上的 重复劳动，避免针对具体任务开发程序的作法，使c a r d 软件通用化【1 3 】。 1 3 课题研究意义 进入二十一世纪以来，技术的发展及市场的竞争，将沿着2 0 世纪9 0 年代展开的 道路前进，危机与机遇共存。一方面，随着技术的发展速度加快和生活水平的提 高，社会对新产品的不断追求，二者的结合将给企业提供空前的机遇；另一方面， 随着技术装备及工具软件的r 新月异，新产品开发周期越来越短，有同样加工能力 的企业越来越多，竞争将更加激烈。对于轧钢企业来说，过去计划经济下的刚性生 产线越来越不适应新的形势。轧钢企业应该将传统的刚性生产线改造为柔性生产 线，以便于对市场变化做出敏捷的反应1 1 4 】。这是1 9 9 1 年美国i a c o c c a 研究所主持的2 1 世纪发展战略研讨会历时半年形成的一份著名报告中提出来的敏捷制造企业的基本 概念。敏捷制造企业强调柔性的、先进的、适用的生产制造技术必然是当今时代的 企业发展模式。 反观目前我国钢材生产企业生产现状和工厂实际的生产情况，距离对市场做出 快速反应还有一段距离。孔型设计还主要是以依靠设计人员的实践经验，采用人工 设计、刻辊、试轧、修改、再试轧、再修改的方法。其弊端非常明显，首先是设计 周期长，一套较为复杂的孔型设计系统的设计周期往往长达几个月甚至半年以上， 不但试轧钢材消耗严重，更为重要的是丧失了对市场做出快速反应的时机。这在客 观上要求有新的孔型设计方法以提高新产品上市的速度。计算机辅助孔型设计恰恰 满足了这一要求，运用计算机辅助孔型设计不仅能大大缩短设计周期，而且由于目 0 河北理：大学硕士学位论文 前计算机强大的计算能力，使得c a r d 系统可以选择一些复杂但精度较高的数学模 型，从而使设计结果更能精确地反映现场的实际情况，减少试轧次数。采用具有优 化功能的c a r d 软件更是能够设计出以前手工设计时不可能得到的最优设计方案。由 此可以得出，计算机辅助孔型设计系统是钢铁企业从传统制造向现代敏捷制造企业 转型的一个必要条件。因此，进行计算机辅助孔型设计的课题研究意义是十分重大 的【15 。 此外，能源短缺、能源浪费已经成为受世界关注的问题，钢铁行业是耗能大 户，占整个工业部门能耗的1 5 ，而钢铁产品的能源消耗已达到生产成本的3 5 左 右，由此可见，我国在钢铁轧制上节约能源的潜力很大，轧钢生产中可控部分主要 是能源消耗。节约能耗的途径大致有两个：一是引进现代化设备；二是在我国现有 设备上，采用较为节能的生产工艺。目前，我国钢铁企业的外购能源费用，已占钢 铁产品成本的2 5 4 0 ，能源费用已对钢铁企业形成很大压力。而在现有设备条件 下，通过对工艺的改造来达到节约能耗的目的则是一条行之有效的途径i l “，所以设 计时将轧制能耗最低定为优化目标，有着理论和现实两方面的意义。 1 0 2 数学模型的建立 2 1 变形温度的确定 2 数学模型的建立 轧制温度条件对金属性质及质量、变形抗力及力学条件以及孔型充满度等有很 大影响，故精确地计算它非常必要。 热轧时，轧件在加热炉中加热到出炉和开轧温度，轧制时温度逐渐降低。轧件 热损失主要是由于向环境辐射以及接触轧辊、辊道及其他设备的热交换和与空气、 水、冷却剂等对流热交换，致使轧件冷却，温度降低。另外，由于轧件塑性变形所 生热量及轧件与轧辊的摩擦热，金属在变形区内温度又有某些升高1 8 】。 实验和计算表明，冷却水热损失和轧辊热传导对轧件温度影响较小，将这部分 热损失以换热系数的型式归结到对流热系数中。故计算温度时主要考虑辐射、对流 和变形热三项。就某一道次而言，轧件从前一道次轧出，由于辐射和对流，损失了 一些热量。其热量变化为： q l = q + 瓯( 1 ) 在变形区内，热量的变化绋为可引起轧件温度升高的塑性变形热q 。，以及轧 件与轧辊接触使温度下降的热损失q ，即： 绋= q 。- q ，( 2 ) 则轧件出轧辊后的总热量为： 9 f + l = 9 f 一q j + q 。 = q j q 。一q 一+ q 。一g ( 3 ) 当到达下一架时，辐射和对流使轧件热量变化q 设轧件初始温度为，轧后由于塑性变形热温度将增加，同时由于与轧辊 接触温度又降低l ，轧后轧件温度将为1 9 0 0 】： 乃= 乃+ 昂- l ( 4 ) 每道次间，轧件由于辐射、对流而温度降低，在进入一1 道次时，轧件温度 为： 巧“= 正一( ，。+ t 二) 在变形区出口处则为 正”k 列“+ 咒“一f “ b c 梅德韦杰夫具体地给出了温度计算公式： ( 5 ) ( 6 ) 河北理：i = 大学硕士学位论文 z = 耳一1 一i m 矾。一乙+ 乙，( 7 ) 式中： 坍，一考虑对流热交换引起热损失的系数，取决于金属的温度，在1 0 8 到 1 1 8 范围内变化，m 。= 1 0 8 + o o 0 0 2 3 ( 1 2 0 0 矗小 1 辐射温降的计算 t 。击可由斯蒂芬一博尔兹曼定律计算： t 。l ( 急 4 。( 志 4 卜= g 识s ， 式中： 钢的黑度，碳钢及锰钢为o 8 0 ，低合金钢为0 8 5 ，耐火钢为0 9 0 ； 口一绝对黑体辐射系数，5 7 矽，m 2 k ； 只d 一辐射表面积，m 2 ； 乙、露一分别为金属与环境的温度，k ； ，一冷却时间，s ； e 一轧件重量，k g ； c 一比热，含c 在o 5 以下者6 9 9 ，堙置，高碳钢取6 8 2 t ，培k 。 轧制型材时，由于轧件表面积的增大加强了相互的热交换，故轧件热损失有所 降低，对此可用p 。系数进行修正。对工字钢或h 型钢矿。可取o 6 0 0 6 5 ，对工字 铁，y 。为0 6 5 o 7 0 ，对角钢，妒。为o 7 5 一o 8 0 。对上式进行积分得到如下辐射温 降计算公式： t ，砌=伍一，+ 2 7 3 ) 一 妒“ 式中： e 。厂一辐射表面积，m 2 ； ， m 一轧件截面积，n 1 2 ； 2 接触温降计算 l 可以用变形区内接触热交换的热量等于金属热焓的减少来求得，即： | i ，g = c g t ( 1 0 ) 式中： 1 2 2 数学模型的建立 k 一铁皮对热交换的影响系数； 在理想接触条件下有： q r = 辜瓦瓴一乙肝f ( 1 1 ) v 刀 式中： 五一热传导系数； 勋一轧前轧件温度； 7 卜接触变形区内温度； “一通过变形区内的时间； f 一变形区接触面积： 系数如可用下式确定： 岛= o 0 0 4 1 3 q f ，一o ，0 0 3 7 1 ( 1 2 ) 式中： 盯，一为与轧辊接触时间、铁皮厚度、表面状态及其它因素有关的热交换系 数，其经验值为： d ，= 1 0 0 0 f ，( ( m2 - k ) ) ( 1 3 ) 将式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 代入式( 1 0 ) 并取g = k 眠，k = o 3 3 ( 日+ 2 ) ，得出r 的计算公式： 对于型材轧制【2 1 】 删= 嚣c 。石4 k b 4 ” 捌：竽仃 ， ” ( 1 4 ) ( 1 5 ) 式中： c m 、b 一分别为轧件轧前轧后平均截面周长及宽度，m ； 、，一轧件平均高度以及变形区长度，m ； f ，= o 0 0 2 ，u ( 1 + 1 ，) ( 1 6 ) 式中： d 一轧制速度，1 1 1 s ； 一延伸系数。 3 塑性功温升的计算 变形功由变形热与功的当量条件确定，即 1 3 河北理工大学硕士学位论文 一= g c e 变形功可以用芬克公式计算，即 式中 爿= p 矿l n ( 日 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) p 一平均轧制单位压力，m p a ； 矿一轧件体积，矗： 日，卜分别为轧前轧后轧件高度，m m 。 取l n ( 日 ) “2 ( h 一 ) ( 日+ a ) 】 由式( 1 7 ) 和( 1 8 ) 可得： _ 0 2 8 5 篙“( 1 9 ) 结合公式( 9 ) 、( 1 4 ) 、( 1 9 ) 通过( 7 ) 可求得道次温降及轧制温度口2 1 。 2 2 力能参数的计算 h 型钢轧制原理如图1 所示： 水平辊 ，f 1 强烈巾 ww 图1h 型钢轧制原理图 f 培lg r a p h i co f h - b e a i i lm l l i n gp r i n c i p l o 对于h 型钢轧机而言，在轧制过程中其轧制压力与轧制力矩可采用如下数学模 型【2 3 矧： p 。= j i 。， o 7 8 5 + o 5 0 ( d h + d ，) 】c 。，( ，( 2 0 ) 1 4 - 2 数学模型的建立 p ，= 七一【o 7 8 5 + o 5 z 一( ，h + ，。) 】c c 研( 2 1 ) m = ( 2 肚。+ 2 5 。r 岍，) p 。，b ，。( 2 2 ) 式中： m 一第f 道次轧制力矩； 。，、七。 一分别为第f 道次h 型钢腰部和腿部的变形抗力，与钢种、变形温度、 变形程度、变形速度密切相关口5 ，2 q ： i 。= 七一p 7 s w ”s 。”、b = 七p 7 占，”勺”( 2 3 ) t - e ；= e x p 。- z 6 + ，s c + 。s 。c 2 + 三三三蔓三三竺；二兰! 笙 ) ( z 。) 式中： o 一腰部变形速度，= y o 。，s 。) ； s ，一边部变形速度，占，= y ，p s rj ； c 一材料含碳量百分数；历= o 1 3 ，仃= o 2 l ； s 。、，一分别为腰部和边部的平均变形程度； d 。、( 7 ，一分别为第f 道次的入口与出口腹板厚度，m 5 ，。、f ，一分别为第礁次入口与出口翼缘厚度，m ； c 。一第踺次h 型钢腰部的形状影响系数，q ，= 1 ( 1 7 一d 。4 ) ； c 。一第趟次h 型钢边部的形状影响系数，c = l ( 1 9 一一，f ，) 。 c k 一第f 道次h 型钢授部的张力影响系数，c 。，= ( 1 0 一o 7 5 f ，i 。，) ； c k 一第f 道次h 型钢边部的张力影响系数，c 岛= ( 1 o o 5 f ，七n ) ； k 一第f 道次水平辊接触弧长，。= 削，- r 。，m ； 岛一第踺i 次立辊接触弧长，m 。 = 乒面瓯甄面万司砸万忑日历面面司； d 厂_ 第f 道次腹板压下量，吐= d ，一d 。，； “一第f 道次翼缘压下量，f ，= r 。一r 。，m ： r 。、r 。一分别为水平辊半径与水平辊辊颈半径，m ； 卢、。分别为轧件与轧辊接触面上的摩擦系数和水平辊轴承摩擦系数； 1 5 河北理工大学硕士学位论文 0 、，。 一第f 道次水平辊与立辊的接触弧长； 目、月，一分别为孔型边部倾角、立辊半径； e一第碇次轧件内侧腰宽； c 一修f 系数，根据经验当日小于5 。时，c 可以忽略不计： c = a b ： 爿= 亿删一o 2 5 h s i n 口x f o 5 d s i n 口) s i n 口一( o 2 5 h - 月。c o s 臼) - ( o 5 d s i n 目) 曰= ( r 州一o 5 - - s i n 日) + 胄 一o 2 5 日c o s 目 由以上式子分析可知，在钢种、轧辊( 包括水平辊与立辊) 直径、出口速度以 及总的轧制道次数给定的条件下，对于h 型钢万能可逆轧机的任意礁次而言，其单 位轧制压力p ，、轧制力矩m ，、水平辊轴承的附加摩擦力矩m 。、立辊轴承摩擦力 矩转换到水平辊上的当量摩擦力矩m 。分别可以用如下函数来表示口7 1 ： p 。= 石p 。，d ，f 。，) ( 2 5 ) m = ( 谚+ z ，t 。，) ( 2 6 ) m l = f 3 q i ，d | ，t t ，t i l 肘m 。= 2 p 。r 。b ，f 。，一( 2 7 ) m m = f l q ? _ 1 ，d i ，t ? - ，t i ) m 所：堡掣丛( 2 8 ) z ，n 式中： ，一立辊轴承摩擦系数； f 一第徒次轧件边部宽度，m m ： w 一立辊角速度，r a d s 。 第提次轧机电机总功率历可以表示成口8 】： e ：竖立监些巫( 2 9 ) h 式中： 0 一第j 道次轧机水平辊角速度，r a d s ； 玎一电机效率； 由式( 2 5 ) 到( 2 9 ) 可知，如果定义了b 、三。分别为第遭次腹板与翼缘的相对变形 量，则各道次总的能耗e 可以表示为如下： e = e 忆d ，三。) 一( 3 0 ) 1 6 3h 型钢压下规程优化设计 3h 型钢压下规程优化设计 随着计算机应用技术的不断普及与提高，优化方法已经应用于各个工程技术领 域的研究、生产和设计工作。轧制压下规程是轧制工艺的基本内容之一【矧。最好 的轧制压下规程，在单位时间内轧制产品的产量最高、产品的质量最好、各种消耗 ( 包括电耗、燃料消耗、金属消耗、轧辊消耗等等) 最少。轧制压下规程是轧制工 艺的核心，对轧钢生产至关重要。对于h 型钢轧机来说，轧制压下规程主要是孔型 设计，它包括二辊开坯孔型设计和四辊h 型钢孔型设计两部分。孔型设计又包括辊 型设计和压下规程设计【3 0 】。本文主要研究的是四辊h 型钢万能轧机压下规程设计。 目前，生产中h 型钢压下规程的制定，一般还是以经验法为主。虽然采用经验 法所制定的轧制变形规程能够满