（计算机应用技术专业论文）炉卷轧机轧制规程设定模型的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 轧制规程的自动生成是轧钢过程自动化的核心内容，t l a l j 规程设定计算模型的作用是 根据板坯的规格、加热温度、目标轧材的规格、轧制过程的特殊要求等自动生成轧制规程， 通过压下制度、轧制速度等参数的设定保证最终产品的规格和终轧温度等要求，并且通过 向a g c 提供精确的预估轧制力和弯辊力等参数来提高产品的厚度命中率，改善产品的板 形和平直度。 本文分析了车l a , j 规程设定计算模型常用的算法，包括轧制力和电机转矩的各种计算方 法，轧辊在轧制力下的变形后半径的计算方法，轧件的宽展计算方法、轧件流变应力的计 算方法等。分析了轧件在轧制过程中热量流失的主要途径，给出了通过辐射、对流、传导 各种方式散热对温度影响的计算方法。在综合分析规程设定模型常用算法的基础上，本文 分析了安钢炉卷轧机所用轧制规程设定模型的轧制力计算算法、各道次负荷分配的初始算 法和负荷调整算法。阐述了规程设定模型的输入输出、模型从二级系统收到的各种工作请 求和相应触发的内部事件，详细分析了规程设定的计算过程和计算程序的流程框图。并对 模型在生产过程中的自适应参数和自适应计算的过程给出了描述。通过分析轧制规程设定 模型对现场轧件给出的轧制规程和轧制结束后反馈计算的结果，以及轧制产品的质量分析 报表，说明炉卷轧机所用的车l a j j 规程设定模型对于轧制力和电机转矩的计算比较准确，终 轧温度控制比较精确，对于提高炉卷轧线的产品质量，起到了十分重要的作用。 关键词：p d i 轧制规程负荷分配轧制力 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no fr o l l i n gs c h e d u l ei st h ec o r eo ft h ep r o c e s sa u t o m a t i o n ，t h er o l e o fs e t t i n gt h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fr o l l i n gs c h e d u l ei sb a s e do nt h es p e c i f i c a t i o n so fs l a b ，h e a t i n g t e m p e r a t u r e ，g o a ls l a bs p e c i f i c a t i o n s ，t h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fr o l l i n gp r o c e s s ，e t ct og e n e r a t e r o l l i n gs c h e d u l ea u t o m a t i c a l l y ，t h r o u g hp a r a m e t e rs e t t i n gs u c ha s t h er e d u c t i o ns y s t e ma n d r o l l i n gs p e e dt oe n s u r et h a tt h ef i n a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o na n dt e m p e r a t u r er e q u i r e m e n t s ，a n dt o i n c r e a s et h et h i c k n e s so fp r o d u c t sh i tr a t e ，a n dt oi m p r o v et h es h a p ea n dl i n e a rm e a s u r et h r o u g h p r o v i d i n ga c c u r a t ee s t i m a t a lr o l l i n gf o r c ea n dr o l lb e n d i n g f o r c et ot h ea g c t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ec o m m o n l ya l g o r i t h mo ft h es e tc a l c u l a t i o nm o d e lo fr o l l i n g s c h e d u l e ，i n c l u d i n gt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fr o l l i n gf o r c ea n dt o r q u eo fm o t o r ，t h ec a l c u l a t i o n m e t h o d so fr o l lr a d i u su n d e rt h er o l l i n gf o r c e ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h ew i d t h ，f l o ws t r e s s f o r c ea n de x t e n d n e s so ft h er o l lm a t e r i a l ，e t c t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e so ft h em a i n f u lw a y so f h e a tl o s si nt h ep r o c e s so fr o l l i n g ，a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h ea f f e c t i o na b o u tr e j e c t i o no f h e a ti nv a r i o u sw a y so fr a d i a t i o n ，c o n v e c t i o n ，o rc o n d u c t i o n b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v e a n a l y s eo ft h ec o m m o n l yu s e da l g o r i t h mo f r o l lm o d e l ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ea l g o r i t h mo fr o l l f o r c eo ft h es e t t i n gm o d e lo fr o l l i n gs c h e d u l e ，t h ei n i t i a ll o a da l l o c a t i o na l g o r i t h m sa n dl o a d a d j u s t m e n ta l g o r i t h mo fe a c ho r d e r , w h i c hu s e di nt h ea n g a n gs t e c k e lm i l l t h i sp a p e ra l s o e x p o u n d st h ei n p u ta n do u t p u to fr o l l i n gs c h e d u l em o d e l ，a n dt h ev a r i o u sw o r kr e q u e s t sa n d t h e c o r r e s p o n d i n g t r i g g e r e di n t e r n a le v e n t sw h i c h t h em o d e lr e c e i v e df r o mt h es e c o n dc o u r s es y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s i sd e t a i l l ya b o u tt h ec a l c u l a t i o np r o c e s so ft h es c h e d u l es e t t i n ga n dt h ef l o w d i a g r a mo fc a l c u l a t ep r o c e d u r e s a n dt h ea d a p t i v ep a r a m e t e r sa n da d a p y i v ec a l c u l a t ep r o c e s so f t h em o d e li nt h ep r o d u c t i o np r o c e s si sa l s od e s c r i b e d b ya n a l y z i n gt h er o l l i n gs c h e d u l eo fr o l l m a t e r i a lw h i c hp r e s e t t e db ys e t t i n gm o d e lo fr o l l i n gs c h e d u l ea n dt h ef e e d b a c kc a l c u l a t i o nr e s u l t a f t e rt h er o i l i n g , a n dt h eq u a l i t ya n a l y s i sr e p o r tf o r m so ft h er o l lp r o d u c t s ，i ts h o w st h a tt h e c a l c u l a t i o no fr o l l i n gf o r c ea n dt o r q u eo fm o t o rs e t t i n gm o d e lo fr o l l i n gs c h e d u l ew h i c hu s e db y s t e c k e lm i l li sa c c u r a t e ，a n dt h ec o n t r o lo ff i n a lr o l lt e m p e r a t u r ei sv e r yp r e c i s e ，w h i c hp l a y e da v e r yi m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n g t h ep r o d u c tq u a l i t yo fs t e c k e lm i l ll i n e k e yw o r d s ：p d i ；o p t i m i z a t i o no fr o l l i n gs c h e d u l e ；l o a da l l o c a t i o n ；r o l lf o r c e ； 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名坠一鱼日期： o g 6 。 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着我国加入世界贸易组织，我国的钢铁工业将面临着更加激烈的国际竞争，这是一 个机遇，也是一个挑战。随着钢铁行业竞争的同益激烈，高质量、高产量、低成本己经成 为现代钢铁企业得以生存的必备条件。生产过程自动化是迅速提高冶金生产产量、质量 的重要途径。近代冶会自动化的一个主要特点是应用计算机对生产过程进行全面的综合控 制。而各种板材轧机是当时钢铁工业应用计算机最为成熟而且也是最有成效的一个部门【2 1 。 中厚板是国民经济发展所必须的重要的钢铁材料，是国家工业不可缺少的钢材品种，也是 国家钢铁工业及钢铁材料发展水平的一个重要标志。从世界工业化国家来看，中厚板的需 求量约占钢材总量的1 0 至1 6 ，而我国的中厚板近年来一直占钢总产量1 3 左右，比例 呈一定的上升趋势，2 0 0 3 年升至1 3 4 9 。近年来，国内中厚板增长更快，己投产的中厚 板企业进行技术改造，还有多家企业投资筹建新的中厚板轧机。国内先后有河北文丰中厚 板、宝钢宽厚板、新余中板、首钢秦争岛、韶钢中板、湘钢中板、安钢炉卷轧机、临钢中 板等项目投产。更多中厚板企业的投产促进了国民经济的发展，同时对中厚板行业也提出 了更高的要求，因而促使了中厚板轧机设备改进、轧钢的自动化控制和生产工艺水平的相 应提耐3 1 。 中厚板轧机的轧机设定模型系统适应了产品高质量、高精度和高性能的要求，提高企 业生产效率、降低生产成本。随着轧机设定模型系统的不断改进，它己经成为现代轧机自 动化控制系统所必不可少的组成部分【4 】，它的主要作用是根据板坯和产品目标规格、加热 温度等参数合理设定整个轧制规程，并准确预报每个道次的轧制力、转矩等参数，从而提 高产品质量，降低设备损耗【5 】。本文所介绍的炉卷轧机可逆轧机设定模型就是作为整个轧 机自动控制系统的一部分，由t m e i c 公司为安钢炉卷轧机提供。安钢炉卷轧机计算机自 动化控制系统从2 0 0 5 年1 月开始调试，至2 0 0 5 年9 月底投入试生产，其轧机设定模型也 同期投入使用。炉卷轧机从投产到现在，依托先进的模型控制系统，先后成功开发出了高 强度低合金钢、管线钢、高层建筑用钢等高端产品。通过分析并掌握模型控制系统，将其 用于产品质量的提高和新产品的开发，对于提高安钢炉卷轧机的经济效益具有很大的帮 助。 1 2 轧制规程设定模型的发展历程及现状 同其他各种技术的发展一样，轧机设定模型的发展也经历了由粗到精、由低到高的发 展过程。板带轧机轧制规程设定从轧机诞生起，直到由计算机完成各种复杂的计算设定， 其发展过程是随着对板带尺寸精度要求越来越高而相应发展起来的，板带轧机轧制规程设 定和其相关控制的发展大致可以分为以下几个阶段： 第一阶段是2 0 世纪三十年代以前的人工操作阶段，近代轧制理论还处于孕育萌芽时 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 期。这一阶段的轧机装机水平较低，厚度控制是以手动压下或者简单的电动压下移动辊缝 方式为主。由于当时各种检测手段尚不完善，轧机辊缝的预摆和轧制中的实时调节主要是 凭操作人员的经验进行的。轧制理论仅在这一阶段的后期才刚刚开始建立，远远没有达到 应用的程度，单回路调节的自动控制理论，尚未应用于控制轧机这类比较复杂的机器，由于 轧制过程是一个非常复杂的物理过程，轧制条件和状态不断发生变化，单凭经验操作很难 达到较高要求，致使轧机的各项技术经济指标都比较低【6 】。 第二阶段是二十世纪三十年代到六十年代，是轧机的常规自动调整阶段。1 9 4 9 年厚控 方程的提出，以及1 9 6 5 年由于计算机自动厚度控制的带材轧机的建成投产是厚度控制技 术出现的标志。这个阶段轧制理论以力学为基础，研究轧件变形规律，进入以力学和控制 论为基础研究轧件与轧机相互作用变形规律。该阶段中控制理论的发展和完善为板带轧机 的厚度控制和规程设定奠定了基础。同时，随着自动调节理论和技术的发展，并逐步应用 于轧制过程，使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动调节阶段。1 5 9 2 年，英国的 h e s e n b e r g 等人，根据出1 ：3 板厚决定于轧机弹性曲线与轧件塑件曲线交点而推导出的出口 板厚表达式，奠定了板厚控制的理论基础。采用此种方式的厚度控制系统，在轧制过程中 通过测量f l n 压力和空载辊缝，利用弹跳方程计算出任何时刻的实际轧出厚度，这种情况 下，就等于把整个机架作为测量厚度的“厚度计”。这种间接测量厚度的方法，克服了x 射线测厚仪传递时间的滞后，使厚度控制的响应时间大为提高。以x 射线测厚仪侧后和“厚 度计”式测厚，以模拟量和逻辑量的组合进行执行机构的控制，是这一阶段厚度控制的特 点，由此构成的自动调节系统可对c l * l j 过程进行有效的实时调节，从而改善c l * l j 过程的稳 定性，提高板带材产品质量以及简化操作等方面都取得了明显的效果【7 】【8 】【9 1 。 从二十世纪六十年代起，随着计算机技术的发展及应用，计算机技术丌始逐步渗透到 钢铁制造业，使板带产品的生产发生了变革，形成了6 0 至8 0 年代的计算机控制阶段，即 板厚控制的第三阶段。以弹跳方程为基础的厚度自动控制理论得到广泛应用【l o 】。计算机在 板厚控制中的应用首先是在热连轧设定上开始的。穿带过程中，根据被轧材的各种情况， 要求快速、最优设定各机架的出口厚度、辊缝值以及c l n 速度等，必须引进计算机运算才 能完成。1 9 6 0 年美国麦克劳恩钢铁公司的带钢热连轧机采用了计算机进行轧制规程设定 控制，从此计算机开始应用于轧钢生产。促使板带产品的生产发生了变革，形成了六十至 八十年代的计算机控制阶段。这一阶段的热连轧机轧制出口厚度7 m m ，带材精度控制在 5 0 纳米以内可达8 0 以上。热轧产品质量有了相当程度的提高，而且在节省人力、简化操 作上均有较大提高】。六十年代后期，在板带轧机的控制上，逐步过渡到了以计算机设定 和以微机进行d d c 过程控制阶段，并且将这种控制方式大量应用于冷连轧机。七十年代 起，液压厚度控制技术的应用，使板厚控制技术产生了重大变革。液压自动增益控制的响 应速度比电动自动增益控制快2 个数量级以上。由于液压技术与计算机技术的结合，使这 一阶段的板厚控制技术大大地向前迈进了一步，并且在这一阶段地大部分旧式控制方式的 轧机都进行了新技术的改造【1 2 】。 上世纪八十年代术至今，轧制控制技术向着大型化、高速化、连续化的方向发展，成 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 为轧制规程计算机设定和轧制过程控制技术发展的第四个阶段。这一阶段已将板厚板型控 制的全部过程溶入计算机网络控制的自动化级和基础自动化级。在过程控制级的控制中， 一方面采用最优控制、多变量控制、自适应控制、预测控制等控制理论的最新成果，以追 求控制性能的更高水平。另一方面采用人工智能、模糊控制、神经网络等知识工程的手法， 以追求系统的灵活性和多样性。以上两方面的不断追求融合在一起，丌发出高精度、无人 操作的轧制自动控制系统是这一阶段轧机的目标。从9 0 年代丌始，人工智能的应用为轧 制理论的发展揭开了新的篇章。人工智能从新的视角去处理轧制过程中遇到的实际问题， 引发了轧制过程研究中观念上的一场革命，为轧制理论发展树立了新的里程碑。人工智 能在轧制领域一出现就是与应用密切联系在一起的。短短数年问，它已经成功地应用于 板坯库管理到加热、轧制、精整、成品库整条生产线的各个环节，完成管理、参数预报、 过程优化、监控等多方面的工作。这f 是人工智能近年来颇受轧制工作者青睐的原因。 1 3 安钢炉卷轧机的工艺装备及工艺流程 安钢炉卷轧机始建于2 0 0 3 年，于2 0 0 5 年9 月底建成投产，整条轧线的机械设备由意 大利达涅利公司设计，电气自动化由t m e i c 公司总包，包括传动、一级自动化和过程自动 化系统，是一条装备了国际上先进轧钢生产装备的先进生产线，其主要生产装备如图1 1 所示，整体轧线主体设备包括： l 、一座步进梁式加热炉，由中冶赛迪公司总包，可加热最大板坯规格为 3 2 5 0 姗x1 8 0 0 0 n 1 i i l x1 5 0 m m ，最大单块板坯重量6 5 吨，加热能力为冷装最大2 5 0 吨小时， 热装最大3 5 0n 屯d , 时； 2 、板坯除鳞机，双排除鳞喷嘴，工作压力1 8 至2 0 兆帕，喷嘴高度可调节； 3 、带立辊的3 5 0 0 四辊可逆轧机，轧机装备有液压弯辊装备、液压a g c 装备、液压a w c 装备； 4 、两座用于卷取轧制的卷耿炉，主要用于薄规格轧件在轧制过程中的保温，可以有 效降低轧制过程中的温降和同板温差，有利于降低成品的同板差； 5 、轧机后飞剪，用于卷轧前轧件的切头切尾和s l n 中最后道次母板的分断剪切，在 最后道次将轧件剪切为满足定尺要求、冷床长度限制的母板； 6 、层流冷却装备及冷却辊道，可以用于最终轧件的层流冷却或者轧制过程中的层流 冷却，用于轧制过程中的冷却可以有效降低轧件的待温时间，提高轧机的作业效率和机时 产量；用于成品的层流冷却可以明显改善钢板的机械性能，热机轧制配合层流冷却，可以 在节省合金原料的基础上得到机械性能良好的钢板，是目前国际上先进板材生产线的必要 装备： 7 、热矫直机，九辊式热矫直机，用于热轧后钢板的矫直，通过使轧制后的钢板在热 矫直机辊缝中反复弹性变形，消除钢板在s l n 中或经过层流冷却后产生的残余应力，得到 板形良好的钢板； 8 、两座滚盘式冷床，包括液压装钢臂和液压下钢臂，用于轧后钢板或层流冷却后钢 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 板的自然空冷，冷床所能容纳的最大母板长度为5 0 米； 9 、双边圆盘切边剪、滚切式定尺剪、摆式定尺飞，用于母板的精整剪切，包括将母 板的边部剪切后达到客户要求的宽度，将母板切割为客户要求的定尺长度； 1 0 、垛板台、冷矫直机，垛板台用于将经过剪切后的最终钢板堆垛整齐然后入库，冷 矫直机用于矫直有板形缺陷的钢板，主要用于一些高强度钢种的生产。 炉卷轧机工艺流程图 入出 口口 1 号2 号冷床 1 号2 号玲床 可：高温计，分别位于除鳞机后、轧机入口、轧机 出口、层流冷却辊道入口、层流冷却辊道出口处 图1 1 安钢炉卷轧机工艺设备及流程图 1 4 安钢炉卷轧机的自动化控制系统 安钢炉卷轧机的电气自动化系统由t m e i c 公司总包，控制范围包括计算机过程控制系 统、电气p l c 控制系统、现场仪表、传感器的数据采集系统、传动单元的控制系统等，所 有这些系统构成一个完整的轧线自动化控制系统。如图1 2 所示，整个电气自动化的网络 体系结构包括如下几部分： 1 、s u p e r v i s o r 监控网络，这个网络上的主机有轧机设定服务器、数据库服务器、h m i 服务器、p l c 编程服务器、一级工程师站、所有的现场操作终端以及所有p l c 主站的以太 网模板，通过这个网络，各个现场操作终端和h m i 服务器服务器通讯，下发操作员的操作指令 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 和显示现场设备的状态；一级工程师站通过这个网络和p l c 编程服务器通讯，然后p l c 编 程服务器通过这个网络将程序的修改传到各个p l c 主站的以太网通讯模板，完成一级p l c 的编程和程序监控。 s u p e r v l s o r e g dn e t w o r k 蚶埋圈 呈竹i 塑 未一髓 t o s e l i n en e t w o r k tu 匾图 圈o 一- _ * h 。u 匾豳。u 陆嗣 o o o o o o 图1 2 安钢炉卷轧机自动化系统框图 2 、e b d 网络，即以太网全局数据网络，这个网络是t m e i c 自动化专用的网络协议的一 部分，轧机设定跟踪服务器、h m i 服务器、2 号p l c 机架上的c 3 模板都连接到这个网上， 它们通过这个网络取得现场设备的状态数据，并将计算机系统的指令下发给一级p l c 系统。 3 、t cn e t1 0 0 网络，这个网络是电气p l c 的主干网络，所有这个网络上的7 个p l c 主站通过这个网络传送数据，完成电气逻辑的连锁控制。2 号p l c 机架上的c 3 模板同时连 接在t cn e t1 0 0 和e g d 网络上，并且在c 3 模板上运行着一个t c n e te g db r i d g e 程序， 这个程序负责将t cn e t1 0 0 上的电气信号翻译后发送到e g d 网络，同时将e g d 网络上的 信号翻译后发送到t cn e t1 0 0 网络上，完成二级网络和一级p l c 网络之间的通讯。 4 、现场i o 总线d e v i c e n e t ，每个p l c 主站一般都只包括电源模板、c p u 模板和各种 通讯模板，i o 模板一般都安装在远程i o 机架上，远程i o 通过现场总线d e v i c e n e t 、 现场总线通讯模板d n 3 2 1 与c p u 模板通讯，完成现场设备的控制和设备状态的监控。 5 、t o s e l i n e 网络，这个网络是东芝传动装置的专用控制网络，p l c 机架上的传动控 制模板通过t o s e li n e 网络，将控制字传送到传动控制装置上的通讯模板，完成对传动装 置的控制，从而控制现场电机等传动设备的启动、停止、升速、降速等控制，完成主电机、 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 辊道电机的控制。 通过这几种网络之间数据的通讯，实现整个轧线的电气自动化控制，位于轧机设定跟 踪服务器a n y s u p 上的模型系统，通过数据库访问进程获得轧件的p d i 数据、模型表数据； 通过e g d 网络获得操作员的模型设定数据，通过现场检测元件获得轧件的温度数据和位置 数据，然后通过模型的计算得到轧件对应的轧制规程，并将轧制规程通过图形化界面显示 到操作员的h m i 界面上。在整个轧制过程中，操作人员可以通过h m i 直观地看到轧件在轧 线的位置、轧件对应轧制规程的各个道次的轧制参数、轧机在轧制过程中设备的动作情况 等过程。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章轧机设定计算及主要数学模型 中板的轧制过程的一个显著特点是由机械、电子、液压控制系统和轧件( 工艺参数) 间 的紧密联系，形成一个复杂的综合控制系统。机架的纵向和横向弹性变形以及工艺参数变 动都将通过轧制力影响成品厚度和成品断面凸度( 板形) 。各种工艺参数影响各道次轧件的 弹性变形和塑性变形，反过来轧件的变形情况又影响前滑、后滑、轧制力和轧制力矩等工 艺参数，最终影响出口和入口速度。这些情况决定了轧制过程极其复杂，在轧钢生产 中，坯料经过各机架轧制，产生塑性变形，最终轧制出符合要求的产品，这一系列的轧制 过程都是按着坯料进入轧机前设定好轧制负荷进行的。因此为了使轧钢生产能够达到优 质、低耗，需要对各轧制道次进行合理的负荷分配。 所谓负荷分配就是在一定的轧制条件下，在给定轧机机电设备性能的清况下，根据来 料的初始数据( 钢种、厚度、宽度、温度等) 和要求的成品规格，合理分配各轧制道次的压 下量。因为在一定轧制条件下，各道次的压下量分配确定后，每个道次的入口厚度、出口 厚度、轧制力、力矩、功率、轧制速度等主要参数就确定了，因此，所谓负荷分配就是各 道次压下量的分配。负荷分配是轧制规程设定计算的中心环节，因此对负荷分配进行优化 计算有必要对设定计算和相关数学模型进行分析。中厚板轧机轧制规程设定计算的内容， 包括根据来料条件对成品的要求，通过模型的计算，确定各道次的压下制度、速度制度和 温度制度。首先要确定各道次的压下制度，然后才能按轧制条件确定各道次的轧制速度。 根据丌轧温度及轧制过程的温度降，计算各道次的轧制力g n 车l n 力矩，如果不满足工艺及 设备要求，再进行修正。设定计算的主要计算内容有【l3 】： ( 1 ) 计算各道次的负荷分配，即在合理分配负荷的前提下，确定各道次的出口厚度或每 道次的压下量； ( 2 ) 计算各道次的轧制温度； ( 3 ) 根据最大生产率和对中板终轧温度要求，并且考虑轧件咬入的稳定性，确定每道次 的轧制速度； ( 4 ) 计算轧制力和轧机的弹跳值，决定空载辊缝设定值； ( 5 ) 确定其它操作变量( 各道次的弯辊力、单位张力等) 。 数学模型是设定计算的基础，模型的精度直接影响了计算结果的准确性，下面将介绍 本文中用到的轧机设定计算的主要数学模型。 2 1s l a u 设定模型及参数计算 中板轧机轧制规程设定是计算机控制的主要功能之一，其主要任务是根据来料条件( 钢 坯温度、钢种、带钢厚度和宽度等) 和成品要求( 厚度和终轧温度) ，确定各道次的空载辊缝 和速度，其中心问题是合理分配各道次的压下量，确定各道次实际轧出厚度，亦即确定各 道次的压下规程。由于控制是在设定的基础上进行的，因此工作点参数即为各道次设定参 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 数，这就需要用到设定模型来确定所需设定参数，下面我们就来详细讨论一下模型的设定 和各参数的计算。 2 1 1 轧制力和轧制力矩模型 轧制力是轧制规程设定计算中最重要的参数，是辊缝设定和厚度自动控制的依据，也 是板形控制和最优控制的基础，而轧制力矩是极限校核的必须数据。轧制力、轧制力矩计 算公式的基本形式分别为【l i 】： p = b t ：q p k 2 1 m = 2 p d ) ： 2 2 式中：口一板带宽度； 疋一考虑压扁后的接触弧长度； q p - - 外摩擦( 应力) 影响系数，g = ( ，鲁) ，k 为轧制前后的平均厚度； 足一平面变形下的变形阻力，k = 1 1 5 0 。 尸一轧制力，单位为k n ； m 一轧制力矩，单位为n m ； 盯一金属塑性变形阻力，盯= 厂( 占，t ，“。，c ) ，即为变形程度，变形温度和变形 速度的函数，c 表示化学成分； 一力臂系数，通常取o 3 9 到0 4 4 之间。 2 1 1 1 考虑压扁后的接触弧长度，：的计算模型 ，：= ra h 2 3 r 、1 + 2 2 x1 0 - s 土b a h ) 2 4 式中：r 一轧辊半径，单位m m ； 尺一考虑压扁后的轧辊半径，单位m m ； 办一压下量，单位m m 。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 1 1 2 外摩擦( 应力状态) 影响系数绯的计算模型 影响应力状态的因素有很多，概括地分为以下几类：工具形状和尺寸的影响；外摩擦 的影响；外力的影响：轧件几何尺寸的影响。这些因素复杂而且相互影响。因此，在研究 时必须选择好合理的参数，各种轧机轧制条件的差别，主要反应在轧件厚度、压下量和轧 辊半径等参数的不同比例上，据现有研究结果表明，影响轧件应力状态的主要参数是，：j l l ， 它综合反映了r 、h 、a h 三个主要参数对变形区应力状态的影响。同时，变形程度也对应 力状态有影响。因此，可将外摩擦影响系数表示如下【1 5 】： ， o p = 厂( 占， ) 2 5 ，z m 其常用的计算公式有以下几种： ( 1 ) 西姆斯公式： 热轧中目前使用最广泛的轧制力理论计算公式就是西姆斯公式了。西姆斯公式是以 奥罗万理论公式为基础，并假设热轧时在整个变形区轧辊和轧件接触表面上都不产生相对 n 滑动，因而简化了变形区单位压力平衡微分方程式，解析的得到了计算轧制力所用坼的计 算公式。这一理论公式，目自玎在美、英、只等国家热连轧计算控制数学模型中得到广泛的 应用。其公式如下【1 6 】： q p = 摆，亡一摆- n 链增。1 周一三 2 6 其中： 等小争 肌压陟压掣一s 调 龀6 硼一斯籼p 斗丹 由于西姆斯公式比较复杂，不便于计算机在线控制轧钢生产，因此，很多学者发表了 西姆斯公式的简化式，其中比较著名的有以下几个【1 7 1 ： 志田茂公式： 卿8 + c 睁o s 2 7 其中： c = 0 4 5 s + 0 0 4 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 驴和2 5 苦 2 8 柯林特里公式： g - o 乃+ 0 2 7 苦 2 9 同立公式： q v = 0 8 0 6 2 - 0 3 0 2 3 占+ ( 0 肼9 + o 5 5 s o 2 2 4 6 s 2 ) 鲁 2 j 。 为了比较各种公式的精度，孙一康等人经过全面计算后认为，希姆斯公式简化式采用 驴水摆 的结构最好，其精度较高，结构简单。上面所列的美坂佳助公式和柯林特 旱公式比较接近，但是因为忽略了变形程度的影响而降低了计算精度。在此基础上，孙一 康等人提出了以下三种简化式，既保i i f t 计算精度又便于计算【1 8 】。 q p = 0 8 0 4 9 - 0 3 9 9 3 e + ( 0 “8 8 + o 。3 9 3 占+ o 唧2 占2 ) 丢 2 m q p = 0 8 2 0 5 - 0 3 7 6 8 舌：+ ( o 2 3 7 6 + o 6 s ) 每 2 m q p = 0 8 0 9 9 - 0 3 5 1 如+ ( o 。3 6 8 + 。4 3 2 2 s 一。2 4 3 9 占2 ) j 鲁 2 1 3 ( 2 ) 采利科夫公式： 采利科夫根据k e r m a n 变形区为平断面假设的理论，又采用一系列假设，滑动摩擦理 论；k 为常数等，导出了q 。的计算公式： 驴矧( 水h rh r ) 5 一 式中：万：丝 ( 3 ) 艾克伦德公式： 艾克伦德提出的计算公式如下： q p = 14 - 坐訾 该公式的适用范围为温度不低于8 0 0 和锰含量不高于1 。 2 1 4 2 1 5 用该公式计算轧制力时， 武汉科技大学硕士学位论文第l l 页 流动应力公式必须采用配套模型，u j 。能使轧制力计算模型组计算出来的精度较好。 ， 上述几种公式中，一般认为采利科夫公式的计算结果偏高，尤其是在 3 以后比较 h 。 明显，究其主要原因还在于推导该公式时所作假设与实际热轧情况不符造成。公认比较准 确的模型还是西姆斯公式，因此被广泛应用于热轧计算。但是其结构比较复杂，不便于计 算机在线控制轧钢生产。而一些简化式则有结构简单而且精度不降低的优点，其中比较著 名的是同立公式和孙一康回归式【i s 】。 2 1 1 3 变形抗力对轧制力的影响 轧制过程中，变形区应力状态对轧制压力的影响，相对于金属塑性变形阻力来说，是 比较稳定的，变化范围较小。而金属塑性变形阻力的波动，受到变形温度的影响却异常显 著，温度的任何波动，对轧制压力影响较大【l6 1 。金属塑性变形阻力是指单向应力状态条件 下金属材料产生塑性变形时所需的单位面积上的力。它的大小决定于金属的化学成分和组 织状态、变形温度、变形速度、变形程度以及与这些有关的各个过程，如j m - r 硬化、再结 晶、动态恢复、静态恢复等。目前，对上述影响因素的研究，主要采用各种实验方法。在 获得各因素对变形阻力影响的实验数掘的基础上，寻求其影响变形阻力的一般规律并采用 其相应的系数的考虑方法，回归得到其影响系数的值【1 7 】。在6 0 年代以前，各国学者对热 轧会属塑性变形阻力的研究成果大多用实验曲线的形式表示。在6 0 年代以后，尤其是7 0 年代以来，由于电子计算机的普及，计算机广泛应用于控制轧钢生产过程，采用常规做出 的金属塑性变形试验曲线，直接用于计算机在线控制，在使用上非常不便，甚至是不可能 的。所以，金属塑性变形阻力数学模型，随着电子计算机参与对轧钢生产过程的控制应运 而生。 采用凸轮式高速形变试验机试验测定所得的，各种变形条件下，变形阻力与变形温度、 变形速度和变形程度的关系曲线。在一般的工程计算中，由试验曲线所查得的变形阻力已 能满足要求。但为了适应计算机在线控制对变形阻力数学模型的要求和进一步提高计算精 度，把钢和合金在高温、高速下测定得到的变形温度、变形速度和变形程度对变形阻力的 影响，选择合适的变形阻力数学模型，以各钢种为单位，采用非线性回归，得到各回归系 数值。 车l a , j 力、功率和前滑模型计算精度的提高在很大程度上依赖于材料变形抗力的确定。 轧制过程中，变形抗力一般由以下因素决定：带钢本身的固有性能、变形温度、加工硬化特 性、变形速度以及外部施加的张力等。因此，在计算材料的变形抗力时必须考虑这些因素 的影响。 流变学是力学的一个新分支，它主要研究材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件 下与时间因素有关的变形和流动的规律。流变学出现在2 0 世纪加年代学者们在研究金属 等工业材料性质过程中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这 些材料的复杂特性，于是就产生了流变学的思想。英国物理学家麦克斯韦和丌尔文很早就 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时问效应。麦克斯韦在1 8 6 9 年发现，材料可以 是弹性的，又可以是粘性的。对于粘性材料，应力不能保持恒定，而是以某一速率减d , n 零，其速率取决于施加的起始应力值和材料的性质。这种现象称为应力松弛。许多学者还 发现，应力虽然不变，材料棒却可随时间继续变形，这种性能就是蠕变或流动。经过长期 探索，人们终于得知，一切材料都具有时问效应，于是出现了流变学，并在2 0 世纪3 0 年 代后得到蓬勃发展。 流变应力是由于在热轧过程存在再结晶现象而出现的。热轧时破碎晶粒畸变能提高， 抗力上升，产生加工硬化。但同时，高温下畸变晶粒产生回复和再结晶，晶粒内部排布得 到规整，畸变能大大下降，抗力也随之下降。这时计算的抗力称为流变应力。它与变形程 度、停留时问、保持温度都有密切关系，计算较为复杂，但效果还令人满意。 随着计算机技术在轧钢生产中的广泛应用，利用计算机数值模拟技术将热连轧过程中 带钢流变应力与再结晶及结晶组织演变结合起来去精确描述这一过程，并用于在线预测， 从而为优化热轧工艺规程提供依据，这涉及到再结晶动力学、结晶组织演变及流变应力模 型，是一个比较复杂、综合性较强的工作，对热连轧过程中奥氏体再结晶、流变应力、奥 氏体结晶组织演变等过程进行预测，热变形过程中的动态再结晶及变形后的静态、亚动态 再结品行为是影响热流变应力的重要因素，并对随后的奥氏体相变行为产生影响，因此， 建立奥氏体再结晶动力学、结晶组织演变模型，不仅有助于制定合理的热轧工艺，而且是 建立热轧板带组织性能预测模型的重要基础，对于* l n 力的确定有着重要的影响。 在有的模型中，变形抗力的计算公式如下： o e x p 蚴( 矿坩4 k 甜七。叫( 刮 2 舶 式中： t ：= t + 2 7 3 1 0 0 0 吼一基准变形阻力， 位m p a ； f 一变形温度； ”一变形速度； 2 1 7 t = 1 0 0 0 。c ，7 = o 4 和u = 1 0 s 1 时的变形阻力，单 y 一变形程度( 对数应变) ； 口- 口e 一回归系数，其值取决于钢种； 2 1 2 轧件温度演变计算模型 轧件的温度是轧制过程中的关键因素，准确地预报轧件在各个时问点的温度是轧制设 定模型准确预报轧制力、转矩，合理分配轧制舰程的基础。轧件在* l n 过程中的热量变化 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 方式主要有辐射传热、钢板向冷却水的传热、钢板向空气传热以及向轧辊导热等多种传热 过程，还包括在轧制过程中的变形热【1 9 1 。对于较厚的轧件，还要通过计算钢板内部的热传 导来准确得到轧件的平均温度。计算各种散热方式流失的热量的计算方式如下： 2 1 2 1 辐射传热模型 对于钢板因为辐射损失的热量，主要考虑其上下表面向周围环境辐射引起的热量损失 q 。触，可以用斯蒂芬一玻尔兹曼方程来表示2 川： 绯妇= 腑么p i e c e a 删一，) 2 1 8 式中： g 肌一钢板的热辐射系数，模型对带钢表面的辐射率按与带钢的厚度成线性 关系进行处理，通过对带钢表面辐射率的厚度修j 下考虑带钢内部在厚 度方向上的导热过程； c ，一，耐一周围环境的绝对温度； t s u r f 一钢板的表面绝对温度； a p i e c e 一钢板的表面积； 旷斯蒂芬一玻尔兹曼常数。 2 1 2 2 冷却水对流传热模型 钢板和冷却水接触造成的热量损失是通过钢板上下表面冷却水的对流传热造成的，假 设钢板所有的热量损失全部转移到了冷却水中，则损失的热量q 口可以由以下牛顿对流方程 计算2 2 】： q p = 一q ，= - h ，a ，伍，一一l ) 2 1 9 式中： q 。一冷却水带走的热量； 五。一冷却水的传热系数( 它与钢板表面节点的平均温度、冷却水的流量等因素密 切相关，是一个比较复杂的难以直接确定的系数，需要在现场根据实测数据加以 分析来确定) ； 么。一钢板和冷却水的接触面积； 瓦卅一钢板表面的绝对温度； 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 瓦一冷却水的绝对温度。 2 1 2 3 内部热传导模型 钢板内部热传导使用有限差分方程来计算，在轧件从加热炉n 车l 机输出辊道的过程 中，模型计算并保存每个节点的温度。节点间距随轧件厚度的变化而变化，一般中心节点 之间的间距大于靠近表面节点之间的距离，相邻节点之间传递的热量可以用一维传导方程 表示【2 3 】： q ：一c 4 8 2 2 0 c 两 即： 纵川2 枷川+ l ( 正一互+ 1 ) d 2 2 1 式中： q + l 一从节点i 到节点i + l 的热流量比率； l 卜热传导系数； 彳川+ 。一节点i 和节点i 一1 之间的接触面积； d 一节点之间的距离； 正和巧。一节点i 和节点i + l 的温度。 2 1 3 空载辊缝设定模型 板带材轧制的过程即使轧件产生塑性变形的过程，又是轧机产生弹性变形( 即所谓弹 跳) 的过程，二者同时发生。所谓轧机的弹塑性曲线就是轧机弹性变形曲线与轧件的塑性变 形曲线的总称，也就是将轧机弹性曲线和轧件塑性曲线绘制在同一坐标内所形成的曲线图 【2 4 】，即p - h 图。 设轧件进入辊缝前，原始辊缝等于s 。；轧件进入辊缝，丌始轧制以后，在c l n 力尸的 作用之下，工作机座会产生弹性形变，使辊缝增大，从而使得与轧件接触的轧辊形状呈现 凹形。弹性变形的结果使得实际压下量减小，轧件的出口厚度大于空载辊缝值。轧后轧件 厚度为： h = s o + 2 2 2 式中： j i l 一轧件厚度( m m ) ： & 一轧辊空载辊缝( m m ) ； 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 ，一机座弹性变形( m m ) 。 图2 1 表示了轧