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东北大学硕士学位论文 摘要 热连轧机组粗轧机短行程控制技术应用及其优化 摘要 带钢的宽度精度是热连轧带钢产品质量的重要指标之一，良好的宽度 精度不仅可以提高产品的成材率，而且将给热轧用户及后部工序创造更好 的生产条件，因此热连轧带钢的宽度控制技术在轧制技术中占有重要的位 置。本文以服务生产现场为目的，在轧制技术经典理论的基础上，结合现 场工艺和实际数据，利用人工智能技术处理宽度控制中的复杂问题，力图 摆脱依靠经验确定模型参数的束缚，为热连轧机组短行程控制提供理论依 据，从而提高宽度控制的水平。主要包括以下内容： ( 1 ) 短行程控制基本思想：根据大侧压调宽时板坯头尾部收缩曲线， 使立辊轧机的辊缝在轧制过程中不断改变，其变化曲线与之对称且相反， 以补偿侧压失宽量，使减宽量减少到最低限度。在本钢热轧厂短行程控制 曲线采用两段直线。 ( 2 ) 利用数学模型对轧件端部宽度变化进行了模拟计算，结果表明经 立轧、水平轧制后轧件头部宽度变化基本上随着减宽量增加而增加，而尾 部宽度变化随着厚度压下量的增加而明显增加，同时与减宽量的关系较小， 这也是短行程控制的基础变形行为。 ( 3 ) 从生产现场的实际情况出发，将轧件宽度变化数学模型应用到整 个粗轧过程，利用遗传算法对粗轧短行程控制进行优化，解决了传统方法 难以解决的短行程优化问题，为控制参数的选择提供了理论依据。结果表 明利用遗传算法可大大优化短行程控制参数，提高中间坯端部宽度控制精 度，减少切头切尾损失，是短行程控制实现从经验到理论计算的跨越的一 个有益的尝试。 关键词热轧带钢宽度控制短行程遗传算法 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i m i z a t i o n & a p p l i c a t i o n o f s h o r ts 订o k ec o n t r o lt e c h n o l o g y f o r r o u g h i n g s t a n d so f h o t s t r i pm i l l a b s t r a c t w i t hp r e c i s i o ni so n ei m p o r t a n tq u a l i t yo fh o ts t r i p g o o dw i d t hp r e c i s i o n c a nn o to n l yi m p o v et h eo u t p u tc o e f f i c i e n to f p r o d u c t i o n , b u ta l s ob r i n gc u s t o m e r a n dt h ef o l l o w i n gp m c e s so fb e t t e rp r o d u c t i o nc o n d i t i o n s ot h et e c h n o l o g yo f w i d t hc o n t r o lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr o l l i n gt e c h n o l o g y t h e s i s ，b a s i n go n c l a s s i c a lr o l l i n gt h e o r ya n d c o m b i n i n g w i n lt h ed a t af r o ma c t u a lp r o c e s s a i m sa t s e r v i n g t h e a c t u f l p r o d u c t i o n a n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ew a s u s e dt od e a lw i t ht h e c o m p u l s o r yp r o b l e mo fw i d t hc o n t r 0 1 i t d o e s n td e p e n do ne x p e r i e n c et o d e t e r m i n et h ec o e f f i c i e n to fm a t h e m a t i c sm o d e l ，b u tt r yt of i n dt h et h e o r e t i c a l d e p e n d e n c eo fs h o r ts t r o k e ( s h s t ) c o n t r o la n df i n i s h i n gw i d t hs p r e a d i n g t h r o u g hs t u d y i n ga n d f u r t h e rt oi m p r o v et h ew i d t hc o n t r 0 1 t h er e s u l t sp r o v et h a t u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i n l j z es h s t c o n t r o la tr o u g h i n gs t a n d sd om u c h h e l pt o w i d t hc o n t r 0 1 h i 【g hp r e c i s i o nw i d t hc o n t r o li sm a d ep o s s i b l e t h e p r i m a r y c o n t e n t si nd e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i cc o n c e p to fs h o r ts t r o k ec o n t r o l ：a c c o r d i n gt ot h es l a pt o p a n dt a i lc u r v ec h a n g e dw h i l e 删u s t i n gt h ew i d t hb ya d d i n gs i d ep r e s s u r e ，t h e e d g e l - g a pc o u l db ek e p tc h a n g i n gc o n t i n u o u s l yw i t hr o l l i n g t h ec t l r v ew i l l b e s y m m e t r ya n dc o n t r a r yt oi t , i no r d e rt oc o m p e n s a t et h ew i d t hl o s ta n dr e m a i n m i n i m i z a t i o no fr e d u c e dw i d t h 。i nb xs t e e lh o ts t r i pf a c t o r y ，w ea d a p tt x ? o s e c t i o ns t r a i g h tl i n ef o rt h es h o r ts t r o k ec o n t r 0 1 ( 2 ) m a t h e m a t i c sm o d e l sa r ea s e dt oc a l c u l a t et h ew i d t hd e v i a t i o no f t h e h e a da n dt a i lo fh o ts t r i p w h i c hi sa l s ot h eb a s i co fs h o r ts t r o k ec o n t r 0 1 t h e r e s u l tp r o v e st h a tw i d t hd e v i a t i o n o f t h eh e a d h a sl i t t l er e l a t i o n s h i pw i t ht h i c k n e s s r e d u c t i o na n di n c r e a s ew i mt h e i n c r e a s i n g o f w i d t hr e d u c t i o n a n dt h a to f t h et a i l d e p e n dm u c h o nt h i c k n e s sr e d u c t i o n ( 3 ) t h em a t h e m a t i c sm o d e i sa r eu s e dt oc a l c u l a t et h ew i d t hd e v i a t i o no f t h ew h o l er o u g h i n gp r o c e s s a c c o r d i n gt o t h ep m d u c t i o nc o n d i t i o n g e n e t i c a l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z et h es h o r ts t r o k ec o n t r o l ，w h i c hs o l v e dt h ep r o b l e m o f o p t i m i z a t i o n o f s h s t a n d f i n d a n e w w a y t o t h e s e l e c t i o n o f t h ec o e f f i c i e n t o f i t t h er e s u l tp r o v e dt h a ti tc o u l di i i l p m v et h ep r e c i s i o no fw i d t hc o n t r o la n d l 东北走学硕士学位论文 a b s t r a c t r e d u c et h ec r o pe n dl o s s i t sa g o o dt r yt or e a l i z et h et r a n s l a t i o no f s h s tf r o m e x p e r i e n c e t ot h e o r yc a l c u l a t i o n k e y w o r d sh o ts t r i pm i l l ，w i d t hc o n t r o l ，s h o r ts t r o k e ，g e n e t i ca l g o r i t h m v 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外，不包括 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获 得其它学位而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 感谢。 本人签名： 日期： 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化 1 绪论 1 1 引言 1绪论 近年来连铸连轧技术发展迅速。连铸连轧的实现，可以简化生产工艺， 降低能耗，提高产品质量和生产率”。但是为了适应激烈的市场竞争，满 足用户需求，各厂家必须小批量、多规格的组织生产。因此，连铸和轧制 过程中宽度的频繁调整和更换便成了一个突出的问题。为实现连铸和热轧 之间宽度上的衔接，必须采用适当的板坯宽度调整技术2 一。 1 2 板坯宽度调整技术 1 2 1 连铸结晶器调宽 连铸过程板坯调宽的主要方法有： 两个铸造周期中间调宽 暂时控制连铸过程进行调宽 降低铸造速度调宽 在铸造速度恒定的情况下调宽 两个铸造周期中间调宽需要在两个铸造周期中间更换结晶器。除了更 换结晶器操作本身带来诸多不便之外，这种方法也很难一次就能命中要求 的板坯宽度。 暂时控制连铸过程进行调宽需要暂时停止浇铸过程，以便嵌入不同的 楔子以调整结晶器宽度。这会造成过度段的生产，不可避免的增加切损。 降低铸造速度调宽是通过向钢水凝固壳至少移动结晶器的一个边来 实现，同时降低铸造速度，以使得减宽时不扰乱钢水流动。此方法对减宽 较好。 在铸造速度恒定的情况下调宽可以用于减宽，也可以用于增宽，是通 过结晶器窄面的转动和移动等动作实现的。 但是，利用连铸过程来调宽，一方面减少了连铸的稳定性，使得过渡 l 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化 1 绪论 期板坯质量不能得到保证和造成过渡段增大切损；另一方面，也影响连铸 的作业率，不利于连铸能力的发挥。 1 2 2 轧制调宽 轧制调宽分为s l 带j j 扩宽和轧制减宽。轧制扩宽主要利用水平t l n 时板 坯的自然展宽和利用带凸度的轧辊强度展宽来完成的。事实上，采用强制 展宽的办法在板带轧制中并不多见。s l 审t j 调宽更多的是利用立辊轧机轧制 的减宽操作 5 , 6 1 。 a 立辊轧制调宽设备 立辊轧制调宽最早源于v s b ( v e r t i c a ls c a l eb r e a k e r ) 。立辊轧机早在 5 0 年代就在热轧机组粗轧机前用于粗轧板坯的减宽，一般板宽压下量最 大可达5 0 呲左右。当板坯压下量增大时，平辊轧机就会出现轧辊咬入能 力差、轧制不稳定、板坯狗骨变形严重、板坯头尾部鱼尾形增大而造成头 部切损增加。为增大侧压量，出现了强力型大立辊和孔型轧辊侧压方法。 板宽的侧压量可以达到1 5 0 3 0 0 衄。 立辊轧机的轧辊主要有4 种形式： 平辊 锥型辊 平底或凸起孔底的孔型辊 斜底孔型辊 立辊轧制调宽是与水平轧制组合在一起的。立辊轧机( v ) 与水平辊 轧机( h ) 可以有不同的布置方式： 立辊轧机( v ) 与水平辊轧机( h ) 相距较远不形成连 s l ； v h 布置，立辊轧机与水平辊轧机相距很近，形成连轧； h v h 布置，立辊轧机安装在两架水平辊轧机之间，并形 成连轧： v h v 布置，水平轧机安装在两架立辊轧机之间，并形成 连轧： h v h v h 布置，两架立辊轧机交叉布置在三架水平辊轧机 之间，形成连轧。 v h v 和h v h v h 成为板坯定宽机组。调宽轧机可以布置在轧线，也 可以梅黄在连铸线，大部分钢厂都是椎罱在轧线上的。h v h v h 定宽轧机 ， 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化 l 绪论 在线安装在美钢联的g - r a r y 钢厂连铸线上。定宽轧机的水平机架用来产生 高的机架间张力，以提高立辊轧制效果。g r a r y 钢厂最初使用定宽轧机是 试图使所需的连铸板坯宽度规格减至最少。当连铸机采用宽度可调结晶器 后就放弃了这种操作。v h v 型定宽轧机是日本i h i 开发的，1 9 8 0 年1 2 月首先用于新日铁公司大分钢厂。它是一种离线可逆式连轧机。 v h v 和h v h v h 相比，它只要求连铸机生产一种宽度规格的板坯， 板坯调宽能力最大可达1 1 5 0 m m 。 b 立辊轧制后板坯形状 板坯调宽技术必须达到三个目的1 7 ： 满足轧制时带卷严格宽度公差的要求； 增加板坯调宽能力，减少连铸坯的宽度规格，以提高生产率； 减少板坯因减宽时明显的非均匀朔性变形而造成的收得率损失。 板坯经平辊立辊轧制后，产生的横截面的变形如图1 1 所示。未经立 辊轧制的板坯厚度l l o 和宽度w o ，经立辊轧制后板坯宽度为w 。，板坯中 心处厚度为l l c ，同轧辊接触处厚度为虬，最大厚度为h b 。板坯在宽度方 向受到轧制压缩的时候，变形集中于板坯边部的局部区域，所以减宽后的 板坯的断面出现明显的双鼓形( 习惯上也称为“狗骨”形) ； 图1 1 立辊轧制后板坯截面形状 ( f i 9 1 1s l a bc r o s ss e c t i o np r o f i l em e r v e r t i c a lr o l l i n 曲 1 ) “狗骨”变形的特征 尽管“狗骨”形非常复杂，但其几何形状仍可以比较好的描述出来。 如图1 2 所示，描述“狗骨”形的主要参数有： 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化 ( f i 9 1 2c h a r a c t e r i s t i c so fd o gb o n e ) 一鼓形最高处的厚度h b ： 一“狗骨”的最大高度b ； b = h b h o( 1 1 ) 一轧辊接触处厚度增加值h r 1 1 0 ； 一鼓形的最高点位置a ： 一鼓形的影响范围c 。 t a z o e 给出了h b 计算公式1 8 】： h b = h 0 ! + d e w o ) 6 ( r c w e ) 。- ( h o w o ) o 】 ( 1 2 ) 式中：a 、b 、c 、d 为常数： d c _ 减宽量； d e = 、o w e ( 1 3 ) w 0 、w c 侧压前、后原始板坯的宽度； r e 一立辊半径。 冈户给出了描述“狗骨”形其它参数的计算公式： 一“狗骨”的最大高度b ： b = 0 0 9 8 ( h o ) o5 6 一( d e ) o 7 0 ( 1 4 ) 一轧辊接触处厚度增加值l l r 一 1 0 h r - - h o = o 0 2 8 ( h o ) o7 2 - ( d e ) o 7 3 ( 1 5 ) 一鼓形的最高点位置a ： a = 4 3 5 ( h o ) o3 5 ( d 。) o 。7 ( 1 6 ) 一鼓形的影响范围c 。 c = i 6 5 ( h o ) 1 ”( d e ) o 2 0 ( 1 7 ) 从公式可以看出，除最大厚度值之外，认为其它参数只与原始板坯厚 度和立辊轧制压下量相关。显然这是有一定条件限制的，因此，这些公式 4 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化1 绪论 的应用也需要一定的条件。 事实上，“狗骨”在沿扳坯长度方向上的分布是不均匀的。在板坯的 头尾，由于没有刚端的作用，“狗骨”变形较小，在板坯的中段，“狗骨” 变形比较大i 。 2 ) 板坯头尾变形特征 板坯立辊轧时板坯与轧辊接触后，余属变形首先沿着轧辊的切向流 动，形成宽度的缩窄，直至形成一定的刚端，这种金属向中部流动的情况 逐渐受阻而停止。图1 3 所示为立辊轧制时板坯咬入过程十个瞬间板坯变 形的情况。可以清楚的看到，从第四步开始，板坯脱离同轧辊的接触，此 时板坯尚未离开辊缝的出口。直到轧过一定的长度后，从入口到出口板坯 同轧辊才是完全接触。 立轧各阶段 图1 3 立辊轧制时板坯变形示意图 f i g1 3s l a bd e f o r m a t i o np r o c e s si nv e r t i c a lr o l l i n g _ _ 荔 - - + ll - jl 1 _ j e l j 广 崔 鲁 17 一 图1 4 立辊轧制后板坯头尾变形特征 f i g 1 4s l a be n d s s h a p e s a f t e rv e r t i c a lr o l l i n g 5 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化1 绪论 图1 4 描述了板坯立辊轧制后头尾形状特征。板坯头部的形状可以用 头部的宽度w h 、非均匀变形区长度l h 和头部鱼尾长度d h 来表示。尾端 的形状可以用非均匀变形区深入程度e b 和尾部鱼尾长度1 。来表示。 c 水平轧制后板坯形状 板坯经平辊立辊轧制后，产生的横截面的变形如图i 5 所示。经水平 轧制后板坯厚度和宽度分别是h f 和w f 。板坯通过水平轧制进行厚度压下 使板坯展宽w ，可表示为： w 尸w c + w( 1 8 ) 其中，w 由两部分组成：由于鼓形造成的宽展w b 和鼓形造成的宽展 之外的宽展w s ( 图1 5 所示) 。 f i 9 1 5s l a bc r o s ss e c t i o np r o f i l ea f t e rh o f i z o n t m r o l l i n g 由此而得到的板坯减宽效率： r l = ( w o w o ( w o w 。) 1 0 0 芝原等人总结的展宽w b 和w s 计算公式如下： w s = w 。 ( h o h f ) 8 1 w b = b d 。( w s w 。+ 1 ) 式中：a 、b 为几何参数。 a = e x p 1 6 4 m o 弧( w e 儿) o ( h o r ) o b = e x p 18 7 7 - ( d 。w 0 ) 0 0 6 3 ( h o r ) o9 ”( w o w 。) 75 9 l 】 式中：r e 一水平轧机的轧辊半径； 6 ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化 1 绪论 l 一水平轧机轧制时的接触弧长： m 一几何参数w e h o 。 由以上各式可以看出，平辊立辊轧制调宽时，增加轧辊直径可以提高 调宽效率。 图1 6 水平轧制后板坯头尾变形特征 f i 9 1 6s l a be n d ss h a p e sa f t e rh o r i z o n t a lr o l l i n g 由于立辊轧制后板坯头部的缩窄、头尾的鱼尾形及头尾的“狗骨”高 度较小经水平轧制后，板坯的不均匀变形更加严重。如图1 6 所示水平 轧制后的板坯头部形状可以表示成头部的宽度w h f 、非均匀变形区长度l h f 和头部鱼尾长度d h f ，尾部的形状可以表示为尾部的宽度w i f 、非均匀变 形区长度l t f 和尾部鱼尾长度d 小 d 提高立辊轧制调宽效率和头尾控制的方法 由于立辊轧制的“狗骨”变形在水平牟l s j j 时会造成宽度的回展，从而 降低了有效调宽。大量的实际数据和分析表明，平辊立辊轧制的调宽效率 一般不超过7 0 。同时，由于立辊轧制时板坯的不均匀变形，变形集中于 板坯的边部，在头尾存在失宽和鱼尾等，并且在随后的平轧过程中板坯头 尾部的鱼尾或舌头以及失宽量进一步增大。为保持钢板的宽度精度和变于 精轧操作等，在进入精轧机组前，这种不均匀变形的部分将被切除，这样， 如何抑制鱼尾和舌头以及失宽的量，减少切损，提高成材率就成为轧制调 宽的关键问题【9 】。 1 ) 提高立辊轧制调宽效率的措施 提高板坯立辊轧制的调宽效率，关键是使得变形尽量向宽度中心方向 渗透，也就是使得“狗骨”尽量向中心推移。相应采用的办法有增加立辊 直径、加大道次调整量等等。最常用的方法是采用孔型轧辊调宽。 ， 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化i 绪论 采用孔型轧辊比不带孔型的立辊g l n 有如下优点： 一带孔型立辊的咬入角比平立辊明显大。在用铅进行的立辊轧制实验 中，平立辊轧制的最大咬入角最大只有1 5 。左右，而采用孔型立辊在压 下量1 5 0 r a m 时咬入角可达3 0 。左右。因此咬入性能良好，改进了立辊轧 制的稳定性； 一增加每道次的压下量； 一强制使得“狗骨”向中心迁移。 以上三点都有利于提高调宽效率。 孔型立辊的减宽效率随板宽压下量的增加而增加，并随原始板坯宽度 的减少而增加。对于窄板坯来说，孔型立辊的板坯减宽效率几乎是平立辊 的两倍。孔型立辊增加有效板宽压下量的主要原因是由于采用孔型立辊能 使“狗骨”变形的峰值位置更向板宽中央位置移动，因此当通过水平辊轧 制减厚时，会使因轧平“狗骨”而产生的宽展量减小。 2 ) 减少立辊轧制调宽头尾不均匀变形的措施 减少头尾不均匀变形的措施比较多，但许多是不常用的。如增加立辊 直径，据报道如果把轧辊直径从1 米增加到2 米，切头长度可以减少2 5 。 但是增办l l z f l 辊直径会增加大量的设各投资，而且一旦设备定型后增加轧辊 直径的可能性基本上就没有了。比较常用的方法有【1 0 l ： 一短行程轧制 短行程轧制是立辊z f l i l + i j 时在板坯头尾部减小侧压量，以补偿头尾的宽 度缩窄。采用这种办法可以大大降低切损，特别是对于宽度较小的板坯更 是降低很多。 一优化z f l 匍j 规程 在实际调宽轧制中，往往不是一次调宽轧制就能达到目标的宽度值， 通常需要经过多次的立辊轧制和水平辊轧制。适当改进轧制工艺可以大大 减少切损。冈户等在n i c k 福山厂进行的实验表明，立辊车l n t i i l 道次采用 较小的侧压量、后道次采用较大的侧压量可以大大减少切头量，而切尾基 本不增加。 一头尾预成形 在立辊轧制前在板坯头尾进行预成形，以便在立辊轧制时在头尾出现 刚端以减少不均匀变形，从而降低切损。头尾预成形的方法很多，如轧制 成形、切割成形和压力机压缩成形等。切割成形本身就降低了成材率，因 而不常采用。轧制预成形只对尾部有用。而压缩预成形对头尾都有用。据 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化 1 绪论 报道降低切损在5 0 d a _ i z 。压缩预成形有二方面的好处：一是采用预压缩 后，可以改变板坯头尾部的形状，大幅度的减少切头损失：二是在利用压 缩模具预压缩后，有利于立辊的咬入，增大立辊的压下量，促进板坯的变 形向中部深入，从而改善板坯变形的不均匀性，同时也提高调宽效率。 一采用孔形辊 孔形立辊侧压可以减少不均匀变形。如静所述，采用孔型辊立辊轧制 能使“狗骨”变形的峰值位置更向扳坯中间位置移动，因此当通过水平辊 轧制减厚时，会使因轧平“狗骨”而产生的宽展量减小，头尾的失宽也就 相应减少。 。 1 2 3 调宽压力机调宽1 1 5 i 调宽压力机压缩调宽技术是人们为了克服立辊轧制调宽的缺点，增大 压缩工具与板坯的接触长度，改善板坯断面“狗骨”形，减少板坯头尾部 的鱼尾和舌头及失宽，提高成材率而提出的。实现压缩调宽技术的设备是 调宽压力机。 a 调宽压力机设备 调宽压力机主要形式有： 长锤头调宽压力机 调宽压力机最早出现在7 0 年代，美国研制成功世界第一台调宽压力 机，并安装在第一代热带钢轧机上。其重要特点是压缩模具长度略大于板 坯的长度，板坯的边部在全长上同时受到压缩。在这种压力机的操作过程 中，先由螺杆机构将两压缩模具调整到略大于板坯宽度的间距，然后通过 快速液压压下机构按规程进行侧压。为防止侧压时板坯拱起，设置了水平 压下机构。该调宽压力机是一次将板坯压缩至目标宽度，由于是在整个板 坯长度上同时进行压缩，所以该调宽机称为全长调宽压力机。与轧制调宽 相比，全长调宽压力机可以改善板坯头尾的平面形状。但其调宽量仍然很 小，厚1 6 0 m m 的板坯，侧压量只有7 6 m m ，且设备庞大，投资高，安装 维修不便，故而没有得到推广和应用。 短锤头调宽压力机 最初采用短锤头调宽压力机主要是对板坯头尾进行预压缩，然后由立 辊轧机轧制。因在使用过程中发现使用调宽压力机有很高的调宽效率，因 而尝试将其用于全长调宽，并取得了成功。 短压缩模具调宽压力机主要有三种形式，一种是间断式，在压缩模具对板 9 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化 1 绪论 坯进行压缩之前，模具先分开，略大于板坯宽度，板坯进入模具之间的位 置后停止，模具在曲柄连杆机构的推动下，对板坯宽度方向进行压缩，当 压缩到需要的宽度后，模具分丌，然后循环如此，至板坯尾部压缩完毕。 这种间断式调宽压力机用于头尾部压缩是没有问题的，但用于全程调宽的 时候，就显得运动周期长，生产效率低。为此，又出现了连续式的调宽压 力机。 连续式的调宽压力机的压缩模具在对板坯进行压缩的同时，又随板坯 一起向前沿轧制线方向以相同的速度运动。因此压缩模具的运动包括两部 分，一部分是垂直于轧制线方向的压缩速度，另一部分是沿轧制线方向的 进给速度，其最终运动轨迹为一椭圆形轨迹。这种椭圆轨迹运动可以保证 板坯在受压缩的过程中，仍可以恒定的速度前进，而不必停顿。显然这种 连续式的调宽压力机的生产效率比间断式的要高得多。 还有一种是连续摇摆式调宽压力机。这种压力机的锤头设计成圆弧 形，锤头进行摇摆的动作完成板坯的侧压。这种形式的压力机用得很少， 应用多得是前述两种压力机。 目前世界上开发制造短锤头调宽压力机的主要有日本的日立公司 ( h i t a c h i ) 、石川岛播抹公司( i h i ) 和德国的西马克公司( s m s ) 。 b 调宽压力机调宽的特点 与立辊轧制调宽相比，调宽压力机调宽显示出以下几个方面的特点： ( 1 ) 提高热带钢轧机的成材率。调宽压力机有良好的控制板坯头尾 平面形状的功能，即使在很大的侧压下，板坯头尾变形仍然比较均匀，故 头尾形状得到优化，减轻了头尾部舌头和鱼尾，降低切损。与立辊轧制调 宽相比，在相同的压下量条件下，调宽压力机的切头损失均大幅度减小。 ( 2 ) 调宽能力大。现代化的调宽压力机最大侧压量可达3 0 0 m m ，所 以只需几种连铸板坯规格即可满足用户需求，大大减轻了连铸变宽的负 担，提高了连铸机的生产率和连铸坯质量，同时也提高了板坯的热装率和 热装温度。 ( 3 ) 提高了调宽效率。压缩调宽时，板坯变形能深入到板坯的中部， 局部变形得到缓解，“狗骨”形因此减弱，所以板坯变形均匀性得到提高， 从而减少了板坯在随后平轧时的回展，可以获得很高的调宽效率。 ( 4 ) 提高了宽度精度。由于调宽压力机压缩模具的水平部分有很强 的定宽作用，所以板坯经调宽压力机减宽的宽度精度要高于立辊轧制调 宽。但由于压缩调宽是不连续压缩过程，因而在板坯的边部留下了一系列 的压痕，立辊轧制调宽则没有这一现象。 0 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化 ( 5 ) 降低了能耗。与轧制调宽相比，经调宽压力机减宽后的板坯在 随后的平轧过程中回展小，防止了立辊调宽时在边部局部变形中消耗的大 量能量，所以其能耗量要低得多。 ( 6 ) 设备投资大。调宽压力机与立辊轧机不同，它占地面积大，是 一个独立的庞大的工艺设备，不能与水平轧机安装在一起。相应的其机械 构造复杂，液压及电气控制系统也较立辊轧机复杂得多。因此，调宽压力 机的设备投资很大，维修不便，操作技术要求高，一般中小型钢厂因其资 金能力、厂房空间以及操作人员素质等有限，不适于引进该种新工艺设备。 还有其它的方法，如火焰气割等方法用于调宽，但在工业性连续生产 中是不便采用的，广泛使用的是立辊轧制和压力机侧压减宽的方法。 1 3 调宽变形的实验研究与理论分析【2 8 】 在开发和应用立辊轧制调宽和压力机调宽技术的过程中，国外的研究 者进行了大量的研究工作。研究工作主要从两个方面进行：一是进行实验 研究；另一个方面是进行理论分析。这些研究主要关注如何优化板坯的变 形，以提高调宽效率和减少切损。也有个别的研究者关注调宽变形对成品 宽度方向性能分布的影响。 1 3 1 调宽变形的实验研究 用实验的办法研究调宽变形过程主要是通过模拟实验或大生产工艺 优化实验进行的。理论分析的结果一般也要有实验的结果验证。模拟实验 通常是用塑性泥或铅试样，按一定的比例模拟调宽过程。 1 ) 模拟实验 冈户等人用塑性泥和铅等材料，按1 ：1 0 的比例模拟立辊轧制调宽的 负荷特性、稳定变形区和板坯前后端的变形特性，得到的负荷公式精度在 正负1 0 以内，并推导了立辊轧制时板坯产生横向翘曲的极限，提出描述 板坯头尾形的模型。在此基础上优化了立辊轧制调宽的轧制规程，大大减 小了板坯头尾的宽度缩窄。浜过修一等用铅作模拟实验材料，按1 ：1 0 的比例模拟立辊轧制调宽过程，研究了道次分配对粗轧后板坯头尾宽度缩 窄的影响。结果表明在立辊轧制道次的前段采用大的宽度压下比较好，控 制头尾宽度需要动态控制立辊辊缝值。日野裕之等人用塑性泥和铅材料， 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化1 绪论 按1 ：1 0 的比例进行模拟实验，研究了稳定轧制区的板坯变形和轧制负荷、 板坯的头尾形状，最终形成了粗轧阶段板坯宽度控制系统。三宅佑史等人 用塑性泥材料，按1 ：1 5 的比例模拟研究了板坯头尾预成形对切损的影响。 实验表明，由于在立辊轧制前进行一定的头尾预成形，可以减少因宽度缩 窄带来的切损。预成形的方式随宽度压下变化而变化。实验结果在川崎水 岛厂实际应用中得到验证。付江等人【h j 结合宝钢2 0 5 0i l i l 热带厂实际，按 l ：1 0 的比例，用塑性泥模拟轧件、石膏轧辊模拟立辊轧机和水平轧机， 研究了立辊轧制调宽过程板坯变形情况，并根据回归分析实验结果得到描 述板坯变形的各种经验公式。m i n o u e 等人用铅式样模拟宽度和厚度比很 大的板坯立轧变形规律，结果表明，在宽度压下较小时，调宽效率较高。 j k i t a z a w a 等人在实验轧机上研究了防止立辊轧制调宽时板坯产生横向翘 曲的问题。通过改进轧辊的形状，改进了立辊轧制的稳定性。t a k a a k ih i r a 等人用1 ：1 0 的比例模拟调宽压力机调宽时板坯变形特征。周旭也结合宝 钢1 5 8 0 衄热带厂实际情况，按1 ：1 0 的比例，用铅试样在材料力学实验 机上进行了调宽变形研究。 2 ) 大生产实践 芝原隆等调查观测了住友金属鹿岛厂粗轧机组变形的实际情况。通过 回归分析，推导了描述立辊轧制和其后水平轧制时宽度变化的经验公式， 从而建立了立辊轧机设定的数学模型，大大地提高了宽度控制精度。m d e v a t h a i r e 通过研究和改进s o l l a c 厂的粗轧机控制模型及其实际的宽度控 制效果，提高了轧制节奏、降低了轧制负荷、提高了热装轧制的比例。f f a u 等人同样在s o l l a c 厂的粗轧机上，研究了立辊的短行程控制及其对板 坯头尾宽度缩窄的影响，大大降低了该厂的头尾切损。 1 3 2 调宽变形的理论分析 在塑性加工中，为求解变形载荷、应力应变分布、温度分布等等，应 用了诸如初等解析法、滑移线法、能量法、边界元法、差分法、有限元法 等等各种解析方法。并且随着计算机技术的迅速发展，数值解析得到越来 越多的应用。为了解板坯调宽变形过程，各国的研究者也进行了大量的理 论解析。 侯锦和张树棠用上界法求解了“狗骨”变形的特征，研究了宽度压下 量、摩擦系数和轧辊直径对“狗骨”变形的影响。比良隆明等，利用上解 法分析了板坯端部受压缩的三种状态、六种模式，讨论了压缩模具与板坯 的相对位置l a 对板坯压缩平面形状的影响，提出可以通过调整该相对位 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化 1 绪论 置l a 来实现板坯头尾切损的最小化。森谦一郎等用刚塑性有限元分析了 立辊轧制调宽过程板坯头尾的变形规律。r b u e n t e n 用商用软件 l a r s t r a n s h p e ，采用刚塑性模型，八节点正六面体单元求解立辊轧制 调宽过程，表明用均匀温度代替热力耦合，计算时间可以节省2 0 ，计算 值与实验结果符合良好。h e i n za d o l f m u l l e r 和w o l f g a n gr o h g e 用刚塑性 有限元，不考虑温度变化，采用库仑摩擦，研究了调宽压力机调宽时板坯 变形规律。在与工具接触的地方，板坯金属流动方向垂直于接触面，接触 面上工具与工件的滑动可以忽略，而在出1 2 1 与入口侧金属流向相反，中性 面恰好在工具的斜面与水平面的交点处。h i d e y u k in i k a i d o 等人的刚塑性 有限元的分析结果也是这样。h e i n za d o l f m u l l e r 和w o l f g a n gr o h g e 的分 析结果还表明，不同的钢种对板坯变形的影响极小，可以忽略不计。熊尚 武用刚塑性有限元分析了立辊轧制调宽过程。提出了超薄单元求解非稳定 轧制问题的方法1 1 6 】。d a v i d 等人用弹塑性有限元的方法求解了立辊轧制调 宽过程中板坯“狗骨”变形的特征，结果与实验比较符合。h u c t i n k 等人 用2 维和3 维弹粘塑性有限元热力耦合分析了板坯“狗骨”变形特征，提 出了增加立辊直径可以减小这种不均匀变形。 美国的联合工程和国际轧制技术咨询公司( u n i t e de n g i n e e r i n ga n d i n t e r n a t i o n a lr o l l i n gm i l lc o n s u l t a n t s ) _ 丌发了名为m i l l m a x 的离线计算 机系统，用于选择调宽技术的分析计算。 图1 7m i l l m a x 示意图 f i g 1 7m i l l m a xs y s t e m 热连轧机组粗轧短行程技术及其优化1 绪论 1 4 本文研究的主要内容 1 ) 分析轧件端部横向变形行为，明确短行程控制基础变形行为； 2 ) 结合现场生产工艺，将轧件端部宽度变化数学模型应用到在整个 粗轧过程，计算经过连轧后的板坯端部失宽曲线，然后设计适合短行程控 制优化的遗传算法，并利用此算法优化粗轧机组短行程控制曲线。 东北大学硕士学位论文 2 带钢热连轧机组及其短行程控制 2 带钢热连轧机组及其短行程控制 2 1 本钢热轧机组概况1 7 1 本钢1 7 0 0 n u n 热带钢轧机是我国自行设计、制造和安装的第一套大型 宽带钢轧机。设计最高轧制速度1 8 m s ，最大坯重2 4 t ，年产量1 5 9 万吨。 热带钢轧机采用3 4 连续式布置，建成时有三座推钢式加热炉，3 架4 辊 万能粗轧机( 其中r 1 为可逆式轧机) ，7 架4 辊式精轧机，3 台三辊地下 卷取机，2 条横切机组。设备总重约2 2 0 0 0 吨，装机容量2 9 3 m w ，厂区 占地面积2 1 4 0 7 8 m 2 。其中厂房面积已超7 6 9 4 0 m 2 。 该轧机1 9 6 4 年开始设计，1 9 7 4 年破土动工安装，1 9 8 0 年2 月轧出第 一个钢卷。由于历史条件限制，该轧机先天不足，存在系列问题，致使 产量低、产品质量差。 “七五”期间为了改变上述情况，本钢从1 9 8 3 年起对该轧机进行了 技术改造。投资2 3 5 亿元。改造项目1 2 0 余项。1 9 8 7 年安装了从联邦德 国引进的厚度自动控制装置( a g c ) 、电动活套、计算机控制系统及钢卷 自动打捆机。1 9 8 8 年安装了日本三菱公司制造的3 气动地下卷取机和国 产精轧快速换辊装置，1 9 9 2 年采用合作制造方式更换了切头飞剪，新建 了1 捍卷取机，使设备水平不断改善，从而使轧机产量大幅度提高，产品 质量显著改善，1 9 8 9 年达到年产1 5 9 万吨设计能力，带钢纵向厚差达到 小于等于正负1 5 0 “m 水平。但随着市场经济的发展，本钢热轧产品仍不 适应市场要求，同时影响冷轧产品质量。 1 9 9 9 年始，本钢1 7 0 0 蕊热带钢连轧机进行了二期改造，改造采用了 引进与自制相结合的方式，德国s m s 公司、美国g e 公司及国内结合设 计、制造，施工单位进行了合作，主要改造项目有：具有a w c + s s c 调宽 控宽功能e 1 强力立辊轧机，增建4 群液压式步进炉，改建2 # 、3 加热炉 为液压式步进炉，精轧机板形控制装置：f 1 一f 7 液压弯辊、f 2 - - f 4 c v c 板形控制、全自动化带钢冷却装置，高性能高压水除鳞系统，改建2 地 下卷取机，新建平整分卷机组。改造后产品厚度规格为1 2 2 0 衄，4 , 0 l l l l n 以下规格厚度差达正负4 0 pm ，年产量3 5 0 万吨，产品品种扩大到几十 种，设备总体水平可达到国内先进水平，部分设备可达国际先进水平。 15 东北大学硕士学位论文 2 带钢热连轧机组及其短行程控制 e 1 立辊轧机1 1 8 2 0 i 本钢2 0 0 1 年改造后，采用了强力大立辊轧机，它具有主驱动、压下 装置、轧辊平衡装置、轴平衡装置、液压辊缝调节装置以及轧辊冷却装置。 每个立辊机构通过减速齿轮的驱动轴由同步电机来驱动；机械压下装置用 两个螺旋轴来操作，每一根轴又由一个三相电机通过蜗轮蜗杆单元来驱 动，用来设置无负载辊缝间隙，以及更换轧辊后校准辊缝间隙和在更换轧 辊期间定位在特殊位置等功能；轧辊平衡系统用来推动立辊轧辊靠近压下 系统，以消除存在的间隙，使立辊轧机轧辊正好跟随压下系统运动，以及 在换辊过程中转动轧辊轴承座，每个平衡液压缸的活塞杆腔施以定值压 力，用单电磁铁电磁阀控制，塞腔依据工况的改变用伺服阀控制，每个液 压缸上的压力采用压力传感器来监控；驱动轴端部平衡系统用以完成平衡 轴的重量，提升或降低轴的功能，驱动轴的端部与平衡液压缸固定在一起， 对液压缸的活塞端施以定值压力约为3 0 b a r ，这样可以确保在活塞端没有 任何杂质或空气渗入，在活塞腔，轴的重量通过在每侧使用一个双电磁铁 电磁阀来平衡，系统压力用压力开关来监控；液压压下缸分别布置在驱动 侧及操作侧的上方和下方共4 个，用作：在设置辊缝时作为机械压下装罱 校正的精确设置和在s l $ j 时用于宽度校正；立辊轧机轧辊冷却系统用作防 止轧制过程中立辊轧机轧辊的危险过热。 e 2 、e 3 立辊轧机采用单侧驱动电机驱动，丝杠丝母传动方式，并配 有液压平衡装置，用来打开立辊和平衡丝杠丝母的间隙，位置控制采用位 置传感器监测。 e 1 轧机主要技术数据： 最大有效减宽量l o or 1 1 1 1 1 ；最大轧制道次侧压量1 0 0 衄； 立辊直径( 槽型辊) 最大 1 1 0 0 1 3 0 0r m ； 最小1 0 5 0 1 3 0 0 珊； 立辊丌口度 最大1 7 0 0 咖： 轧制速度o 1 5 3 7 m s e c 最大轧制力7 0 0 0 k n ； 2 2 短行程控制原理 辊身长度 6 3 0r l l f l l ； 材质：特殊合金铸钢 最小 电机功率 最大轧制力矩 6 0 0 哪： p = 2 1 3 0 0 k w 2 6 0 0 k n m 当板坯进行大侧压时，由于板坯尾部没有受到“刚端”的作用，立 1 6 东北大学硕士学位论文 2 带钢热连轧机组及其短行程控制 轧后这部分金属要向中间流动，并且不是均匀延伸，从而造成失宽。另外， 板坯中间部分的“狗骨”形比板坯两端严重，平轧后的恢复量也比两端大。 因此经过平轧道次后，原来的失宽被进一步加大。 为了分析狗骨非均匀变形，列出如下公式： 一鼓形最高处的厚度h b = h