年产量155万吨冷轧带钢的车间设计毕业论文.doc

第 IV 页 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 年产量155万吨冷轧带钢的车间设计毕业论文目 录1 综述11.1 我国冷轧板带生产现状11.1.1 冷轧设备的发展概况21.1.2 冷轧生产技术的发展过程21.1.2 冷轧生产技术的发展31.1.3 冷轧技术的发展41.1.4 冷轧板带生产的新技术及发展趋势51.1.5 结论71.2 板型控制的方法71.3 带钢产生厚度不均的原因和解决方法91.4 冷轧带钢表面质量自动检测系统的在线应用研究131.4.1系统设计131.4.2 系统的功能模块和使用情况152 产品方案和金属平衡182.1 产品方案的制定182.1.1 产品方案182.1.1 生产方案182.2 坯料的确定192.2.1 坯料的选择192.3 金属平衡表的制定202.3.1 金属平衡203 轧制工艺流程223.1 冷轧板带钢生产的工艺流程223.2 酸洗设备233.2.1 酸洗设备原理233.2.2 酸洗设备选择243.2.3 酸洗设备参数254 主要设备选择264.1 设备组成264.2 酸轧联合机组264.3 罩式退火机组304.4 平整机组314.5 横剪机组324.6 纵剪机组344.7 重卷机组354.8 热镀锌机组355轧制制度的制定375.1 压下制度（规程）概述375.2 压下量的分配375.3 速度制度375.4 张力制度的制定385.5 轧辊辊型制度395.6 轧制压力的计算395.7 压下规程的制定436 轧机能力校核456.1轧辊能力校核456.1.1轧辊各部分尺寸的确定456.1.2咬入能力的校核466.1.3轧辊强度校核486.2轧机生产能力校核526.2.1轧机工作图表526.2.2轧制节奏确定526.2.3轧机小时产量的计算536.2.4轧机平均小时产量546.2.5车间年产量计算546.3电机能力校核556.3.1轧制力矩计算556.3.2摩擦力矩计算556.3.3电机传动力矩计算566.3.4电机空转力矩计算567各项技术经济指标577.1技术经济指标577.2轧钢厂的环保597.2.1绿化597.2.2各类有害物质的控制及防治597.2.3水质的处理618车间平面布置628.1仓库面积计算628.1.1原料仓库面积628.1.2中间仓库面积638.1.3成品仓库面积648.1.4其它面积648.2设备间距确定658.2.1轧机机列间的距离658.2.2轧机到切断设备的距离658.3车间跨距组成65专题：一种冷轧带钢吹吸式粉尘治理新技术661 概念662 污染现状和传统治理方法662.1 冷轧带钢生产中粉尘污染现状662.2传统的粉尘治理方法673 新技术673.1吹吸式尘源控制新技术原理673.2 吹吸式尘源控制新技术喷吹效果数值模拟68 4 总结70致 谢71参考文献72第 74 页 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 1 综述1.1 我国冷轧板带生产现状 近十年来，我国冷轧板带生产需求一直呈现非常旺盛的局面，产能扩张十分迅猛，至2010年初步统计，已经和在建的冷轧板带产能达到9000万吨左右，其中建有宽带钢冷连轧轧机超过40余套，而单机可逆式宽带钢轧机100余套，冷轧宽带钢生产产能超过70%以上为冷连机生产。 近五年来我国钢材及冷轧带的生产增长情况见表1.1。可以看出，我国钢材产量在2005年到2009年的得到快速增长，同时冷轧板带材产量逐年快速增长。由于冷轧板占钢材总量的比例较低，虽然也逐年缓慢增长，至今仍不足20%，其增长的速度显然远远滞后于市场需求，表1.2为发达国家钢材生产的情况，可以看出冷轧带钢占钢材总量的比例均超过30%1。表1.1 近年我国冷轧板带钢和占钢材总产量的比例项目名称 2005年2006年2007年2008年2009年钢材总产量/万吨3753046000564505819069240冷轧带钢总产量/万吨35203620642065607470占钢材总产量的比例/万吨9.387.8711.3711.2710.79表1.2 2003年欧、美、日、韩钢材产量统计国家欧盟美国日本韩国钢材总产量/万吨14040822074404140冷轧带钢总产量/万吨4540336025701450占钢材总产量的比例/万吨32.3440.8834.6434.02 比较表l.1与表1.2，可以看出我国钢材生产状况，冷轧板带比例明显偏低。随着我国工业化进程和城镇化发展，汽车消费的普及，钢材的生产与消耗比例将会向发达国家靠近。近年来我国钢材生产的实际情况也证明了这点。因此，从长远和发展的观点来看出，冷轧板带材需求与发展的前景是广阔的，发展的空间也是非常巨大的。如果按照钢材总产能7亿吨计算，每年冷轧板带材产能增加1%，到2015年达到16%，则需增加产能3500万吨，还不到发达国家所占比例的一半。1.1.1 冷轧设备的发展概况 纵观我国的冷轧技术应用及发展，大体可以划分为三个阶段，第一阶段1978年以前，是缓慢发展阶段。冷轧是属于技术和经济密集型行业，受国家当时各方面条件的限制，难以发展和建设先进的大型化冷轧工程。在50年代，鞍钢进口了当时苏联的1700mm连轧机，是我国当时最具规模的冷轧装备。70年代进口了1200mm单机架可逆冷轧机。另外，还有一些比较落后的低产能、高能耗窄带钢生产设备，第二阶段1978年到1998年，这个时期是稳步发展阶段。随着改革开放及经济建设的需要，引进一批冷轧设备和技术，比较有代表的如1978年武钢进口的1700冷连轧机，1989年宝钢进口的2030mm冷连轧机等。第三阶段是1998年以后，属于高速发展期。在这期间，仅宝钢就建设了5套冷连轧工程,如2030mm，1420mm，1550mm，1800mm，1250mm等冷连轧机，这些设备全部采用进口技术，不但是国内最先进的装备，也代表了国际上最先进的技术。还有鞍钢的1680mm，170 mm等4套冷轧机；本钢的1676mm，1970mm冷轧机；武钢的1700mm，2150mm冷轧机。1.1.2 冷轧生产技术的发展过程（1）冷轧技术特点首先，和其他金属塑性变形相比，冷轧的宽厚比最大，导致了板形控制难度大，冷连轧最薄规格0.15mm，最宽规格2000mm，宽厚比大于10000。其次，冷态的金属变形抗力大，而厚度精度要求高，因此轧制力大，轧机弹性变形大，要求机架刚性大，同时，轧辊弹性变形大，要求辊系刚性大。轧制力大导致轧辊热膨胀和磨损大，要求冷却润滑充分。再者，为了防止跑偏，改善应力状态，降低轧制力，改菩板形，需要带张力轧制。还有产品厚度精度15m，板形精度小于5I，表面精度不允许有任何瑕疵。这对设备的动态特性、变形环境及其检测和控制系统提出了高要求。（2）冷轧生产技术的发展过程 从轧辊数量上讲，从最早的2辊轧机逐步发展到4辊、6辊轧机，随着工业发展的需求，包括变形抗力和变形量的提高，又产生了12辊、14辊、18辊、20辊、36辊等机型。从机架数讲，从最早期的单机架可逆到连轧，包括3、4、5、6、7机架等，解决了大批量、高产能的问题。轧制速度也提高到现在的3000m/min。可以看出总的发展趋势为大型化、高速化、连续化、自动化。（3）冷轧带钢主要产品 a)汽车板，如IF、BH、CQ、DQ等深冲板。我国作为目前世界上最大的汽车产销量国家，随着工业化和经济实力的提升，中国汽车市场已成为全世界注意的焦点。对汽车板的需求也达到了一个空前的高度，显然这也是目前冷轧发展的重点之一。 b)高强钢板，如双相钢，复相钢等。 c)电工用钢，如无取向，取向，高牌号到中低牌号硅钢片。我国是电工钢生产和消费大国，机电行业的快速发展带动了电工钢的消费快速增长，冷轧取向电工钢是钢材品种中自给率最低的，显然具备很大的发展潜力。另外，国家将加大淘汰热轧电工钢的落后技术，为能源产业的高效节能、低碳经济作出更大贡献。 d)建筑用钢板，如热镀锌板，电镀锌板，彩涂板等。随着我国工业化和城镇化建设的快速突进，工业建筑、民用建筑对冷轧建筑板材的需求前景是十分广阔的。 e)包装用钢板，如镀锡板，有机涂层板等。优质薄规格的包装带材仍然是我国冷轧行业的薄弱环节。目前已引起市场的注意。 f)不锈钢板，如耐腐蚀板，装饰板，厨房用板等。 g)家电用板，如洗衣机类，冰箱空调类等2。1.1.2 冷轧生产技术的发展 （1）冷轧产品生产的发展 根据目前我国冷轧产品的需求情况，一方面是解决国内自己需求的快速增长。家电消费已进入每个中国家庭，车子、房子的霈求高峰已经到来。所以汽车板、建筑板等则是这类产品的典型代表。另外一方面是替代进口，解决市场占有率和自给率低的问题。据有关资料介绍，在我国2010年进口的钢材中，板带材进口量占总进口量的比例超过80%，而其中进口量最大的品种依次为优质镀层板、高精度冷轧薄宽带钢、电工钢和不锈钢板带，总量占板带材进口总量的比例超过70%。 我国冷轧宽带钢生产的产品厚度大多为0.25mm以上，可以轧制生产薄至0.18mm产品的大型设备屈指可数，大部分是单机架六辊或二十辊可逆式轧机可以生产这样的薄规格产品，但是目前有许多高新产品需要轧制更薄的规格，导致了目前冷轧带钢生产中薄规格产品缺乏的状况，例如，典型的镀锡板厚度由0.180.32mm向降至0.10.18mm发展，还有一些电子用低碳深冲钢带如0.25 mm厚的电阻帽冲压带，0.10.2mm的电磁屏蔽材料，0.15mm的传统电视的荫罩材料等。此外，电工钢的发展也需发展薄规格的高效电工钢，例如取向的Hi-B电工钢原生产厚度为0.27mm和0.23mm，现为了降低涡流损耗需将厚度减薄至0. 15mm。生产高效电机用的无取向电工钢同样为降低涡流损耗，板厚由原来通用的0.5mm相0.35mm厚减薄至0.10.3mm。同样，薄规格彩涂板也受到建筑业等领域的广泛欢迎，由典型的0.35mm和0.5mm降至0.12mm、0.16mm和0.18mm，可节约金属消耗与成本。所以薄规格彩涂板的基板也一直供应紧张，而且也限制了薄规格彩涂板生产。据估计薄规格的需求量（0.15mm以下）每年超过200万吨。 所以，生产薄规格、多品种的带材变得十分的需要，在一些冷轧厂已有CDCM冷连轧机组的基础上，增建一些高品质的单机架可逆式六辊轧机或多辊轧机，是尽快应对调整产品规格需求的重要措施3。1.1.3 冷轧技术的发展 (1)根据我国冷轧产品的发展趋势，冷连轧需要高水平的设备，以满足市场未来的需求。在这方面，除了要紧跟世界发展方向外，尤其要大力发展我国自己民族品牌的冷连轧核心技术。到目前为止，国内的主流冷连轧设备的核心关键技术仍然被外国人完全垄断。 动态变规格，即不停机改变产品规格，包括轧件厚度、轧件宽度、轧件材质等，需要动态及时准确调整辊缝、速度、张力等。 多组自动控制（AGC）系统，包括预控/监控ACC、秒流量AGC、张力预控AGC/监控AGC等，以适应高速化，连续化，自动化的发展趋势。 1)兰级计算机控制，一级直接数字控制计算机包括ACC、AFC、ATC、APC等。二级过程控制计算机，包括工艺参数设定计算、自适应学习、带钢跟踪、数据采集与交换、生产数据收集与分析等。三级生产控制计算机，包括数据传输，生产计划编制，合同安排，初始来料数据处理，轧辊数据处理及产品数据管理等。 2)板型控制，如HC，UC，UPC，CVC，VC，PC等板型调整、板型自动检测和闭环控制等。 (2)为了适应专业化生产和产品灵活性的要求，加快开发多种单机架可逆的小辊径轧制薄带的高精度轧机，满足轧制生产薄带钢的需求。截止到目前公认轧制薄带钢，特别是硅钢和不锈钢等高强度、难变形的带材，最佳的轧机仍是传统的二十辊轧机，当然在结构上已有很大的突破，不再局限于过去的整体机架，发展了双牌坊式的二十辊轧机及无鞍座整体辊箱式的二十辊轧机等，目的均为了简化制造精度和结构，便于操作与维护，降低使用成本，同时保留二十辊最大的优点小工作辊径和良好的厚控精度和板形，可实现大变形轧制极薄带和高精度的产品。此外各种新型的六辊HC轧机、12辊轧机、14辊轧机和18辊轧机的相继研制，极大增加了生产薄规格产品的手段。但到目前为止，国内水平较好的这一类机型全部采用了进口设备，显然，这也是我国近期轧制技术发展的重点领域之一4。1.1.4 冷轧板带生产的新技术及发展趋势 根据未来世界经济发展的方向，冷轧板带生产技术要实现可持续发展，必须使冷轧生产过程符合生态要求，亲善环境，做到芾能降耗。 (1) 冷轧带坯原料的无酸洗除鳞工艺 在冷轧带的生产中，热轧坯原料的酸洗除鳞一直是冷轧生产流程中最大的污染环节。据有关资料介绍，多年来轧钢界一直在探索喷丸除鳞、水流喷砂除鳞、电解除鳞等工艺，但目前均未能实现工业化实际应用。最近有报道世界上第一套采用无酸除鳞技术的工业化年产10万吨的机组已在意大利的一家带钢厂投入运行，有望成为工业化的无酸除鳞工艺。该工艺中的第一步是加热，带钢在无氧化气氛中快速地加热到某一最佳化学反应温度。第二步是化学反应工序，该工序在富氢（25%95%H2）的混合气体中进行，混合气体反应时室内仍有理想的混合气体组成。使用风机实现气体的混合并抽走反应后的废气。在该工序中，带钢表面的氧化皮将与气体中的氢（H2）反应而被还原成金属铁。第三工序为冷却工序。此工序在H2和N2气氛中进行，以防止带钢冷却到室温前再次被氧化。根据试验机组的运行结果，经无酸除鳞后带钢表面的洁净度远远优于传统酸洗的表面，即表面全无氧化物、光滑及具有金属光泽。但工业应用还有很长的路要走。 (2)液氮冷却机用于带钢冷轧 冷轧的工艺润滑也是冷轧工艺中的另一污染源。一方面污染车间生产环节，另一办面污染带材表面，尤其是大量的工艺润滑的乳液经使用后氧化变质，成为废乳液后的回收处理及防火等安全问题。因此研究替代水乳液或油润滑液的开发应用具有重要的环保意义。据介绍近年来德国开发出了一种新型的冷却技术，即应用液氮作为冷轧冷却剂替代水/油乳化液，该冷却技术是使用喷嘴将液氮（温度-196-170C）喷洒咬入轧辊前的带钢表面。液氮的快速散热功能允许提高轧制速度，提高压下量，在该厂单机架轧机上生产某些钢种时，速度可达600 mm/min。传统的润滑剂通过减小摩擦降低产生的摩擦热，与此相反，液氮几乎不具备润滑效果，但其可以快速地将摩擦产生的热量散去，自身也蒸发，经实际应用显示出其在安全性方面的优势，消除了火灾和爆炸隐患，同时消除有害的轧制液蒸汽，消除轧制液对工作区污染。产品质量良好，表面质量更加均匀一致，不会产生由于残余乳液造成表面锈蚀，也彻底解决了带材轧制时表面残油处理的世界性难题。在高速轧制条件下可获得镜面加工表面。在生产成本上由于无需增添设备，并可省去轧制液循环设备及轧制液购置等费用，降低了成本和电耗，并减少了轧辊更换次数和研磨次数等，生产成本明显得到降低。当然在后续推广应用方面还有讦多问题要解决，例如是否因摩擦系数增大而增加冷轧电耗，如何开发降低摩擦系数的混和润滑方式等5。1.1.5 结论 (1)和发达国家相比，我国的冷轧板带比例明显偏低，说明冷轧板带材需求与发展的前景是非常广阔的，空间是非常巨大的。 (2)在冷轧产品中，优质汽车板，电工钢板、薄宽带及高精度包装板是今后一段时间发展的重点品种。 (3)由于冷轧技术含量高，是轧钢技术的集中体现。同时核心技术仍然被国外所垄断，导致了我国冷轧发展明显滞后于热轧。1.2 板型控制的方法(1)优化轧制规程 轧制力的大小、各道次的压下量以及张应力的大小和分布直接影响到轧辊的磨损和轧辊的热凸度。进而影响到轧机的有载辊缝。因此合理的压下制度、张力制度、速度制度对于板形控制而言，都是重要的手段。 理论和实践证明，如能正确选择好辊形和合理的分配道次（各机架）的压下量，并在轧制中予以补偿，就能使轧制中的辊缝形状满足所轧带钢横向厚差精度的要求。(2)液压弯辊 液压弯辊主要特点是使用灵活，响应速度快，适用于在线调整，是板带轧机调整板形的最基本的手段。对于消除对称板带材缺陷，如中浪、双边浪作用明显。液压弯辊控制技术的产生标志着带钢平直度控制进入了新的时期。液压弯辊能瞬时改变承载辊缝的形状和轧后带钢的延伸沿横向分布，以达到板形控制的目的。轧辊的弯曲分为正弯和负纠，正弯指的是向增大轧辊凸度的方向弯曲；负弯指的是向减小轧辊的凸度方向弯曲，如图1.1所示。目前，液压弯辊装置已经广泛的应用于带材生产线上。然而，单纯依靠弯辊力来控制板形，有以下两个方面的不足：第一，弯辊力不能太大，否则轴承难以承受；第二，弯辊力对辊缝的影响主要在边部，对轧辊中部辊缝影响较小，当辊颈比较小时这点表现的更为明显6。图1.1 液压弯辊示意图 (3)轧辊倾斜 轧辊倾斜对于消除不对称的单边浪缺陷效果明显。其原理是对轧机两侧的压下装置进行同步控制，通过增大或减小一侧的压下量，使得轧辊倾斜，辊缝呈现楔形状。轧辊倾斜具有结构简单、操作方便和响应速度快等特点，现代冷轧机均具备压下倾斜功能。(4)轧辊横移 横移是另一项重要的板形控制技术。在1972年日立公司推出的HC轧机之后，横移就作为板形控制而手段。HC轧机通过中间辊的横移消除了四辊轧机中工作辊和支撑辊在板宽之外的有弯矩，改变了辊间接触力的分布，使得液压弯辊的板形控制能力明显增强，板形得到了改善。如今，横移技术已得NT广泛的应用，如UC轧机、CVC轧机和VC轧机等7。(5)原始辊形凸度法 原始辊形是指轧辊通过车削或磨削加工使辊身所具有的外形，通常用辊身的凸度C来表示。C为正值时即为凸辊形，反之则为凹辊形；C值为零则为平辊形。为了获得良的板形，一般四辊式带钢轧机多采用正的辊形凸度即应使轧辊具有一定凸度的原始辊形，以补偿各种因素平均影响的作用。 工作辊原始辊形凸度不能过大，也不能过小。轧辊原始凸度选的太大，不仅会造成中浪，而且还会引起轧件的横窜以及极易发生断带事故；反之，如果轧辊原始凸度选的太小，不但造成边浪，还有可能限轧机能力的充分发挥。因为凸度过小，实际操作时压下稍给大一点（实际轧制压力还远未达到允许值)，带材就会因为出现边浪而报废。工作辊辊形的选定并不完全依靠计算，而主要是依靠经验估算和对比。通常，在轧制力相同的情况下，所轧板带钢愈宽，则需凸度愈小。在有弯辊装置的冷轧机上，除合理选择工作辊凸度外，还应选择合理的支持辊辊形。目前大多采用双锥度支持辊，其辊身中部是平的，两端带有微小的锥度，平辊部分的长度应稍小于最小板宽。另外，还有阶梯形支持辊。原始轧辊凸度法只用作辊缝设定，利用原始凸度来补偿在正常生长条件下相对稳定的SLN压力、辊温和辊身磨损对辊形的影响。辊缝设定后，凸度不能改变。因此，这种方法不能对辊形进行在线控制与调节，故仅靠这种传统的板形控制办法，显然不能保持良好的板形。(6)轧辊分段冷却 轧辊分段冷却是通过对轧辊热凸度的控制来改善板形的一种传统的控制方法。工作辊热膨胀沿其长度方向的分布成为热辊形。辊身中部和边部热膨胀之差称为热凸度。它们取决于工作辊自身的膨胀性和其温度场的分布。将冷却系统沿工作辊轴向分成若干区段，每个区段安装有若干冷却液喷嘴。控制各区段冷却液系统喷嘴打开和关闭的数量，调节沿辊身长度冷却液流量的分布来改变轧辊温度的分布，从而调节热凸度的大小，达到控制板形的目的。例如，当出现中间波浪时，加大中间段（或减小两侧）冷却液的流量，以减小轧辊的热凸度；当带钢两边出现波浪时，减小中间段（或加大两侧）冷却液的流量，以加大冷去辊的热凸度，使板形得到改善。通常采用模糊控制的方法对工作辊进行乳化液分段冷却，主要原理是计算当前的板形偏差大小、板形偏差在时间上的波动和板形偏差在空间上的波动，然后将板形偏差及其在时间空间上的波动模糊化，按照一定的模糊规则进行模糊推理，将推理结果非模糊化，对得到的精确值排序以决定对应的乳化液喷嘴的开闭状态。1.3 带钢产生厚度不均的原因和解决方法 带钢轧制过程中，产生厚度不均的原因比较复杂。带钢轧制工艺本身产生厚度不均的原因大致有以下几个方面： （1）待轧原料因素 因种种原因，待轧材料的厚度及其硬度会不可避免地产生波动，导致带钢厚度不均。 (2)生产工艺因素 温度变化的影响。温度变化对带钢厚度的影响实质就是轧件温度差对厚度的影响，温度波动主要是通过对金属变形抗力和摩擦系数的影响引起厚度差。 张力变化的影响。张力主要通过影响应力的状态来改变金属变形抗力，从而厚度发生变化。 速度变化的影响。主要通过变形区域中摩擦系数与支撑辊油膜厚度的变化影响带钢轧厚度。 辊缝变化的影响。轧制时轧机部件的热膨胀、轧辊磨损和轧辊偏心等使辊缝发生变化，直接影响成品厚度。轧制设备因素轧辊偏心和加减过程中动态张力发生变化均可导致带钢厚度不均。 (3)轧制设备因素 轧辊偏心和加减过程中动态张力发生变化均可导致带钢厚度不均。上述三方面因素反映到轧机上，使轧制过程中辊缝不断发生变化，带钢厚度也随之产生波动。为了消除带钢厚度不均（控制在允许误差之内），利用厚度自动控制系统来克服或减轻各种干扰因素对成品厚度的影响。AGC系统主要有电动压下和液压压下两种压下形式。随着轧制速度和自动化程度的提高，为了更有效地控制带钢纵向厚度公差，提高成品带钢质量，采用液压压下已成为压下系统的发展方向。其主要优点：a）惯性小、反应快、截止频率高，系统对外来干扰跟随性好，调节精度高。b）由于系统响应快，因此对由轧辊偏心引起的辊缝高频周期变化的干扰进行有效清除。c）可实现轧机刚度系数调节，可依据不同的轧制条件选择不同的刚度系数，获得更高的成品质量。依据构成AGC系统两个基本环节(即测量厚度偏差的方法和调节方式)的不同，通常AGC可分为以下几种：1) 厚度AGC（亦称反馈AGC）。利用测厚仪直接测量轧制后带钢厚度偏差氏，调节轧辊辊缝。2) 压力AGC。利用压力，间接测量带钢厚度偏差，调节轧辊辊缝。3) 连轧AGC。通过张力，间接测量带钢厚度偏差，调节轧辊辊缝。4) 张力AGC。利用测厚仪直接测量厚度偏差民，调节轧辊速度，以改变张力设定值。5) 前馈或预控AGC。测量轧制前带钢厚度偏差h，调节轧辊辊缝。6) 各种补偿(如带钢头尾补偿、油膜补偿、加减速补偿、轧辊偏心补偿)AGC。 目前，AGC控制模型主要有：变刚度控制模型（只对液压AGC系统）、张力控制模型、监控控制模型和质量流量控制模型等。在实际 AGC系统中，一般同时使用多个控制模型，并通过调节压下量、轧制张力和轧制速度来实现带钢的厚度控制。AGC控制模型中，有几个重要参数需要确定，即：轧辊偏心度、油膜厚度、轧机弹性系数、带钢塑性系数、摩擦系数、轧辊磨损、轧辊压扁以及轧辊热膨胀系数等。由于模型算法的复杂性，以往AGC控制系统对这些参数只能粗略给出，或作为一个综合系数，通过参数自适应计算得出。粗略给定控制参数显然影响系统的控制精度，而作为综合系数的自适应算法不易真正建立（模型参数之间不是线性关系），综合系数自适应效果不明显，有时还会起反作用。AGC控制系统参数存在不确定性。所谓系统控制参数的不确定是指对于同样的轧制设备、工艺条件和控制系统，AGC控制参数的整定是不同的，而且没有规律可循，这是因为带钢厚度受到液压伺服系统、自动控制系统、工艺的瞬时条件和原料的随机变化等几方面的共同影响。为了有效解决AGC系统存在的问题，达到设计控制精度，应该对AGC系统进行进一步完善和整合。 (3)智能技术与AGC控制系统融合的必要性智能技术正在加速发展，而采用传统工艺和自动化技术的钢铁工业正在经受考验。从某种意义上讲，传统技术限制了钢铁工业向更高层次发展。智能技术的应用是解决这个问题最成功的方法。由上面分析可以看出，以往AGC系统存在一定的问题，要继续提高控制精度比较困难，而智能技术中模糊系统和神经元网络技术正是解决AGC系统控制精度和轧制过程不确定的最成功技术，因此有必要利用现有的智能技术对AGC系统进行再开发，设计出性能优良的AGC控制器。模糊系统可以提取现场专家的操作经验由此确定AGC系统调节辊缝的准则，达到现场专家级的调节精度。而神经元网络技术可以建立数据驱动的知识体系，利用采样学习现场操作过程的不确定知识，校正模型及模型参数。 (4)智能系统的构成及应用前景 目前，已应用于钢铁工业的智能技术主要有：专家系统(ES)、模糊系统(FS)、神经元网络(ANN)、遗传算法(GE)、混合系统等。 1)专家系统(ES) Es是一种用于处理规则推理的人工智能工具。Es在钢铁工业中已成功应用于故障诊断、生产调度、计划制定、优化问题和生产过程自适应控制等。ES的主要不足在于知识不能无限获取。 2)模糊系统(FS) FS能够充分利用实际操作者经验或专家知识，对无法或难以建立数学模型的实际系统进行无模型控制或预测。FS技术已成功应用于系统建模、系统预测、模式识别、故障诊断、过程优化与动态过程控制以及板坯连轧等。 3)神经元网络(ANN) ANN以其大规模并行算法及网络信息的分布存贮而著名。ANN不但可以建立生产过程数据驱动的实际模型，而且可以通过对历史数据的学习获得生产过程经验，从而使网络具有很强的适应能力。ANN运作分为两个阶段学习和推广，前者对实际过程进行学习，后者将网络应用于实际。由于ANN具有良好的鲁棒性，因而具有很强的适应能力。目前，ANN技术已成功应用于轧制力预报、精轧轧件的自然宽展和轧件变形抗力预报等。 4)遗传算法(GE) GE主要解决优化问题，不但可解出优化过程的最优解，而且可对算法结构进行优化。GE建立在自然进化法则的基础之上，算法原理与人进行最优决策思路相像，具有广阔的应用前景。目前，CE主要应用领域为规划制定及与ANN、GE、ES混合使用，可优化算法及结构，从而优化生产过程。 5)混合系统 混合智能技术常用于各种智能技术之间或模型技术与智能技术的混合使用，达到优化生产过程的目的。包括：数学模型+智能技术、统计模型+智能技术ANN+FS、GE+FS、GE+ANN、GE+ES、ANN+ES以及FS+ES等8。 (5)结论 为有效解决带钢厚度不均问题，引进了AGC控制系统。但AGC系统本身存在一定的问题。为此，将智能技术引入到了AGC控制系统中。智能技术和AGC系统的充分结合，可以解决轧制过程模型的不确定性和系统的不确定性，优化生产过程（包括AGC工艺参数、调整AGC系统辊缝的压下量等）。目前，国外先进钢铁公司已经开始了这方面的研究和应用。1.4 冷轧带钢表面质量自动检测系统的在线应用研究1.4.1系统设计 系统安装在精整线上，具体的安装部位在矫直机和圆盘剪之间。系统的总体结构如图1.2所示，由检测装置、并行计算系统、服务器和控制台组成。检测装置安装在生产线上，由摄像头、光源和检测桥组成。为了能够同时检测上、下表面，在上、下表面各放置一套检测装置。系统使用的摄像头为标准的黑白工业用面阵摄像头，并采用多摄像头同步采集图像的方式。摄像头放置在带钢的宽度方向上，理想情况是相邻摄像头采集到的图像之间既无重叠，也无间隙，从而保证对物体表面无重复、无遗漏的检测。但是这样做需要保证每个摄像头都有很高的定位精度，如果摄头数目很多的话，实现起来有一定的难度。系统中采用相邻摄像头采集到的图像之间有重叠的方式，相邻摄像头之间产生的重叠图像可在后续的图像处理中通过软件方式消除。每套检测装置中各放置6个摄像头，总共用了12个摄像头。由于生产线生产的带钢宽度范围为10001250mm，因此设定每个摄像头最大的采集宽度为220mm。而每个摄像头在宽度方向上采集的象素为768个，因此在宽度方向上系统的检测精度为220/7680.3(mm)。摄像头采集的速率为25帧/s，由于采集到的每一帧图像由奇数场和偶数场拼接而成，因此在采集运动图像时，奇数场与偶数场之间有错位，造成了运动图像的模糊。这就需要将摄像头设置成按场采集的模式，并且只取奇数场（或偶数场）。摄像头实际的采集速率为25场/s，每一场图像的行数为288行。摄像头在带钢横向与纵向的采集尺寸之比是固定的，为4:3，因此摄像头在带钢纵向的采集长度为2203/4=165(mm), 检测精度为165/2280.6(mm)，系统能检测的最高运行速度为0.165250.4(m/s)。由于生产线的最高运行速度为90m/min，远小于系统所能达到的最高检测速度，所以造成了在带钢纵向上采集的图像将会有很大的重叠，为了减少图像之间的重叠程度，对每场图像只取120行用于后面的处理。 光源是系统中的一个关键，光源的选择直接影响到图像采集的质量以及缺陷是否能在图像中明显表露出来。系统中光源的放置如图1.3所示。系统选用LED面光源，发射的光是平行光，摄像头放置的位置不是在入射光的反射光路上。如果钢板表面没有缺陷，那么光源在钢板表面产生镜面反射，摄像头采集不到光源发射的光，图像的背景是黑的。如果钢板表面有三维缺陷（凹凸性的缺陷，如划痕、折印、辊印等），那么入射光在钢板表面产生漫反射，摄像头就可采集到光线，因此在图像中，缺陷区域是亮的。这种照明方式是通常所说的“暗场照明”，适用于检测三维缺陷。检测桥用于固定光源和摄像头，底部装有轮子，并在地基上安装导轨，以便在系统维护时把它从生产线上抽走，不对生产线造成影响。检测桥的上、下部分留有200mm的空间，以便于穿带。检测桥用盖板封装起来，避免外界光线的进入。摄像头采集的图像传送给并行计算系统，由并行计算系统对图像进行实时的处理和分析。并行计算系统安装在一个标准的19in(1in=2.54cm)控制机柜中，由于将图像从摄像头传送给并行计算系统的线缆不能过长，因此并行计算系统放置在生产线附近。系统对图像处理和分析的所有算法都在并行计算系统中实现，为了方便系统更新并降低硬件成本，所有的算法都通过软件实现。经过处理后就可以得到缺陷的信息，包括缺陷的尺寸、部位、类型、等级等。并行计算系统将这些缺陷的信息通过100Mb/s的以太网传送给服务器，在服务器中对这些缺陷进行合并和保存。服务器发出控制指令，如检测的开始、停止、暂停，以及带卷的加入和结束，以便控制整个检测过程的实施。服务器实时获取带卷的运行速度，以便根据运行速度得到带卷的位移，从而获取缺陷在带卷上的实际位置。服务器中不仅保存缺陷的信息，而且保存缺陷的图像，需要保存的数据量非常大。可以添加一个海量存储器，如磁带机等，将缺陷的历史数据保存到海量存储器中。通过控制台可以观察到缺陷的在线检测结果，并且也可以调出缺陷的历史数据进行分析。缺陷的检测结果可以根据企业和用户的需要生成检测报表，并可打印。服务器和控制台放置在现场附近的质检室内，质检员在质检室内就可以实时了解当前带卷的表面质量情况9。图1.2 系统的总体结构图1.3 系统的照明方式1.4.2 系统的功能模块和使用情况 1 功能模块：系统在软件上有3个功能模块：在线观测、离线分析和在线检测。 （1）在线观测模块用于浏览每个摄像头采集到的图像，以便根据图像质量对摄像头和光源进行调整。在线观测模块还可观察当前图像的处理结果，即缺陷的检测结果，以便调整系统的参数，从而达到最优的缺陷检测结果。 （2）离线分析模块用于从数据库中调出缺陷检测的历史数据，并对历史数据进行统计和分析。可通过带卷号或生产时间查询带卷，获取某一带卷的缺陷统计结果，并自动生成检测报表，用于打印和存档。此外，还可浏览带卷上每一缺陷的所有信息，包括缺陷图像，从而能检验结果是否正确。 （3）在线检测模块用于对缺陷进行在线检测，是系统的关键模块。在线检测模块中有一个带卷列表，用于添加当天（或某一工作时段）将要生产的带卷信息（包括带卷号、带卷规格、钢种、轧制时间等）。用户只需点击“检测开始”按钮，系统就处于检测状态，自动判断有没有带卷的加入。如果新来了一个带卷，那么系统从带卷列表中获取当前带卷的信息，并开始对当前带卷进行检测。用户可在线观察缺陷在带卷上的分布情况，以及缺陷的统计情况。当一个带卷生产完成后，系统自动停止当前带卷的检测，并根据缺陷的检测结果评估带卷的表面质量，将评估结果写入数据库，然后等待下一带卷的进入。点击“检测停止”按钮就终止检测状态，系统不再判断有没有带卷的加入。在检测状态下，为了保证系统把资源完全用于缺陷的在线检测，不允许切换到其它模块，也不允许进行其它的操作。如果用户需要进行其它的操作，可以点击“检测暂停”按钮，系统处于检测暂停状态，用户就可以切换到其它模块。在线检测模块中还设有报警机制，如果出现一些周期性缺陷或严重缺陷，系统就会报警，工作人员可以把生产线停下来，了解缺陷产生的原因，避免缺陷的继续产生。系统在软件上的这些设计极大方便用户的使用，用户只需点击几个按钮便能完成检测过程10。 2 使用情况：系统于2002年7月已经完成了安装和调试任务，可以稳定地检测到缺陷，在系统的使用过程中，下面几点值得我们关注： （1）可检测的缺陷类型。虽然系统主要用于检测三维缺陷，但在使用过程中发现，由于图像的背景也有相对的亮度，而两维缺陷（主要是一些有色缺陷，如乳化液斑、黑带、表面夹杂等）的灰度值要比背景的灰度值小，因此系统也可用于检测两维缺陷，但两维缺陷的检测效果不如三维缺陷。 （2）图像背景不仅与带卷表面的宏观状态（如板形、带卷的上下跳动）有关，而且与表面的微观状态（如表面的粗糙度和形貌）有关。使用中发现，在同样条件下，同一带卷上、下表面的背景图像也会存在很大差别，这只能从表面的微观状态角度来解释。是否可以通过这种方法获取钢板表面粗糙度和形貌方面的信息是一个值得研究的课题。 （3）系统的防护。由于精整线的环境比较好，因此并未考虑太多的防护问题。使用过程中发现，系统完全可以满足现场的环境要求，所有设备（尤其是光源、摄像头等精密设备）均未出现过故障。需要注意的是下表面的摄像头上会有杂物落在镜头上，如果杂物数量不多，则不影响使用；如数量多就需要用压缩空气吹扫一下，可以在每次生产线检修的时候进行清扫。 （4）系统的作用。在没有检测设备情况下，质检人员只能将带卷停下来，用肉眼来检查带卷表面，这样不仅影响了生产效率，而且不能对整个带卷表面进行检测，同时，质检人员的工作强度非常大。使用过程中发现，尽管生产线的速度不是很高，最高速度也就是90m/min，但即便在这种速度下，对于一些比较明显的缺陷，如尺寸较大的边折印、锈斑等，用肉眼也难以检测，更不用说在速度高的情况下去检测更小尺寸的缺陷。因此在生产线上安装这套系统具有非常重要的意义，能够将质检人员从繁重的工作中解脱出来，并保证对带卷表面质量有一个准确、完整的评估。如果将这套系统安装在轧制线上，在检测到周期性缺陷时自动报警，从而避免缺陷的继续产生，达到表面质量控制的目的，那么将给企业带来更大的经济利益11。 3 结论本系统特点为：（1） 在硬件和软件上进行了独特的设计，可用于在线检测冷轧带钢的表面缺陷。（2） 不仅可以有效地检测三维缺陷，而且可以检测两维缺陷。（3） 系统的所有算法都由软件实现，方便了系统的更新。（4） 系统提供了强大的软件功能，用户只需点击几个按钮便能完成检测过程。虽然系统已经在生产线上得到了成功的应用，但是作为国内开发的第1台在生产线上使用的冷轧带钢表面质量自动检测系统，存在的问题还有不少。如何能够对现有的系统进行完善，并且将其推广应用到其它生产线仍然是一项非常艰巨的任务。一套检测设备能否成功应用于生产线不仅取决于设备本身，而且有赖于设计、开发人员对生产线的熟悉程度和使用人员对设备的熟悉程度，因此，我们希望与国内的钢铁企业合作，为提高国产板带产品的表面质量及在国际国内市场的竞争力而努力。2 产品方案和金属平衡2.1 产品方案的制定2.1.1 产品方案 产品方案定义：产品方案是指所设计的工厂或车间拟生产的产品名称、品种、规格、状态以及年计划产量。现根据国民经济发展对产品的要求；产品在全国的平衡；建厂地区的资源条件、自然条件、投资等确定了冷轧带钢及钢板的规格（见表2.1） 表2.1 产品方案产品名称产品规格产量所占比例厚（mm）宽（mm）长（mm）万吨%冷轧带钢卷0.253.007001600-60.0038.7冷轧板0.253.0070016001000600055.0035.5热镀锌板0.502.5070016001000600015.009.7电工硅钢板0.350.6570016001000600025.0016.1总计-1551002.1.1 生产方案 生产方案是指为完成规定的产品的生产任务而采取的生产方法。 本车间设计采用五机架连轧机组。2.2 坯料的确定2.2.1 坯料的选择 根据金属平衡表，年产量155万吨的冷轧产品，年需要热轧钢卷164.89万吨。 使用热轧板带为原料，坯料最大厚度取决于设备条件，坯料最小厚度取决于成品厚度、钢种、成品的组织和性能要求以及供坯条件。原料由热轧厂供应，设计确定冷轧厂所需的热轧原料的种类、断面形状、单重及规格尺寸。1）原料规格： 带钢宽度：7001600mm 带钢厚度：1.005.00mm 钢卷内径：700mm 钢卷外径：11002000mm 钢卷重量：最大30吨 单位质量：最大25kg/mm2）热轧原料卷技术要求： 带钢宽度允许偏差：0+20mm。 热轧带钢最大波浪度为： 1.83.0mm 带长每2mm最大到20mm； 3.14.5mm 带长每2mm最大到15mm； 4.65.0mm 带长每2mm最大到10mm。 热轧带钢原料不应有边缘裂口、裂缝或向上弯起90以上的边缘，应卷紧，边缘整齐，内圈无舌头。 热轧带钢表面不得有气泡、结疤、折迭、裂缝、夹杂、压入氧化铁皮，侧面不允许有分层，必须脱油、脱脂、无漆。 带钢表面允许有深度（或高度）不大于厚度负（或正）偏差之半的压痕、裂纹、麻点、划伤及轧辊所造成的网纹。 厚度偏差见表2.2表2.2 厚度偏差公称厚度厚度允许偏差700750750100010001500150020001.802.000.160.170.180.202.002.200.170.180.190.202.202.500.180.190.200.212.503.000.190.200.210.223.003.500.200.210.220.243.504.000.230.260.280.284.005.500.200.400.300.400.300.500.400.50凸度：凸度是指垂直轧制方向横截面上，中点厚度与距带钢边部40mm处厚度的差值，最大允许凸度见表2.3表2.3 最大允许凸度带钢宽度允许凸度（mm）凸度内控值（mm）12000.100.08120015000.130.10150018000.160.122.3 金属平衡表的制定2.3.1 金属平衡 金属平衡是指生产车间在一定时期内（通常为一年）所生产的产品的收支情况，即投入与产出情况。编制金属平衡表的目的是确定出为完成年计划产量所需的投料量。根据产品方案和设计的主要生产线，制定了各种冷轧产品的金属平衡表（见表2.4）。表2.4 金属平衡表产品品种各 项 损 失年产量成材率需坯量溶损几何损失工艺损失万吨%万吨万吨%万吨%万吨%冷轧带钢卷0.300.502.404.000.