（材料加工工程專業(yè)論文）熱軋帶鋼精軋過程控制系統(tǒng)模型的研究.pdf

夕 at h e s i si nm a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d y o np r o c e s sco n t r o ls y s t e mm o d e lf o r h o t s t r i pf i n i s hr o l l i n g b yl ic h u a n x i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx uj i a n z h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的。論文中 取得的研究成果除加以標注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得其他學位而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確 的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名：事鋁囊 日期：伊z7 多 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者和指導教師完全了解東北大學有關保留、使用學 位論文的規(guī)定：即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的 復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學可以將學 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索、交流。 作者和導師同意網(wǎng)上交流的時間為作者獲得學位后： 半年口一年口一年半口兩年口 學位論文作者簽名：杏鍵薹 簽字日期： 枷7 ，7 導師簽名： 簽字日期： 東北大學碩士學位論文摘要 熱軋帶鋼精軋過程控制系統(tǒng)模型的研究 摘要 目前，我國的熱軋帶鋼生產(chǎn)技術水平與世界先進水平還存在較大的差距，同時 用戶對板帶材的板厚精度和板形質(zhì)量也提出了更高的要求。因此，對精軋過程中 軋制力、軋制溫度和負荷分配的精確求解算法進行研究，實現(xiàn)軋制過程中軋制力 和軋制溫度的精確計算，以及合理的負荷分配，這對我國鋼鐵企業(yè)的發(fā)展有重要 的意義。 本文依托于東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室與首鋼遷安鋼鐵 有限責任公司的合作項目一“遷鋼2 1 6 0 熱軋過程控制系統(tǒng)的消化吸收 ，并結(jié)合 現(xiàn)有的軋制力、精軋溫度及負荷分配計算方法和實際生產(chǎn)，對精軋過程控制系統(tǒng) 中力能參數(shù)模型、溫度模型及負荷分配模型進行了研究，得出以下研究成果： ( 1 ) 從理論上推導出了精軋溫度有限差分模型的建立過程，建立了精軋溫度有 限差分模型：通過模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，模型計算結(jié)果與現(xiàn)場 實測數(shù)據(jù)吻合較好，計算出的帶鋼溫度與實際值偏差不超過士1 5 。 ( 2 ) 建立了軋制力模型、軋制力矩模型和軋制功率模型。通過模型計算的數(shù)據(jù) 與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比，軋制力模型計算值與實際值的相對誤差在8 5 以內(nèi)；軋制 力矩模型計算值與實際值的相對誤差在9 以內(nèi)；軋制功率模型計算值與實際值的 相對誤差在1 0 以內(nèi)。 ( 3 ) 從理論上推導出負荷分配的優(yōu)化目標函數(shù)的建立過程，建立在線應用的多 目標優(yōu)化負荷分配模型；對比五塊樣本帶鋼使用多目標優(yōu)化負荷模型前后壓下率 的變化，結(jié)果表明多目標優(yōu)化負荷分配模型計算穩(wěn)定，優(yōu)化后壓下率更合理，多 目標優(yōu)化負荷模型具有較好的性能。 關鍵詞：精軋機；模型；軋制力；溫度；壓下量 - i i - 東北大學碩士學位論文 a b s t r a c t s t u d y o np r o c e s sc o n t r o ls y s t e mm o d e lf o r h o t s t r i pf i n i s hr o l l i n g a b s t r a c t p r e s e n t l y , t h e r ei ss t i l law i d eg a pb e t w e e no u rc o u n t r ya n dt h ea d v a n c e dl e v e lo f t h ew o r l di nt h eh o ts t r i pp r o d u c t i o n i na d d i t i o n ，h i g hd e m a n d so ft h et h i c k n e s s a c c u r a c ya n ds h a p eq u a l i t ya r ep u tf o r w a r db yc u s t o m e r s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo n a c c u r a t ea l g o r i t h mo fr o l l i n gf o r c e ，r o l l i n gt e m p e r a t u r ea n dl o a dd i s t r i b u t i o ni sv e r y u s e f u l t h i ss t u d yc a r lr e a l i z et h ea c c u r a t ec a l c u l a t i o no fr o l l i n gf o r c ea n dr o l l i n g t e m p e r a t u r e ，c a nm a k el o a dd i s t r i b u t i o nm o r er e a s o n a b l e i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h e d e v e l o p m e n to fc h i n a si r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s i nt h i sp a p e r , o nb a s i so ft h ep r o j e c to fr a l ( s t a t ek e y l a b o r a t o r yo fr o l l i n ga n d a u t o m a t i o n ) ，n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t ya n dq i a n g a n g - d i g e s t i o na n da b s o r p t i o no f q i a n g a n g2 16 0 h o t r o l l i n gp r o c e s s c o n t r o ls y s t e m ”，c o m b i n ew i t ht h ee x i s t i n g c a l c u l a t i o nm e t h o d so f r o l l i n gf o r c e ，t e m p e r a t u r e ，l o a d d i s t r i b u t i o na n da c t u a l p r o d u c t i o n ，t h em o d e lo ff o r c ea n de n e r g yp a r a m e t e r s ，t e m p e r a t u r em o d e la n dl o a d i n g d i s t r i b u t i o nm o d e la r eg i v e nar e s e a r c h t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef o u n d a t i o np r o c e s so ff i n i t e d i f f e r e n c et e m p e r a t u r em o d e li sd e r i v e df r o m t h et h e o r y , a n dt h em o d e li s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h ec o m p a r i s o nb e t w e e n c a l c u l a t i o nv a l u ea n da c t u a lv a l u e ，t h em o d e lr e s u l t sa n da c t u a lv a l u ea g r e ew e l l d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o nv a l u ea n dt h ea c t u a lv a l u ei si nt h er a n g eo f + 15 。c ( 2 ) r o l l i n gf o r c em o d e l ，r o l l i n gt o r q u ea n dr o l l i n gp o w e ra r eb u i l t c o m p a r i n gt h e c a l c u l a t i o nv a l u ew i t ha c t u a lv a l u e ，t h er e l a t i v ee r r o ri si nt h er a n g eo f8 5 i nt h e r o l l i n gf o r c em o d e l ；t h er e l a t i v ee r r o ri si nt h er a n g eo f9 i nt h er o l l i n gt o r q u e ；t h e r e l a t i v ee r r o ri si nt h er a n g eo f10 i nt h er o l l i n gp o w e r ( 3 ) t h ef o u n d a t i o np r o c e s so ft h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z i n gf u n c t i o nh a sb e e n d e r i v e df r o mt h et h e o r y m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z i n gm o d e li sb u i l t ，w h i c hi su s e do n l i n e t h ec h a n g eo fr e d u c t i o nr a t i oi sc o m p a r e db e f o r eu s i n gm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n l o a dd i s t r i b u t i o nm o d e lw i t ha f t e ru s i n gi t t h ef i v es a m p l e ss t r i pd a t ei n d i c a t e st h a tt h i s i i i 東北大學碩士學位論文 a b s t r a c t m o d e li ss t a b i l i t y a f t e ru s i n gt h i sm o d e l ，t h er e d u c t i o nr a t i oi sm o r er e a s o n a b l e t h e m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nl o a dd i s t r i b u t i o nm o d e lh a s ab e t t e rp e r f o r m a n c e k e yw o r d ：f i n i s h i n gm i l l ；m o d e l ；r o l l i n gf o r c e ；t e m p e r a t u r e ；r e d u c t i o nr a t i o i v 東北大學碩士學位論文 目錄 目錄 摘要i i a b s t r a c t i i i 目萄乏v 第1 章緒論1 1 1 熱軋帶鋼發(fā)展狀況1 1 1 1 傳統(tǒng)熱連軋的特點1 1 1 2 第三代軋機的特點l 1 1 3 熱連軋計算機控制技術2 1 1 4 現(xiàn)代熱連軋發(fā)展趨勢3 1 2 課題研究目的和意義3 1 3 國內(nèi)外研究狀況：4 1 3 1 軋制力計算方法及應用5 1 3 2 軋制溫度的研究6 1 3 3 負荷分配的研究6 1 4 本文的研究內(nèi)容9 第2 章溫度模型lo 2 1 熱傳導方程1 0 2 2 帶鋼熱物理性能參數(shù)l l 2 2 1 帶鋼溫度與熱焓的關系曲線1 1 2 2 2 帶鋼熱傳導率模型1 3 2 2 3 帶鋼相變模型1 4 2 3 熱軋帶鋼溫度有限差分模型1 5 2 3 1 網(wǎng)格的劃分方法1 5 2 3 2 熱傳導方程的離散化1 6 2 3 3 邊界條件及其離散化1 9 2 3 3 1 空冷換熱條件及其離散化1 9 2 3 3 2 水冷換熱條件及其離散化。1 9 v 東北大學碩士學位論文 目錄 2 3 3 3 帶鋼與輥道的換熱條件及其離散化2 0 2 3 3 4 變形區(qū)的換熱條件及其離散化2 l 2 4 溫度模型的計算實例2 2 2 5 本章小結(jié)2 4 第3 章力能參數(shù)計算模型2 5 3 1 軋制力計算模型2 5 3 1 1 變形區(qū)基本參數(shù)2 5 3 1 2 軋制力計算模型2 6 3 1 3 中性面的計算模型3 1 3 2 軋制力矩計算模型3 l 3 2 1 軋制區(qū)域內(nèi)各單元變形速度的計算3 1 3 2 2 軋制區(qū)域內(nèi)軋制力矩的計算。3 2 3 3 軋制功率計算模型3 2 3 4 力能參數(shù)的計算實例3 2 3 5 本章小結(jié)3 6 第4 章負荷分配模型3 7 4 1 負荷形式及選擇的基本原則3 7 4 2 負荷分配在線優(yōu)化3 8 4 2 1 決策變量的選擇3 8 4 2 2 多目標優(yōu)化函數(shù)的建立3 8 4 2 3 負荷分配優(yōu)化約束條件4 2 4 2 4 各機架厚度的計算4 5 4 3 負荷分配優(yōu)化計算實例4 5 4 4 本章小結(jié)4 7 第5 章結(jié)論4 8 參考文獻4 9 致謝5 3 v i 東北大學碩士學位論丈 第1 章緒論 1 1 熱軋帶鋼發(fā)展狀況 1 1 1 傳統(tǒng)熱連軋的特點 第1 章緒論 從1 9 2 4 年美國在阿斯蘭建設的1 4 7 0 m m 板帶熱連軋機和1 9 2 6 年在巴特勒建設 的1 0 7 0 m m 板帶熱連軋機算起，板帶熱連軋已經(jīng)有8 0 多年的發(fā)展歷史【i l 。一般將 2 0 世紀9 0 年代以前的熱帶鋼連軋稱為傳統(tǒng)帶鋼熱連軋，年產(chǎn)量可達3 0 0 萬噸以上。 與薄板坯連鑄連軋相比，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝具有以下特征： ( 1 ) 連鑄坯厚度在2 0 0 m m 以上，長度在4 5 9 m ； ( 2 ) 具備一定容量的坯料庫； ( 3 ) 具備加熱爐區(qū)。 傳統(tǒng)熱連軋生產(chǎn)工藝的局限性： ( 1 ) 必須用厚板坯作原料，軋制能耗高； ( 2 ) 連鑄與軋制工藝之間不連續(xù)，生產(chǎn)周期長； ( 3 ) 通常板坯需從室溫加熱到軋制溫度，導致能耗增加。 表1 i 第三代熱連軋機的發(fā)展【2 】 t a b l e1 1d e v e l o p m e n to ft h et h i r dg e n e r a t i o nh o ts t r i pr o l l i n gm i l l 1 1 2 第三代軋機的特點 2 0 世紀9 0 年代，第三代熱連軋機向緊湊式半連軋形式發(fā)展。我國2 0 世紀9 0 年代建設的熱連軋機共2 3 套，采用半連軋的共計1 9 套，采用3 4 連軋的有3 套， 采用全連軋的只有1 套。由此可見，寬帶鋼熱連軋機的發(fā)展趨勢是半連續(xù)式，粗 軋機由1 或2 架可逆式軋機組成。更加緊湊的半連續(xù)式是在；i 毓軋機后設置熱卷取 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 箱，軋線布置更短。目前熱連軋機在生產(chǎn)量、軋制速度、單位寬度卷重等參數(shù)也 有所變化，表1 1 列出了當前熱軋機與2 0 世紀8 0 年代第三代熱連軋機的比較。 1 1 3 熱連軋計算機控制技術 熱連軋在6 0 年代就開始引入了計算機控制技術，經(jīng)過4 0 多年的發(fā)展，熱連軋 自動化技術已經(jīng)同漸成熟【3 1 。2 0 世紀6 0 - 7 0 年代，直接采用直接數(shù)字控制和過程 控制計算機，主要用于板坯的厚度、溫度控制。8 0 年代板形控制、粗軋寬度控制 技術和液壓a g c 技術迅速發(fā)展，同時應用生產(chǎn)控制計算機系統(tǒng)對熱軋生產(chǎn)進行在 線管理，并與連鑄計算機的數(shù)據(jù)通信，使前后工序協(xié)調(diào)，熱軋生產(chǎn)順利進行【4 j 。這 種系統(tǒng)的典型代表是寶鋼的2 0 5 0 m m 熱連軋。熱連軋計算機控制系統(tǒng)的總體結(jié)構 如圖1 1 所示。它分為四級：管理控制系統(tǒng)級、生產(chǎn)控制系統(tǒng)級、過程控制級及基 礎自動化級。過程控制是熱軋過程控制系統(tǒng)的核心。計算機控制系統(tǒng)中用來控制 工藝流程的主要數(shù)學模型幾乎都集中在過程控制系統(tǒng)中。 ! ，一，； l 一，一一- _ 一一一： 圖1 i 熱連軋控制系統(tǒng)的結(jié)構圖 f i g 1 1s t r u c t u r ec h a r to fh o ts t r i pr o l l i n gc o n t r o ls y s t e m 熱軋計算機控制系統(tǒng)是集管理、生產(chǎn)、控制、信息為一體的完整自動化系統(tǒng)。 該系統(tǒng)在結(jié)構與可靠性方面都有一定特點。系統(tǒng)結(jié)構采用負荷分組和集散型結(jié)構 體系，分工明確，負荷分配均勻，運行穩(wěn)定?？煽啃允窍到y(tǒng)正常運行的關鍵，為 此采取了許多措施來提高系統(tǒng)的可靠性，如每級計算機配備備用機、數(shù)據(jù)文件采 用雙備份、在線系統(tǒng)采用雙系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲量大、保存時間長等措施。生產(chǎn)實踐 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 表明：采用上述措施后，系統(tǒng)是可靠和安全的【5 8 1 。 1 1 4 現(xiàn)代熱連軋發(fā)展趨勢 ( 1 ) 高精度車l a j j 技術 提高熱帶鋼產(chǎn)品的精度，一直是軋鋼技術不斷追求的目標，也是推動軋制技術 進步的動力。提高熱軋帶鋼尺寸精度主要可以從兩方面著手：一是提高軋制參數(shù) 的預設定精度，它是一項根本性的技術措施【9 1 。二是開發(fā)高性能的在線自動控制系 統(tǒng)【1 0 1 。由于各種先進技術的應用，目前現(xiàn)代化熱軋帶鋼機組厚度精度控制達到了 - 4 - 0 0 2 5 m m 精度，占到全長超過9 5 的水平；士o 0 5 r a m 精度則占全長超過9 9 。 ( 2 ) 自由程序軋制技術 為了適應市場的需要，迫使人們關注自由程序軋制技術的發(fā)展。為了按照用戶 訂貨要求組織生產(chǎn)，適應連鑄連軋的要求，采用工作輥周期往返橫移、熱軋潤滑、 高精度精軋設定模型、新材質(zhì)軋輥與在線磨輥等新技術來組織生產(chǎn)，適應市場的 發(fā)展需要【1 1 1 3 1 。 ( 3 ) 智能化軋制技術 由于軋制過程多變量、非線性、強耦合的特點，利用傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn) 代化高精度軋制過程控制的要求【1 4 15 1 。利用計算機控制的人工智能方法可靠性高， 針對性強，適應性強，更有利于優(yōu)化熱連軋過程。 ( 4 ) 軋制生產(chǎn)形式和規(guī)模同趨專業(yè)化和大型化 為了滿足產(chǎn)量、質(zhì)量和降低成本的要求，現(xiàn)在普遍采用專用設備和專用加工線 進行生產(chǎn)。厚板、薄板、大型h 型鋼等生產(chǎn)設備都在日趨重型化，生產(chǎn)規(guī)模越來 越大。 1 2 課題研究目的和意義 板帶熱連軋生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟效益大，因而各種新技術應用廣泛、發(fā)展迅速。 隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，鋼板的需求日益增加，同時對鋼板尺寸精度和板形質(zhì) 量的要求也越來越高。到目前為止，我國大型成套冶金設備和技術引進已超過了 2 0 0 0 億美元，但是板帶熱連軋新工藝、新產(chǎn)品開發(fā)等關鍵技術仍受制于少數(shù)發(fā)達 國家。 軋制力設定是熱連軋精軋機組計算機設定模型的核心，其設定精度將直接影響 到輥縫的設定，進而影響到穿帶的穩(wěn)定性，產(chǎn)品厚精度以及最終的板形質(zhì)量等等【5 】； 東北大學碩士學位論文 第1 章緒論 帶鋼溫度是影響軋制力、軋機負荷合理分配、最終產(chǎn)品尺寸精度及組織性能的重 要因素之一，準確地預報帶鋼溫度，是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要基礎【1 6 】；負荷分配不 僅對帶鋼軋制過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的平直度有重要影響，而且與設備能力發(fā)揮和 極限規(guī)格的產(chǎn)品開發(fā)直接相關【1 7 】。因此，長期以來精確的g l n 力計算方法、提高 板帶溫度模型預報精度和負荷分配的優(yōu)化一直是提高軋制過程中數(shù)學模型精度的 重要課題之一。 本文通過對z f l n 力、軋制溫度和負荷分配進行深入研究，解決軋制過程中的基 礎科學問題，對于實現(xiàn)軋制過程中軋制力、軋制溫度和負荷分配的精確控制，提 高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的理論研究意義和實際應用價值。 1 3 國內(nèi)外研究狀況 1 9 2 4 年提出的卡爾曼微分方程，樹立了軋制理論發(fā)展的第一個里程碑【l8 1 。后 來的研究學者在卡爾曼微分方程的基礎上，在不同的假設條件下，用經(jīng)典數(shù)學解 析方法，經(jīng)過推導演繹，提出了形式各異的軋制力公式，并揭示了z f l n 過程中前 滑、后滑和寬展等現(xiàn)象，逐漸形成了以工程法為核心的軋制理論體系。在卡爾曼 微分方程的基礎上發(fā)展起來的單位壓力公式有：采利柯夫解單位壓力公式；e 奧羅 萬單位壓力公式；r b 西姆斯單位壓力公式；m d 斯通單位壓力公式。 2 0 世紀6 0 年代，隨著軋制技術的發(fā)展，計算機應用于連軋機組的控制，對軋 制力的計算精度提出了更高的要求。以變分法、上下界法等能量方法為核心的現(xiàn) 代軋制理論迅速發(fā)劇1 9 】，基本思想是：從運動許可速度場出發(fā)建立能量泛函，利 用數(shù)學上的優(yōu)化方法尋找滿足能量泛函的最優(yōu)解，確定變形區(qū)的應力分布，進而 計算軋制力。 能量法不但可以求解二維板帶軋制問題，還可以求解三維問題，它克服了工程 法忽略寬展而導致軋制力計算偏差的缺點，這種解法的出現(xiàn)及成功應用，為軋制 理論的發(fā)展樹立了第二個里程碑。由于板帶軋制是金屬的三維彈塑性變形問題， 因此要想更精確的計算軋制力，就必須深入研究金屬的三維彈塑性變形機理。用 能量法求解三維問題中的z f l n 力時，必須考慮到輥縫內(nèi)金屬的橫向流動，進而確 定前后張應力的橫向分布和寬展量，然后以此為邊界條件求出單位壓力橫向分布， 最后計算軋制力【2 0 】。 塔爾諾夫斯基的單參數(shù)速度場模型【2 1 1 、小林史朗的三參數(shù)速度場模型f 2 2 1 、加 藤和典不考慮側(cè)面鼓形的三參數(shù)速度場模型和考慮側(cè)面鼓形的五參數(shù)速度場模型 4 東北大學碩士學位論文 第1 章緒論 【2 。這幾種模型均是采用定的假設，建立變形區(qū)運動許可速度場，然后根據(jù)總 變形功率最小原理來確定速度場中的待定參數(shù)。這些模型不但能計算板帶軋制過 程中的軋制力，還常用于軋件寬展量和軋制力矩的計算。 自2 0 世紀8 0 年代以來，以有限元為代表的現(xiàn)代數(shù)值模擬方法在g l a i j 領域的廣 泛應用，為軋制理論的發(fā)展樹立了第三個里程碑。有限元法主要用來分析和計算 車l a j j 過程中金屬的流動規(guī)律、應力應變分布和變化趨勢、溫度場的分布以及軋制 力的變化等，其中軋制力的計算是通過對應力在整個變形區(qū)內(nèi)積分得到的【2 3 1 。彈 塑性有限元軟件m a r c 、a n s y s 、a b a q u s 和剛塑性有限元軟件d e f o r m 等【2 4 】 用于板帶軋制問題分析。 1 3 1g l n 力計算方法及應用 軋制力的理論計算方法很多，但目前的帶鋼熱連軋生產(chǎn)，為了滿足實時性要求， 主要采用基于工程法的軋制力數(shù)學模型來進行軋制力的設定計算【2 5 】，同時為減少 計算誤差，實際生產(chǎn)時還需結(jié)合自適應技術對軋制力進行在線修正。目前國內(nèi)精 軋機組上通常采用以西姆斯理論為基礎的軋制力模型。而現(xiàn)代數(shù)值模擬方法由于 計算時間長而常常被用來進行離線的計算。 金屬作用在軋輥上的總壓力及其合力作用點位置完全取決于單位壓力及其分 布特點。確定平均單位壓力的方法，歸結(jié)起來有如下三種： ( 1 ) 理論計算法 它是建立在理論分析基礎之上，用計算公式確定單位壓力。通常，都要首先確 定變形區(qū)內(nèi)單位壓力分布形式及大小，然后在計算平均單位壓力。 ( 2 ) 實測法 在軋鋼機上放置專門設計的壓力傳感器，將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過放大 或直接送往測量儀表將其記錄下來，獲得實測的軋制壓力資料。用實測的軋制總 壓力除以接觸面積，便求出平均單位壓力。 ( 3 ) 經(jīng)驗公式和圖表法 根據(jù)大量的實測統(tǒng)計資料，進行一定的數(shù)學處理，根據(jù)主要影響因素，建立經(jīng) 驗公式或圖表。 目前上述方法在確定平均單位壓力時都得到了廣泛的應用。理論方法雖然較 好，但理論計算公式目前尚有一定的局限性，還沒有建立起包括各種軋制方式、 條件和鋼種的高精度公式，因而引用起來比較困難，并且計算繁瑣。實測方法在 東北大學碩士學位論文 第1 章緒論 相同實驗條件下應用可能得到較為滿意的效果，但它又受到實驗條件的限制?？?之，目前計算平均單位壓力的公式很多、參數(shù)選用各異、都有一定的適用范圍， 所以計算平均單位壓力時，根據(jù)不同的情況適當采用上述方法。 1 3 2 軋制溫度的研究 熱帶終軋溫度控制是軋制過程控制的重要內(nèi)容。熱連軋機帶鋼溫度變化包括帶 鋼在輥道上或機架間傳送時的空冷溫降；高壓水除鱗時的水冷溫降；機架間噴水 或?qū)恿骼鋮s時的水冷溫降；軋制過程中溫升。國內(nèi)外的許多學者采用不同的方法 對軋制過程中軋件及軋輥的溫度場進行了研究，經(jīng)常使用的方法為有限元法【2 7 】 和有限差分法【2 8 1 。但是實際生產(chǎn)中在線控制用數(shù)學模型，通常根據(jù)傳熱學基本理 論建立簡易數(shù)學模型，利用平均溫度傳遞的方式來進行預設定計算及在線控制【2 1 1 。 a m n o n s h i r i z l y ，j o h ngl e n 砌【2 9 】計算除鱗水對熱軋帶鋼傳熱的影響。 v l a d i m i rp a n j k o v i c 3 0 】開發(fā)了離線的精軋過程溫度計算軟件，建立了從粗軋出i b 到精軋出口整個精軋過程各個區(qū)段的溫度計算公式，計算結(jié)果與其它幾種離線模 型的計算結(jié)果相比有較高的計算精度。 傅新、陳水宣【3 1 】等結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，建立空冷溫降模型和指 數(shù)水冷溫降模型，并由此構建的混合溫度模型，計算結(jié)果表明混合溫度模型保證 計算速度的同時又大幅度提高計算精度。 龔殿堯和徐建忠【3 2 1 等建立熱帶終軋過程計算的簡化模型，計算結(jié)果比理論模型 計算結(jié)果精確。 李海軍和徐建忠【3 3 】等開發(fā)了熱軋帶鋼精軋區(qū)溫度模擬計算軟件，離線模擬計算 結(jié)果與實測值基本吻合，模型具有較高的精度。 高愛軍和陳杰【3 4 】等介紹了泰鋼9 5 ( ) r n m 精軋機組過程控制的數(shù)學模型，應用該 模型后，帶鋼產(chǎn)品各項指標達到設計要求。 1 3 3 負荷分配的研究 熱軋帶鋼精軋機組負荷分配經(jīng)歷了4 個階段，即從經(jīng)驗分配、單目標優(yōu)化分配、 綜合負荷均衡分配、人工智能【3 5 1 。每一個里程碑都使負荷分配更加合理，產(chǎn)品質(zhì) 量不斷提高，熱連軋機的控制更加容易實現(xiàn)。 ( 1 ) 經(jīng)驗分配法 經(jīng)驗分配法的具體步驟是：先根據(jù)經(jīng)驗分配各機架負荷，然后計算達到終軋的 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 目標溫度時所需的穿帶速度，確定帶鋼在各機架的溫度，用數(shù)學模型預測變形抗 力、軋制力、軋制功率、及其他參數(shù)，進行極限校核；如果某一機架的軋制功率 超過主電機功率極限，就利用修j 下算法重新分配各機架的壓下量，以調(diào)整各機架 負荷；不斷調(diào)整，校核，直到所有機架的軋制功率都不超限。 這種方法的優(yōu)點：簡便、可靠，能確保設備安全，且對設備的自動化程度依賴 性??；缺點：需要不斷校核和修證，易導致各架負荷不均，造成負荷向前架或向 后架積累的現(xiàn)象，從而不僅影響整個機組能力的發(fā)揮，而且影響帶鋼的質(zhì)量。 ( 2 ) 能耗曲線分配 按能耗曲線進行負荷分配，必須首先確定能量消耗與軋出厚度之間的定量關 系，即能耗曲線。單位能耗曲線主要根據(jù)工廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)制定，一般是根據(jù)在 生產(chǎn)條件下實測的電壓和電流值得到實際軋制功率，經(jīng)加工整理繪制成所軋材質(zhì) 的單位能耗曲線，或整理成表格的形式。使用時，根據(jù)能耗曲線確定總的能耗快， 再按給定的各機架負荷分配比口，通過式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 計算出各機架的出i s l 厚度， 計算公式為： 仃一薹! 一w 鏟轟2 意_ 愧 懶c x p f 生要歪 式中：w 一第f 機架的累積能耗； k 1 、k 2 、船一工廠統(tǒng)計系數(shù)； j i l d 一精軋機組入口厚度。 ( 1 2 ) 刀一機架總數(shù)； 么一取決于鋼種和軋制溫度的系數(shù)； 能耗分配法克服了經(jīng)驗分配法各機架負荷不均現(xiàn)象，能夠較充分地發(fā)揮機組的 能力，簡化后的能耗模型比較簡單，在現(xiàn)代化連軋機組上常用它設定軋制規(guī)程。 按能耗曲線分配負荷的最大缺點是必需制定能耗曲線。需要大量的實測數(shù)據(jù)，并 經(jīng)過復雜的計算才能完成；而且能耗曲線隨軋機工藝和所軋材質(zhì)與坯料及成品規(guī) 格等條件的不同而不同，即使上述條件基本相同，也有1 0 左右的誤差。按能耗 曲線分配負荷使設定的精度受到影響，也給開發(fā)新產(chǎn)品帶來了一定的困難。 ( 3 ) 綜合負荷函數(shù)法 東北大學碩士學位論丈 第1 章緒論 采用綜合負荷均等的原則確定! f l 匍j 規(guī)程，并對各負荷相對富裕量的加權系數(shù)根 據(jù)生產(chǎn)實際情況進行調(diào)整，從而達到軋制規(guī)程的合理和優(yōu)化。綜合負荷均等原則 是綜合考慮軋制時的板形、軋制壓力、軋制力矩和電機功率等因素，由此確定最 優(yōu)的軋制負荷分配。 多種負荷均衡分配法的優(yōu)點：負荷函數(shù)比較完善，它包含了板帶生產(chǎn)的所有約 束條件，能在所有負荷都比較均衡的基礎上使某些負荷最優(yōu)；通過改變富余系數(shù)， 靈活的調(diào)節(jié)各種負荷或約束的相對余量，從而可以滿足多方面的要求。缺點：在 迭代過程中會出現(xiàn)求負數(shù)的平方根和對數(shù)的現(xiàn)象，造成迭代過程無法進行，特別 是低溫薄規(guī)格負荷余量不足時更易發(fā)生，主要是壓力模型和變形抗力模型的局限 性造成的，是由于傳統(tǒng)的二維軋制理論，已不能適應現(xiàn)代軋制技術的需要，而三 維軋制理論尚未成熟，目前還不能徹底解決這方面的問題。它所能達到的精度已 經(jīng)不能滿足現(xiàn)代軋鋼生產(chǎn)發(fā)展的需要。 ( 4 ) 人工智能分配法 熱軋帶鋼精軋機組負荷分配的協(xié)同人工智能系統(tǒng)簡稱s a i r s ( s y n e r g e t i e a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ef o rr o l l i n gs c h e d u l i n g ) 。根據(jù)熱軋帶鋼精軋機組負荷分配的工 作性質(zhì)，s a i r s 系統(tǒng)采用模糊理論、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等4 種智能 工具進行聯(lián)合組合，共同完成負荷分配優(yōu)化工作，具體如圖1 2 所示。 a b cd 圖1 2 各種人 ：智能_ t 具組合使用示意圖 f i g 1 2c o m b i n a t i o nd i a g r a mo fa l lk i n d so fs a i r s 人工智能分配法的優(yōu)點：1 ) 人工智能可避開過去那種對軋制過程深層規(guī)律的無 止境的探索，轉(zhuǎn)而模擬人腦來處理那些實實在在發(fā)生的事情；它不是從基本原理 出發(fā)，而是以事實和數(shù)據(jù)作根據(jù)，來實現(xiàn)對過程的優(yōu)化；2 ) 有很強的容錯性；3 ) 網(wǎng)絡所記憶的信息是以分布方式存儲的，而計算結(jié)果并行處理，故有較快的速度， 8 - 東北大學碩士學位論文第1 章緒論 適于“在線”計算；4 ) 有很強的學習功能，網(wǎng)絡中的連接權和連接的結(jié)構都可通過學 習而得到；5 ) 終止時，每一個個體都是一個較好的解。不足之處：1 ) 網(wǎng)絡空間非常 大，需要有大容量的計算機，并要求有較快的運行速度，否則很難實現(xiàn)在線預測 與控制；2 1 要有合理的算法組合和與其相匹配的支持軟件。 余四清和賀毓辛【3 6 】等引入負荷函數(shù)，使之包含板帶軋制所有約束條件，提出多 種負荷均衡分配法優(yōu)化軋制規(guī)程。郭韜【3 7 】通過分析攀鋼1 4 5 0 m m 熱軋板廠精軋機組 負荷分配的特點，提出了負荷分配的改進措施。楊連宏和韓奕【3 8 】等以太鋼1 5 4 9 熱 連軋精軋機組為例，根據(jù)不同規(guī)格、材質(zhì)帶鋼的實際軋制負荷分配情況闡述了精 軋機組應如何合理的分配負荷。梁國平【3 9 】以連軋機為例，從工藝要求和數(shù)學方法 評述了國內(nèi)外現(xiàn)有的一些負荷分配方法，通過對大量現(xiàn)場采用的分配辦法進行總 結(jié)和提高，提出負荷函數(shù)的概念，指出等負荷分配的最佳性，給出一個最佳負荷 分配規(guī)程及其計算方法。 1 4 本文的研究內(nèi)容 結(jié)合遷鋼2 1 6 0 m m 熱軋帶鋼項目，主要研究了熱軋帶鋼精軋過程中的軋制力計 算模型、溫度計算模型和負荷分配計算模型。具體研究內(nèi)容如下： ( 1 ) 從理論上推導出溫度有限差分模型的建立過程，分析了空冷換熱模型、 水冷換熱模型、帶鋼與輥道換熱模型和變形區(qū)換熱模型； ( 2 ) 分析、構建了* l n 力模型、軋制力矩模型和軋制功率模型； ( 3 ) 從理論上推導出負荷分配的優(yōu)化目標函數(shù)的建立過程，建立在線應用的 多目標優(yōu)化負荷分配模型； ( 4 ) 對比模型計算值與實測值，分析模型合理性。 東北大學碩士學位論文 第2 章溫度模型 第2 章溫度模型 帶鋼熱連軋生產(chǎn)過程的主要內(nèi)容基本上可歸結(jié)為尺寸變化和溫度變化兩大類 性質(zhì)極不同但又相互緊密聯(lián)系的物理過程。由于帶鋼的屈服應力和軋機的壓下量 主要受到帶鋼溫度的影響，帶鋼溫度的計算是十分重要的。帶鋼溫度數(shù)學模型是 熱軋生產(chǎn)中厚度控制模型、寬度控制模型、板形控制模型和產(chǎn)品性能控制的基礎。 軋制參數(shù)的設定計算、前饋控制和反饋控制、模型自學習和模型參數(shù)的自適應都 需要有精確的溫度計算模型作為支撐。本章以熱傳導方程為基礎，建立了高精度 的熱軋帶鋼連軋機組溫度有限差分模型。 2 1 熱傳導方程 考慮單元體a 經(jīng)過時間t 的塑性變形后，體積有形狀由v ( t 9 變化為v ( t 2 ) ，如 圖2 1 所示，且塑性變形過程中符合體積不變定律。 圖2 1 單元體a 塑性變形前后的體積變化 f i g 2 1t h ev o l u m ec h a n g eo fb o d ya u n d e rd e f o r m a t i o n 以熱焓形式表示的熱傳導方程如下所示： 暑“p 力a ，礦= f ( f ) s a ，礦一) 歹a ，矛 ( 2 1 ) 式中：p 一材料密度，k g m 3 。 辦材料熱焓值，j k g ； 歹一材料表面熱流密度，w m 2 ； 卜內(nèi)熱源，w m 3 。 式中的第一項積分表示單位時間內(nèi)物體熱能的變化量，第二項表示單位時間內(nèi) 物體由于內(nèi)部熱源所獲得的熱能，第三項表示單位時間內(nèi)通過物體表面損失的熱 能。 1 0 東北大學碩士學位論文第2 章溫度模型 2 2 帶鋼熱物理性能參數(shù) 帶鋼的溫度及熱傳導率是相組成( 鐵素體相所占的百分數(shù)) 和熱焓的函數(shù)，而 這些函數(shù)通常與材料的化學成分有關。材料物理參數(shù)模型基于一系列的假設條件， 實現(xiàn)溫度、熱傳導率、熱焓值、比熱等參數(shù)的之間的換算。 2 2 1 帶鋼溫度與熱焓的關系曲線 在奧氏體區(qū)范圍內(nèi)，溫度與熱焓成線性關系，并且不同鋼種之間差別不大，也 就是說在奧氏體區(qū)帶鋼的比熱為常數(shù)，且各鋼種的比熱近似相等。 在相變溫度以下，相對各自的相變轉(zhuǎn)變點，各鋼種溫度與熱焓關系曲線按相似 的規(guī)律變化。 ( 1 ) 奧氏體比熱的計算 由于奧氏體溫度與熱焓成線性關系，并且不同鋼種之間差別不大，所以所有鋼 種的溫度與熱焓的關系曲線可以用同一條直線來擬合。即： 死= k 。( 0 ) + k , m p 。酣( 1 ) h ( 2 2 ) 式中：l 一奧氏體溫度，k ； 一熱焓值，j g ； 刪( o ) 一等于1 0 0 5 9 9 0 8 4 8 9 8 2 8 2 3 + 2 7 3 1 8 5 7 6 ； 。吲( 1 ) 一等于0 0 0 1 5 8 0 5 1 3 0 4 9 3 5 。 根據(jù)熱力學知識，熱焓、比熱容與溫度三者之間的關系如下， h = c p x t ( 2 3 ) 式中：r 一材料溫度，k ； j j l 一材料熱焓值，j g ； c 。一材料的比熱，j g k 。 所以奧氏體比熱的倒數(shù)勺為： 勺2 亙12 可= 而瓦1 廁2 面1 ( 2 4 ) o h ( 2 ) 鐵素體比熱的計算 因為在相變溫度以下，相對各自的相變轉(zhuǎn)變點，各鋼種溫度與熱焓關系曲線按 相似的規(guī)律變化，所以，假設純鐵的溫度與熱焓關系曲線可以三次多項式來擬合， 東北大學碩士學位論文 第2 章溫度模型 而其他鋼種的鐵素體溫度與熱焓關系曲線通過坐標平移的方法獲得，如圖2 2 所 示，虛線為純鐵溫度與熱焓關系曲線，將其沿縱坐標平移丁，沿橫坐標平移辦， 即可得到對應鋼種的鐵素體溫度與熱焓關系曲線。 p 創(chuàng) 贈 - ”- 一一一 彩l ： 一a u s t e n i t e ： 一f e r n t e 一a c 3 ，為2 + 幽 圖2 2 溫度與熱焓值的擬合曲線 f i g 2 2m a t c hc u r v eo ft e m p e r a t u r ea n de n t h a p l y 純鐵的溫度與熱焓關系的三次多項式如下所示： z l 。= 尼n p - 勛( o ) + 尼。p - 鼢( 1 ) j l l + 包。p _ 勛( 2 ) h 2 + 致唧血( 3 ) x h 3 任一鋼種的鐵素體溫度與熱焓關系，可通過對上式進行坐標平移獲得， 耳+ ( 9 1 1 - t a 勺+ 2 7 3 ) = k 曲( o ) + 慷( 1 ) ( + 幽) + 忌矗p - 衙( 2 ) ( + 辦) 2 + 七劬p _ 船( 3 ) ( | i l + ) 所以： 露= 七。，衙( o ) + 七。l 船( 1 ) ( j i l + j i ) + k ( 2 ) ( + j 1 1 ) 2 + k ( 3 ) ( + ) 3 9 1 1 一無勺+ 2 7 3 ) ( 2 5 ) 即： ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中：耳一鐵素體溫度，k ； 死 鋼種相變轉(zhuǎn)變點溫度，k ； k 。pf c r ( 0 ) = 9 8 3 19 3 9 31 2 9 6 0 9 8 9 + 2 7 3 一1 8 5 7 6 ； 露t i l l p 話，( 1 ) 2 0 0 0 1 2 1 8 7 4 3 7 1 3 3 8 ； 足恤i p 船( 2 ) 2 5 0 6 1 2 5 9 9 9 4 8 3 5 0 8 8 e 0 1 0 ； 尼唧傳，( 3 ) 21 3 7 3 6 7 9 3 2 7 9 4 9 8 6 9 e o l5 。 j i l 可根據(jù)奧氏體溫度與熱焓關系曲線( 圖2 3 紅線所示) 求得，計算公式為： a h ：墮r ：竺! l 二圣壘 ( 2 8 ) d 丁 刪( 1 ) 。 東北大學碩士學位論文第2 章溫度模型 在鐵素體溫度與熱焓公式兩邊對熱焓進行求導，得鐵素體比熱的倒數(shù)上為：