箔材和薄带材冷轧过程中板形控制的研究

摘要

本文以铝合金箔材板形控制技术研究和本钢冷轧厂四机架冷轧薄带材板形控制的研究为背景，对箔材和薄带材冷轧板形控制系统进行深入研究。针对实际板形控制模型中板形调控功效仅根据箔材和带材宽度设定，使得板形偏差未能更好的消除。详细分析了基于多变量最优化板形控制系统的核心参数——板形调控功效和核心模型——多变量最优化计算模型。建立箔材和薄带材板形调控功效计算的有限元模型，分析了带宽、轧制力、弯辊力和倾斜力等因素对板形调控功效的影响规律。基于对偶法采用C语言开发出多变量最优化闭环反馈控制模块。主要研究内容有:
　　(1)传统的冷轧理论将轧辊轮廓仍当成圆弧形，很好的应用于带材冷轧过程，当但该假设应用于箔材轧制过程出现很大偏差。采用ABAQUS/Explicit商业有限元软件建立箔材二维轧制过程有限元模型，计算变形区内接触压力分布和轧辊表面轮廓形状。通过分析计算结果，箔材轧制变形区存在一箔材厚度不发生变化的中性区域，该结果与FLECK等关于箔材轧制过程“垫子”理论的吻合较好。
　　(2)为了进一步优化弯辊力预设定，建立薄带材轧制弯辊力预设定的有限元模型。将有载辊缝和薄带材断面轮廓用切比雪夫多项式进行分解，根据轮廓匹配原则，即切比雪夫多项式二次项系数相等，建立弯辊力的有限元法预设定模型。
　　(3)确定板形控制系统核心参数和核心模型。详细分析VAI四辊箔材轧制板形控制系统目标曲线设定、板形前馈控制、板形闭环反馈以及喷淋控制过程;分析了ABB四辊薄带材轧制板形控制过程目标曲线设定、板形前馈控制和板形闭环控制系统。对比研究上述两种板形控制系统发现多变量最优化板形控制系统的核心模型参数和核心模型分别为板形调控功效和多变量最优化计算模型。
　　(4)原有板形控制系统中板形调控功效仅根据箔材和带材宽度设定，使得弯辊力和倾斜力调节量未能更好的消除板形偏差。建立箔材和薄带材板形调控功效计算有限元模型，分析宽度、轧制力、弯辊力和倾斜力等参数对板形调控功效影响，为调试板形调控功效提供控制策略。
　　(5)基于箔材轧制变形特点，传统模式识别板形控制系统通过倾斜和弯辊消除一次板形偏差和二次板形偏差不能有效的应用于箔材板形控制。本文根据对偶法，采用C语言开发出多变量最优化闭环反馈计算模型，多变量最优化板形控制具有更广泛的应用范围和更好的应用效果。
　　(6)针对箔材和薄带材生产现场实际板形问题，基于多变量最优化箔材和薄带材轧制板形闭环控制原理，调整板形调控功效，调整前馈弯辊力修正量由3.7调整到4.0，平直度偏差减小了50％，箔材板形反馈控制，将弯辊力板形调控功效比例系数设定为0.96时，反馈控制弯辊力增加了大约6％，传动侧边部两个测量区域和操作侧边部两个测量区域平直度均偏差减小了50％以上，对于薄带材轧制采用调试1中的倾斜板形调控功效，反馈控制中倾斜力减小了4.04％，平直度均偏差减小了大约60％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 项目研究的目的和意义

1．1．1 铝箔轧制研究的目的和意义

1．1．2 薄带材轧制研究的目的和意义

1．2 箔材和薄带材冷轧的特点

1．3 板形的表示方法

1．4 影响冷轧板形的主要因素

1．4．1 原料的影响

1．4．2 轧辊凸度及轧辊表面粗糙度的影响

1．4．3 工艺润滑及冷却的影响

1．4．4 压下量、轧制速度和张力的影响

1．5 板形控制模型

1．5．1 板形预设定模型

1．5．2 板形前馈模型

1．5．3 板形控制闭环反馈模型

1．6 冷轧板形基本控制方法

1．6．1 压下倾斜技术

1．6．2 液压弯辊技术

1．6．3 轧辊横移

1．6．4 工作辊分段冷却控制

1．7 板形理论研究的方法

1．7．1 解析法

1．7．2 影响函数法

1．7．3 有限元法

1．8 本文的主要研究内容

第2章 箔材轧制变形区变形行为的研究

2．1 有限元求解箔材轧制变形区变形的提出

2．2 非线性结构分析

2．2．1 ABAQUS非线性求解

2．2．2 ABAQUS／Standard中的平衡迭代和收敛

2．3 ABAQUS／Explicit建模及求解

2．3．1 接触算法

2．3．2 接触摩擦

2．3．3 ABAQUS／Explicit求解原理

2．3．4 ABAQUS／Explicit分析的增量步长

2．4 箔材轧制变形区变形行为分析

2．4．1 有限元模型与参数

2．4．2 有限元模拟结果

2．5 本章小结

第3章 薄带材冷轧弯辊力预设定有限元计算

3．1 带材和辊缝二次凸度分析

3．1．1 带材与辊缝匹配对板形影响

3．1．2 带材轮廓表示

3．1．3 辊缝二次凸度表示

3．2 弯辊力预设定计算有限元模型

3．3 计算结果

3．3．1 基准辊缝二次凸度计算

3．3．2 单位宽度轧制力对辊缝二次凸度影响

3．3．3 弯辊力对辊缝二次凸度影响

3．3．4 轧辊直径对辊缝二次凸度影响

3．3．5 轧辊凸度对辊缝二次凸度影响

3．3．6 弯辊力预设定值计算

3．4 本章小结

第4章四辊轧机冷轧板形控制系统

4．1 设备概况

4．1．1 1550铝箔冷轧板形控制系统

4．1．2 1700带材冷轧板形控制系统

4．2 板形目标曲线计算

4．2．1 箔材板形目标曲线计算

4．2．2 带材板形目标曲线计算

4．3 平直度测量原理

4．4 板形前馈控制模型

4．4．1 箔材轧制板形前馈控制模型

4．4．2 带材轧制板形前馈控制模型

4．5 板形闭环反馈控制

4．5．1 箔材板形闭环控制

4．5．2 带材板形闭环控制

4．6 箔材喷淋控制

4．7 箔材与薄带材轧机板形控制系统比较

4．8 本章小结

第5章 板形调控功效有限元分析

5．1 板形调控功效定义

5．2 箔材板形调控功效分析

5．2．1 箔材板形调控功效有限元建模

5．2．2 箔材板形调控功效计算结果分析

5．3 带材板形调控功效分析

5．3．1 带材反馈板形调控功效分析

5．3．2 带材前馈板形调控功效分析

5．4 本章小结

第6章 多变量最优化板形闭环控制算法的研究

6．1 多变量最优化板形闭环控制

6．1．1 板形闭环控制策略

6．1．2 多变量最优化控制算法

6．1．3 对偶法的基本思想

6．1．4 对偶法的实现过程

6．1．5 结果验证

6．2 模式识别控制与多变量最优控制对比

6．3 本章小结

第7章 现场应用及结果分析

7．1 轧机板形执行机构介绍

7．2 参数调试及结果分析

7．2．1 平直度均偏差指标定义

7．2．2 板形前馈模型调试效果

7．2．3 板形闭环反馈模型调试

7．3 本章小结

第8章 结论

参考文献

攻读博士期间完成的工作

致谢

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