五机架冷连轧机组极薄带轧制中乳化液浓度的设定方法

摘要

一种五机架冷连轧机组极薄带轧制中乳化液浓度的设定方法，包括以下由计算机执行的步骤：1、收集机组主要设备、待轧制带材特征、主要轧制工艺和工艺润滑制度参数；2、定义相关过程参数；3、计算弯辊力和窜辊量；4为相关搜索过程参数赋值；5、计算浓度过程参数；6、计算最大轧制速度的搜索过程速度；7、计算当前条件下各机架的摩擦系数；8、计算当前条件下各机架的轧制力、轧制功率、打滑因子、热滑伤指数和振动系数；9计算各机架工作辊的热凸度；10、计算出口板形和压靠宽度；11、得到并输出最佳配比浓度。本发明能够提高轧制速度，保证轧制效率；避免打滑、热滑伤以及振动的发生；保证末机架出口板形和工作辊辊端压靠宽度最小。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金冷轧领域，特别适合一种五机架冷连轧机组极薄带轧制中乳化液浓度的设定方法。

背景技术

随着市场竞争加剧，用户对带钢厚度减薄的需求不断强烈，要求厂家提供0.17mm甚至更薄的产品。但是根据现场的实际经验，随着带钢厚度的减小，在生产过程中极易产生振动、打滑和热滑伤等相关缺陷，尤其是对轧机振动的影响尤为明显，轧机振动又会在带材表面形成有垂直于轧向的明暗交替的条纹或者造成出口厚度偏差过大，影响产品的质量。在其他因素无法改变的情况下，现场只能通过降速来减轻轧机的振动，使生产恢复正常，这样极大的影响机组的生产效率。通过研究发现，轧机振动除与轧制速度相关外，与辊缝的摩擦状态也密切相关，一方面，辊缝中的润滑油膜对于轧机系统的垂直振动能起到一种阻尼作用，油膜的摩擦系数越低，其阻尼作用越差，系统的稳定性也就越差，同样情况下，轧机发生振动的概率也越大；另一方面，辊缝中摩擦系数越小，摩擦对轧制压力的影响就越小，相对的张力对轧制压力的影响就越低，导致入口张力与轧制压力的自激关系增强，系统稳定性降低，轧机更容易发生振动。此外，如果辊缝润滑过于充分，在不稳定因素干扰下，辊缝的状态波动会越大，也对系统的稳定性产生不利的影响，增加轧机振动发生的概率（文献[1]）。而辊缝中的摩擦系数和润滑状态与乳化液的浓度密切相关，随着浓度的增加，油膜厚度会增加，摩擦系数会减小，这样不利于轧机振动和打滑的防治，但却有利于热滑伤缺陷的防治；当乳化液的浓度超过一定值时，乳化液的换热系数下降的比较显著，接触区温度上升比较快，从而导致润滑油的动力粘度降低的也比较快，油膜厚度会降低，摩擦系数会增加，这样有利于轧机振动和打滑的防治，但不利于热滑伤的防治。此外，乳化液的浓度变化还能影响传热系数，改变各机架工作辊的热辊型，导致轧机出口板形和工作辊的压靠宽度发生变化（文献[2，3]）。这就是说乳化液浓度的变化可以影响轧制过程中打滑、热滑伤、振动等缺陷的发生概率以及末机架出口板形和工作辊压靠宽度，从而最终影响轧制速度。如果乳化液的浓度设定不合理，将有可能使得机组轧制速度上不去，影响轧制效率。以往，现场对于乳化液浓度的设定基本依靠操作工的经验来完成，对所有规格的带钢，均采用同一个浓度，造成极薄带钢轧制过程中，轧制速度偏低或者带钢表面质量不佳，给机组带来较大的经济损失。

(参考文献：[1]邹家祥，徐乐江.冷连轧机系统振动控制[M].冶金工业出版社，2006.[2]白振华.冷连轧机高速生产过程核心数学模型[M].机械工业出版社，2009.[3]连家创，刘宏民.板厚板形控制[M].兵器工业出版社，1995.)

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高轧制速度、保证轧制效率、避免打滑、热滑伤以及振动等缺陷发生的五机架冷连轧机组极薄带钢轧制中乳化液浓度的设定方法。

本发明的技术方案如下：

一种五机架冷连轧机组极薄带钢轧制中乳化液浓度的设定方法，包括以下由计算机执行的步骤：

（a）收集五机架冷连轧机组的主要设备与工艺参数，主要包括1-5#机架轧机许用最大轧制压力设定值P_imaxi=1,2,…5、1-5#机架轧机许用最大轧制功率设定值F_imax、1-5#机架中间辊许用最大窜动量δ_imax、1-5#机架工作辊最大正弯辊力1-5#机架工作辊最大负弯辊力1-5#机架中间辊最大正弯辊力1-5#机架中间辊最大负弯辊力末机架允许的最大压靠长度末机架出口允许最大板形值1-5#工作辊辊径D_iw、1-5#机架中间辊直径D_im、1-5#机架支撑辊直径D_ib、1-5#机架工作辊辊型分布值ΔD_wij、1-5#机架中间辊辊型分布值ΔD_mij、1-5#机架支撑辊辊型分布值ΔD_bij、1-5#机架工作辊辊身长度L_wi、1-5#机架中间辊辊身长度L_mi、1-5#机架支撑辊辊身长度L_bi、1-5#机架工作辊弯辊缸中心距l_wi、1-5#机架中间辊弯辊缸中心距l_mi、1-5#机架支撑辊压下螺丝中心距l_bi；

（b）收集待轧制带材的特征参数，主要包括：带材的宽度B；带材来料的厚度h₀；1-5机架轧机带钢的出口厚度h_i；带材的弹性模量E；带材的泊松比v；带材的初始变形抗力σ_s0；变形抗力强化系数k_s；

（c）收集主要轧制工艺参数，主要包括临界打滑因子值ψ*；临界滑伤指数临界振动系数φ^*；安全系数η；开卷机开卷张力T₀，1-5#机架轧机带钢的出口张力T_i；

（d）收集主要工艺润滑制度参数，主要包括1-5#机架乳化液的流量W_i；乳化液的温度T_c；乳化液系统许可最小浓度C_min，乳化液系统许可最大浓度C_max；

（e）定义乳化液浓度优化设定过程中最大轧制速度搜索过程参数m；最大轧制速度的搜索过程速度V_max0；乳化液浓度搜索过程参数j；乳化液浓度搜索过程变量C₁,C₂；最佳配比浓度C_y；浓度搜索步长ΔC；1-5#机架摩擦系数μ_i、轧制压力F_i、轧制功率P_i、打滑因子ψ_i、滑伤指数振动系数φ_i；冷连轧机组第i架轧机工作辊弯辊力S_iw、中间辊弯辊力S_im；第1-5#机架中间辊窜动量δ_i；工作辊热凸度值ΔTD_iw；末机架辊端压靠量L_y、末机架出口板形值σ_y；

（f）为了最大限度的提高机组对出口板形的调节能力，令第i机架轧机工作辊弯辊力第1-5#机架中间辊弯辊力第1-5机架中间辊窜动量设置为基态δ_i=0；

（g）定义极薄带钢冷轧过程中最大轧制速度的初始值为V_0max，并令V_0max=100m/min，浓度搜索过程参数j=0、搜索步长ΔC=0.001%；

（h）计算浓度过程参数C₁=C_min+jΔC；

（i）令最大轧制速度搜索过程参数m=0；

（j）计算最大轧制速度的搜索过程速度V_max0=V_0max+0.5m；

（k）计算出当前工艺润滑制度及轧制速度V_max0下各机架的摩擦系数μ_i，其中摩擦系数的计算模型为：式中μ为摩擦系数，a为液体摩擦影响系数，b为干摩擦影响系数，B_ξ为摩擦系数衰减指数，ξ₀为当前工况下的油膜厚度，a,b,B_ξ的取值与机组设备有关；

（l）以当前工况下的摩擦系数μ_i、各机架间张力设定值T_i、各机架出口厚度h_i、带材的初始变形抗力σ_s0，变形抗力强化系数k_s为初始条件，计算当前工艺润滑制度及轧制速度V_max0下第1-5#机架的轧制压力P_i、轧制功率F_i、打滑因子ψ_i、滑伤指数振动系数φ_i；其中轧制压力计算基本模型为：$>P=({\sigma }_s-q_m)B\sqrt{R^{\text{'}}{H}_0ϵ}(1.08+1.79\mathrm{\mu ϵ}\sqrt{\frac{R^{\text{'}}}{H_0(1-ϵ)}}-1.02ϵ),$>轧制功率计算基本模型为：打滑因子的基本模型为：滑伤指数的基本模型为：振动系数基本模型为：其中P为轧制力，R′为压扁半径，q_m为等效张力，σ_s为平均变形抗力，B为带材宽度，μ为摩擦系数，ε为压下率，H₀为入口厚度；F_f为轧制功率，η为电机效率，v_r为轧辊转速（m/min），R为轧辊半径(m)，N为轧制力矩；ψ为打滑因子，T₁、T₀为前后张力，Δh为压下量；为滑伤指数，ξ为轧制变形区润滑油膜当量厚度，ξ′临界热滑伤状态的润滑油膜当量厚度；φ为振动系数，E为弹性模量，v为轧件出口速度，T_c为平均张力，L为相邻机架间距离，ω为系统固有频率；

（m）判断不等式是否同时成立？如果不等式成立，则转入步骤（n），否则转入步骤（r）；

（n）计算当前张力制度、压下制度、工艺润滑制度下，各机架工作辊的热凸度ΔTD_iw；

（o）计算当前张力制度、压下制度、工艺润滑制度下，末机架的出口板形值σ_y和末机架压靠段长度L_y；

（p）判断不等式是否成立？如果不等式成立，则转入步骤（q）；如果不等式不成立，则转入步骤（r）；

（q）令m=m+1，转入步骤（j）；

（r）判断不等式是否成立？如果不等式成立，则V_0max=V_max0-0.5，C₂=C₁，转入步骤（s）；如果不等式不成立，则直接转入步骤（s）；

（s）判断不等式是否成立？如不等式成立，则令j=j+1，转入步骤（h）；如果不等式不成立，则转入步骤（t）；

（t）得到最佳乳化液配比浓度C_y=C₂，和最大轧制速度V_max0，完成五机架冷连轧机组极薄带钢轧制中的乳化液浓度综合优化设定。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）最大程度的提高轧制速度，保证轧制效率；

（2）最大程度的避免打滑、热滑伤以及振动等缺陷的发生；

（3）保证末机架出口板形最小和工作辊辊端压靠宽度最小。

采用本发明极薄带钢轧制过程中乳化液浓度优化计算方法，对不同规格的带钢采用其对应的最佳乳化液浓度，与国内某冷轧厂合作，经过现场使用，本发明降低了现场极薄带轧制过程中轧机振动、打滑和热滑伤缺陷发生的概率，与传统方法相比轧制速度提高了9.23-14.39%，带来了很大的经济效益，具有进一步推广应用的价值。

附图说明

图1是本发明总计算流程图；

图2是本发明实施例1中各机架轧机工作辊辊型曲线图；

图3是本发明实施例1中优化前后末机架出口板形对比曲线图；

图4本发明实施例2中各机架轧机工作辊辊型曲线图；

图5是本发明实施例2中优化前后末机架出口板形对比曲线图。

具体实施方式

实施例1

在图1所示的五机架冷连轧机组极薄带钢轧制中乳化液浓度的设定方法的总计算流程图中，首先，在步骤1中，收集五机架冷连轧机组的主要设备与工艺参数，1-5机架轧机许用最大轧制压力设定值P_imax=(1800t,1800t,1800t,1800t,1800t)i=1,2,…5、1-5机架轧机许用最大轧制功率设定值F_imax=(2680kw,4000kw,4000kw,4000kw,4000kw)、1-5#机架中间辊许用最大窜动量δ_imax=80mm、1-5#机架工作辊最大正弯辊力1-5#机架工作辊最大负弯辊力1-5#机架中间辊最大正弯辊力1-5#机架中间辊最大负弯辊力末机架允许的最大压靠长度末机架出口允许最大板形值1-5#工作辊辊径D_iw={482.89,486.32,459.24,386.21,394.5}mm、1-5#机架中间辊直径D_im={510.68,527.35,508.56,526.29,537.34}mm、1-5#机架支撑辊直径D_ib={1231.99,1179.48,1176.12,1241.3,1241.3}mm、1-5#机架工作辊辊型分布值ΔD_wij=0、1-5#机架支撑辊辊型分布值ΔD_bij=0、1-5#机架中间辊辊型分布值ΔD_mij={-78.181,-23.081,18.626,48.241,67.067,76.403,77.552,71.815,60.494,44.889,26.302,6.035,-14.612,-34.336,-51.837,-65.813,-74.963,-77.985,-73.578,-60.441,-37.272,-2.769,44.367}（单位μm）、1-5#机架工作辊辊身长度L_wi=1350mm、1-5#机架中间辊辊身长度L_mi=1510mm、1-5#机架支撑辊辊身长度L_bi=1350mm、1-5#机架工作辊弯辊缸中心距l_wi=2500mm、1-5#机架中间辊弯辊缸中心距l_mi=2500mm、1-5#机架支撑辊压下螺丝中心距l_bi=2500mm；

随后，在步骤2中，收集待轧制带材的特征参数，主要包括：带材的宽度B=812mm；带材来料的厚度h₀=2.01mm；1-5机架轧机带钢的出口厚度h_i={1.186,0.68,0.472,0.271,0.182}mm；带材的弹性模量E=2.1×105MPa；带材的泊松比v=0.3；带材的初始变形抗力σ_s0=350MPa；变形抗力强化系数k_s=1.3；

随后，在步骤3中，收集主要轧制工艺参数，主要包括临界打滑因子ψ^*=0.4、临界热滑伤指数临界振动系数φ^*=0.9、安全系数η=0.9；开卷机开卷张力T₀=65MPa，1-5机架轧机带钢的出口张力T_i={110,125,132,125,68}MPa；

随后，在步骤4中，收集主要工艺润滑制度参数，主要包括1-5机架乳化液的流量W_i={1010,1250,1100,950,1200}L/min；乳化液的温度T_c=58℃；乳化液系统许可最小浓度C_min=1%，乳化液系统许可最大浓度C_max=6%；

随后，在步骤5中，定义乳化液浓度优化设定过程中最大轧制速度搜索过程参数m；最大轧制速度的搜索过程速度V_max0；乳化液浓度搜索过程参数j；乳化液浓度搜索过程变量C₁,C₂；最佳配比浓度C_y；浓度搜索步长ΔC；1-5机架摩擦系数μ_i、轧制压力F_i、轧制功率P_i、打滑因子ψ_i、滑伤指数振动系数φ_i；冷连轧机组第i架轧机工作辊弯辊力S_iw、中间辊弯辊力S_im；第1-5机架中间辊窜动量δ_i；工作辊热凸度值ΔTD_iw；末机架辊端压靠量L_y、末机架出口板形值σ_y；

随后，在步骤6中，令第i机架轧机工作辊弯辊力第i机架中间辊弯辊力第1-5机架中间辊窜动量设置为基态δ_i=0；

随后，在步骤7中，定义极薄带钢冷轧过程中最大轧制速度的初始值为V_0max，并令V_0max=100m/min，浓度搜索过程参数i=0、搜索步长ΔC=0.01%；

随后，在步骤8中，计算乳化液浓度过程参数C₁=C_min+jΔC=1%；

随后，在步骤9中，令最大轧制速度搜索过程参数m=0；

随后，在步骤10中，计算最大轧制速度的搜索过程速度V_max0=V_0max+0.5m=100m/min；

随后，在步骤11中，计算出当前工艺润滑制度及轧制速度V_max0下各机架的摩擦系数μ_i={0.0870,0.0635,0.0470,0.0413,0.0329}；

随后，在步骤12中，以当前工况下的摩擦系数μ_i、各机架间张力设定值T_i、各机架出口厚度h_i、带材的初始变形抗力σ_s0，变形抗力强化系数k_s为初始条件，计算当前工艺润滑制度及轧制速度V_max0下第1-5#机架的轧制压力P_i={681.64,713.21,533.82,586.14,633.78}t、轧制功率F_i={94.58,142.81,123.99,186.98,163.18}Kw、打滑因子ψ_i={0.153,0.152,0.123,0.145,0.093}、滑伤指数、振动系数φ_i={0.033,0.105,0.176,0.215,0.308}；

随后，在步骤13中，判断不等式是否同时成立？显然不等式成立，转入步骤14；

随后，在步骤14中，计算当前张力制度、压下制度、工艺润滑制度下，各机架工作辊的热凸度ΔTD_iw，各机架的工作辊热凸度如图2所示；

随后，在步骤15中，计算当前张力制度、压下制度、工艺润滑制度下，末机架的出口板形值σ_y=16I和末机架压靠段长度L_y=48.6mm，板形曲线如图3所示；

随后，在步骤16中，判断不等式是否成立？显然不等式成立，转入步骤17；

随后，在步骤17中，令m=m+1=1，转入步骤10；

随后，在步骤18中，判断不等式是否成立？如果不等式成立，则V_0max=V_max0-0.5，C₂=C₁，转入步骤19；如果不等式不成立，则直接转入步骤19；

随后，在步骤19中，判断不等式是否成立？如不等式成立，则令j=j+1，转入步骤8；如果不等式不成立，则转入步骤20；

最后，在步骤20中，得到最佳乳化液配比浓度C_y=C₂=4.65%，最大轧制速度V_max0=1420m/min，完成五机架冷连轧机组极薄带钢轧制中的乳化液浓度综合优化设定。

最后，为了方便比较，如表1所示，分别给出采用本发明所述方法与传统方法得出的极薄带钢轧制过程中的乳化液浓度和最大轧制速度。从表1可以看出，乳化液浓度提高以后，机组对该薄规格带材的最大轧制速度从1300m/min提高到了1420m/min，提高了9.23%，很好地提高了机组的生产效率。

表1：实施例1中采用本发明与传统方法参数对比

乳化液浓度最大轧制速度本发明4.65%1420m/min传统方法4.2%1300m/min

实施例2

首先，在步骤1中，收集五机架冷连轧机组的主要设备与工艺参数，1-5机架轧机许用最大轧制压力设定值P_imax=(1800t,1800t,1800t,1800t,1800t)i=1,2,…5、1-5机架轧机许用最大轧制功率设定值F_imax=(2680kw,4000kw,4000kw,4000kw,4000kw)、1-5#机架中间辊许用最大窜动量δ_imax=80mm、1-5#机架工作辊最大正弯辊力1-5#机架工作辊最大负弯辊力1-5#机架中间辊最大正弯辊力1-5#机架中间辊最大负弯辊力末机架允许的最大压靠长度末机架出口允许最大板形值1-5#工作辊辊径D_iw={476.84,480.86,463.06,399.33,406.86}mm、4-5#机架中间辊直径D_im={533.26,529.82,513.45,510.46,508.92}mm、1-5#机架支撑辊直径D_ib={1241.43,1179.48,1176.12,1241.3,1241.3}mm、1-5#机架工作辊辊型分布值ΔD_wij=0、1-5#机架支撑辊辊型分布值ΔD_bij=0、4-5#机架中间辊辊型分布值ΔD_mij={-78.181,-23.081,18.626,48.241,67.067,76.403,77.552,71.815,60.494,44.889,26.302,6.035,-14.612,-34.336,-51.837,-65.813,-74.963,-77.985,-73.578,-60.441,-37.272,-2.769,44.367}（单位μm）、1-5#机架工作辊辊身长度L_wi=1350mm、1-5#机架中间辊辊身长度L_mi=1510mm、1-5#机架支撑辊辊身长度L_bi=1350mm、1-5#机架工作辊弯辊缸中心距l_wi=2500mm、1-5#机架中间辊弯辊缸中心距l_mi=2500mm、1-5#机架支撑辊压下螺丝中心距l_bi=2500mm；

随后，在步骤2中，收集待轧制带材的特征参数，主要包括：带材的宽度B=966mm；带材来料的厚度h₀=2.02mm；1-5机架轧机带钢的出口厚度h_i={1.15515,0.642261,0.396439,0.259047,0.181}mm；带材的弹性模量E=2.1×10⁵MPa；带材的泊松比v=0.3；带材的初始变形抗力σ_s0=400MPa；变形抗力强化系数k_s=1.3；

随后，在步骤3中，收集主要轧制工艺参数，主要包括临界打滑因子ψ^*=0.36、临界热滑伤指数临界振动系数φ^*=0.85、安全系数η=0.9；开卷机开卷张力T₀=70MPa，1-5机架轧机带钢的出口张力T_i={130,145,145,150,65}MPa；

随后，在步骤4中，收集主要工艺润滑制度参数，主要包括1-5机架乳化液的流量W_i={1010,1250,1100,950,1200}L/min；乳化液的温度T_c=58℃；乳化液系统许可最小浓度C_min=1%，乳化液系统许可最大浓度C_max=6%；

随后，在步骤5中，定义乳化液浓度优化设定过程中最大轧制速度搜索过程参数m；最大轧制速度的搜索过程速度V_max0；乳化液浓度搜索过程参数j；乳化液浓度搜索过程变量C₁,C₂；最佳配比浓度C_y；浓度搜索步长ΔC；1-5机架摩擦系数μ_i、轧制压力F_i、轧制功率P_i、打滑因子ψ_i、滑伤指数振动系数φ_i；冷连轧机组第i架轧机工作辊弯辊力S_iw、中间辊弯辊力S_im；第1-5机架中间辊窜动量δ_i；工作辊热凸度值ΔTD_iw；末机架辊端压靠量L_y、末机架出口板形值σ_y；

随后，在步骤6中，令第i机架轧机工作辊弯辊力第i机架中间辊弯辊力第1-5机架中间辊窜动量设置为基态δ_i=0；

随后，在步骤7中，定义极薄带钢冷轧过程中最大轧制速度的初始值为V_0max，并令V_0max=100m/min，浓度搜索过程参数i=0、搜索步长ΔC=0.01%；

随后，在步骤8中，计算乳化液浓度过程参数C₁=C_min+jΔC=1%；

随后，在步骤9中，令最大轧制速度搜索过程参数m=0；

随后，在步骤10中，计算最大轧制速度的搜索过程速度V_max0=V_0max+0.5m=100m/min；

随后，在步骤11中，计算出当前工艺润滑制度及轧制速度V_max0下各机架的摩擦系数μ_i={0.0789,0.0585,0.0602,0.0428,0.0317}；

随后，在步骤12中，以当前工况下的摩擦系数μ_i、各机架间张力设定值T_i、各机架出口厚度h_i、带材的初始变形抗力σ_s0，变形抗力强化系数k_s为初始条件，计算当前工艺润滑制度及轧制速度V_max0下第1-5#机架的轧制压力P_i={893.56,909.49,1010.58,721.57,813.37}t、轧制功率F_i={127.06,196.83,209.62,175.98,197.59}Kw、打滑因子ψ_i={0.172,0.165,0.097,0.105,0.085}、滑伤指数、振动系数φ_i={0.028,0.092,0.156,0.227,0.290}；

随后，在步骤13中，判断不等式是否同时成立？显然不等式成立，则转入步骤14；

随后，在步骤14中，计算当前张力制度、压下制度、工艺润滑制度下，各机架工作辊的热凸度ΔTD_iw，各机架的工作辊热凸度如图4所示；

随后，在步骤15中，计算当前张力制度、压下制度、工艺润滑制度下，末机架的出口板形值σ_y=16I和末机架压靠段长度L_y=48.6mm，板形曲线如图5所示；

随后，在步骤16中，判断不等式是否成立？显然不等式成立，转入步骤17；

随后，在步骤17中，令m=m+1=1，转入步骤10；

随后，在步骤18中，判断不等式是否成立？如果不等式成立，则V_0max=V_max0-0.5，C₂=C₁，转入步骤19；如果不等式不成立，则直接转入步骤19；

随后，在步骤19中，判断不等式是否成立？如不等式成立，则令j=j+1，转入步骤8；如果不等式不成立，则转入步骤20；

最后，在步骤20中，得到最佳乳化液配比浓度C_y=C₂=4.78%，最大轧制速度V_max0=1510m/min，完成五机架冷连轧机组极薄带钢轧制中的乳化液浓度综合优化设定。

最后，为了方便比较，如表2所示，分别给出采用本发明所述方法与传统方法得出的极薄带钢轧制过程中的乳化液浓度和最大轧制速度。从表2可以看出，乳化液浓度提高以后，机组对该薄规格带材的最大轧制速度从1320m/min提高到了1510m/min，提高了14.39%，很好的提高了机组的生产效率。

表2：实施例2中采用本发明与传统方法参数对比

乳化液浓度最大轧制速度本发明4.78%1510m/min传统方法4.2%1320m/min