冷轧机板形控制目标模型的设计方法

摘要

本发明公开一种冷轧带钢板形控制目标模型的设计方法，根据冷轧带钢板形特点、轧机板形控制执行器的结构与工作原理及目标板形所应满足的数学约束条件来确定描述带钢平直度控制的数学模型；根据轧制带钢的品种与规格的不同工艺质量要求、轧后不同处理工序对带钢板形的要求以及轧制过程中轧辊磨损与热凸度变化来确定板形目标模型中的不同控制参数，形成不同的目标板形曲线，用于冷轧过程控制数学模型计算和基础自动化实时板形控制。经过优化设计的板形控制模型可以满足冷轧机不同品种和规格带钢的轧制要求，减少极薄规格带钢轧制断带的发生，同时满足冷轧后续的电解清洗、罩式炉退火、连续镀锌以及连续退火等不同工序生产对原料冷轧带钢的板形要求。

说明书

技术领域

本发明属于轧钢领域板形控制目标模型的设计方法，特别适用于极薄冷轧带钢生产与控制，及多机组后续处理生产的冷轧带钢轧机的生产过程控制。

背景技术

随着用户对冷轧产品质量和品种要求的增加，冷轧生产线装备有不同目的的机组。这些机组在连轧机生产出冷轧带钢后，对带钢进行不同的加工处理。如带钢经过冷连轧以后，可以进行电解清洗、罩式炉退火、连续退火、热镀锌、电镀锌等工序处理。

一些冷轧生产线具有轧制产品与规格多、轧后带钢后续处理工序多等特点。如国内某钢铁企业的1500冷连轧生产线的冷轧产品包括家电、汽车、高强、镀锌等冷轧基板，其产品厚度从0.18mm到2.0mm，宽度由650mm到1400mm范围跨度很大。同时，轧后带钢的后处理方式比其它生产线更齐全，包括电解清洗、罩式炉退火、连续退火、热镀锌及冷硬材等。轧制0.2毫米以下极薄产品的板形控制要求极严，因为在1200m/min高速轧制时，板形不仅是成品的一项技术指标，更是轧制是否稳定进行的核心因素，板形的偏差会轻而易举造成断带事故，对生产、设备和仪表造成损伤。

另外，冷轧后带钢可以进行电解清洗、镀锌、罩式炉退火、连续退火以及直接出冷硬产品等多种选择。而不同工序产品对连轧机组冷轧带钢的板形要求是不同的，如果不考虑不同工序对冷轧带钢板形的要求，而只有一种板形要求轧制，则会严重影响后序机组的带钢生产质量。因此，如何在冷连轧机组的板形控制系统中保证众多产品品种、产品规格及不同后处理线生产要求的带钢板形是一个重要的技术课题。

发明内容

本发明针对冷轧生产线多品种规格、多后处理工序对冷轧带钢的板形质量要求，提出的冷轧机组带钢板形控制目标模型的设计方法。基于这种设计方法，可以根据不同工艺条件、工序要求确定板形控制目标曲线，同时板形目标曲线设定还考虑轧制温度、磨损的影响，满足内应力自相平衡和正交分解条件。

本发明采用轧钢工艺控制技术、计算机辅助设计技术来确定板形控制目标模型，根据不同的带钢品种规格、工序要求确定每一卷带钢轧制的目标板形曲线。本发明的技术方案：

①冷轧带钢板形控制执行机构主要包括工作辊倾斜、中间辊串辊、工作辊正负弯辊、中间辊正弯辊、轧辊分段冷却等。其中轧辊倾斜、轧辊弯辊可以对带钢轧制过程中的一次、二次和四次板形缺陷进行快速响应控制，而经过上述执行器控制后残余的带钢板形缺陷则由轧辊分段冷却进行控制。

②根据板形控制特点确定冷轧带钢目标板形模型的数学表达式G(X)由一次、二次和四次三种多项式组合而成，即

G(X)＝Q[a₁P₁(X)+a₂P₂(X)+a₄P₄(X)]        (1)

其中$X=\frac{2y}{B}$|X|≤1

式中，Q-带钢板形应力显示比例；

B-冷轧带钢宽度；

y-带钢宽方向横坐标；

a_i-i＝1，2，4确定板形目标曲线的参数，也是各基函数的系数；

P₁(x)-边浪的基函数；

P₂(x)-中浪和双边浪的基函数；

P₄(x)-四分浪和边中浪的基函数。

③由式$X=\frac{2y}{B},$|X|≤1可以将带钢宽度由转化为[-1，1]，根据目标板形的数学特性，有下式存在：

${\int }_{-1}^{1}G\left(X\right)={\int }_{-1}^{1}Q[a_1{P}_1\left(X\right)+a_2{P}_2\left(X\right)+a_4{P}_4\left(X\right)]=0---\left(2\right)$

同时，板形目标模型在[-1，1]上给定函数{P₀(x}，P₁(x)，……P_n(x)}，需满足条件：

$(P_i\left(x\right),P_k\left(x\right))=\left(\begin{array}{cc}0& i\ne k\\ 1& i=k(i,k=\mathrm{1,2,4}......)\end{array}\right)---\left(3\right)$

在满足式(3)条件下，函数{P_k(x)}是在[-1，1]上的标准正交函数，满足板形控制目标模型的要求。

④根据板形目标模型的工艺与数学特性要求，确定板形目标模型数学基函数P_i(x)如下：

P₀(X)＝1；

P₁(X)＝X；

$P_2\left(X\right)=\frac{3}{2}{X}^2-\frac{1}{2};---\left(4\right)$

$P_3\left(X\right)=\frac{5}{2}{X}^3-\frac{3}{2}X;$

$P_4\left(X\right)=\frac{1}{8}({35X}^4-{30X}^2+3)$

将式(4)代入式(1)得到用于描述板形目标曲线的多项式模型G(X)如下：

$G\left(X\right)=Q[a_{1}X+a_2(\frac{3}{2}{X}^2-\frac{1}{2})+a_4(\frac{35}{8}{X}^4-\frac{30}{8}{X}^2+\frac{3}{8})]---\left(5\right)$

式(5)满足式(2)和式(3)，即不管a_i取何值，均符合内应力自相平衡条件和正交分解条件。

式(5)中系数a_i根据轧制带钢的规格、不同的工艺要求如表1、表2、表3和表4中的要求分别加以确定。确定后的带钢目标板形曲线将作为板形控制的基本值如图1，同时过程控制模型根据该曲线计算出冷连轧各机架轧制所需的弯辊设定值、串辊设定值如图2。

本发明提出的板形控制模型确定的带钢目标板形曲线可以满足0.18mm厚度极薄带钢稳定轧制的要求。同时，满足清洗、镀锌、罩式炉退火和连续退火对来料冷轧带钢的不同板形要求。图3、图4、图5为一些典型规格产品轧制的目标板形模型设定曲线。

附图说明

图1为带钢目标板形曲线；

图2为根据目标板形值确定弯辊和串辊值的模型计算算法；

图3为单纯二次型目标板形曲线；

图4为单纯四次型目标板形曲线；

图5二次和四次迭加型目标板形曲线；

图6不同规格和工艺要求的带钢目标板形设定曲线族。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

基于本设计方法得到的目标板形控制模型可以用于四、六辊单机架轧机或多机架冷连轧机组。本发明已在5机架六辊1500mm冷连轧机组生产控制上成功应用。轧机设备参数如表5：

表5  1500mm冷轧机设备参数

考虑热轧原料带钢板形特征的不同以及带钢轧制不同所引起的轧辊磨损、轧辊热凸度影响，因此利用板形设定模型进行目标曲线设定时，考虑带钢板形二次、四次以及二、四次混合等多种情况，将不同的板形曲线存入轧机过程控制数据库中，根据板形模型计算或操作人员灵活选择。

$G\left(X\right)=Q[a_{1}X+a_2(\frac{3}{2}{X}^2-\frac{1}{2})+a_4(\frac{35}{8}{X}^4-\frac{30}{8}{X}^2+\frac{3}{8})]---\left(5\right)$

式中设板形曲线比例Q＝1

(1)设定带钢板形曲线为单纯二次，其特征值为8

则带钢宽度方向相对坐标X＝±1，G(X)＝8；代入(5)式则得：

$\left(\begin{array}{c}{a}_2=8\\ a_4=0\end{array}\right)$

板形目标曲线如图3。

(2)设定带钢板形曲线为单纯四次，其特征值为3

则带钢宽度方向相对坐标X＝±1，G(X)＝3；代入(5)式则得：

$\left(\begin{array}{c}{a}_2=0\\ a_4=3\end{array}\right)$

板形目标曲线如图4。

(3)设定带钢板形曲线为二次与四次迭加形式，其特征值为5

则带钢宽度方向相对坐标X＝±1，G(X)＝5；X＝0，G(X)＝1；代入(5)式则得：

$\left(\begin{array}{c}{a}_2=1\\ a_4=4\end{array}\right)$

板形目标曲线如图5。

同上述方法一样，根据本发明提出的板形设定模型所确定的(1)(2)(3)曲线方法，可以得到不同规格、不同工序要求的带钢目标板形曲线族，如图6。

根据冷轧机轧制带钢品种与规格对目标板形的要求，以及清洗、镀锌、罩式炉退火和连续退火对冷轧来料板形的要求，确定板形目标模型的特征值工艺参数如表1-表4，表中板形特征值为正值表示带钢目标曲线为边浪，负值表示带钢目标特征值为中浪。

冷轧带钢目标曲线包括单纯二次、单纯四次和二次、四次迭加等不同曲线，可根据热轧来料带钢的板形实际情况选择，以补偿来料板形的不同缺陷；考虑到冷轧过程中轧辊磨损和热凸度对带钢板形的影响，依据板形设定模型对板形设定曲线进行修正，修正方法如下。

(1)轧制前三卷带钢时，如果目标曲线为边浪特征值，则第5机架设定的目标值在原基础上，边浪特征值增加1。

(2)当轧辊轧制周期达到1500吨时，如果目标曲线为边浪特征值，则第5机架设定值在原基础上，边浪特征值减少1。

表1：连续退火原料冷轧带钢板形特征值

表2：镀锌原料冷轧带钢板形特征值

表3：罩式炉原料冷轧带钢板形特征值

表4：清洗原料冷轧带钢板形特征值