一种冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度优化方法

摘要

一种冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度优化方法，涉及专门适用于金属轧机或其加工产品的控制设备或方法，尤其涉及一种冷连轧机组极薄料轧制过程综合控制的张力制度优化，使用冷连轧机组控制系统现有的设备参数与工艺参数数据，根据各机架入口张应力、出口张应力、变形抗力、轧制速度、带材的宽度、入口厚度、出口厚度、工作辊直径，计算当前工况下各机架的打滑因子、热滑伤指数、振动系数、轧制力、轧制功率，通过计算机程序控制实现张力制度优化控制，在考虑轧制稳定性、打滑、热滑伤与振动的的同时，兼顾压下能力、轧制效率以及各机架的出口板形和张应力分布，表征带材质量的末机架出口板形明显下降，带材质量比传统方法有明显改进。

说明书

技术领域

本发明涉及专门适用于金属轧机或其加工产品的控制设备或方法，尤其涉及一种冷 连轧机组在极薄料轧制过程综合控制的张力制度优化方法。

背景技术

对于冷连轧机组而言，在生产过程中，机架间的张力作为一个重要的轧制工艺参数， 对轧制的稳定性起着举足轻重的影响。以往，现场在生产过程中，对于CVC型冷连轧机 组的张力设定主要考虑的是轧制稳定性、打滑与振动的防治等问题，而对板形、压下能 力、轧制效率等问题几乎没有考虑。实际上，对于冷连轧机组而言，在压下规程与润滑 工艺给定的前提下，成品带材的板形并不是弯辊、窜辊等辊系参数单独作用的结果，而 与张力制度密切相关。中国发明专利申请“带钢自动张力设定系统及方法”（申请号： 201310236505.3申请公布号：CN103341508A）公开了一种带钢自动张力设定系统及方法。 采用的技术方案可概括为：带钢自动张力设定方法，包括以下步骤：S1.系统获取带钢的 参数数值；S2.根据参数数值在张力设定表中自动选定相应的张力设定值；S3.根据选定 的张力设定值对电机进行张力控制。虽然该方法能够根据带钢的参数选取张力设定值， 但是，该发明仅适用于恒张力控制系统。尽管中间辊窜动以及工作辊与中间辊的弯辊等 辊系参数的优化可以较大程度的改变机架出口的板形，但这种改变是以特定的张力制度 为基础的，并且所能改变的程度是有限而非无限的。以弯辊为例，如果弯辊力太大，则 会带来四分之一浪等附加浪形，造成产品降级。而中间辊如果窜动过大，则又会使得辊 间受力出现较为严重的尖峰分布，导致轧辊辊耗急剧增加。对冷连轧机组的张力规程进 行优化，可以有效避免这两种极端情况的发生。特别的，对于3+2型五机架CVC机型的 冷连轧机组极薄带钢轧制而言，不但涉及到板形问题，而且又涉及到压下能力及轧制效 率问题，应该让机架间轧制压力与轧制功率更为均衡，从而保证压下与轧制效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度优化方法，可以充分 结合3+2型CVC冷连轧机组的设备与工艺特点，不但考虑到轧制稳定性、打滑与振动的 防治等问题，而且兼顾到压下、轧制效率、板形、打滑与振动的综合控制，可以在保证 生产效率的同时提高产品质量。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度优化方法，用于3+2型CVC冷连轧机组的 控制系统，其特征在于所述的张力制度优化方法包括以下步骤：

S01：获取冷连轧机组的设备参数与工艺参数；

S02：给定目标函数初始值F₀=1×10¹⁰，各机架加权系数α_i；

S03：定义第一机架出口张应力中间过程参数k1和寻优步长ΔT，并令 k₁=0，ΔT=10MPa；

S04：令第一机架出口张应力T₁=T_min+k₁ΔT；

S05：定义第二机架出口张应力中间过程参数k₂，并令k₂=0.5；

S06：令第二机架出口张应力T₂=k₂T₁；

S07：判断不等式T_min≤T₂≤T_max是否成立？若不等式成立，则转入步骤S08；否则， 转入步骤S21；

S08：定义第三机架出口张应力中间过程参数k₃，并令k₃=0.5；

S09：令第三机架出口张应力T₃=k₃T₂；

S10：判断不等式T_min≤T₃≤T_max是否成立？若不等式成立，则转入步骤S11；否则， 转入步骤S20；

S11：定义第四机架出口张应力中间过程参数k₄，并令k₄=0.5；

S12：令第四机架出口张应力T₄=k₄T₃；

S13：判断不等式T_min≤T₄≤T_max是否成立？若不等式成立，则转入步骤S14；否则， 转入步骤S19；

S14：根据各机架入口张应力T_i-1，出口张应力T_i，变形抗力σ_s，轧制速度为v_i，带 材的宽度B，入口厚度h_i-1，出口厚度h_i，工作辊直径Dw_i计算当前工况下各机架的打滑 因子ψ_i，热滑伤指数振动系数φ_i，轧制力P_i，轧制功率F_i；

S15：判断不等式是否成立？其中，P_maxi为机架i所允许的最大轧制压力， F_maxi为机架i所允许的最大轧制功率，ψ^*为临界打滑因子，为临界滑伤指数，φ^*为临 界振动系数；若不等式成立，则转入步骤S16；否则，转入步骤S19；

S16：利用金属变形模型和辊系弹性模型计算各机架出口张应力分布σ_1ij，其中， i=1～5，表征机架号；j表征轧辊辊身方向上或带材宽度方向上的条元号；

S17：计算目标函数$F=\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{\alpha }_i\frac{{\sigma }_{1\mathrm{ij}\max }-{\sigma }_{1\mathrm{ij}\min }}{T_i};$

S18：判断不等式F<F₀是否成立？若不等式成立，则令F₀=F，T_iy=T_i，其中， i=1～4，并转入步骤S19；否则，直接转入步骤S19；

S19：判断不等式k₄<1.5是否成立？若不等式成立，则令k₄=k₄+0.1，转入步骤S12； 否则，转入步骤S20；

S20：判断不等式k₃<1.5是否成立？若不等式成立，则令k₃=k₃+0.1，转入步骤S09； 否则，转入步骤S21；

S21：判断不等式k₂<1.5是否成立？若不等式成立，则令k₂=k₂+0.1，转入步骤S06； 否则，转入步骤S22；

S22：判断不等式是否成立？若不等式成立，则令k₁=k₁+1，转入步骤 S04；否则，转入步骤S23；

S23：输出最优张应力T_iy，其中，i=1～4，完成机组张力制度的优化。

本发明的冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度优化方法的一种优选的技术方案，其 特征在于所述的步骤S01包括以下步骤：

a1）收集3+2型CVC冷连轧机组的设备参数，包括1-5#机架工作辊直径D_wi，4-5# 机架中间辊直径D_mi，1-5#机架支撑辊直径D_bi，1-5#机架工作辊辊型分布值ΔD_wij， 4-5#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，4-5#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，4-5#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；

a2）收集3+2型CVC冷连轧机组的设备工艺特征参数，包括：各个机架所允许的最 大轧制压力P_maxi，各个机架所允许的最大轧制功率F_maxi，临界打滑因子ψ^*，临界滑 伤指数临界振动系数φ^*，目标板形目标板形允许最大偏差Δσ₁，1-3#机架 工作辊许用最大窜动量δ_wimax，4-5#机架中间辊许用最大窜动量δ_mimax，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4-5#机架中间辊最大正 弯辊力中间辊最大负弯辊力允许的最大压靠长度L_lim；

a3）收集待生产带钢的工艺参数，包括带材的钢种，屈服极限σ_s，宽度B，来料 的厚度h₀，各机架出口厚度h_i，轧制速度V_i，开卷张应力T₀，卷取张应力T₅，4-5# 机架中间辊窜动量δ_i，1-5#机架工作辊弯辊力S_wi，4-5#机架中间辊弯辊力S_mi；

a4）收集3+2型CVC冷连轧机组的设备工艺特征参数，包括：机架间允许的最大张 应力T_max，机架间允许的最小张应力T_min。

本发明的有益效果是：

1.本发明的冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度优化方法，不但考虑到轧制稳定 性、打滑、热滑伤与振动的防治等问题，同时兼顾到了压下能力、轧制效率以及各机架 的出口板形和张力分布的综合控制。采用本发明的冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度 优化方法后，表征带材质量的末机架出口板形下降了24.0%，带材质量比传统方法有明 显改进。

2.本发明的冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度优化方法，使用冷连轧机组控制系 统现有的设备参数与工艺参数数据，通过计算机程序控制实现张力制度优化控制，可以 在不增加设备投资的情况下提高轧制过程控制精度，提高带钢轧制产品质量，可以给企 业带来较大经济效益。

附图说明

图1是本发明冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度优化方法的控制流程图；

图2是本发明方法与传统方法末机架的板形对比图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详 细描述。

实施例

图1是本发明的冷连轧机组极薄带钢轧制的张力制度优化方法的一个实施例，为了进 一步说明本发明所述相关技术的应用过程，本实施例以1420五机架3+2型CVC冷连轧机组 为例，详细地介绍某3+2型CVC冷连轧机组极薄带钢轧制过程中张力制度优化方法的设定 过程。在图1所示的控制流程图中，本发明的张力制度优化方法包括以下步骤：

在步骤S01中，获取冷连轧机组的关键设备参数与工艺参数，包括以下步骤：

a1）收集3+2型CVC冷连轧机组的设备参数，包括：

1-5#机架工作辊直径D_wi={482.89,486.32,459.24,386.21,394.5}（单位：mm），

4-5#机架中间辊直径D_mi={526.29,537.34}（单位：mm），

1-5#机架支撑辊直径D_bi={1231.99,1179.48,1176.12,1241.3,1241.3}（单位：mm），

1-3#机架工作辊辊型分布值

ΔD_w1j={-78.181,-18.329,25.474,54.963,71.867,77.927,4.853,64.399，48.292，8.258，6.035, -16.647，-38.056，-56.459,，-70.125，-77.321，-76.315，-65.376，-42.77，-6.767，44.367} （单位μm），

4-5#机架工作辊辊型分布值ΔD_wij=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#机架支撑辊辊型分布值ΔD_bij=0，

1-5#机架工作辊辊身长度L_wi=1350mm，

4-5#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，

4-5#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；

a2）收集3+2型CVC冷连轧机组的设备工艺特征参数，包括：

各个机架所允许的最大轧制压力P_maxi=(1800t,1800t,1800t,1800t,1800t)，

各个机架所允许的最大轧制功率F_maxi=(2680kw,4000kw,4000kw,4000kw,4000kw)，

临界打滑因子ψ^*=0.43，

临界滑伤指数=0.85，

临界振动系数φ^*=0.9，

目标板形

${\sigma }_{1j}^o=\{\mathrm{10.58,5.85,2.56},-0.23,-2.45,-4.07,-5.25,-6.42,-5.25,-4.07,-2.45,-\mathrm{0.23,2.56,5.85,10.58}\}$

目标板形允许最大偏差Δσ₁=10I，

1-3#机架工作辊许用最大窜动量δ_wimax=80mm，

4-5#机架中间辊许用最大窜动量δ_mimax=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

4-5#机架中间辊最大正弯辊力

中间辊最大负弯辊力

允许的最大压靠长度L_lim=120mm；

a3）收集待生产带钢的工艺参数，包括：

带材的钢种MRT-4CA，

屈服极限σ_s=400MPa，

宽度B=966mm，

来料的厚度h₀=2.02mm，

各机架出口厚度h_i={1.15515,0.642261,0.396439,0.259047,0.181}，

轧制速度V_i={110,190.3152,342.294,552.597,848.658,1214.598}，

开卷张应力T₀=80MPa，

卷取张应力T₅=60Mpa，

1-3#机架工作辊窜动量δ_wi={34.3,38.8,42.9}（单位：mm），

4-5#机架中间辊窜动量δ_mi={34.0,33.0}（单位：mm），

1-5#机架工作辊弯辊力S_wi={19.8,26.4,22.6,22.7,10.9}（单位：t），

4-5#机架中间辊弯辊力S_mi={21.8,41.8}（单位：t）；

a4）收集3+2型CVC冷连轧机组的设备工艺特征参数，包括：

机架间允许的最大张应力T_max=250Mpa，

机架间允许的最小张应力T_min=80Mpa；

在步骤S02中，给定目标函数初始值F₀=1×10¹⁰，各机架加权系数 α_i={0.1,0.15,0.2,0.25,0.3}；

在步骤S03中，定义第一机架出口张应力中间过程参数k₁和寻优步长ΔT，并令 k₁=0,ΔT=10MPa；

在步骤S04中，令第一机架出口张应力T₁=T_min+k₁ΔT=80MPa；

在步骤S05中，定义第二机架出口张应力中间过程参数k₂，并令k₂=0.5；

在步骤S06中，令第二机架出口张应力T₂=k₂T₁=40MPa；

在步骤S07中，判断不等式T_min≤T₂≤T_max是否成立？若不等式成立，则转入步骤S08； 否则，转入步骤S21；显然不等式T_min≤40MPa≤T_max不成立，转入步骤S21；

在步骤S08中，定义第三机架出口张应力中间过程参数k₃，并令k₃=0.5；

在步骤S09中，令第三机架出口张应力T₃=k₃T₂=40MPa；

在步骤S10中，判断不等式T_min≤T₃≤T_max是否成立？若不等式成立，则转入步骤S11； 否则，转入步骤S20；显然不等式T_min≤40MPa≤T_max不成立，转入步骤S20；

在步骤S11中，定义第四机架出口张应力中间过程参数k₄，并令k₄=0.5；

在步骤S12中，令第四机架出口张应力T₄=k₄T₃=40MPa；

在步骤S13中，判断不等式T_min≤T₄≤T_max是否成立？若不等式成立，则转入步骤S14； 否则，转入步骤S19；显然不等式T_min≤40MPa≤T_max不成立，转入步骤S19；

在步骤S14中，根据各机架入口张应力T_i-1，出口张应力T_i，变形抗力σ_s，轧制速度 为v_i，带材的宽度B，入口厚度h_i-1，出口厚度h_i和工作辊直径Dw_i，计算当前工况下各 机架的

打滑因子ψ_i={0.150,0.167,0.157,0.143,0.127}，

热滑伤指数={0.102,0,149,0.307,0.462,0.530}，

振动系数φ_i={0.0135,0.0532,0.1353,0.3444,0.7051}，

轧制力P_i=(1013.01,939.33,967.22,729.33,717.99}，

轧制功率F_i={1837.37,2401.91,3033.40,2173.89,2013,7751}；

在步骤S15中，判断不等式是否成立？其中，P_maxi为机架i所允许的最大 轧制压力，F_maxi为机架i所允许的最大轧制功率，ψ^*为临界打滑因子，为临界滑伤指 数，φ^*为临界振动系数；若不等式成立，则转入步骤S16；否则，转入步骤S19，显然， 该不等式成立，转入步骤S16；

在步骤S16中，利用金属变形模型和辊系弹性模型计算各机架出口张应力分布：

σ_11j={81.4,95.5,109.2,121.4,131.5,138.7,142.8,143.8,143.5,140.0,133.2,123.6,111.7,98.4,84.7}，

σ_12j={135.3,147.7,159.4,169.5,177.6,183.3,186.3,186.7,187.0,184.5,179.3,171.7,161.9,150.6,138.5}，

σ_13j={55.4,66.5,76.7,85.6,92.6,97.5,100.339100.8,100.7,98.4,93.7,87.,78.4,68.3,57.4}，

σ_14j={42.3,59.6,74.9,87.4,96.6,102.5,105.2,104.7,106.1,104.3,98.9,90.1,77.9,62.9,45.8}，

σ_15j={17.9,33.6,47.7,59.6,68.8,75.1,78.6,79.3,79.4,76.4,70.5,61.6,50.0,36.1,20.5}，

其中，j表征轧辊辊身方向上或带材宽度方向上的条元号）；

在步骤S17中，计算目标函数$F=\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{\alpha }_i\frac{{\sigma }_{1\mathrm{ij}\max }-{\sigma }_{1\mathrm{ij}\min }}{T_i}=0.70;$

在步骤S18中，判断不等式F<F₀是否成立？若不等式成立，则令F₀=F，T_iy=T_i， 这里，i=1～4，并转入步骤S19；否则，直接转入步骤S19；显然不等式F<F₀成立， F₀=0.7；

在步骤S19中，判断不等式k₄<1.5是否成立？若不等式成立，则令k₄=k₄+0.1=0.1， 转入步骤S12；否则，转入步骤S20；

在步骤S20中，判断不等式k₃<1.5是否成立？若不等式成立，则令k₃=k₃+0.1=0.1， 转入步骤S09；否则，转入步骤S21；

在步骤S21中，判断不等式k₂<1.5是否成立？若不等式成立，则令k₂=k₂+0.1，转 入步骤S06；否则，转入步骤S22；

在步骤S22中，判断不等式是否成立？若不等式成立，则令 k₁=k₁+1=1，转入步骤S04；否则，转入步骤S23；

在步骤S23中，这里，i=1～4，输出最优张应力T_iy=(200,200,100,140)（单位：MPa）， 从而完成机组张力制度的优化。

为了方便比较，表1分别给出采用本发明所述方法与传统方法得出的1#～5#机架目 标函数的计算明细的统计情况。通过表1可以看出，采用本发明的冷连轧机组极薄带钢 轧制的张力制度优化方法后，表征各机架张应力分布的目标函数从0.72降到0.38，下降 了47.2%。

表1本发明与传统方法的目标函数计算明细的对比表

本发明在考虑板形的同时，也考虑到了打滑、振动、热滑伤的影响，为了方便比较， 表2分别给出采用本发明所述方法与传统方法得出的最大打滑因子、最大振动系数、最 大热滑伤指数以及末机架板形的对比。通过表2可以看出，采用本发明的冷连轧机组极 薄带钢轧制的张力制度优化方法后，用于表征打滑的特征参数打滑因子从0.28降到0.20， 下降了28.6%；用于表述热滑伤的特征参数热滑伤指数从0.61下降到了0.52，下降了 14.8%；用于表征轧机振动的振动系数从0.81下降到0.73，下降了9.9%；用来表示带材 质量的末机架出口板形从26.7I下降到20.3I，下降了24.0%。图2是本发明方法与传统 方法末机架板形对比图，由图2可以看出，采用本发明的冷连轧机组极薄带钢轧制的张 力制度优化方法后，表示带材质量的末机架板形比传统方法有明显改进。

表2本发明与传统方法最大打滑因子、最大热滑伤指数、最大振动系数、末机架出口板形对比表

对比项 最大打滑因子 最大热滑伤指数 最大振动系数 末机架板形 本发明 0.20 0.52 0.73 20.3I 传统方法 0.28 0.61 0.81 26.7I

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技 术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例 所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。