一种热连轧机带材换热系数自学习方法

摘要

一种热连轧机带材换热系数自学习方法，它主要包括以下由计算机执行的步骤：1、收集轧机参数、轧制工艺参数以及换热系数当前值；2、对除鳞区对流换热系数、机架间水冷对流换热系数、带材两侧边水冷对流换热系数、空冷换热系数、轧件与轧辊之间接触热传导换热系数进行寻优。本发明通过对五个换热系数在较大区间进行整体寻优，再固定各个换热系数对其它换热系数在较小区间进行寻优的方法，维持了换热系数之间相对的定性关系，保证了自学习之后的换热系数在不失去物理意义的前提下更加准确的预报带材温度。

说明书

技术领域

本发明属于冶金轧制金属领域，特别涉及一种热连轧机带材换热系数自学 习方法。

背景技术

带钢温度是热连轧的一项重要参数，对变形抗力有直接影响，进而会影响 到轧制力与有载辊缝形状，同时带材温度场还是精确计算轧辊热变形的边界条 件，而有载辊缝形状与轧辊热变形的精确计算是板形控制的重要环节。因此就 板形控制而言，精确预报带材温度场是必需的。此外带材温度还会影响机组负 荷分配、产品组织性能，是热连轧精轧设定的重要前提。精确的换热系数是实 现带材温度场精确预报的先决条件，虽然温度场计算原理十分简单，但热连轧 过程带材的换热状态灵活多变，与周围介质的换热系数很难通过理论公式准确 计算。

目前关于带材温度场的研究很多，主要研究方法为有限差分法和解析法。 其中有限差分法具有计算精度高、计算速度快的优点，应用最为普遍。无论采 用哪种方法计算带材温度场，最终的预报精度主要由边界换热系数的准确程度 决定。由于热连轧过程带材换热边界条件十分复杂，很难给出各种边界换热系 数的理论表达式，一般采用经验数据，然而不同热连轧机组的实际换热条件也 相互差别很大，因此同一套经验数据很难适用于所有机组。只有通过不断地在 线自学习才能获得准确的换热系数，从而准确预报带材温度场。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高热连轧机带材温度预报精确度的热连 轧机带材换热系数自学习方法。本发明主要是根据以热连轧机精轧入口实测温 度与精轧出口实测温度为依据，综合考虑除鳞水冷却、机架间水冷、空冷、轧 辊与带材之间接触换热、变形热等多种因素，通过在线实测的工艺参数对各个 区域的换热系数进行在线自学习。

本发明的热连轧机带材换热系数自学习方法包括以下由计算机执行的步 骤：

a、收集轧机参数、轧制工艺参数以及换热系数当前值，具体包括：

a1、收集轧机参数包括：热连轧机机架数n、精轧入口测温仪距离第一机架 间距L_M01、机架间距L_M12～L_M(n-1)n、末机架距离精轧出口测温仪间距L_Mn(n+1)、除鳞 箱中心至精轧入口测温仪间距L_T0、各机架后水冷节点至该机架中心间距 L_T1～L_Tn、除鳞箱喷洒覆盖区间长度L_C0、各机架后水冷节点喷洒覆盖区间长度 L_C1～L_Cn、各机架后水冷节点是否喷水的状态变量Bu₁～Bu_n，取值0或1，取0表 示不存在或者不喷水，取1表示正常喷水，各机架工作辊半径D₁～D_n；

a2、收集轧制工艺参数包括：当前卷带钢各机架轧制速度v₁～v_n、当前卷带 钢来料宽度B、当前卷带钢来料平均厚度与各机架出口平均厚度当前卷 带钢各机架摩擦系数μ₁～μ_n、当前卷带钢各机架轧件轧制压力P₁～P_n、当前卷带 钢精轧入口测温仪实测温度T_in、当前卷带钢精轧出口测温仪实测温度T_out、冷却 水温度T_c、空气温度T_a；

a3、收集换热系数当前值包括：除鳞区对流换热系数机架间水冷对流 换热系数带材两侧边水冷对流换热系数空冷换热系数轧件与轧 辊之间接触热传导换热系数

b、采用行向量表示轧机参数，即：

$\overrightarrow{U}=(n,L_{M01},L_{M12},...,L_{M(n-1)n},L_{Mn(n+1)},L_{T0},L_{T1},...,L_{Tn},L_{C0},L_{C1},...,L_{Cn},{\mathrm{Bu}}_1...,{\mathrm{Bu}}_n,D_1...,D_n);$

采用行向量表示轧制工艺参数，即：

$\overrightarrow{V}=(v_1...,v_n,B,{\bar{h}}_0,...,{\bar{h}}_n,{\mu }_1,...,{\mu }_n,P_1,...,P_n,T_{in},T_c,T_a);$

采用有限差分法计算带材温度场，表示为：

$T_{out}^{cal}=T_{out}^{cal}(\overrightarrow{U},\overrightarrow{V},{\alpha }_1,{\alpha }_2,{\alpha }_3,{\alpha }_4,{\alpha }_5),$

式中：α₁,α₂,α₃,α₄,α₅为给定的除鳞区对流换热系数、机架间水冷对流换热系数、 带材两侧边水冷对流换热系数、空冷换热系数、轧件与轧辊之间接触热传导换 热系数；

根据收集的参数对换热系数进行自学习，具体包括：

b1、对换热系数进行大区间整体寻优，具体包括：

b1(1)、令mine＝1.0e10，i＝0，$x_1^{op}={\alpha }_1^{cur},x_2^{op}={\alpha }_2^{cur},x_3^{op}={\alpha }_3^{cur},x_4^{op}={\alpha }_4^{cur},x_5^{op}={\alpha }_5^{cur};$

b1(2)、令$x_1={\alpha }_1^{cur}+{\alpha }_1^{cur}(i-10)/20,x_2={\alpha }_2^{cur}+{\alpha }_2^{cur}(i-10)/20,$$x_3={\alpha }_3^{cur}+{\alpha }_3^{cur}(i-10)/20,x_4={\alpha }_4^{cur}+{\alpha }_4^{cur}(i-10)/20,x_5={\alpha }_5^{cur}+{\alpha }_5^{cur}(i-10)/20,$采用有限 差分法计算带材出口温度计算精轧出口测温仪实测 温度与计算温度之差

b1(3)、判断e<mine是否成立，如果e<mine成立，令mine＝e，记录当前最 佳的换热系数值$x_1^{op}=x_1,x_2^{op}=x_2,x_3^{op}=x_3,x_4^{op}=x_4,x_5^{op}=x_5,$转入b1(4)，否则直 接转入b1(4)；

b1(4)、判断i＝20是否成立，如果i＝20成立，转入b2，否则令i＝i+1，转入 b1(2)；

b2、固定除鳞区对流换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优，具体包 括：

b2(1)、令mine＝1.0e10，i＝0；

b2(2)、令$x_2={\alpha }_2^{op}+{\alpha }_2^{op}(i-10)/100,x_3={\alpha }_3^{op}+{\alpha }_3^{op}(i-10)/100,$$x_4={\alpha }_4^{op}+{\alpha }_4^{op}(i-10)/100,x_5={\alpha }_5^{op}+{\alpha }_5^{op}(i-10)/100,$采用有限差分法计算带材出口温 度计算精轧出口测温仪实测温度与计算温度之差 $e=|T_{out}^{cal}-T_{out}|;$

b2(3)、判断e<mine是否成立，如果e<mine成立，令mine＝e，记录当前最 佳的换热系数值$x_1^{op}=x_1,x_2^{op}=x_2,x_3^{op}=x_3,x_4^{op}=x_4,x_5^{op}=x_5,$转入b2(4)，否则直 接转入b2(4)；

b2(4)、判断i＝20是否成立，如果i＝20成立，转入b3，否则令i＝i+1，转入 b2(2)；

b3、固定机架间水冷对流换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优，具 体包括：

b3(1)、令mine＝1.0e10，i＝0；

b3(2)、令$x_1={\alpha }_1^{op}+{\alpha }_1^{op}(i-10)/100,x_3={\alpha }_3^{op}+{\alpha }_3^{op}(i-10)/100,$$x_4={\alpha }_4^{op}+{\alpha }_4^{op}(i-10)/100,x_5={\alpha }_5^{op}+{\alpha }_5^{op}(i-10)/100,$采用有限差分法计算带材出口温 度计算精轧出口测温仪实测温度与计算温度之差 $e=|T_{out}^{cal}-T_{out}|;$

b3(3)、判断e<mine是否成立，如果e<mine成立，令mine＝e，记录当前最 佳的换热系数值$x_1^{op}=x_1,x_2^{op}=x_2,x_3^{op}=x_3,x_4^{op}=x_4,x_5^{op}=x_5,$转入b3(4)，否则直 接转入b3(4)；

b3(4)、判断i＝20是否成立，如果i＝20成立，转入b4，否则令i＝i+1，转入 b3(2)；

b4、固定带材两侧边水冷对流换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优， 具体包括：

b4(1)、令mine＝1.0e10，i＝0；

b4(2)、令$x_1={\alpha }_1^{op}+{\alpha }_1^{op}(i-10)/100,x_2={\alpha }_2^{op}+{\alpha }_2^{op}(i-10)/100,$$x_4={\alpha }_4^{op}+{\alpha }_4^{op}(i-10)/100,x_5={\alpha }_5^{op}+{\alpha }_5^{op}(i-10)/100,$采用有限差分法计算带材出口温 度计算精轧出口测温仪实测温度与计算温度之差 $e=|T_{out}^{cal}-T_{out}|;$

b4(3)、判断e<mine是否成立，如果e<mine成立，令mine＝e，记录当前最 佳的换热系数值$x_1^{op}=x_1,x_2^{op}=x_2,x_3^{op}=x_3,x_4^{op}=x_4,x_5^{op}=x_5,$转入b4(4)，否则直 接转入b4(4)；

b4(4)、判断i＝20是否成立，如果i＝20成立，转入b5，否则令i＝i+1，转入 b4(2)；

b5、固定空冷换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优，具体包括：

b5(1)、令mine＝1.0e10，i＝0；

b5(2)、令$x_1={\alpha }_1^{op}+{\alpha }_1^{op}(i-10)/100,x_2={\alpha }_2^{op}+{\alpha }_2^{op}(i-10)/100,$$x_3={\alpha }_3^{op}+{\alpha }_3^{op}(i-10)/100,x_5={\alpha }_5^{op}+{\alpha }_5^{op}(i-10)/100,$采用有限差分法计算带材出口温 度计算精轧出口测温仪实测温度与计算温度之差 $e=|T_{out}^{cal}-T_{out}|;$

b5(3)、判断e<mine是否成立，如果e<mine成立，令mine＝e，记录当前最 佳的换热系数值$x_1^{op}=x_1,x_2^{op}=x_2,x_3^{op}=x_3,x_4^{op}=x_4,x_5^{op}=x_5,$转入b5(4)，否则直 接转入b5(4)；

b5(4)、判断i＝20是否成立，如果i＝20成立，转入b6，否则令i＝i+1，转入 b5(2)；

b6、固定轧件与轧辊之间接触热传导换热系数，对其它换热系数进行小区 间寻优，具体包括：

b6(1)、令mine＝1.0e10，i＝0；

b6(2)、令$x_1={\alpha }_1^{op}+{\alpha }_1^{op}(i-10)/100,x_2={\alpha }_2^{op}+{\alpha }_2^{op}(i-10)/100,$$x_3={\alpha }_3^{op}+{\alpha }_3^{op}(i-10)/100,x_4={\alpha }_4^{op}+{\alpha }_4^{op}(i-10)/100,$采用有限差分法计算带材出口温 度计算精轧出口测温仪实测温度与计算温度之差 $e=|T_{out}^{cal}-T_{out}|;$

b6(3)、判断e<mine是否成立，如果e<mine成立，令mine＝e，记录当前最 佳的换热系数值$x_1^{op}=x_1,x_2^{op}=x_2,x_3^{op}=x_3,x_4^{op}=x_4,x_5^{op}=x_5,$转入b6(4)，否则直 接转入b6(4)；

b6(4)、判断i＝20是否成立，如果i＝20成立，转入b7，否则令i＝i+1，转入 b6(2)；

b7、通过指数平滑法对换热系数进行更新，令${\alpha }_2^{cur}={\mathrm{\beta \alpha }}_2^{cur}+(1-\beta )x_2^{op},{\alpha }_3^{cur}={\mathrm{\beta \alpha }}_3^{cur}+(1-\beta )x_3^{op},{\alpha }_4^{cur}={\mathrm{\beta \alpha }}_4^{cur}+(1-\beta )x_4^{op},$其中β为指数平滑因子，自学习结束。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

通过对五个换热系数在较大区间进行整体寻优，再固定各个换热系数对其 它换热系数在较小区间进行寻优的方法，维持了换热系数之间相对的定性关系， 保证了自学习之后的换热系数在不失去物理意义的前提下更加准确的预报带材 温度。

附图说明

图1是本发明计算总流程图。

具体实施方式

实施例1

在图1所示的热连轧机带材换热系数自学习方法计算总流程图中，结合某7 机架热连轧机带材换热系数进行自学习过程的计算步骤如下：

首先，在步骤a中，收集轧机参数、轧制工艺参数以及换热系数当前值， 具体包括：

a1、收集轧机参数包括：热连轧机机架数7，精轧入口测温仪距离第一机架 间距14650mm，机架间距均为5800mm，末机架距离精轧出口测温仪间距 4990mm，除鳞箱中心至精轧入口测温仪间距8690mm，各机架后水冷节点至该 机架中心间距均为2295mm，除鳞箱喷洒覆盖区间长度2620mm，各机架后水冷 节点喷洒覆盖区间长度均为800mm，第一至第四机架后均开启了冷却水，第五 至七机架后均没有开启冷却水，第一至第四机架工作辊直径均为710mm，第五 至第七机架工作辊直径为665mm；

a2、收集轧制工艺参数包括：当前卷带钢各机架轧制速度分别为980mm/s， 1830mm/s，2860mm/s，4320mm/s，5980mm/s，7660mm/s，8930mm/s，当前卷 带钢来料宽度1203mm，当前卷带钢带钢来料平均厚度45mm，各机架出口平均 厚度分别为25.45mm，13.83mm，8.93mm，5.94mm，4.38mm，3.42mm，3.00mm， 当前卷带钢各机架摩擦系数均为0.3，当前卷带钢各机架轧件轧制压力分别为 19794kN，19669kN，16275kN，15962kN，12530kN，10117kN，6990kN，当前 卷带钢精轧入口测温仪实测温度1055摄氏度，当前卷带钢精轧出口测温仪实测 温度867.3摄氏度，冷却水温度20摄氏度，空气温度20摄氏度；

a3、收集换热系数当前值包括：除鳞区对流换热系数0.0010004W/(m²·K)、 机架间水冷对流换热系数0.0006456W/(m²·K)、带材两侧边水冷对流换热系数 0.0005586W/(m²·K)、空冷换热系数0.0002516W/(m²·K)、轧件与轧辊之间接 触热传导换热系数0.01024W/(m²·K)；

随后，在步骤b中，对除鳞区对流换热系数、机架间水冷对流换热系数、 带材两侧边水冷对流换热系数、空冷换热系数、轧件与轧辊之间接触热传导换 热系数进行寻优，具体如下：

b1、对换热系数进行大区间整体寻优，寻优结束后有最佳除鳞区对流换热 系数0.00135054W/(m²·K)、最佳机架间水冷对流换热系数 0.000871560W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热系数0.000754110 W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.000339660W/(m²·K)、最佳轧件与轧辊之间 接触热传导换热系数0.0138240W/(m²·K)；

b2、固定除鳞区对流换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优，寻优结 束后有最佳除鳞区对流换热系数0.00135054W/(m²·K)、最佳机架间水冷对流换 热系数0.000888991W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热系数 0.000769192W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.000346453W/(m²·K)、最佳轧件 与轧辊之间接触热传导换热系数0.0141005W/(m²·K)；

b3、固定机架间水冷对流换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优，寻 优结束后有最佳除鳞区对流换热系数0.00135054W/(m²·K)、最佳机架间水冷对 流换热系数0.000888991W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热系数 0.000769192W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.000346453W/(m²·K)、最佳轧件 与轧辊之间接触热传导换热系数0.0141005W/(m²·K)；

b4、固定带材两侧边水冷对流换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优， 寻优结束后有最佳除鳞区对流换热系数0.00135054W/(m²·K)、最佳机架间水冷 对流换热系数0.000888991W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热系数 0.000769192W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.000346453W/(m²·K)、最佳轧件 与轧辊之间接触热传导换热系数0.0141005W/(m²·K)；

b5、固定空冷换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优，寻优结束后有 最佳除鳞区对流换热系数0.00133703W/(m²·K)、最佳机架间水冷对流换热系数 0.000880101W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热系数 0.000761500W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.000346453W/(m²·K)、最佳轧件 与轧辊之间接触热传导换热系数0.0139595W/(m²·K)；

b6、固定轧件与轧辊之间接触热传导换热系数，对其它换热系数进行小区 间寻优，寻优结束后有最佳除鳞区对流换热系数0.00133703W/(m²·K)、最佳机 架间水冷对流换热系数0.000880101W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热 系数0.000761500W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.000346453W/(m²·K)、最佳 轧件与轧辊之间接触热传导换热系数0.0139595W/(m²·K)；

b7、取指数平滑因子为0.8，得到最终的除鳞区对流换热系数 0.00106773W/(m²·K)、最佳机架间水冷对流换热系数0.000692500W/(m²·K)、 最佳带材两侧边水冷对流换热系数0.000599180W/(m²·K)、最佳空冷换热系数 0.000270571W/(m²·K)、最佳轧件与轧辊之间接触热传导换热系数 0.0109839W/(m²·K)，计算结束。

实施例2

结合某6机架热连轧机带材换热系数进行自学习过程的计算步骤如下：

首先，在步骤a中，收集轧机参数、轧制工艺参数以及换热系数当前值， 具体包括：

a1、收集轧机参数包括：热连轧机机架数6，精轧入口测温仪距离第一机架 间距13000mm，机架间距均为5500mm，末机架距离精轧出口测温仪间距 5000mm，除鳞箱中心至精轧入口测温仪间距7600mm，各机架后水冷节点至该 机架中心间距均为2700mm，除鳞箱喷洒覆盖区间长度2620mm，各机架后水冷 节点喷洒覆盖区间长度均为800mm，第一至第五机架后均没有开启冷却水，第 一至第四机架工作辊直径均为710mm，第五至第六机架工作辊直径为665mm；

a2、收集轧制工艺参数包括：当前卷带钢各机架轧制速度分别为 1026.28mm/s，1906.21mm/s，3048.91mm/s，4443.22mm/s，5847.94mm/s， 6896.64mm/s，当前卷带钢来料宽度1224mm，当前卷带钢带钢来料平均厚度 32.43mm，各机架出口平均厚度分别为14.19mm，7.85mm，4.89mm，3.40mm， 2.67mm，2.33mm，当前卷带钢各机架摩擦系数均为0.3，当前卷带钢各机架轧 件轧制压力分别为22360kN，24446kN，19391kN，13864kN，12690kN，8680kN， 当前卷带钢精轧入口测温仪实测温度1027.8摄氏度，当前卷带钢精轧出口测温 仪实测温度867.4摄氏度，冷却水温度20摄氏度，空气温度20摄氏度；

a3、收集换热系数当前值包括：除鳞区对流换热系数0.0010004W/(m²·K)、 机架间水冷对流换热系数0.0006456W/(m²·K)、带材两侧边水冷对流换热系数 0.0005586W/(m²·K)、空冷换热系数0.0002516W/(m²·K)、轧件与轧辊之间接 触热传导换热系数0.01024W/(m²·K)；

随后，在步骤b中，对除鳞区对流换热系数、机架间水冷对流换热系数、 带材两侧边水冷对流换热系数、空冷换热系数、轧件与轧辊之间接触热传导换 热系数进行寻优，具体如下：

b1、对换热系数进行大区间整体寻优，寻优结束后有最佳除鳞区对流换热 系数0.00095038W/(m²·K)、最佳机架间水冷对流换热系数0.00061332W/(m²·K)、 最佳带材两侧边水冷对流换热系数0.00053067W/(m²·K)、最佳空冷换热系数 0.00023902W/(m²·K)、最佳轧件与轧辊之间接触热传导换热系数 0.009728W/(m²·K)；

b2、固定除鳞区对流换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优，寻优结 束后有最佳除鳞区对流换热系数0.00095038W/(m²·K)、最佳机架间水冷对流换 热系数0.000625586W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热系数 0.000541283W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.0002438W/(m²·K)、最佳轧件与 轧辊之间接触热传导换热系数0.00992256W/(m²·K)；

b3、固定机架间水冷对流换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优，寻 优结束后有最佳除鳞区对流换热系数0.00095038W/(m²·K)、最佳机架间水冷对 流换热系数0.000625586W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热系数 0.000541283W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.0002438W/(m²·K)、最佳轧件与 轧辊之间接触热传导换热系数0.00992256W/(m²·K)；

b4、固定带材两侧边水冷对流换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优， 寻优结束后有最佳除鳞区对流换热系数0.00095038W/(m²·K)、最佳机架间水冷 对流换热系数0.000625586W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热系数 0.000541283W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.0002438W/(m²·K)、最佳轧件与 轧辊之间接触热传导换热系数0.0099256W/(m²·K)；

b5、固定空冷换热系数，对其它换热系数进行小区间寻优，寻优结束后有 最佳除鳞区对流换热系数0.000940876W/(m²·K)、最佳机架间水冷对流换热系 数0.000619331W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换热系数 0.000535871W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.0002438W/(m²·K)、最佳轧件与 轧辊之间接触热传导换热系数0.00982333W/(m²·K)；

b6、固定轧件与轧辊之间接触热传导换热系数，对其它换热系数进行小区 间寻优，寻优结束后有最佳除鳞区对流换热系数0.000940876W/(m²·K)、最佳 机架间水冷对流换热系数0.000619331W/(m²·K)、最佳带材两侧边水冷对流换 热系数0.000535871W/(m²·K)、最佳空冷换热系数0.0002438W/(m²·K)、最佳 轧件与轧辊之间接触热传导换热系数0.00982333W/(m²·K)；

b7、取指数平滑因子为0.6，得到最终的除鳞区对流换热系数 0.000970638W/(m²·K)、最佳机架间水冷对流换热系数0.000632465W/(m²·K)、 最佳带材两侧边水冷对流换热系数0.000547235W/(m²·K)、最佳空冷换热系数 0.0002477W/(m²·K)、最佳轧件与轧辊之间接触热传导换热系数 0.0100317W/(m²·K)，计算结束。