冷连轧过程中以爆辊防治为目标的工艺润滑制度优化方法

摘要

本发明提供一种冷连轧过程中以爆辊防治为目标的工艺润滑制度优化方法。本发明采用现场试验跟踪、理论研究与实验轧机的实验相结合的方法，提供一种适合于冷连轧过程中以爆辊防治为目标的工艺润滑制度综合优化技术，对工艺润滑制度进行优化，在不影响板形质量的情况下使各机架辊间压力达到最小，同时保证机组不发生打滑和热滑伤现象，从而达到降低辊耗和防治轧辊剥落、爆辊的目的，提高了带钢的表面质量与板形精度，降低了打滑和热滑伤的概率，并将其应用到冷连轧机的生产实践，取得了良好的使用效果，给企业带来效益。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种冷连轧过程中以爆辊防治为目标的工艺润滑制度优化方法，属于冷轧技术领域。

背景技术：

近年来，随着家用电器、汽车、电子、建筑、造船、军工、航天等行业的巨大需求，使得板带材生产在国民经济发展中的地位日益突出。与此同时，现代科技的发展也使得用户对板带材的表面质量与板形精度的要求日趋严格。根据现场经验可以知道，在冷连轧机组轧制过程中，轧制温度对于带材的表面质量与板形精度起着举足轻重的影响。实际上，在现场轧制工艺参数与乳化液的品种给定的情况下，决定冷连轧过程中轧制温度的则主要是乳化液的浓度、流量密度、初始温度等参数(如图1所示)。这样如何合理设定上述参数就成为现场必须研究的课题。乳化液的工艺润滑制度(乳化液的流量、乳化液的浓度、乳化液的初始温度)对乳化液本身的润滑与冷却效果起着举足轻重的影响，并且其影响规律并非单调的增加或者减少，极其复杂。以往，在现场生产过程中对于工艺润滑制度的设定，往往是给定一个固定值，而并不根据机组的实际工况、所生产的带材的钢种、规格以及实际轧制工艺参数来予以设定，造成部分产品在生产中轧制温度不稳定，导致产品出口表面质量达不到下游机组或用户的要求，在带钢的生产过程中，现场一般通过降速或者只是单纯独立地改变乳化液流量、温度、浓度中的一种来解决上述问题，都不能取得理想效果，给企业带来了较大的经济损失。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种冷连轧过程中以爆辊防治为目标的工艺润滑制度优化方法，达到降低辊耗和防治轧辊剥落、爆辊的目的，提高了带钢的表面质量与板形精度，降低了打滑和热滑伤的概率，并将其应用到冷连轧机的生产实践，取得了良好的使用效果，给企业带来效益。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种冷连轧过程中以爆辊防治为目标的工艺润滑制度优化方法，该方法包括如下步骤：

(a)收集五机架冷连轧机组的设备与工艺参数；

(b)定义工艺润滑制度优化过程中所涉及到的过程参数：包括1-5#机架最佳乳化液流量设定值flow_iy、最佳乳化液温度初始值T_dy、最佳乳化液浓度设定值C_y、1-5#机架乳化液流量flow_i、乳化液温度T_d、乳化液浓度C、各机架工作辊的弯辊力S_iw、各机架工作辊的弯辊力S_im、各机架工作辊热凸度ΔTD_ij、1-5#机架的摩擦系数μ_i、1-5#机架的轧制压力P_i、1-5#机架的打滑因子ψ_i、1-5#机架的热滑伤指数末机架带钢的出口板形值shape、前张力横向分布值σ_1i；

(c)令第i机架工作辊弯辊力中间辊弯辊力中间辊窜动量设置为基态ξ_i＝0；

(d)给定第1-5#机架乳化液流量flow_i、乳化液浓度C、乳化液温度T_d的初始值X₀＝[flow_i0,C₀,T_d0]；

(e)计算当前工艺润滑制度、轧制规程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；

(f)以摩擦系数μ_i、入口张力为T_i-1、出口张力为T_i、入口厚度为h_i-1、出口厚度为h_i、末机架出口速度V₅为初始条件计算当前工况下，各机架的工作辊与中间辊辊间压力分布值q_imwj和支承辊与中间辊辊间压力分布值q_imbj、轧制压力横向分布值q_ij、热滑伤指数打滑因子ψ_i、前张力横向分布值σ_1i、末机架带钢的出口板形值shape；

(g)轧制过程中，在考虑安全系数的前提下，各机架辊间压力值、热滑伤值、打滑因子以及出口板形值均不应该超过许可值，故判断不等式是否同时成立，如果不等式成立，则转入步骤(h)；如果不等式不成立，则重新分配乳化液流量、乳化液浓度、乳化液温度的初始值，转入步骤(e)；

(h)计算当前工况下，各机架爆辊防治综合判断指标γ_i的值，γ_i越小，则代表爆辊出现的概率越小、发生程度越轻；反之，爆辊防治综合判断指标γ_i越大，则代表爆辊出现的概率越大、发生程度越严重。其中爆辊防治综合判断指标γ_i的计算模型为：

其中，g_mw(X)为工作辊与中间辊平均不均匀度系数，

g_mb(X)为支承辊与中间辊平均不均匀度系数，

g_q(X)为轧制压力平均不均匀度系数，

g'_mw(X)为工作辊与中间辊最大不均匀度系数，

g'_mb(X)为支承辊与中间辊最大不均匀度系数，

g'_q(X)为轧制压力最大不均匀度系数，

n_mw为工作辊与中间辊辊间条元数；n_mb为支承辊与中间辊辊间条元数；

(i)计算当前工艺润滑制度下的优化目标函数：

式中：α为加权系数，α＝0.35-0.65；

n为机架数；

σ_1i为前张力横向分布值；

T₁为平均前张力；

(j)判断Powell条件是否成立，也就是判断目标函数F(X)是否最小，如果Powell条件成立，则令flow_iy＝flow_i、C_y＝C、T_dy＝T_d，转入步骤(k)，否则调整flow_i、C、T_d，转入步骤(e)；

(k)输出最优工艺润滑制度flow_iy、C_y、T_dy，完成冷连轧机组以爆辊防治为目标的工艺润滑制度的优化设定。

所述的冷连轧过程中以爆辊防治为目标的工艺润滑制度优化方法，步骤(a)中所述的收集五机架冷连轧机组的设备与工艺参数包括：

(a1)收集五机架冷连轧机组的主要设备参数，包括：1-5#机架工作辊辊径D_wi,i＝1,2,…5、1-5#机架中间辊辊径D_mi、1-5#机架支撑辊辊径D_bi、1-5#机架工作辊辊型分布ΔD_wij，其中j为条元数、1-5#机架中间辊辊型分布ΔD_mij、1-5#机架支撑辊辊型分布ΔD_bij、1-5#机架工作辊辊身长度L_wi、1-5#机架支撑辊辊身长度L_mi、1-5#机架支撑辊辊身长度L_bi、1-5#机架支承辊传动侧与工作侧压下螺丝中心距l_b、1-5#机架中间辊传动侧与工作侧弯辊液压缸中心距l_m、1-5#机架工作辊传动侧与工作侧弯辊液压缸中心距l_w；

(a2)收集五机架冷连轧机组的工艺特征参数，包括：1-5#机架许可最大轧制压力P_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最大负弯辊力中间辊与支承辊许可最大不均匀度系数k_mb、中间辊与工作辊许可最大不均匀度系数k_mw、1-5#机架临界热滑伤指数1-5#机架临界打滑因子ψ^*、末机架出口最大板形值shape^*、安全系数ξ；

(a3)收集待轧制带材的工艺参数，包括带材的初始强度σ_s0、加工硬化系数k_s、带材的宽度B、来料的厚度h₀、1-5#机架带钢出口厚度h_i、5#机架的出口速度V₅、开卷机开卷张力T₀、1-5#机架出口张力T_i；

(a4)收集主要工艺润滑制度参数，包括各机架乳化液流量最小设定值flow_imin、各机架乳化液流量最大设定值flow_imax、机组相关设备所许可的最低乳化液初始温度T_dmin、机组相关设备所许可的最高乳化液初始温度T_dmax、机组相关设备所许可的乳化液浓度最小值C_min、机组相关设备所许可的乳化液浓度最大值C_max。

有益效果：

与现有技术相比，本发明结合冷连轧机组的设备与工艺特点，充分考虑工艺润滑对辊间压力横向分布值的影响，采用现场试验跟踪、理论研究与实验轧机的实验相结合的方法，提供一种适合于冷连轧过程中以爆辊防治为目标的工艺润滑制度综合优化技术，对工艺润滑制度进行优化，在不影响板形质量的情况下使各机架辊间压力达到最小，同时保证机组不发生打滑和热滑伤现象，从而达到降低辊耗和防治轧辊剥落、爆辊的目的，提高了带钢的表面质量与板形精度，降低了打滑和热滑伤的概率，并将其应用到冷连轧机的生产实践，取得了良好的使用效果，给企业带来效益。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的收集五机架冷连轧机组的设备与工艺参数的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种冷连轧过程中以爆辊防治为目标的工艺润滑制度综合优化技术，其特征在于它主要包括以下步骤(计算框图如图1所示)：

(a)收集五机架冷连轧机组的主要设备与工艺参数，主要包括以下步骤(如图2所示)：

a1)收集五机架冷连轧机组的主要设备参数，主要包括：1-5#机架工作辊辊径D_wi,i＝1,2,…5、1-5#机架中间辊辊径D_mi、1-5#机架支撑辊辊径D_bi、1-5#机架工作辊辊型分布ΔD_wij(j为条元数)、1-5#机架中间辊辊型分布ΔD_mij、1-5#机架支撑辊辊型分布ΔD_bij、1-5#机架工作辊辊身长度L_wi、1-5#机架支撑辊辊身长度L_mi、1-5#机架支撑辊辊身长度L_bi、1-5#机架支承辊传动侧与工作侧压下螺丝中心距l_b、1-5#机架中间辊传动侧与工作侧弯辊液压缸中心距l_m、1-5#机架工作辊传动侧与工作侧弯辊液压缸中心距l_w；

a2)收集五机架冷连轧机组的工艺特征参数，主要包括：1-5#机架许可最大轧制压力P_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最大负弯辊力中间辊与支承辊许可最大不均匀度系数k_mb、中间辊与工作辊许可最大不均匀度系数k_mw、1-5#机架临界热滑伤指数1-5#机架临界打滑因子ψ^*、末机架出口最大板形值shape^*、安全系数ξ；

a3)收集待轧制带材的工艺参数，主要包括带材的初始强度σ_s0、加工硬化系数k_s、带材的宽度B、来料的厚度h₀、1-5#机架带钢出口厚度h_i、5#机架的出口速度V₅、开卷机开卷张力T₀、1-5#机架出口张力T_i；

a4)收集主要工艺润滑制度参数，主要包括各机架乳化液流量最小设定值flow_imin、各机架乳化液流量最大设定值flow_imax、机组相关设备所许可的最低乳化液初始温度T_dmin、机组相关设备所许可的最高乳化液初始温度T_dmax、机组相关设备所许可的乳化液浓度最小值C_min、机组相关设备所许可的乳化液浓度最大值C_max；

(b)定义工艺润滑制度优化过程中所涉及到的过程参数，主要包括1-5#机架最佳乳化液流量设定值flow_iy、最佳乳化液温度初始值T_dy、最佳乳化液浓度设定值C_y、1-5#机架乳化液流量flow_i、乳化液温度T_d、乳化液浓度C、各机架工作辊的弯辊力S_iw、各机架工作辊的弯辊力S_im、各机架工作辊热凸度ΔTD_ij、1-5#机架的摩擦系数μ_i、1-5#机架的轧制压力P_i、1-5#机架的打滑因子ψ_i、1-5#机架的热滑伤指数末机架带钢的出口板形值shape、前张力横向分布值σ_1i；

(c)为了最大限度的提高机组对出口板形的调节能力，令第i机架工作辊弯辊力中间辊弯辊力中间辊窜动量设置为基态ξ_i＝0；

(d)给定第1-5#机架乳化液流量flow_i、乳化液浓度C、乳化液温度T_d的初始值X₀＝[flow_i0,C₀,T_d0]；

(e)计算当前工艺润滑制度、轧制规程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。)；

(f)以摩擦系数μ_i、入口张力为T_i-1、出口张力为T_i、入口厚度为h_i-1、出口厚度为h_i、末机架出口速度V₅为初始条件计算当前工况下，各机架的工作辊与中间辊辊间压力分布值q_imwj和支承辊与中间辊辊间压力分布值q_imbj、轧制压力横向分布值q_ij、热滑伤指数打滑因子ψ_i、前张力横向分布值σ_1i、末机架带钢的出口板形值shape；

(g)轧制过程中，在考虑安全系数的前提下，各机架辊间压力值、热滑伤值、打滑因子以及出口板形值均不应该超过许可值，故判断不等式是否同时成立，如果不等式成立，则转入步骤(h)；如果不等式不成立，则重新分配乳化液流量、乳化液浓度、乳化液温度的初始值，转入步骤(e)；

(h)计算当前工况下，各机架爆辊防治综合判断指标γ_i的值，γ_i越小，则代表爆辊出现的概率越小、发生程度越轻；反之，爆辊防治综合判断指标γ_i越大，则代表爆辊出现的概率越大、发生程度越严重。其中爆辊防治综合判断指标γ_i的计算模型为：

其中，g_mw(X)为工作辊与中间辊平均不均匀度系数，g_mb(X)为支承辊与中间辊平均不均匀度系数，

g_q(X)为轧制压力平均不均匀度系数，

g'_mw(X)为工作辊与中间辊最大不均匀度系数，

g'_mb(X)为支承辊与中间辊最大不均匀度系数，

g'_q(X)为轧制压力最大不均匀度系数，

n_mw为工作辊与中间辊辊间条元数；n_mb为支承辊与中间辊辊间条元数；

(i)计算当前工艺润滑制度下的优化目标函数

(其中α为加权系数，一般α＝0.35-0.65，其中n为机架数；σ_1i为前张力横向分布值；T₁为平均前张力。)；

(j)判断Powell条件是否成立(也就是判断目标函数F(X)是否最小)？如果Powell条件成立，则令flow_iy＝flow_i、C_y＝C、T_dy＝T_d，转入步骤(k)，否则调整flow_i、C、T_d，转入步骤(e)；

(k)输出最优工艺润滑制度flow_iy、C_y、T_dy，完成冷连轧机组以爆辊防治为目标的工艺润滑制度的优化设定。

现以某1420五机架冷连轧机组为例，详细地介绍某1420五机架冷连轧机组轧辊辊型优化的计算过程：

在本实施例中，主要包括以下步骤：

(a)收集五机架冷连轧机组的主要设备与工艺参数，主要包括以下步骤：

a1)收集五机架冷连轧机组的主要设备参数，主要包括：1-5#机架工作辊辊径D_wi＝{404.01,398.62,396.32,422.54,412.36}mm、1-5#机架中间辊辊径D_mi＝{440.70,448.35,465.25,484.90,473.09}mm、1-5#机架支撑辊辊径D_bi＝{1185.14,1214.53,1189.84,1207.25,1187.93}、1-5#机架工作辊辊型分布ΔD_wij＝0(j为条元数)、1-5#机架中间辊辊型分布ΔD_mij＝0、1-5#机架支撑辊辊型分布ΔD_bij＝0、1-5#机架工作辊辊身长度L_wi＝1420mm、1-5#机架支撑辊辊身长度L_mi＝1400mm、1-5#机架支撑辊辊身长度L_bi＝1420mm、1-5#机架支承辊传动侧与工作侧压下螺丝中心距l_b＝2.55m、1-5#机架中间辊传动侧与工作侧弯辊液压缸中心距l_m＝2.65m、1-5#机架工作辊传动侧与工作侧弯辊液压缸中心距l_w＝2.56m；

a2)收集五机架冷连轧机组的工艺特征参数，主要包括：1-5#机架许可最大轧制压力P_imax＝18000kN、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最大负弯辊力中间辊与支承辊许可最大不均匀度系数k_mb＝0.5、中间辊与工作辊许可最大不均匀度系数k_mw＝0.9、1-5#机架临界热滑伤指数1-5#机架临界打滑因子ψ^*＝0.42、末机架出口最大板形值shape^*＝14.2I、安全系数ξ＝0.9；

a3)收集待轧制带材的工艺参数，主要包括带材的初始强度σ_s0＝400MPa、加工硬化系数k_s＝1.35、带材的宽度B＝1020mm、来料的厚度h₀＝2.20mm、成品厚度h₅＝0.23mm、5#机架的出口速度V₅＝1340.9m/min、开卷机开卷张力T₀＝65MPa、1-5#机架出口张力T_i＝{132.31,146.22,156.46,165.43,70}MPa；

a4)收集主要工艺润滑制度参数，主要包括各机架乳化液流量最小设定值flow_imin＝3000L/min、各机架乳化液流量最大设定值flow_imax＝5000L/min、机组相关设备所许可的最低乳化液初始温度T_dmin＝51℃、机组相关设备所许可的最高乳化液初始温度T_dmax＝64℃、机组相关设备所许可的乳化液浓度最小值C_min＝0.8％、机组相关设备所许可的乳化液浓度最大值C_max＝5.6％；

(b)定义工艺润滑制度优化过程中所涉及到的过程参数，主要包括1-5#机架最佳乳化液流量设定值flow_iy、最佳乳化液温度初始值T_dy、最佳乳化液浓度设定值C_y、1-5#机架乳化液流量flow_i、乳化液温度T_d、乳化液浓度C、各机架工作辊的弯辊力S_iw、各机架工作辊的弯辊力S_im、各机架工作辊热凸度ΔTD_ij、1-5#机架的摩擦系数μ_i、1-5#机架的轧制压力P_i、1-5#机架的打滑因子ψ_i、1-5#机架的热滑伤指数末机架带钢的出口板形值shape、前张力横向分布值σ_1i；

(c)为了最大限度的提高机组对出口板形的调节能力，令第i机架工作辊弯辊力中间辊弯辊力中间辊窜动量设置为基态ξ＝0；

(d)给定第1-5#机架乳化液流量flow_i0＝{3100,3100,3100,3100,4100}L/min、乳化液浓度C₀＝3.2％、乳化液温度T_d0＝58℃；

(e)计算当前工艺润滑制度、轧制规程下各机架的摩擦系数μ_i＝{0.0863,0.0634,0.0551,0.0432,0.0392}；

(f)以摩擦系数μ_i、入口张力为T_i-1、出口张力为T_i、入口厚度为h_i-1、出口厚度为h_i、末机架出口速度V₅为初始条件计算当前工况下，各机架的工作辊与中间辊辊间压力分布值q_imwj和支承辊与中间辊辊间压力分布值q_imbj、轧制压力横向分布值q_ij、热滑伤指数打滑因子ψ_i＝{0.231,0.334,0.422,0.439,0.527}、前张力横向分布值σ_1i、末机架带钢的出口板形值shape＝12.7I；

(g)轧制过程中，在考虑安全系数的前提下，各机架辊间压力值、热滑伤值、打滑因子以及出口板形值均不应该超过许可值，故判断不等式是否同时成立，如果不等式成立，则转入步骤(h)；如果不等式不成立，则重新分配乳化液流量、乳化液浓度、乳化液温度的初始值，转入步骤(e)；

(h)计算当前工况下，各机架爆辊防治综合判断指标γ_i的值，γ_i越小，则代表爆辊出现的概率越小、发生程度越轻；反之，爆辊防治综合判断指标γ_i越大，则代表爆辊出现的概率越大、发生程度越严重。其中爆辊防治综合判断指标γ_i的计算模型为：

(i)计算当前工艺润滑制度下的优化目标函数(其中α＝0.55。)；

(j)判断Powell条件是否成立(也就是判断目标函数F(X)是否最小)？如果Powell条件成立，则令flow_iy＝flow_i、C_y＝C、T_dy＝T_d，转入步骤(k)，否则调整flow_i、C、T_d，转入步骤(e)；

(k)输出最优工艺润滑制度flow_iy＝{3220,3410,3740,4290,4660}L/min、C_y＝4.2％、T_dy＝62℃，完成冷连轧机组以爆辊防治为目标的工艺润滑制度的优化设定。

最后，为了方便比较，在表1中分别给出了本实施和传统方法得到的爆辊防治综合判断指标和板形值的分布情况，在表2中，给出了传统方法和本发明辊耗、热滑伤和打滑因子的对比情况。通过表1可以看出，用于表征爆辊发生概率的目标函数从0.432下降到0.074，下降了82.9％；用于表征末机架出口板形质量的板形值从12.92I下降到10.17I，下降了21.28％，如表2所示，带材轧制过程中的打滑因子平均下降了13.1％；热滑伤指数平均下降了14.7％；辊耗平均下降17.5％，说明本发明所述的相关方法能够很好的降低轧辊辊耗和轧辊剥落、爆辊发生的概率，明显改善打滑和热滑伤现象以及带钢出口表面的质量。

表1本发明与传统方法的工艺润滑综合优化结果

表2本发明与传统方法的指标对比

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。