平整机组张力综合优化控制技术_崔熙颖.pdf

第 30 卷 第 3 期2023 年 3 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.3Mar.2023引文格式:崔熙颖,谷 田,卜新钊,等.平整机组张力综合优化控制技术 J.塑性工程学报,2023,30(3):53-58.CUI Xiying,GU Tian,BU Xinzhao,et al.Comprehensive optimization control technology of tension of leveling unit J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(3):53-58.基金项目:河北省高等学校科学技术研究项目(CXY2023012)通信作者:张岩岩,男,1980 年生,硕士,实验师,主要从事轧机设备与工艺研究,E-mail:jyyyzhang 第一作者:崔熙颖,男,1992 年生,博士研究生,主要从事冷轧研究,E-mail:1339926909 收稿日期:2022-04-27;修订日期:2023-01-19平整机组张力综合优化控制技术崔熙颖1,谷 田2,卜新钊1,张 涛2,胡万通1,张岩岩1,3(1.燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心,河北 秦皇岛 066004;2.唐山钢铁集团高强汽车板有限公司,河北 唐山 063016;3.燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,河北 秦皇岛 066004)摘 要:针对某钢厂平整机组轧制过程中出现的带钢打滑以及板形质量较差的问题,从打滑的防治、产品的机械性能与板形的控制等出发,首先通过轧制压力模型将轧制压力和张力联系起来,然后通过板形模型、前张力横向分布模型和打滑模型将板形、打滑概率、伸长率以及前后张力建立联系,最后以不出现打滑现象和成品带钢板形质量最佳为优化目标,建立了一套张力综合优化函数,该函数的优化结果即表示在不发生打滑和伸长率允许误差的范围内,成品带钢板形值最好时的张力设定值,从而形成一套平整机组的张力优化设定技术,并编制出相应的张力综合优化设定软件,可以实现对特定规格、钢种的带钢优化设定出相应的前后张力值。将优化结果应用到现场生产实际,结果表明,使用优化后的张力在轧制过程中未出现打滑现象,且成品带钢的板形质量得到明显改善,提高了机组生产效益。关键词:平整机组;打滑;板形;张力;优化控制中图分类号:TG335.5+6 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)03-0053-06doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.03.008Comprehensive optimization control technology of tension of leveling unitCUI Xi-ying1,GU Tian2,BU Xin-zhao1,ZHANG Tao2,HU Wan-tong1,ZHANG Yan-yan1,3(1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.High Strength Automotive Strip Co.,Ltd.,Tangshan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Tangshan 063016,China;3.State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China)Abstract:In view of the problems of strip slipping and poor strip shape quality in the rolling process of a steel leveling unit,starting from the prevention of slipping,the mechanical properties of products and the control of strip shape,the rolling pressure and tension were con-nected through the rolling pressure model firstly.And then the strip shape,slipping probability,elongation and front and rear tension were connected through the strip shape model,front tension transverse distribution model and slipping model.Finally,a set of tension compre-hensive optimization function was established with the optimization objective of no slipping and the best shape quality of the finished strip steel.The optimization result of this function represents the tension setting value when the strip shape value of the finished strip is the best within the range of no slipping and allowable elongation error,so as to form a set of tension optimization setting technology of the temper unit,and compile the corresponding comprehensive optimization setting software of tension.It can optimize and set the corresponding front and rear tension values for strip steel with specific specifications and steel grades.The optimization results were applied to the field pro-duction practice.The results show that the optimized tension does not slip in the rolling process,and the strip shape quality of the finished strip steel is significantly improved,which improves the production efficiency of the unit.Key words:leveling unit;slipping;strip shape;tension;optimization and control 引言随着制造业的快速发展和人民生活质量的提高,下游用户对带钢的质量要求也逐渐提高。平整作为带钢精整的重要生产工序,不仅可以提高带钢板形精度和厚度精度,改善带钢表面质量,还可以提高和改善带钢的机械性能;消除低碳钢的屈服平台1-3。但在平整轧制过程中,打滑现象会在带钢表面留下划痕,影响产品性能和美观,而板形缺陷更是严重影响下游用户使用,两者都会对带钢质量产生重大影响4-6。平整过程中影响带钢打滑和造成板形缺陷的影响因素众多,众多学者为解决此问题也进行了各方面研究。杭永海7通过调整轧制力和轧辊粗糙度,解决了四辊双机架平整机组生产中存在的打滑现象;金大华等8-9通过控制平整液浓度和压力,定期检查喷嘴,防止喷嘴堵塞造成的润滑不良,对带钢打滑现象进行了控制;赵志清10通过对工作辊辊面划伤原因进行分析,利用轧制速度优化的方法对打滑现象进行了控制;闫玉三等11通过对轧辊表面粗糙度、工作辊和支撑辊辊型以及张力进行控制来解决平整机组板形问题;王学谦等12针对薄板生产过程中平整工序出现的板形缺陷,分类制定了原料、设备、操作、工艺和辊型等方面提升改善措施。商存亮等13针对轧后板形问题,指出板形缺陷主要是由轧后温度变化和平整轧制形成的残余应力导致的,通过降低平整压力、调整平整机辊径差等措施改善了平整后带钢的板形缺陷。徐其亮14通过优化支撑辊辊形和轧制力-弯辊力前馈控制模型建立等措施,对带钢浪形缺陷进行控制。目前,鲜有通过张力优化控制对平整过程的打滑和板形问题同时控制的研究。因此本文针对某钢厂高强汽车板公司平整机组在生产过程中,部分钢种出现打滑以及板形质量差的问题,将张力设定与打滑治理和板形治理结合起来,建立了张力综合优化函数,在保证不打滑的前提下使得成品带钢板形最佳。1 张力设定与打滑及板形的关系模型对于平整轧制而言,考虑到轧制过程中轧辊与带材交界面处接触弧的非圆柱表面性质以及工程上对模型本身的稳定性要求,使用如下轧制压力模型15:P=fL(1)L=12(a1ln+a0)D2+D2()2+2Dh0|(2)f=ph0(1-)expLh0(1-)-1|(3)p=k3(s+alg1000e)-(k10+k21)(4)式中:e2V/D;D 为工作辊直径;为摩擦因数;P为总轧制压力;f 为单位轧制力;L 为轧制变形区中轧辊与带材接触弧长度;a0和 a1为平整钢种与工况影响系数;为带材伸长率;h0为入口厚度;s为带材屈服强度;a 为应变速率系数;1、0为带材前、后张力;k1、k2为前、后张力加权系数。对于一个特定的轧制过程而言,带材伸长率、轧制速度、入口厚度、工作辊直径和带材宽度等参数是确定的,而钢种与工况影响系数 a0、a1和 也可通过大数据回归的方法求出。这样,轧制压力就由前后张力所决定,在计算张力的过程中,实际上也是对张力进行优化。1.1 平整机组板形与张力关系的建立平整机组成品带钢的板形质量是尤为重要的,而板形的影响因素除了来料、轧制压力和弯辊力等因素外,张力因素也占有很大比重,带钢板形 I 可由下式表示:I=-105(1-v2)E(1i-1)(5)式中:v 为泊松比;E 为弹性模量;1i为前张力横向分布。可以看出,在来料确定的条件下,成品带材的板形取决于前张力横向分布,因此需要建立前张力横向分布与带材的关系式。其中前张力横向分布可以表示为15:1(x)=T1Bh-+E1-v21+h(x)h-H(x)H-L(x)L-|(6)式中:1(x)为出口带材横向各点单位张力;1为出口侧张力;T1为前张力;B 为带材宽度;h-为带材出口平均厚度;h(x)为带材出口厚度横向分布值;H-为带材入口平均厚度;H(x)为带材入口厚度横向分布值;L-为来料板形的长度平均值;L(x)为来料板形的长度横向分布值。由式(6)可以看出,当带钢来料情况已知时,前张力横向分布值 1(x)只决定于出口厚度 h(x)的值。45塑性工程学报第 30 卷而带钢的出口厚度又可以由工作辊的有载辊缝S(x)来表示,其中有载辊缝只是轧制压力的函数。而轧制压力又与伸长率、前张力 T1和后张力 T0有关,那么前张力横向分布可以由下式表达:1(x)=H(,T0,T1)(7)由式(7)可以看出,在伸长率确定的情况下,带材前张力横向分布决定于轧制过程中前后张力值的大小,即在生产计划不变的情况下,成品带钢板形的好坏很大程度上取决于轧制过程中前后张力的设定,因此,对张力的优化是非常有必要的。1.2 平整机组打滑与张力关系的建立为了保证优化后的张力在实际应用中不产生打滑现象,需要建立打滑和张力的相互关系。根据文献 16 可以得到打滑因子模型为:=14hR+T0-T1P(8)式中:h 为道次绝对压下量;R为工作辊压扁半径;P 为工作辊半径。通过式(8)可以看出,打滑因子与伸长率、轧制压力和前后张力密切相关,而轧制压力又取决于前后张力的大小,所以在伸长率确定的情况下,张力的设定对打滑因子有重要影响。而且在保证板形质量的前提下,可以最大程度的降低打滑因子的值,这样可以大大提高机组生产的稳定性。2 张力综合优化函数的建立通过上一节的介绍可以看出,打滑因子与伸长率、轧制压力和前后张力密切相关,而轧制压力又取决于前后张力的大小,所以在伸长率确定的情况下,张力的设定对打滑因子有重要影响。而且在保证板形质量的前提下,可以最大程度地降低打滑因子,这样可以大大提高机组生产的稳定性。由式(5)和式(7)可以看出,在伸长率不变的情况下,张力对板形有直接的影响,所以可以设定一个与板形相关的目标函数 F(X),如式(9)所示,以前后张力 X=T0,T1 为优化变量对板形进行优化,以使得目标函数值 F(X)最小,这样就可以保证成品带钢板形值符合生产要求。F(X)=ni=1Iin+(Imax-Imin)(9)式中:n 为带钢横向条元数;Ii为带钢横向各条元板形分布值;和 为加权系数,此处取=0.6、=0.4;Imax为各条元板形的最大值,Imin为各条元板形的最小值。与此同时,在保证板形质量的前提下,还要保证成品带钢伸长率与设定伸长率的误差在一定范围内,此处要求实际伸长率 与设定的目标伸长率 误差不超过 1%。而且需要确保平整过程中不出现打滑现象,因此,可以设定打滑因子临界值 为判断条件,在优化计算过程中使得打滑因子不超过临界打滑因子,综上,可以得出平整机组张力综合优化设定函数:F(X)=ni=1Iin+(Imax-Imin)-0.01|(10)在优化过程中,当计算得到某一函数值 F(Xi)与下一个函数值 F(Xi+1)间存在式(11)所示关系时即可停止优化得到最优解。|F(Xi)-F(Xi+1)|F(Xi)0.01(11)这样,优化结果为表征机组打滑发生概率大小的打滑因子在给定范围内,同时满足实际伸长率与设定伸长率在一定误差范围内且成品带钢板形值最好时对应的前后张力设定值的大小。计算流程如图1 所示。图 1 平整过程张力综合优化技术计算流程图Fig.1 Calculation flow chart of comprehensive optimization technology of tension in leveling process55 第 3 期崔熙颖 等:平整机组张力综合优化控制技术3 模型的现场应用在前述研究的基础上,通过计算分别列出 5 个常用钢种采用本技术所述的张力综合优化方法得到的前后张力情况,如表 1 所示。为下一步将优化后的张力在单机架平整机组上进行实验验证进而实现参数再次优化和产品质量提升打下基础。表 1 不同钢种和规格下张力优化数据Tab.1 Data of tension optimization with different steel grades and specifications钢种厚度/mm宽度/mm出口张力/kN入口张力/kNDC010.6125043.239.80.8125050.546.70.8126053.049.31.0125051.748.31.0150061.758.51.2150071.067.51.5132578.074.41.5150073.970.7DC030.7103038.435.30.8133250.447.31.0128043.339.71.2120059.455.82.0115074.772.0DC060.7126037.735.60.7138551.047.70.7138541.539.5HC260LA1.5101252.249.11.5127064.260.82.0100065.262.42.0127097.392.32.51354123.5122.5HC340/590DP1.2115055.251.81.8185063.159.71.8125073.169.62.0100063.160.22.2120082.078.8为了验证优化结果的正确性,并说明该技术的使用效果,以某钢厂 1850 单机架平整机组为例,选取典型钢种 DC01、DC04、SPCC 和 HC420/780DP的常用规格产品进行优化前后打滑因子及板形值对比,其中机组主要设备参数如表 2 所示,钢种和轧制工艺参数以及优化前后数据对比如表 3 所示,通过比较可看出,优化后打滑因子明显减小,说明机组打滑概率明显降低,而且带钢板形质量得到提高,所以通过该方法不仅提高产品质量,还提高了机组运行稳定性,保证了生产效率。图 2 和图 3 为所选取钢种在张力优化前后的板形对比,可以看出,该技术使板形质量得到明显的改善。表 2 1850 平整机组主要设备及工艺参数(mm)Tab.2 Main equipment and process parameters of 1850 temper unit(mm)参数值工作辊直径425支撑辊直径1040工作辊辊身长度1850支撑辊辊身长度1850弯辊杠距离2700表 3 典型规格钢种及主要工艺参数下优化前后数据对比Tab.3 Comparison of data before and after optimization under typical steel types and main process parameters参数优化前 优化后 优化前 优化后 优化前 优化后 优化前优化后钢种DC01DC04SPCCHC420/780DP规格/(mmmm)1.212501.513502.512501.41120屈服强度/MPa214143225495工作辊直径/mm450450450626伸长率/%1.40.61.90.27弯辊力/kN6256863811267出口张力/kN 57.859.555.056.897.399.571.973.9入口张力/kN 53.252.550.651.293.094.667.068.3打滑因子0.0250 0.0078 0.0240 0.0076 0.0300 0.0085 0.0250 0.0069板形值/I14.111.612.29.210.28.510.48.9图 2 DC04 钢种 1.5 mm1350 mm 规格带钢张力优化前后平均板形值对比Fig.2 Comparison of average strip shape values of DC04 steel of 1.5 mm1350 mm before and after tension optimization65塑性工程学报第 30 卷图 3 DC04 钢种 1.5 mm1350 mm 规格带钢张力优化前(a)和优化后(b)整体板形对比Fig.3 Comparison of overall strip shape of DC04 steel of 1.5 mm1350 mm before(a)and after(b)tension optimization 通过图 2 和图 3 带钢张力优化前后板形对比可以得出:使用优化后张力可以大幅减小打滑概率的发生,而且成品带钢的板形质量也得到明显改善。4 结论(1)介绍了平整机组轧制压力模型,利用张力模型和打滑因子模型建立了板形、打滑因子与张力的关系,结合伸长率控制,构造了张力综合优化函数。(2)通过得出的张力优化模型编制了张力综合优化软件,对现场机组轧制过程中的张力设定值进行优化,通过对比优化前后成品带钢板形可以得出,本文研究能够对打滑和板形缺陷进行良好的治理。参考文献:1 孙超凡,方圆,王雅晴,等.平整压下率对 TS290 组织性能的影响 J.钢铁,2020,55(6):75-79.SUN Chaofan,FANG Yuan,WANG Yaqing,et al.Effect of flat-tening reduction rate on microstructure and properties of TS290 J.Iron&Steel,2020,55(6):75-79.2 KIMURA Y,FUJITA N,MATSUBARA Y,et al.High-speed rolling by hybrid-lubrication system in tandem cold rolling millsJ.Journal of Materials Processing Technology,2015,216(2):357-368.3 李晓燕,张杰,陈先霖,等.冷轧平整机板形问题的特点及对策 J.钢铁,2003,38(12):26-29,33.LI Xiaoyan,ZHANG Jie,CHEN Xianlin,et al.Characteristics and countermeasures of flatness problems of cold rolling mill J.Iron&Steel,2003,38(12):26-29,33.4 白振华,徐纪栓,董航哲,等.平整轧制过程中工作辊粗糙度衰减模型 J.钢铁,2019,54(4):43-48.BAI Zhenhua,XU Jishuan,DONG Hangzhe,et al Roughness at-tenuation model of work roll during flat rolling 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