板形控制与热轧带钢自由规程轧制_张清东
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W EI Ga ngcheng HU AN G Siqing
( Wuhan Iron and Steel ( Group) Co. )
ABSTRACT Schedule f ree rolling ( SF R) i s cont ributiv e to g et supreme productio n ra te and fl exi ble productio n pla n. Non-uni fo rm dist ri butio n o f w ork rol l surface w ear alo ng roll axi s result s i n i rreg ula r loaded roll g ap pro file, m akes strip shape out of co nt rol i n “ ro lli ng of large quanti ties of strips i n same w idth” and “ rolling by strip w idth i ncrease i n sequence” , and rest rains the reali za tion o f SF R. In f act, SFR is heavily relat ed to shape co nt ro l. In order t o ca rry o ut SFR, elimi natio n o r w ell-dist ributio n o f wo rk rol l w ea r and crea tion of speci al shape co ntrol t echno logies are necessary. KEY WORDS ho t strip rol li ng , shape co ntro l, schedule f ree rolling
DOI : 10. 13228 /j . boyuan. i ssn0449 -749x . 2001. 02. 022 第 36卷 第 2期
钢 铁
2 0 0 1年 2 月
IRON AN D ST EEL
· 综合论述·
V o l. 36, N o. 2 Febr ua ry 2 0 0 1
板形控制与热轧带钢自由规程轧制
· 73·
钢热轧领域研究开发的前沿和热点。 2 工作辊表面磨损对承载辊缝形状的影响 2. 1 热连轧机工作辊表面磨损描述
轧制时 ,工作辊与轧件之间以及与支持辊之间 的相互接触摩擦 ,导致了工作辊的磨损。工作辊的磨 损形式主要有: 以轧件和轧辊表面氧化层碎屑为介 质的磨粒磨损 ;机械载荷与热载荷周期性作用产生 的疲劳磨损 ; 与轧件塑性变形区的粘着磨损 ;轧辊表 面氧化层反复生成、破碎剥落、再生成造成的氧化磨 损。工作辊磨损是一个十分复杂的过程 ,目前只能通 过大量的实测和分析建立半理论半试验的磨损预报 模型。 笔者运用遗传算法研究提出的磨损预报模型 具有较好的精度 [1 ]。
1 前言 带钢的板形精度包括带钢横截面外形几何精度
(凸度是其中的主控指标 )和纵向平坦度 ,是带材轧 制中的一项重要质量指标。 它既决定产品的市场竞 争力 ,也影响轧机自身和后续工序的生产顺行。 自 70年代以来 , 由于市场对 板形质量的要 求愈来愈
高 ,使板形控制技术成为板带生产的关键性技术。 带钢热连轧是板带钢生产流程中的重要一环 ,
为了实施柔性生产组织和追求最大生产效率 ,一直 以来都在寻求实现自由规程轧制。近年来 , (半 )无头 轧制和薄板坯连铸连轧的出现使热轧自由规程轧制 更显重要。因此 ,板形控制和自由规程轧制都是板带
⒇ 联系人: 张清东 ,副教授 ,北京 ( 100083) 北京科技大学机械工程学院
第 2期 张清东等 : 板形控制与热轧带钢自由规程轧制
热带钢连轧机工作辊的累积磨损后表面轮廓曲
线 ,可以在服役结束下机后测得 ,再与上机前初始辊 形相减 ,就可得到轧辊表面 (相对于中点的 )相对磨 损量分布曲线 ,称为轧辊磨损曲线或磨损辊形。如果 磨损量沿带宽方向上均匀分布 ,则轧辊磨损曲线为 一条水平直线 ,此时轧辊具有最优的辊形自保持性 即辊形稳定性。 通过对热连轧机的大规模跟踪实测 研究表明 [2 ] ,在正常的实际生产中 ,工作辊磨损曲线 多为非光滑的“梯形 ( T 型 )”、“阶梯型 ( S型 )”和“猫 耳型 ( CE型 )” ,如果使用了 K-W RS轧机的长行程、 周期性窜辊 ,则有可能呈近似光滑曲线型 ( C型 ) ,见 图 1。 并且四种类型磨损曲线都往往还具有一定非 对称性。事实上 ,一般各类机型的宽带钢热连轧机工 作辊磨损曲线 ,无论是服役结束还是服役中 ,都可以 用以上四种类型描述 [2 ]。 2. 2 工作辊表面磨损对承载辊缝形状的影响
下的板形调控功效的大小、特性。 x 为沿板宽方向的 坐标。
项板形控制技术的调控功效共同决定整台轧机wenku.baidu.com板 形控制性能。
从表 1可见 , CV C4、 HCW、 PC和对称弯辊技术 的板形调控功效都是对称的 ,用四次多项式即可准
运用有限单元法对目前热轧中使用的主要板形 确描述 ,并且都以二次成分为主。压下倾斜的板形调
工作辊表面磨损引起的轧辊辊形变化导致辊缝
形状变动 ,见图 1。特别是工作辊表面的不均匀磨损
会导致承载辊缝形状产生畸变 ,使辊缝形状呈非光
滑的复杂曲线型 ,只有中部一段“盆地”相对光滑、变 化平缓 ,当轧件宽度大于“盆地”一段宽度时 ,带钢边
部区域被过度压缩 ,对板形控制构成严重威胁。
板形控制的实质在于对承载辊缝形状的控制。
SHAPE CONTROL IN SCHEDULE FREE HOT STRIP ROLLING
Z HANG Qi ng do ng HE Anrui HU ANG Lunw ei C HEN Xianli n
( Univ ersit y of Science and T echno logy Beijing )
磨损是影响承载辊缝形状的主要干扰因素之一。 因
此 ,研究开发具有可补偿磨损影响的调控功效的板
形技术是极其重要且迫切的。
3 板形控制技术的板形调控功效 3. 1 板形调控功效是板形控制技术的特质 [3 ]
板形调控功效即是在一种板形控制技术的单位
调节量作用下 ,轧机承载辊缝在沿带钢宽度方向上
各处开度的变化量 ,公式表示如下:
E(x )
=
Δg f ( x ) ΔS
( 1)
式中 E ( x ) —— 板形调控功效函数 ,可能是简单多 项式 ,也可能是高阶复杂多项式 ;
gf ( x ) —— 承载辊缝形状函数 ; S—— 广义调节量 (力或位移 ) ;
x—— 沿板宽方向坐标。 调控功效也可用单位调节量引起的沿板宽方向
辊缝开度变化量的离散值表示为板形调 控功效矩
阵。
以上形式的板形调控功效可以表示板形控制技
术对带钢横截面外形 (承载辊缝形状 )的各个描述指
标—— 凸度、楔形度、边部减薄量和局部突起量的调
控作用。板形调控功效可通过软件仿真的方法确定。
图 1 工作辊磨损辊形类型及其对应承载辊缝 (B= 1 540 mm) Fig. 1 T ypes of w or k ro ll w ea r pr ofile and co rr espo nding lo aded ro ll g ap pr ofile
(a) T型 ; ( b ) S型 ; ( c) CE型 ; (d ) C型
· 74·
钢 铁 第 36卷
3. 2 若干热轧板形控制技术的调控功效
板宽 ( B )、辊径 ( DB、 DW )、辊面长 ( L )和轧制力 ( p )
一种板形控制技术的板形控制思想和调控特性 可以用板形调控功效准确描述 ,一台板带轧机的各
张清东 何安瑞 黄纶伟 陈先霖
(北京科技大学 )
魏钢城 黄四清
(武汉钢铁 (集团 )公司 )
摘 要 板形是热轧 带钢的重要质量指 标。 自由规程轧制是带 钢热轧中实现柔性生 产组织和最高生产 效率 的必由之路。 热轧工作辊表面严重不均匀磨损 ,导致承载辊 缝形状畸变和“批量同宽轧制”或“大逆宽轧制”时 带钢板形失控 ,进而制约了自由规程轧制。 自由规程轧制问 题本质上是板形控制问题。 为了实现自由规程轧 制需减少磨损量、均匀化磨损分布或开发特殊的板 形控制技术。 关键词 带钢热轧 板形控制 自由规程轧制⒇
实现自由规程轧制的思路可以是减少甚至消除 工作 辊 表面 磨 损、 均匀 化 磨 损 分布 或 者 开发 特 殊 的 可补偿磨损对辊缝影响的板形控制技术。 5. 1 长行程 W RS轧机采用特殊窜辊策略均匀化 磨损分布
p /M N 10 10 10 10 10 10 10 10 10
板形调控功效函数 E ( x )
2. 783 4x4+ 23. 701x2 - 0. 581 1x 4+ 8. 895x2 - 0. 194 1x4+ 3. 371 9x 2 1. 389 6x4+ 12. 447x2 1. 178 3x4+ 12. 564x2 - 1. 916 2x4+ 14. 939x2 0. 776 5x 4+ 7. 948 1x 2
0 1. 815x4+ 8. 440 9x 3+ 3. 285 9x 2+ 1. 615 9x
图 2 A SR改善带钢凸度的效果 Fig. 2 Effect o f improv ing the cro w n o f strips by A SR
自由规程轧制即宽度可连续自由变化— 由宽到 窄、同宽和由窄到宽— 轧制 ,一般主要是指可“批量 同宽轧制”或“大逆宽轧制”。 目前在热轧过程中 ,为 了适应工作辊辊面不可避免的不均匀磨损情况 ,通 常每个轧制单位中主体材的轧制顺序安排 ,均遵循 “ cof fi n”图— 由宽到窄原则 ,并对同宽轧制和逆宽轧 制 (先窄后宽 )实行严格的限制 ,构成对生产自由度 的结束。 一直以来热轧生产都在研究实现自由的批 量同宽轧制和大逆宽轧制 ,即自由规程轧制。
表 1 5种板形控制技术调控功效仿真结果
Table 1 Shape-adjusting action of fiv e shape co ntro l ac tua to r s by imita tio n
轧机机型 CV C HC PC
K -W RS
板形调控手段
弯辊 抽辊 弯辊 抽辊 弯辊 交叉 弯辊 抽辊 压下倾斜
控制技术—— CV C4、 HCW、 PC、 K-W RS、对称弯辊 控功效是非对称的、整体型的。 K-W RS轧机的工作
和压下倾斜的板形调控功效进行仿真研究 ,结果见 表 1。 表中的函数表达式表示了各板形技术在一定
辊窜动没有板形调控作用 ,其作用在于均匀化磨损。 4 自由规程轧制问题实质为板形控制问题
DW /mm 500 500 750 750 600 600 750 750 750
工况 DB / mm
1 200 1 200 1 500 1 500 1 400 1 400 1 500 1 500 1 500
B /m m 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000
对 于 不采 用 工 作辊 长 行 程、 特 殊策 略 窜 辊的 热 轧机 ,即使按“ cof fin”图组织生产 ,其工作辊磨损曲
线也是非光滑的“梯形”、“阶梯型”或“猫耳型” [1, 2 ]。 其中的少量同宽轧制和小逆宽轧制 (相当于同宽 )导 致“猫耳型”磨损 ,如果采用“批量同宽轧制”则会形 成更严重的“猫耳型”磨损。 由图 1和图 2所示仿真 结果可知 ,当热轧工作辊表面磨损曲线呈“梯形”、 “阶梯型”或“猫耳型”时 ,导致承载辊缝曲线形状发 生畸变 (见图 1) ,并且现有各种热轧板形控制技术 的调控功效 (见表 1)都不能有效对此补偿。因此 ,当 批量同宽轧制或大逆宽轧制 (先窄后宽 )时会产生轧 件横截面形状畸变 (边部严重增厚或减薄 )和平坦度 严重恶化 ,甚至走偏断带使生产不能顺利进行。 因 此 ,制约自由规程轧制的是工作辊表面不均匀磨损 导致的板形失控 ,自由规程轧制在本质上也是板形 控制问题。 5 自由规程轧制技术的开发
( Wuhan Iron and Steel ( Group) Co. )
ABSTRACT Schedule f ree rolling ( SF R) i s cont ributiv e to g et supreme productio n ra te and fl exi ble productio n pla n. Non-uni fo rm dist ri butio n o f w ork rol l surface w ear alo ng roll axi s result s i n i rreg ula r loaded roll g ap pro file, m akes strip shape out of co nt rol i n “ ro lli ng of large quanti ties of strips i n same w idth” and “ rolling by strip w idth i ncrease i n sequence” , and rest rains the reali za tion o f SF R. In f act, SFR is heavily relat ed to shape co nt ro l. In order t o ca rry o ut SFR, elimi natio n o r w ell-dist ributio n o f wo rk rol l w ea r and crea tion of speci al shape co ntrol t echno logies are necessary. KEY WORDS ho t strip rol li ng , shape co ntro l, schedule f ree rolling
DOI : 10. 13228 /j . boyuan. i ssn0449 -749x . 2001. 02. 022 第 36卷 第 2期
钢 铁
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IRON AN D ST EEL
· 综合论述·
V o l. 36, N o. 2 Febr ua ry 2 0 0 1
板形控制与热轧带钢自由规程轧制
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钢热轧领域研究开发的前沿和热点。 2 工作辊表面磨损对承载辊缝形状的影响 2. 1 热连轧机工作辊表面磨损描述
轧制时 ,工作辊与轧件之间以及与支持辊之间 的相互接触摩擦 ,导致了工作辊的磨损。工作辊的磨 损形式主要有: 以轧件和轧辊表面氧化层碎屑为介 质的磨粒磨损 ;机械载荷与热载荷周期性作用产生 的疲劳磨损 ; 与轧件塑性变形区的粘着磨损 ;轧辊表 面氧化层反复生成、破碎剥落、再生成造成的氧化磨 损。工作辊磨损是一个十分复杂的过程 ,目前只能通 过大量的实测和分析建立半理论半试验的磨损预报 模型。 笔者运用遗传算法研究提出的磨损预报模型 具有较好的精度 [1 ]。
1 前言 带钢的板形精度包括带钢横截面外形几何精度
(凸度是其中的主控指标 )和纵向平坦度 ,是带材轧 制中的一项重要质量指标。 它既决定产品的市场竞 争力 ,也影响轧机自身和后续工序的生产顺行。 自 70年代以来 , 由于市场对 板形质量的要 求愈来愈
高 ,使板形控制技术成为板带生产的关键性技术。 带钢热连轧是板带钢生产流程中的重要一环 ,
为了实施柔性生产组织和追求最大生产效率 ,一直 以来都在寻求实现自由规程轧制。近年来 , (半 )无头 轧制和薄板坯连铸连轧的出现使热轧自由规程轧制 更显重要。因此 ,板形控制和自由规程轧制都是板带
⒇ 联系人: 张清东 ,副教授 ,北京 ( 100083) 北京科技大学机械工程学院
第 2期 张清东等 : 板形控制与热轧带钢自由规程轧制
热带钢连轧机工作辊的累积磨损后表面轮廓曲
线 ,可以在服役结束下机后测得 ,再与上机前初始辊 形相减 ,就可得到轧辊表面 (相对于中点的 )相对磨 损量分布曲线 ,称为轧辊磨损曲线或磨损辊形。如果 磨损量沿带宽方向上均匀分布 ,则轧辊磨损曲线为 一条水平直线 ,此时轧辊具有最优的辊形自保持性 即辊形稳定性。 通过对热连轧机的大规模跟踪实测 研究表明 [2 ] ,在正常的实际生产中 ,工作辊磨损曲线 多为非光滑的“梯形 ( T 型 )”、“阶梯型 ( S型 )”和“猫 耳型 ( CE型 )” ,如果使用了 K-W RS轧机的长行程、 周期性窜辊 ,则有可能呈近似光滑曲线型 ( C型 ) ,见 图 1。 并且四种类型磨损曲线都往往还具有一定非 对称性。事实上 ,一般各类机型的宽带钢热连轧机工 作辊磨损曲线 ,无论是服役结束还是服役中 ,都可以 用以上四种类型描述 [2 ]。 2. 2 工作辊表面磨损对承载辊缝形状的影响
下的板形调控功效的大小、特性。 x 为沿板宽方向的 坐标。
项板形控制技术的调控功效共同决定整台轧机wenku.baidu.com板 形控制性能。
从表 1可见 , CV C4、 HCW、 PC和对称弯辊技术 的板形调控功效都是对称的 ,用四次多项式即可准
运用有限单元法对目前热轧中使用的主要板形 确描述 ,并且都以二次成分为主。压下倾斜的板形调
工作辊表面磨损引起的轧辊辊形变化导致辊缝
形状变动 ,见图 1。特别是工作辊表面的不均匀磨损
会导致承载辊缝形状产生畸变 ,使辊缝形状呈非光
滑的复杂曲线型 ,只有中部一段“盆地”相对光滑、变 化平缓 ,当轧件宽度大于“盆地”一段宽度时 ,带钢边
部区域被过度压缩 ,对板形控制构成严重威胁。
板形控制的实质在于对承载辊缝形状的控制。
SHAPE CONTROL IN SCHEDULE FREE HOT STRIP ROLLING
Z HANG Qi ng do ng HE Anrui HU ANG Lunw ei C HEN Xianli n
( Univ ersit y of Science and T echno logy Beijing )
磨损是影响承载辊缝形状的主要干扰因素之一。 因
此 ,研究开发具有可补偿磨损影响的调控功效的板
形技术是极其重要且迫切的。
3 板形控制技术的板形调控功效 3. 1 板形调控功效是板形控制技术的特质 [3 ]
板形调控功效即是在一种板形控制技术的单位
调节量作用下 ,轧机承载辊缝在沿带钢宽度方向上
各处开度的变化量 ,公式表示如下:
E(x )
=
Δg f ( x ) ΔS
( 1)
式中 E ( x ) —— 板形调控功效函数 ,可能是简单多 项式 ,也可能是高阶复杂多项式 ;
gf ( x ) —— 承载辊缝形状函数 ; S—— 广义调节量 (力或位移 ) ;
x—— 沿板宽方向坐标。 调控功效也可用单位调节量引起的沿板宽方向
辊缝开度变化量的离散值表示为板形调 控功效矩
阵。
以上形式的板形调控功效可以表示板形控制技
术对带钢横截面外形 (承载辊缝形状 )的各个描述指
标—— 凸度、楔形度、边部减薄量和局部突起量的调
控作用。板形调控功效可通过软件仿真的方法确定。
图 1 工作辊磨损辊形类型及其对应承载辊缝 (B= 1 540 mm) Fig. 1 T ypes of w or k ro ll w ea r pr ofile and co rr espo nding lo aded ro ll g ap pr ofile
(a) T型 ; ( b ) S型 ; ( c) CE型 ; (d ) C型
· 74·
钢 铁 第 36卷
3. 2 若干热轧板形控制技术的调控功效
板宽 ( B )、辊径 ( DB、 DW )、辊面长 ( L )和轧制力 ( p )
一种板形控制技术的板形控制思想和调控特性 可以用板形调控功效准确描述 ,一台板带轧机的各
张清东 何安瑞 黄纶伟 陈先霖
(北京科技大学 )
魏钢城 黄四清
(武汉钢铁 (集团 )公司 )
摘 要 板形是热轧 带钢的重要质量指 标。 自由规程轧制是带 钢热轧中实现柔性生 产组织和最高生产 效率 的必由之路。 热轧工作辊表面严重不均匀磨损 ,导致承载辊 缝形状畸变和“批量同宽轧制”或“大逆宽轧制”时 带钢板形失控 ,进而制约了自由规程轧制。 自由规程轧制问 题本质上是板形控制问题。 为了实现自由规程轧 制需减少磨损量、均匀化磨损分布或开发特殊的板 形控制技术。 关键词 带钢热轧 板形控制 自由规程轧制⒇
实现自由规程轧制的思路可以是减少甚至消除 工作 辊 表面 磨 损、 均匀 化 磨 损 分布 或 者 开发 特 殊 的 可补偿磨损对辊缝影响的板形控制技术。 5. 1 长行程 W RS轧机采用特殊窜辊策略均匀化 磨损分布
p /M N 10 10 10 10 10 10 10 10 10
板形调控功效函数 E ( x )
2. 783 4x4+ 23. 701x2 - 0. 581 1x 4+ 8. 895x2 - 0. 194 1x4+ 3. 371 9x 2 1. 389 6x4+ 12. 447x2 1. 178 3x4+ 12. 564x2 - 1. 916 2x4+ 14. 939x2 0. 776 5x 4+ 7. 948 1x 2
0 1. 815x4+ 8. 440 9x 3+ 3. 285 9x 2+ 1. 615 9x
图 2 A SR改善带钢凸度的效果 Fig. 2 Effect o f improv ing the cro w n o f strips by A SR
自由规程轧制即宽度可连续自由变化— 由宽到 窄、同宽和由窄到宽— 轧制 ,一般主要是指可“批量 同宽轧制”或“大逆宽轧制”。 目前在热轧过程中 ,为 了适应工作辊辊面不可避免的不均匀磨损情况 ,通 常每个轧制单位中主体材的轧制顺序安排 ,均遵循 “ cof fi n”图— 由宽到窄原则 ,并对同宽轧制和逆宽轧 制 (先窄后宽 )实行严格的限制 ,构成对生产自由度 的结束。 一直以来热轧生产都在研究实现自由的批 量同宽轧制和大逆宽轧制 ,即自由规程轧制。
表 1 5种板形控制技术调控功效仿真结果
Table 1 Shape-adjusting action of fiv e shape co ntro l ac tua to r s by imita tio n
轧机机型 CV C HC PC
K -W RS
板形调控手段
弯辊 抽辊 弯辊 抽辊 弯辊 交叉 弯辊 抽辊 压下倾斜
控制技术—— CV C4、 HCW、 PC、 K-W RS、对称弯辊 控功效是非对称的、整体型的。 K-W RS轧机的工作
和压下倾斜的板形调控功效进行仿真研究 ,结果见 表 1。 表中的函数表达式表示了各板形技术在一定
辊窜动没有板形调控作用 ,其作用在于均匀化磨损。 4 自由规程轧制问题实质为板形控制问题
DW /mm 500 500 750 750 600 600 750 750 750
工况 DB / mm
1 200 1 200 1 500 1 500 1 400 1 400 1 500 1 500 1 500
B /m m 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000
对 于 不采 用 工 作辊 长 行 程、 特 殊策 略 窜 辊的 热 轧机 ,即使按“ cof fin”图组织生产 ,其工作辊磨损曲
线也是非光滑的“梯形”、“阶梯型”或“猫耳型” [1, 2 ]。 其中的少量同宽轧制和小逆宽轧制 (相当于同宽 )导 致“猫耳型”磨损 ,如果采用“批量同宽轧制”则会形 成更严重的“猫耳型”磨损。 由图 1和图 2所示仿真 结果可知 ,当热轧工作辊表面磨损曲线呈“梯形”、 “阶梯型”或“猫耳型”时 ,导致承载辊缝曲线形状发 生畸变 (见图 1) ,并且现有各种热轧板形控制技术 的调控功效 (见表 1)都不能有效对此补偿。因此 ,当 批量同宽轧制或大逆宽轧制 (先窄后宽 )时会产生轧 件横截面形状畸变 (边部严重增厚或减薄 )和平坦度 严重恶化 ,甚至走偏断带使生产不能顺利进行。 因 此 ,制约自由规程轧制的是工作辊表面不均匀磨损 导致的板形失控 ,自由规程轧制在本质上也是板形 控制问题。 5 自由规程轧制技术的开发