（钢铁冶金专业论文）16mn中板压下规程轧制负荷均衡优化研究.pdf

摘要 摘要 邯郸钢铁集团公司中板厂使用连铸板坯轧制各种规格中板，所采用的压下规程 是用传统方法设计的。从总体来看，各道次轧机负荷分布不太均匀，而负荷大的轧 制道次的轧机极易造成生产事故。 针对生产过程中存在的轧制负荷不均衡现象，通过模拟轧制实验，得出变形抗 力与变形程度、变形速度、变形温度间的关系。在此基础上，根据现场生产实际情 况，建立了一套符合邯钢中板厂生产的轧机负荷计算模型，利用动态规划法对现场 压下规程进行负荷均衡优化，编制出轧制负荷计算和优化软件并给出负荷均衡的压 下规程，从而为现场提供更合理的轧制制度。 在计算方法上，采用v i s u a ib a s i c6 o 语言编制了“1 6 m n 中板压下规程轧制负荷 优化”软件，取代了传统的靠经验制定压下规程的做法。这不仅省时省力，计算耪 确。利用动态规划法对邯钢中板厂压下规程优化设计后，通过对优化前后压下规程 进行比较可以褥出：压下规程优化后不仅电机负荷得到均衡，而且使板型也得到优 化。 对进行轧制过程进行负荷均衡优化，对保证设备正常运行、提高产品质量、降 低轧制能耗等具有十分重要的意义。在计算机控制的现代化中板轧机上，可按生产 条件确定的模型在线进行计算，得到压下规程后进行轧机控制。采用优化方法对现 场压下规程进行优化，能够充分发挥轧机的生产能力，减少生产事故。 图f 2 0 】表 1 0 1 参f 5 6 】 关键词t 均衡负荷；压下规程：动态规划法；优化研究 分类号：t g 3 3 5 5 河北理r 大学硕士学位论文 a b s 仃a c t m e d i u mp l a t em i uo fh a l l d 髓h o n 姐ds t lc o r p l t dl i s e sc o n t i n u o u sc a s t i n gs l a bt o ma ：k eas e r i e so fr n e d i u mp l a t e d m f t i n gs c h e d u l ei sd e s i 驴e da c c o r d i l l gt oc x p e r i e m i a l m e t h o d i ng e n e r a l ，l o a do fm i l lo fa l lp 髂s e sc 锄t 撒i nb a l a i l c e 1 1 1 er o l l i n gi n i l l sw h i c h l o a di sl l i g h c ri n c r e 船ei n d u s 埘a la c c i d e me a s i i y a c c o r d i n gt op m d u c t i o np r o c e s si nt l l em e d i 咖p l a l em i l l ，t l l er e l a t i o nr c s i s t a n c eo f d c f o m a t i o na n dd c g r e e ，s p e e da n dt e i i 秘鼬【眦o fd e f o n n a t i o nw 勰d e t 踟n i n e db yt l l e s i 瑚【u l a t i n gm l i i n g ，a n dn l em o d e lt t m tc a l c u i 咖l o a do f m i l lw a s s c tu p t h eo p t i l n a ld e s i 鲈 w 勰b 试hb yd y n 锄i cp r o 铲a 蛐i n gm e m o db 鹊e do n i e l dm 础n gs c h c d m e ，t h es 硝h 撇 o f 愠se s t a b l i s h e d ，w i l i c hc 锄c a l c m a t ea n do 埘i i l i z cm l l i n gl o a d 锄dc a l lg e tt l l ed r a r i i l g s c h e d u i e ，w h i c hi sb a l 锄c e d l cr o l l i n gl o a d s ot l l a t i tc a no 行e rr e a s o n a b l em l l i n g s c h e d u l ef o rf i e l d 0 p t i m i z es o f t 啪豫o fb a l a n c e dm l l i n gl o a da td 强f t i n g h e d u l eo f 也em e d i 哪p i a t e 、a se s ta _ b l i s h e d ，w i l i c ha i m e da tb a l 趾c e dt h e l l i n gl o a d ，糟p l a c i n g 佗e 】【l 矧e n t i a ld 髂i g n ， t l l _ 岫c 觚s a wt i m e 弛dm 蚴p o w i n c r e 嬲ed a t ap r e c i s i o n 锄dl e 豁e n d r a rw e o p d m u md e s i g nt h ed l a r i n gs c h e d u l eo ft l l em e d i 岫p l a t eb yd y n 锄i cp r o 掣a m m i i l g m e t h o d ，c 叩a r i s o no fd r a r i n gs c h e d l l l eo fo p t i r n a li nf 幻m 锄d 龇d ：e l c c t r i c a l m a c h i n e r yl o a di no p t i “z c d 蛐i n gs c h e d u l ei sb a l 姐c e d ，锄d 血ef l a 恤e s si so p t i m i z e d o p t i m a ld e s i g nf b rb a l a n c et h er o l l i n gl o a dt o 也er o i l i n gh a v ev e r yi n 删a n t s i g n i f i c 柚c et o 船s l l r et l l ee q i l i p m e mt ow o r kn o m a l l y ，姐d t oi i n p r o v et l l ep id l d u 碰q 啪l 姬一 a n dt or e d u c er c q u i dp o w e r a f t e rw ec 觚c a l c i l l a t eo i l l i l 坨觚i dg e td r 航gs c h e d m e a c c o r d i n gt om em o d e lt l l a td e t e 肌i n e db yp r o d u c t i o nc o n d i t i o ni nt 圭l em o d e mi i 心d i 岫 p l a t er 0 1 l i n g ，、h i c hc o n t r o l l e db yc o m p u t e r ，t h e nw ea 由t l s tt l l em l l i n g a f t e rw eo p t i m 啪 也ef i e l d d r a f i i f l gs c h e d u l eb yo p t i m a lw a y ，t h er o l l i n gp r o d u c t i o na b i l i t yc 趾b eb m u g h t i i 炯m up l a y ，t or e d u c et l l ep r o d u c t i o na c c i d e n t s f i g u r e 【2 0 】；t a b i e 【1 0 】；r e f e r e n c e 【5 6 】 k e y w o r d s ：b a l a l l c e dl o a d ，d m f l i n gs c h e d i l l e ，d y n a i l l i cp r o 掣a i n m i n gm e t h o d ，o p t i m a l r e s e a r h c h i e s eb o o i 【sc a t a i o g ：t g 3 3 5 5 一i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也小包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：勰五 日期：兰亟_ 年皇，净鱼日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：弦落篓导师签名：匐堕菱 日期：超生年上月堕日 引言 引言 邯郸钢铁集团( 股份) 有限公司中板厂目前主要设备有：3 0 0 0 m m 四辊可逆式轧 机一架；两台3 4 4 0 千瓦直流主电机；步进式加热炉一座；烧嘴蓄热式加热炉一座； 矫直机二台；热剪一台：辊盘式冷床；圆盘剪和滚切式定尺剪各一台。目前中板产 品品种主要有：碳素结构钢、低合金高强度结构钢、船板a 、b 级( 六国船级社认 证) 、锅炉板、容器板、汽车大粱板、桥梁板及少量优质碳素结构钢。产品规格主 要有；厚度6 4 0 咖，宽度1 4 0 0 2 5 5 0 m m ，长度6 0 0 0 1 2 5 0 0 锄。 中板厂所用原料为邯钢一炼钢所供的1 8 0 衄l o o o m m 和1 8 0 1 2 0 0 m m 断 面、三炼钢所供的2 2 0 m m 1 6 0 0 l i l m 断面的原料。 邯钢中板厂采用传统方法设计的轧制规程，从总体来看，有的轧制道次负荷 大，有的轧制道次负荷小，各道次轧机负荷分布不太均匀，而负荷大的轧制道次轧 机处于一种临界状态运行，极易带来生产事故。为了解决这个问题，使轧机压力， 轧机负荷分配( 轧件的压下量) 更为合理，对轧机的负荷进行均衡优化非常必要。 在采集现场数据及进行试验的基础上，对邯钢中板厂现场压下规程进行负荷的 均衡优化，从而为现场生产提供指导。利用优化方法确定压下制度，使轧制各道次 主电机负荷趋于相对均衡。 本课题的研究拟建立一套符合邯钢中板厂生产情况的轧机负荷计算模型，并在 此基础上利用优化方法对现场压下制度进行负荷均衡优化。编制出轧制负荷计算和 轧机负荷优化软件，从而为现场提供更合理的轧制制度。 中厚板的轧制规程在中厚板生产中起着非常重要的作用，它直接关系到轧机的 产量和产品的质量。轧制规程通常包括压下规程、温度制度、速度制度和辊型制度 等。压下规程是将一定的板坯轧制成所要求尺寸和性能的钢板所采取的变形制度， 即采用的轧制方法、轧制道次和每道次压下量的大小。制定压下制度通常采用理论 计算与经验相结合的方法。根据实际生产条件，在保证咬入、保证设备、轧制精度 和板型的前提下确定出轧制的道次和每道次的压下量，然后再根据实际情况进行适 当调整，而得到的压下制度基本上是合理的。虽然按照这种方法得出的压下制度能 够满足生产要求，并且能够轧制出合乎技术要求的钢板，但是这种压下制度不能说 对某些方面是最佳的。因为能够满足生产要求的压下制度不是唯一的，也不能够做 到随机找到的个可行的压下制度就是最佳的i “。 河北理上火学硕士学位论文 在计算机控制的现代化中厚板轧机上，按生产条件确定的模型在线进行计算， 并得到压下制度后进行轧机控制。而且通过实测对原压下制度进行再整定和自适应 计算，及时修正。这比人工制定压下制度和控制轧机要优越，并能够轧制出精度更 高、质量更好的产品。采用优化方法制定最优的轧制规程，能够充分发挥轧机的生 产能力，降低轧制能耗，而且能够保证产品的质量。对于计算机控制的轧机，更便 于应用f 2 】。 本课题的研究力求结合现场实际，建立的模型符合现场实际生产情况，并能较 好的解决现场生产中存在的问题。 研究中板轧制过程中的负荷分布并对其进行均衡优化具有十分重要的意义。理 论分析和实践说明，压下规程的设计在各方面条件允许时应尽可能做到负荷均匀分 配，更重要的是传动部件上力矩的均匀分配。这样可避免个别道次力矩大大超过许 可值的问题，减少压下量分配过分悬殊而引起的其他一些诸如打滑、扭振等问题。 均匀负荷分配不仅对设备的安全运行有利，丽且对提高轧机产量、降低电机的发热 值也是有益的【m 。 目前，尽管中国己成为一个世界钢铁大国，但从世界工业技术蓬勃发展的新形 势看，中国还处在技术落后的地位，在产品的品种、质量及经济指标上与先进产钢 国存在着不小的差距。这种现状对处于经济和钢铁工业发展、改革关键时期的中国 来说，既是难得的机遇，也面临着严峻的挑战。负荷均衡可保证轧制过程稳定，轧 辊磨损较为均匀，最终达到节约轧辊消耗的目的。钢板生产利用优化方法进行负荷 分配研究是一个创新。总之，进行轧制过程的负荷均衡优化对保证设备正常运行、 提高产品质量、降低轧制能耗等具有十分重要的意义。 2 l 文献综述 1 文献综述 1 1 轧制变形规程的优化设计 在轧钢生产中，坯料经过数道次的轧制，产生塑性变形，最终轧制出符合产品 标准的成品钢材，这一系列的轧制过程，是按着设计者根据生产条件所设计的轧制 变形规程进行的。因此，为使轧钢生产能够达到优质、高产、低消耗，则需要合理 的设计轧制变形规程。 轧制变形规程，对于不同类型的轧机所包括的内容也不完全相同。对于初轧机 主要是指压下规程和速度制度；对于板带钢轧机主要指压下规程、速度制度、温度 制度、张力制度和辊型制度；对于型线材轧机主要指孔型设计和张力制度；对于管 材轧机则主要指变形制度。轧制变形规程的制定是轧钢工艺设计中基本的问题之 一。在制定轧制变形规程时，我们总是希望所制定的轧制变形规程是最好的。一般 说来，最好的轧制变形规程。在单位时间内轧剑产品的产量最高，产品的质量最 好，各种消耗( 包括电耗、燃料消耗、金属消耗、轧辊消耗等等) 最少，因此该产 品的经济效益最好。反之，如果轧制变形规程不合理或不完全合理，则会使生产过 程不顺利，影响到产量、质量，甚至无法正常生产。轧制变形规程是轧制工艺的核 心，对轧钢生产至关重要。合理的制定轧制变形规程，使轧制过程达到最佳状态， 是工艺设计人员所追求的目标【2 】。 吕前，在生产中制定轧制变形规程，如型钢的孔型设计，板带钢的压下规程 等，一般情况下还是以经验法为主。孔型设计时展宽系数的确定、板带钢轧制时压 下量的确定等还都是根据设计者的生产经验来确定。虽然采用经验法所确定的变形 规程能够满足生产要求，但不一定是最好的。我们不能够以生产出产品为最终目 的，而是要以最好的生产工艺，优质、高产、低消耗的进行生产，这样才能使产品 有更强的竞争能力。 要确定最优的轧制变形规程，按通常的经验法来制定要达到该目的是比较困难 的。这是由于用经验法确定某参数时，是在该参数的可行域内凭经验而确定的，很 难做到确定的该参数是最佳参数。在制定轧制变形规程时，有时我们可能制定出几 个方案加以比较，择优选取。这个比较、选择的过程，也可以说是最原始的优化过 程。择优选取，首先必须有多个方案，然后在这些方案中选择较好的方案。在一定 的生产条件下，生产某个产品，在确定轧制变形规程时，所涉及到的方案很多，单 一3 河北理工大学硕士学位论文 凭设计者的计算和经验是难以完成的。随着计算机应用技术的提高和普及，使用计 算机来完成这样的任务才使之成为可能。确定最优的轧制变形规程，称为轧制变形 规程的优化设计。优化设计( o p t i m u md e s i g n ) 是指在一切可能的设计方案中寻求 最优方案。这种寻优过程需要大量的计算工作，繁重的计算工作若由人工来完成不 仅工作量大，而且是难以实现和完成的。 优化设计是随着计算机技术进入工程设计领域后，采用数学规划的方法而发展 起来的设计方法。由于计算机的运算速度和能力是人工计算所无法比拟的，这就可 将大量繁重的计算工作由计算机来完成，而建立数学模型、选择优化方法等智能型 工作由设计者来完成。这样才能在众多的设计方案中选择最优方案，以达到优化设 计之目的。 在轧制变形规程优化设计时，首先必须要明确优化的目标，也就是说最优指的 是什么最优。我们所说的最优，都有一定的相对性，并且与我们所确定的寻优目标 密切相关。这个目标是设计者对轧制过程提出来的具体要求，若用数学形式描述出 来就称之为目标函数。最优目标的选择，关系到所得结果是否合理可行。一般选择 最优目标是按照生产过程的特点由设计者确定，以使生产工艺过程达到最佳，轧制 产品达到优质、高产、低消耗。 1 2 最优化技术在轧钢生产中的应用 轧钢生产过程是一个系统工程，由原料到成品需要多个生产工序，这些工序存 在最优组合问题。轧制产品的生产过程不是唯一的，各机组间的衔接、匹配也存在 最优化问题。轧钢生产过程优化对降低轧制产品的成本，提高轧制产品的质量有显 著作用。 要达到上述问题的最优化，需要将生产中的有关目标用数学模型表示出来，然 后采用适当的方法求得最优解。数学模型的建立是关键的一步，并且与优化结果有 关。所以在建立数学模型时，既要考虑到能够真实全面反映实际轧制过程，又要使 数学模型尽量简化，以便于求解。优化方法的选择，是依据目标函数的性质和约束 条件而确定的。 用于塑性加工方面的优化方法，可以分成以下几类【2 】： 1 试验与模拟( t e s ta n ds i 衄1 1 a t i o n ) 方法 对某生产过程通过安排试验，回归出统计模型。这种方法广泛应用于评价各工 艺参数对研究问题的影响程度，以便合理确定工艺参数。例如，钢材的化学成分与 l 文献综述 性能的关系，可以通过正交试验而得出屈服强度与化学成分的回归统计式。为提高 钢材的屈服强度，可以通过适当调整化学成分来达到。这也是一种寻优的过程。 模拟可以分为物理模拟和数学模拟。物理模拟是通过相似原理进行模拟试验， 经过系统评价，确定最优方案。例如通过轧制铅、塑性蜡泥等轧件来模拟热轧钢， 以确定生产中的最佳工艺参数。数学模拟是将所研究的对象设计成与该对象或其变 化过程相似的数学模型，然后通过数学模型来间接研究这个对象或其变化过程。数 学模拟是广泛采用的一种模拟研究方法。 2 数学规划( m a m e “m t i c a lp m g r 纽l l i n g ) 方法 对所研究的对象建立数学模型，通过数学规划的方法，得出研究对象的最优 解。数学规划属于运筹学内容，是确定型的研究方法。数学规划可以分为线性嫂 划、非线性规划、动态规划和多项目标规划等。例如，采用动态规划法确定板带钢 轧制能耗最小的压下规程，可实现节省轧制能耗。 3 决策分析( d e c i s i o na n a l y s i s ) 和专家系统( e x p e ns y s t e m ) 决策分析是运筹学中的内容之一，包括排队论、存贮论、价值论和决策论等。 轧钢生产的物流优化，各机组的衔接和匹配等则可通过排队论进行优化。专家系统 是指具有专家水平解决复杂专业问题的计算机软件系统，在确定求解问题之后专家 系统可通过推理、判断而得出最优结果。但是专家系统不能代替人工智能，它是将 专家的知识和经验通过整理存入知识库，然后根据具体问题利用知识库来求解专门 问题。 优化技术在轧钢生产中的应用，已经引起了轧钢工作者的关注，在国内外有关 资料中有许多报道。在轧钢生产中，采用优化技术已取得了明显的经济效益和社会 效益。随着计算机技术的普及和推广，最优化技术在轧钢生产中的应用前景会更加 广阔，掌握优化技术对于实现轧制过程优质、高产、低耗有着十分重要的意义【”。 1 3 轧制变形规程优化设计的进展 最优化技术在二次大战前主要是古典的微分法和变分法。在第二次世界大战 中，由于军事上的需要，提出了大量不能用上述古典方法解决的最优化问题。因而 产生了运筹学，如线性规划、非线性规划、动态规划、图论等方法。此后，随着科 学技术的发展，最优化理论和方法逐渐得到丰富和发展。 计算机的应用是当前科学技术的重大突破。计算机技术在各个领域中的应用促 进了科技和经济的发展。随着计算机的应甩和普及，为最优化技术提供了有利的计 河北理工大学硕士学位论文 算工具。由于最优化技术是在切可能的方案中选择最优方案，需要大量的计算以 便进行优化。丽计算机为这种繁重的计算创造了条件，使锝最优化技术快速的发展 起来。也可以说，最优化技术发展是以计算机技术发展为基础的。 在车l 钢生产中，最优化技术用于轧制变形规程的设计较为广泛。例如，型钢生 产中的孔型设计，板带钢轧制过程中的压下规程设计以及高速线材轧机精轧机的微 恒张力设计等，采用优化方法进行设计已较为普遍。最优化技术在轧制变形规程中 的应用，不但能够使轧制过程趋于最优，而且使轧制规程的制定，由技艺向工程科 学迈进。 型钢孔型设计、板带钢压下规程设计等传统的设计方法是按照经验所确定的变 形系数和变形率来设计孔型和压下制度。这种设计方法已不适应现代化的生产方 式。因为随着科学技术的发展，生产技术水平在不断提高，产品的技术要求也在不 断提高，并且要求轧制过程达最优状态。所以用最优化方法确定轧制变形规程是必 然的趋势。 最优化技术虽然发展较早，但是应用于轧制变形规程的设计始于7 0 年代，发展 于8 0 年代，是在计算机应用技术的发展基础上而发展的。计算机辅助设计 ( c o n l p h t e ra i d e dd e s i g l l ) 早在5 0 年代就开始应用于工程设计。随着计算机的广泛 应用和计算机应用技术的发展、提高，计算机辅助功能越来越广泛。 最优化技术在轧制变形规程设计中的应用，对轧钢生产向最佳化迈进是重要的 一步，而且对于现代化轧钢生产也是非常必要的。高速线材轧机轧制速度高，而且 要求轧件尺寸精度高、轧制张力小，凭经验难以完成最优的孔型设计。而通过建立 数学模型、确定目标函数和约束条件、选用合适的优化方法而得到的结果是所有可 能方案中的最佳方案。这种建立在科学分析基础上的工艺制度，才能适应于现代化 的轧钢生产。 随着轧制理论体系的完善和最优化技术的发展，最优化技术在轧制领域的应用 也会不断提高和扩大，并且将使轧制技术水平向更高层次发展。 1 4 研究内容、方法、目的及意义 1 4 1 研究内容 邯钢中板厂电机负荷在5 5 3 1 2 9 1 范围内波动，相对负荷波动范围较大。本 课题主要是解决邯钢中板厂的轧机负荷不均衡现象，对轧制各道次进行负荷均衡优 - 6 - l 文献综述 化。在开轧温度一定的条件下，采用优化方法使轧制负荷趋于均衡，发挥轧机的潜 力，避免轧制设备的磨损和损坏，提高轧制设备的寿命，使轧制过程更为合理，保 证轧制生产安全进行删。 中厚板的轧制规程主要包括压下制度、速度制度、温度制度和辊型制度。压下 制度主要是确定轧制道次及每道次的压下量：速度制度则是在主电机加、减速度一 定的前提下，确定每道次的咬入速度、抛出速度及最大的轧制速度；而温度制度则 是确定开轧温度、终轧温度以及各道次轧制过程中的温度变化：辊型制度是根据使 用的原料和轧制品种，考虑到轧辊的弹性弯曲、热膨胀及磨损等确定合理的辊型， 使轧制过程辊缝保持平直，以得到横断面厚度均匀的产品刚。 轧制规程的中心内容就是要确定由一定的板坯轧成所需要的板材成品的变形制 度，亦即要确定所需采用的轧制方法、轧制道次及每道次压下量的大小。轧制规程 与坯料尺寸及规格、电机容量及转速、轧辊速度等都有很大的关系。传统的轧制规 程设计方法主要有经验法、能耗法、理论法等。这些设计方法在实践中都有不问程 度的应用，但它们自身无法克服的一些弊端决定了依靠这些传统的轧制规程设计方 法是不可能设计出最优轧制规程的。轧制规程优化设计，即是在一定的工艺条件 ( 材质、坯料、厚度、宽度和目标成品厚度等) 下，最优地分配各道次的压下量， 并使得各种限制条件都能得到满足，最终达到高产、高效、低消耗地生产轧制成品 的目的【5 】。本设计应用动态规划法以轧制负荷的相对均衡为优化目标，以压下制度 为重点，可对包括速度制度、温度制度、辊型制度等在内的各工艺制度进行辅助设 计。 针对以上情况，本课题的研究包括以下几方面的内容： 1 建立轧机负荷的计算模型。 轧机负荷的计算模型包括变形抗力、平均单位压力、轧制压力的计算模型，以 及温降计算模型。考虑现场中实际影响因素，对传统公式进行修正，并根据实验数 据，建立适合邯钢中板生产的轧机负荷计算模型。 2 了解现场的轧制负荷及压下规程，并与理论计算值相比较。 3 编制轧制负荷计算和优化软件，并给出轧制负荷均衡的压下规程。 4 对优化结果进行分析。 1 4 2 研究方法 1 变形抗力模型的建立 7 河北理工火学硕士学位论文 变形抗力计算式的建立拟从本厂采取1 6 m n 试样进行试验，再用数理统计的方法 对试验数据进行回归处理得到。 试验在东北大学连轧及自动化国家重点实验室中采用m o d a l1 5 0 0g l e e b l e 热模 拟实验机，测出试样在9 5 0 l1 5 0 0 c 之间不同变形速率和变形程度下的变形抗力，再 进行回归处理。 为建立变形抗力盯与变形温度r 、变形速率e 和变形程度之间的关系式，可根据 实测数据利用数理统计方法建立变形抗力与变形温度、变形速率和变形程度之间的 非线形模型，利用回归模型进行计算，计算结果再与现场数据比较，使变形抗力模 型更符合生产实际【6 】。 2 轧制负荷计算 轧制压力、轧制力矩和主电机功率这三个力能参数是标志轧钢机负荷的主要参 数。用v b 语言编制优化软件，对现场采用的压下规程进行负荷均衡优化。轧制力 能参数计算准确与否，对优化结果至关重要，所以计算模型的选择是关键。 3 负荷优化 通过优化压下规程可实现改变轧制负荷的目的。以轧制负荷均衡为目标，利用 优化方法，得到轧制负荷相对均衡的压下规程。由于中板的轧制过程具有多阶段决 策的特点，对现场的各道次压下量进行离散，这样可以采用动态规划法对各道次的 压下量进行寻求轧制负荷均衡的的压下规程。 1 4 3 研究目的及意义 本课题研究的目的是在修正原有轧制数学模型使之更符合现场生产的基础上对 现场的压下规程进行轧制负荷均衡优化，最后编制出优化压下规程软件并给出优化 后的压下规程表、力能参数表及其优化前后参数比较直方图和曲线图，从而为现场 提供更合理的轧制制度1 7 】。 1 5 国内外研究现状 国内许多中厚板轧机的轧制过程都是采用人工制定轧制规程，然后通过实际轧 制状态的变化进行轧制规程的手动调整，以适应轧件和轧辊的变化，这种轧钢方式 可以充分发挥操作人员的人工智能，取得了较好的轧制效果。但是轧制过程自动化 是中厚板轧枫改造的一个发展趋势，如果轧制过程采用自动轧钢，过程计算机如何 8 l 文献综述 设计轧制规程及如何根据状态变化动态进行轧制规程的调整是模型设定系统的一个 重要功能。应用计算机程序进行轧制规程的计算是一项十分重要的工作【8 】。 动态规划法是解决多阶段决策过程最优化的一种方法。这种方法产生在2 0 世纪 5 0 年代初，美国数学家r e b e l l m a i l 等人在研究多阶段决策过程( m m t i s t e pd c c i s i o n p r o c e s s ) 的优化问题时，提出了著名的最优化原理( p 血c i p l eo fo p t i m a l i t y ) ，把多 阶段过程转化为一系列单阶段问题，逐个求解，创立了解决这类过程优化问题的新 方法一动态规划法。 动态规划法在轧制变形规程优化设计中的应用，已经引起轧钢工作者的关注 在国内外有关资料中有许多报道。唐钢中型厂利用动态规划法进行负荷均衡设计， 中型轧机的粗、精轧机组实现了轧枫负荷的相对均衡，取得了较为明显的优化效果 【9 。某棒材厂采用动态规划法对孔型进行相对等负荷优化设计，通过实践证明，各 架轧机相对负荷范围减小1 8 8 5 ，较好地解决了在轧制过程中各架轧机相对负荷不 均的问题1 2 l 。用此方法以最小能耗为目标函数优化设计某棒材切分轧制孔型系统、 优化分配延伸系数、优化复二重轧机速比f 1 o 】【1 1 【1 2 】【13 1 。实例表明，可大大降低轧制能 耗。某高速线材轧机进行负荷均衡优化孔型设计后，使最大轧制功率下降2 7 ，使 轧制过程的轧机负荷分配趋于合理，不再发生崩辊环事故【1 4 1 。 经查阅大量资料显示，尚未发现采用动态规划法对中板压下规程进行轧制负荷 均衡优化研究，因此本研究可以说是一个创新，负荷均衡可保证轧制过程稳定。轧 辊磨损较为均匀，最终达到节约轧辊消耗的目的。总之，进行轧制过程的负荷均衡 优化对保证设备正常运行、提高产品质量、降低轧制能耗等具有十分重要的意义。 9 河北理工大学硕士学位论文 2 1 变形阻力模型的建立 2 1 1 实验研究 2 数学模型的建立 1 实验条件 变形阻力试验在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室完成。邯钢中 板厂所用钢种为l 酿佃，故本试验所用钢种为1 n 恤，加工成8 l o n u n 的圆柱试 件。1 6 m n 钢的化学成分如下所示： 表l1 6 m n 化学成分( ) t a b l e lc o m p o n e n to f1 6 m ns l e e i ( ) 钢种c m n s isp 1 6 m n0 1 71 3 5o 2 9o 0 1 2o 0 2 3 2 实验设备的结构及功能 试验所用的设备为热模拟试验机，型号为m o d e lg l e e b l e 1 5 0 0 。生产厂家为美 国的d l l 侬d ”j 。整个试验在计算机控制下进行。该机可同时实现力学系统及加热系 统的精确控制，是一台理想的动态材料试验机。 热模拟试验机由三个主要控制系统和五部分设备单元构成。另外有许多辅助设 备，增强了设备的功能和试验能力。三个主要的控制系统是计算机控制系统，热学 控制系统和力学控制系统。设备的五个单元是由计算机终端、主控单元、试验单 元、液压动力单元、真空单元构成。其它辅助设备有淬火系统、绘图仪和气压机 等。采用语言为g p l ( g l e e b l ep r o 掣a m m i i l gl a l l g u a g e ) 。 g l e e b l e 1 5 0 0 加热系统主要由加热变压器，温度测量与控制系统以及冷却系统 三部分组成【l ”。当低频( 电源频率) 电流通过试件时，试件靠自身的电阻被加热， 因金属与合金体的电阻相当均匀，所以热量均匀通过试件，集肤效应可忽略不计。 在均温区，试件表面与芯部的温度梯度可近似的看作零，用焊在试件表面的一对热 电偶测量温度。加热系统为伺服闭环控制回路，可实现温度的精确测量。力学系统 也是一个伺服系统，可实现载荷控制、位移控制或应变控制。该设备的重要辅件包 - l o 2 数学模型的建立 括载荷传感器、轴向传感器和径向传感器等。为了保证降温及保温过程中试件与压 头的良好接触( 不致因体积变化而脱落) ，设备上的空气弹簧起着重要的作用。 g l e e b l e - 1 5 0 0 的数据采集系统功能较强，采样时间短至零点几秒，长至3 8 小 时。采样速度率可根据需要设定，从每两秒一个试样至每秒5 0 k h z 该设备可以完成金属力学性能的测试工作。试验内容有形变过程中变形抗力的 测定及制定变形抗力图。测定塑性指标和制定塑性图。应力应变曲线的制定，变形 过程中的连续控制变形过程对材料性能的影响，形变诱导相交。形变诱导析出、 形变热处理f l ”。 该设备可以模拟熔炼及连续铸造工艺、常规轧制、控制轧制工艺、锻造工艺、 挤压工艺、焊接工艺以及粉末冶金工艺、烧结工艺、及双金属复合加工工艺、控制 冷却加工工艺等。 3 试验方法 试验在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室进行，利用g l e e b l e - l s 0 0 热模拟试验机，试样为母8 1 0 m m ，在真空条件下加热试样到设定温度，保温1 分钟后进行压缩。试验时，采用低频电流加热试样，并充入氩气来防止试样氧化。 利用焊接在试样表面的热电偶来测量温度，通过温度反馈调节系统，可使试样温度 精确地达到预期温度，误差不超过土2 。在变形速率的控制方面，采用电液伺服 阀，用无级调速来实现变形速率的恒定。运行时。计算机根据输入的要求，控制热 模拟实验机的变形工艺，并将试验中的压力、位移、时间、应力和温度等信号瞬时 采集储存，并同时以曲线的形式输出。变形条件为：变形温度卢9 5 0 1 1 5 0 ，变 形程度硎2 0 6 ，变形速度i = l 2 0 s 一。 2 1 2 变形阻力模型的建立 金属材料的变形阻力是指金属在一定的变形条件下进行塑性变形时于单位横截 面积上抵抗此变形的能力【埔】。变形阻力的大小与变形时刻的工艺条件有密切的关 系。建立正确反映金属材料力能参数与热变形工艺参数的数学模型，可实现轧制过 程的计算机模拟，从而达到优化热轧工艺过程，进一步提高钢材的力学性能和组织 性能水平之目的【1 9 1 。 本文通过试验测定1 6 m n 在热变形过程中的数据，研究变形抗力与变形温度、 变形程度及应变速率之间的关系，以期得到一个能比较精确描述1 6 m n 钢变形阻力 的模型。 河北理工大学硕士学位论文 1 试验结果及分析 1 ) 变形温度对变形阻力的影响 1 5 d 1 3 d 1 2 0 f 啪 b 9 0 0 0 7 a 6 0 5 0 z z 口 z 1 1 m 毫 b1 0 0 d t a 5 0” 口 明1 口5 口1 1 5 t 图l 不同舌时，1 6 m n 钢的6 _ t 曲线 f i g 1 o - t c u r v e o f l 6 m na t d i 行e r e n t 亡 一1 2 2 数学模型的建立 l ，1 ” 葺1 譬，一 b1 2 0 锄9 5 d 呻1 0 1 n1 1 1 5 0 g e 石d1 0 1 0 5 ) 1 1 1 1 - 1 3 河北理1 = 大学硕士学位论文 2 1 d 2 0 0 1 口a 1 8 0 1 7 0 1 6 口 1 5 0 c 1 _ 1 4 0 苫 b1 3 0 2 a t c 1 00 5 dt a 0 0 o ”d o ”5 0 r c 图2 不同条件下6 - t 关系 f i g 2 口- tc u r v eo f1 6 m na td i f f e r e i n e 一1 4 一 m m 瑚啪m m 啪啪m m m m 。di b 2 数学模型的建立 按试验数据，得到如图1 、图2 变形阻力与变形温度、变形程度和变形速度的 关系啦线。由图l 、图2 可知，变形阻力随变形温度的升高而下降。在变形程度一 定的情况下，变形速度大，变形阻力大；在变形速度一定的情况下，随变形程度增 加，变形阻力增大。 2 ) 变形速度对变形阻力的影响 按试验数据得到图3 ，变形阻力与变形速度的关系曲线。由图3 可知，随变形 速度增大，变形阻力在不同的变形温度下都要上升。在变形温度较大时，变形阻力 的上升趋势更为明显。 图3 变形阻力。与变彤速度亡的美系 f g 3r e l a t i o nc u r v e0 f d i s t o n i o nr c s i s t a l l c eo 卸dd i s t 0 】t i o ns p e e d 舌 河北理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 变形程度对变形阻力的影响 田 1 - 1 日 1 日 - 踮 正。 姐 乏” 1 _ 口 明 髓 口 _ - 生m b ”口 _ 珥_ 册册_ 阳_ _ 嵋a i 图4 不同变形速度条件下盯一占关系 f i g 4r e i a t j b e 眦e nm 8 ds p d 1 6 2 数学模型的建立 口j a 口j ia 拍j s 【 图4 不同变形速度条件下盯一s 关系 f j 9 4r e i 州0 nb e t w e e n ds p e e d 按试验数据，得到图4 所示的变形阻力与变形程度的关系曲线。由图可以看 出，变形阻力在较低变形速度下( 亡= 1 ) 和在较高的温度下随变形程度增加逐渐升 高然后有下降的趋势，即出现强化极限。在其他的变形速度下( 舌= 5 、1 5 、2 0 ) ， 变形阻力随变形程度增大而增大【2 0 j 。变形阻力随着变形程度增加而增大的速率随变 形程度的增加而降低【2 ”。 2 变形阻力数学模型的建立 1 7 河北理工大学硕士学位论文 金属塑性变形阻力的大小，决定于金属的化学成分、金属的组织、加工温度、 变形速度以及与这些有关的各个过程，如加工硬化、再结晶、动态恢复、静态恢复 等。这些因素通过金属的内部影响变形阻力的大小。可以用下述关系表述： 盯= 厂b ，f ，”，y ，f ) ( 1 ) 式中： x 一金属的化学成分和组织； r 一变形温度，； ”一变形速度，s ； ) ，一变形程度； f 一相邻加工道次问时间间隔，或称变形历史的影响。 经过大量的研究表明，合金元素对钢变形阻力影响的复杂性，企图用一个数学 模型，把诸合金包罗万象的放到变形阻力数学模型之中，表述台金元素对变形阻力 的影响，不仅是相当复杂、数学模型相当冗长，而且也难以实现。即使得到了其变 形阻力数学模型，也不便计算机在线控制轧钢生产采用，而且其计算精度势必不 高。为此，周纪华、管克智采用各钢种为单元。按钢种建立变形阻力数学模型，这 不仅可以简化变形阻力数学模型的结构，便于计算机在线控制轧钢生产使用，而且 其变形阻力计算精度也较高。 周纪华、管克智采用凸轮式高速形变试验机，在广泛的变形温度、变形速度和 变形程度范围内，测定了各种碳钢、低合金钢和合金钢等的变形阻力，在详细地分 析了变形温度、变形速度和变形程度对变形阻力的影响关系的基础上，以钢种为单 元，拟订以下几个变形阻力数学模型，并采用非线性回归分析，得到各回归系数的 值和回归方差瞄j 。 翩m ： ( 扩“m 击 _ 斗 e x 挣口： ( ”| 口6 ( 志) “* t 针， 盯：砒m ： ( ”7 c 4 ， 盯：e x p ( 争+ d ： ( 嵩) q 7 + ， 一l g 2 数学模型的建立 砒m ： ( 矿“ 盯= e x p ( 争+ d ：) ( 希 。2 + 。k ，c ， z 鬻带卜”“s ， 一。q q 而们：j 。l 刘 k 甜* ，) 志i 毒一变形速度；亡= 手山鲁，s ； 河北理工大学硕士学位论文 r 絮抽j s 。，) 删”盎- 0 2 1 6 ) 2 6 2 6 槲”。6 z s - 爿 2 1 3 计算值与实测值比较 1 6 m 钢的变形阻力的由式( 9 ) 计算得出的计算值和实测值及误差见附录a 。 1 6 m n 钢在温度为9 0 0 1j 5 0 ，变形速率为l 2 0 s 1 ，变形程度为o 2 o 5 变形条件下的比较见图5 。 2 如 锄 t 如 1 印 正 乱 至1 口 襄，卸 镍1 加 叩 6 口 佃 佃6 阳1 叩1 如口1 韶1 列加棚 计耳值t m p j 图51 6 m n 变形阻力的计算值和实测僮的比较 f i g 5c o m p a r i s o no f 盯b 咖nn u m e c a lv a l u e0 f c a l c u l 砒i n g 柚dm e 阻耐n gi nf h c t 一2 0 2 数学模型的建立 近。 由图5 可知，点在直线段周围的分布比较均匀，说明计算值和实测值比较接 1 厶毒影响良f 的关系曲线。在s 一定时，舌越大，变形阻力越大。在舌一定 时，言较小( 垂= 1 ) ，随变形程度增加，变形阻力在较高温度( 1 1 5 0 ) 时先上升 而后有减小的趋势，这是由于变形速率较小时，由动态再结晶造成软化的结果。而 当毒较大时( 即亡；2 0 ) ，随变形程度增加，变形阻力增大，这是由于变形速率高， 动态再结晶来不及完成而造成硬化。 2 s 影响沪垂的关系曲线。变形温度越高，变形阻力随变形速度的增加增大 更为明显。 3 f 、舌影响盯培的关系曲线，低变形速度( 毒= 1 ) ，随变形程度增加，变形阻 力下降，高变形速度( 毒= 1 0 、2 0 ) ，随变形程度增加，变形阻力增加； 4 由图5 可以得出变形阻力计算值和实测值比较接近，说明式( 9 ) 的数学模 型综合考虑了各参数的影响，有较高的相关系数。 2 2 温降模型的建立 轧制过程中温降数学模型是热机轧制系统中的关键，只有模型预报精度高，才 能保证钢板控轧的质量【2 研。温降模型主要根据如下参数进行计算：轧制时的钢板温 度、钢板厚度、电机转速、道次压下量、轧制压力、轧辊冷却水量、空气温度、道 次间隙时间等f 2 6 】【2 7 】。轧制过程中，轧件的温降对变形制度、加热制度及轧后冷却方 式等有重要影响f 2 钔。在轧制过程中，由于轧件的断面不断发生变化，轧件周围的换 热条件复杂，变形热对温降也有很大影响，给分析轧