專利名稱：熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法
技術領域：
本發明涉及一種熱鍍鋅鋼板的軋制技術，特別涉及一種熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法。
背景技術：
現有的平整機輥型設計技術，一般只考慮到帶材的前張應力橫向分布均勻，即出口板形良好。但對于熱鍍鋅平整機組而言，根據其特性，僅考慮到產品的板形質量是不夠的，還必須考慮到平整過程中鋅層的穩定性與鋅花的均勻性、避免表面色差等問題。
發明內容
本發明的目的，在于提供一種熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法，使得該平整機不僅能夠滿足產品的板形要求，還能夠滿足平整過程中鋅層的穩定性與鋅花的均勻性等工藝要求。
為了實現上述目的，本發明采用了以下技術方案一種熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法，包括以下步驟a、收集平整機的設備參數和帶鋼的品種規格范圍；b、按照產品的厚度、寬度、強度等級組合選取代表規格，并根據各代表規格及其所代表的相近規格占機組總產量的比例確定各代表規格的加權系數；c、以a、b、k、lz、δ為輥型曲線參數和優化變量，設定工作輥的輥型曲線方程為Dw(x)＝Dw-a{1-cos[bπ(2x/Lw)]}/[1-cos(bπ)]設定支承輥的輥型曲線方程為
Db(x)=Db|x|≤(Lb/2-lz)Db-2δ(|x|-(Lb/2-lz)lz)k|x|>(Lb/2-lz)]]>上述兩式中DW-工作輥原始直徑(mm)；LW-工作輥輥身長度(mm)；Db-支承輥原始直徑(mm)；Lb-支承輥輥身長度(mm)；a-工作輥凸度系數；b-工作輥余弦相位系數；lZ-支承輥輥型曲線彎曲段長度(mm)；δ-支承輥輥型曲線彎曲段高度(mm)；按下述步驟優化計算出輥型曲線參數1)、給定初始曲線參數X0＝[a，b，k，lz，δ]；2)、計算出典型規格產品j的板形與軋制壓力分布綜合控制目標函數Fj(X)；3)、計算出輥型優化設計的目標函數G(X)；4)、判斷Powell條件是否成立，若不成立，重復上述步驟2)和3)，直至Powell條件成立，結束計算，得出最優輥型曲線參數；d、將上述輥型曲線參數代入工作輥的輥型曲線方程和支承輥的輥型曲線方程得到優化后的工作輥的輥型曲線方程和支承輥的輥型曲線方程。
所述平整機的設備參數包括工作輥輥身長度LW，工作輥直徑DW，支承輥輥身長度Lb，支承輥直徑Db，支承輥傳動側與工作側壓下螺絲中心距l1，工作輥正負彎輥，傳動側與工作側彎輥液壓缸中心距l2，最大彎輥力S，最大軋制壓力P，最大軋制速度V；所述帶鋼的品種規格范圍包括帶鋼寬度B，厚度h，屈服強度σs和平整延伸率ε。
步驟c中所述的板形與軋制壓力分布綜合控制目標函數定義為
Fj(X)＝α*g1(X)+(1-α)*g2(X)式中g1(X)代表出口前張力指標，g1(X)＝(max(σ1i)-min(σ1i))/σ1；g2(X)代表軋制壓力的橫向分布均勻度指標，g2(X)＝(max(qi)-min(qi))/q；α-加權系數，一般情況下，取α＝0.35；j-第j種代表規格； -平均前張應力q-平均軋制壓力；σ1i-單位寬度帶鋼前張應力橫向分布值；qi-單位寬度軋制壓力橫向分布值。
步驟c中所述的輥型優化設計的目標函數定義為G(X)=Σj=1mβjFj(X)]]>式中βj-加權系數，由各規格產品的生產產量在總產量中的比例來確定。
本發明熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法的基本原理如下根據金屬軋制變形理論可知，在軋制過程中帶材的前后張力σ1i，σ0i分別可用式(1)和式(2)的函數表示σ1i＝f1(hi，Hi，Li，B，T0，T1)(1)σ0i＝f0(hi，Hi，Li，B，T0，T1)(2)式中hi-帶材出口厚度橫向分布值；Hi-帶材來料的厚度橫向分布值；Li-表示來料板形的長度橫向分布值；B-帶材的寬度；T0-平均后張力；T1-平均前張力。
同樣，根據文獻板形理論中的輥系彈性變形模型(參見文獻連家創，劉宏民，板厚板形控制，北京兵器工業出版社，1995)可知，對于軋后帶材的出口厚度分布值hi可以用式(3)的函數表示hi＝f3(H，T0，T1，ε，S，X，Hi，σ1i，σ0i) (3)式中P-總軋制壓力；S-彎輥力；H-帶材來料的平均厚度；ε-設定延伸率。
這樣，對于一個特定的軋制過程而言，帶材來料參數如H，Hi，Li，B等已知，如果給定T0，T1，ε，S，聯立式(1)-(3)，即可將表征板形的前張力橫向分布值σ1i用一個工作輥和支承輥輥形參數X為自變量的函數來表示，即σ1i＝f4(X) (4)σ0i＝f5(X) (5)與此同時，根據相關軋制壓力模型(一種軋制壓力計算方法參見文獻連家創.冷軋薄板軋制壓力和極限最小厚度的計算.重型機械.第2、3期.1979)可以知道，軋制壓力橫向分布qi可以用下式來表示qi＝f6(Hi，hi，σ1i，σ0i) (6)綜合式(1)-(5)，也可以把(6)式用一個以工作輥和支承輥輥形參數X為自變量的函數來表示，即qi＝f7(X) (7)根據現場調研與分析，對于熱鍍鋅平整機而言，為了使生產順利進行，不但要保證板形精度，而且要滿足軋制壓力分布均勻的要求，以保證平整過程中鋅層的穩定性與鋅花的均勻性。這樣，生產過程中的板形與軋制壓力綜合控制目標函數可以簡單的定義為Fj(X)＝α*g1(X)+(1-α)*g2(X)(8)式中g1(X)＝(max(σ1i)-min(σ1i))/T1(9)g2(X)＝(max(qi)-mi(qi))/q (10)
q-平均軋制壓力；α-加權系數，一般而言α＝0.35在式(8)中g1(X)代表板形指標，而g2(X)則代表輥間壓力的橫向分布均勻度指標。
由于對于熱鍍鋅平整機而言，輥型曲線設計的目的是通過設計出一種合適的工作輥與支承輥輥型，使得軋輥在軋制狀態時，對于所有規格的產品(在實際生產中，一般選擇經常生產的m個規格的產品來進行優化，而且應該根據各自在總產量中的比例進行加權，越是經常生產的產品，加權系數取得越大)，板形與軋制壓力綜合控制目標函數F(X)最小，所以輥型優化設計的目標函數可以表示為G(X)=Σj=1mβjFj(X)---(11)]]>式中βj-加權系數，由各規格產品的生產產量在總產量中的比例來確定。
這樣，整個輥型曲線優化設計過程可以簡單的描述為尋找一個合適的工作輥與支承輥輥型參數X＝{a，b，k，lz，δ}，使得G(X)最小，計算流程如圖1所示，工作輥輥型曲線如圖2所示；支承輥輥型曲線示意圖如圖3所示。
需要說明的是，在輥型設計過程中，彎輥力應該取平整機彎輥能力最大值與最小值的平均值，這樣可以使彎輥力在軋制過程中有足夠的上下調節范圍，提高彎輥力的控制能力。而帶材來料凸度與板形則取該規格產品的統計平均值。
本發明充分考慮到熱鍍鋅平整機的工藝特點，首次以帶材出口前張應力與軋制壓力橫向分布都均勻作為目標函數，對平整機工作輥與支承輥輥型曲線進行綜合優化設計。使得優化后的輥型不僅能夠滿足產品的板形要求，還能夠滿足平整過程中鋅層的穩定性與鋅花的均勻性等工藝要求。
本方法同樣適用于其它某些對表面均勻性和板形要求較高的帶鋼的平整。
圖1是本發明中的輥型曲線優化設計計算流程圖；
圖2是根據本發明的輥型曲線方程設計的工作輥輥型曲線示意圖；圖3是根據本發明的輥型曲線方程設計的支承輥輥型曲線示意圖；圖4是本發明中采用的軋制壓力計算流程圖；圖5是本發明中采用的最佳彎輥力和前張應力分布(出口板形)計算流程圖(參見文獻連家創，劉宏民，板厚板形控制，北京兵器工業出版社，1995)；圖6是規格一的帶材假設來料凸度分布圖；圖7是輥型優化前，規格一的帶材在不同彎輥力下的板形曲線；圖8是輥型優化后，規格一的帶材在不同彎輥力下的板形曲線；圖9是輥型優化前，規格一的帶材在最佳彎輥力(36噸)下的軋制壓力橫向分布；圖10是輥型優化后，規格一的帶材在最佳彎輥力(18噸)下的軋制壓力橫向分布；圖11是規格二的帶材假設來料凸度分布圖；圖12是輥型優化前，規格二的帶材在不同彎輥力下的板形曲線；圖13是輥型優化后，規格二的帶材在不同彎輥力下的板形曲線；圖14是輥型優化前，規格二的帶材在最佳彎輥力(24.6噸)下的軋制壓力橫向分布；圖15是輥型優化后，規格二的帶材在最佳彎輥力(8.4噸)下的軋制壓力橫向分布。
具體實施例方式
以下給出了采用本發明方法優化某一平整機輥型曲線的設計過程和計算結果(1)、計算所需的設備、產品大綱相關原始數據平整機設備參數工作輥輥身長度Lw＝1500mm，工作輥直徑Dw＝φ480/520mm，支承輥輥身長度Lb＝1450mm，支承輥直徑Db＝φ1150/1250mm，支承輥傳動側與工作側壓下螺絲中心距l1＝2.67m，工作輥正負彎輥，傳動側與工作側彎輥液壓缸中心距l2＝2.47m。最大彎輥力±60t，最大軋制壓力700t，最大軋制速度180m/min，濕平整。
產品品種規格范圍帶鋼寬度800～1250mm，厚度0.20～1.3mm，屈服強度σs280～620Mpa，平整延伸率0.5～1.5％。
(2)輥型優化典型代表規格選取按照產品厚度、寬度、強度等級組合選取8種代表規格，并根據各代表規格及其所代表的相近規格的產量占機組總產量的比例確定各代表規格的加權系數βj。具體數據如表1所示。
表1、
(3)輥型曲線參數最優化計算輥型優化前支撐輥為平輥、工作輥凸度0.06mm。取初始曲線參數X0＝[a，b，k，lz，δ]＝
。
每一次優化迭代計算過程中，調用圖4所示的軋制壓力計算流程得到總軋制壓力P，調用圖5所示的最佳彎輥力和前張應力分布(出口板形)計算流程得到帶鋼前張應力橫向分布值σ1i和軋制壓力橫向分布值qi。
Powell最優化成立條件‖Gn(X)-Gn-1(X)‖≤ε‖Gn-1(X)‖式中Gn(X)-當前次迭代的目標函數值Gn-1(X)-前一次迭代的目標函數值ε-收斂控制系數，取10-2。
滿足最優化成立條件后得到最優輥型參數
X＝[a，b，k，lz，δ]＝
。
即優化后的工作輥輥型曲線方程為Dw(x)＝520-0.311×[1-cos(0.00076616x)]支撐輥輥型曲線方程為Db(x)=1250|x|≤5781250-2.2×(|x|-578147)4|x|>578]]>輥型曲線優化后的效果可由以下兩種規格帶材在輥型優化前后的出口板形和軋制壓力橫向分布模擬情況加以說明。
規格一、0.22mm×1250mm，設定延伸率1.0％，變形抗力600Mpa，總軋制壓力531t。
來料凸度如圖6所示。
輥型曲線優化前，在不同彎輥力下的板形模擬如圖7所示。
輥型優化后，在不同彎輥力下的板形模擬如圖8所示。
輥型曲線前，最佳彎輥力條件下(36噸)的軋制壓力橫向分布如圖9所示。
輥型優化后，最佳彎輥力下(18噸)的軋制壓力橫向分布如圖10所示。
圖7～圖10分別給出了該規格在輥型優化前后的出口板形、軋制壓力橫向分布模擬結果輥型優化后的最佳彎輥力18t，對應的出口板形1.6I，軋制壓力橫向分布范圍92450～95750N/20mm；優化前的最佳彎輥力36t，對應的出口板形6.6I，軋制壓力橫向分布范圍9200～96050N/20mm。由此得出結論對該規格輥型優化后板形質量提高，最佳彎輥力下降47.6％，軋制壓力橫向分布更均勻。
規格二、0.58mm×1250mm，設定延伸率1.0％，變形抗力600Mpa，總軋制壓力363t。
來料凸度如圖11所示。
輥型曲線優化前，在不同彎輥力下的板形模擬結果如圖12所示。
輥型曲線優化后，在不同彎輥力下的板形模擬結果如圖13所示。
輥型曲線優化前，最佳彎輥力下(24.6噸)的軋制壓力橫向分布如圖14所示。
輥型曲線優化后，最佳彎輥力下(8.4噸)的軋制壓力橫向分布如圖15所示。
圖12～圖15分別給出了該規格在輥型優化其后的出口板形、軋制壓力橫向分布模擬結果輥型優化后的最佳彎輥力8.4t，對應的出口板形2.3I，軋制壓力橫向分布范圍61350～63600N/20mm；優化前的最佳彎輥力24.6t，對應的出口板形3.1I，軋制壓力橫向分布范圍61150～63750N/20mm。由此得出結論對該規格輥型優化后板形質量提高，最佳彎輥力下降74.0％，軋制壓力橫向分布更均勻。
權利要求
1.一種熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法，其特征在于包括以下步驟a、收集平整機的設備參數和帶鋼的品種規格范圍；b、按照產品的厚度、寬度、強度等級組合選取代表規格，并根據各代表規格及其所代表的相近規格占機組總產量的比例確定各代表規格的加權系數；c、以a、b、k、lz、δ為輥型曲線參數和優化變量，設定工作輥的輥型曲線方程為Dw(x)＝Dw-a{1-cos[bπ(2x/Lw)]}/[1-cos(bπ)]設定支承輥的輥型曲線方程為Db(x)=Db|x|≤(Lb/2-lz)Db-2δ(|x|-(Lb/2-lz)lz)k|x|>(Lb/2-lz)]]>上述兩式中DW-工作輥原始直徑(mm)；LW-工作輥輥身長度(mm)；Db-支承輥原始直徑(mm)；Lb-支承輥輥身長度(mm)；a-工作輥凸度系數；b-工作輥余弦相位系數；lZ-支承輥輥型曲線彎曲段長度(mm)；δ-支承輥輥型曲線彎曲段高度(mm)；按下述步驟優化計算出輥型曲線參數1)、給定初始曲線參數X0＝[a，b，k，lz，δ]；2)、計算出典型規格產品j的板形與軋制壓力分布綜合控制目標函數Fj(X)；3)、計算出輥型優化設計的目標函數G(X)；4)、判斷Powell條件是否成立，若不成立，重復上述步驟2)和3)，直至Powell條件成立，結束計算，得出最優輥型曲線參數；d、將上述輥型曲線參數代入工作輥的輥型曲線方程和支承輥的輥型曲線方程得到優化后的工作輥的輥型曲線方程和支承輥的輥型曲線方程。
2.根據權利要求1所述的熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法，其特征在于所述平整機的設備參數包括工作輥輥身長度LW，工作輥直徑DW，支承輥輥身長度Lb，支承輥直徑Db，支承輥傳動側與工作側壓下螺絲中心距l1，工作輥正負彎輥，傳動側與工作側彎輥液壓缸中心距l2，最大彎輥力S，最大軋制壓力P，最大軋制速度V；所述帶鋼的品種規格范圍包括帶鋼寬度B，厚度h，屈服強度σs和平整延伸率ε。
3.根據權利要求1所述的熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法，其特征在于步驟c中所述的板形與軋制壓力分布綜合控制目標函數定義為Fj(X)＝α*g1(X)+(1-α)*g2(X)式中g1(X)代表出口前張應力指標，g1(X)＝(max(σ1i)-min(σ1i))/σ1；g2(X)代表軋制壓力的橫向分布均勻度指標，g2(X)＝(max(qi)-min(qi))/q；α-加權系數，一般情況下，取α＝0.35；j-第j種代表規格；σ1-平均前張應力；q-平均單位寬度軋制壓力；σ1i-帶鋼前張應力橫向分布值；qi-單位寬度軋制壓力橫向分布值。
4.根據權利要求1所述的熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法，其特征在于步驟c中所述的輥型優化設計的目標函數定義為G(X)=Σj=1mβjFj(X)]]>式中βj-加權系數，由各規格產品的生產產量在總產量中的比例來確定。
全文摘要
一種熱鍍鋅平整機輥型曲線設計方法，包括以下步驟a.收集平整機的設備參數和帶鋼的品種規格范圍；b.選取產品代表規格，并根據各代表規格及其所代表的相近規格的產量占機組總產量的比例確定各代表規格的加權系數；c.設定輥型曲線方程并優化計算出輥型曲線參數；d.將輥型曲線參數代入輥型曲線方程得到優化后的輥型曲線方程。本發明以帶材出口前張應力與軋制壓力橫向分布都均勻作為目標函數，對平整機工作輥與支承輥輥型曲線進行綜合優化設計。使得優化后的輥型不僅能夠滿足產品的板形要求，還能夠滿足平整過程中鋅層的穩定性與鋅花的均勻性等工藝要求。
文檔編號B21B27/02GK1923390SQ20051002921
公開日2007年3月7日 申請日期2005年8月30日 優先權日2005年8月30日
發明者顧廷權, 白振華, 趙宇聲, 連家創, 黃自友 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 燕山大學