中厚板轧机的刚度和轧件宽度关系的研究

1中厚板轧机的刚度和轧件宽度关系的研究论文摘要：本文探讨了利用正常生产中的过程操作数据分析2500mm中厚板轧机在不同轧件宽度下的弹跳特性，得到有工程实用价值的刚度模型；结果表明在轧制不小于半个辊面宽度范围内的板带时，刚度的减小是非线性的，而且轧机辊面越宽，刚度相对于板宽的衰减越显著；关键词：弹跳方程刚度衰减系数建模⒈前言：轧机的弹跳方程是板带厚控系统中不可忽缺的模型，它描述了辊缝、轧制力和厚度这三个关键工艺参数的内在联系，是厚控系统中轧机特性、轧件特性和工艺模型之间的技术纽带；轧制过程开始前，首先要通过弹跳方程计算压下规程给定的设定厚度和预报压力对应的辊缝设定值以便预摆辊缝，其次在轧制过程中要利用弹跳方程实时计算瞬时厚度和道次平均厚度，以实现AGC调节和辊缝自校正功能；具有一个高精度弹跳模型是任何高精度厚控系统的先决条件之一；中厚板轧机的弹跳方程一般通过全辊面压靠测试，在压力较小时模型具有明显的非线性特性，一般可用二次多项式描述；当压力较大时弹跳曲线近似为直线，此时可用“刚度”这一参数来描述；全辊面弹跳方程的测试和建模技术已经成熟。弹跳方程的原理、测试和建模本身并不复杂，主要困难在于如何确保计算弹跳量所需的辊缝、压力和厚度信号有足够高的精度，特别是“真实辊缝”信号的测量和估计值一定要有足够的精度。轧制过程中轧机的实际弹跳曲线与轧件宽度有关，当轧件宽度显著偏离全辊面宽度时，轧机刚度和整个弹跳方程也会严重偏离全辊面压靠得到的结果。虽然得到不同宽度下轧机的弹跳特性对于实时控制很重要，但由于受现场实验条件的限制，这方面的系统研究资料较少。生产过程中一般凭经验建立一个低精度的经验模型使用，当大批量轧制相对较宽板时，这一方法是可行的，特别是当工况和轧制力稳定时，刚度误差产生的厚差通过调整弹跳方程的“零点”可有效补偿。随着市场需求的变化，轧制过程可能需要在宽度大范围变化的产品之间频繁切换，此时实际刚度频繁的大幅度变化带来的误差将无法得到及时有效的补偿，导致厚度计算不准，辊缝设定误差加大，从而也破坏了工况的稳定，进一步恶化了刚度误差的影响，这种影响还特别容易引起AGC调节过程不稳定的出现[4]。所以深入研究轧件宽度对刚度和弹跳曲线的影响对高精度厚控系统日益重要。⒉轧机刚度模型在厚控系统中的地位：这里刚度既指轧机的线性刚度参数，也泛指轧机的刚度特性。如前言所述，轧机弹跳方程在厚控系统中起着技术纽带的作用，是板带厚控系统必需的基本模型之一，其精度对整个厚控系统的精度影响很大；弹跳方程是压下规程设定、压力AGC、在线自校正的基础；一定程度上刚度的精度代表了轧机性能和对轧机特性了解的深度；轧机弹跳方程的综合建模水平和实时应用技术从一个侧面反映了厚控系统的技术水平；是轧机厚控系统的技术支撑点之一。⒊轧机刚度的测试：由于无法象全辊面压靠那样测试不同板宽条件下的轧机弹跳方程，所以研究不同宽度下的弹跳特性远比研究全辊面时的困难；对配备计算机厚控系统的轧机，现场测试一般有两种办法，即采用不同宽度的实验板样品的直接轧板法，和通过不同宽度产品的正常生产数据辨识的间接方法。刚度曲线测试的关键是确保弹跳量和相应压力的精度；轧板法容易实现这一点；而间接估计时，由于真实辊缝无法直接测量，从而如何准确估计出弹跳量是成败的关键。由于正常生产中只能测量成品厚度，弹跳量要通过辊缝和压力来估计，从而真实辊缝的估计就是必须解决的问题。直接法中可在同一固定辊缝条件轧制不同宽度、不同厚度的实验板，只要确保出口厚度和轧制力之2间有显著差异，就能相对准确地计算出不同宽度条件下的刚度；由于辊缝为常数，在计算刚度时可以消掉辊缝这一中间量；从而辊缝的大小和测量精度就不重要，只要稳定即可。这恰恰是间接法中不可回避又难于很好解决的问题。轧板法的优点是简单、直观、处理过程稳定、分析容易且模型精度高，实验板一般用铝板，应该有足够大的压下量和足够大的轧制力，以保证厚差的精度和刚度计算的精度。其缺点是要准备足够的、合理的实验板，需要专门实验，从而成本高。通过实验设计合理安排宽度和厚度可提供更精确的估计结果。间接法不需要专门的试验板，也不用专门安排实验，只需提供适当宽度的过程操作数据及其成品道次的实测厚度，灵活性高，可充分利用计算机控制系统提供的生产数据，除了必要的厚度测量外，几乎不需要额外成本；并且可以和系统的其它信息挖掘技术集成处理，是优选的技术方案。不幸的是，间接法的技术处理比较困难，由于正常生产中提供的过程操作数据中的辊缝并不一定是真实辊缝，相应的“零点漂移”也无法测量；而轧制过程中存在着影响辊缝值的各种参数的调整，导致很难从这些数据中剥离出各道的真实辊缝；以至估计刚度时性能不稳定，难于得到很满意的结果。⒋轧机刚度模型结构的选择设：0B、B为工作辊辊面宽度和轧件宽度；0M、BM为轧机全辊面刚度和轧件宽度B对应的刚度；令：BBB0，M=0M-BM；则常用的线性刚度模型为：)1(0BBkMM，其中k为比例系数；所以0MkBM；显然用宽度差直接描述刚度或刚度差不太方便，它与轧机的全辊面宽度、刚度以及轧件宽度的具体数值有关，不便于揭示更一般的规律。实验证实轧机刚度与宽度的关系具有非线性的特点，类似于轧机弹跳方程，只是非线性程度更严重；实验也证实不同规格的轧机，在用后述相对刚度衰减率与相对宽度差的函数关系描述时惊人的相似，从而有可能通过典型轧制的实测曲线来研究其它规格轧机的模型。设：00MMMB，00BBB，0)1(MMB；则更典型有效且简单的模型为：2；用相对比例模型的优点是模型特点突出、与轧机辊面宽度、轧件宽度和全辊面刚度的具体值无关；不同宽度规格的轧机的模型具有相似性，从而只需利用三四个典型轧机的高精度模型通过插值就有可能求出中间宽度规格轧机的具有工程实用精度的刚度模型。⒌韶钢2500mm中厚板轧机的刚度模型的建模韶钢2500mm中厚板生产线采用单机架生产模式，通过二至三个轧程直接把200*1200*2000mm连铸坯轧制为中厚板产品，由于生产线配备有先进的计算机厚控系统，所以具有利用过程操作数据建立轧机刚度和轧件宽度之间数学模型的可能性。现有的控制系统采用线性模型对宽度的影响进行补偿。在大批量轧制2000mm—2200mm宽度的产品时，该方法还能适应，压靠后弹跳方程的计算厚度和测厚仪的测量结果相差基本在0.05mm之内[1]；但随着市场的变化，需要经常在宽度相差根大的产品之间交替轧制，此时原有的未经专门测试建立的宽度补偿模型的精度已不再能满足高精度轧制的需要，为此用过程机提供的生产数据建立更精确的刚度模型就是一种值得偿试的办法。5.1数据的获取在正常生产过程中安排10*2200*10000mm、14*2000*8000mm、14*1800*10000mm、13*1600*10000mm四种不同规格的产品进行轧制，相应毛宽接近2300、2100、1900、1700(mm)，由于测厚仪不能正常使用，在矫直机前等距卡量三点取平均值作为成品厚度并卡量板宽，同时过程机提供各规格产品各道次的辊缝、压力、温度、计算厚度及其它参数；对每个宽度规格取5块进行卡量，实际获得20组数据；由3于生产过程中随着工况的变化，操作工随时会调正辊缝零点来确保目标厚度，从而辊缝测量信号中含有足以严重影响刚度计算精度的“不确定性”；为了保证模型的稳定，剔除了4个零点漂移较大的数据，最后用下述16组精轧末道次的数据建模。表1kB(mm)s(mm)P(t)h(mm)123000.0807.5117829.99223050.0787.43186710.11323000.0807.48180110.03422950.0827.4718029.94523000.0807.39190610.04620800.16812.73116314.10720750.17012.72119614.18820800.16812.76116014.13919200.23212.5282914.131019000.24012.4586814.201119200.23212.4488214.201219100.23612.4686514.151316900.32411.4769613.231416950.32211.4769213.221516900.32411.4073613.231616900.32411.4271413.205.2建模方法该轧机厚控系统投运后实测的全辊面压靠刚度曲线如图1所示，其全辊面线性段刚度为mmtM/6300，而轧制力小于1000t时的非线性段用二次多项式模型[1]。图1、韶钢2500mm中厚板轧机实测全辊面弹跳方程，线性段刚度为mmtM/63004由于不同轧制宽度条件下的轧机刚度小于全辊面刚度，用不同宽度条件下刚度对原始全辊面刚度的相对衰减系数作因变量，用轧制宽度与全辊面宽度的相对宽度差作自变量，根据模型特点，刚度关于宽度的变化可用简化的二次曲线2进行有效描述；建模方法及步骤：①选择全辊面刚度、模型参数和各个宽度规格的辊缝“零点”的拟合模式；最多可同时拟合全辊面刚度、衰减率公式中的2个系数和4个“零点漂移”共7个参数；②利用给定全辊面刚度和系数计算相应刚度0)1(MM；③利用弹跳方程计算厚度MPShc；④取计算厚度ch和实测厚度h之差的平方和作为优化目标函数1612)(hhFc；⑤对选定参数进行最小二乘估计使1612)(hhFc=min；图2、韶钢2500mm中厚板轧机全辊面刚度和刚度关于宽度差的衰减模型的拟合曲线5.3计算结果及其分析用上述算法对前述16组生产数据进行处理，得到该2500mm轧机相对刚度关于相对宽度差的衰减系数的二次模型为：2542.0199.02189.20010.0，mmtM/60002.90；其中全辊面刚度0M和刚度衰减系数公式中系数的右下标的数是该参数的估计值的标准差，显然一次项的回归系数的标准差远大于回归系数本身，所以可以去掉该项，而采用更简炼的模型：52076.022116.2，mmtM/60044.20；标形的标准差为mm029.0；图2为典型的估计曲线，相关系数大于0.99，回归方程系数的标准差也远小于回归系数本身(的绝对值)；回归模型的标准差为mm029.0，和文献[1]中给出的精度相近。为了验证计算的合理性，将刚度随宽度的衰减特性用图3中的相对百分比表示，同时将文献中估算的不同宽度轧机的实验结果以相同方式表示，并作在同一图上进行比较。图3、不同宽度规格轧机的刚度衰减曲线图中曲线的解释和分析：①图3中3340mm轧机曲线是根据文献[2]的图表估算的数据求出的，而1360mm轧机曲线是根据文献[3]的图表估算出的，其中的直线是该2500mm轧轧目前所用的线性修正公式；②按二次衰减规律将0B=3340mm、0B=2500mm、0B=1360mm三个不同宽度轧机的实验曲线绘于同一图中，可以看出规律是一致的，从而实验结果是可信的；③从三条实验曲线的性状看，2500mm轧机的数据分析中求得的全辊面刚度0M=600mmt/是合适的，和全辊面实测结果0M=630mmt/相一致；其曲线趋势和其它两种宽度规格的轧机的结果相一致且更靠近3340mm轧机，从而三种典型宽度的实验结果互相得到验证。④由于实验条件的限制，缺少相对宽度更小的数据，且用生产数据建模时，辊缝值很难保持完全一致，6导致该2500mm轧机曲线的右端上升比3340mm轧机还快，究竟是本实验结果精度低还是提取文献数据时的精度低造成的还有待更精确的实验来决定；显然，当3340mm轧机的模型更准确可靠时，可对2500mm轧机模型曲线的后面部分进行有效的修正，反之亦然。⑤采用相对宽度差和相对刚度衰减系数的关系比用绝对宽度差对绝对刚度衰减系数的关系更合理，更易于突出规律性和规范化；⑥非线段的问题，可用同一衰减系数对非性段的弹跳量进行修正；⑦从三个不同宽度规格轧机的刚度衰减系数曲线可以看出辊面宽度越小，轧机刚度随轧件宽度