連續(xù)退火機(jī)組爐內(nèi)爐輥輥型綜合優(yōu)化技術(shù)

白振華 王云祥 王 瑞 崔亞亞 李小峰 郭振勝

1.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660043.冠洲股份有限公司，聊城，252500

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連續(xù)退火機(jī)組爐內(nèi)爐輥輥型綜合優(yōu)化技術(shù)

白振華1,2王云祥1王 瑞1崔亞亞1李小峰1郭振勝3

1.燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，0660043.冠洲股份有限公司，聊城，252500

為解決連續(xù)退火過(guò)程中帶材跑偏、瓢曲等問(wèn)題，結(jié)合單錐度輥及雙錐度輥在防治帶材跑偏與瓢曲方面的優(yōu)勢(shì)與不足，并考慮爐輥熱凸度的影響，設(shè)計(jì)了一套全新的爐輥輥型曲線。以帶鋼穩(wěn)定通板作為輥型優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，建立了一套適用于連續(xù)退火爐內(nèi)爐輥輥型的優(yōu)化模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的輥型使帶鋼跑偏距離及瓢曲指數(shù)明顯下降，保證了機(jī)組高速、穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)。

連續(xù)退火；跑偏；瓢曲；爐輥；輥型優(yōu)化

0 引言

在連續(xù)退火生產(chǎn)過(guò)程中，帶鋼的高速穩(wěn)定通板性往往受到“跑偏”[1-5]和“瓢曲”[6-10]兩種缺陷的雙重考驗(yàn)，擦邊及斷帶事故時(shí)有發(fā)生，不但影響生產(chǎn)效率，而且造成產(chǎn)品降級(jí)或判廢，給企業(yè)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)損失，為此，需要對(duì)爐輥輥型參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用有限元法、解析法及實(shí)驗(yàn)法等一系列方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。王海玉等[11]利用ABAQUS建立爐輥-帶鋼動(dòng)態(tài)仿真模型，計(jì)算了連續(xù)退火爐內(nèi)雙錐度輥輥形參數(shù)對(duì)帶鋼跑偏的影響，分析了帶鋼的橫向壓應(yīng)力以及產(chǎn)生的瓢曲變形；楊靜等[12-13]分別采用有限元法和解析法分析了雙錐度輥輥形參數(shù)對(duì)帶鋼瓢曲的影響，并以雙錐度輥為例，推導(dǎo)了帶鋼對(duì)中力的表達(dá)式；ZHANG等[14]用有限元法分析對(duì)比了幾種不同輥型對(duì)帶鋼的糾偏能力；TETSU等[15]采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，給出了不同爐輥錐度下帶材臨界失穩(wěn)應(yīng)力的計(jì)算公式?？傮w來(lái)看，以往的研究偏重于對(duì)已有輥型進(jìn)行模擬及參數(shù)優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品與輥型之間匹配的研究很少，而且在輥型分析過(guò)程中，對(duì)爐輥熱輥型的影響考慮較少。這樣，如何準(zhǔn)確設(shè)定爐輥輥型，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)帶鋼的穩(wěn)定通板依然是現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)攻關(guān)的焦點(diǎn)。

1 輥型優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理

連續(xù)退火過(guò)程中，爐輥輥型主要影響帶鋼的張力分布狀態(tài)，進(jìn)而決定帶鋼的瓢曲、跑偏趨勢(shì)及爐內(nèi)外帶鋼的板形分布。根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]可知，連續(xù)退火過(guò)程中，帶鋼張力的橫向分布是由設(shè)定總張力、帶鋼橫向溫度差、來(lái)料板形、爐輥輥型、爐輥水平度與垂直度誤差等因素耦合作用的結(jié)果，可表示為

σi=f1(t，T，Δt，ΔDi，εi，)

(1)

式中，i為帶材橫向取梯點(diǎn)序號(hào)；σi為橫向分布的帶鋼張力，MPa；t為帶材退火溫度，℃；T為工藝段設(shè)定張力，MPa；Δt為帶材橫向溫差，℃；ΔDi為爐輥輥型分布值，mm；εi為帶材來(lái)料板形分布值，I(1I=10-5)；為設(shè)備安裝誤差值，mm。

考慮到帶鋼跑偏的根本原因是機(jī)組運(yùn)行中心線兩側(cè)的帶鋼張力及力矩不對(duì)稱，因此跑偏因子與兩側(cè)的帶鋼張力差及力矩差的絕對(duì)值都成正比；根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究，跑偏因子與設(shè)定張力及摩擦因數(shù)的影響成反比；通板速度不是帶鋼跑偏的根本原因，但當(dāng)跑偏發(fā)生時(shí)，帶鋼跑偏程度與通板速度成正比。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，帶鋼跑偏因子可以表示為

ψ=f2(T，σi，μ，v，B)

(2)

式中，μ為帶鋼與爐輥之間的摩擦因數(shù)；σi為橫向分布的帶鋼張力，MPa；v為通板速度，m/s；B為帶鋼寬度，mm。

這樣，對(duì)于一個(gè)特定的連續(xù)退火工況，帶材屬性如B、εi、μ等已知，如果給定t、T、Δt、、v等模型系數(shù)，聯(lián)立式(1)、式(2)可將帶材跑偏因子用一個(gè)以爐輥輥型分布值ΔDi為自變量的函數(shù)來(lái)表示

ψ=f3(ΔDi)

(3)

與此同時(shí)，根據(jù)帶材瓢曲指數(shù)計(jì)算模型[19]可知瓢曲指數(shù)λ為

λ=f4(σi，h，b，L，B，ΔDi，μ，v)

(4)

式中，h為帶鋼厚度，mm；b為失穩(wěn)區(qū)寬度，mm；L為爐輥輥身長(zhǎng)度，mm。

同理，綜合式(1)、式(2)可將帶材瓢曲指數(shù)λ用一個(gè)以爐輥輥型分布ΔDi為自變量的函數(shù)來(lái)表示

λ=f5(ΔDi)

(5)

除此之外，雖然爐輥輥型也可以通過(guò)改變帶材的張力分布狀態(tài)進(jìn)而影響板形，但效果并不十分明顯，連續(xù)退火爐內(nèi)輥型的優(yōu)化仍需以帶材的穩(wěn)定通板為首要目的。

2 輥型優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案

2.1 輥型基本曲線的選擇

如圖1所示，常見(jiàn)爐輥輥型主要有4種：平輥、凸度輥、單錐度輥、雙錐度輥。其中，雙錐度輥的防跑偏能力最強(qiáng)，單錐度輥的防瓢曲能力最好[13,14,20]。

(a)平輥 (b)凸度輥

(c)單錐度輥 (d)雙錐度輥圖1 爐輥輥型種類Fig.1 Types of furnace roller profile

輥型優(yōu)化后的曲線應(yīng)綜合雙錐度輥及單錐度輥的優(yōu)點(diǎn)。首先，考慮到雙錐度輥錐度段輥面與帶材并不完全接觸，即兩錐度段銜接處與帶材之間會(huì)出現(xiàn)懸空，此時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的帶材橫斷面可被認(rèn)為是一條弧線，弧線的兩端則分別與爐輥的錐度段相切，如圖2所示；然后，某些工藝段(加熱段)內(nèi)的爐輥受熱凸度的影響，易導(dǎo)致中部下凹，出現(xiàn)M形爐輥[21]。因此，優(yōu)化后的輥型曲線可采用圖3所示形式。

圖2 雙錐度輥輥面與帶材接觸狀態(tài)示意圖Fig.2 Sketch of contact state of double taper roller and strip

圖3 優(yōu)化后的爐輥輥型曲線示意圖Fig.3 Schematic of furnace roller profile curve after optimization

優(yōu)化后的爐輥輥型曲線具有4個(gè)優(yōu)化參數(shù)a、S、δ、k，其輥型曲線方程為

(6)

式中，D0為爐輥原始輥徑，mm；a為爐輥中間段曲線系數(shù)；S為爐輥中間段長(zhǎng)度，mm；δ為爐輥凸度，mm；k為爐輥錐度段曲線擬合次數(shù)。

結(jié)合式(3)、式(5)，帶材跑偏因子ψ、瓢曲指數(shù)λ可以進(jìn)一步表示為參數(shù)a、S、δ、k的函數(shù):

(7)

2.2 輥型曲線的優(yōu)化

為了保證帶材高速穩(wěn)定的生產(chǎn)，應(yīng)在避免帶材跑偏的同時(shí)杜絕瓢曲事故的出現(xiàn)。對(duì)于特定規(guī)格的產(chǎn)品，帶材穩(wěn)定通板控制目標(biāo)函數(shù)可以表示為

F(X)=A1ψ/ψ*+(1-A1)λ/λ*

(8)

式中，A1為加權(quán)系數(shù)；ψ*為機(jī)組臨界跑偏因子；λ*為機(jī)組臨界瓢曲因子。

對(duì)連續(xù)退火機(jī)組而言，爐輥輥型曲線的優(yōu)化目的是通過(guò)設(shè)計(jì)出一種合適的爐輥輥型，使得連續(xù)退火過(guò)程中，所有典型規(guī)格產(chǎn)品的帶鋼穩(wěn)定通板綜合指標(biāo)F(X)總體最小。實(shí)際生產(chǎn)中，一般選擇經(jīng)常生產(chǎn)M個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，然后再根據(jù)各自在總產(chǎn)量中的比例進(jìn)行加權(quán)，越是經(jīng)常生產(chǎn)的產(chǎn)品，加權(quán)系數(shù)取得越大。因此，輥型優(yōu)化設(shè)計(jì)的控制函數(shù)可以表示為

(9)

式中，ξj為第j個(gè)規(guī)格產(chǎn)品的加權(quán)系數(shù)，ξj=wj/W；wj為第j個(gè)規(guī)格產(chǎn)品的總產(chǎn)量；W為機(jī)組總產(chǎn)量；ψj為第j個(gè)規(guī)格產(chǎn)品的跑偏因子；λj為第j個(gè)規(guī)格產(chǎn)品的瓢曲因子。

這樣，輥型曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程可以描述為：尋找一個(gè)最佳爐輥輥型參數(shù)X=(a，S，δ，k)，在滿足約束條件的前提下，使目標(biāo)函數(shù)G(X)最小，具體的計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 計(jì)算流程圖Fig.4 Calculation flow chart

3 模型應(yīng)用

為保證連續(xù)退火過(guò)程中帶鋼通板的穩(wěn)定性，寶鋼不銹鋼有限公司與燕山大學(xué)合作，運(yùn)用上述相關(guān)理論對(duì)其連續(xù)退火機(jī)組爐內(nèi)輥型進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并編制了“連續(xù)退火機(jī)組爐輥輥型曲線綜合優(yōu)化設(shè)定軟件”，利用該軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的多種典型規(guī)格產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)及數(shù)據(jù)跟蹤，確定了連續(xù)退火爐內(nèi)特定工藝段的輥型曲線，并于2015年6月開(kāi)始試運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的輥型曲線對(duì)帶鋼跑偏及瓢曲的綜合控制效果十分顯著，帶材的跑偏趨勢(shì)明顯降低，有效避免了跑偏擦邊現(xiàn)象的發(fā)生，瓢曲及斷帶事故完全杜絕。與此同時(shí)，通過(guò)對(duì)服役6個(gè)月后的爐輥輥面觀察測(cè)量發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的輥型曲線在一定程度上增大了帶材與爐輥之間的接觸面積，有效緩解了爐輥表面局部磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，延長(zhǎng)了爐輥的服役周期。

為定量說(shuō)明采用優(yōu)化輥型的效果，特以寶鋼1730連續(xù)退火機(jī)組典型規(guī)格產(chǎn)品(CQ0.5 mm×1020 mm)為例(相關(guān)連續(xù)退火工藝參數(shù)見(jiàn)表1)，通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及模擬計(jì)算得到輥型優(yōu)化前后的糾偏輥(輥號(hào)8～15)上的帶鋼偏移距離及均熱段內(nèi)帶材瓢曲指數(shù)分布，如圖5、圖6所示。

表1 典型規(guī)格產(chǎn)品的基本退火工藝參數(shù)Tab.1 Basic annealing process parameters of typical productions

由圖5、圖6可以看出，采用優(yōu)化輥型后，不但帶材跑偏情況得到了有效控制，而且?guī)Р目傮w的瓢曲波動(dòng)更加平緩，從而保證了帶材的穩(wěn)定通板，因此，優(yōu)化輥型的效果較為顯著。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合連續(xù)退火機(jī)組的設(shè)備及工藝特點(diǎn)，以帶材高速、穩(wěn)定通板為首要目標(biāo)，提出了一個(gè)輥型優(yōu)化控制函數(shù)。

(a)輥型優(yōu)化前

(b)輥型優(yōu)化后 1.油缸移動(dòng)距離OS代表操作側(cè) 2.帶鋼移動(dòng)距離DS代表傳動(dòng)側(cè)圖5 輥型優(yōu)化前后帶鋼偏移距離Fig.5 Strip deviation distance before and after roller shape optimization

圖6 輥型優(yōu)化前后帶鋼瓢曲趨勢(shì)Fig.6 Strip buckling tendency before and after roller shape optimization

(2)綜合單錐度輥及雙錐度輥在治理帶材跑偏及瓢曲方面的優(yōu)勢(shì)與不足，并考慮帶材與爐輥之間的實(shí)際接觸狀態(tài)，以及爐輥熱凸度的影響，設(shè)計(jì)了一套全新的爐輥輥型曲線，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：優(yōu)化后的輥型曲線對(duì)帶鋼跑偏及瓢曲的綜合控制效果十分顯著，帶材的跑偏趨勢(shì)完全被控制在機(jī)組糾偏能力范圍內(nèi)，且瓢曲波動(dòng)明顯下降。

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(編輯 張 洋)

Comprehensive Optimization Technology of Roller Profiles in Continuous Annealing Furnaces

BAI Zhenhua1WANG Yunxiang1WANG Rui1CUI Yaya1LI Xiaofeng1GUO Zhensheng2

1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of C.S.R,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,0660042.State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,0660043.Guanzhou Co.,Ltd.,Liaocheng,Shandong,252500

In order to solve the problems of strip deviation and buckling in continuous annealing processes, combined with advantages and disadvantages of single taper rollers and double taper rollers in prevention and treatment of the buckling and strip deviation, a new set of furnace roller profile curves was designed, and a set of optimization models suitable for furnace rollers was established in continuous annealing furnaces, with travelling stability of the strips as objective function of roller profile optimization designs. After field production practices, test results show that the roller profiles after optimization make the strip deviation distance and the buckling index decrease significantly, the high-speed and stable continuous productions of the unit are guaranteed.

continuous annealing; deviation; buckling; furnace roller; roller profile optimization

2016-09-29

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2016203385)；重型機(jī)械協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃課題(ZX01-20140400-05)

TG335.5

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.14.021

白振華，男，1975年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化、軋鋼設(shè)備及工藝、板形控制及自動(dòng)化。獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。出版專著2部。發(fā)表論文100余篇。王云祥，男，1982年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心博士研究生。王 瑞，男，1987年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心博士研究生。崔亞亞，男，1988年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心博士研究生。李小峰，男，1992年生。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心碩士研究生。郭振勝，男,1978年生。冠洲股份有限公司工程師。