精軋軋制規(guī)程模型研究及其軟件設(shè)計(jì)

崔樹杰，秦紅波

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 信息自動(dòng)化部，唐山063000）

熱軋生產(chǎn)中，合理的精軋軋制規(guī)程可實(shí)現(xiàn)在相同的設(shè)備條件下，更有效地充分利用各機(jī)架的設(shè)備能力，提高可軋規(guī)格和機(jī)組產(chǎn)量，改善產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)可降低能源消耗，降低噸鋼成本。本文基于軋制數(shù)學(xué)模型和工藝設(shè)備參數(shù)可離線模擬計(jì)算精軋軋制規(guī)程參數(shù)，通過對(duì)軋制力、軋制扭矩以及電機(jī)功率等參數(shù)分析，以改進(jìn)工藝制度和軋機(jī)負(fù)荷分配。軋制規(guī)程計(jì)算軟件可驗(yàn)證現(xiàn)有產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)亟待解決的問題進(jìn)行調(diào)試和尋找解決方法[1]，或在開發(fā)新鋼種、新規(guī)格時(shí)進(jìn)行軋制規(guī)程模擬，以制定合理的工藝制度，減少試軋次數(shù)和降低試軋風(fēng)險(xiǎn)，加快產(chǎn)品的批量生產(chǎn)進(jìn)程，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本有著重要的意義。

1 規(guī)程計(jì)算模型

典型的熱連軋工藝過程如圖1所示，板坯從加熱爐出鋼后，經(jīng)過高壓除鱗、粗軋軋制、熱卷箱、飛剪剪切、精軋入口除鱗后進(jìn)入精軋機(jī)組軋制，隨后經(jīng)過層流冷卻將帶鋼冷卻到目標(biāo)卷取溫度，最后進(jìn)入地下卷取機(jī)成卷。帶鋼熱連軋過程中主要包含軋件的尺寸變化、溫度變化和組織性能變化等，軋件在軋制過程中逐漸變薄，同時(shí)伴隨著帶鋼長度的伸長和寬度方向上的延展，主要涉及到軋件的塑性變形和軋機(jī)的彈性變形，此過程中軋件溫度逐漸降低，組織性能隨溫度的變化導(dǎo)致帶鋼金相組織的變化[2-3]。

圖1 熱連軋生產(chǎn)工藝及設(shè)備示意圖Fig.1 Diagram of hot strip mill process and equipments

精軋軋制規(guī)程計(jì)算模型主要包括變形抗力模型、軋制力模型、軋制力矩及功率模型。其中軋制力是最為重要的軋機(jī)參數(shù)，不僅通過軋機(jī)、軋輥及軋件變形直接影響帶鋼厚度、板形等指標(biāo)的控制精度，也是判斷軋制扭矩，電機(jī)功率及電流的重要參數(shù)，另外還直接影響軋制穩(wěn)定性，而變形抗力模型是計(jì)算軋制力的前提。

1.1 變形抗力模型

變形抗力是熱軋生產(chǎn)中軋制力計(jì)算的重要因素，是制定合理的軋制工藝規(guī)程、設(shè)計(jì)和校核壓力加工設(shè)備的重要依據(jù)[4-5]。本文采用的TMEIC 公司的第三代數(shù)學(xué)模型，變形抗力分為自學(xué)習(xí)項(xiàng)、靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量。其中靜態(tài)分量為應(yīng)變率、軋件溫度以及合金成分的函數(shù)，合金成分C，Si，Mn，Ni，Cr，V，Nb，Mo，Ti，B 等。計(jì)算公式為

式中：C1i為機(jī)架Fi的模型相量系數(shù)，是以合金成分為自變量的函數(shù)；n為軋件溫度和標(biāo)準(zhǔn)溫度相關(guān)函數(shù)；為機(jī)架Fi的累積壓下率。

動(dòng)態(tài)分量ΔKKi計(jì)算公式如下：

1.2 軋制力模型

軋制力參數(shù)計(jì)算可以進(jìn)行軋制能力的校核，以保證軋機(jī)設(shè)備工作在許可的能力范圍之內(nèi)，同時(shí)計(jì)算出的軋制力將用于輥縫的預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確的軋制力計(jì)算是精確控制軋件外形尺寸的關(guān)鍵。軋制力與變形抗力、接觸弧長、帶鋼寬度、機(jī)架間前后張力等參數(shù)有關(guān)，軋制力模型計(jì)算公式如下：

式中：Hi為入口厚度；hi為出口厚度；Rdi為變形輥徑。

1.3 軋制力矩及功率模型

軋制扭矩與扭矩臂、軋制力、接觸弧長及張力扭矩相關(guān)，在計(jì)算出軋制扭矩后，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)換為電機(jī)扭矩，同時(shí)考慮電機(jī)扭矩?fù)p失和加減速的扭矩量。軋制扭矩Gi計(jì)算公式為

式中：λai為扭矩臂系數(shù)；Pi為計(jì)算軋制力；Ldi為接觸弧長；Gti為張力扭矩。

張力扭矩Gti計(jì)算公式如下：

式中：Ri為軋輥半徑；BF為軋機(jī)寬度；αgi和βgi為扭矩模型系數(shù)，通過數(shù)據(jù)庫表FMCP_1D 配置；hi為出口厚度；Hi為入口厚度；tfi為前向張力；tbi為后向張力。

電機(jī)扭矩包括通過轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)換的軋制扭矩、損失扭矩和升降速的扭矩補(bǔ)償，電機(jī)扭矩計(jì)算公式如下：

電機(jī)功率為軋制速度、軋制扭矩、軋輥半徑的函數(shù)，同時(shí)考慮電機(jī)功率損失。電機(jī)功率Pwi的計(jì)算公式為

式中：Vi為Fi機(jī)架的軋輥線速度；Gi為軋制扭矩；Ri為軋輥半徑；PWLOSSi為功率損失。

2 規(guī)程計(jì)算軟件設(shè)計(jì)

規(guī)程計(jì)算軟件基于軋制數(shù)學(xué)模型計(jì)算精軋過程中的各項(xiàng)參數(shù)，包括后臺(tái)模型計(jì)算和前臺(tái)應(yīng)用程序[6]。另外，為保證軋輥數(shù)據(jù)、鋼種及成分?jǐn)?shù)據(jù)、模型參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用，建立了基于Access數(shù)據(jù)庫文件，通過軟件訪問或直接數(shù)據(jù)庫文件編輯進(jìn)行參數(shù)查詢、修改和增加，以增加規(guī)程計(jì)算軟件對(duì)鋼種、軋制條件改變后的適應(yīng)性。

2.1 軟件界面設(shè)計(jì)

精軋軋制規(guī)程計(jì)算軟件可計(jì)算的參數(shù)包括入口厚度、壓下率、接觸弧長、變形程度、軋制速度、應(yīng)變率、變形抗力靜態(tài)分量和動(dòng)態(tài)分量、變形抗力、軋制力、軋制扭矩、電機(jī)扭矩及電機(jī)功率。軟件界面如圖2所示，菜單欄分為主顯示頁、軋輥信息、添加鋼種和鋼種族維護(hù)，其中主頁功能分為3 個(gè)區(qū)域顯示，即信息輸入?yún)^(qū)、詳細(xì)參數(shù)結(jié)果展示區(qū)和主要參數(shù)圖示結(jié)果展示區(qū)。為了方便使用，程序首次打開運(yùn)行會(huì)初始化軋制規(guī)程計(jì)算所需要的所有信息，其中工作輥直徑、傳動(dòng)比、工作輥材質(zhì)、出口厚度、軋制溫度直接顯示出默認(rèn)參考值，如果使用過程中修改了上述參數(shù)，軟件會(huì)自動(dòng)記錄，并在下次運(yùn)行時(shí)自動(dòng)錄入。在主顯示頁中修改中間坯厚度、帶鋼寬度、是否使用軋制油、工作輥直徑、傳動(dòng)比、工作輥材質(zhì)等數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)顯示區(qū)域中黃色背景部分的機(jī)架出口厚度和軋制溫度都可以手動(dòng)修改數(shù)據(jù)。

圖2 精軋軋制規(guī)程計(jì)算軟件界面Fig.2 Software interface of finishing rolling schedule calculation

中間坯厚度為熱軋粗軋出口的板坯厚度，入口和出口厚度是針對(duì)精軋機(jī)架定義的，所以輸入的入口厚度必須小于等于中間坯厚度，軟件在計(jì)算軋制規(guī)程前會(huì)檢查輸入值是否有效，如果輸入無效的數(shù)值，將彈出報(bào)警跳出計(jì)算過程。其中軋制規(guī)程中最為重要的參數(shù)如壓下率、軋制力、電機(jī)扭矩和電機(jī)功率使用柱形圖的方式展示出來，可更加直觀的了解計(jì)算結(jié)果以及精軋各機(jī)架之間的比例關(guān)系，以便更有針對(duì)性的調(diào)整各機(jī)架負(fù)荷、軋制溫度等工藝參數(shù)。

2.2 模型控制參數(shù)

按照軋制規(guī)程模型，控制參數(shù)包括變形抗力模型參數(shù)、軋制力模型參數(shù)、扭矩模型參數(shù)和功率模型參數(shù)，所有模型參數(shù)均存儲(chǔ)在Access 數(shù)據(jù)庫中，其中變形抗力模型參數(shù)基于合金成分設(shè)計(jì)，每種合金成分均有對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)以保證變形抗力計(jì)算的準(zhǔn)確性，并且根據(jù)鋼種族檢索，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于鋼種族的變形抗力自學(xué)習(xí)系數(shù)，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行人工修正。

除了模型參數(shù)，軋制規(guī)程參數(shù)還與軋輥及電機(jī)參數(shù)相關(guān)，軟件按照軋輥材質(zhì)，配置了7 種類型的工作輥，其中楊氏模量以及泊松比用于計(jì)算軋輥?zhàn)冃屋亸剑牧洗a主要用于區(qū)分高速鋼輥和非高速鋼輥，以不同的系數(shù)修正軋制力計(jì)算精度。軋輥參數(shù)可通過軟件修改或添加，也可以直接在數(shù)據(jù)庫文件中進(jìn)行操作。工作輥參數(shù)配置如表1所示。

表1 工作輥參數(shù)配置Tab.1 Parameters configuration for work roll

電機(jī)參數(shù)配置如表2所示，主要用于計(jì)算電機(jī)扭矩和電機(jī)功率，參數(shù)配置包括傳動(dòng)比、基礎(chǔ)扭矩、基本轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)效率、電機(jī)效率等參數(shù)。

表2 精軋電機(jī)參數(shù)配置Tab.2 Parameters configuration for finishing mill motor

2.3 鋼種參數(shù)配置

鋼種參數(shù)配置包括新鋼種增加和鋼種族維護(hù)，為方便操作，在軟件界面可直接進(jìn)行操作，其中新鋼種增加信息包括鋼種牌號(hào)、各化學(xué)成分含量。圖3為軟件中添加鋼種窗口，如果要增加新的鋼種牌號(hào)，在“添加鋼種”界面下輸入鋼種名稱以及相應(yīng)的合金成分即可，為給定的成分值則按照0%進(jìn)行處理，輸入完成后點(diǎn)擊“保存”即可完成新鋼種的添加。

圖3 鋼種添加操作界面Fig.3 Operation interface of steel grade addition

規(guī)程計(jì)算中變形抗力模型、軋制力模型相關(guān)的模型系數(shù)與鋼種有關(guān)，按照鋼種族設(shè)定，鋼種族維護(hù)可按照鋼種牌號(hào)進(jìn)行鋼種指定，在配置鋼種族時(shí)可參考類似鋼種進(jìn)行人工指定，如果鋼種族維護(hù)表中無對(duì)應(yīng)牌號(hào)或者對(duì)應(yīng)牌號(hào)的鋼種族配置為0 時(shí)，則會(huì)進(jìn)入成分判定計(jì)算鋼種族模塊。本文中參與鋼種族計(jì)算的成分包括碳、硅、硼、銅、鈮、鈦、鉬、釩及錳，計(jì)算模塊中對(duì)判定元素分為2～4 個(gè)區(qū)間，通過判斷目標(biāo)鋼種牌號(hào)中各化學(xué)成分所處的判定區(qū)間，最終計(jì)算出鋼種族。

3 效果驗(yàn)證

3.1 計(jì)算精度分析

為簡便工藝參數(shù)設(shè)置，各機(jī)架出口厚度和軋制溫度采用了直接輸入的模式，實(shí)際生產(chǎn)中各出口厚度可通過壓下率分配比例系數(shù)或軋制力分配比例系數(shù)達(dá)到各機(jī)架出口預(yù)期厚度，可通過控制精軋入口溫度、機(jī)架間冷卻水、除鱗水的使用等條件使各機(jī)架的軋制溫度達(dá)到預(yù)期的軋制溫度或一定范圍。使用本文開發(fā)的精軋軋制規(guī)程計(jì)算及分析軟件對(duì)不同規(guī)格的SS400，SDX56D 和S500LF 進(jìn)行軋制規(guī)程計(jì)算，與在線模型計(jì)算的軋制力對(duì)比及誤差率如圖4所示。

圖4 軋制力計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of rolling force calculation results

本文軋制規(guī)程軟件計(jì)算得出的軋制力與在線模型計(jì)算的軋制力的偏差基本保持在10%以內(nèi)，寬規(guī)格計(jì)算的軋制力偏差稍大于窄規(guī)格的計(jì)算精度，但足以滿足使用軟件進(jìn)行軋制規(guī)程模擬計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、軋制工藝進(jìn)行優(yōu)化和制定。另外，在線模型計(jì)算結(jié)果均考慮的各鋼種、規(guī)格對(duì)應(yīng)的變形抗力、軋制力等自學(xué)習(xí)的影響，如果將模型自學(xué)習(xí)系數(shù)考慮到離線軟件計(jì)算中，變形抗力、軋制力、扭矩等參數(shù)的計(jì)算精度將會(huì)達(dá)到進(jìn)一步提高。

3.2 計(jì)算時(shí)間分析

對(duì)不同鋼種規(guī)格在不同工藝條件下進(jìn)行精軋軋制規(guī)程計(jì)算時(shí)，在軟件中記錄了計(jì)算過程耗時(shí)，并對(duì)101 次計(jì)算過程耗時(shí)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其中94次耗時(shí)低于3.129 s，平均耗時(shí)1.283 s，最低耗時(shí)0.23 s，完全在可接受范圍內(nèi)。其中耗時(shí)較長的幾次計(jì)算過程，均是修改數(shù)據(jù)庫文件后發(fā)生，軋制規(guī)程計(jì)算時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫模型參數(shù)導(dǎo)致，在線模型計(jì)算時(shí)，多數(shù)模型控制參數(shù)都提前讀取到內(nèi)存文件，將大大減少計(jì)算過程耗時(shí)，軋制規(guī)程計(jì)算過程耗時(shí)統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖5 軋制規(guī)程計(jì)算過程耗時(shí)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Time consumption statistics of rolling schedule calculation process

4 結(jié)語

軟件可實(shí)現(xiàn)熱軋生產(chǎn)過程中精軋軋制規(guī)程的快速計(jì)算，并將精軋軋制中最為關(guān)心的各機(jī)架壓下率、軋制力、電機(jī)扭矩和功率進(jìn)行柱狀圖可視化顯示，可以方便地看出各機(jī)架之間的比例關(guān)系，對(duì)優(yōu)化各機(jī)架軋制負(fù)荷、保證軋制穩(wěn)定有著重要的作用。支持從軟件界面和數(shù)據(jù)庫增加新鋼種和配置對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)、軋輥參數(shù)、電機(jī)參數(shù)等，并且與在線模型計(jì)算的軋制力的偏差基本保證在10%以內(nèi)，計(jì)算過程耗時(shí)93%的概率在3.21 s 以內(nèi)，計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間完全滿足模型參數(shù)優(yōu)化和工藝制度制定和優(yōu)化的需求，對(duì)縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，提高模型設(shè)定精度和產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的意義。