基于EXCEL 的冷连轧模型调试工具

羌菊兴,凌鹰鹤,舒　萦

(宝山钢铁股份有限公司设备部,上海　201900)

　　摘要:建立一套可靠的离线模型调试工具,为实际生产提供技术依据十分重要。依据冷连轧轧制力模型公式、辊缝模型公式、轧辊压扁半径计算模型等公式,在EXCEL 下建立了各个模型之间的关系。通过先调整变形抗力参数,再调整摩擦因数可以使轧制力自适应系数达到1;通过采集实际的轧制力,用实际轧制力公式反推摩擦因数,达到调整模型参数的目的。

　　关键词:冷连轧; 模型; 轧制力; 自适应系数

Debug Tools for the Cold S tr ip Rollin gM odel Ba sed on EXCEL

Q I ANG J ux in g, L I NG Ying he and S HU Ying

( Equ ipmen t Depar tm en t, Ba oshan Iron & Steel Co. , L td. , Shan gha i 201900, Ch ina )

　　Abstrac t: In order to p rovide a technical gist for the actua l production, it is important to set up a set of re liable debug tools for off2line models. Based on the mode ls of the rolling force, the rolling gap and the flattening radius of the bending roll, the relationship between modelswas established in the EXCEL form. First adjust the distortion force parameters and then adjust the friction coefficient,making the adaptive coefficient of the rolling force equal to 1. By collec ting the actua l rolling force,the friction coefficient can be inferred using the actual rolling force formula, so as to achieve the aim of adjusting the model paramete rs.

Key wor ds: cold strip rolling; model; rolling force; adaptive coefficient

0　前言

钢铁产量的多少可以衡量一个国家的工业发展水平。我国是一个钢铁生产的大国,但是我国还不是钢铁生产的强国,距离国际钢铁生产强国还有不小的差距。在作为钢铁工业中的重要生产过程———板带冷轧方面^{[ 1 - 2 ]} ,还有许多可以提高的地方。如何建立一套可靠的离线模型调试工具,为实际生产提供技术依据变得十分重要。本研究依据冷连轧轧制力模型、辊缝模型、轧辊压扁半径模型等理论公式,在EXCEL下建立各个模型之间的关系,通过先调整变形抗力参数再调整摩擦因数使轧制力自适应系数达到1^{[ 3 ]} ,并利用轧制力公式反推了摩擦因数计算公式。依据现场收集的数据,利用调试工具可以调试出不同带钢的变形抗力参数和摩擦因数参数^{[ 4 - 5 ]} , 为在线参数调试提供参考数据,这就可以为轧制设定提供很大帮助。

1　冷连轧轧制力计算公式

冷轧带钢轧制力计算和热轧钢板轧制力计算相比有以下特点:

(1)轧件几何形状更接近推导理论公式时所做的假设,即宽度比厚度大得多。宽展很小,可以认为是平面变形问题;轧件厚度小,可认为平截面假设和滑动摩擦理论较符合实际,轧件内部不均匀变形可以忽略。从这一点看,根据变形区力的平衡推导出的微分方程式比较接近冷轧实际。

(2)冷轧时一般需采用冷却液,这是由于冷轧时轧辊和轧件接触面上的摩擦力对轧制力等工艺参数的影响较大,采用冷却液及轧制条件不同时(如轧制速度、轧件和轧辊的材料及表面状态等)摩擦因数不同^{[ 6 ]} ,这就给轧制力理论计算带来很大困难。如何正确确定摩擦因数大小,是各理论公式不易精确的一个主要原因。但应看到在一定的设备和稳定的生产条件下,上述影响因素的变化不是很大,因此结合具体情况,通过现场实测统计,找出合适的计算公式(或找出理论公式中某些系数)是完全可能的。

(3)冷轧带钢的一个重要条件是采用较大的前后张力,带钢愈薄张力的作用愈大。张力可减小轧制力,有利于冷轧的进行,且当板型不好时,通过横断面张力分配的作用,可在一定程度上自动改善板型,因此大张力轧制亦是为了获得平直板型所必须的。总之,计算冷轧带钢轧制力时,必须考虑前后张力的影响。

(4)冷轧时由于带钢较薄较硬,因此接触弧中单位压力较大,使轧辊在接触弧处产生压扁现象,从而加长了接触弧的实际长度。所以冷轧薄板时,轧辊的压扁现象不容忽略,在计算轧制力时必须加以考虑。

(5)轧件材料的变形阻力由于有加工硬化的影响^{[ 7 ]} ,故各道次的变形阻力往往和前面各道次的加工率有关。而且对本道次来说,它也是沿着接触弧变化的,出口处比入口处要硬,计算时应取其平均值。

考虑上述各点, 冷连轧模型调试工具中轧制力公式采用了Hill公式:

　　P = b k_pκD_p    R′(H - h) Z_p                   ( 1)

式中, P为轧制力, kN; b为轧件平均宽度,mm; k_p为平均变形阻抗;κ为张力影响系数; D_p为考虑压扁后的外摩擦应力状态系数; R′为轧辊压扁半径,mm; H为机架前厚度,mm; h为机架后厚度, mm;Z_p为轧制力自适应系数。

摩擦因数计算:

压扁半径计算:

图1中通过调节变形阻抗和摩擦因数,可以重新计算轧制力,并且和实际的轧制比较得到轧制力自适应系数( ZP ) 。当轧制力自适应系数为1时,表示模型计算的值和实际控制的值是一致的,此时左上半区域的数据就是我们需要的系数。图2和图3将以1机架为例展示调整的效果。

图2是根据调整后的摩擦因数在各个速度点上重新计算轧制力,并且和实际轧制力比较后得到的轧制力自适应系数统计情况,从图2中可以直观看到自适应系数围绕1波动,说明调试的效果满足了要求。

　图3中,myuE表示的是利用轧制力公式反推出的摩擦因数,myuA表示利用摩擦因数公式计算出的摩擦因数。从图中可以看到,调整以后的参数计算的1机架摩擦因数可以稳定在0. 03附近,这样就可以确定摩擦因数参数是稳定有效的。

式中,R 为轧辊半径,mm; C_H 为杨氏模量;μ为摩擦因数; r为相对变形量。

2　变形阻抗计算方法

总的压下量根据咬钢时入口和出口的厚度变化而确定,它可以用下文所述的过程来近似计算。在方程中所使用的常数已经定义在最小的量,方程中所使用的逼近方法和计算压力分布使用的Orowan方法之间的偏差在允许的范围内。

(1) 平均总的压下量:

　　r_t = (1 - β) r_b +βr_f = (H₁ - h_m ) /H₁          ( 4)

　　h_m = ( 1 - β) H +βh                      ( 5)

β是常数( 0. 75) 。

(2) 轧制过程中平均应变率:

　　ε = ln{ 1 / ( 1 - r_t ) } = ln{H₁ / h_m }          ( 6)

　　(3) 测试使用的变形阻抗计算方法:

　　k_s = k (ε + m) ⁿ                           ( 7)

　　以上各式中: r_b为入口总压下量; r_f为出口总变形量; h_m为平均厚度; k_s为统计测试使用的变形阻抗; k,m, n为用于变形阻抗计算的常数; H₁ 为1机架入口厚度,mm。

3　调试模型工具的设计

在模型调试工具中,分参数调试区、已知数据区、模型计算区、调试效果图四部分。从已知的来料厚度、产品厚度、各机架带钢出入口厚度、带钢宽度、轧辊半径、前后张力等可以计算出相对压下量、应力变化率、变形阻抗、摩擦因数、张力效率等,最后计算出轧制力和轧制力自适应系数,再反推出摩擦因数。

以某一带钢为例:

(1)参数调试区, 其变形阻抗参数和摩擦因数参数分别如表1, 2所示。

摩擦因数计算方法

(2)其他各个部分分布。

在模型工具中,为了更好地调整相关的参数,必须在表格中计算相关的参数,即通过可以收集到的参数放在已知数据区, 然后根据模型计算的公式计算以下变量:压下量计算、应力变化率计算、变形阻抗计算、摩擦因数以及张力效率计算、轧制力计算和其他诸如前滑等计算。已知数据区、压下量相关计算、应力变化率相关计算、变形阻抗相关计算、摩擦因数及张力效率、轧制力等计算分别列于表3～8。

输入现场收集的同一种带钢的数据,通过调整调试区参数,就可以使得轧制力自适应系数尽可能地靠近1。为了能直观地看出调试效果,在调试效果图部分,绘出了轧制力自适应系数与轧制速度、换辊后轧制的钢卷数及摩擦因数的散点图。

4　调试效果

图1～3为调试效果图。

5　结论

从调试效果图可以看出,轧制力自适应系数都在1附近。达到了较好的效果。利用调试工具,可以得出不同钢种、不同原料厚度及成品厚度的变形抗力参数和摩擦因数参数。这些参数可以为实际轧制过程设定提供理论数据,为在线调试提供数据依据。

参考文献

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摘自《宝钢技术》2010年第2期