专利名称：四辊高强钢平整机辊径的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种平整设计技术，特别涉及一种四辊高强钢平整机辊径的设计方法。
背景技术：
近年来，随着汽车工业的迅猛发展，用户对汽车板的要求也越来越高，已由原来的追求良好的深冲特性转为要求材料兼顾深冲特性和强度特性，因此，促进了钢铁企业大力开发高强钢。高强钢的开发和生产已经成为钢铁企业生产水平高低的衡量标志。而平整机作为高强钢生产接近成品的一道工序，它直接影响到成品高强钢的机械性能、板形、表面质量等技术指标。因此，对高强钢平整机设计技术包括工作辊与支撑辊直径的确定就成为保证高强钢顺利生产的关键。
目前，国际上对高强钢平整机设计技术方面的研究起步较早的是新日铁，该公司设计开发的高强度平整机，能够生产出最高强度级别为1180Mpa的高强钢。而韩国的POSCO、欧洲的阿塞勒(Arcelor)以及川崎制铁公司、神户制钢等企业在高强钢平整机的设计研究方面也颇有建树。但是出于知识产权保护和技术垄断的需要，这些技术并没有被公开推广使用，仍处于保密阶段，至目前还没有检索到任何关于高强钢平整机辊径设计方面的国外文献，因此对高强钢平整机辊径设计技术的研究仍然是各国钢铁公司技术开发的重点。
在国内，对于对于高强钢平整机辊径设计方面的研究属于空白，也没有检索到任何相关文献。
同时，传统技术对于平整机辊径参数的设计一般采用经验类比原理，也就是根据数理统计方法，对已经存在的平整机辊径参数进行统计分析，得出回归公式，然后以此公式为依据确定出所需设计的平整机辊径参数。由于高强钢属于近年新开发的钢种，在此之前专业生产高强钢的平整机组几乎没有，因此采用传统的经验类比法来设计高强钢平整机的辊径参数也是行不通的。
发明内容
本发明的目的是建立一套适合高强钢平整机的工作辊与支撑辊辊径设计技术，要求所设计出的工作辊与支撑辊辊径既能保证平整产品的板形质量，又能够降低高强钢平整过程中工作辊与支撑辊的辊耗，还能够满足被平整高强钢产品的机械性能要求。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案，由计算机系统执行的步骤是(a)收集待设计辊径的高强钢平整机产品厚度范围(Hmin～Hmax)、宽度范围(Bmin～Bmax)、延伸率范围(εmin～εmax)和高强度钢的强度σs0；(b)收集待设计辊径的高强钢平整机的相关特征参数包括工作辊与支撑辊的辊身长L、平整机所允许的最大轧制压力为Pmax；(c)根据产品大纲，按照一定的规则将所有产品分组；(d)单一平整过程工作辊与支撑辊辊径参数的寻优；(e)高强钢平整机工作辊与支撑辊辊径参数的综合优化设计。
上述方法中所述产品分组是指将厚度按一定步长分成m1个代表值{H1，H2，…，Hm1}，宽度按一定的步长分成m2个代表值{B1，B2，…，Bm2}，延伸率按一定步长分成m3个代表值{ε1，ε2，…，εm3}。这样，实际上就将设计中的高强钢平整机所有规格产品在不同延伸率下的生产情况都涵盖在内，一共是m1·m2·m3种情况，并可用下式来表示Cn＝{Hi，Bj，εki＝1，2，…，m1；j＝1，2，…，m2；k＝1，2，…，m3}n＝1，2，…，m1·m2·m3上述方法中所述单一平整过程中工作辊与支撑辊辊径参数的寻优包括以下由计算机系统执行的步骤1)给定工作辊与支撑辊辊径初始值X0；2)令工作辊与支撑辊辊径X＝X0；3)计算该平整过程前张力的横向分布值σ1i、辊间压力分布值qi；4)计算单一平整过程辊径设计的目标函数F(X)；5)判断Powell条件是否成立，若不成立，调整工作辊与支撑辊辊径初始值X0，重复上述步骤2)、3)、4)，直至Powell条件成立，结束计算，得出单一平整过程的工作辊与支撑辊辊径参数。
上述方法中所述工作辊与支撑辊辊径初始值X0可以按照以下规则给定Db0＝(0.6～0.8)LDw0＝(0.286～0.4)Db0式中Dw0，Db0-工作辊与支撑辊的初始直径上述方法中所述前张力的横向分布值σ1mi、辊间压力分布值qmi计算时，相关基本条件如下前后总张力T1＝T2＝0.2σs0；摩擦系数取μ＝0.2；材料强度取σs＝1.1σs0；带材来料的凸度ΔHi的分布近似按二次曲线处理；比例凸度的大小根据经验可以取值为0.01；来料的板形认为是良好的，即取Li＝0；工作辊与支撑辊按平辊处理，即取ΔDwi＝0、ΔDbi＝0；弯辊力则取基态弯辊力，即令S＝0。
上述方法中所述单一平整过程辊径设计的目标函数F(X)可以用下式表示F(X)=α·g1(X,Cn)+(1-α)·g2(X,Cn)Pn(ϵmin,Dw+Dw·5%)≤Pmax]]>式中X＝{Dw，Db}g1(X，Cn)＝(max(σ1in)-min(σ1in))/T1g2(X，Cn)＝(max(qin)-min(qin))/qq-平均辊间压力；α-加权系数，一般取0.35在目标函数F(X)中g1(X)代表板形指标，而g2(X)则代表辊间压力的横向分布均匀度指标。在约束条件中，之所以取Dw＝Dw+Dw·5％，是考虑到工作辊的重车率。
上述方法中所述高强钢平整机工作辊与支撑辊辊径参数的综合优化设计包括以下由计算机系统执行的步骤1)给定工作辊与支撑辊辊径初始值X0；2)令工作辊与支撑辊辊径X＝X0；3)计算各单一平整过程中前张力的横向分布值σ1mi、辊间压力分布值qmi；4)计算各单一平整过程中辊径设计的目标函数Fm(X)；5)计算综合优化目标函数G(X)；6)判断Powell条件是否成立，若不成立，调整工作辊与支撑辊辊径初始值X0，重复上述步骤2)、3)、4)以及步骤5)，直至Powell条件成立，结束计算，完成工作辊与支撑辊辊径参数的综合优化设计。
上述方法中所述综合优化目标函数G(X)可以用下式来表示G(X)=A0·1m·Σn=1m(Fn(X)-1mΣn=1mFn(X))2+(1-A0)·1mΣn=1mFn(X)Pn(ϵmin)≤Pmax,n=1,2,···,m]]>式中m＝m1·m2·m3A0-加权系数，一般取0.35应该说明的是，单一平整过程Cn的优化结果，对实际的平整机辊径设计是没有任何指导价值的，因为在实际生产过程中不可能为每一轧制过程都设计一套轧辊。因此，真正有实际意义的辊径优化设计方案，是通过给定一个合适工作辊与支撑辊辊径，使得轧辊在轧制所有规格的产品(在实际生产中，一般选择经常生产的m个规格的产品来进行优化，而且应该根据其出现概率进行加权，越是经常生产的产品，加权系数取得越大)时，板形都很好，而且辊间压力都很均匀、机械性能也能满足要求。
通过以下结合附图对本发明实施例的描述，可以进一步理解本发明的目的、特征和优点。
图1是四辊高强钢平整机的辊径参数设计计算流程图；图2是本发明实施例1的特定平整过程高强钢平整机的工作辊与支撑辊辊径参数求解计算流程图；图3是按照本发明实施例2的高强钢平整机的工作辊与支撑辊综合设计计算流程图。
具体实施例方式
实施例1根据轧制理论可以知道，高强钢平整机的总轧制压力可以用下式所示的函数来表示P＝f(Dw，B，H，ε，σs，T1，T0，μ)式中P-总轧制压力；Dw-工作辊直径；B-带材宽度；H-带材的来料厚度；ε-平整延伸率；σs-材料强度；T1，T0-前后张力；μ-摩擦系数。
在辊径设计过程中，可以令张力T1＝T2＝0.2σs0。同时根据平整机的特点，摩擦系数取μ＝0.2。最后根据生产大纲，并考虑到材料性能的波动，取材料强度σs＝1.1σs0。这样，上式就可以表示为P＝f(Dw，B，H，ε)根据相关文献可以知道，在轧制过程中带材的前张力σ1i、辊间压力qi分别可用下式函数表示σ1i＝f1(H，ΔHi，P，Li，B，T0，T1，S，Dw，ΔDwi，Db，ΔDbi)qi＝f2(H，ΔHi，P，Li，B，T0，T1，S，Dw，ΔDwi，Db，ΔDbi)式中ΔHi-带材来料的凸度度横向分布值；Li-表示来料板形的长度横向分布值；Db-支撑辊直径；S-弯辊力；ΔDwi-工作辊辊型分布；ΔDbi-支承辊辊型分布。
在辊径设计过程中，对于带材来料的凸度ΔHi的分布可以近似按二次曲线处理，比例凸度的大小根据经验可以取值为0.01；来料的板形认为是良好的，即取Li＝0；同时，对于工作辊与支撑辊按平辊处理，即取ΔDwi＝0、ΔDbi＝0；弯辊力则取基态弯辊力，即令S＝0。这样，相关公式就可以表示为σ1i＝f1(H，P，B，Dw，Db)qi＝f2(H，P，B，Dw，Db)将轧制压力公式代入到上式得σ1i＝f3(H，ε，B，Dw，Db)qi＝f4(H，ε，B，Dw，Db)为了方便辊径设计，根据产品大纲，可以将厚度按一定的规则分成m1个代表值{H1，H2，…，Hm1}，宽度按一定的规则分成m2个代表值{B1，B2，…，Bm2}，延伸率按一定的规则分成m3个代表值{ε1，ε2，…，εm3}。这样，实际上就将设计中的高强钢平整机所有规格产品在不同延伸率下的的生产情况都涵盖在内，一共是m1·m2·m3种情况，可用下式来表示Cn＝{Hi，Bj，εki＝1，2，…，m1；j＝1，2，…，m2；k＝1，2，…，m3}n＝1，2，…，m1·m2·m3显然，对于任何一个特定的平整轧制情况Cn，经过简单分析可以知道，在其他参数按上面介绍的规则设定时，其前张力σ1i、辊间压力qi就决定于工作辊的直径Dw与支承辊的直径Db，并可以进一步用下式来表示
σ1in＝f3(Dw，Db，Cn)qin＝f4(Dw，Db，Cn)这样，对于单一规格而言，为了使平整过程顺利进行，在满足产品满足机械性能约束的前提下兼顾到板形与辊耗问题，可以将辊径设计的目标函数可以简单的定义为F(X)=α·g1(X,Cn)+(1-α)·g2(X,Cn)Pn(ϵmin,Dw+Dw·5%)≤Pmax]]>式中X＝{Dw，Db}g1(X，Cn)＝(max(σ1in)-min(σ1in))/T1g2(X，Cn)＝(max(qin)-min(qin))/qq-平均辊间压力；α-加权系数在式目标函数中g1(X)代表板形指标，而g2(X)则代表辊间压力的横向分布均匀度指标。在约束条件中，之所以取Dw＝Dw+Dw·5％，是考虑到工作辊的重车率。
图2为按照本发明实施例1的特定平整过程高强钢平整机的工作辊与支撑辊辊径参数设计计算流程图。该实施例被用于单一平整平整过程工作辊与支撑辊辊径参数的寻优。以下给出了采用本发明方法对某一高强钢平整机的工作辊与支撑辊辊径参数设计过程和计算结果首先在步骤21中，首先根据产品大纲(见表1)，按照一定的规则将所有产品分组表1高强钢平整机产品大纲
其中，厚度分组情况为{1.0，1.2，1.4，……，5.8，6.0}，即m1＝25宽度分组情况为{500，550，600，……，1400，1450}，即m2＝20延伸率分组情况为{0.5，0.6，0.7，……，1.4，1.5}，即m3＝11随后，在步骤22中，给定前后总张力、摩擦系数、来料凸度、来料板形、弯辊力辊型等初始设定值，其基本原则为前后总张力T1＝T2＝0.2σs0；摩擦系数取μ＝0.2；材料强度取σs＝1.1σs0；带材来料的凸度ΔHi的分布近似按二次曲线处理；比例凸度的大小根据经验可以取值为0.01；来料的板形认为是良好的，即取Li＝0；工作辊与支撑辊按平辊处理，即取ΔDwi＝0、ΔDbi＝0；弯辊力则取基态弯辊力，即令S＝0。
随后，在步骤23中，给出工作辊直径与支撑辊直径的初始值X0＝{Dw0，Db0}，并且将X0按照以下规则给定Db0＝(0.6～0.8)LDw0＝(0.286～0.4)Db0随后，在步骤24中，令工作辊与支撑辊辊径参数X＝X0，即X＝{1106，331}随后，在步骤25中，计算特定的平整轧制情况Cn下对应的前张力的横向分布值σ1i、辊间压力分布值qi，假设Cn＝{1.0，500，0.5}随后，在步骤26中，计算辊径优化设计所用的目标函数F(X)。
随后在步骤27中，判断Powell条件是否成立，若不成立，调整工作辊与支撑辊辊径初始值X0，重复上述步骤24)、25)、26)，直至Powell条件成立，结束计算，得出单一平整过程的最优工作辊与支撑辊辊径参数。
随后，在步骤28中，输出单一平整过程的最优工作辊与支撑辊辊径参数，X＝{1200，400}。
实施例2显然，经过分析可以知道，单一平整过程Cn的优化结果，对实际的平整机辊径设计是没有任何指导价值的，因为在实际生产过程中不可能为每一轧制过程都设计一套轧辊。因此，真正有实际意义的辊径优化设计方案，是通过给定一个最优的工作辊与支撑辊辊径，使得轧辊在轧制所有规格的产品(在实际生产中，一般选择经常生产的m个规格的产品来进行优化，而且应该根据其出现概率进行加权，越是经常生产的产品，加权系数取得越大)时，板形都很好，而且辊间压力都很均匀，同时机械性能满足要求。此时，优化设计的目标函数应该用下式来表示G(X)=A0·1m·Σn=1m(Fn(X)-1mΣn=1mFn(X))2+(1-A0)·1mΣn=1mFn(X)Pn(ϵmin)≤Pmax,n=1,2,···,m]]>式中A0-加权系数，一般取0.35图3为按照本发明实施例2的的高强钢平整机的工作辊与支撑辊综合设计计算流程图。该实施例被用于高强钢平整机工作辊与支撑辊辊径的综合设计计算。以下给出了采用本发明方法对某一高强钢平整机的工作辊与支撑辊辊径参数设计过程和计算结果在步骤31中，首先根据产品大纲(见表2)，将厚度按一定步长分成m1个代表值{H1，H2，…，Hm1}，宽度按一定的步长分成m2个代表值{B1，B2，…，Bm2}，延伸率按一定步长分成m3个代表值{ε1，ε2，…，εm3}。这样，实际上就将设计中的高强钢平整机所有规格产品在不同延伸率下的的生产情况都涵盖在内，一共是m1·m2·m3种情况，并可用下式来表示Cn＝{Hi，Bj，εki＝1，2，…，m1；j＝1，2，…，m2；k＝1，2，…，m3}n＝1，2，…，m1·m2·m3表2高强钢平整机产品大纲
其中，厚度分组情况为{1.0，1.2，1.4，……，5.8，6.0}，即m1＝25宽度分组情况为{500，550，600，……，1400，1450}，即m2＝20延伸率分组情况为{0.5，0.6，0.7，……，1.4，1.5}，即m3＝11随后，在步骤32中，给定前后总张力、摩擦系数、来料凸度、来料板形、弯辊力辊型等初始设定值，其基本原则为前后总张力T1＝T2＝0.2σs0；摩擦系数取μ＝0.2；材料强度取σs＝1.1σs0；带材来料的凸度ΔHi的分布近似按二次曲线处理；比例凸度的大小根据经验可以取值为0.01；来料的板形认为是良好的，即取Li＝0；工作辊与支撑辊按平辊处理，即取ΔDwi＝0、ΔDbi＝0；弯辊力则取基态弯辊力，即令S＝0。
随后，在步骤33中，给出工作辊直径与支撑辊直径的初始值X0＝{Dw0，Db0}，并且将X0按照以下规则给定Db0＝(0.6～0.8)LDw0＝(0.286～0.4)Db0随后，在步骤34中，令工作辊与支撑辊辊径参数X＝X0，，即X＝{1106，331}随后，在步骤35中，计算特定的平整轧制情况Cn下对应的各单一平整过程中前张力的横向分布值σ1ni、辊间压力分布值qni，其计算表达式为σ1in＝f3(Dw，Db，Cn)
qin＝f4(Dw，Db，Cn)随后，在步骤36中，计算单一平整过程辊径优化设计所用的目标函数Fn(X)，如下式(27)所示F(X)=α·g1(X,Cn)+(1-α)·g2(X,Cn)Pn(ϵmin,Dw+Dw·5%)≤Pmax]]>式中X＝{Dw，Db}g1(X，Cn)＝(max(σ1in)-min(σ1in))/T1g2(X，Cn)＝(max(qin)-min(qin))/qq-平均辊间压力；α-加权系数随后，在步骤37中，计算综合高强钢平整机辊径综合优化目标函数G(X)。
随后在步骤38中，判断Powell条件是否成立，若不成立，调整工作辊与支撑辊辊径初始值X0，重复上述步骤34)、35)、36)、37)，直至Powell条件成立，结束计算，得出的最优工作辊与支撑辊辊径参数。
随后，在步骤39中，输出综合优化后的工作辊与支撑辊辊径参数，X＝{1250，430}，这就是适合该高强钢平整机的最佳辊径参数。
权利要求
1.一种四辊高强钢平整机辊径的设计方法，其特征在于包括以下由计算机系统执行的步骤(a)收集待设计辊径的高强钢平整机的生产大纲包括平整产品厚度范围(Hmin～Hmax)、宽度范围为(Bmin～Bmax)、延伸率范围(εmin～εmax)和高强度钢的强度σs0；(b)收集待设计辊径的高强钢平整机的相关特征参数包括工作辊与支撑辊的辊身长L、平整机所允许的最大轧制压力为Pmax；(c)根据产品大纲，按照一定的规则将所有产品分组；(d)单一平整过程工作辊与支撑辊辊径参数的寻优，按以下步骤完成单一平整过程工作辊与支撑辊辊径参数的寻优1)给定工作辊与支撑辊辊径初始值X0；2)令工作辊与支撑辊辊径X＝X0；3)计算该平整过程前张力的横向分布值σ1i、辊间压力分布值qi；4)计算单一平整过程辊径设计的目标函数F(X)；5)判断Powell条件是否成立，若不成立，调整工作辊与支撑辊辊径初始值X0，重复上述步骤2)、3)、4)，直至Powell条件成立，结束计算，得出单一平整过程的工作辊与支撑辊辊径参数；(e)高强钢平整机工作辊与支撑辊辊径参数的综合优化设计，按以下步骤完成高强钢平整机工作辊与支撑辊辊径参数的综合优化设计1)给定工作辊与支撑辊辊径初始值X0；2)令工作辊与支撑辊辊径X＝X0；3)计算各单一平整过程中前张力的横向分布值σ1ni、辊间压力分布值qni；4)计算各单一平整过程中辊径设计的目标函数Fn(X)；5)计算综合优化目标函数G(X)；6)判断Powell条件是否成立，若不成立，调整工作辊与支撑辊辊径初始值X0，重复上述步骤2)、3)、4)以及步骤5)，直至Powell条件成立，结束计算，完成工作辊与支撑辊辊径参数的综合优化设计。
2.根据权利要求1所述的四辊高强钢平整机辊径的设计方法，其特征在于，所述步骤(c)中的产品分组是指将厚度按一定步长分成m1个代表值{H1，H2，…，Hm1}，宽度按一定的步长分成m2个代表值{B1，B2，…，Bm2}，延伸率按一定步长分成m3个代表值{ε1，ε2，…，εm3}；这样，实际上就将设计中的高强钢平整机所有规格产品在不同延伸率下的的生产情况都涵盖在内，一共是m1·m2·m3种情况，并可以简单的用下式来表示Cn＝{Hi，Bj，εki＝1，2，…，m1；j＝1，2，…，m2；k＝1，2，…，m3}n＝1，2，…，m1·m2·m3
3.根据权利要求1所述的四辊高强钢平整机辊径的设计方法，其特征在于，所述步骤(d)中的工作辊与支撑辊辊径初始值X0可以按照以下规则给定Db0＝(0.6～0.8)LDw0＝(0.286～0.4)Db0式中Dw0，Db0-工作辊与支撑辊的初始直径
4.根据权利要求1所述的四辊高强钢平整机辊径的设计方法，其特征在于，所述步骤(d)中前张力的横向分布值σ1mi、辊间压力分布值qmi计算时，相关基本条件如下前后总张力T1＝T2＝0.2σs0；摩擦系数取μ＝0.2；材料强度取σs＝1.1σs0；带材来料的凸度ΔHi的分布近似按二次曲线处理；比例凸度的大小根据经验可以取值为0.01；来料的板形认为是良好的，即取Li＝0；工作辊与支撑辊按平辊处理，即取ΔDwi＝0、ΔDbi＝0；弯辊力则取基态弯辊力，即令S＝0。
5.根据权利要求1所述的四辊高强钢平整机辊径的设计方法，，其特征在于，所述步骤(d)中单-平整过程辊径设计的目标函数F(X)可以用下式表示F(X)=α·g1(X,Cn)+(1-α)·g2(X,Cn)Pn(ϵmin,Dw+Dw·5%)≤Pmax]]>式中X＝{Dw，Db}g1(X，Cn)＝(max(σ1in)-min(σ1in))/T1g2(X，Cn)＝(max(qin)-min(qin))/qq-平均辊间压力；α-加权系数，一般取0.35
6.根据权利要求1所述的四辊高强钢平整机辊径的设计方法，其特征在于，所述步骤(e)中综合优化目标函数G(X)可以用下式来表示G(X)=A0·1m·Σn=1m(Fn(X)-1mΣn=1mFn(X))2+(1-A0)·1mΣn=1mFn(X)Pn(ϵmin)≤Pmax,n=1,2,···,m]]>式中m＝m1·m2·m3A0-加权系数，一般取0.3全文摘要
本发明提供一种四辊高强钢平整机辊径的设计方法，该方法包括以下步骤(a)收集待设计辊径的高强钢平整机的生产大纲；(b)收集待设计辊径的高强钢平整机的相关特征参数；(c)根据产品大纲，按照一定的规则将所有产品分组；(d)单一平整过程辊径参数的寻优；(e)高强钢平整机辊径参数的综合优化设计。本发明是在充分考虑到高强钢平整机生产工艺特点的基础上，同时兼顾板形与辊耗问题，将带材的出口前张力与辊间压力横向分布都均匀作为优化目标函数，把保证所有被平整高强钢产品的机械性能都满足产品大纲要求作为约束条件来完成高强钢平整机的工作辊与支承辊辊径参数设计。根据本发明所设计出的工作辊与支撑辊辊径既能保证平整产品的板形质量，又能够降低高强钢平整过程中工作辊与支撑辊的辊耗，还能够满足被平整高强钢产品的机械性能要求。
文档编号G06F17/50GK1838131SQ20061001245
公开日2006年9月27日 申请日期2006年2月24日 优先权日2006年2月24日
发明者白振华 申请人:燕山大学