一种冷连轧机高速轧制过程的工艺润滑制度优化的制作方法
本发明涉及轧钢轧制工艺润滑制度技术领域，特别是涉及一种冷连轧机高速轧制过程的工艺润滑制度优化。
背景技术：
板带钢是钢铁工业的主干产品，其生产技术水平和质量精度水平标志着一个国家的钢铁工业的技术发展水平。冷轧钢板以其优异的可加工性能，被广泛应用于汽车、家电、轻工、建筑等国民经济的各主要部门，成为一种重要的工业原材料。
伴随着经济社会的发展，生活水平的提高，板带钢的需求在逐步增加。但是通过建立新的生产机组提高产量需投入大量的人力物力，而通过增加现有机组的轧制速度提高产量则基本不会增加生产成本，因此需重点研究冷连轧机组高速轧制过程的配套工艺措施。而其中冷连轧机高速轧制过程的工艺润滑制度又是其中的一个关键问题。在冷连轧机高速轧制过程中，由于轧制速度非常高，导致了轧制过程中工作辊粗糙度衰减加剧、液压管件工作环境恶化引起轧油泄漏进入乳化液循环系统、同时轧制过程整体温度升高、加减速阶段卷入速度波动增大。因此，为保障冷连轧机组在高速轧制过程的稳定生产，需针对高速轧制过程可能产生的工艺润滑问题，提出高速轧制过程工艺润滑制度优化。
技术实现要素：
为了避免高速轧制过程可能产生的工艺润滑问题，本发明提供了一种冷连轧机高速轧制过程的工艺润滑制度优化，通过对高速轧制过程的温度升高、工作辊粗糙度衰减加剧、轧油泄露、卷入速度波动增大四个方面提出相应的工艺润滑制度优化，并在此基础上给出了对应的解决措施。
本发明所采用的技术方案是：
一种冷连轧机高速轧制过程的工艺润滑制度优化，包括冷连轧机高速轧制过程温度升高工艺润滑制度优化、轧制过程工作辊粗糙度衰减加剧工艺润滑制度优化、轧制过程轧油泄露工艺润滑制度优化、轧制过程卷入速度波动增大工艺润滑制度优化。
轧制过程温度升高工艺润滑制度优化：根据乳化液不同温度下的颗粒度(p.s.i)和稳定性(e.s.i)，确定了轧制区入口处最佳温度值；根据不同轧制区温度下轧制油是否失效，确定了轧制区内的极限温度值。
轧制过程工作辊粗糙度衰减加剧工艺润滑制度优化：通过建立工作辊表面粗糙度细观磨损模型，仿真计算轧制过程中随着工作辊服役里程的增加，工作辊表面粗糙度的衰减规律。通过建立带钢冷轧过程界面摩擦润滑模型，仿真计算结果确定了高速轧制过程中，工作辊表面粗糙度的范围。利用上述两个模型得到了高速轧制过程中工作辊粗糙度的使用规范，明确了工作辊上下机粗糙度值和工作辊的服役里程。
轧制过程轧油泄露工艺润滑制度优化：在轧制过程中由于轧机漏油可能导致的乳化液浓度的变化也会影响轧制区润滑状态，并决定高速轧制过程的稳定性。通过在实验轧机上进行轧制润滑实验，确定了乳化液浓度变化对轧制区润滑状态的影响规律，明确了高速轧制过程中乳化液浓度的范围。
轧制过程卷入速度波动增大工艺润滑制度优化：通过建立带钢冷轧过程界面摩擦润滑模型，仿真分析了卷入速度的变化对轧制区润滑状态的影响规律，并在此基础上确定了冷连轧机高速轧制过程中速度变化率，以确保轧制区内摩擦系数波动不会过大引起自激振动。
作为上述技术方案的改进，为确定轧制区入口处最佳温度值，轧制速度的升高，必然导致轧制区内摩擦加剧，导致摩擦热量的增多，同时单位时间内金属塑性变形量的增加，会导致单位时间内塑性变形产热增多，会引起轧制过程温度的升高。由此建立轧制速度升高后轧制过程温度计算模型，具体如下：
辊缝中带钢的表面温度可表示为温升计算公式
式中tbi为带钢第i段表面温度；te为带钢入口温度；qvi为第i段带钢的变形热；qri为第i段带钢的摩擦热；qli为第i段带钢热传导损失的热量；
i、摩擦热计算公式
qri为第i段产生的摩擦热,j；
式中
ii、带钢变形热计算
式中kfi为带钢增加的强度；i，j为划分的区域号；imax为最大划分区域数；he为出口带钢厚度mm，ha为出口带钢厚度,mm；hi为第i段带钢厚度，mm；dhi为第i段带钢厚度变化量，mm；qvj为第j段带钢产生的边形热；
iii、带钢散发热量计算
式中tk为接触时间，s；δt为温度变化量,℃；α为温差影响系数；bb为带钢绝对吸收热系数；bw为轧辊绝对吸收热系数；k为接触系数。
作为上述技术方案的改进，为确定高速轧制过程轧制区内轧制油失效的极限温度值，首先固定轧机三个辊缝位置，将带钢所在加热炉加热至较高温度，并分别保温10分钟，然后取出带钢进行轧制，且每块带钢轧制都进行确定的三个道次压下，并测量每一道次轧后带钢厚度，从而记录分析，确定轧制油失效温度。
作为上述技术方案的改进，采用元胞自动机理论在对轧辊磨损失效机理分析的基础上，制定粗糙接触表面的疲劳磨损、磨粒磨损等局部转换规则，进一步确定仿真算法，采用matlab语言进行编程，得出仿真结果。
作为上述技术方案的改进，建立带钢冷轧过程界面摩擦润滑模型，该模型将轧制区分为入口区、变形区和出口区，其中入口区分为全膜入口区和混合入口区，使用vb语言编写了模拟计算程序，通过仿真计算得到不同轧制温度、卷入速度以及粗糙度下轧制区摩擦系数的大小，获得轧制温度、卷入速度以及粗糙度对轧制润滑状态的影响规律。
本发明的有益效果：一种冷连轧机高速轧制过程的工艺润滑制度优化，通过对高速轧制过程的温度升高、工作辊粗糙度衰减加剧、轧油泄露、卷入速度波动增大四个方面提出相应的工艺润滑制度；确定了轧制区入口温度温度范围以确保乳化液具有最优的颗粒度值(p.s.i)和稳定性(e.s.i)，轧制区内温度范围以确保低于轧制油耐温极限值；确定了高速轧制过程工作辊粗糙度使用规范，包括上下机工作辊粗糙度值和轧制里程；确定了高速轧制过程轧制区内摩擦系数的波动范围，防止自激振动的发生；确定了高速轧制过程乳化液的皂化值范围，防止乳化液内轧油含量过高影响润滑效果。
附图说明
图1为轧制区温升随轧制速度变化曲线；
图2为较高轧制区温度有无润滑轧制带钢厚度对比；
图3为轧辊磨损整体计算流程图；
图4为疲劳磨损计算框图；
图5为磨粒磨损计算框图；
图6为元胞自动机仿真工作辊表面细观磨损结果；
图7为轧制力随乳化液浓度变化规律；
图8为轧制区润滑过程示意图；
图9为不同轧制速度下轧制区油膜厚度分布曲线；
图10为润滑模型计算过程流程图；
图11为不同轧制速度下轧制区摩擦系数分布曲线；
图12为连续升速时系统的时域响应；
图13为间断升速时系统的时域响应；
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
具体实施时，一种冷连轧机高速轧制过程的工艺润滑制度优化，确定了高速轧制过程中温度升高、工作辊粗糙度衰减加剧、卷入速度波动增大以及轧油泄露可能产生的影响工艺润滑的问题，并在此基础上提出了对应的对策措施以及相应的工艺润滑解决技术。
1、高速轧制过程温度升高工艺润滑制度优化
利用实验研究乳化液在不同温度下的颗粒度(p.s.i)和稳定性(e.s.i)，确定了轧制区入口处最佳温度值；采用轧制实验研究了不同轧制区温度下轧制油是否失效，确定了轧制区内的极限温度值。以上述两个值为控制目标值，通过控制机架间乳化液喷洒量和调整乳化液温度值确保高速轧制过程中轧制区入口处和轧制区内温度值、高速轧制过程润滑满足要求。
为确定轧制区入口处最佳温度值，轧制速度的升高，必然导致轧制区内摩擦加剧，导致摩擦热量的增多，同时单位时间内金属塑性变形量的增加，会导致单位时间内塑性变形产热增多，会引起轧制过程温度的升高。由此建立轧制速度升高后轧制过程温度计算模型，具体如下：
辊缝中带钢的表面温度可表示为温升计算公式
式中tbi为带钢第i段表面温度；te为带钢入口温度；qvi为第i段带钢的变形热；qri为第i段带钢的摩擦热；qli为第i段带钢热传导损失的热量；
i、摩擦热计算公式
qri为第i段产生的摩擦热,j；
式中
ii、带钢变形热计算
式中kfi为带钢增加的强度；i，j为划分的区域号；imax为最大划分区域数；he为出口带钢厚度mm，ha为出口带钢厚度,mm；hi为第i段带钢厚度，mm；dhi为第i段带钢厚度变化量，mm；qvj为第j段带钢产生的边形热；
iii、带钢散发热量计算
式中tk为接触时间，s；δt为温度变化量,℃；α为温差影响系数；bb为带钢绝对吸收热系数；bw为轧辊绝对吸收热系数；k为接触系数。
通过上述模型计算得到轧制速度升高导致各个机架轧制区内温度升高的结果如图1所示，在目前冷却条件不变的情况下，随着轧制速度升高各个机架温度值都有所上升，且下游机组轧制区温度值上升会叠加上游各机组温升值，由此可知4#和5#机架温度值上升最多，由此为保证轧制区入口处乳化液具有最优的颗粒度(p.s.i)和稳定性(e.s.i)，需增大3/4机架间和4/5机架间乳化液喷洒量，从而增大带钢冷却效果，且乳化液喷洒量增大取决于轧制速度升高大小。
为确定高速轧制过程轧制区内轧制油失效的极限温度值，采用轧制实验进行确定，具体实验过程为：首先固定轧机三个辊缝位置，将带钢所在加热炉加热至较高温度，并分别保温10分钟，然后取出带钢进行轧制，且每块带钢轧制都进行确定的三个道次压下，并测量每一道次轧后带钢厚度，从而记录分析，确定轧制油失效温度。由图2所示，当轧制区温度升高至200℃时，此时轧制油对轧制区润滑效果减弱，有润滑轧制出口带钢厚度增加，推断部分轧制油颗粒由于高温失效，因此要求高速轧制过程中轧制区内温度值不应高于200℃。
2、高速轧制过程工作辊粗糙度衰减加剧工艺润滑制度优化
通过建立工作辊表面粗糙度细观磨损模型，仿真计算轧制过程中随着工作辊服役里程的增加，工作辊表面粗糙度的衰减规律；同时通过建立带钢冷轧过程界面摩擦润滑模型，仿真计算结果确定高速轧制过程中，工作辊表面粗糙度的范围。利用上述两个模型得到了高速轧制过程中工作辊粗糙度的使用规范，明确工作辊上下机粗糙度值和工作辊的服役里程。
采用元胞自动机理论对冷轧轧辊磨损的过程进行仿真，是在对轧辊磨损失效机理分析的基础上，制定粗糙接触表面的疲劳磨损、磨粒磨损等局部转换规则，如图3给出了轧辊磨损整体计算流程图，并进一步确定仿真算法，如图4给出了疲劳磨损计算框图，图5给出了磨粒磨损计算框图，采用matlab语言进行编程，得出仿真结果，如图6给出了元胞自动机仿真工作辊表面细观磨损结果，对于整个仿真分析，按照磨损的过程来进行。确定工作辊的使用规范如表1所示。
表1工作辊使用规范
3、高速轧制过程轧油泄露工艺润滑制度优化
在轧制过程中由于轧机漏油可能导致的乳化液浓度的变化也会影响轧制区润滑状态，并决定高速轧制过程的稳定性。通过在实验轧机上进行轧制润滑实验，确定了乳化液浓度变化对轧制区润滑状态的影响规律，明确了高速轧制过程中乳化液浓度的范围。采用实验研究了乳化液浓度变化对轧制润滑状态的影响，确定了乳化液的浓度范围。
具体实验过程如下：初始带钢厚度0.51mm，将带钢所在卷取箱内加热并保温1小时，设定压力，设定前后张力，确定轧制速度，确定工作辊温度，进行轧制，连续轧制过程中，改变乳化液浓度，将乳化液浓度依次减小，观测轧制润滑状态。图7给出了轧制力随乳化液浓度变化规律，通过实验获得了喷洒乳化液浓度对轧制区润滑状态的影响规律，确定了喷洒乳化液的浓度范围值。
4、高速轧制过程卷入速度波动增大工艺润滑制度优化
通过建立带钢冷轧过程界面摩擦润滑模型，结合图8轧制区润滑过程示意图，仿真分析了卷入速度的变化对轧制区润滑状态的影响规律，并在此基础上确定了冷连轧机高速轧制过程中速度变化率，以确保轧制区内摩擦系数波动不会过大引起自激振动。
建立了带钢冷轧过程界面摩擦润滑模型，该模型将轧制区分为入口区、变形区和出口区，其中入口区分为全膜入口区和混合入口区，变形区有低速和高速两种处理方法，尽量保证模型全面考虑到轧制区不同的工况条件，以实现对较大速度范围内润滑问题的计算。在建立带钢冷轧润滑模型的基础上，使用vb语言编写了模拟计算程序，润滑模型计算过程流程图如图9所示，并验证了该计算程序的正确性，该程序可对整个变形区的油膜压力、油膜厚度、摩擦系数、微凸体压力和粗糙表面接触比等的分布进行计算绘图，仿真结果如图10和11所示，由图可知在轧制过程速度变化时，轧制区内油膜厚度和摩擦系数变化剧烈，并由此可能导致轧制过程自激振动的发生。该模型可计算得到不同轧制温度、卷入速度以及粗糙度下轧制区摩擦系数的大小，获得轧制温度、卷入速度以及粗糙度对轧制润滑状态的影响规律。
因此，本发明研究了不同升速方式对轧机发生自激振动的影响，以第5机架为分析对象在初始位移或速度扰动下，当轧制速度(vr＝21m/s)超过临界稳定速度(vrc＝19.89m/s)时，系统将产生发散性的失稳振动，时域响应如图12所示。由连续升速改为间断升速后，同工况下系统不会发生失稳振动，时域响应如图13所示。比较图12和图13可见，采取间断升速的措施能够实现对发散性振动的有效抑制。这是由于在升速过程中达到临界失稳速度之前，系统振动位移和速度等初始状态量逐渐收敛归零，因此当达到临界速度甚至高于临界速度时都不会产生动态响应。本发明应用于某厂1420冷连轧机组，解决了该机组目前轧制速度较低的问题，在保证稳定生产和产品质量的基础上，使该机组的平均轧制速度由原有的1200m/min提高至目前的1345m/min。
本发明冷连轧机高速轧制过程的工艺润滑制度优化，确定了轧制区入口温度温度范围以确保乳化液具有最优的颗粒度值(p.s.i)和稳定性(e.s.i)，轧制区内温度范围以确保低于轧制油耐温极限值；确定了高速轧制过程工作辊粗糙度使用规范，包括上下机工作辊粗糙度值和轧制里程；确定了高速轧制过程轧制区内摩擦系数的波动范围，防止自激振动的发生；确定了高速轧制过程乳化液的皂化值范围，防止乳化液内轧油含量过高影响润滑效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
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