一种基于ESP精轧机组撤辊的动态变规程方法与流程

本发明涉及冶金连铸连轧领域，尤其涉及一种基于esp精轧机组撤辊的动态变规程方法。

背景技术：

热轧薄带钢可用作成品或冷轧的原料，其需求在世界范围内持续增长，但是传统带钢热轧工艺环境污染严重、能源消耗巨大，不利于节能环保型社会建设。目前国内外的研究热点是开发薄板坯连铸连轧工艺，“以热代冷”生产薄规格板带产品，从而减小能源消耗和环境污染。热轧板带无头轧制技术(endlessstripproduction，esp)是目前国内外短流程热轧带钢领域的前沿技术，能够充分利用钢水热能，在高效、紧凑的生产线上生产出能够替代冷轧产品的优质薄规格热轧带钢，因而可比传统热轧生产线节能40％，可极大降低生产成本节能减排。但是由于esp生产线产品主要以薄规格板带材产品为主，轧制过程中精轧机组的轧辊磨损非常严重，换辊周期一般是常规轧制换辊周期的两倍，换辊频繁，严重影响了生产质量和生产效率。近年来随着薄板坯连铸连轧技术的发展，动态变规程技术逐步应用于热轧带钢的生产。它不仅可以缩短非稳态轧制时间，提高生产效率，改善带钢质量，降低带钢切除量，同时也保证了轧制的连续性。

目前esp精轧机组变规程在线换辊是在五机架连轧时通过减少一台需换辊机架来实现在线换辊，由于在撤辊过程中需要在极短时间内对辊缝和辊速进行多次调整，所以在线换辊过程的动态变规程控制显得尤为重要。

技术实现要素：

针对在线换辊设备，本发明旨在提供一种基于esp精轧机组撤辊的动态变规程方法，即通过策略计算确定一个撤出机架的架次，将原常态的五机架轧制规程过渡到非常态的四机架轧制规程，通过各机架的辊缝及辊速调整，在保证轧机稳定轧制的前提下完成动态变规程。

本发明目的通过下述技术方案实现：一种基于esp精轧机组撤辊的动态变规程方法，通过确立撤辊架次以及各机架的辊缝及辊速调整，实现由五机架轧制到四机架轧制的转变。所述方法根据轧制工艺及轧机参数，首先确定撤出机架fi架次，随后自变厚度区产生，对撤出机架fi(1≤i≤5)的上游各机架进行辊缝及辊速调节并跟踪其运动距离，直到变厚度点到达撤出机架fi，撤出机架抬升并调节，当撤出机架fi撤出轧制后，对撤出机架下游各机架调节，实现在线换辊过程的动态变规程，具体包括以下步骤：

(1)收集并输入工艺、板带、轧机参数；

(2)计算撤辊机架fi架次阶段：

首先，确定并计算撤辊机架fi架次。根据变化前后新旧规程的对比，在撤辊前，计算撤出每一个机架对整个变规程过程中轧制稳定性的影响大小以及产生超差区所造成的带材损耗大小，综合二者因素，选择影响最小的轧机进行撤出。

2a)考虑整个调整过程中液压压下系统的行程。通过稳定性影响系数模型，计算各机架撤出时对系统稳定性造成的影响；

2b)考虑整个调整过程中最终成品带钢楔形区的长度。首先要通过损耗计算机架模型来确定计算损耗的机架架次。随后通过带材损耗系数模型，计算各机架撤出时带材损耗的大小；

2c)通过稳定性影响系数模型和带材损耗系数模型，建立综合评估模型，综合二者因素，选择影响最小的轧机架次进行撤出；

(3)撤辊机架fi上游各机架调节阶段：

3a1)轧机架次n为变量，其初值为n＝1；

3a2)判断当前机架fn是否为撤辊机架fi，即n是否等于i，若机架fn为撤辊机架fi时直接执行步骤(4)，否则执行步骤3b)；

3b)机架fn辊缝及辊速调节阶段：

3b1)机架fn辊缝及辊速调节：

通过辊缝控制模型、张力控制模型和轧辊速度控制模型一，改变机架fn的辊缝及辊速值使其达到设定值，保证改变辊缝时机架fn单位后张力保持不变，使其动作时对上游生产无影响，与此同时也产生了变厚度区。通过跟踪变厚度区离开机架fn的距离，将变厚度区控制在两个机架内，设变厚度区从产生到达到机架fn+1的入口所需的时间为tmax，

其中l为相邻机架间距离，vf,n为机架fn轧辊线速度，则整个辊缝调节过程的时间t应小于tmax；

3b2)机架fn下游机架辊速调节：

通过轧辊速度控制模型二对机架fn下游机架辊速调节，以保证下游各机架间张力值的稳定；

3b3)计算变厚区离开机架fn距离：

通过距离模型不断累积计算变厚区离开机架fn的距离ln，当满足ln-l≥0时，令n＝n+1，重复执行步骤3a2)，直至变厚度区到达撤辊机架fi前；

(4)撤辊机架fi撤出轧制调节阶段：

4a1)判断撤辊机架fi是否为末机架，即i是否等于5，若为末机架则执行完步骤4a2)便结束撤出轧制的过程，否则执行接下来的步骤；

4a2)撤辊机架fi辊缝及辊速调节：

通过张力控制模型和轧辊速度控制模型一，改变撤辊机架fi的辊速值使其达到设定值，保证改变辊缝时其后张力保持不变，动作时对上游机架轧制无影响，同时改变撤辊机架fi辊缝值保证入口为变厚区时其出口厚度达到设定值；当变厚区完全通过撤辊机架fi后，则不必控制出口厚度进行快速的轧辊抬升，直至轧制力为零；

4a3)机架fi+1辊缝及辊速调节：

通过辊缝控制模型和张力变换及轧辊速度控制模型进行计算和调整，在撤辊机架fi调节辊缝的同时将机架fi+1后张力值变为撤辊机架fi的后张力值，同时改变机架fi+1出口厚度保持不变；

4a4)机架fi+1下游机架辊速调节：

通过轧辊速度控制模型二对机架fi+1下游各机架进行辊速调节，以保证下游各机架间张力值的稳定；

4a5)计算变厚区离开撤辊机架fi距离：

通过距离模型进行不断累积计算变厚区离开机架fi的距离li，当满足li-l≥0时，机架fi+1开始调节；

4b)撤辊机架下游各机架辊缝及辊速调节阶段：

4b1)轧机架次变量值n此时为：n＝i+1；

4b2)判断当前机架fn是否为末机架，即i+1是否等于5，若为末机架则执行完步骤4a4)便结束整个撤出轧制过程，否则执行接下来的步骤4b3)；

4b3)机架fn辊缝及调速：

通过张力控制模型和轧辊速度控制模型一，改变撤辊机架fn的辊速值使其达到设定值，保证改变辊缝时其后张力保持不变，动作时对上游机架轧制无影响，通过辊缝控制模型，在入口变厚度区刚通过后，将产品出口厚度调整为新的设定厚度值；

4b4)机架fn下游机架辊速调节：

通过轧辊速度控制模型二对机架fn下游各机架进行辊速调节，以保证下游各机架间张力值的稳定；

4b5)计算变厚区离开机架fn距离：

通过距离模型进行不断累积计算变厚区离开机架fn的距离li+1，当满足li+1-l≥0时，令n＝n+1，重复执行步骤4b2)，直至变厚区到达末机架前；

4c)机架f5调节阶段：

4c1)机架f5辊缝及辊速调节阶段：

通过张力控制模型和轧辊速度控制模型一，改变撤辊机架f5的辊速值使其达到设定值，保证改变辊缝时其后张力保持不变，动作时对上游机架轧制无影响，通过辊缝控制模型，在入口变厚度区刚通过后，将产品最终轧件厚度调整为新的设定厚度值；

4c2)撤辊机架撤出轧制的过程结束，精轧机组五机架连轧转为四机架连轧的变规程过程完成。

优选地，本发明步骤(1)中，所述的工艺、板带、轧机参数包括：工作辊直径d，轧机刚度km，机架间距离l，五架f1～f5，入口厚度h1～h5，出口厚度h1～h5，单位前张力σf,1～σf,5，单位后张力σb,1～σb,5，钢板宽度b，首机架入口速度vb,1。

本发明步骤2a)中所述的稳定性影响系数模型如下：

其中,γ为载荷影响系数，st,0是原规程中机架ft的辊缝值，st,1是新规程中机架ft的辊缝值，kw,n是当撤出机架为fn时的稳定性影响系数。

本发明步骤2b)中所述的损耗计算机架模型如下：

mn＝max|st,0-st,1|

其中，mn为撤辊机架为fn时带材损耗系数模型中的架次值。

本发明步骤2b)中所述的带材损耗系数模型如下：

其中，ks,m是撤辊机架为fn时的带材损耗系数，hm,0是机架fm原规程的出口厚度，hm,1是机架fm新规程的出口厚度，vf,m是机架fm的出口速度，t1是辊缝调节所需要的时间。

本发明步骤2c)中所述的综合评估模型如下：

其中，kw,max是所有稳定性影响系数中的最大值，kw,min是所有稳定性影响系数中的最小值，ks,max是所有带材损耗系数最大值，ks,min是所有带材损耗系数最小值，kz,n是撤辊机架为fn时的综合评估模型。

优选地，本发明步骤3b3)、4a5)、4b5)中，所述的距离模型如下：

li＝∑vr,i(1+sf,i)δt

其中vr,i为机架fi轧辊转速，sf,i为机架fi轧件的前滑系数，δt为时间步长，li为长度。

优选地，本发明步骤3b1)、4b3)、4c1)中，所述的张力控制模型如下：

其中n为下脚标表示当前时刻正处于调节状态轧机的机架号即表示机架fn为轧辊正在压下或抬升的机架，σb,n为机架fn的单位后张力，hn为机架fn的入口厚度，为τ时刻fn机架单位后张力，为τ时刻机架fn的入口厚度；

步骤4a2)中，所述的张力控制模型如下：

其中，σf,n-1为fn-1机架单位前张力，hn-1为机架fn-1的出口厚度，为τ时刻fn机架单位后张力，为机架τ时刻fn的出口厚度。

优选地，本发明步骤3b1)、4a2)、4b3)、4c1)中，所述的轧辊速度控制模型一如下：

vb,n＝vr,n(1-sb,n-δsb,n)

其中vb,n为机架fn轧件入口速度，sb,n为机架fn轧件的后滑系数，vr,n为机架fn轧辊转速，δvr,n为机架fn轧辊转速改变量，δsb,n为机架fn轧件的前滑系数改变量。

优选地，本发明步骤3b1)、4a2)、4a3)、4b3)、4c1)中，所述的辊缝控制模型如下：

其中δsn为fn机架辊缝改变量，δhn为fn机架轧件出口厚度变化量，δpn为fn机架轧制力变化量，kn为轧机刚度。

优选地，本发明步骤4a3)中，所述的张力变换如下：

以及，轧辊速度控制模型如下：

其中vf,n为机架fn轧件出口速度，vb,n+1为机架fn+1轧件入口速度，l为机架间距离，e为轧件的弹性模量，δt为时间步长，σf,target为机架fn+1后张力的目标值，σf,now为机架fn+1后张力的当前值，δvr,n为机架fn轧辊转速改变量，sf,n为机架fn轧件的前滑系数，sb,n+1为机架fn+1轧件的后滑系数，δsf,n为机架fn轧件的前滑系数改变量。

优选地，本发明步骤3b2)、4a4)、4b4)中，所述的轧辊速度控制模型二如下：

其中δvr,n+1为机架fn+1轧辊转速改变量，vr,n+1为机架fn+1轧辊转速，sb,n+1为机架fn+1轧件的后滑系数，δvr,n为机架fn轧辊转速改变量，δsf,n为机架fn轧件的前滑系数改变量，vr,n为机架fn轧辊转速，sf,n为机架fn轧件的前滑系数，δvr,j为机架fj轧辊转速改变量，δvr,j-1为机架fj-1轧辊转速改变量，sf,j-1为机架fj-1轧件的前滑系数，sb,j为机架fj轧件的后滑系数。

本发明的有益效果是：该发明在大量理论研究的基础上，结合一种五机架布置的esp无头轧制精轧机组，充分考虑各机架间张力和轧件的厚度控制，提出一种基于esp精轧机组撤辊的动态变规程方法，通过建立的动态数学模型，在保证稳定轧制的前提下，调节在线撤辊过程中各个机架的轧辊转速和辊缝，实现常态五机架连轧规程向非常态四机架连轧规程的转变。根据本发明提出的动态变规程方法，不仅可以缩短非稳态轧制时间，降低带钢切除量，同时也可以保证轧制的连续性，减少因停机造成的能源损失，具有较高的应用价值。

附图说明

图1为本发明总体流程图。

图2为确定撤辊机架架次及撤辊机架撤出轧制前调节阶段的流程图。

图3为撤辊机架撤出轧制时调节及压下后调节阶段的流程图。

图4为撤辊前后规程变化示意图。

具体实施方法

本发明旨在提供一种基于esp精轧机组撤辊的动态变规程方法，即通过策略计算确定一个撤出机架的架次，将原常态的五机架轧制规程过渡到非常态的四机架轧制规程，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

以撤辊机架f5为例来进行阐述，规格变化及规程表见表1和表2，表1为撤辊前的规程表，表2为撤辊后的规程表。

表1规程表一

表2规程表二

如表1所示，以撤辊机架f5在线撤出轧制为例，轧机的规格由1.0mm变为1.3mm，而轧制规程由规程一切换为规程二，实现了撤辊机架不停机的动态变规程过程。

参照图1～4，本发明实施例的一种基于esp精轧机组撤辊的动态变规程方法具体的包括以下步骤：

(1)收集并输入工艺、板带、轧机参数。本实施例中收集的参数包括：工作辊直径d，轧机刚度km，机架间距离l，五架f1～f5，入口厚度h1～h5，出口厚度h1～h5，单位前张力σf,1～σf,5，单位后张力σb,1～σb,5，钢板宽度b，首机架入口速度vb,1。

(2)计算撤辊机架fi架次阶段：

首先，确定并计算撤辊机架fi架次。根据的表一和表二的规程对比，计算撤出每一个机架对整个变规程过程中轧制稳定性的影响大小以及产生超差区所造成的带材损耗大小，综合二者因素，选择影响最小的轧机进行撤出，具体的步骤如下：

2a)考虑整个调整过程中，液压压下系统的行程。通过稳定性影响系数模型，计算各机架撤出时对系统稳定性造成的影响，不同情况下γ值可依据实测值进行不断修正以求最优，此计算中取γ＝0.2；

稳定性影响系数模型：

其中,γ为载荷影响系数，st,0是原规程中机架ft的辊缝值，st,1是新规程中机架ft的辊缝值，kw,n是当撤出机架为fn时的稳定性影响系数。

则经过计算可知，kw,1＝8.464，kw,2＝5.5696，kw,3＝5.0092，kw,4＝4.1432，kw,5＝3.8522；kw,n越大，则机架撤出时对系统稳定性造成的影响越大。

2b)考虑整个调整过程中，最终成品带钢楔形区的长度。首先要通过损耗计算机架模型来确定计算损耗的机架架次。随后通过带材损耗系数模型，计算各机架撤出时带材损耗的大小，此时假设辊缝变化速度各机架相同，为2mm/s；

损耗计算机架模型：

mn＝max|st,0-st,1|

其中，mn为撤辊机架为fn时带材损耗系数模型中的架次值。

本发明步骤2b)中的带材损耗系数模型如下：

其中，ks,m是撤辊机架为fn时的带材损耗系数，hm,0是机架fm原规程的出口厚度，hm,1是机架fm新规程的出口厚度，vf,m是机架fm的出口速度，t1是辊缝调节所需要的时间。

则经过计算可知ks,1＝43.883，ks,2＝25.390，ks,3＝14.863，ks,4＝12.198，ks,5＝9.079；ks,n越大，则机架撤出时带材损耗越小。

2c)通过稳定性影响系数模型和带材损耗系数模型，建立综合评估模型，综合二者因素；

综合评估模型：

其中，kw,max是所有稳定性影响系数中的最大值，kw,min是所有稳定性影响系数中的最小值，ks,max是所有带材损耗系数最大值，ks,min是所有带材损耗系数最小值，kz,n是撤辊机架为fn时的综合评估模型。

则经过计算可知，kz,1＝1，kz,2＝0.841，kz,3＝0.417，kz,4＝0.152，kz,5＝0，kz,n越小，则撤架时对轧机影响越小。可以看出影响最小的架次为f5轧机，选择f5机架进行撤出；

(3)撤辊机架f5撤出轧制前的辊缝及辊速调节阶段：

3a1)轧机架次n为变量，其初值为n＝1；

3a2)首先可以判断当前机架fn即f1不是撤辊机架，则执行下一步骤即3b)；

3b)机架f1辊缝及辊速调节：

3b1)从机架f1轧辊动作的时刻起，其出口厚度便有了变化，轧制时变厚度区的存在将会造成轧制过程的波动，因此必须将变厚度区控制在两个机架内。设变厚度区从产生到达到机架f2的入口所需的时间为tmax，

其中l为机架间距离，vf,1为机架f1轧辊线速度，则整个辊缝调节过程的时间t应小于tmax；

通过辊缝控制模型、张力控制模型和轧辊速度控制模型一，改变机架f1的辊缝及辊速值使其达到设定值，保证改变辊缝时机架f1单位后张力保持不变，使其动作时对上游生产无影响。

辊缝控制模型为：

其中δh1为f1机架轧件的出口厚度变化量，δp1为f1机架的轧制力变化量，k1为轧机刚度，δs1为f1机架辊缝改变量。

张力控制模型为：

其中σb,1为机架f1的单位后张力，h1为机架f1的入口厚度，为τ时刻f1机架单位后张力，为τ时刻机架f1的入口厚度；

轧辊速度控制模型一为：

vb,1＝vr,1(1-sb,1-δsb,1)

其中vb,1为机架f1轧件入口速度，sb,1为机架f1轧件的后滑系数，vr,1为机架f1轧辊转速，δvr,1为机架f1轧辊转速改变量，δsb,1为机架f1轧件的前滑系数改变量。

3b2)机架f1下游机架辊速调节：

通过轧辊速度控制模型二对机架f1下游机架辊速调节，以保证下游各机架间张力值的稳定。

轧辊速度控制模型二如下：

其中δvr,1为机架f1轧辊转速改变量，δvr,2为机架f2轧辊转速改变量，δvr,3为机架f3轧辊转速改变量，δvr,4为机架f4轧辊转速改变量，δvr,5为机架f5轧辊转速改变量，vr,1为机架f1轧辊转速，vr,2为机架f2轧辊转速，sb，2为机架f2轧件的后滑系数，sb，3为机架f3轧件的后滑系数，sb，4为机架f4轧件的后滑系数，sb，5为机架f5轧件的后滑系数，δsf，1为机架f1轧件的前滑系数改变量，sf，1为机架f1轧件的前滑系数，sf，2为机架f2轧件的前滑系数，sf，3为机架f3轧件的前滑系数，sf，4为机架f4轧件的前滑系数。

3b3)计算变厚区离开机架f1距离：

通过距离模型进行不断累积计算变厚区离开机架f1的距离l1，

距离模型如下：

l1＝∑vr,1(1+sf,1)δt

当满足l1-l≥0时，令n＝n+1，判断当前机架fn是否为撤辊机架。因为按照实施例通过计算确定f5为撤辊机架，所以当n＝2，n＝3，n＝4时当前机架fn均不为撤辊机架，所以需要依次重复执行步骤3b)，直至n＝5变厚度区到达撤辊机架f5前，开始执行步骤(4)；

(4)撤辊机架f5辊缝及辊速调节阶段：

4a1)判断换撤辊架f5是末机架，则执行完步骤4a2)便结束撤出轧制的过程；

4a2)撤辊机架f5辊缝及辊速调节：

通过张力控制模型和轧辊速度控制模型一，改变撤辊机架f5的辊速值使其达到设定值，保证改变辊缝时其后张力保持不变，动作时对上游机架轧制无影响，同时改变撤辊机架f5辊缝值保证入口为变厚区时其出口厚度达到设定值；当变厚区完全通过撤辊机架f5后，则不必控制出口厚度进行快速的轧辊抬升，直至轧制力为零；

辊缝控制模型：

其中δh5为f5机架轧件的出口厚度变化量，δp5为f5机架的轧制力变化量，k5为轧机刚度，δs5为f5机架辊缝改变量。

轧辊速度控制模型一：

vb,5＝vr,5(1-sb,5-δsb,5)

其中vb,5为机架f5轧件入口速度，sb,5为机架f5轧件的后滑系数，vr,5为机架f5轧辊转速，δvr,5为机架f5轧辊转速改变量，δsb,5为机架f5轧件的前滑系数改变量。

4a3)当撤辊机架f5撤出轧制后，常态五机架到非常态四机架的动态变规程过程即完成。

最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。