（材料學專業(yè)論文）中型軋機軋制20號角鋼孔型優(yōu)化設計.pdf

河北理工學院碩士學位論文 摘要 為滿足市場需求，在中型軋機上軋制大規(guī)格型材，可以取得良好的經濟效益。 但同時也帶來了一些問題，就是軋機負荷過高。如果設計或調整不當，容易出現(xiàn)事 故。一般按經驗方法設計的孔型，軋機負荷很難做到均衡。雖然設計者盡量合理分 配壓下量，也會使各道次的軋制負荷出現(xiàn)不均衡。尤其是在臨界狀態(tài)下軋制就極易 出現(xiàn)事故，甚至出現(xiàn)斷輥現(xiàn)象。為中型生產提供一套負荷均衡的計算機輔助孔型優(yōu) 化設計軟件顯得尤為重要。 通過1 6 m n 鋼的變形阻力試驗，得出了變形溫度t 在9 5 0 1 1 5 0 、變形程度 在0 2 o 5 和變形速率童在1 - 2 0 s o 條件下的變形阻力模型： 。：1 4 0e x p i - 2 7 1 6 6 擊s 。， ( 制。”育“”6 o 卜s ，( 爿“”- 1 6 2 6 1 ( 爿1 建立適合中型生產過程溫降模型缸= a a t ，一七，f ，一胚。 根據軋制角鋼時的孔型特點，首次采用分割法計算蝶式孔的接觸面積，從而為 準確計算軋制力提供了依據。首次將動態(tài)規(guī)劃法用于中型孔型優(yōu)化設計，得到了軋 制負荷均衡的孔型尺寸。采用v i s u a lb a s i c6 0 語言編制了“中型軋機軋制n 0 2 0 角 鋼孔型優(yōu)化設計”軟件，取代了傳統(tǒng)的靠經驗進行s l $ , j 規(guī)程制定及孔型參數計算， 這不僅省時省力，誤差小，計算精確，而且通用性和適應性強，為中型生產提供了 一套軋制負荷均衡的計算機優(yōu)化系統(tǒng)。v b 語言與a u t o c a d 的結合極大地增強了軟 件的繪圖功能，可按孔型參數繪制出符合工程圖要求的孔型圖。 關鍵詞：均衡負荷；優(yōu)化設計；動態(tài)規(guī)劃法；參數化繪圖 河北理工學院碩士學位論文 a b s t r a c t r o l l i n gb i ga n g l ei r o nt h r o u g hm e d i u ms e c t i o n m i l lm a ya c q u i r ef i n e re c o n o m i c b e n e f i tf o rs a t i s f y i n gn e e d so f m a r k e t a tt h es a m et i m e ，t h e r ea r es o m eq u e s t i o n s ，l o a d so f m e d i u mm i l la r eh i g h e rt h a nb e f o r e i fd e s i g na n da d j u s t m e n ti sn o t t h eb e s t ，a c c i d e n t sa r e t o o kp l a c ee a s i l y ，l o a do fm i l lw h i c hi sd e s i g n e da c c o r d i n gt oe x p e r i e n c e dm e t h o di n h i 【g h e r ，l o a d o fm i l lc a l l ta t t a i nb a l a n c e a l t h o u g hd e s i g n e r sd ot h e i rb e s tt od i s t r i b u t e r e d u c t i o nb ya n y p o s s i b i l i t y ，l o a do f m i l le v e r yp a s sa p p e a r su n b a l a n c e d r o l l i n ge s p e c i a l l y o nt h ec o n d i t i o n so f c r i t i c a ls t a t e sa p p e a ra c c i d e n t se a s i l y ，s om u c ha sr o l l e rb r e a k so f f i ti s i m p o r tt op r o v i d eac o m p u t e rs y s t e ma b o u to p t i m a ld e s i g nf o r b a l a n c et h er o l l i n gl o a di n m e d i u ms e c t i o nr o l l i n g t h i s p a p e r d i dd e f o r m a t i o n a lr e s i s t a n c e e x p e r i m e n t s w i t h16 m n ，m a d et h e m a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i n gm o d e lo fd e f o r m a t i o n a lr e s i s t a n c eo f16 m ni nt h ec o n d i t i o n so f d e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r et = 9 5 0 * c 一1 1 5 0 4 c d e g r e e o f r e d u c t i o ne - o 2 - 0 5a n dd e f o r m a t i o n r a t eg = 1 2 0 s q t h i sm o d e lw a s a sf o l l o w s ： 一e 坤( 一2 7 1 6 6 嘉n 。s 。，) ( “缶?！敖?x 卜s ( 爿”- 1 6 2 6 1 1 t h i sp a p e rm a d em a t h e m a t i c a lc a l c u l a t i n gm o d e lo f t e m p e r a t u r ev a r i a t i o ni nm e d i u m s e c t i o n r o l l i n gp r o c e s s t h i s m o d e lw a s a t = 曉f p 一p a t 9 一屆0 t h i sp a p e ra c c o r d e d p a s ss p e c i a l t yo fr o l l i n ga n g l ei r o n , c o n t a c ta r e ao fb u t t e r f l ys t y l e w e r ec o m p u t e db ym e t h o do fd i v i s i o nf o rt h ef i r s t t i m e ，t h e r e b y ，p r o v i d e dg i s t f o r c o m p u t i n g t h er o l l i n gf o r c e t h ed y n a m i c p r o g r a m m i n gm e t h o d i su s e di nm e d i u ms e c t i o n m i l lr o l l i n g p r o c e s sf o r t h ef n s tt i m ei nt h i sp a p e ra n dr e c e i v e ds i z eo f p a s so f b a l a n c el o a d a d o p t i n gv b ，e s t a b l i s h e do p t i m a ld e s i g ns o f t w a r e ，w h i c hw a s “o p t i m u md e s i g nr o l l p a s s e so f r o l l i n g n 0 2 0 a n g l ei r o nt h r o u g hm e d i u ms e c t i o nm i l l ”，a i m e da tb a l a n c e dt h e r o l l i n gl o a di nm e d i u ms e c t i o nm i l lr o l l i n gp r o c e s s ，r e p l a c i n gt h ee x p e r i m e n t a ld e s i g n ，t h i s n o to n l yc a ns a v et i m ea n dm a n p o w e r , i n c r e a s ed a t a p r e c i s i o na n dl e s se r r o r ，b u ta l s oh a s c o m m o n a l i t ya n dw i d es c o p eo fa p p l i c a t i o n ，w h i c hp r o v i d e sac o m p u t e r s y s t e m f o r m e d i u ms e c t i o nm i l l r o l l i n g t h ep e r f e c t c o m b i n a t i o nb e t w e e nv ba n d a u t o c a d i i 河北理工學院碩士學位論文 e n h a n c e dt h ed r a w i n gf u n c t i o no f t h i ss o f t w a r e ，s ot h a ty o ug e tao p t i m a lr o l l p a s sd r a w i n g a g r e ew i t he n g i n e e r i n gd r a w i n gr e q u e s t k e y w o r d s ：b a l a n c e l o a d ；o p t i m a ld e s i g n ；d y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o d ； p a r a m e t e r i z a t i o nd r a w i n g i i i 獨創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究 工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為 獲得河北理工學院或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與 我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的 說明并表示了謝意。 簽名： 蠢嬖蒸日期：蘭墮年三月望日 關于論文使用授權的說明 本人完全了解河北理工學院有關保留、使用學位論文的規(guī)定， 即：學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學校 可以公布論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或其他復制手 段保存論文。 簽名： ( 保密的論文在解密后應遵循此規(guī)定) 導師簽名： 塞：1 葒璽 日期：望瞄侔j 月日 河北理工學院碩士學位論文 引言 為滿足市場需求，在中型軋機上軋制大規(guī)格型材，可以取得良好的經濟效盞。 唐山鋼鐵集團( 股份) 有限公司中型廠利用中型軋機軋制n o 2 0 角鋼，在帶來經濟效 益的同時也帶來一些問題，按經驗方法確定角鋼的壓下量，使得負荷分配不盡合 理，出現(xiàn)負荷不均衡現(xiàn)象。在變形量較大的道次，軋制力大，軋制大號角鋼軋槽也 較深，這樣就容易斷輥，出現(xiàn)生產事故。軋制力大，也使得軋制力矩、軋制功率增 加，造成軋機主電機負荷增大。為保證設備正常運行、提高產品質量、降低軋制能 耗，采用優(yōu)化方法設計軋機負荷相對均衡的孔型是非常必要的。 河北理工學院碩士學位論文 第一章文獻綜述 1 1 軋制變形規(guī)程的優(yōu)化設計 在軋鋼生產中，坯料經過數道次的軋制，產生塑性變形，最終軋制出符合產品標準 的成品鋼材，這一系列的軋制過程，是按著設計者根據生產條件所設計的軋制變形規(guī)程 進行的。因此，為使軋鋼生產能夠達到優(yōu)質、高產、低消耗，則需要合理的設計軋制變 形規(guī)程。 軋制變形規(guī)程，對于不同類型的軋機所包括的內容也不完全相同。對于初軋機主要 是指壓下規(guī)程和速度制度；對于板帶鋼軋機主要指壓下規(guī)程、速度制度、溫度制度、張 力制度和輥型制度；對于型線材軋機主要指孔型設計和張力制度；對于管材軋機則主要 指變形制度。軋制變形規(guī)程的制定是軋鋼工藝設計中基本的問題之一。在制定軋制變形 規(guī)程時，我們總是希望所制定的軋制變形規(guī)程是最好的。一般說來，最好的軋制變形規(guī) 程，在單位時間內軋制產品的產量最高，產品的質量最好，各種消耗( 包括電耗、燃料 消耗、金屬消耗、軋輥消耗等等) 最少，因此該產品的經濟效益晟好。反之，如果軋制 變形規(guī)程不合理或不完全合理，則會使生產過程不順利，影響到產量、質量，甚至無法 正常生產。軋制變形規(guī)程是軋制工藝的核心，對軋鋼生產至關重要。合理的制定軋制變 形規(guī)程，使軋制過程達到最佳狀態(tài)，是工藝設計人員所追求的目標。 目前，在生產中制定軋制變形規(guī)程，如型鋼的孑l 型設計，板帶鋼的壓下規(guī)程等，一 般情況下還是以經驗法為主?？仔驮O計時展寬系數的確定、板帶鋼軋制時壓下量的確定 等還都是根據設計者的生產經驗來確定。雖然采用經驗法所確定的變形規(guī)程能夠滿足生 產要求，但不一定是最好的。我們不能夠以生產出產品為最終目的，而是要以最好的生 產工藝，優(yōu)質、高產、低消耗的進行生產，這樣才能使產品有更強的競爭能力。 要確定最優(yōu)的軋制變形規(guī)程，按通常的經驗法來制定要達到該目的是比較困難 的a 這是由于用經驗法確定某參數時，是在該參數的可行域內憑經驗而確定的，很 難做到確定的該參數是最佳參數。在制定軋制變形規(guī)程時，有時我們可能制定出幾 個方案加以比較，擇優(yōu)選取。這個比較、選擇的過程，也可以說是最原始的優(yōu)化過 程。擇優(yōu)選取，首先必須有多個方案，然后在這些方案中選擇較好的方案。在一定 河北理工學院碩士學位論文 的生產條件下，生產某個產品，在確定軋制變形規(guī)程時，所涉及到的方案很多，單 憑設計者的計算和經驗是難以完成的。隨著計算機應用技術的提高和普及，使用計 算機來完成這樣的任務才使之成為可能。確定最優(yōu)的軋制變形規(guī)程，稱為軋制變形 規(guī)程的優(yōu)化設計。優(yōu)化設計( o p t i m a ld e s i g n ) 是指在一切可能的設計方案中尋求最 優(yōu)方案。這種尋優(yōu)過程需要大量的計算工作，繁重的計算工作若由人工來完成不僅 工作量大，而且是難以實現(xiàn)和完成的。 優(yōu)化設計是隨著計算機技術進入工程設計領域后，采用數學規(guī)劃的方法而發(fā)展 起來的設計方法。由于計算機的運算速度和能力是人工計算所無法比擬的，這就可 將大量繁重的計算工作由計算機來完成，而建立數學模型、選擇優(yōu)化方法等智能型 工作由設計者來完成。這樣才能在眾多的設計方案中選擇最優(yōu)方案，以達到優(yōu)化設 計之目的。 在軋制變形規(guī)程優(yōu)化設計時，首先必須要明確優(yōu)化的目標，也就是說最優(yōu)指的是什 么最優(yōu)。我們所說的最優(yōu)，都有一定的相對性，并且與我們所確定的尋優(yōu)目標密切相 關。這個目標是設計者對軋制過程提出來的具體要求，若用數學形式描述出來就稱之為 目標函數。最優(yōu)目標的選擇。關系到所得結果是否合理可行。一般選擇最優(yōu)目標是按照 生產過程的特點由設計者確定，以使生產工藝過程達到最佳，軋制產品達到優(yōu)質、高 產、低消耗【i 】。 1 2 軋制變形規(guī)程優(yōu)化設計的進展 最優(yōu)化技術在二次大戰(zhàn)前主要是古典的微分法和變分法。在第二次世界大戰(zhàn) 中，由于軍事上的需要，提出了大量不能用上述古典方法解決的最優(yōu)化問題。因而 產生了運籌學，如線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、圖論等方法。此后，隨著科 學技術的發(fā)展，最優(yōu)化理論和方法逐漸得到豐富和發(fā)展。 計算機的應用是當前科學技術的重大突破。計算機技術在各個領域中的應用促 進了科技和經濟的發(fā)展。隨著計算機的應用和普及，為最優(yōu)化技術提供了有利的計 算工具。由于最優(yōu)化技術是在一切可能的方案中選擇最優(yōu)方案，需要大量的計算以 便進行優(yōu)化。而計算機為這種繁重的計算創(chuàng)造了條件，使得最優(yōu)化技術快速的發(fā)展 起來a 也可以說，最優(yōu)化技術發(fā)展是以計算機技術發(fā)展為基礎的。 河北理工學院碩士學位論文 在軋鋼生產中，最優(yōu)化技術用于軋制變形規(guī)程的設計較為廣泛。例如，型鋼生 產中的孔型設計，板帶鋼軋制過程中的壓下規(guī)程設計以及高速線材軋機精軋機的微 恒張力設計等，采用優(yōu)化方法進行設計已較為普遍。最優(yōu)化技術在軋制變形規(guī)程中 的應用，不但能夠使軋制過程趨于最優(yōu)，而且使軋制規(guī)程的制定，由技藝向工程科 學邁進。 型鋼孔型設計、板帶鋼壓下規(guī)程設計等傳統(tǒng)的設計方法是按照經驗所確定的變形系 數和變形率來設計孔型和壓下制度。這種設計方法已不適應現(xiàn)代化的生產方式。因為隨 著科學技術的發(fā)展，生產技術水平在不斷提高，產品的技術要求也在不斷提高，并且要 求軋制過程達最優(yōu)狀態(tài)。所以用最優(yōu)化方法確定軋制變形規(guī)程是必然的趨勢。 最優(yōu)化技術雖然發(fā)展較早，但是應用于軋制變形規(guī)程的設計始于7 0 年代，發(fā)展 于8 0 年代，是在計算機應用技術的發(fā)展基礎上而發(fā)展的。計算機輔助設計 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 早在5 0 年代就開始應用于工程設計。隨著計算機的廣泛 應用和計算機應用技術的發(fā)展、提高，計算機輔助功能越來越廣泛。計算機輔助功 能應用于軋鋼孔型設計，即c a r d ( c o m p u t e ra i d e dr o l lp a s sd e s i g n ) 。計算機輔 助孔型設計( c a r d ) 是在傳統(tǒng)孔型設計方法的基礎上，利用計算機強大的計算能力和 圖形顯示能力，計算孔型設計所必須的參數，檢驗必要的限制條件，適時地在屏幕 或其它輸出設備上顯示設計結果。c a r d 技術可減少人工設計時繁瑣計算、畫圖等 重復性工作，還能進行模擬和優(yōu)化，取得優(yōu)化孔型設計結果。由于c a r d 技術具有 計算速度快、精度高、結果可靠等優(yōu)點，近年來得到迅速發(fā)展【2 l 。 c a r d 在8 0 年代得到迅速發(fā)展，并且在生產中得到廣泛應用。計算機輔助孔型 設計，可以縮短設計周期，計算精確，并可選擇設計方案，通過繪圖儀可直接得到 符合工程要求的孔型圖。將最優(yōu)化技術應用于計算機輔助孔型設計，是計算機輔助 功能的開發(fā)和發(fā)展，也是計算機輔助設計的必然發(fā)展趨勢。 最優(yōu)化技術在軋制變形規(guī)程設計中的應用，對軋鋼生產向最佳化邁進是重要的 一步，而且對于現(xiàn)代化軋鋼生產也是非常必要的。型鋼的孔型設計憑經驗難以完成 最優(yōu)的孔型設計。而通過建立數學模型、確定目標函數和約束條件、選用合適的優(yōu) 化方法而得到的結果是所有可能方案中的最佳方案。這種建立在科學分析基礎上的 工藝制度，才能適應于現(xiàn)代化的軋鋼生產。 d 河北理工學院碩士學位論文 隨著軋制理論體系的完善和最優(yōu)化技術的發(fā)展，最優(yōu)化技術在軋制領域的應用 也會不斷提高和擴大，并且將使軋制技術水平向更高層次發(fā)展。 1 3 最優(yōu)化技術在軋鋼生產中的應用 軋鋼生產過程是一個系統(tǒng)工程，由原料到成品需要多個生產工序，這些工序存 在最優(yōu)組合問題。軋制產品的生產過程不是唯一的，各機組間的銜接、匹配也存在 最優(yōu)化問題。軋鋼生產過程優(yōu)化對降低軋制產品的成本，提高軋制產品的質量有顯 著作用。 要達到上述問題的最優(yōu)化，需要將生產中的有關目標用數學模型表示出來，然 后采用適當的方法求得最優(yōu)解。數學模型的建立是關鍵的一步，并且與優(yōu)化結果有 關。所以在建立數學模型時，既要考慮到能夠真實全面反映實際軋制過程，又要使 數學模型盡量簡化，以便于求解。優(yōu)化方法的選擇，是依據目標函數的性質和約束 條件而確定的。 用于塑性加工方面的優(yōu)化方法，可以分成以下幾類： ( 1 ) 試驗與模擬( t e s ta n ds i m u l a t i o n ) 方法 對某生產過程通過安排試驗，回歸出統(tǒng)計模型。這種方法廣泛應用于評價各工 藝參數對研究問題的影響程度，以便合理確定工藝參數。例如，鋼材的化學成分與 性能的關系，可以通過正交試驗而得出屈服強度與化學成分的回歸統(tǒng)計式。為提高 鋼材的屈服強度，可以通過適當調整化學成分來達到。這也是一種尋優(yōu)的過程。 模擬可以分為物理模擬和數學模擬。物理模擬是通過相似原理進行模擬試驗， 經過系統(tǒng)評價，確定最優(yōu)方案。例如通過軋制鉛、塑性蠟泥等軋件來模擬熱軋鋼， 以確定生產中的最佳工藝參數。數學模擬是將所研究的對象設計成與該對象或其變 化過程相似的數學模型，然后通過數學模型來間接研究這個對象或其變化過程。數 學模擬是廣泛采用的一種模擬研究方法。 ( 2 ) 數學規(guī)劃( m a t h e m a t i c a l p r o g r a m m i n g ) 方法 對所研究的對象建立數學模型，通過數學規(guī)劃的方法，得出研究對象的最優(yōu) 解。數學規(guī)劃屬于運籌學內容，是確定型的研究方法。數學規(guī)劃可以分為線性規(guī) - 5 河北理工學院碩士學位論文 劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃和多項目標規(guī)劃等。例如，采用動態(tài)規(guī)劃法確定板帶鋼 軋制能耗最小的壓下規(guī)程，可實現(xiàn)節(jié)省軋制能耗。 動態(tài)規(guī)劃法是解多階段決策過程最優(yōu)化的一種方法。這種最優(yōu)化方法產生在5 0 年代，1 9 5 1 年美國數學家r - b e l l m a n 等人，根據一類多階段決策問題的特點，把 多階段決策問題表示成一系列的單階段問題提出了解決這一類問題的“最優(yōu)化原 理”。并將其應用于很多實際問題，從而形成了數學規(guī)劃中的一個重要分支一動態(tài) 規(guī)劃。經大量查閱資料【3 】 4 l 【5 1 1 6 】【7 】嘲在軋制變形規(guī)程優(yōu)化設計中，動態(tài)規(guī)劃法采用的 最為廣泛。 動態(tài)規(guī)劃法就是按過程的幾個階段分為幾步，計算的方向與所走的方向相反， 即從最后一段開始計算到第一段。每一步都要做出決策，即每一步都要決定從哪條 路走。計算下一步時都要利用上一步的計算結果，故為迭代法。 動態(tài)規(guī)劃法與窮舉法相比較，其優(yōu)點如下： i ) 可減少計算工作量當段數很多時，各段的不同選擇很多時，動態(tài)規(guī)劃 法這一優(yōu)點更為突出。且動態(tài)規(guī)劃法實質上是采用迭代法進行計算的，這便于利用 計算機計算。 i i ) 豐富了計算結果用動態(tài)規(guī)劃法計算，不僅得到從起點出發(fā)到終點的最 優(yōu)路徑及其相應的函數值，而且得到從各階段各點出發(fā)到終點的最優(yōu)路徑及其函數 值。這對許多實際問題來說是很有用的，在那些問題中，希望知道的不僅是從某一 段的某一狀態(tài)出發(fā)的最優(yōu)決策，而是從許多段的許多狀態(tài)出發(fā)的最優(yōu)決策，也就是 說，要求的是一族而不是一個最優(yōu)決策。動態(tài)規(guī)劃法使我們能求出整族的最優(yōu)決 策。 所以動態(tài)規(guī)劃法是解決多階段決策問題的有效方法。 ( 3 ) 決策分析( d e c i s i o n a n a l y s i s ) 和專家系統(tǒng)( e x p e r t s y s t e m ) 決策分析是運籌學中的內容之一，包括排隊論、存貯論、價值論和決策論等。 軋鋼生產的物流優(yōu)化，各機組的銜接和匹配等則可通過排隊論進行優(yōu)化。專家系統(tǒng) 是指具有專家水平解決復雜專業(yè)問題的計算機軟件系統(tǒng)，在確定求解問題之后專家 系統(tǒng)可通過推理、判斷而得出最優(yōu)結果。但是專家系統(tǒng)不能代替人工智能，它是將 6 河北理工學院碩士學位論文 專家的知識和經驗通過整理存入知識庫，然后根據具體問題利用知識庫來求解專門 問題。 優(yōu)化技術在軋鋼生產中的應用，已經引起了軋鋼工作者的關注，在國內外有關資料 中有許多報道。在軋鋼生產中，采用優(yōu)化技術已取得了明顯的經濟效益和社會效益。隨 著計算機技術的普及和推廣，最優(yōu)化技術在軋鋼生產中的應用前景會更加廣闊，掌握優(yōu) 化技術對于實現(xiàn)軋制過程優(yōu)質、高產、低消耗有著十分重要的意義。 1 4 課題問題的提出和研究內容 唐鋼中型廠通常軋制n o 1 2 、n o 1 4 角鋼，為了開發(fā)新產品，而在原有設備基礎 上軋制n o 1 8 、n o z 0 角鋼。n o 1 8 、n o 2 0 角鋼是大型軋機的下限產品。中型軋機 軋制大型下限產品，這樣帶來系列問題，因為產品規(guī)格的增大，軋制角鋼的孔型 系統(tǒng)的槽深必然加大，軋輥的工作直徑減小，軋輥強度減弱，從另一方面來說，軋 件與軋輥的接觸面積增大，軋制力增大，而通常設計某一道次壓下量大，就容易斷 輥。從總體來看，有的軋機負荷大，有的軋機負荷小，且軋機負荷分布不均勻，而 軋機負荷大的軋機處于一種臨界狀態(tài)運行，極易帶來生產事故。為了解決這個問 題，使軋機壓力，軋機負荷分配( 軋件的壓下量) 更為合理，所以對軋機負荷進行均 衡優(yōu)化非常必要。 本文介紹的是在開軋溫度一定的條件下，通過調整粗、精軋機組的壓下量來實 現(xiàn)粗、精軋機組軋制負荷的相對均衡。通過選擇壓下量達到負荷均衡優(yōu)化的目的， 對于粗、精軋機組來說是可以實現(xiàn)的。 角鋼屬常用型鋼，其孔型系統(tǒng)為延伸孔型和蝶式孔型構成。蝶式孔的設計，常 采用分配壓下系數和壓下量的方法來構成孔型。雖然這樣構成的蝶式孔能滿足工藝 要求，但沒有考慮到軋制能耗及較準確的軋制負荷，因此在進行蝶式孔設計時，軋 機負荷均衡，可按優(yōu)化方法來確定蝶式孔壓下量或壓下系數。進行軋制角鋼的孔型 設計中，使軋制負荷均衡，能夠充分發(fā)揮軋機的生產能力，并且能夠防止事故。軋 制負荷不均衡，是造成斷輥的原因之一。 均衡負荷、一般有兩種方法：改變孔型尺寸和調整輥縫。在現(xiàn)場的實際生產中， 目前主要是依靠調整輥縫來均衡負荷。這一過程完全靠現(xiàn)場工人憑經驗手工操作完 7 河北理工學院碩士學位論文 成。這不但增加了操作難度，而且給準確控制軋件精度帶來了困難，并且調整后又 出現(xiàn)了新的不均衡現(xiàn)象。因此，現(xiàn)場希望通過改變孔型尺寸來實現(xiàn)軋制負荷的均 衡。這就要求用優(yōu)化方法確定軋機負荷均衡的孔型尺寸。 中型軋機軋制大號角鋼處于臨界狀態(tài)軋制，憑經驗難以完成最優(yōu)的孔型設計。 而通過建立數學模型、確定負荷均衡為目標函數，在一定的約束條件下選用合適的 優(yōu)化方法而得到的結果是所有可能方案中的最佳方案。這種建立在科學分析基礎上 的工藝制度，才能適應于現(xiàn)代化的軋鋼生產。 針對以上情況，本文的研究包括以下幾方面的內容： 1 建立軋機負荷的數學模型： 包括變形抗力計算，接觸面積計算，軋件斷面面積計算和力能參數計算等幾部 分內容。考慮現(xiàn)場中實際影響因素，對傳統(tǒng)公式進行修正，并根據實驗數據，建立 一套適合唐鋼中型生產的軋機負荷計算式。 2 以負荷均衡為目標函數，采用動態(tài)規(guī)劃法為優(yōu)化方法進行優(yōu)化。 3 編制軋制負荷計算和優(yōu)化軟件，并給出軋制負荷均衡的孔型圖。 4 對優(yōu)化結果進行分析。 研究中型軋制過程中的負荷分布并對其進行均衡優(yōu)化具有十分重要的意義： 目前，盡管中國已成為一個世界鋼鐵大國，但從世界工業(yè)技術蓬勃發(fā)展的新形 勢看，中國還處在技術落后的地位，在產品的品種、質量及經濟指標上與先進產鋼 國存在著不小的差距。這種現(xiàn)狀對處于經濟和鋼鐵工業(yè)發(fā)展、改革關鍵時期的中國 來說，既是難得的機遇，也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。 在型鋼生產過程中，為正確確定各架軋機的軋制規(guī)程( 設定各機架的輥縫和速 度等) ，首先必須確定合理的負荷分配，即在一定的軋制條件下( 軋件的鋼種、厚 度、寬度、溫度等) 的壓下量分配。從本質上講，負荷分配決定t 車l u 過程的狀態(tài) 特性。其合理與否，對產品質量、軋制設備調整和事故的多少均有重要的影響f 9 1 。 我國型線材產品已處于國內外市場競爭浪潮之中，為適應這一形勢，當務之急 是降低生產成本，提高產品質量，這樣才能使型線材生產廠在市場競爭中得以生存 和發(fā)展。降低生產成本主要措施是降低能耗燃料與電能消耗、金屬消耗、軋輥 消耗、水的消耗。采用以能耗最少為目標函數的計算機優(yōu)化孔型輔助設計，可節(jié)約 河北理工學院碩士學位論文 軋制能耗，同時可取得使孔型磨損較均勻和產品質量較好的效果；使用合理的孔型 設計和導衛(wèi)裝置，并對其進行調整，使軋制過程穩(wěn)定，可提高產品合格率，減少或 消除產品缺陷或中間因軋卡等造成的廢品，從而降低金屬消耗；負荷均衡可保證軋 制過程穩(wěn)定，軋輥磨損較為均勻，最終達到節(jié)約軋輥消耗的目的【1 0 】。 經大量查閱資料可知，在冷軋、熱軋板帶、棒材、高速線材領域，有關于軋制 負荷分布優(yōu)化研究的報道，但在型材生產領域未見報道。n o 2 0 角鋼利用優(yōu)化方法 進行負荷分配研究是一個創(chuàng)新?？傊M行軋制過程的負荷均衡優(yōu)化對保證設備正 常運行、提高產品質量、降低軋制能耗等具有十分重要的意義。 河北理工學院碩士學位論文 第二章數學模型的建立 2 1 變形阻力模型的建立 2 1 1 實驗研究 2 1 1 ，1 實驗條件 變形阻力試驗在東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室完成。唐鋼中 型廠所用鋼種為1 6 m n ，故本試驗所用鋼種為t 6 m n ，加工成書8 1 0 m m 的圓柱試 件。1 6 m n 鋼的化學成分如下所示： 表2 11 6 m n 化學成分表( ) t a b l e2 1t a b l eo fc h e m i c c o m p o n e n t o f1 6 m n ( ) 2 1 1 2 實驗設備的結構及功能 試驗所用的設備為熱模擬試驗機，型號為m o d e lg l e e b l e - - - 1 5 0 0 ，生產廠家為美 國的d u f f e r s 1 1 】。整個試驗在計算機控制下進行。該機可同時實現(xiàn)力學系統(tǒng)及加熱系 統(tǒng)的精確控制，是一臺理想的動態(tài)材料試驗機。 熱模擬試驗機由三個主要控制系統(tǒng)和五部分設備單元構成。另外有許多輔助設 備，增強了設備的功能和試驗能力。三個主要的控制系統(tǒng)是計算機控制系統(tǒng)，熱學 控制系統(tǒng)和力學控制系統(tǒng)。設備的五個單元是由計算機終端、主控單元、試驗單 元、液壓動力單元、真空單元構成。其它輔助設備有淬火系統(tǒng)、繪圖儀和氣壓機 等。采用語言為g p l ( g l e e b l ep r o g r a m i n g l a n g u a g e ) 。 g l e e b l e - - - 1 5 0 0 加熱系統(tǒng)主要由加熱變壓器、溫度測量與控制系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng) 三部分組成1 1 2 1o 當低頻( 電源頻率) 電流通過試件時，試件靠自身的電阻被加熱， 因金屬與合金體的電阻相當均勻，所以熱量均勻通過試件，集膚效應可忽略不計。 在均溫區(qū)，試件表面與芯部的溫度梯度可近似的看作零，用焊在試件表面的一對熱 電偶測量溫度。加熱系統(tǒng)為伺服閉環(huán)控制回路，可實現(xiàn)溫度的精確測量。力學系統(tǒng) 也是一個伺服系統(tǒng)，可實現(xiàn)載荷控制、位移控制或應變控制。該設備的重要輔件包 - 1 0 - 河北理工學院碩士學位論文 括載荷傳感器、軸向傳感器和徑向傳感器等。為了保證降溫及保溫過程中試件與壓 頭的良好接觸( 不致因體積變化而脫落) ，設備上的空氣彈簧起著重要的作用。 g l e e b l e 一1 5 0 0 的數據采集系統(tǒng)功能較強，采樣時間短至零點幾秒，長至3 8 小 時。采樣速度率可根據需要設定，從每兩秒一個試樣至每秒5 0 k h z 該設備可以完成金屬力學性能的測試工作。試驗內容有形變過程中變形抗力的 測定及制定變形抗力圖。測定塑性指標和制定塑性圖。應力應變曲線的制定，變形 過程中的連續(xù)控制，變形過程對材料性能的影響，形變誘導相變。形變誘導析出、 形變熱處理【1 3 】。 該設備可以模擬熔煉及連續(xù)鑄造工藝、常規(guī)軋制、控制軋制工藝、鍛造工藝、 擠壓工藝、焊接工藝以及粉末冶金工藝、燒結工藝、及雙金屬復合加工工藝、控制 冷卻加工工藝等。 2 1 1 3 試驗方法 試驗在東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室進行，利用g l e e b l e 1 5 0 0 熱模擬試驗機，試樣為巾8 1 0 m m ，在真空條件下加熱試樣到設定溫度，保溫 1 分鐘后進行壓縮。試驗時，采用低頻電流加熱試樣，并充入氬氣來防止試樣氧 化。利用焊接在試樣表面的熱電偶來測量溫度，通過溫度反饋調節(jié)系統(tǒng)，可使試樣 溫度精確地達到預期溫度，誤差不超過2 。在變形速率的控制方面，采用電液伺 服閥，用無級調速來實現(xiàn)變形速率的恒定。運行時，計算機根據輸入的要求，控制 熱模擬實驗機的變形工藝，并將試驗中的壓力、位移、時間、應力和溫度等信號瞬 時采集儲存，并同時以曲線的形式輸出。變形條件為：變形溫度t = 9 5 0 。c 1 1 5 0 。c ， 變形程度= o 2 0 5 ，變形速率= l - 2 0 s 一。 2 1 2 變形阻力模型的建立 金屬材料的變形阻力是指金屬在定的變形條件下進行塑性變形時于單位橫截面積 上抵抗此變形的能力1 4 1 。變形阻力的大小與變形時刻的工藝條件有密切的關系。建立正 確反映金屬材料力能參數與熱變形工藝參數的數學模型，可實現(xiàn)軋制過程的計算機模 擬，從而達到優(yōu)化熱軋工藝過程，進步提高鋼材的力學陛能和組織性能水平之目的。 河北理工學院碩士學位論文 本文通過試驗測定1 6 m n 在熱變形過程中的數據，研究變形抗力與變形溫度、 變形程度及應變速率之間的關系，以期得到一個能比較精確描述1 6 m n 鋼變形阻力 的模型。 2 1 2 1 試驗結果及分析 1 變形溫度對變形阻力的影響 9 9 1 咖1 咖1 1 1 1 圖2 1 不同j 時，1 6 m n 鋼的6 t 曲線 f i g 2 1o - tc u r v eo f1 6 m na td i f f e r e n t 毒 - 1 2 河北理工學院碩士學位論文 亨蓄爹季z z o 一 圖2 3 變形阻力。與變形速率0 的關系曲線 f i g 2 3r e l a t i o nc l l r v eo f d i s t o r t i o n r e s i s t a n c e o a n dd i s t o r t i o ns p e e d j 1 3 河北理工學院碩士學位論文 按試驗數據得到圖2 3 ，變形阻力與變形速率的關系曲線。由圖2 3 可知，隨 變形速率增大，變形阻力在不同的變形溫度下都要上升。在變形程度較大時，變形 阻力的上升趨勢更為明顯。 3 變形程度對變形阻力的影響 2 1 0 瑚 b 1 7 0 “日 f t * 。t ， 1 i d 1 嘣0 2 5咖0 * 0 4 00 4 50 圖2 4 不同變形速度條件下盯一占關系曲線 f i g 2 4r e l a t i o nc u r v eo f 0 一ea td i s t o r t i o ns p e e d 按試驗數據，得到圖2 4 所示的變形阻力與變形程度的關系曲線。由圖可以看 出，變形阻力在較低變形速率下( k = 1 ) 和在較高的溫度下隨變形程度增加逐漸升 高然后有下降的趨勢。在其他的變形速率下( 0 = 5 、1 5 、2 0 ) ，變形阻力隨變形程 度增大而增大【1 5 】。 1 4 w帕”m t d ：口 主一 ；霾 三二三萋鎏 河北理工學院碩士學位論文 2 i 2 2 變形阻力數學模型的建立 金屬塑性變形阻力的大小，決定于金屬的化學成分、金屬的組織、加工溫度、變形 速度以及與這些有關的各個過程，如加工硬化、再結晶、動態(tài)恢復、靜態(tài)恢復等。這些 因素通過金屬的內部影響變形阻力的大小?？梢杂孟率鲫P系表述： 仃= 如，r ，”，z ) ( 2 i ) 式中： z 一金屬的化學成分和組織； t 變形溫度； u 一變形速度； y 一變形程度； f 一相鄰加工道次間時間間隔，或稱變形歷史的影響。 經過大量的研究表明，合金元素對鋼變形阻力影響的復雜性，企圖用一個數學模 型，把諸合金包羅萬象的放到變形阻力數學模型之中，表述合金元素對變形阻力的影 響，不僅是相當復雜、數學模型相當冗長，而且也難以實現(xiàn)。即使得到了其變形阻力數 學模型，也不便計算機在線控制軋鋼生產采用，而且其計算精度勢必不高。為此，周紀 華、管克智采用各鋼種為單元，按鋼種建立變形阻力數學模型。這不僅可以簡化變形阻 力數學模型的結構便于計算機在線控制軋鋼生產使用，而且其變形阻力計算精度也較 高。 周紀華、管克智采用凸輪式高速形變試驗機，在廣泛的變形溫度、變形速度和變 形程度范圍內，測定了各種碳鋼、低合金鋼和合金鋼等的變形阻力，在詳細地分析了變 形溫度、變形速度和變形程度對變形阻力的影響關系的基礎上，以鋼種為單元，擬訂以 下幾個變形阻力數學模型，并采用非線性回歸分析，得到各回歸系數的值和回歸方差 【1 6 】。 仃= c r o 唧h r 塢) ( 劫“q 卜( 志) “山。叫去 c z 仃= c r o e d 爭+ ( 嵩) 4 “ 吼( 孟) “一瓴_ 1 ) 擊 c z 河北理工學院碩士學位論文 x p ( a f + a 2 甜”，“ 旺。， c r = e x p ( ；+ d ： ( 希 。+ “ c z s ， 盯= e x p 。，+ 口：) ( 蓋 。7 + “k ， c ：s ， 盯= e x p ( 爭+ 日：) ( 蓋 。7 + “k ， c z ， k ，= b o + 6 t ，+ 6 2 y 2 + 6 ，y 3 式中oo 、a l a 6 、b o m b 3 、r 卜回歸系數，其值取決于鋼種。 周紀華、管克智等人詳情地分析了部分鋼和合金采用式( 2 2 ) 至式( 2 7 ) 的結構型式， 做非線性回歸分析，得到各回歸系數值和回歸方差( 擬和精度) 。分析回歸方差表明， 采用式( 2 2 ) 結構型式的變形阻力數學模型，不僅其回歸方差普遍小于式( 2 、3 ) 至式( 2 7 ) ；結 構的數學模型，而且其數學模型的結構也較簡單，便于計算機在線控制軋鋼生產和設計 計算使用。 所以1 6 m n 的變形阻力數學模型采用( 2 2 ) 式的結構型式，見式佗8 】。 式中：t = t + 2 7 3 ： 吼一基準變形阻力，即t = 1 0 0 0 。c 、s = 0 4 和舌= 1 0 s 1 時的變形阻力( m p a ) t 一變形溫度； 0 變形速度： 占一變形程度( 對數應變) ： 盯。、a l a r 回歸系數，其值取決于鋼種。 - 1 6 、一4甸三 h d o 一 三啪k q 一 哎廠 強 生 一插 河北理工學院碩士學位論文 按照式( 2 8 ) 結構的變形阻力數學模型，根據試驗中測得的應力一應變曲線規(guī)律， 對1 6 m n 鋼高溫變形曲線數據進行l(wèi) e v e n b e r g m a r q u a r d t 多元非線性回歸【1 7 l l 協(xié)l ，得出 ( 2 8 ) 式模型系數和變形阻力基值如下： 表2 2 變形阻力模型系數表 t a b l e2 2m o d u l u st a b l eo f d i s t o r t i o nr e s i s t a n c e 由此得出叟彤抗力時數字模型為 c r = - 4 。e x p ( - 27 , 0 6 x 志+ 3 , 4 6 0 9 ) ( 嗇 。2 3 5 1 。i 孟一。2 1 6 3 2 6 2 s - “”“s z s ，志i 錯誤類型： e e 0 5 1 3e e 1 1 7e e 2 3 0 ( 2 9 ) e e f 0 ”0 1 ”，故回歸方程高度顯著。 射聯(lián)系數舷1 毒觀9 9 1 8 1 7 河北理工學院碩士學位論文 剩余標準差：s ，：、旦：4 3 5 9 2 m p a 。 v 門一m 取信度口= 0 1 ，f = 1 1 7 ，查表得f 0 0 1 1 1 7 = 2 ，6 1 7 ，故有9 0 的把握認為計算值的精 度范圍在吒1 1 0 7 1 s y = 7 2 2 7 6 m p a 之內1 9 1 。 2 ，1 3 計算值與實測值比較 1 6 m n 鋼的變形阻力的由式( 2 9 ) 計算得出的計算值和實測值及誤差見附錄a 。 1 6 m n 鋼在溫度為9 0 0 。c 1 1 5 0 。c ，變形速率為1 2 0 s ，變形程度為0 2 0 5 變形條件下的比較見圖2 5 。 主 善 翼 體 圖2 51 6 m n 變形阻力的計算值和實測值的比較 f i 9 2 5c o m p a r i s o no f o b e t w e e nn u m e r i c a lv a l u e o f c a l c u l a t i n g a n d m e a s u r i n g i nf a c t 由上圖可以看出，點在直線段周圍的分布比較均勻，說明計算值和實測值比較 接近。 2 2 溫降模型的建立 軋制過程中，軋件的溫降對變形制度、加熱制度及軋后冷卻方式等有重要影 響。在軋制過程中，由于軋件的斷面不斷發(fā)生變化，軋件周圍的換熱條件復雜，變 形熱對溫降也有很大影響，給分析軋件溫度變化增加了巨大困難。隨著計算機的普 一1 8 河北理工學院碩士學位論文 及，數值計算方法得到了很大發(fā)展【2 0 l 。目前，已有人用數值方法分析了某些軋制工 藝下軋件溫降規(guī)律，獲得了一些有用結果【2 ”。本文通過對典型工藝條件下軋件的溫 度進行實測，回歸出了軋件軋制過程中溫降模型，為進一步了解軋件溫度變化規(guī) 律，合理制定加熱制度、軋制制度及冷卻制度，提供了理論依據。 在金屬壓力加工過程中，溫度對軋制力的影響是非常顯著的。 軋制過程中每一道次上軋件的溫度變化為a t ，它可以分解成幾個部分即【2 2 ： a t = a t p + a t r ( a t 。+ t 一t 。+ t d ) 式中：a t 一道次軋件溫度變化； a t 。一由塑性變形功轉變的溫升： 培一- 車l 件與軋輥間相互摩擦產生的溫升； t n , - - 軋件向周圍輻射產生的溫降： at d 一軋輥熱傳導引起的軋件溫降； t u 軋件在機架間運行時空氣對流引起的溫降； t s 一冷卻水引起的軋件溫降。 為了便于計算對以上模型進行下列簡化：軋件與軋輥相互摩擦產生的溫升很 小，因此t f 可以忽略，對t m ，t u ，k 做如下處理：令 k 。a t t = t 。+ t u + t s 式中：k 。一一軋機形式系數，取k = 1 1 5 簡化后的變形溫度模型為： at ：t p - k k a t d ( 2 1 0 ) 2 2 1