论文摘要
进入工业社会以来,钢铁一直是人类最重要的基础原材料。目前,中国钢铁销售额约占全国GDP的8%,年产量约占全球总产量的50%,是我国最重要的支柱产业之一。但是,当前钢铁生产的利润微薄,降低制造成本成为钢铁企业生死存亡的关键所在。与此同时,用户需求越来越多样化,对产品品种、规格、质量的要求也越来越严。于是,能同时满足低成本和多样化要求的柔性化生产模式,成为钢铁企业的必然选择。在这种背景下,自由程序轧制技术（Schedule-Free Rolling, SFR）应运而生。SFR是带钢热轧中实现柔性生产组织的有效途径,它是指在一个换辊周期内,钢种、厚度、宽度几乎可以不受限制地自由过渡的轧制技术,能有效提高生产组织的自由度、降低生产成本。但是,受制于硬件设备条件和优化控制技术等因素,SFR目前在国内并未得到普遍推广。近年,随着热轧设备不断进步,国内部分热轧生产线开始具备实施SFR的设备条件,但优化控制技术的缺失反而成为制约SFR实施的瓶颈。SFR优化控制技术的困难在于：一是过程建模复杂：优化目标的精度要求为微米级,且受到轧制规格、工艺参数、设备状态等众多因素的影响；二是优化算法困难,SFR问题是多目标优化问题,计算过程非常复杂、耗时较长,难以用于实时控制。近年来,随着计算机性能的不断提升,使得对SFR的综合优化成为可能。结合宝钢1880热轧在SFR实施过程中存在的问题,本文进行了轧辊横移与负荷分配的建模与优化研究。通过研发SFR优化控制技术,克服轧制过程中不断增长变化的局部不均匀轧辊磨损与热凸度,保持精轧过程的轧制稳定性。主要研究内容及进展如下：1、在对轧辊磨损影响因素进行详细分析的基础上,采用“切片法”,建立考虑横移影响的轧辊磨损模型。采用逐步累计一叠加方法,对一个换辊周期内的轧辊磨损进行分析计算,发现实施轧辊横移后,轧辊磨损在带钢宽度方向趋于均匀,消除了轧件边端部的局部严重磨损造成的猫耳现象,有利于实施自由程序轧制。2、通过对轧辊温度场的数值模拟,建立高精度的轧辊热变形模型。考虑轧辊横移对轧辊热凸度的影响,提出模拟轧辊温度场PR格式的差分方法,指出轧件对轧辊温度场的影响存在“浅层效应”。对一个换辊周期内的轧辊热变形进行数值模拟,发现实施轧辊横移后,轧辊热膨胀的范围向辊身边部区域扩展,起到分散热凸度作用,使热辊型曲线更为光滑平缓。3、提出轧辊横移策略的多目标优化方法。开发基于分解的多目标差分进化算法（MODE/D）,它使用差分进化算法代替遗传算法作为搜索引擎；提出变行程横移策略及其递推算法,通过横移步长、横移行程等决策变量来控制横移策略；通过数值模拟,分析横移策略对轧辊综合辊型的影响,给出两个平滑指标,用来评价横移对轧件接触部位辊缝形状的影响,以轧制计划带钢的平均边部平滑指标、平均中部平滑指标为目标函数,建立横移策略的多目标优化模型。在此基础上,提出交叉轧制横移策略的两阶段优化法。4、提出精轧负荷分配的多目标优化方法。开发高精度轧制力与轧制力矩的一体化模型,为负荷分配计算提供力能参数；提出轧制力模式负荷分配的CLAD算法,用于在线实现负荷分配计算；提出确定负荷分配系数的多目标优化模型,考虑能耗最小、负荷均衡和板形良好等优化目标,分析了不同目标间的矛盾关系。本文的研究内容,为轧辊横移策略与精轧负荷分配的优化设计提供了理论依据,同时面向自由程序轧制的在线控制,具有很强的实用性。相关成果应用到宝钢1880热连轧机组,大幅度拓展产线的自由轧制能力,同宽轧制长度从30km提高到60kmm,集批轧制总长度从70公里提高到100公里,实现复杂、难轧产品在大生产条件下的自由轧制。
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摘要ABSTRACT第1章 绪论1.1 研究目的和意义1.2 自由轧制技术的研究进展1.2.1 减少与均匀化轧辊磨损1.2.1.1 轧辊横移技术1.2.1.2 在线磨辊技术1.2.1.3 润滑轧制技术1.2.2 增强轧机凸度控制能力1.2.2.1 液压弯辊1.2.2.2 PC（Pair Cross）轧机1.2.2.3 CVC轧机（Continously Variable Crown）1.2.3 改善精轧过程的轧制稳定性1.2.3.1 高精度轧制设定模型1.2.3.2 精轧机组负荷分配方法1.3 本文的研究背景1.3.1 1880热轧产品结构对自由轧制的要求1.3.2 1880实现自由轧制存在的制约性问题1.4 本文的研究思路1.5 主要研究内容第2章 轧辊横移对轧辊磨损的影响2.1 引言2.2 热连轧机轧辊磨损的特点2.2.1 工作辊的局部不均匀磨损2.2.1.1 局部不均匀磨损的特点2.2.1.2 局部不均匀磨损的形成原因2.2.1.3 局部不均匀磨损的减轻方法2.2.2 前部机架与后部机架磨损量的差别2.3 热连轧机轧辊磨损模型的开发2.3.1 轧辊磨损影响因素的分析2.3.1.1 计划长度对轧辊磨损的影响2.3.1.2 轧制负荷对轧辊磨损的影响2.3.1.3 润滑条件对轧辊磨损的影响2.3.2 轧辊磨损模型的结构与参数2.3.3 轧辊磨损模型的优化与验证2.3.3.1 轧辊磨损的现场测量2.3.3.2 磨损模型的参数优化2.3.3.3 磨损模型的实验验证2.4 横移策略对轧辊磨损辊型的影响2.5 本章小结第3章 轧辊横移对轧辊热变形的影响3.1 引言3.2 轧辊温度场的数值模拟3.2.1 轧辊传热的基本方程3.2.2 温度场PR格式的差分模型3.2.3 轧辊换热边界条件3.2.3.1 接触传热3.2.3.2 强制水冷3.2.3.3 辐射换热（Z2和Z10）3.2.3.4 空气自然冷却（Z5、Z7和间歇时Z1）3.2.4 两种边界处理方式的比较研究3.2.5 换辊周期内温度场的演变规律及频域分析3.3 轧辊热凸度的研究3.3.1 轧辊热凸度模型及实验验证3.3.2 换辊周期内热凸度的演变规律3.3.3 轧制工艺参数对热凸度的影响3.3.3.1 带钢宽度3.3.3.2 轧制节奏3.4 横移策略对轧辊热辊型的影响3.5 本章小结第4章 轧辊横移策略的多目标优化4.1 引言4.2 基于分解的多目标差分进化算法4.2.1 多目标优化问题描述4.2.2 MODE/D算法框架4.2.2.1 确定权重的混料均匀设计法4.2.2.2 差分进化操作4.2.2.3 局部搜索策略4.2.2.4 多样性保留策略4.2.2.5 MODE/D算法流程4.2.3 实验研究4.3 轧辊横移策略的多目标优化模型4.3.1 变行程横移策略及其递推算法4.3.1.1 变行程定步长横移策略（VSFS）4.3.1.2 变行程变步长横移策略（VSVS）4.3.2 横移策略对轧辊综合辊型的影响4.3.2.1 轧辊综合辊型的数值模拟4.3.2.2 轧件接触部位辊缝形状的数值模拟4.3.2.3 轧件接触部位辊缝形状的评价指标4.3.3 普通轧制计划横移策略的优化4.3.3.1 多目标优化模型的定义4.3.3.2 实例计算与分析4.3.4 交叉轧制计划横移策略的优化4.3.4.1 交叉轧制板形控制难点4.3.4.2 横移策略的两阶段优化法4.3.4.3 实例计算与分析4.3.5 关于横移策略优化目标的讨论4.4 本章小结第5章 精轧负荷分配的多目标优化5.1 引言5.2 轧制力与轧制力矩的一体化模型5.2.1 数学模型的推导5.2.2 统一表达式的建立5.2.2.1 共同的影响因子5.2.2.2 指数型公式的探索5.2.2.3 待定参数的确定5.2.3 新型轧制力能模型的应用5.3 轧制力模式负荷分配的CLAD算法5.3.1 CLAD算法5.3.1.1 基本假设5.3.1.2 算法推导5.3.1.3 收敛判据5.3.1.4 初始值确定5.3.2 计算实例5.4 确定负荷分配系数的多目标优化模型5.4.1 多目标优化模型5.4.1.1 目标函数5.4.1.2 模型定义5.4.2 实验结果与分析5.4.2.1 两目标优化实验5.4.2.2 三目标优化实验5.4.2.3 单目标优化与多目标优化的比较5.4.3 应用流程与案例5.4.3.1 应用流程5.4.3.2 应用案例5.5 本章小结第6章 自由轧制技术的现场应用6.1 宝钢1880机组概况6.1.1 轧辊横移系统的功能特点6.1.2 1880大生产中存在的问题6.2 轧辊横移策略优化方法的现场应用6.2.1 应用方案6.2.1.1 横移策略优化计算的设计思路6.2.1.2 横移策略优化计算的简化思路6.2.2 生产验证6.2.2.1 无取向硅钢55公里同宽轧制6.2.2.2 取向硅钢与碳钢2：1交叉轧制6.3 轧辊横移与在线磨辊的联合应用6.3.1 工作辊有效辊型的定义6.3.2 WRS与ORP结合的辊型控制6.4 自由轧制在1880机组的实施效果6.5 本章小结第7章 结论参考文献致谢攻读博士学位期间主要的科研成果作者简介
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