基于非圓弧理論的平整機軋制力簡化模型

基于非圓弧理論的平整機軋制力簡化模型

王東城1,2王蕓紅1

1.燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心，秦皇島，0660042.燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，秦皇島，066004

摘要：針對目前帶鋼平整機軋制力模型的缺點，綜合考慮帶材的彈性變形與塑性變形，基于非圓弧軋輥理論的大量計算結果，回歸得到一套冷帶鋼平整機軋制力簡化模型。該模型可用于干平整或濕平整軋機設計、軋制規程制定。4個典型算例的計算結果表明，簡化模型與非圓弧軋輥理論計算結果一致。最終通過2套平整軋機的實測軋制力驗證了簡化模型的正確性。

關鍵詞：帶鋼；平整機；軋制力；非圓弧理論；簡化模型

中圖分類號：TG335

收稿日期：2015-01-06

基金項目：河北省高等學校科學技術研究項目(ZD2014034)；燕山大學青年自主研究計劃資助項目(14LGA003)

作者簡介：王東城，男，1981年生。燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心、燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室副教授。主要研究方向為板帶軋制理論。獲得省部級一等獎3項。發表論文20余篇。王蕓紅，女，1988年生。燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心碩士研究生。

Simplified Rolling Force Model for Temper Rolling Mill Based on Non Circular Arc Theory

Wang Dongcheng1,2Wang Yunhong1

1.National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Rolling Strip，

Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

2.State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology，

Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei，066004

Abstract:In view of the disadvantages of the rolling force model for temper rolling mill, considering the strip’s elastic and plastic deformation, a simplified rolling force model for cold temper rolling mill was put forward based on a lot of calculation results of non circular arc theory. The simplified rolling force model could be used to mill designing and developing procedures for both dry and wet temper rolling mill. The results of 4 typical examples show that the simplified rolling force model is in well agreement with the non circular arc theory. Finally, the simplified model’s correctness was verified by the measured rolling force of 2 temper rolling mills.

Key words: strip; temper rolling mill; rolling force; non circular arc theory; simplified model

0引言

平整軋制是帶鋼生產的重要工序，國內外學者針對平整軋制進行了大量研究，其主要工作包括輥型優化[1]、板形控制[2]、表面粗糙度控制[3]、色差控制[4]等。由于平整軋制的壓下量很小，其變形機理與普通軋制存在很大不同，因此普通的軋制力模型很難精確預報平整軋制力[5]。于是，國內外學者對平整機軋制力模型也進行了大量研究。Roberts[6]提出專用于干平整的軋制力顯式模型，該模型物理意義明確、計算簡單，獲得了大量應用。連家創[7]考慮彈性變形區與軋輥彈性壓扁的特殊性，建立了冷軋薄板軋制壓力模型(可用于計算平整軋制力[8])。Fleck等[9]提出了非圓弧軋輥理論，以之為基礎建立了冷軋極薄帶材的軋制力模型。該模型得到大量引用，并被用于平整軋制力[10-11]。杜鳳山等[12]采用有限元方法分析了平整軋制；魏立群等[13]采用神經網絡建立了平整機軋制力模型；白振華等[14]、薛棟梁等[15]通過理論建模與參數自學習相結合的方式，建立了平整機軋制力在線模型。

總體而言，平整軋制力的建模方法可以分為三類：機理方法[6-12]、智能方法[13]、機理或智能模型與參數自學習相結合的方法[14-15]。上述三類建模方法各有優缺點。第一類方法的普適能力最強，但通常需要進行復雜的迭代計算，計算時間長，容易發散。第二類方法需要大量的生產數據作為訓練樣本。當樣本收集不全時，很難拓展應用。同時，平整軋制力實測數據的分散性較大(當全部的輸入參數相同或相近時，實際采集到的軋制力可能相差較大)，對神經網絡進行訓練時很難收斂。第三類方法通常是在傳統軋制力模型結構的基礎上給定一個或者多個待定參數，通過大量實際生產數據不斷對待定參數進行自適應和自學習，適合于在線應用。但模型結構與平整軋制機理相差較大時，自適應后的物理參數可能會被無限的放大或縮小，失去了原有的物理意義。

從軋制力在線設定的角度而言，第三類方法是最為合適的，也是目前生產實際中主要采用的方法。從軋機設計、軋制規程制定的角度而言，第一類方法是最為合適的，但第一類方法的建模過程需要很強的專業知識，模型的推廣應用受到限制。在第一類方法中，Roberts模型的全部公式都是顯式的，使用十分方便。但Roberts模型的推導和驗證是基于大延伸率(大于2%)干平整的，對于目前工業上常見的小延伸率平整，尤其是小延伸率濕平整，其計算精度無法滿足要求。

綜上所述，目前進行平整機設計與軋制規程制定時，仍然缺乏簡單精確的軋制力模型。基于這一現狀，本文綜合考慮帶材的彈性變形與塑性變形，基于非圓弧軋輥理論的大量計算結果，回歸得到一套冷軋帶鋼平整機軋制力簡化模型，可用于干平整或濕平整軋機設計、軋制規程制定。

1基本模型

平整軋制力為

(1)

式中，σs為變形抗力；B為帶材寬度；L為變形區長度；x為坐標，變形區入口坐標為0，變形區出口坐標為L；Q(x)為應力狀態系數，是x的函數。

(2)

1.1變形區長度

變形區長度基本回歸方程如下：

(3)

(4)

式中，a0～a61為回歸系數；x1～x7分別為軋輥半徑、摩擦因數、變形抗力、帶材來料厚度、延伸率、入口張力與變形抗力比值，出口張力與變形抗力比值；R為軋輥原始半徑；h為帶材來料厚度；r為延伸率；μ為摩擦因數；LR為采用Roberts公式計算得到的變形區長度。

式(3)中，等號右邊的前3項為7個輸入參數二次多項式的完全形式，后5項是考慮到軋輥彈性變形機理并參考Roberts公式得到的特殊項?？紤]到式(3)中的參數太多，實際使用非常不方便，為減少參數量，采用逐個減少參數的辦法，將對相關系數影響很小的項逐個剔除，最終得到變形區長度的表達式：

L=b0+b1h+b2μ+b3r+b4σs+b5σ0/σs+

b6σ1/σs+b7Rσs+b8μσs+b9hr+b10h2

(5)

式中，b0～b10為回歸系數；σ0、σ1分別為入口張應力與出口張應力。

式(5)的等號右邊包含1個常數項、6個線性項和4個二次項，相較于式(3)，減少了51個參數，但對回歸精度影響很小，復相關系數達到0.9887?；貧w得到的具體參數見表1，回歸前后變形區長度對比如圖1所示。由圖1可知，回歸式與原始數據吻合很好，對絕大部分樣本而言，回歸式與原始數據的相對誤差為-10%～10%。

表1　變形區長度回歸系數

圖1　變形區長度對比圖

1.2平均應力狀態系數

平均應力狀態系數基本回歸方程式如下：

(6)

式(6)中，等號右邊的前3項與式(3)相同，后3項是參考Roberts公式得到的特殊項，需要注意的是，式(6)中的L為采用式(5)計算得到的變形區長度，而非式(4)計算得到的變形區長度。式(6)中參數同樣太多，為減少參數量，仍然采用逐個減少參數的辦法，將對相關系數影響很小的項逐個剔除，最終得到的應力狀態系數的表達式為

(7)

式中，c0～c4為回歸系數。

式(7)的等號右邊包含1個常數項、2個線性項和2個特殊項，相較于式(6)，減少了55個參數，盡管回歸系數很少，復相關系數仍然達到0.9632。回歸得到的具體參數見表2，回歸前后應力狀態系數對比如圖2所示。由圖2可知，回歸式與原始數據吻合很好，對絕大部分樣本而言，回歸式與原始數據的相對誤差為-10%～10%。

表2　應力狀態回歸系數

圖2　應力狀態系數對比圖

2結果對比

采用式(5)與式(7)計算了4個典型算例，并將其與非圓弧軋輥理論的計算結果進行了對比，4個算例的計算參數與結果如表3、圖3所示。表3中，L*、Q*分別為回歸模型計算的變形區長與平均應力狀態系數。由表3、圖3可知，回歸式計算的應力狀態系數和變形區長度與原始值吻合較好。

表3　計算參數與結果

(a)例1

(b)例2

(c)例3

(d)例4 圖3　變形區長度與應力狀態綜合計算結果

3模型分析

平整軋制時，軋制力隨軋制速度變化非常顯著，造成這一現象的主要原因有兩個：一是變形抗力隨著應變速度發生變化，二是摩擦因數隨著軋制速度發生變化。文獻[6]指出，隨著軋制速度的增大，干平整的摩擦因數有增加的趨勢；文獻[10]指出，與普通冷軋類似，隨著軋制速度的增加，濕平整的摩擦因數有降低的趨勢。摩擦因數隨軋制速度的定量變化規律，由于實際測量的困難，目前仍然沒有一套成熟的理論，因此本文不作深入研究。

3.1變形抗力

關于變形抗力隨應變速率的變化，文獻[16]給出了一個使用比較廣泛的表達式：

(8)

為考慮應變速率對變形抗力的影響，需要計算應變速率，其表達式可采用文獻[6]的簡化表達式：

(9)

式中，v為軋制速度。

將式(5)與式(8)、式(9)綜合考慮，發現變形區長度與變形抗力存在互為因果的關系，因此需要進行迭代計算。通過簡單的理論分析可知，隨著變形抗力的增加，變形區長度會增加；隨著變形區長度的增加，應變速率變小，變形抗力變小，因此這一迭代過程從理論上說是絕對收斂的。

當考慮軋制速度對變形抗力影響時，采用本文模型計算軋制力的計算流程如圖4所示。

圖4　軋制力計算流程圖

3.2精度評估

由第2節可知，變形區長度與應力狀態系數模型均存在一定程度的誤差，同時，非圓弧軋輥理論本身也必然存在一定程度的誤差，因此有必要通過實測數據對本文模型的精度進行評估。精度評估采用了兩套平整機(900mm與1500mm平整機)的實測數據，其中，900mm軋機采用的平整模式為干平整，主要平整材料為Q195與Q215；1500mm軋機采用的平整模式為濕平整，主要平整原料為CQ、DQ與DDQ。對兩套軋機的典型規格帶材采用本文模型計算了軋制力，并與實測值進行了對比，結果見表4、表5。由表4、表5可知，對于典型規格產品，本文模型計算值與實測值偏差大部分在-15%～15%，少部分偏差超過20%。

表4　900mm軋機軋制參數

表5　1500mm軋機軋制參數

4結論

(1)基于非圓弧軋輥理論，回歸得到一套冷軋帶鋼平整機軋制力簡化模型。該模型可用于干平整或濕平整軋機設計，軋制規程制定或軋制力在線設定。

(2)對于典型規格產品，本文模型計算值與實測值偏差大部分在-15%～15%，少部分偏差超過20%。

參考文獻：

[1]白振華, 馮憲章, 蔣岳峰. 極薄帶鋼平整軋制過程輥型改造方案的研究[J]. 中國機械工程，2007，18(23)：2887-2889.

Bai Zhenhua，Feng Xianzhang，Jiang Yuefeng. Research on Reform Program of Roll Shape in Skin Rolling Process of Super Thin Strip[J]. China Mechanical Engineering，2007，18(23)：2887-2889.

[2]劉志亮，李文強，王英杰. 動態板形輥平整機板形控制機理模型研究[J]. 中國機械工程，2011，22(13)：1624-1628.

Liu Zhiliang，Li Wenqiang，Wang Yingjie. Research on Shape Control Model for DSR Skin Mill[J]. China Mechanical Engineering，2011，22(13)：1624-1628.

[3]于孟，張清東，李瑞，等. R2 級表面鍍錫基板平整軋制過程表面粗糙度控制[J]. 鋼鐵，2010，45(12)：44-49.

Yu Meng，Zhang Qingdong，Li Rui，et al. Control of Surface Roughness for R2 Grade Tin Mill Black Plate in Two-stand Temper Mill Rolling[J]. Iron and Steel，2010，45(12)：44-49.

[4]李秀軍, 白振華, 李亮亮, 等. 帶鋼平整軋制過程中色差綜合控制技術的研究[J]. 鋼鐵，2009，44(11):60-63.

Li Xiujun，Bai Zhenhu，Li Liangliang，et al. Study of Color Aberration Combination Controlling Technique for Sheet Strip in Temper Rolling Processing[J]. Iron and Steel，2009，44(11):60-63.

[5]劉志亮，邱格君. 提高2030平整機預測精度的實用方法[J]. 鋼鐵，2006，41(7)：61-64.

Liu Zhiliang，Qiu Gejun. Practical Method of Precise Prediction on 2030 Skin Mill[J]. Iron and Steel，2006，41(7)：61-64.

[6]Roberts W L. 李裕華，譯. 平整的近似理論[J]. 重型機械，1973(4)：41-59.

[7]連家創. 冷軋薄板軋制壓力和極限最小厚度的計算(Ⅰ) [J]. 重型機械, 1979(2):20-37.

Lian Jiachuang. Calculation of Rolling Pressure and Minimum Rollable Thicknes for Cold-rolled Sheet[J]. Heavy Machinery，1979(2):20-37.

[8]白振華, 劉宏民, 李秀軍, 等. 平整軋制工藝模型[M]. 北京: 冶金工業出版社，2010.

[9]Fleck N A，Johnson K L. Cold Rolling of Foil[J]. Proc. In-st. Mech. Eng., 1992, 206: 119-131.

[10]Domanti S A，Edwards W J. 箔材軋制模型在極薄帶及平整軋制中的應用[C]//第六屆國際軋鋼會議譯文集3. 北京：中國金屬學會軋鋼學會，1994：180-188．

[11]王東城, 彭艷, 劉宏民. 冷軋帶鋼平整機高精度高速度軋制力模型開發[J]. 塑性工程學報，2008，15(1)：172-177.

Wang Dongcheng，Peng Yan，Liu Hongmin. A High-resolution High-speed Rolling Force Model for Cold Strip Temper Rolling Mill[J]. Journal of Plasticity Engineering，2008，15(1)：172-177.

[12]杜鳳山, 孫靜娜, 李學通. 冷軋平整過程軋制壓力分布非線性有限元研究[J]. 塑性工程學報，2008，15(3)： 186-190.

Du Fengshan，Sun Jingna，Li Xuetong. Finite Element Analysis of Normal Pressure Distributions in Temper Rolling[J]. Journal of Plasticity Engineering，2008，15(3)：186-190.

[13]魏立群, 盧冬華. 基于BP網絡的平整軋制壓力計算[J]. 鋼鐵，2002，37(12)：33-35.

Wei Liqun，Lu Donghua. BP Network Based Skin Rolling Force Calculation[J]. Iron and Steel, 2002,37 (12): 33-35.

[14]白振華, 康曉鵬, 龍瑞兵, 等. 工程實用平整軋制壓力模型及其自學習技術研究[J]. 鋼鐵, 2008,43(10): 51-54.

Bai Zhenhua，Kang Xiaopeng，Long Ruibing，et al. Practical Temper Rolling Force Model and It’s Self Study Technology[J]. Iron and Steel, 2008,43(10): 51-54.

[15]薛棟梁, 王駿飛, 顧廷權, 等. 熱鍍鋅機組平整機軋制力預設定模型研究[J]. 重型機械, 2010(6): 18-21.

Xue Dongliang，Wang Junfei，Gu Tingquan，et al. Study on Rolling Force Presetting Model for Skin Pass Mill in Hot Galvanizing Unit[J]. Heavy Machinery, 2010(6): 18-21.

[16]Roberts W L. 冷軋帶鋼生產[M]. 北京：冶金工業出版社，1985.

(編輯張洋)