五機架冷連軋機摩擦系數(shù)模型在線應用的研究
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1、第2章 寶鋼2030五機架冷連軋機摩擦系數(shù)模型在線應用的研究 2.1 研究目標 分別比較1420、1550和2030已經(jīng)開發(fā)的摩擦系數(shù)模型,考慮到改造后2030軋機的軋制工藝參數(shù)如道次壓下率、軋制速度、軋制噸位、軋制潤滑油的品種及流量、前后張力、帶材平均變形抗力、帶材入出口平均厚度以及潤滑制度對摩擦系數(shù)的影響,采集1420和2030軋機的現(xiàn)有實際數(shù)據(jù)處理和分析,確定最終在線應用的摩擦系數(shù)模型結(jié)構和模型參數(shù)。 2.2 1420、1550、2030等三條機組摩擦模型比較 2.2.1 1420機組摩擦系數(shù)模型簡介 在1420酸軋控制系統(tǒng)中,采用了如下摩擦模型: (1) 式中:
2、 ——將用于后續(xù)計算的摩擦系數(shù); ——摩擦系數(shù)計算基準值; ——機架速度(); ——摩擦系數(shù)計算的速度分量1; ——摩擦系數(shù)計算的速度分量2(); ——軋輥原始粗糙度(m); ——摩擦系數(shù)計算的粗糙度分量1(m); ——摩擦系數(shù)計算的粗糙度分量2(); wear——軋輥磨損(m); ——摩擦系數(shù)計算的磨損分量1; ——摩擦系數(shù)計算的磨損分量2(); ——機架出口厚度(m); ——摩擦系數(shù)計算的厚度分量1(m); ——摩擦系數(shù)計算的厚度分量2; ——相對壓下量; ——摩擦系數(shù)計算的壓下量分量1; ——摩擦系數(shù)計算的壓下量分量2。 2.2.2 1550酸軋摩擦系數(shù)
3、模型簡介 在1550酸軋控制系統(tǒng)中,采用了如下摩擦模型: (2) 其中:——軋制速度; ——與軋制油有關的計算摩擦系數(shù)的參數(shù); ——軋輥換輥后所軋制的鋼卷數(shù)。 考慮換輥后,軋輥粗糙度已發(fā)生變化,因此需要對摩擦系數(shù)進行相應的補償。如果換輥后軋制的鋼卷數(shù)達到N卷,即時,可以認為軋輥的粗糙度已處于穩(wěn)定。此時,軋輥粗糙度對摩擦系數(shù)的影響可不予考慮,于是 摩擦系數(shù)模型公式簡化為: (3) 2.2.3 2030機組現(xiàn)用摩擦系數(shù)模型簡介 2030機組目前采用的是恒摩擦系數(shù)模型,即將摩
4、擦系數(shù)作為一個常數(shù)來設置。具體的說,將1-3機架摩擦系數(shù)設定為0.05;第4機架摩擦系數(shù)設定為0.04;第5機架摩擦系數(shù)設定為0.16。 實際上,根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)并利用德方提供的相關軋制壓力模型進行返算,不同規(guī)格產(chǎn)品即使在穩(wěn)定狀態(tài)下摩擦系數(shù)的波動還是非常大的。附錄1選擇寶鋼2030五機架冷連軋機1-4機架在2005年4月30日一天所生產(chǎn)的所有規(guī)格產(chǎn)品(共計198卷)在穩(wěn)態(tài)下的摩擦系數(shù)返算結(jié)果。通過附表1可以看出,即使采用恒摩擦系數(shù)設定模型,其實際摩擦系數(shù)的返算值的變化依然是很大的。 2.2.4 1420、1550、2030等三條機組摩擦模型比較 比較式(1)、式(2)可以看出,1550酸軋機
5、組摩擦系數(shù)計算模型偏重于強調(diào)軋制油(潤滑劑)的溫度、濃度、比重、劑量及粘稠度等對摩擦系數(shù)的影響,而忽略了軋制工藝參數(shù)的設定對摩擦系數(shù)的影響;1420酸軋的摩擦系數(shù)模型則重視軋制工藝參數(shù)的設定對摩擦系數(shù)的影響,把工藝潤滑制度對摩擦系數(shù)的影響則不予考慮,只把軋制油粗略的分成四種類型;而2030機組由于投產(chǎn)較早,采用的摩擦系數(shù)模型既不考慮乳化液工況的變化對摩擦系數(shù)的影響,又不考慮相關軋制工藝參數(shù)的變化對摩擦系數(shù)的影響,顯然是待完善的余地更大。 2.3 2030五機架冷連軋機新摩擦系數(shù)模型的建立 在寶鋼2030五機架冷連軋機的三電改造中,為了保證摩擦系數(shù)模型更切合實際,經(jīng)過大量的現(xiàn)場調(diào)研與理論分
6、析,課題組擬綜合1420酸軋機組與1550酸軋機組的各自優(yōu)點,根據(jù)各種因素對摩擦系數(shù)的影響程度,既考慮乳化液制度對摩擦系數(shù)的影響,又考慮軋制工藝參數(shù)的設定以及軋輥相關特性對摩擦系數(shù)的影響,建立一套適合2030五機架冷連軋機的摩擦系數(shù)模型。 2.3.1 摩擦系數(shù)模型的推導 長期以來,人們?yōu)榱私⒗溥B軋機的摩擦系數(shù)模型,通常是將兩個軋制壓力模型聯(lián)立起來求解。比較典型的是采用將Hill公式與Banlad-Ford公式聯(lián)立求解,得出摩擦系數(shù)的方法。其實,這些方法是不科學的,因為無論是Hill公式還是Banlad-Ford公式,不管其形式如何,其模型精度對摩擦系數(shù)的依賴性很強,所以將兩個本身精度就依
7、賴于摩擦系數(shù)的理論模型聯(lián)立來反求摩擦系數(shù),其得出的結(jié)果并沒有什么實用價值,很少能夠直接在線應用。為此,本節(jié)將理論模型與實際數(shù)據(jù)相結(jié)合,通過大量的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析和回歸計算,建立了一套實用的冷連軋機的摩擦系數(shù)模型。(軋制壓力模型) 由于在生產(chǎn)過程中,對于寶鋼2030冷連軋機而言,乳化液的品種是確定的,而濃度對摩擦系數(shù)的影響非常小,溫度的實際變化范圍并不大,因此實際上乳化液影響影響摩擦系數(shù)的主要是流量。這樣,在摩擦系數(shù)模型的構造中,乳化液工況方面的影響因素就可以僅考慮流量參數(shù),而其它因素則忽略不計。同時,根據(jù)工藝技術規(guī)程,2030五機架冷連軋機各個機架工作輥的原始粗糙度基本上是固定的,變化幅度很
8、小,因此該因素對摩擦系數(shù)的影響也是可以忽略的。于是,在考慮到乳化液流量與軋制工藝參數(shù)的摩擦系數(shù)的影響的前提下,其任意一機架的摩擦系數(shù)可以初步用式(2-1)的函數(shù)形式來表示: (2-1) 式中: —第機架的摩擦系數(shù); —第機架帶材的入口厚度; —第機架的相對壓下量; —第機架的出口軋制速度; —第機架工作輥換輥后帶材的軋制公里數(shù); —第機架支承輥換輥后的軋制噸位; —第機架軋制潤滑油量; —第機架的前張力; —第機架的后張力; —第機架的帶材平均變形抗力。 與此同時,根據(jù)相關文獻[2]可以知道,在冷連軋過程中,對于任意第機架
9、的帶材平均變形抗力可以用式(2-2)的函數(shù)來表示: (2-2) 式中: —熱軋來料的變形抗力; —熱軋來料的厚度; —第機架的入口厚度。 這樣,聯(lián)立式(2-1)、(2-2)可得下式: (2-3) 由于對于一個確定的軋制過程而言,等參數(shù)之間是互相獨立的,即相關性為零。這樣,為了方便研究,同時定量的描述出以上每個參數(shù)與摩擦系數(shù)之間的關系,根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗,忽略掉交叉項對摩擦系數(shù)的影響,近似的將摩擦系數(shù)用以下方程來表示: (2-4) 應
10、該說明的是,盡管對于任何一臺冷連軋機而言,其摩擦系數(shù)在形式上都可以寫成如式(2-4)所示的函數(shù)結(jié)構,但是不同的冷連軋機其函數(shù)內(nèi)容是不一樣的。為了得到特定的冷連軋機摩擦系數(shù)模型,可采用現(xiàn)場實驗回歸的方法來求解,現(xiàn)介紹如下: 根據(jù)軋制理論可以知道,對于任何一個冷連軋過程而言,其任意第機架的軋制壓力可以用式(2-5)所示函數(shù)來表示: (2-5) 聯(lián)立式(2-1)、(2-5)得: (2-6) 由于在實際中,摩擦系數(shù)與軋制壓力是一一對應的關系,這樣式(1-6)又可以寫成:
11、 (2-7) 因為對于一個特定的冷連軋過程而言,等參數(shù)是已知的,而軋制壓力是可以通過現(xiàn)場實測出來的。如果令: (—實測軋制壓力),則相應的摩擦系數(shù)就可以通過式(2-7)求出。 顯然,要建立相應的摩擦系數(shù)模型,分析各因素對摩擦系數(shù)的影響,必須求解出、、、……、等10個函數(shù)的具體表達式。現(xiàn)以工作輥換輥后帶材的軋制公里數(shù)對摩擦系數(shù)的影響為例,詳細的推導的求解過程。 首先,選擇一組特定的軋制參數(shù)等固定不變,統(tǒng)計出在不同的工作輥軋制公里數(shù)下的實際軋制壓力。 因為等參數(shù)是不變的,所以對應的、、、……、等9個函數(shù)也應該是固定不
12、變的常數(shù),因此式(2-4)與式(2-7)就可以簡化為: (2-8) (2-9) 式中: —常數(shù); —樣本數(shù),即工作輥軋制公里數(shù)實驗采集點的個數(shù); —特定軋制參數(shù)下工作輥換輥后帶材的軋制公里數(shù)為時的實測軋制壓力。 聯(lián)立式(2-8)、(2-9)得: (2-10) 對于(2-10)式,只要樣本數(shù)取得足夠多,以為橫坐標,對應的為縱坐標,作出相應的坐標圖,然
13、后進行曲線擬合,就可以求出函數(shù)的準確表達式了。 最后,依次類推,采用相同的方法,可以求出、、、……、等其它函數(shù)的具體表達式。將相關函數(shù)代入式(2-4),即可建立起相應的摩擦系數(shù)模型。 有時,現(xiàn)場為了方便分析與在線應用,往往也將摩擦系數(shù)模型寫成以下形式: (2-11) 式中:—第機架帶材的出口厚度。 2.3.2 2030五機架冷連軋機的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型的初步回歸結(jié)果分析 利用2.3.1所建立的相關模型,結(jié)合寶鋼2030五機架冷連軋機半年多的實際生產(chǎn)情況,通過大量數(shù)據(jù)整理和理論分析,得出寶鋼2030五機架冷連軋機的摩擦系數(shù)模型如下: 28 / 24文檔可自由編輯打印 (2-1
14、2) (2-13) (2-14) (2-15) (2-16) 顯然,采用式(2-12)~(2-16)來直接作為2030五機架冷連軋機的在線模型,表達式太復雜,不利于現(xiàn)場對摩擦系數(shù)的設定,為了進一步簡化相關表達式,抓住主要矛盾,忽略次要因素的影響,可以首先定量分析各軋制參數(shù)對摩擦系數(shù)的影響,然后決定應該保留與忽略的因素。為此,不妨取兩種典型規(guī)格產(chǎn)品為例,進行定量研究,有關典型規(guī)格產(chǎn)品的軋制工藝參數(shù)如表2-1、表2-2所示: 表2-1 1號典型規(guī)格產(chǎn)品的工藝參數(shù) 材質(zhì):AP1056;帶寬:1222(mm);KFO=447(Mpa);KFT=179(Mpa) 機架號 0 F1
15、 F2 F3 F4 F5 出口厚度(mm) 2.606 1.901 1.261 0.840 0.585 0.576 機架間張力(Mpa) 41 150 160 170 180 45 支承輥軋制噸位(t) 2000 2000 2000 2000 2000 工作輥軋制公里數(shù) 80 120 140 160 160 表2-2 2號典型規(guī)格產(chǎn)品的工藝參數(shù) 材質(zhì):DT0138;帶寬:912(mm);KFO=408(Mpa);KFT=188(Mpa) 機架號 0 F1 F2 F3 F4 F5 出口厚度(mm) 3.9
16、76 2.567 1.705 1.148 0.815 0.804 機架間張力(Mpa) 44 110 135 145 180 31 支承輥軋制噸位(t) 2000 2000 2000 2000 2000 工作輥軋制公里數(shù) 80 120 140 160 160 首先變化第五機架的出口速度,分析各機架的摩擦系數(shù)變化規(guī)律: (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-1 第1機架速度對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品
17、 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-2 第2機架速度對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-3 第3機架速度對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-4 第4機架速度對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-5 第5機架速度
18、對摩擦系數(shù)的影響 現(xiàn)在再來分析一下工作輥換輥后軋制公里數(shù)對各機架摩擦系數(shù)的影響(為了方便分析,將第五機架的軋制速度設定為1100m/min): (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-6 第1機架工作輥換輥后軋制公里數(shù)對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-7 第2機架工作輥換輥后軋制公里數(shù)對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品
19、 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-8 第3機架工作輥換輥后軋制公里數(shù)對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-9 第4機架工作輥換輥后軋制公里數(shù)對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-10第5機架工作輥換輥后軋制公里數(shù)對摩擦系數(shù)的影響 同樣,不妨就支承輥換輥后軋制噸位對各機架摩擦系數(shù)的影響進行分析(五機架的軋制速度仍設定為1100m/min): (a
20、) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-11 第1機架支承輥換輥后軋制噸位對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-12 第2機架支承輥換輥后軋制噸位對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-13 第3機架支承輥換輥后軋制噸位對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品
21、 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-14 第4機架支承輥換輥后軋制噸位對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-15 第5機架支承輥換輥后軋制噸位對摩擦系數(shù)的影響 為了分析其它因素對摩擦系數(shù)的影響,不妨以兩種典型規(guī)格產(chǎn)品的第四道次為例進行分析,第四道次相關參數(shù)如表1-3、1-4所示: 表2-3 第四機架基本參數(shù) (1號典型規(guī)格產(chǎn)品) 來料厚度 (mm) 出口厚度 (mm) 出口速度 (m/min) 平均變形抗力 (Mpa)
22、 道次壓下量 (%) 前張力 (Mpa) 0.840 0.585 1085 576 30.2 180 后張力 (Mpa) 工作輥軋制公里數(shù) 支承輥軋制噸位 流量 170 160 2000 正常 表2-4 第四機架基本參數(shù) (2號典型規(guī)格產(chǎn)品) 來料厚度 (mm) 出口厚度 (mm) 出口速度 (m/min) 平均變形抗力 (Mpa) 道次壓下量 (%) 前張力 (Mpa) 1.148 0.815 1087 557 29.1 185 后張力 (Mpa) 工作輥軋制公里數(shù) 支承輥軋制噸位 流量
23、 145 160 2000 正常 (1)、變形抗力對摩擦系數(shù)的影響: (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-16 變形抗力對摩擦系數(shù)的影響 (2)、來料厚度對摩擦系數(shù)的影響(道次壓下量不變的情況下) (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-17來料厚度對摩擦系數(shù)的影響 (3)、道次壓下量對摩擦系數(shù)的影響(來料厚度不變的情況下) (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品
24、 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-18 道次壓下量對摩擦系數(shù)的影響 (4)、前張力對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-19前張力對摩擦系數(shù)的影響 (5)、后張力對摩擦系數(shù)的影響 (a) 1號典型規(guī)格產(chǎn)品 (b) 2號典型規(guī)格產(chǎn)品 圖2-20 后張力對摩擦系數(shù)的影響 根據(jù)圖1-1~圖1-20的定量分析,可以看出摩擦系數(shù)與各主要軋制參數(shù)之間存在如下關系:
25、1)隨著軋制速度的提高,摩擦系數(shù)呈指數(shù)下降;2)隨著工作輥換輥后軋制公里數(shù)與支承輥換輥后軋制噸位的增加,摩擦系數(shù)呈指數(shù)下降,其中工作輥的軋制公里數(shù)影響更為明顯,而相比之下支撐輥軋制噸位對摩擦系數(shù)的影響可以忽略;3)隨著道次平均變形抗力的增加,摩擦系數(shù)緩慢減小,呈線性,幅度不大,可以忽略;4)在道次壓下量不變的前提下,隨著來料厚度的增加,摩擦系數(shù)顯著增大;5)在來料厚度一定的前提下,隨著道次壓下量的增加,摩擦系數(shù)顯著增大;6)隨著前張力的增加,摩擦系數(shù)增加;7)隨著后張力的增加,摩擦系數(shù)減小。 2.3.3 2030五機架冷連軋機在線應用的摩擦系數(shù)模型結(jié)構和模型參數(shù) 根據(jù)研究,2030五機架冷
26、連軋機在線應用的摩擦系數(shù)模型結(jié)構和模型參數(shù)如下: 式中:—2030五機架冷連軋機組第機架的摩擦系數(shù); —2030五機架冷連軋機組第機架的軋制速度,m/min; —第機架速度對摩擦系數(shù)的影響系數(shù),; —2030五機架冷連軋機組第機架工作輥換輥后的軋制公里數(shù),Km; —第機架工作輥換輥后軋制公里數(shù)對摩擦系數(shù)的影響系數(shù),; —2030五機架冷連軋機組第機架乳化液的流量; —第機架乳化液流量對摩擦系數(shù)的影響系數(shù),; —2030五機架冷連軋機組第機架壓下量; —第機架壓下率對摩擦系數(shù)的影響系數(shù),; ,—2030五機架冷連軋機組第機架帶材的入口、出口厚度,m; —第機架帶材入口與
27、出口厚度對摩擦系數(shù)的影響系數(shù),; ,—2030五機架冷連軋機組第機架帶材的前、后張力,MPa; —第機架帶材入口與出口張力對摩擦系數(shù)的影響系數(shù),; —由工作輥原始粗糙度、乳化液品種等因素決定的模型修正系數(shù),當前情況下: 附錄1:寶鋼2030五機架冷連軋機1-4機架相關規(guī)格產(chǎn)品在原模型下摩擦系數(shù)返算值 序號 材質(zhì) 出口厚度(mm) 寬度 (mm) 1-4前張力(Mpa) 1-4機架入口厚度(mm) 1-4機架摩擦系數(shù) 速度(m/
28、min) G1 G2 G3 G4 G1 G2 G3 G4 G1 G2 G3 G4 V12 VL12 1 ap1055 0.5 1078 145 158 171 195 1.983 1.466 1.000 0.687 0.0420 0.0454 0.0382 0.0498 329.2 484.0 2 ap1055 0.5 1078 145 158 175 197 1.985 1.455 0.999 0.687 0.0429 0.0461 0.0374 0.0490
29、 337.1 492.4 3 ap1055 0.5 1078 139 157 174 196 1.999 1.462 1.004 0.691 0.0369 0.0390 0.0327 0.0484 241.6 354.6 4 ap1055 0.5 1078 143 158 162 173 1.987 1.475 1.000 0.689 0.0431 0.0445 0.0385 0.0474 327.0 484.4 5 ap1055 0.5 1078 148 158
30、 162 173 1.983 1.432 0.998 0.686 0.0430 0.0471 0.0383 0.0475 343.0 493.0 6 ap1055 0.5 1078 144 158 162 173 1.983 1.462 0.999 0.687 0.0430 0.0442 0.0377 0.0472 328.6 482.6 7 ap1055 0.5 1078 144 158 162 173 1.986 1.462 0.999 0.687 0.042
31、5 0.0446 0.0375 0.0473 323.8 475.4 8 ap1055 0.5 1078 147 158 162 173 1.983 1.435 0.998 0.687 0.0430 0.0459 0.0377 0.0476 316.9 457.1 9 ap1055 0.5 1078 146 157 174 176 2.238 1.642 1.159 0.811 0.0403 0.0459 0.0336 0.0489 363.1 518.0 1
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