高建紅,楊 軍
(寶山鋼鐵股份有限公司熱軋廠,上海 200941)
精軋數(shù)學(xué)模型主要用來為軋機系統(tǒng)提供一個最優(yōu)化的設(shè)定值,一方面要確保帶鋼的頭尾達(dá)到目標(biāo)值,另一方面使基礎(chǔ)自動化控制(一級系統(tǒng))不能超出最大的設(shè)備限制[1,2]。精軋數(shù)學(xué)模型的核心是軋制變形過程中的軋制力模型,而軋制力模型的計算精度,直接影響了軋制的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的質(zhì)量。從某熱軋產(chǎn)線的生產(chǎn)實績來看,若某鋼種的設(shè)定軋制力與實際軋制力之間偏差較大,這對該產(chǎn)品軋制過程的穩(wěn)定性和質(zhì)量控制指標(biāo)帶來了較大的負(fù)面影響,并影響最終產(chǎn)品的實物質(zhì)量。本文根據(jù)現(xiàn)場采集的實際數(shù)據(jù)來分析某鋼種軋制力設(shè)定偏差出現(xiàn)較大變化的原因,并利用1stOpt數(shù)據(jù)回歸軟件做分析,對精軋軋制力模型中變形抗力的相關(guān)參數(shù)做了詳細(xì)的計算分析,探索出了精軋軋制力模型中變形抗力計算部分存在的關(guān)鍵影響點,并提出了最佳的優(yōu)化方案。
以某產(chǎn)線生產(chǎn)的所有鋼種A的設(shè)定軋制力與實際軋制力的偏差對比分析,發(fā)現(xiàn)鋼種A各機架的設(shè)定軋制力與實際軋制力出現(xiàn)了較大的變化,軋制力偏差的波動范圍也比之前要大了很多,以F7機架的軋制力偏差波動趨勢為例,其趨勢如圖1。從圖中可以看出,前期生產(chǎn)鋼種A的過程中,鋼種A的設(shè)定軋制力和實際軋制力之間的偏差較小,而且通過軋制力模型的自學(xué)習(xí)功能,能將設(shè)定軋制力和實際軋制力之間的偏差基本上控制在±10%左右的范圍以內(nèi),即精軋模型中的軋制力計算模型處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。但是,從圖中也可以看出,從第168塊帶鋼開始,鋼種A的設(shè)定軋制力與實際軋制力之間的偏差發(fā)生了變化:設(shè)定軋制力和實際軋制力的偏差明顯加大,尤其是后機架表現(xiàn)的更為明顯,其中F7機架的最大軋制力偏差可以達(dá)到42.9%,對于后機架來說,這么大的軋制力設(shè)定偏差,會對精軋的軋制穩(wěn)定性帶來很大的影響:軋制力設(shè)定偏差大會造成頭部設(shè)定不準(zhǔn)并引起后續(xù)的一系列控制調(diào)節(jié),嚴(yán)重的可能造成機架內(nèi)卡鋼。由此也說明了從第168塊帶鋼開始,該鋼種A的某個因素發(fā)生了變化,才導(dǎo)致精軋的設(shè)定軋制力和實際軋制力之間出現(xiàn)了偏差,且這個大的偏差無法通過精軋軋制力模型的自學(xué)習(xí)功能有效彌補。
圖1 精軋F(tuán)1-F7軋制力偏差
精軋軋制力與軋制帶鋼的化學(xué)成分、金相特性、材料溫度、變形區(qū)的幾何形狀、變形區(qū)的外摩擦特性、材料的加工硬化、材料的變形程度以及軋制設(shè)備條件等因素都密切相關(guān)[3,4]。某產(chǎn)線的精軋軋制力模型中,主要考慮帶鋼的變形抗力、變形區(qū)的幾何形狀、變形區(qū)的外摩擦特性等幾個因素,其中帶鋼的變形抗力計算部分為主要的影響部分。而變形抗力模型計算的準(zhǔn)確性又直接對軋制力計算的精度有著重要的影響。以鋼種A的計算變形抗力和根據(jù)實際測出的軋制力,參照變形抗力模型反算出的變形抗力做對比分析,以F1機架為例,兩種計算方式下計算出的變形抗力對比結(jié)果如圖2所示。
圖2 預(yù)計算變形抗力與反算變形抗力
由圖2可以看出,在生產(chǎn)的所有鋼種A中,通過實際測得的軋制力反算的變形抗力的波動較小,基本處于一個相對穩(wěn)定的范圍以內(nèi);但是根據(jù)變形抗力模型直接計算的變形抗力確出現(xiàn)了一個明顯的波動,即鋼種A在軋制到第168塊帶鋼之后,根據(jù)變形抗力模型直接計算出來的變形抗力,和通過實測軋制力反算出的變形抗力,兩者的偏差量加大。這說明在這段軋制的帶鋼期間,某些因素的發(fā)生了變化,并造成了此鋼種A的變形抗力與之前的計算出現(xiàn)了偏差,從而影響了模型計算的準(zhǔn)確性,或者說變形抗力計算模型在考慮某些影響因子時還不夠完善,從而導(dǎo)致了計算的變形抗力與之前出現(xiàn)了偏差。
變形抗力的計算是軋制力計算模型中的一個重要的物性參數(shù),其與軋制時帶鋼變形溫度、變形程度、變形速度等都有相關(guān)性,但其實際變形抗力的大小,最主要的還是與材料的化學(xué)成分和變形溫度有關(guān)[5]。在變形抗力計算時,一般會考慮的合金成份主要包括以下集中 :C、Si、Mn、Ni、Cr、Ti、Mo、V、Nb等。在詳細(xì)對比了鋼種A的化學(xué)成份之后發(fā)現(xiàn),上述幾種元素中,除Cr元素的含量在軋制第168塊后發(fā)生了明顯的變化外,其他元素的成份含量與之前的水平基本保持不變。從中可以說明,目前的變形抗力模型在考慮各金屬化學(xué)成份影響的方面還不夠完善,某些化學(xué)元素的影響量相對較大,針對鋼種A,在計算其變形抗力的時候,Cr元素的影響量相對較大,因此有必要對變形抗力模型中的化學(xué)成份系數(shù)項進(jìn)行分析,通過回歸分析,找出最佳的優(yōu)化方案。
1stOpt(First Optimization)是一套數(shù)學(xué)優(yōu)化分析綜合工具軟件包。在非線性回歸,曲線擬合,非線性復(fù)雜工程模型參數(shù)估算求解等領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位。該軟件使用通用全局優(yōu)化算法(Universal Global Optimization - UGO),克服了當(dāng)今世界上在優(yōu)化計算領(lǐng)域中使用迭代法必須給出合適初始值的難題,即勿需給出參數(shù)初始值,而由1stOpt隨機給出,通過其獨特的全局優(yōu)化算法,最終找出最優(yōu)解。通過提供適當(dāng)?shù)膮?shù)初始值,并進(jìn)行計算至能夠收斂和找到最優(yōu)解。如果設(shè)定的參數(shù)初始值不當(dāng)則計算難以收斂,其結(jié)果是無法求得正確結(jié)果。
軋制力模型中的變形抗力計算式,與化學(xué)成分相關(guān)的項KM_CHEM通過各元素與各個元素對應(yīng)的系數(shù)aki值來計算。在對化學(xué)成分參數(shù)優(yōu)化時,根據(jù)前期生產(chǎn)的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù),采用1stOpt數(shù)據(jù)回歸軟件對aki值進(jìn)行了線性回歸。歸結(jié)果如下:
表1
將模擬出的aki進(jìn)行反向迭代計算出KM_CHEM與原模型計算KM_CHEM、反算實際KM_CHEM進(jìn)行比較,從中可以看出,回歸出的aki計算出的KM_CHEM與反算實際KM_CHEM偏差更小,也就說明通過模擬計算出的aki更能滿足模型計算的要求。
圖4 優(yōu)化前后變形抗力預(yù)報偏差
為了驗證新系數(shù)對Cr成分波動對軋制力的影響,對兩種不同Cr含量下的帶鋼進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果如下。從中可以看出,新系數(shù)下軋制力未出現(xiàn)因Cr成分的波動而發(fā)生較大的波動。
表2
圖5為變形抗力模型參數(shù)優(yōu)化前后,計算的變形抗力和根據(jù)實際軋制力反算的變形抗力之間的偏差,與Cr元素成份波動的關(guān)系圖,從圖中可以看出,優(yōu)化后的參數(shù)能夠較好的滿足鋼種A的軋制力計算模型。
圖5 優(yōu)化后軋制力預(yù)報精度
本文結(jié)合現(xiàn)場的實際生產(chǎn)情況,針對鋼種A在生產(chǎn)過程中存在軋制力偏差大的問題,對軋制力模型進(jìn)行了詳細(xì)的研究,提出了軋制力模型優(yōu)化的一種方法,主要得出以下幾點結(jié)論:(1)通過數(shù)據(jù)分析,得出Cr元素對鋼種A的實際變形抗力的影響較小,但模型參數(shù)中對此成份的計算影響量較大;(2)通過對化學(xué)成分項系數(shù)進(jìn)行線性回歸,優(yōu)化出了針對鋼種A的化學(xué)成分項系數(shù),將軋制力預(yù)報偏差控制在±10%之內(nèi),從而提高了軋制穩(wěn)定性。(3)利用實際軋制力數(shù)據(jù),通過1stOpt數(shù)據(jù)回歸軟件,對化學(xué)成分項系數(shù)進(jìn)行線性回歸和優(yōu)化,是提高模型計算精度的方法之一。