張 云 厲小軍 饒克偉 杜 蓉

(1.武鋼有限冷軋廠 湖北 武漢：430083;2.寶鋼股份中央研究院武漢分院(武鋼有限技術(shù)中心) 湖北 武漢：430080)

0 前言

帶鋼在冷熱軋過(guò)程中的寬度精度是影響板材成材率的一項(xiàng)重要因素。張繼國(guó)、楊平等[1-3]通過(guò)研究解決熱卷卷取過(guò)程中的局部拉窄問(wèn)題，大幅提高了熱軋?jiān)先L(zhǎng)方向上的寬度精度和均勻性。孫永旭等[4-5]通過(guò)定量分析熱鍍鋁鋅連退過(guò)程中張力、溫度以及來(lái)料板形3個(gè)方面對(duì)拉窄量的影響，建立了一套熱鍍鋁鋅機(jī)組退火過(guò)程中帶鋼拉窄量計(jì)算模型。然后，目前國(guó)內(nèi)對(duì)冷軋軋制及退火過(guò)程中的全流程拉窄量尚無(wú)相關(guān)研究。

建模工具的廣泛運(yùn)用為定量探索冷軋全流程拉窄提供更科學(xué)的方法和路徑。常用的建模方法有以下幾種：一是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)構(gòu)建一層或兩層的完全連接的感知器，可借助靈活的輸入變量函數(shù)預(yù)測(cè)一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)變量；二是決策樹(shù)模型，根據(jù)X值與Y值之間的關(guān)系將數(shù)據(jù)遞歸分割，創(chuàng)建決策樹(shù)；三是隨機(jī)森林模型，通過(guò)對(duì)許多決策樹(shù)(每棵樹(shù)都擬合到訓(xùn)練數(shù)據(jù)的隨機(jī)子集)求平均值來(lái)擬合組合模型。

冷軋酸洗聯(lián)軋工序切邊后在退火工序出現(xiàn)窄尺，一直是影響冷軋正品率的一個(gè)突出問(wèn)題。2021年以來(lái)，某冷軋1550單元酸軋機(jī)組月均窄尺降級(jí)量最高達(dá)到256噸/月，嚴(yán)重影響產(chǎn)品效益及合同兌現(xiàn)。本文利用建模分析，定量探索了影響冷軋工序全流程拉窄量的影響因素，支撐酸軋工序切邊工藝設(shè)計(jì)，有效解決酸軋切邊后在退火工序的窄尺缺陷。

1 帶鋼拉窄量理論分析

酸洗連軋工序在圓盤(pán)剪進(jìn)行切邊，定尺寬度為B，經(jīng)過(guò)五機(jī)架聯(lián)軋和連續(xù)退火后寬度變?yōu)锽2，酸軋工序拉窄量ΔB1=B-B1，退火工序拉窄量ΔB2=B1-B2，綜合拉窄量ΔB=ΔB1+ΔB2。

圖1 冷軋拉窄流程圖

帶鋼在軋制過(guò)程中，受到軋制力Fi和水平方向的機(jī)架間張力Ti綜合作用發(fā)生塑性變形，根據(jù)體積不變定律可得：

(1)

公式(1)中：li-1為第i機(jī)架入口帶鋼長(zhǎng)度，mm；hi-1為第i機(jī)架入口帶鋼厚度，mm；bi-1為第i機(jī)架入口帶鋼寬度，mm；li為第i機(jī)架出口帶鋼長(zhǎng)度，mm；hi為第i機(jī)架出口帶鋼厚度，mm；bi為第i機(jī)架出口帶鋼寬度，mm。

研究表明，帶鋼在退火狀態(tài)下的拉窄量主要與退火張力、退火溫度等相關(guān)[4-5]，根據(jù)體積不變定律可得：

(2)

公式(2)中：L2為退火工序入口帶鋼長(zhǎng)度，mm；εF為退火縱向張力作用下帶鋼的塑性應(yīng)變，α為高溫下帶鋼平均線膨脹系數(shù)；τ為溫度變化的時(shí)間，s；?T(x,y,z,τ)為帶鋼表面某一點(diǎn)(x,y,z)在時(shí)間τ內(nèi)溫度變化率。

根據(jù)以上理論分析，影響綜合拉窄量的關(guān)鍵工藝主要包括：帶鋼原始尺寸和屈服強(qiáng)度、軋機(jī)軋制力和張力、退火張力和退火溫度。

2 帶鋼拉窄量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與建模

2.1 方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)清洗

參考上述理論分析，在選取各工序工藝條件下穩(wěn)定的帶鋼做為分析樣本，以成品規(guī)格(寬度×厚度)分別為1250mm×1.8mm、1550mm×1.8mm、1250mm×2.0mm三個(gè)典型規(guī)格產(chǎn)品為例，采集生產(chǎn)過(guò)程中22項(xiàng)與軋制力、張力、溫度相關(guān)的高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析。主要參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)表

因待分析數(shù)據(jù)為高頻數(shù)據(jù)，同一樣本每個(gè)工藝點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)量存在差異，本文采用以最終寬度檢測(cè)點(diǎn)數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)各工藝點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放補(bǔ)齊，并對(duì)離群值和缺失值進(jìn)行清洗。

2.2 三大模型分析與對(duì)比

選擇單一卷做為模型分析樣本，共計(jì)采集690組數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別進(jìn)行三類(lèi)預(yù)測(cè)模型分析，如圖2～圖5。圖5結(jié)果顯示，隨機(jī)森林預(yù)測(cè)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型、決策樹(shù)預(yù)測(cè)模型的R2值分別為0.962、0.908和0.899。隨機(jī)森林預(yù)測(cè)模型的擬合精度高于其它兩個(gè)預(yù)測(cè)模型。

圖2 隨機(jī)森林預(yù)測(cè)模型

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型

圖4 決策樹(shù)預(yù)測(cè)模型

圖5 三種模型拉窄預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值關(guān)系

2.3 基于隨機(jī)森林的拉窄量模型

根據(jù)圖5的預(yù)測(cè)結(jié)果，選擇隨機(jī)森林模型，同時(shí)引入屈服強(qiáng)度、材料延伸率參數(shù)，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立拉窄預(yù)測(cè)模型，詳見(jiàn)圖6。由圖6(a)可以看出，訓(xùn)練集R2和驗(yàn)證集R2分別為0.801和0.428。整體模型擬合R2為0.794(見(jiàn)圖6(c))。

由圖6(b)可以看出，列貢獻(xiàn)前五位分別為QF(強(qiáng)度)、TP_3(軋機(jī)2～3機(jī)架張力差)、TP_12(加熱三段出口板溫)、TP_1(軋機(jī)2～3機(jī)架張力差)和W1(原料寬度B)。退火工序平整段張力、加熱2段張力及加熱3段張力對(duì)拉窄的貢獻(xiàn)度也在前10位以內(nèi)。

圖6 基于隨機(jī)森林的拉窄量模型

3 酸洗工序切邊規(guī)范設(shè)計(jì)及效果

基于隨機(jī)森林預(yù)測(cè)模型，建立不同強(qiáng)度范圍(鋼種)薄板的綜合拉窄區(qū)間(見(jiàn)表2)，其中拉窄量范圍取95%區(qū)間。

表2 圓盤(pán)剪定尺設(shè)計(jì)規(guī)范

以590DP為例，酸軋拉窄量95%區(qū)間范圍為0.8-1.5mm，連退拉窄量95%為0.8-3.5mm，綜合拉窄量95%區(qū)間1.6-5mm。在此基礎(chǔ)上，制定圓盤(pán)剪定尺目標(biāo)為：寬度B+公差Δ+1mm，可覆蓋95%寬度標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)間。

2021年10月開(kāi)始按照以上切邊設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)酸洗圓盤(pán)崗位進(jìn)行培訓(xùn)并實(shí)施，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。10月以后，該作業(yè)區(qū)寬度不合缺陷降級(jí)量呈明顯下降趨勢(shì)，至今年2月份，缺陷消除，詳見(jiàn)圖7。

圖7 寬度不合降級(jí)量趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

(1)本文通過(guò)理論與模型相結(jié)合，探索了并建立帶鋼在冷軋工序全流程拉窄量模型。

(2)基于隨機(jī)森林的拉窄量模型擬合度最高；屈服強(qiáng)度、軋機(jī)2～3機(jī)架張力差、退火工序加熱三段出口板溫、軋機(jī)2～3機(jī)架張力差及原料寬度對(duì)拉窄量影響最大，其次是退火工序平整段張力、加熱2段張力及加熱3段張力。

(3)根據(jù)隨機(jī)森林法建立的拉窄量模型預(yù)測(cè)結(jié)果，以強(qiáng)度和寬度為大類(lèi)重新建立酸洗圓盤(pán)剪定尺規(guī)范，酸軋切邊料在退火工序窄尺減降量由最高256噸/月下降為0。