一种基于镀层厚度分布的镀锌过程出口带钢板形预测方法

技术领域

本发明涉及热镀锌过程中带钢板形预报技术领域，具体涉及一种基于镀层厚度分布的镀锌过程出口带钢板形预测方法。

背景技术

热镀锌，是指将冷轧带钢加热到一定的温度后保温一段时间进行退火处理，然后缓慢冷却至热镀温度，随后进入锌液后在带钢表面镀有保护层的工艺过程。热镀锌是冷轧带钢成品最后一道工序，使得产品表面具备均匀耐腐蚀层，增强带钢耐腐蚀性、美观等特点。热镀锌过程包括连续退火工艺、热镀锌工艺，连续退火工艺的技术原理为：首先通过退火实现冷轧板带的再结晶，消除带钢在冷轧过程中由于压下变形而引起的加工硬化，起到恢复可塑性作用。连续退火为热镀锌过程提供有利的温度条件和组织条件，为带钢表面镀层质量提供有利保障。热镀锌工艺是带钢在锌锅的高温锌液中发生镀锌合金反应，在带钢表面获得较为锌、铁等其他元素形成镀层组织。

板带的板形(横向厚差和平直性)是衡量钢板带外形尺寸精度的两项质量指标。板形平直性缺陷，就是指板带材生产过程中出现的瓢曲浪形和翘曲变形；就其生成而言，是指板带塑性压力加工(轧制、矫直等)和热处理过程中不均匀的延伸(塑性应变)分布引起的几何变形，一般认为板形翘曲缺陷主要表现为沿轧制方向的纵向翘曲(即L翘)，沿带钢宽度方向的横向翘曲(即C翘)。

然而，在镀锌机组的连退工艺生产中，带钢在炉内加热和冷却过程中带钢表面温度分布不均匀，各点温度值都不是处处相等。在带钢上下表面及内部温度分布不均，会导致带钢厚度上各处横向延伸量各不相同，所以在带钢的连续退火过程中常常会出现沿带钢宽度的C翘，从而影响到带钢热镀锌表面分布不均匀，甚至出现镀层出现较大缺陷，如鼓形镀层，使得成品质量达不到用户要求。

目前在热镀锌工艺采用气刀刮锌，如图1所示，一般在带钢表面的两侧都布置有相应的气刀(包括上气刀6和下气刀7)，气刀是由气泵、刀室、狭缝状的喷嘴等构成。如图2所示，气泵向气刀的刀室充入一定压力气体，在高压力作用下狭缝状喷嘴喷吹出高速气流(射流8)，高速气流压力作用于锌层产生切应力，使锌层产生塑性流动，从而过量锌层脱离带钢表面。当带钢出口板形翘缺陷发生后，带钢经过气刀时，会造成带钢与气刀喷嘴之间的距离沿着横向或纵向不均匀，使得气刀喷出的气体作用于带钢的锌层压力、切应力有差异，导致锌层沿带钢横向、纵向存在分布不均匀，从而影响产品的质量。

然而，存在气流引起板带高频振动和热镀高温环境下，在操作期间难以在气刀刮锌环节在线配置板形仪，故在现场在线获取热镀锌过程出口带钢板形较为困难，无法定量掌握板形缺陷程度，不利于在线定量控制带钢板形及其表面镀层。

发明内容

针对热镀锌机组出口难以配置板形仪，难以判断机组出口板形的变化，导致在镀锌时镀层厚度分布均匀较差且镀层指标不满足要求的技术问题，本发明提出一种基于镀层厚度分布的镀锌过程出口带钢板形预测方法，充分结合镀锌机组的设备特点，通过对镀锌机组气刀的结构以及镀层厚度测量装置的特点进行分析，建立镀层厚度分布反求出口带钢板形的模型与方法，以实现对镀锌过程出口带钢板形的在线预测。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种基于镀层厚度分布的镀锌过程出口带钢板形预测方法，包括以下步骤：

针对单个带钢表面：

利用镀层厚度测量装置对镀锌过程中机组出口气刀刮锌后所述带钢表面镀层厚度进行测量，获取所述带钢表面的镀层厚度分布，并计算所有采集点的镀层厚度分布平均值和镀层厚度不均匀指数；

根据所述带钢表面的镀层厚度分布确定分区搜索参数；基于所述分区搜索参数采用分区搜索的方法，对所述带钢表面的子区域进行筛选；

建立气刀镀层厚度经验模型，并依据所述气刀镀层厚度经验模型反求筛选出的子区域与气刀间的垂直距离；

根据最小二乘法对筛选出的子区域与气刀间的垂直距离进行拟合，确定所述带钢表面与气刀间距离的分布及其最大值、最小值；

基于所述带钢表面与气刀间距离的分布的最大值和最小值计算出所述带钢表面的带钢翘曲量；

所述带钢表面包括带钢上表面或带钢下表面；

计算带钢上表面的带钢翘曲量和带钢下表面的带钢翘曲量的平均值，所述平均值为预测的热镀锌过程出口带钢板形的最大翘曲量。

进一步地，建立的气刀镀层厚度经验模型为：

式中，m为镀层厚度，单位是μm；L

进一步地，依据所述气刀镀层厚度经验模型反求筛选出的子区域与气刀间的垂直距离，包括：

若

若

其中，j为子区域序号，取值为筛选出的子区域的序号；i为带钢表面序号；

所述子区域与气刀间的垂直距离为所述带钢中部子区域与气刀垂直距离平均分布或带钢边部子区域与气刀垂直距离平均分布。

本发明的优点和积极效果：本发明能够根据带钢热镀锌的现场生产情况，充分结合热镀锌机组的设备特点，通过对机组出口气刀刮锌后表面镀层的厚度数据收集，并利用分区搜索法筛选满足要求子区域镀层厚度数据，基于这些数据反求气刀与带钢表面垂直距离的分布，再利用最小二乘法确定气刀与带钢表面垂直距离分布及其最大值、最小值，从而求得带钢最大翘曲量，最后根据带钢上、下表面最大翘曲量求得带钢最大翘曲量平均值，可有效解决了对热镀锌机组出口带钢板形难以在线测量的难题，为热镀锌过程板形缺陷治理技术提供了理论基础，也为在热镀锌过程带钢板形在线控制成为可能，降低机组生产成本，提升机组对产品质量在线管控能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为气刀刮锌装置布置图；

图2为热镀锌机组气刀刮锌过程示意图；

图3为本发明实施例中带钢镀层厚度测量装置布置图；

图4为本发明实施例中的一种基于镀层厚度分布的镀锌过程出口带钢板形预测方法的主流程图；

图5为本发明实施例中获取带钢表面镀层厚度分布的流程图；

图6为本发明实施例中带钢表面分区搜索参数确定流程图；

图7为本发明实施例中带钢表面分区筛及反算其与气刀间的垂直距离流程图；

图中，1、带钢；2、测量装置上橫梁；3、测量装置下橫梁；4、上测量探头；5、下测量探头；6、上气刀；7、下气刀；8、射流；9、带钢；10、镀层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在气刀刮锌后，热镀锌机组设置有镀层厚度测量装置，如图3所示，镀层厚度测量装置包括在被测带钢1上表面的上橫梁2、测量装置下橫梁3，在上橫梁2、下橫梁3的内侧分别设置有上测量探头4和下测量探头5，且上测量探头4和下测量探头5通过横向驱动装置使其沿上、下横梁同步滑动。镀层厚度测量装置中选用的横向驱动装置为丝杆驱动装置、气缸驱动装置以及齿轮齿条驱动装置等直线驱动设备中的其中一种。该装置的探头可以沿带钢横向匀速移动，均匀选取带钢表面的点测量其厚度，并通过计算机计算所有采集点的镀层厚度指标：镀层厚度分布平均值、镀层厚度不均匀指数。本发明中，采用分区搜索的方法，筛选出满足设定要求的带钢表面子区域，计算这些子区域的镀层厚度平均值、镀层厚度不均匀指数，依据气刀镀层厚度经验模型反求这些带钢子区域与气刀间的垂直距离，从而根据最小二乘法确定带钢表面与气刀间距离的分布及其最大值、最小值，计算出带钢翘曲量，间接构建热镀锌过程出口带钢的近似板形。

在带钢表面建立坐标系，以镀层厚度测量探头横向移动方向为y坐标，以带钢纵向为x坐标，以带钢宽度中点位置为坐标原点o，建立平面直角坐标系xoy，设带钢表面序号为i，带钢上表面取i＝1，带钢下表面取i＝2。

如图4-7所示，本发明提供了一种基于镀层厚度分布的镀锌过程出口带钢板形预测方法，该方法包括以下步骤：

A)收集带钢规格参数、气刀设备及工艺参数，包括来料带钢宽度B，带钢运行速度V，镀层材料的密度ρ，气刀中部有效长度L

B)获取气刀工艺参数实测值，包括气刀喷嘴与带钢中点的垂直距离Z

C)建立气刀镀层厚度经验模型：

式中，m为镀层厚度(μm)；Z为气刀喷嘴横向各处与带钢表面垂直距离(mm)；p为气刀喷出气体的压力(mbr)；V为带钢运行速度(m/min)；ξ

D)设定带钢表面序号i的初值i＝1。

E)根据气刀镀层厚度经验模型，并基于带钢中点处镀层厚度测量值、气刀工艺参数测量值确定气刀模型修正系数；

镀层厚度测量探头单点模式测得带钢中点处镀层厚度值m

F)设定对带钢表面全程扫描的采样参数，包括设定采样起始点y

式中，y

G)获取带钢表面镀层厚度分布；

具体包括：

G1)设定带钢表面全程扫描测量过程变量初值a＝1；

G2)测量获取连续三次镀层厚度分布并计算镀层厚度指标；第a、a+1、a+2次全程扫描测量带钢表面点镀层厚度分布为：

计算任意相邻三次扫描带钢表面横向镀层厚度的均值

式中，

G3)判断条件1是否成立；

若条件1：

H)根据带钢表面镀层厚度分布情况确定分区搜索参数；

具体包括：

H1)判断带钢表面镀层厚度是否合格；

H11)判断条件3：(δ

H12)判断条件4：

H13)判断条件5：

H2)确定分区搜索参数；

H21)设定分区搜索采样起始点x

式中，γ为带钢表面i的分区搜索的采样系数；

H22)设定分区搜索采样起始点x

H23)设定分区搜索采样起始点x

I)划定搜索分区M个子区域，计算各子区域包含的采样点数n

J)分区筛选合格镀层的子区域，并反算这些子区域与气刀间的垂直距离；

具体包括：

J1)设定子区域的分区号初值j＝1；

J2)计算采样点序号初值q＝(j-1)n

y

J3)判断q≤jn

J4)测定带钢分区子区域镀层厚度并计算镀层厚度指标；

根据采样点坐标测定镀层厚度分布：

并计算子区域的镀层厚度平均值

式中，m

J5)判断条件6：

J6)判断条件7：δ

J7)判断条件8：

J8)反算带钢中部子区域与气刀垂直距离平均分布

J9)反算带钢边部子区域与气刀垂直距离平均分布

J10)判断j≤M是否成立；若成立，则令j＝j+1并转入J2)；若不成立，则转入K)。

K)根据最小二乘法拟合带钢表面i与气刀间垂直距离分布Z

Z

式中，j＝1,2,...,M。

L)通过比较确定气刀与带钢距离分布Z

W

式中，W

M)判断i＜2是否成立；若成立，则令i＝i+1，并转入E)；若不成立，则转入N)；

N)计算带钢最大翘曲量平均值

式中，W

O)输出带钢最大翘曲量平均值

本发明能够根据带钢热镀锌的现场生产情况，充分结合热镀锌机组的设备特点，通过对机组出口气刀刮锌后表面镀层的厚度数据收集，并利用分区搜索法筛选满足要求子区域镀层厚度数据，基于这些数据反求气刀与带钢表面垂直距离的分布，再利用最小二乘法确定气刀与带钢表面垂直距离分布及其最大值、最小值，从而求得带钢最大翘曲量，最后根据带钢上、下表面最大翘曲量求得带钢最大翘曲量平均值，可有效解决了对热镀锌机组出口带钢板形难以在线测量的难题，为热镀锌过程板形缺陷治理技术提供了理论基础，也为在热镀锌过程带钢板形在线控制成为可能，降低机组生产成本，提升机组对产品质量在线管控能力。

实施例1：

实施例1提供的一种基于镀层厚度分布的镀锌过程出口带钢板形预测方法，包括以下步骤：

本实施例中的带钢规格参数、气刀设备及工艺参数如表1所示。

表1

本实施例中气刀工艺参数实测值如表2所示。

表2

S101、根据公式(1)建立气刀镀层厚度经验模型；

其中，α、β、γ的参数值如表3所示。气刀喷嘴横向各处所对应带钢表面区域面积s＝s

表3

S102、设定带钢表面号i的初值i＝1。

S103、镀层厚度测量探头单点模式测得带钢中点处镀层厚度值m

S104、设定采样起始点y

S105、获取带钢表面镀层厚度分布；

本实施例中测量获取连续三次镀层厚度分布如表4所示。

表4

按照公式(4)计算任意相邻三次扫描带钢表面i横向镀层厚度的均值

第a、a+1、a+2次扫描带钢表面i镀层厚度满足条件1，执行S106。

S106，根据带钢表面i的镀层厚度分布情况确定分区搜索参数；

具体地，判断条件3：(δ

S107、划定搜索分区M＝5个子区域，利用公式(8)计算各子区域包含的采样点数n

S108、分区筛选合格镀层的子区域，并反算这些子区域与气刀间的垂直距离；

利用公式(9)计算采样点坐标，分区情况及其采样点坐标如表5所示。

表5

利用公式(10)，根据采样点坐标测定镀层厚度分布，测量结果如表6所示。

表6

利用公式(11)计算带钢表面i各子区域的镀层厚度平均值

表7

利用公式(12)、公式(13)求出的带钢表面i各分区子区域与气刀垂直距离平均分布，结果如8所示。

表8

S109、利用公式(14)，根据最小二乘法拟合带钢表面i与气刀间垂直距离分布Z

最小二乘法拟合带钢表面i与气刀间垂直距离分布Z

表9

S110、利用公式(15)，通过比较确定气刀与带钢距离分布Z

S111、判断i＜2是否成立；若成立，则令i＝i+1，对于带钢下表面，同理采用上述计算过程计算；若不成立，则转入S112；

带钢下表面的计算结果为：W

S112、利用公式(16)，计算带钢最大翘曲量平均值

S113、输出带钢最大翘曲量平均值

实施例1中带钢翘曲预测值与下线实测值对比如表10所示。

实施例1针对宽度大于1000mm的大宽幅带钢、镀层厚度小于40μm的热镀锌过程，通过本发明的预测方法非常有效，带钢表面最大翘曲量误差为13.3％，满足现场对机组精度要求小于15％。

表10

实施例2：

实施例2提供的一种基于镀层厚度分布的镀锌过程出口带钢板形预测方法，包括以下步骤：

本实施例中的带钢规格参数、气刀设备及工艺参数如表11所示。

表11

本实施例中热镀锌机组设备的关键参数如表12所示。

表12

S201、根据式(1)建立气刀镀层厚度经验模型；

本实施例中气刀设定镀层厚度经验模型参数如表13所示，气刀喷嘴横向各处所对应带钢表面区域面积为s＝s

表13

S202、设定带钢表面序号i的初值i＝1。

S203、根据气刀镀层厚度经验模型，并基于带钢中点处镀层厚度测量值、气刀工艺参数测量值确定气刀模型修正系数；

镀层厚度测量探头单点模式测得带钢中点处镀层厚度值m

S204、设定对带钢表面i全程扫描的采样参数，包括设定采样起始点y

S205、获取带钢表面镀层厚度分布；

本实施例中测量获取连续三次镀层厚度分布如表14所示。

表14

利用公式(4)计算任意相邻三次扫描带钢表面i横向镀层厚度的均值

根据计算结果可知，第a、a+1、a+2次扫描带钢表面i镀层厚度满足条件1，则转入S206；

S206，根据带钢表面i镀层厚度分布情况确定分区搜索参数；

具体地，判断条件3：(δ

S207、划定搜索分区M＝5个子区域，利用公式(8)计算各子区域包含的采样点数n

S208、分区筛选合格镀层的子区域，并反算这些子区域与气刀间的垂直距离；

利用公式(9)计算采样点坐标，分区情况及其采样点坐标如表15所示。

表15

利用公式(10)，根据采样点坐标测定镀层厚度分布，测量结果如表16所示。

表16

利用公式(11)计算带钢表面i各子区域的镀层厚度平均值m

表17

利用公式(12)、公式(13)求解带钢表面i各分区子区域与气刀垂直距离平均分布

表18

S209、利用公式(14)，根据最小二乘法拟合带钢表面i与气刀间垂直距离分布Z

最小二乘法拟合带钢表面i与气刀间垂直距离分布Z

表19

S210、通过比较确定气刀与带钢距离分布Z

S211、判断i＜2是否成立；若成立，则令i＝i+1，对于带钢下表面，同理采用上述计算过程；若不成立，则转入S212；

带钢下表面i＝2的计算结果为：W

S212、利用公式(16)计算带钢最大翘曲量平均值

S213、输出带钢最大翘曲量平均值

实施例2中带钢翘曲预测值与下线实测值对比如表20所示。

表20

实施例2针对宽度小于等于1000mm的小宽幅带钢、镀层厚度大于40μm的热镀锌过程，通过本发明的预测方法非常有效，带钢表面最大翘曲量误差为8.3％，满足现场对机组精度要求小于15％。

综上所述，本发明能够根据带钢热镀锌的现场生产情况，充分结合热镀锌机组的设备特点，通过对机组出口气刀刮锌后表面镀层的厚度数据收集，并利用分区搜索法筛选满足要求子区域镀层厚度数据，基于这些数据反求出气刀与带钢表面垂直距离的分布，最后利用最小二乘法确定距离分布的最值，从而确定带钢表面最大翘曲量平均值，可有效解决了对热镀锌机组出口带钢板形难以测量的难题，为热镀锌过程板形缺陷治理技术提供了理论基础。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。