熱連軋層流冷卻控制技術(shù)終

1、案例4新鋼1580mm熱連軋層流冷卻控制技術(shù)1技術(shù)簡介新鋼熱軋薄板工程即將進入設(shè)備安裝階段，相關(guān)的各項技術(shù)準(zhǔn)備工作已陸續(xù)展開。 熱連軋是融各項高新技術(shù)于一體的生產(chǎn)過程，其中層流冷卻控制是其關(guān)鍵技術(shù)之一。熱 軋帶鋼卷取溫度是影響成品帶鋼性能的重要工藝參數(shù)，其范圍必須滿足一定的工藝要求,過高或過低都將給帶鋼的組織和性能帶來不良影響，而卷取溫度的控制和控制精度 正是通過層流冷卻設(shè)備及層流冷卻控制技術(shù)實現(xiàn)的。2層流冷卻系統(tǒng)組成以新鋼1580熱連軋為例，其層流冷卻設(shè)備包括19個主冷卻段和3個微調(diào)冷卻段，其中每個主冷卻段包括4個控制單元組（上下噴一一對應(yīng)），總計下噴a1-a76共76個 控制單元，總計上噴

2、b1-b76共76個控制單元。每個微調(diào)冷卻段包括 8個控制單元組（上 下噴對應(yīng)），總計下噴 a77-a100共24個控制單元，總計上噴b77-b100共24個控 制單元。每個控制單元由一個電磁閥驅(qū)動一個氣動碟閥來控制冷卻水的打開與關(guān)閉。 各冷卻段之間及整個冷卻段前后各有一組側(cè)噴控制單元（共23個控制單元），側(cè)噴水的打開與關(guān)閉原理同上、下噴一樣由一個電磁閥驅(qū)動一個碟閥來控制，其工藝布置如圖1所示。圖1新鋼1580熱連軋層流冷卻工藝流程圖3層流冷卻控制目標(biāo)根據(jù)實測的板帶終軋溫度、速度、厚度和滿足工藝要求的冷卻曲線控制軋后鋼材 的冷卻工藝參數(shù)（開冷溫度、終冷溫度、冷卻速率），確定相應(yīng)的噴水區(qū)長度（閥

3、門開啟 個數(shù)）和噴水模式，使卷取溫度盡可能地接近工藝確定的目標(biāo)卷取溫度，獲得理想的組織結(jié)構(gòu)，以提高和改善鋼材的綜合力學(xué)性能。層流冷卻過程的控制量為：噴水閥門的開 閉數(shù)量及位置、噴水模式等 。層流冷卻區(qū)的控制目標(biāo)是把終軋溫度為 800900 C的 鋼板按一定冷卻制度迅速冷卻到500700 C的卷取溫度，控制精度要求為土 20 C。4層流冷卻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層流冷卻系統(tǒng)采用二級計算機控制。一級計算機是基礎(chǔ)自動化級，二級計算機是過程控制級。計算機將整個生產(chǎn)范圍內(nèi)的帶鋼按厚度、目標(biāo)卷取溫度（一般相差10C為同一級）、帶鋼材質(zhì)的冷卻特性、冷卻要求等分若干級別，將冷卻速度相近的鋼種歸類， 進行分檔控制，對不

4、同的級別使用不同的策略數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)。5層流冷卻控制的數(shù)學(xué)模型通常帶鋼從精軋機末機架出口到卷取機入口的冷卻過程如圖2所示。1溫度圖TfS圖2帶鋼軋后控冷過程示意圖圖2中，Tf為終軋溫度，Tc為卷取溫度，Tf和Tc的溫度范圍由所生產(chǎn)帶鋼的鋼 種和規(guī)格確定。過程自動化系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)模型根據(jù)所軋帶鋼的鋼種和規(guī)格要求可確定 出打開第一組集管的位置(即A點)、所需打開的冷卻集管組數(shù)以及相應(yīng)的冷卻集管開 啟與關(guān)閉組合(即確定B點),后者可由帶鋼冷卻策略來確定。在帶鋼軋后冷卻過程中，帶鋼經(jīng)歷了空冷、水冷、然后再空冷等熱交換過程，故帶鋼軋后控冷過程中的基本數(shù)學(xué)模型為帶鋼空冷過程中的溫度場計算模型(空冷溫降模型)

5、、帶鋼水冷過程中的溫度 場計算模型(水冷溫降模型)，并由此可導(dǎo)出實際使用的前饋和反饋等控制模型。數(shù)學(xué) 模型直接影響到卷取溫度的控制精度2。5.1空冷計算模型空冷時帶鋼在長度和寬度方向上的傳熱條件均比較一致 ，故可認為這兩個方向上 溫度分布均勻，由于帶鋼較薄，在一定厚度范圍內(nèi)，可近似認為厚度方向上溫度相同0 空冷傳熱數(shù)學(xué)模型如下式中,ta為空冷后的溫度°C ;；為軋件熱輻射系數(shù),；： =a h b,a b為空冷回歸系數(shù)；二為玻爾茲曼常數(shù)(w/m2k4) ; Cp為比定壓熱容,(kJ/kg°C)； h為帶鋼(mm); fdt為精軋出口溫度°C ； 為精軋出口到卷取機前

6、帶鋼運行時間(s).5.2水冷計算模型水冷傳熱模型與空冷相似，單個集管組水冷溫降模型式中,h為帶鋼厚度(mm)； p為密度(kg/ m 3);Cp為比定壓熱容(kJ/ (kg °C) ； v為帶鋼速度(m/ s ) ； Q為熱流密度(KJ/Kg °C) ； L為集管組長(m); . ts為層流冷卻每組集管溫降量(°C ) 05.3前饋控制模型Nff為前饋控制的噴水?dāng)?shù)量；R預(yù)設(shè)定噴水?dāng)?shù)量；Ri帶鋼速度影響系數(shù)；v為帶鋼速度(m/s) ； vs為帶鋼軋制基準(zhǔn)速度(根據(jù)帶鋼厚度由插值法求出)(m/s) ; a!為終軋溫3度對卷取溫度影響系數(shù)；a2水溫補償系數(shù)；Tfa為精

7、軋溫度目標(biāo)值°C ； Tfs為帶鋼精 軋出口的標(biāo)準(zhǔn)溫度值（根據(jù)帶鋼厚度由插值法求出）；Tca為帶鋼卷取的目標(biāo)溫度°C ；Tcas帶鋼卷取目標(biāo)溫度的標(biāo)準(zhǔn)值（根據(jù)帶鋼厚度由插值法求出）°C ； . T卷取目標(biāo)溫度的修正值°C ； Q為綜合傳熱系數(shù)；h為帶鋼厚度（mm）。5.4反饋控制模型Nfb為反饋控制的噴水?dāng)?shù)量；Tcd為實際帶鋼卷取溫度的平均值°C （帶鋼頭部到達 卷取溫度計后,在0.5s,1.0s,1.5s,2.0s采集實際卷取溫度,取平均值）4。6 冷卻模式6.1對于要求控制形變奧氏體的組織狀態(tài)、阻止奧氏體晶粒長大、固化因形變而引起的位 錯或

8、降低相變溫度的鋼種，采用前部冷卻策略，即先打開前主冷區(qū)的冷卻集管，用微調(diào) 區(qū)對卷取溫度進行微調(diào)控制。6.2對于主要控制室溫組織相變過程、控制鐵素體的長大及軋制后二相粒子析出的鋼種采 用后部冷卻策略，先打開主冷卻區(qū)后部分集管進行冷卻，用微調(diào)區(qū)對卷取溫度進行微調(diào)控制。6.3對于某些對高冷卻速度敏感的鋼種（尤其是在較厚規(guī)格時），可以采用在主冷卻區(qū)的前 部分（或全部）以一定的間隔開啟冷卻集管，用微調(diào)區(qū)對卷取溫度進行微調(diào)控制。7 層冷區(qū)軋件跟蹤7.1跟蹤計算在帶鋼頭部至尾部離開精軋機的期間，使用實測的軋制溫度、厚度和帶鋼的速度進行周期性的前饋控制計算，適時把閥門開閉設(shè)定值送到基礎(chǔ)自動化，在帶鋼進入層流冷

9、卻區(qū)的運行中，計算機按固定的時間間隔，在邏輯上把帶鋼劃分為數(shù)小段，計算 機對每小段在層流冷卻區(qū)進行推算和跟蹤，對帶鋼的卷取溫度控制正是以這些小段為最小單位進行，對每一小段計算所需增減的閥門數(shù)，當(dāng)該小段運行到噴水區(qū)時，增減 后的噴水正好對應(yīng)此小段。為了使樣本的組態(tài)噴到對應(yīng)的樣本上以及及時開閉閥門， 必須實施層冷區(qū)的軋件跟蹤。7.2頭尾部跟蹤根據(jù)信號啟動相應(yīng)跟蹤程序，分別計算帶鋼頭尾部在熱輸出輥道的具體位置，以 板帶運行的同步速度，并按過程控制計算機設(shè)定的噴水組態(tài)，由前向后依次開啟集管， 或依次關(guān)閉集管組態(tài)。7.3軋件樣本跟蹤實時跟蹤軋件每小段在冷卻區(qū)的位置，及時下發(fā)集管組態(tài)。基礎(chǔ)自動化向過程控

10、制計算機傳送輸出輥道上有關(guān)軋件跟蹤的傳感器信號檢得以及撿失，并完成有效性檢 查，同時由過程控制計算機完成相應(yīng)的軋線邏輯控制及軋件數(shù)據(jù)處理。由于過程機數(shù) 據(jù)處理能力強，因此軋件數(shù)據(jù)處理和軋制邏輯處理方便，并能準(zhǔn)確跟蹤板帶位置，實 時噴水。8 控制策略8.1預(yù)設(shè)定計算當(dāng)帶鋼到達精軋入口溫度計時，過程自動化系統(tǒng)根據(jù)帶鋼的初始輸入?yún)?shù)（如帶鋼的終軋溫度、目標(biāo)卷取溫度、厚度、速度、水溫等）和相應(yīng)的冷卻曲線計算所有冷卻區(qū)域中所需要的冷卻水量，從而對閥門的開閉狀態(tài)進行初始設(shè)定，將計算后得到 的控制量設(shè)定值發(fā)送給基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)執(zhí)行，這樣可以有效地消除控冷系統(tǒng)動作滯后的影響 5 。8.2 前饋控制由于帶鋼進入層

11、流冷卻區(qū)時的實際溫度、厚度、速度是實時變化的 , 因此為了消 除帶鋼自身邊界條件與其設(shè)定值的偏差對卷取溫度的影響 , 需要對預(yù)設(shè)定計算進行 前饋補償。當(dāng)帶鋼到達精軋出口溫度測量點時 （ FDT 測溫儀時 ）, 根據(jù)帶鋼的實測終軋 溫度 , 確定為使卷取溫度達到目標(biāo)值所需開啟的閥門數(shù)。8.3 反饋控制為了補償前饋控制的偏差 , 通過比較實測的卷取溫度和目標(biāo)卷取溫度來調(diào)整精調(diào) 區(qū)閥門的開關(guān)狀態(tài) , 將帶鋼的實測卷取溫度控制在要求的精度范圍內(nèi) , 但反饋控制存 在“時滯性” , 目前國內(nèi)外對熱軋帶鋼層流冷卻控制以前饋為主 , 反饋為輔。這從冷卻 區(qū)域的布置情況也可看出 , 冷卻區(qū)前段是主冷區(qū) , 冷

12、卻能力強 , 冷卻區(qū)長 ; 冷卻區(qū)后段 是精調(diào)區(qū) , 冷卻能力為前面集管的一半 , 冷卻區(qū)短。8.4 自適應(yīng)控制 系統(tǒng)對層流冷卻段的帶鋼不斷進行跟蹤和自適應(yīng)修正 , 以使冷卻模型盡可能反映 帶鋼的實際冷卻過程 , 所得到的自適應(yīng)系數(shù)以鋼種、厚度和卷取溫度等多種形式分類 存放, 遺傳給后續(xù)軋制的帶鋼。模型自適應(yīng)分為短期自學(xué)習(xí)和長期自學(xué)習(xí) , 短期自學(xué)習(xí) 系數(shù)用于同一軋制批次的順序卷 , 換組別時應(yīng)用長期自學(xué)習(xí)系數(shù)。8.5 帶鋼頭尾冷卻控制一般情況下 , 帶鋼頭部和尾部的終軋溫度低 , 中部溫度高。帶鋼頭部不能進行反饋 控制, 尾部的反饋能力也很弱 , 最終導(dǎo)致卷取溫度曲線呈兩頭低、 中間高的形狀

13、。 目前, 對帶鋼頭、尾可采取提高目標(biāo)卷取溫度、進行熱頭熱尾特殊處理 （ 比如改進集管開啟 順序, 改變開閉時間 ） 、對帶鋼頭尾部進行自學(xué)習(xí)以及采用升速軋制結(jié)合機架間冷卻系 統(tǒng)來保證終軋溫度的穩(wěn)定等多種方式來改善帶鋼頭、尾的卷取溫度控制精度。8.6 帶鋼邊部冷卻控制 帶鋼在熱軋時存在邊部減薄現(xiàn)象 , 在冷卻時帶鋼邊部和中部的冷卻條件也不相同 致使帶鋼兩邊的溫度明顯比中間低、強度比中間高 , 給后續(xù)工序帶來不良影響 , 并且會 引起板形缺陷 , 所以必須重視邊部冷卻控制 , 尤其在寬厚板冷卻時。帶鋼邊部冷卻控制 一般有兩種形式 : 凸型水量分布和邊部遮蔽 , 凸型水量分布是假設(shè)帶鋼橫向溫度分布 為拋物線形 , 把上、下集管設(shè)計成變流量 , 如采用集管直徑變化或間距變化 , 形成中凸 形的水量分布 , 對帶鋼邊部進行溫度補償。邊部遮蔽是通過擋板將集管兩端的水流導(dǎo) 向儲水槽 , 間接得到凸型水量的分布。 這種方式操作簡單投入低 , 但是效果卻較明顯 5 。6測溫7006406806200102030405060圖3層流冷卻控制系統(tǒng)圖9控制效果分析某鋼廠1580熱連軋層流冷卻改造前卷 取溫度控制曲線如圖4(a)。卷取溫度控制曲線的分項統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：實測溫度與目標(biāo)溫度相差土 5以內(nèi) 的占帶鋼全長的39.1% ,相差土 10