中厚板控制冷卻過(guò)程數(shù)學(xué)模型及控制策略研究

1、東北大學(xué)碩士學(xué)位論文中厚板控制冷卻過(guò)程數(shù)學(xué)模型及控制策略研究姓名：于明申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：材料加工工程指導(dǎo)教師：王君20040201中厚板控制冷卻過(guò)程數(shù)學(xué)模型及控制策略研究作者：學(xué)位授予單位：于明東北大學(xué)1.會(huì)議論文 胡敏.陳吉清.劉志勇.宋育來(lái).鄭華.皮昕宇 控制冷卻對(duì)HJ58鋼中厚板性能的影響 2008不同規(guī)格HJ58鋼中厚板采用了軋后控制冷卻、軋后控制冷卻+回火工藝，對(duì)其性能分析顯示，25mm厚HJ58鋼板采用軋后控制冷卻，鋼板屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、性能合格率均得到了提高；采用軋后控制冷卻+回火工藝，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊功均有一個(gè)明顯的上升趨勢(shì)，各項(xiàng)性能指標(biāo)有較大富裕量。厚度30m

2、m、36mm、40mm、45mm的HJ58鋼板，經(jīng)過(guò)軋后控制冷卻，除延伸率有低于指標(biāo)要求的現(xiàn)象外，其余性能均達(dá)到了指標(biāo)要求；經(jīng)過(guò)控制冷卻+回火工藝，各項(xiàng)性能均達(dá)到了指標(biāo)要求。采用控制冷卻+回火，鋼板的機(jī)械性能均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，可簡(jiǎn)化常規(guī)生產(chǎn)工藝(控軋+淬火+回火)，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。2.期刊論文 李紅.余廣火.王鑫.陳應(yīng)明 中厚板軋后控制冷卻工藝的研究 -寬厚板2001,7(1)研究控制冷卻工藝與中厚板性能的關(guān)系,通過(guò)對(duì)船板、容器板等的軋后控制冷卻試驗(yàn),并與控制軋制相結(jié)合,有效地提高重鋼中厚板的實(shí)物質(zhì)量.3.期刊論文 蔡曉輝.張殿華.謝豐廣.王國(guó)棟 中厚板控制冷卻數(shù)學(xué)模型 -東

3、北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2003,24(10)介紹了中厚板控制冷卻過(guò)程中所用的數(shù)學(xué)模型,包括差分模型、空冷和水冷換熱系數(shù)模型、比熱和熱傳導(dǎo)率模型,并采用有限差分法模擬計(jì)算了鋼板在冷卻過(guò)程中厚度、寬度方向上的溫度場(chǎng)分布,以及間歇冷卻對(duì)控制冷卻的影響.從模擬結(jié)果可以看出,返紅時(shí)間、厚度上溫度梯度隨鋼板厚度增加而增加;間歇冷卻時(shí)鋼板內(nèi)部溫度呈均勻下降,表面不斷冷卻與返紅過(guò)程.在線應(yīng)用證明該套數(shù)學(xué)模型計(jì)算精度較高,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的要求.4.學(xué)位論文 蔡曉輝 中厚板控制冷卻數(shù)學(xué)模型的研究及應(yīng)用 2004本文依托于國(guó)家經(jīng)貿(mào)委“十五”國(guó)家重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目“首鋼3500mm中厚板軋機(jī)核心軋制技術(shù)和關(guān)

4、鍵設(shè)備研制”，以首鋼3500mm中厚板軋機(jī)的建設(shè)為背景，以中厚板廠的控制冷卻過(guò)程系統(tǒng)為研究對(duì)象，在比較和分析國(guó)內(nèi)外控制冷卻模型的基礎(chǔ)上，建立了以有限差分法為基礎(chǔ)的控制冷卻數(shù)學(xué)模型，分析了熱物性系數(shù)的變化規(guī)律，提出鋼板溫度的均勻控制策略，并結(jié)合首鋼中厚板廠控制冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)了控制冷卻系統(tǒng)過(guò)程機(jī)程序。上述控制冷卻理論、策略和控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于首鋼3500mm中厚板軋機(jī)和南鋼2500中板軋機(jī)上，投入運(yùn)行后，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。本文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的主要成果如下：(1)以隱式有限差分法為基礎(chǔ)構(gòu)建了中厚板控制冷卻過(guò)程的數(shù)學(xué)模型框架。該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)中厚板控制冷卻領(lǐng)域完全依靠自己力量建立的

5、比較完整的控冷過(guò)程模型設(shè)定系統(tǒng)，可以在實(shí)時(shí)狀態(tài)下完成模型設(shè)定計(jì)算、修正計(jì)算、自學(xué)習(xí)計(jì)算、過(guò)程跟蹤等重要功能，為我國(guó)中厚板廠控制冷卻系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。(2)建立空冷和水冷換熱系數(shù)模型。通過(guò)實(shí)測(cè)空冷溫降數(shù)據(jù)反推出黑度系數(shù)在0.70.85之間，由差分方法和Stefen-boltzman定律計(jì)算得到的鋼板平均空冷溫降偏差小于5，說(shuō)明空冷換熱系數(shù)模型的選取具有較高的精度。差分模擬結(jié)果表明空冷時(shí)鋼板厚度方向上的溫度梯度隨厚度的增加而變大；返紅時(shí)，鋼板越薄，返紅時(shí)間越短，表面溫度上升的速率越大，中心和厚度上平均冷卻速率越大。水冷換熱系數(shù)對(duì)換熱過(guò)程有重要的影響。水流量增加，水冷換熱系數(shù)增大，但不成線形

6、關(guān)系，而是有一極限值；鋼板溫度增加，水冷換熱系數(shù)減小，但在不同的溫度區(qū)間其值大小相差甚遠(yuǎn)；換熱系數(shù)隨水溫升高而變小，但水溫的變化對(duì)換熱系數(shù)的影響很小。(3)針對(duì)模型中重要的熱物性參數(shù)比熱和熱傳導(dǎo)率隨溫度和含碳量變化而變化的規(guī)律和不同厚度規(guī)格鋼板的熱傳導(dǎo)規(guī)律，以插值法建立了以溫度和含碳量為自變量的權(quán)重系數(shù)模型，在此基礎(chǔ)上分析了比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、換熱系數(shù)、水量、軋件溫度對(duì)厚度上溫度分布的影響。有限差分法模擬結(jié)果顯示，含碳量越高，熱量越易于傳遞，厚度上溫度溫度梯度越大；導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱量越容易傳導(dǎo)，軋件內(nèi)部的溫度差別較??；比熱系數(shù)越小，軋件內(nèi)部熱量傳遞得越容易；水量越大，厚度上溫度梯度越大；換熱系數(shù)

7、越大，軋件表面和內(nèi)部的溫差越大。該分析結(jié)果為不同鋼種軋件厚度上的溫度均勻控制提供理論依據(jù)。(4)軋件溫度的均勻性控制是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在，本文提出了針對(duì)中厚板冷卻過(guò)程中寬度上溫度分布不均，建立邊部遮蔽模型，并于國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了邊部凸度遮蔽的在線應(yīng)用；針對(duì)中厚板冷卻過(guò)程中厚度上的溫度分布特點(diǎn)，于國(guó)內(nèi)首次提出并實(shí)現(xiàn)了大集管小集管大集管的排列方式，以此實(shí)現(xiàn)冷卻過(guò)程對(duì)冷卻速度的要求，并降低厚度上的溫度梯度；針對(duì)中厚板冷卻過(guò)程中長(zhǎng)度方向上存在局部溫度波動(dòng)和頭尾低溫段，在控制上實(shí)施分段微跟蹤方法；針對(duì)鋼板縱向上的溫度梯度，建立加速度模型。(5)結(jié)合首鋼中厚板廠的實(shí)際工況，開(kāi)發(fā)出完整的中厚板控制冷卻過(guò)程機(jī)

8、程序，實(shí)現(xiàn)了冷卻過(guò)程的在線全自動(dòng)控制。上述工作成功地完成了國(guó)家經(jīng)貿(mào)委“十五”國(guó)家重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目“首鋼3500mm中厚板軋機(jī)核心軋制技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備研制”之“中厚板軋機(jī)過(guò)程控制模型與人工智能研究控制”課題規(guī)定的任務(wù)，建立了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套中厚板軋機(jī)控制冷卻系統(tǒng)的模型和軟件，首次實(shí)現(xiàn)了中厚板控制冷卻過(guò)程的全自動(dòng)控制。所開(kāi)發(fā)的中厚板控制冷卻過(guò)程模型和軟件已成功應(yīng)用于首鋼中厚板廠和南鋼中厚板廠，對(duì)我國(guó)中厚板控制冷卻水平的提高和鋼材質(zhì)量的改善具有積極的促進(jìn)作用。5.期刊論文 盧云慧.孫瑋.張名山.趙婷婷.張淋云.LU Yun-hui.SUN Wei.ZHANG Ming-shan.ZHAO

9、 Ting-ting.ZHANG Lin-yun 快速控制冷卻(ACC)系統(tǒng)在濟(jì)鋼中厚板的改進(jìn)與應(yīng)用 -山東冶金2006,28(4)濟(jì)鋼中厚板廠ACC系統(tǒng)存在時(shí)有通訊中斷、編碼器丟碼、三系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)誤差大、ACC區(qū)域停板等問(wèn)題.通過(guò)改進(jìn)實(shí)際速度與設(shè)定速度不一致和編碼器的安裝方式,修改精軋機(jī)控制程序等措施,解決了存在的問(wèn)題,滿足了開(kāi)發(fā)X60、JG670DB等新鋼種的要求.6.期刊論文 龔彩軍.于明.王國(guó)棟.劉相華.GONG Cai-jun.Yu Ming.WANG Guo-dong.LIU Xiang-hua 中厚板控制冷卻過(guò)程的輥道加速度控制 -軋鋼2005,22(2)針對(duì)鋼板在控制冷卻前存在

10、的長(zhǎng)度方向溫度梯度在控冷過(guò)程中其不均勻性增加問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的輥道微加速控制模型,應(yīng)用后可將鋼板的頭尾溫差控制在±15以內(nèi).7.期刊論文 李國(guó)彬.皮昕宇.LI Guo-bin.PI Xin-yu 中厚板控制冷卻的板形控制與實(shí)踐 -武鋼技術(shù)2006,44(5)對(duì)控冷過(guò)程中,中厚板板形缺陷分析,研究橫向、縱向的板形控制方法,并闡述武鋼軋板廠實(shí)際運(yùn)用板形控制技術(shù)的情況.8.期刊論文 皮昕宇.Pi Xinyu 中厚板控制冷卻的板型控制探討 -寬厚板2006,12(4)對(duì)控冷裝置應(yīng)用過(guò)程中中厚板板型缺陷進(jìn)行分析,研究橫向、縱向板型控制方法,并闡述武鋼軋板廠實(shí)際運(yùn)用板型控制技術(shù)的情況.9

11、.學(xué)位論文 龔彩軍 中厚板控制冷卻過(guò)程溫度均勻性的研究 2005本文依托于國(guó)家經(jīng)貿(mào)委“十五”國(guó)家重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目“首鋼3500mm中厚板軋機(jī)核心軋制技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備研制”，以首鋼3500mm中厚板軋機(jī)控制冷卻系統(tǒng)改造項(xiàng)目為背景，以中厚板控制冷卻過(guò)程的溫度均勻性為研究對(duì)象，在控制冷卻過(guò)程溫度場(chǎng)模型的建立、不均勻冷卻對(duì)板形的影響、均勻冷卻的控制策略和控制冷卻計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面開(kāi)展研究工作。所開(kāi)發(fā)的控制冷卻模型、策略和控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于首鋼3500mm中厚板軋機(jī)，系統(tǒng)投入運(yùn)行后，產(chǎn)品質(zhì)量和性能明顯提高。本文的主要研究?jī)?nèi)容和主要成果如下：(1)通過(guò)比較溫度場(chǎng)理論模型的分析解和數(shù)值解后，根據(jù)現(xiàn)

12、場(chǎng)實(shí)際條件建立了以Crank-Nicolson差分格式為基礎(chǔ)的中厚板控制冷卻溫度場(chǎng)在線模型；通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究建立了冷卻過(guò)程的換熱系數(shù)模型，提出了控制冷卻時(shí)鋼板比熱系數(shù)、熱傳導(dǎo)率、相變潛熱和平均溫度的處理方法。(2)對(duì)不均勻冷卻造成的鋼板板形變化進(jìn)行了分析。建立了控制冷卻過(guò)程的溫度相變耦合預(yù)報(bào)模型，利用熱彈塑性分析法研究冷卻過(guò)程應(yīng)力和應(yīng)變及冷卻不均時(shí)的鋼板翹曲規(guī)律；分析和計(jì)算了鋼板冷卻過(guò)程的失穩(wěn)臨界應(yīng)力。中厚板控制冷卻時(shí)，如果上下表面冷卻不對(duì)稱，鋼板會(huì)產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，翹曲的撓度不僅與溫度有關(guān)而且與鋼板內(nèi)部組織的變化也有很大關(guān)系。通過(guò)觀察冷卻過(guò)程的鋼板翹曲變形行為，可以初步修正鋼板上下表面的冷

13、卻水流量，減小鋼板厚度方向的不均勻冷卻程度。(3)分析了層流冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻設(shè)備對(duì)控冷均勻性的影響。建立了水系統(tǒng)平衡的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)水系統(tǒng)平衡數(shù)學(xué)模型，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的水泵工作流量進(jìn)行了優(yōu)化；建立了層流冷卻系統(tǒng)的水力模型，根據(jù)水力模型對(duì)保持均勻冷卻時(shí)的高位水箱的高度和尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)；為了使鋼板橫向冷卻均勻，根據(jù)水力模型對(duì)集管進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析表明采用三級(jí)阻尼集管設(shè)計(jì)集管橫向的噴嘴流量相對(duì)偏差可以控制在3以內(nèi)。(4)制訂了采用過(guò)程機(jī)對(duì)控制冷卻過(guò)程鋼板進(jìn)行溫度均勻性控制的··策略。針對(duì)鋼板冷卻過(guò)程中出現(xiàn)的長(zhǎng)度方向冷卻不均的現(xiàn)象，對(duì)冷卻節(jié)奏進(jìn)行控制，減小水箱水位波動(dòng)對(duì)冷卻均勻性的

14、影響；采用鋼板微跟蹤控制技術(shù)，減小鋼板縱向溫度異常波動(dòng)對(duì)控冷均勻性的影響；采用輥道微加速控制，消除鋼板長(zhǎng)度方向的整體溫度梯度；針對(duì)鋼板冷卻過(guò)程中，鋼板邊部過(guò)冷造成的橫向冷卻不均勻現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)了邊部遮蔽數(shù)學(xué)模型，并用于過(guò)程控制；為了保持鋼板上下表面冷卻對(duì)稱，建立了下集管和上集管的水量比模型；為了減小鋼板內(nèi)部溫度梯度，根據(jù)工藝要求制訂了集管稀疏冷卻和密集冷卻策略；采用大集管和小集管搭配使用，利用“變粒度”控制進(jìn)一步減小鋼板厚度方向的溫度梯度。(5)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工藝設(shè)備布置和檢測(cè)儀表配備情況，基于控冷均勻性和控制的需要，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)狀態(tài)下模型設(shè)定計(jì)算、修正計(jì)算、自學(xué)習(xí)計(jì)算、過(guò)程跟蹤、模擬冷卻和質(zhì)量報(bào)表等功能；開(kāi)發(fā)了水冷換熱系數(shù)、空冷黑度系數(shù)、上下水量比和邊部遮蔽的自學(xué)習(xí)模型，并用于在線控制。實(shí)現(xiàn)了中厚板控制冷卻過(guò)程的全自動(dòng)精確控制。本文所開(kāi)發(fā)的中厚板控制冷卻過(guò)程控制軟件已成功應(yīng)用于首鋼中厚板廠，對(duì)我國(guó)中厚板控制冷卻水平的提高和鋼材質(zhì)量的改善具有積極的促進(jìn)作用。10.會(huì)議論文 牛文勇.王君.李建平.劉策.甄立冬.康宗濤.張殿華.王國(guó)棟.張其生.趙東林.趙勝國(guó).陳建華.于洪喜 中厚板控制冷卻基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng) 2002以首鋼中厚板廠3500mm軋機(jī)改造項(xiàng)目中控冷系統(tǒng)為背景,說(shuō)明了控制冷卻基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的組成和基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)控制策略,闡述了該控制冷卻系