案例4 新钢1580mm热连轧层流冷却控制技术1 技术简介新钢热轧薄板工程即将进入设备安装阶段,相关的各项技术准备工作已陆续展开。

热连轧是融各项高新技术于一体的生产过程,其中层流冷却控制是其关键技术之一。

热轧带钢卷取温度是影响成品带钢性能的重要工艺参数,其范围必须满足一定的工艺要求,过高或过低都将给带钢的组织和性能带来不良影响，而卷取温度的控制和控制精度正是通过层流冷却设备及层流冷却控制技术实现的。

2 层流冷却系统组成以新钢1580热连轧为例,其层流冷却设备包括19个主冷却段和3个微调冷却段，其中每个主冷却段包括4个控制单元组（上下喷一一对应），总计下喷a1-a76共76个控制单元，总计上喷b1-b76 共76个控制单元。

每个微调冷却段包括8个控制单元组（上下喷一一对应），总计下喷a77-a100 共24个控制单元，总计上喷b77-b100 共24个控制单元。

每个控制单元由一个电磁阀驱动一个气动碟阀来控制冷却水的打开与关闭。

各冷却段之间及整个冷却段前后各有一组侧喷控制单元（共23个控制单元），侧喷水的打开与关闭原理同上、下喷一样由一个电磁阀驱动一个碟阀来控制,其工艺布置如图1所示。

图1 新钢1580热连轧层流冷却工艺流程图3 层流冷却控制目标根据实测的板带终轧温度、速度、厚度和满足工艺要求的冷却曲线控制轧后钢材的冷却工艺参数(开冷温度、终冷温度、冷却速率),确定相应的喷水区长度(阀门开启个数)和喷水模式，使卷取温度尽可能地接近工艺确定的目标卷取温度,获得理想的组织结构, 以提高和改善钢材的综合力学性能。

层流冷却过程的控制量为:喷水阀门的开闭数量及位置、喷水模式等[1]。

层流冷却区的控制目标是把终轧温度为800～900 ℃的钢板按一定冷却制度迅速冷却到500～700 ℃的卷取温度,控制精度要求为±20 ℃。

4 层流冷却控制系统的结构层流冷却系统采用二级计算机控制。

一级计算机是基础自动化级, 二级计算机是过程控制级。

计算机将整个生产范围内的带钢按厚度、目标卷取温度(一般相差10℃为同一级)、带钢材质的冷却特性、冷却要求等分若干级别，将冷却速度相近的钢种归类，进行分档控制，对不同的级别使用不同的策略数据和模型数据。

5 层流冷却控制的数学模型通常带钢从精轧机末机架出口到卷取机入口的冷却过程如图2所示。

图2 带钢轧后控冷过程示意图图2中，T f 为终轧温度, Tc 为卷取温度, T f 和Tc 的温度范围由所生产带钢的钢种和规格确定。

过程自动化系统通过数学模型根据所轧带钢的钢种和规格要求可确定出打开第一组集管的位置(即A 点)、所需打开的冷却集管组数以及相应的冷却集管开启与关闭组合(即确定B 点),后者可由带钢冷却策略来确定。

在带钢轧后冷却过程中,带钢经历了空冷、水冷、然后再空冷等热交换过程,故带钢轧后控冷过程中的基本数学模型为带钢空冷过程中的温度场计算模型(空冷温降模型)、带钢水冷过程中的温度场计算模型(水冷温降模型),并由此可导出实际使用的前馈和反馈等控制模型。

数学模型直接影响到卷取温度的控制精度[2]。

5.1 空冷计算模型空冷时带钢在长度和宽度方向上的传热条件均比较一致,故可认为这两个方向上温度分布均匀,由于带钢较薄,在一定厚度范围内,可近似认为厚度方向上温度相同[3]。

空冷传热数学模型如下式中, a t 为空冷后的温度C 0；ε为轧件热辐射系数,b h a +⨯=ε,a b 为空冷回归系数；σ为玻尔兹曼常数(42/k m w )；p c 为比定压热容,(kg kJ /C 0); h 为带钢(mm); t fd 为精轧出口温度C 0；τ∆为精轧出口到卷取机前带钢运行时间(s).5.2 水冷计算模型水冷传热模型与空冷相似,单个集管组水冷温降模型hC L t P s ⨯⨯⨯⨯=∆ρυ36001000 式中,h 为带钢厚度(mm)；ρ为密度(kg/ m 3);Cp 为比定压热容(kJ/ (kg C 0)；v 为带钢速度(m/ s )；Q 为热流密度 (KJ/Kg C 0)；L 为集管组长(m);s t ∆为层流冷却每组集管温降量(C 0)。

5.3 前馈控制模型 21})]()([)({a Qhv T T T T T a v v R P N CAS CA FS FA s i i FF -∆+--+-+= FF N 为前馈控制的喷水数量；i P 预设定喷水数量；i R 带钢速度影响系数；v 为带钢速度(m/s)；s v 为带钢轧制基准速度(根据带钢厚度由插值法求出)(m/s)；1a 为终轧温度对卷取温度影响系数；2a 水温补偿系数；FA T 为精轧温度目标值C 0；FS T 为带钢精轧出口的标准温度值(根据带钢厚度由插值法求出)；CA T 为带钢卷取的目标温度C 0；CAS T 带钢卷取目标温度的标准值(根据带钢厚度由插值法求出) C 0；T ∆卷取目标温度的修正值C 0；Q 为综合传热系数；h 为带钢厚度(mm)。

5.4 反馈控制模型 2)(a Qhv T T T N CA CD FB -+∆= FB N 为反馈控制的喷水数量；CD T 为实际带钢卷取温度的平均值C 0 (带钢头部到达卷取温度计后,在0.5s,1.0s,1.5s,2.0s 采集实际卷取温度,取平均值)[4]。

6 冷却模式6.1 对于要求控制形变奥氏体的组织状态、阻止奥氏体晶粒长大、固化因形变而引起的位错或降低相变温度的钢种,采用前部冷却策略,即先打开前主冷区的冷却集管,用微调区对卷取温度进行微调控制。

6.2 对于主要控制室温组织相变过程、控制铁素体的长大及轧制后二相粒子析出的钢种采用后部冷却策略,先打开主冷却区后部分集管进行冷却,用微调区对卷取温度进行微调控制。

6.3 对于某些对高冷却速度敏感的钢种(尤其是在较厚规格时) ,可以采用在主冷却区的前部分(或全部) 以一定的间隔开启冷却集管,用微调区对卷取温度进行微调控制。

7 层冷区轧件跟踪7.1 跟踪计算在带钢头部至尾部离开精轧机的期间,使用实测的轧制温度、厚度和带钢的速度进行周期性的前馈控制计算，适时把阀门开闭设定值送到基础自动化,在带钢进入层流冷却区的运行中，计算机按固定的时间间隔，在逻辑上把带钢划分为数小段，计算机对每小段在层流冷却区进行推算和跟踪,对带钢的卷取温度控制正是以这些小段为最小单位进行，对每一小段计算所需增减的阀门数，当该小段运行到喷水区时，增减后的喷水正好对应此小段。

为了使样本的组态喷到对应的样本上以及及时开闭阀门，必须实施层冷区的轧件跟踪。

7.2 头尾部跟踪根据信号启动相应跟踪程序，分别计算带钢头尾部在热输出辊道的具体位置，以板带运行的同步速度，并按过程控制计算机设定的喷水组态，由前向后依次开启集管，或依次关闭集管组态。

7.3 轧件样本跟踪实时跟踪轧件每小段在冷却区的位置，及时下发集管组态。

基础自动化向过程控制计算机传送输出辊道上有关轧件跟踪的传感器信号检得以及捡失，并完成有效性检查，同时由过程控制计算机完成相应的轧线逻辑控制及轧件数据处理。

由于过程机数据处理能力强，因此轧件数据处理和轧制逻辑处理方便，并能准确跟踪板带位置，实时喷水。

8 控制策略8.1 预设定计算当带钢到达精轧入口温度计时, 过程自动化系统根据带钢的初始输入参数(如带钢的终轧温度、目标卷取温度、厚度、速度、水温等)和相应的冷却曲线计算所有冷却区域中所需要的冷却水量, 从而对阀门的开闭状态进行初始设定, 将计算后得到的控制量设定值发送给基础自动化系统执行，这样可以有效地消除控冷系统动作滞后的影响[5]。

8.2 前馈控制由于带钢进入层流冷却区时的实际温度、厚度、速度是实时变化的, 因此为了消除带钢自身边界条件与其设定值的偏差对卷取温度的影响, 需要对预设定计算进行前馈补偿。

当带钢到达精轧出口温度测量点时( FDT 测温仪时),根据带钢的实测终轧温度, 确定为使卷取温度达到目标值所需开启的阀门数。

8.3 反馈控制为了补偿前馈控制的偏差,通过比较实测的卷取温度和目标卷取温度来调整精调区阀门的开关状态, 将带钢的实测卷取温度控制在要求的精度范围内,但反馈控制存在“时滞性”,目前国内外对热轧带钢层流冷却控制以前馈为主,反馈为辅。

这从冷却区域的布置情况也可看出,冷却区前段是主冷区,冷却能力强,冷却区长;冷却区后段是精调区,冷却能力为前面集管的一半,冷却区短。

8.4 自适应控制系统对层流冷却段的带钢不断进行跟踪和自适应修正,以使冷却模型尽可能反映带钢的实际冷却过程,所得到的自适应系数以钢种、厚度和卷取温度等多种形式分类存放,遗传给后续轧制的带钢。

模型自适应分为短期自学习和长期自学习,短期自学习系数用于同一轧制批次的顺序卷, 换组别时应用长期自学习系数。

8.5 带钢头尾冷却控制一般情况下,带钢头部和尾部的终轧温度低,中部温度高。

带钢头部不能进行反馈控制,尾部的反馈能力也很弱,最终导致卷取温度曲线呈两头低、中间高的形状。

目前,对带钢头、尾可采取提高目标卷取温度、进行热头热尾特殊处理(比如改进集管开启顺序,改变开闭时间)、对带钢头尾部进行自学习以及采用升速轧制结合机架间冷却系统来保证终轧温度的稳定等多种方式来改善带钢头、尾的卷取温度控制精度。

8.6 带钢边部冷却控制带钢在热轧时存在边部减薄现象,在冷却时带钢边部和中部的冷却条件也不相同,致使带钢两边的温度明显比中间低、强度比中间高,给后续工序带来不良影响,并且会引起板形缺陷,所以必须重视边部冷却控制,尤其在宽厚板冷却时。

带钢边部冷却控制一般有两种形式:凸型水量分布和边部遮蔽,凸型水量分布是假设带钢横向温度分布为抛物线形,把上、下集管设计成变流量,如采用集管直径变化或间距变化,形成中凸形的水量分布,对带钢边部进行温度补偿。

边部遮蔽是通过挡板将集管两端的水流导向储水槽,间接得到凸型水量的分布。

这种方式操作简单投入低,但是效果却较明显[5]。

图3 层流冷却控制系统图9 控制效果分析某钢厂1580热连轧层流冷却改造前卷取温度控制曲线如图4(a)。

卷取温度控制曲线的分项统计数据如下:实测温度与目标温度相差±5以内的占带钢全长的39.1% ,相差±10以内的占带钢全长的57.3% ,相差±20以内的占带钢全长的9.1%,相差±20以上的占带钢全长的9.1%。

图4(a) 改造前卷取温度曲线通过全面采用上述控制技术加以改造后，控制精度获得明显提高，如图4(b)。

卷取温度控制曲线的分项统计数据如下:实测温度与目标温度相差±5以内的占带钢全长的72.4% ,相差±10以内的占带钢全长的98.3% ,全长的100%都被控制在±20以内。

4(b) 改造后卷取温度曲线。