·36· 钢 铁 技 术 2008年第3期
热轧带钢层流冷却控制技术的创新 张志勇 (中冶赛迪公司自动化事业部, 重庆 400013)
[摘 要]剖析了传统热轧带钢冷却系统存在的冷却效果差、卷取温度不可控等问题。以国内最近投运的两条热轧线的实际经验为前提,阐述了一些新的控制技术。 [关键词]热轧带钢 层流冷却 冷却策略 温度前馈 组态跟踪
0 引言 在热轧带钢生产过程中，卷取温度的控制直接影响到轧制成品最终的组织形态。卷取温度对热轧带钢奥氏体晶粒的尺寸、析出物的数量和形态所产生的影响，将导致金属的微观组织发生巨大变化，所以带钢冷却效果的优劣是决定成品加工性能、力学性能和物理性能的重要环节。层流冷却控制技术(CTC)是控制带钢卷取温度，获得理想成品组织和性能的一种必不可少的有效方法，在目前热轧带钢的生产中得到广泛应用。新钢种的开发以及新技术的应用，都需要创新的冷却设备和冷却策略的支持,这就凸显出了在CTC控制技
术上进行突破的重要性。 1 层流冷却系统工艺的创新 热轧带钢冷却技术的发展分为两个方面，一方面是工艺技术的发展，主要体现在各种冷却装置和冷却工艺的进步；另一方面是控制技术的发展，主要体现在控制策略、控制系统的进步。工艺布置上,最近两年投产的层流冷却装置均为低压虹吸管式，采用机旁高位水箱供水方式。创新点在于粗调段和精调段之间设置空冷中间段,在粗调区和精调区之间设置高温计，用于检测带钢粗冷区后的温度。工艺布置如图1。
图1 1750 mm热轧带钢层流冷却工艺布置图 2008年第3期 钢 铁 技 术 ·37· 冷却中的热交换过程是非常复杂的非线性过程，在冷却中带钢将发生组织转变，存在相变潜热的释放。控制方式上不仅要考虑带钢与周围介质的热交换，还要考虑带钢内部的热传导，控制中的实测温度则是带钢的表面温度。在冷却过程中，当带钢温度沿厚度方向达到均匀之前，表面温度总低于平均温度，这就造成实际值与测量值之间的偏差,需要在模型计算中对此加以修正。而按照上图这样的设计,由于中间段的存在, 能在空冷区尽可能地减小这种偏差, 使精调段的控制更为精确。 2 控制技术创新点 笔者经历的国内最近投产的两个热轧项目在层流冷却控制技术上也有许多新的突破,实践证明也取得了非常满意的控制效果。 2.1冷却策略的扩充 根据所轧带钢钢种和厚度的不同，常规的冷却仅采用前段冷却和后段冷却两种方式。前段冷却即为带钢的冷却从冷却区始端开始，并沿着轧制方向加减集管；后段冷却则是从冷却区的末端开始，逆带钢行进方向加减集管。这样的控制策略非此即彼,十分单一。 由于没有进一步细分, 所以针对性不强, 模型自学习收敛性较差, 需要的周期特别长, 控制效果往往不理想。最新的控制技术在层冷策略上进行了细分,采用了9种冷却策略(4种前段冷却模式、4种后段冷却模式、1种空冷模式)。
表1 热轧带钢层流冷却策略表 前段冷却模式 后段冷却模式 空冷模式 SP 1 SP 2 SP 3 SP 4 SP 5 SP 6 SP 7 SP 8 SP 9 1111 1110 1010 1000 1111 1110 1010 1000 0000 1111 1011 1010 0010 1111 1011 1010 0010 0000
对于适合前段冷却的钢种: 如延展性较好的硬质材或者无间隙原子钢,我们就可以根据对奥氏体的组织状态、对奥氏体晶粒的抑制程度、对形变而引起的位错或降低相变温度的相关要求，有针对性地采用相应的前部冷却策略。同样，对于适合后段冷却的钢种: 如用于深加工的软质材、冷轧产品,我们也可以根据对铁素体、轧后二相粒子析出的相关要求, 有针对性地采用相应的后部冷却策略。程序的设计上也有相当好的延伸性, 对于轧制多相钢、C—Mn钢和相变诱导塑性钢等其它钢种, 都有在策略实现上的可能。这样完善的冷却策略很好地满足了不同规格、不同钢种和不同性能要求的产品冷却的要求。 2.2全新的双调节段温度前馈控制方式 国内大部分钢铁企业在层流冷却控制上采取的是温度前馈加温度反馈的控制方式。前馈控制即精轧机末机架抛钢后, 在带钢进入冷却区域前, 系统根据实测的带钢终轧出口温度、速度、厚度和冷却速率等边界条件计算出所需的冷却水分布, 当该段穿过热输出辊道时，动态地控制阀门的开关，以便得到其在前馈控制计算的所需冷却状
态。为了提高控制精度，常规控制系统的设计中引入反馈控制，以弥补前馈控制的不足。在带钢段到达卷取区高温计处时，根据实际落到带钢上的水量来计算温度变化，利用测量的卷取温度和预报的卷取温度的差别确认和修正参数，这就是系统的反馈补偿。这样的做法始终解决不了反馈的“时滞性”, 在施加反馈控制时，此段及其后相当长的带钢控制已经过了冷却区域。并且带来精调区集管的开或关误动作，使得实测的卷取温度在目标卷取温度附近振荡发散，保证不了同板温差处于目标范围内。 为了克服这个问题, 新的控制理念引入了双调节段的温度前馈控制新方式。 在粗调段和精调段中间,设置高温计PRY07, 整个控制对象也就完全地跟随工艺的区域设置, 一分为二。 用精轧出口高温计PRY06的测量值来控制粗调段的冷却, 使带钢在经过中间段前就已经消化掉了终轧出口温度、速度、厚度波动带来的影响, 得到一个较为稳定的目标中间温度； 用中间段高温计PRY07的测量值来控制精调段的冷却, 由于是在一个比较稳定的温度基础上进行微量调整, 而且相对于·38· 钢 铁 技 术 2008年第3期
粗调段, 是个较短的工艺流程,控制结果就非常理想了。这种双调节段的温度前馈控制新方式彻底规避了反馈控制的“时滞性”和超调。 从质量数据报表分析得出, 这种双调节段的温度前馈辅以速度反馈的控制方式, 效果十分显著, 是一种值得推广的控制方式。
2.3精确的冷却喷水组态跟踪 前馈控制虽然计算出了样本所需要的喷水组态，即带钢层流冷却温度控制的静态模型，但要实现运动带钢的温度控制必须引入组态跟踪控制。 ·建立了基于Time Window校验下可靠的带钢头尾跟踪。
GetIf valves are GetGetIf VIf valves are GetFlag_offk (actualSwitchpoint)
notyetallopenk+1 andxk+1m=k-nonkPyrobvxPoshlτ⋅+−−=+1offFlagonFlag__⋅offFlagonFlag__⋅Tiin Striptemperaturebufferwheredi-1 < l < diSetpointcalculation(1):k+1shouldbeopen, Flag_on= 1Flag_on= 0Flag_off= 0notyetallclosed
Getxk
m=k-n
offkPyrobvxPoshlτ⋅+−−=
Tiin Striptemperaturebufferwheredi-1 < l < di
Setpointcalculation(2):If Vkshouldbeclosed, = 1
k = k + 1k = k -1k = k k = k offFlagonFlag__⋅offFlagonFlag__⋅
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图2 双调节段温度修正示意图 2008年第3期 钢 铁 技 术 ·39· ·选择了相对于定长模式更为稳定的定时分段模式, 对带钢进行微段控制; 建立由带钢头尾位置和加权温度组成的Temperature Buffer, 方便了前馈控制下相应目标段温度的指针式查找。 ·在层流冷却的喷水延时间的构成合理分析基础上, 对目标阀门作了位置修正。样本跟踪的长度分析, 也保证了升速轧制和降速轧制下微段跟踪的准确性。 2.4短期长期相结合的自学习模式 控制上作了带钢内部参数的自适应，以及相似规格、厚度、尺寸和冷却策略的卷对卷的自适应。对应于不同批次以及系统的长期偏差趋势，产品规格参数也相应进行适应。基于被测量的带钢温度，长期和短期适应结果的调整，使之自动跟踪过程状态的变化，从而减少了过程状态变化所带来的误差。 ·基于统计意义上的阀门敏感系数的修正，规避了目标阀门开闭的盲目性。 ·温度斜率、速度斜率的动态更新使温度的偏差计算更为精确。 ·模型自身偏差的补偿、无张力下的温度修正，有效抑制了带钢头尾温度的振荡。 3 应用效果 两条新的热连轧层流冷却控制系统投用一年多来，设备运行可靠、冷却效果稳定。 1)通过对产品最终相组成、铁素体晶粒大小 和力学性能进行的抽样表明，较好地抑制奥氏体晶粒的再结晶和晶粒长大，控制好了相变后的微观组织及形态，具有较好的力学性能。 2)对2.0～15.0 mm之间各种规格带钢的卷取温度统计分析显示：厚2.0～7.5 mm的带钢，全长的97％可达到目标温度的±12℃ 之内；厚8.0～15.0 mm的带钢，全长的96.8％可达到目标温度的±20℃ 之内。 3)对品种规格范围适应面广，变规格后系统自学习效果理想，收敛性很好。 4)温度前馈、分段控制效果明显，对厚度、终轧温度及速度等边界条件的改变响应及时准确。
参考文献 1 王笑波,王仲初, 柴天佑.中厚板轧后控制冷却技术的发展及现状[J].轧钢, 2000.17(3)：44～4 2 Tundermann J.H.Development of In783 Alloy,A Low ThermalExpansion,Crack Growth Resistant Superalloy[J].ActaMetallurgicaSinical,1996,(12)：503～507 3 彭良贵, 于 明,王昭东等 .热轧带钢层流冷却数学模型评述[J]．轧钢,2003,(12) 4 王笑波 .板带层流冷却过程控制方法[J]．中南工业大学学报, 2003,34(4)：390～393
(收稿日期：2007-11-22)
～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～·～ (接第35页) 炉系统的改造中，每次改造都给该厂带来新的变化，自动化水平越来越高。在结束该厂加热炉所有改造设计之时，谨以此文对设计作一个总结，
愿本钢加热炉改造全面完成时，她的面貌更好，生产管理水平更先进！
(收稿日期：2008-01-25)