热轧带钢层流冷却控制技术

《自动化与仪器仪表》2008 年第 3 期（总第 137 期）
热 轧带 钢 层流 冷却 控制 技术
张志勇
( 中冶赛 迪工程技术股份有 限公司， 重庆 400013)
摘 要：剖析了传统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：层流冷却；冷却策略； 温度前馈； 组态跟踪 Abstr act : Demonstrated existing problems of the traditional strip steel cooling system, such as poor cooling performance and coil temperature not controllable. Based on the experience of two latest hot rolling mill, some new control technique was introduced. Key wor ds: Laminar cooling ; Cooling strategy ; Temperature feed-forward control ; Configuration track 中图分类号: TP273 文献标识码: A 文章编号: 1001- 9227( 2008) 03- 0091- 03
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引 言 在热轧带钢生产过程中，卷取温度的控制直接影
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，也 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, 需要我们在模型计算中 加以修正。而按照图 1 这样的设计, 由于中间段的存 在, 能在空冷区尽可能地减小了这个偏差, 使我们精调 段的控制更为精确。 2 控制技术创新点 国内最近投产的两个热轧项目在层流冷却控制技 术也有许多新的突破, 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，常规的冷却的 仅采用前段冷却方式和后段冷却两种方式。前段冷却 即带钢的冷却从冷却区开始端开始，并沿着轧制方向 加减集管；后段冷却的是从冷却区的末端，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、 种 1 空冷模式) 。如表 1 所示。 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
图1 17 50m 热轧层流冷却 工艺布置图 m
响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( C ) 是控制带钢卷 TC 取温度，获得理想成品组织和性能的一种有效方法， 在目前热轧带钢的生产中有着广泛的应用 。 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C 控制技术上进行突 TC 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 所示。
状态、对奥氏体晶粒的抑制程度、对形变而引起的位
收稿日期：2008- 02- 2 5
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热轧带钢层流冷却控制技术 错或降低相变温度的相关要求，有针对性采用相应的 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, 对于轧制多相相钢、C— M 钢和相变诱导塑性钢 n 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 要求产品冷却的需要。
表1 冷却策 略表 前段冷 却模式 SP1 1111 SP2 1110 SP3 1010 SP4 1000 SP5 1111 后段 冷却模式 SP6 1110 SP7 1010 SP8 空冷 SP9
张志勇
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。
1000 0000
1111
1011 1010 0010 1111 1011 1010 0010 0000
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冷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、厚度和的冷却速率等边界条 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。 在带钢段到达卷取处高温计时，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误动作开或 关，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PRY 整个控制对象也就完全地跟随工艺的 07, 区域设置, 一分为二。 用精轧出口高温计 PRY 的测量 06 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 PR Y07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, 而且相对于粗调 段, 是个较短的工艺流程, 控制结果非常理想。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”和超调性。 从质量数据报表分析得出, 这种双调节段的温度 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。
图2 双调节段温度修正示意图
l 建立了基于 Ti m Wndow校验下可靠的带钢头 e i
尾跟踪；
l 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Tem a t ur e B f er , 方便了前馈控制下相 per uf 应目标段温度的指针式查找；
l 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。
l 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；
l 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；
l 模型自身偏差的补偿、无张力下的温度修正，
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