热轧带钢卷取温度控制及其改进措施

热轧带钢卷取温度控制及其改进
2010-05-23 16:55:15| 分类：默认分类|举报|字号订阅
袁建光黄传清
摘要: 以宝钢2050mm热连轧机为例，介绍了现代热轧带钢卷取温度控制系统的组成与控制功能。

为了满足扩展钢种与规格及卷取温度高精度的要求，对控制模型进行了改进。

关键词：热轧带钢；卷取温度；控制系统；数学模型
The coilling temperature control and improvement for hot rolled strip
YUAN Jian-guang,HUANG Chuan-qing
(Hot Rolling Dept.Baoshan Iron & Steel(Group)Co.,Shanghai 200941,China) Abstract:Taking the 2050mm continuous hot rolling mill of Baoshan Iron and Steel Co.for example,the compositionand function of coiling temperature control system of modern hot strip mill are introduced.In order to meet the need of expanding steel grade and product gauges and increasing coiling temperature precision,the control model of 2050mmm ill was improved.
Keywords:hotrolledstrip;coilingtemperature;controlsystem;mathematicalmodel 1 前言
卷取温度变化可使热轧带钢再结晶晶粒直径、析出物的量和形态发生变化，从而使其力学性能发生变化。

精轧温度一定，提高卷取温度，会使再结晶晶粒变大，屈服极限、抗拉强度降低，如图1所示〔1〕。

在热轧带钢生产中，卷取温度是影响轧件强度的重要因素，并且对延伸性即材料的加工性也有影响，所以必须对卷取温度进行严格的管理与控制〔1,2〕。

热轧带钢卷取温度的控制主要通过对精轧机后带钢冷却系统的控制来实现。

在实际生产中对冷却系统的控制不仅决定了带钢全长卷取温度精度，而且对带钢头部，特别是薄规格带钢在输出辊道上的运行稳定性也有较大的影响〔3〕。

宝钢2050mm热轧厂精轧机后使用层流冷却及采用计算机控制系统对带钢卷取温度进行自动控制。

但由于外方提供的模型精度较差，且生产的钢种和产品规格又不断扩大，原模型已不能很好地满足卷取温度高精度的要求。

为此，从1994年8月开始逐步对原模型进行改进和完善。

图1卷取温度对热轧带钢力学性能的影响
2 层流冷却
层流冷却的目的是把热轧带钢从终轧温度冷却到规定的卷取温度。

层流冷却系统的控制思想是确定一个临界表面温度，在该温度以上采取密集喷水，使其快速冷却达到临界值；然后采取稀疏喷水方式或空气冷却方式使带钢内外热交换，达到均匀冷却；最后根据实测带钢温度进行精调冷却，使其达到卷取温度的允许公差范围〔4〕。

此外，为了使带钢全长性能均匀和穿带稳定，系统还对带钢头部、中部，尾部规定了各种冷却方式〔4〕。

对层流冷却系统的控制主要是控制喷水阀（气动薄膜阀）的关闭。

2050mm 轧机层流冷却系统上下各54个阀，其中，上、下前部28个阀和最后4个阀为精调阀，其余为粗调阀，、1个粗调阀的控制区域是精调阀的2倍。

设计的总喷水量约为14000m3/h,使用5台泵经高约10m的高位水箱供水，并有1台备用泵。

供水系统水压为0.4MPa,在使用处水压约0.07MPa。

在层流冷却区还有侧向喷水系统、辊道冷却喷水系统。

侧向喷水的主要作用是吹走带钢表面的冷却水，以提高层流冷却效果。

每隔5m布置1个侧喷水嘴，每个侧喷水嘴由1个喷水阀控制。

在层流冷却入口及中后部设有测温仪；在层流冷却尾部设有卷取测温仪，3个测温仪检测的实际带钢温度由仪表微机传递给上级计算机。

3 层流冷却控制模型与控制功能
3.1 层流冷却控制的基本数学模型
根据热传导原理，带钢在层流冷却区与冷却水和空气进行热交换，其表面温度可用冷却时间的函数加以描述，即
T=T0+(Ti-T0)e-KPZ
（1）
式中，T为带钢出冷却区温度/℃；T0为冷却区环境温度/℃；Ti为带钢入冷却区温度/℃；K为模型自适应系数；Z为带钢经过冷却区的冷却时间/s；P为时间常数，按如下公式计算：
（2）
式中，Te为带钢的导温系数；We为带钢的导热系数；h为带钢厚度；K1,K2为模型系数；α1为上喷水与带钢的热交换系数；α2为下喷水与带钢的热交换系数；F为水温、水压和带钢速度综合修正系数。

由上述模型可见，带钢通过冷却区的温度随时间的变化描述为指数关系，而
带钢厚度，带钢导温、导热特性，冷却区冷却能力、水温、水压和带钢速度等对带钢温度指数降低的陡度产生影响。

带钢出粗轧机R4,PCC进行相应的控制计算后，由精轧道次计算程序启动层流冷却卷取温度控制策略程序，根据精轧道次，带钢材质，规格和卷取温度目标值等，进行冷却计划的计算，确定冷却方式、喷水模式和自适应系数等；然后启动冷却预计算程序，计算出达到目标卷取温度所需喷水阀门数和起始阀门位置，并进行最大冷却能力校验；再启动带头调整程序，计算出带钢头尾有特殊卷取温度要求所需的喷水阀门数，最后把设定值传递给基础自动化，并在相应的计算机终端上显示结果。

3.2 2050mm热轧层流冷却控制
宝钢2050mm热轧层流冷却段划分成主冷段和精冷段两部分，其控制功能如图2所示。

图2 2050mm热轧卷取温度控制功能
当主冷段通过开环控制大致接近目标温度，在精冷段通过开环与闭环控制相结合，使其达到目标卷取温度，即在带钢位于终轧测温仪期间，实测终轧温度、带钢厚度和带钢速度，进行周期性的前馈控制计算，并适时把阀门开闭的设定值送给基础自动化；在带钢头部到达卷取测温仪到其尾部离开卷取测温仪期间，利用实测卷取温度对层流冷却进行周期性的反馈控制和自适应计算。

为了解决在较大加、减速时，在一个周期内需多个阀门开闭的问题，PCC 计算出在一个周期内阀门开闭数随带钢速度变化的比例系数，在一个周期内由BAC根据实际速度变化自动进行阀门数的增减，这样可把一个控制周期内的卷取温度波动控制在较小的范围内。

3.3 2050mm热连轧机层流冷却系统的控制功能
3.3.1 淡淡起始阀的选择
上部层流段和下部冷却段第1个打开的阀门位置，不仅对带钢冷却质量产生影响，而且影响带钢在输出辊道上的运行稳定性。

第1个打开的上部阀门可使高温带钢在一接触低温冷却水后，把带钢压向辊道的表面，而第1个打开的下部喷水阀门则使高温带钢的下表面受急冷后向上拱翘。

所以，系统需具有选择起始阀门位置的功能。

一般情况下，上下起始阀门不能处于同一位置时，下部起始阀门只能出现在上部起始阀的后面（按轧制方向）。

3.3.2 冷却与喷水方式的选择
系统设有3种冷却方式供选择：（1）上部和下部均为空气冷却；（2）上
部为水冷，下部为空冷；（3）上下部均为水冷。

主冷区有4种喷水方式，见表1。

表1主冷段的喷水方式
序号喷水方式的名称标志含义
1 全喷水方式××××每组中所有阀门全打开
2 3/4喷水方式×××○每组第4个阀门关闭
3 1/2喷水方式×○×○每组第1、3个阀门关闭
4 1/4喷水方式×○○○每组第1个阀门打开
注:×表示阀门打开;○表示阀门关闭.
喷水方式按4个阀门构成1个喷水集管组来执行。

全喷方式又称密集喷水方式，3/4～1/4喷水方式又称稀疏喷水方式。

3.3.3 带钢头尾卷取温度调节
系统设有5种方案调节带钢头、尾及中部卷取温度（依次以符号Th、Te、Tm表示）：(1)Th=Te=Tm；(2)Th>Tm=Te；(3)Th=Te>Tm；（4）Th=Tm<Te；（5）Th<Tm=Te。

3.3.4 临界表面温度的确定
带钢进入层流冷却控制区后应尽可能用密集喷水，即用最大的冷却能力把带钢从终轧温度冷却到临界表面温度后改用稀疏喷水进行冷却。

由冷却策略确定带钢临界表面温度，系统为命中这个目标，控制喷水长度，并根据带钢速度的变化，进行跟踪与修正。

3.3.5 冷却能力的检查
系统可按精轧道次计划计算的额定值（终轧温度、带钢速度、加速度和带钢厚度）进行估算。

检查层流冷却段是否有足够的冷却能力保证带钢全长达到所要求的卷取温度。

若发现冷却能力严重不足时，系统具有要求改变精轧道次计划的功能。

3.3.6 系统自动确定冷却策略数据
系统可独立从“后计算存放”的表格中获得冷却策略数据。

这些数据一般作为带钢材质、卷取目标温度、厚度、速度和终轧温度的表函数出现（即称内部表）、可直接用于冷却系统的控制。

3.3.7 喷水阀门的周期计算
经预计算确定的喷水阀门，在带钢实际冷却过程中，由于实测值与计算值的差异需进行调节，这种调节功能是通过系统对带钢冷却过程的周期计算（每隔2～3s计算一次）来实现的，并以此来更新预计算的控制数据，提高控制精度。

3.3.8 自适应功能
系统对层流冷却段的带钢不断跟踪和自适应修正，以使冷却模型尽可能反映带钢的实际冷却过程。

所得自适应系数以钢种分类存放起来，遗传给后面轧制的带钢在层流冷却中使用。

4 2050mm热连轧带钢卷取温度控制优化
宝钢2050mm热轧卷取温度控制由于外方提供的模型精度不够，且生产的钢种和产品规格又在不断扩大，原来的模型已不能很好地满足卷取温度高精度的要求，特别是对厚规格带钢，其控制精度更差。

根据实际情况，首先在不增加设备及硬件投入的情况下，主要通过优化、改进和完善卷取温度控制数学模型，来提高卷取温度控制精度，该工作已在1996年底完成。

1998年底基本完成硬件设备和控制系统的改进。

4.1 层流冷却控制精度存在的问题及实施的第1步解决方案
（1）原模型没考虑带钢内部厚度方向的热传导，因此系统误差较大，特别是对于厚板，预设定精度差。

现已采用内部表格，按带钢厚度分级，对温度进行补偿。

（2）在PCC控制中，精轧控制和层流冷却控制是两个系统，当轧机最大速度设定过高时，层流冷却能力不足，带钢尾部卷取温度高。

现已将精轧机控制与层流冷却控制相互联系起来，系统保证轧机设定的最大速度不超过层流冷却能力。

（3）原设计周期控制为3s,周期控制时间太长，响应慢，控制精度差，现已修改相应控制软件，将控制周期改为2s。

（4）原模型中加速度影响模型精度不高，在加减速时，设定波动太大，控制精度差。

现已将加速度影响模型修改为
SUFn=SUF/(1+k．v)
式中，SUFn为加速度影响因素值；SUF为原模型计算值；k为模型系数；v为带钢速度。

（5）原使用的工艺极限参数值与实际不符，对于厚板，当速度低于一定值时，温度控制精度很低。

现已对各种情况下的工艺极限参数进行重新确定，使之与实际相符。

（6）对于厚度>16.0mm的带钢，当穿带速度变化较大时，头部温度设定时好时坏。

现已根据带钢厚度范围对穿带速度上限进行了限制。

4.2 带钢卷取温度控制第1步优化的效果
经过上述改进后，卷取温度的控制精度得到了显著提高，对比分析见表2。

表2 优化前后的卷取温度控制精度对比（目标值±30℃精度）
带钢厚度/mm 优化前控制精度/% 优化后控制精度/%
2.1～2.5 85.844 96.29
2.5～
3.2 85.524 96.69
3.2～
4.2 86.280 97.16
4.2～6.3 80.922 96.83
6.3～12.6 70.594 95.96
12.6～25.4 40.652 90.25
4.3 卷取温度控制硬件和系统的改进
（1）对层流冷却装置进行了改进，把粗调区改为精调，以进一步提高控制精度。

（2）对层流冷却装置布置形式进行了改进，把反馈控制的调节加大并向后移动一定的位置，增加中间测温仪。

（3）在控制系统上，增加1台计算机专门用于层流冷却的控制，控制周期进一步缩短（1s），利于控制模型和控制软件的进一步开发。

作者简介：袁建光（1961～），男（汉族），四川人，高级工程师，热轧部副部长。

作者单位:宝山钢铁（集团）公司热轧部，上海200941
袁建光黄传清
摘要: 以宝钢2050mm热连轧机为例，介绍了现代热轧带钢卷取温度控制系统的组成与控制功能。

为了满足扩展钢种与规格及卷取温度高精度的要求，对控制模型进行了改进。

关键词：热轧带钢；卷取温度；控制系统；数学模型
The coilling temperature control and improvement for hot rolled strip
YUAN Jian-guang,HUANG Chuan-qing
(Hot Rolling Dept.Baoshan Iron & Steel(Group)Co.,Shanghai 200941,China) Abstract:Taking the 2050mm continuous hot rolling mill of Baoshan Iron and Steel Co.for example,the compositionand function of coiling temperature control system of modern hot strip mill are introduced.In order to meet the need of expanding steel grade and product gauges and increasing coiling
temperature precision,the control model of 2050mmm ill was improved.
Keywords:hotrolledstrip;coilingtemperature;controlsystem;mathematicalmodel 1 前言
卷取温度变化可使热轧带钢再结晶晶粒直径、析出物的量和形态发生变化，从而使其力学性能发生变化。

精轧温度一定，提高卷取温度，会使再结晶晶粒变大，屈服极限、抗拉强度降低，如图1所示〔1〕。

在热轧带钢生产中，卷取温度是影响轧件强度的重要因素，并且对延伸性即材料的加工性也有影响，所以必须对卷取温度进行严格的管理与控制〔1,2〕。

热轧带钢卷取温度的控制主要通过对精轧机后带钢冷却系统的控制来实现。

在实际生产中对冷却系统的控制不仅决定了带钢全长卷取温度精度，而且对带钢头部，特别是薄规格带钢在输出辊道上的运行稳定性也有较大的影响〔3〕。

宝钢2050mm热轧厂精轧机后使用层流冷却及采用计算机控制系统对带钢卷取温度进行自动控制。

但由于外方提供的模型精度较差，且生产的钢种和产品规格又不断扩大，原模型已不能很好地满足卷取温度高精度的要求。

为此，从1994年8月开始逐步对原模型进行改进和完善。

图1卷取温度对热轧带钢力学性能的影响
2 层流冷却
层流冷却的目的是把热轧带钢从终轧温度冷却到规定的卷取温度。

层流冷却系统的控制思想是确定一个临界表面温度，在该温度以上采取密集喷水，使其快速冷却达到临界值；然后采取稀疏喷水方式或空气冷却方式使带钢内外热交换，达到均匀冷却；最后根据实测带钢温度进行精调冷却，使其达到卷取温度的允许公差范围〔4〕。

此外，为了使带钢全长性能均匀和穿带稳定，系统还对带钢头部、中部，尾部规定了各种冷却方式〔4〕。

对层流冷却系统的控制主要是控制喷水阀（气动薄膜阀）的关闭。

2050mm 轧机层流冷却系统上下各54个阀，其中，上、下前部28个阀和最后4个阀为精调阀，其余为粗调阀，、1个粗调阀的控制区域是精调阀的2倍。

设计的总喷水量约为14000m3/h,使用5台泵经高约10m的高位水箱供水，并有1台备用泵。

供水系统水压为0.4MPa,在使用处水压约0.07MPa。

在层流冷却区还有侧向喷水系统、辊道冷却喷水系统。

侧向喷水的主要作用是吹走带钢表面的冷却水，以提高层流冷却效果。

每隔5m布置1个侧喷水嘴，
每个侧喷水嘴由1个喷水阀控制。

在层流冷却入口及中后部设有测温仪；在层流冷却尾部设有卷取测温仪，3个测温仪检测的实际带钢温度由仪表微机传递给上级计算机。

3 层流冷却控制模型与控制功能
3.1 层流冷却控制的基本数学模型
根据热传导原理，带钢在层流冷却区与冷却水和空气进行热交换，其表面温度可用冷却时间的函数加以描述，即
T=T0+(Ti-T0)e-KPZ
（1）
式中，T为带钢出冷却区温度/℃；T0为冷却区环境温度/℃；Ti为带钢入冷却区温度/℃；K为模型自适应系数；Z为带钢经过冷却区的冷却时间/s；P为时间常数，按如下公式计算：
（2）
式中，Te为带钢的导温系数；We为带钢的导热系数；h为带钢厚度；K1,K2为模型系数；α1为上喷水与带钢的热交换系数；α2为下喷水与带钢的热交换系数；F为水温、水压和带钢速度综合修正系数。

由上述模型可见，带钢通过冷却区的温度随时间的变化描述为指数关系，而带钢厚度，带钢导温、导热特性，冷却区冷却能力、水温、水压和带钢速度等对带钢温度指数降低的陡度产生影响。

带钢出粗轧机R4,PCC进行相应的控制计算后，由精轧道次计算程序启动层流冷却卷取温度控制策略程序，根据精轧道次，带钢材质，规格和卷取温度目标值等，进行冷却计划的计算，确定冷却方式、喷水模式和自适应系数等；然后启动冷却预计算程序，计算出达到目标卷取温度所需喷水阀门数和起始阀门位置，并进行最大冷却能力校验；再启动带头调整程序，计算出带钢头尾有特殊卷取温度要求所需的喷水阀门数，最后把设定值传递给基础自动化，并在相应的计算机终端上显示结果。

3.2 2050mm热轧层流冷却控制
宝钢2050mm热轧层流冷却段划分成主冷段和精冷段两部分，其控制功能如图2所示。

图2 2050mm热轧卷取温度控制功能
当主冷段通过开环控制大致接近目标温度，在精冷段通过开环与闭环控制相结合，使其达到目标卷取温度，即在带钢位于终轧测温仪期间，实测终轧温度、
带钢厚度和带钢速度，进行周期性的前馈控制计算，并适时把阀门开闭的设定值送给基础自动化；在带钢头部到达卷取测温仪到其尾部离开卷取测温仪期间，利用实测卷取温度对层流冷却进行周期性的反馈控制和自适应计算。

为了解决在较大加、减速时，在一个周期内需多个阀门开闭的问题，PCC 计算出在一个周期内阀门开闭数随带钢速度变化的比例系数，在一个周期内由BAC根据实际速度变化自动进行阀门数的增减，这样可把一个控制周期内的卷取温度波动控制在较小的范围内。

3.3 2050mm热连轧机层流冷却系统的控制功能
3.3.1 淡淡起始阀的选择
上部层流段和下部冷却段第1个打开的阀门位置，不仅对带钢冷却质量产生影响，而且影响带钢在输出辊道上的运行稳定性。

第1个打开的上部阀门可使高温带钢在一接触低温冷却水后，把带钢压向辊道的表面，而第1个打开的下部喷水阀门则使高温带钢的下表面受急冷后向上拱翘。

所以，系统需具有选择起始阀门位置的功能。

一般情况下，上下起始阀门不能处于同一位置时，下部起始阀门只能出现在上部起始阀的后面（按轧制方向）。

3.3.2 冷却与喷水方式的选择
系统设有3种冷却方式供选择：（1）上部和下部均为空气冷却；（2）上部为水冷，下部为空冷；（3）上下部均为水冷。

主冷区有4种喷水方式，见表1。

表1主冷段的喷水方式
序号喷水方式的名称标志含义
1 全喷水方式××××每组中所有阀门全打开
2 3/4喷水方式×××○每组第4个阀门关闭
3 1/2喷水方式×○×○每组第1、3个阀门关闭
4 1/4喷水方式×○○○每组第1个阀门打开
注:×表示阀门打开;○表示阀门关闭.
喷水方式按4个阀门构成1个喷水集管组来执行。

全喷方式又称密集喷水方式，3/4～1/4喷水方式又称稀疏喷水方式。

3.3.3 带钢头尾卷取温度调节
系统设有5种方案调节带钢头、尾及中部卷取温度（依次以符号Th、Te、Tm表示）：(1)Th=Te=Tm；(2)Th>Tm=Te；(3)Th=Te>Tm；（4）Th=Tm<Te；（5）Th<Tm=Te。

3.3.4 临界表面温度的确定
带钢进入层流冷却控制区后应尽可能用密集喷水，即用最大的冷却能力把带钢从终轧温度冷却到临界表面温度后改用稀疏喷水进行冷却。

由冷却策略确定带钢临界表面温度，系统为命中这个目标，控制喷水长度，并根据带钢速度的变化，进行跟踪与修正。

3.3.5 冷却能力的检查
系统可按精轧道次计划计算的额定值（终轧温度、带钢速度、加速度和带钢厚度）进行估算。

检查层流冷却段是否有足够的冷却能力保证带钢全长达到所要求的卷取温度。

若发现冷却能力严重不足时，系统具有要求改变精轧道次计划的功能。

3.3.6 系统自动确定冷却策略数据
系统可独立从“后计算存放”的表格中获得冷却策略数据。

这些数据一般作为带钢材质、卷取目标温度、厚度、速度和终轧温度的表函数出现（即称内部表）、可直接用于冷却系统的控制。

3.3.7 喷水阀门的周期计算
经预计算确定的喷水阀门，在带钢实际冷却过程中，由于实测值与计算值的差异需进行调节，这种调节功能是通过系统对带钢冷却过程的周期计算（每隔2～3s计算一次）来实现的，并以此来更新预计算的控制数据，提高控制精度。

3.3.8 自适应功能
系统对层流冷却段的带钢不断跟踪和自适应修正，以使冷却模型尽可能反映带钢的实际冷却过程。

所得自适应系数以钢种分类存放起来，遗传给后面轧制的带钢在层流冷却中使用。

4 2050mm热连轧带钢卷取温度控制优化
宝钢2050mm热轧卷取温度控制由于外方提供的模型精度不够，且生产的钢种和产品规格又在不断扩大，原来的模型已不能很好地满足卷取温度高精度的要求，特别是对厚规格带钢，其控制精度更差。

根据实际情况，首先在不增加设备及硬件投入的情况下，主要通过优化、改进和完善卷取温度控制数学模型，来提高卷取温度控制精度，该工作已在1996年底完成。

1998年底基本完成硬件设备和控制系统的改进。

4.1 层流冷却控制精度存在的问题及实施的第1步解决方案
（1）原模型没考虑带钢内部厚度方向的热传导，因此系统误差较大，特别是对于厚板，预设定精度差。

现已采用内部表格，按带钢厚度分级，对温度进行补偿。

（2）在PCC控制中，精轧控制和层流冷却控制是两个系统，当轧机最大
速度设定过高时，层流冷却能力不足，带钢尾部卷取温度高。

现已将精轧机控制与层流冷却控制相互联系起来，系统保证轧机设定的最大速度不超过层流冷却能力。

（3）原设计周期控制为3s,周期控制时间太长，响应慢，控制精度差，现已修改相应控制软件，将控制周期改为2s。

（4）原模型中加速度影响模型精度不高，在加减速时，设定波动太大，控制精度差。

现已将加速度影响模型修改为
SUFn=SUF/(1+k．v)
式中，SUFn为加速度影响因素值；SUF为原模型计算值；k为模型系数；v为带钢速度。

（5）原使用的工艺极限参数值与实际不符，对于厚板，当速度低于一定值时，温度控制精度很低。

现已对各种情况下的工艺极限参数进行重新确定，使之与实际相符。

（6）对于厚度>16.0mm的带钢，当穿带速度变化较大时，头部温度设定时好时坏。

现已根据带钢厚度范围对穿带速度上限进行了限制。

4.2 带钢卷取温度控制第1步优化的效果
经过上述改进后，卷取温度的控制精度得到了显著提高，对比分析见表2。

表2 优化前后的卷取温度控制精度对比（目标值±30℃精度）
带钢厚度/mm 优化前控制精度/% 优化后控制精度/%
2.1～2.5 85.844 96.29
2.5～
3.2 85.524 96.69
3.2～
4.2 86.280 97.16
4.2～6.3 80.922 96.83
6.3～12.6 70.594 95.96
12.6～25.4 40.652 90.25
4.3 卷取温度控制硬件和系统的改进
（1）对层流冷却装置进行了改进，把粗调区改为精调，以进一步提高控制精度。

（2）对层流冷却装置布置形式进行了改进，把反馈控制的调节加大并向后移动一定的位置，增加中间测温仪。

（3）在控制系统上，增加1台计算机专门用于层流冷却的控制，控制周期进一步缩短（1s），利于控制模型和控制软件的进一步开发。

作者简介：袁建光（1961～），男（汉族），四川人，高级工程师，热轧部副。