基于數(shù)學模型的優(yōu)碳盤條性能在線預測與控制

王紹斌　卿俊峰　劉勇　余萬華

摘要：介紹了重鋼高速線材軋鋼廠對控冷工藝的研究與運用，采用數(shù)學模型在線預測與控制優(yōu)碳盤條性能、金相組織等工作，以及優(yōu)化控冷工藝所取得的效果。

關(guān)鍵詞：高速線材軋機；控冷工藝；數(shù)學模型；優(yōu)碳盤條；力學性能與金相組織

前言

優(yōu)碳盤條主要用于金屬制品廠拉絲原料。為了提高金屬制品廠的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，要求其線材具有通條性能均勻、脫碳少，金相組織索氏體化程度高（90%以上）。重鋼高線廠自投產(chǎn)以來，生產(chǎn)品種較為單一，主要為普通碳素鋼，優(yōu)鋼生產(chǎn)比例較小。且產(chǎn)品性能波動較大。因此開發(fā)“優(yōu)碳盤條性能在線預測與控制系統(tǒng)”，提高優(yōu)碳鋼盤條的性能合格率。

1.開發(fā)思路及技術(shù)創(chuàng)新

1.1開發(fā)思路

研究的主要思路、研究方案和技術(shù)路線為：首先選擇幾種典型的鋼種（70、65Mn、82B/72B）作為研究對象，利用控制軋制及控制冷卻理論及金屬材料與熱處理原理。結(jié)合重鋼高線廠的生產(chǎn)實際。確定幾種軋后控制冷卻工藝制度（包括進精軋機溫度、吐絲溫度、各風冷階段的冷卻速度等），利用正交法初步制定試驗方案。然后以選定鋼種進行試驗，進行力學性能檢驗和組織觀察分析。利用多元線性回歸軟件。對軋制工藝參數(shù)與性能間的關(guān)系進行多元線性回歸。以實現(xiàn)根據(jù)工藝參數(shù)在線預測盤條組織性能。

1.2技術(shù)創(chuàng)新

（1）熱交換系數(shù)確定合理。在現(xiàn)有條件下，熱交換系數(shù)受水的壓力、水量、鋼溫、鋼速、風速、搭接點及非搭接點等因素影響。非常復雜，目前一般根據(jù)實測值做些回歸處理，而本模型通過自學習調(diào)整熱交換系數(shù)。

（2）模型反應(yīng)速度快。通過與北科大全力合作，實現(xiàn)了在線模型與生產(chǎn)速度的合理匹配。

（3）材料物性參數(shù)科學性強。材料物性參數(shù)的準確性決定了模型的精度。本模型根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況。采用水冷線的四個測溫點和風冷線的三個測溫點的溫度值及性能實測值做為輸入?yún)?shù)。提高了模型的精度。

（4）在線模塊系統(tǒng)的建立及調(diào)整。將本系統(tǒng)與離線預測比較。確認系統(tǒng)的可靠性。再通過與工廠現(xiàn)有物料跟蹤系統(tǒng)及在線系統(tǒng)所需工藝參數(shù)進行模塊銜接。從而實現(xiàn)在線性能預測與控制。

2.控制模型

重鋼高線控制冷卻模型的總體功能是：根據(jù)軋件在精軋機出口溫度的檢測值、速度、線徑等數(shù)據(jù)和其它工藝設(shè)備參數(shù)，經(jīng)過模型運算（包括預設(shè)定計算、修正設(shè)定計算、自學習計算），求得達到目標機械性能的水冷段噴嘴的開啟組態(tài)及風冷段風機的開啟組態(tài)。水冷段的控制目標為控制吐絲溫度。風冷段的控制目標為冷卻速度及相變區(qū)間。確保相變在風速的控制范圍內(nèi)，使盤條組織盡量索氏體化，從而提高產(chǎn)品的綜合性能。主要包括下面六個模塊：

（1）計算處理。為設(shè)定計算、修正計算、自適應(yīng)計算準備各種數(shù)據(jù)和信息。如鋼種，鋼種對應(yīng)的熱物性參數(shù)如密度，熱傳導系數(shù)及熱容，坯料規(guī)格（長，寬，高），化學成分（C，Mn，Si，P，S，Cr，Ni，Cu，N等），軋制速度，線材直徑，設(shè)定吐絲溫度，風冷相變區(qū)間等。

（2）預設(shè)定計算。根據(jù)精軋機出口的軋件溫度、速度、線徑、吐絲機的預設(shè)定溫度等。進行冷卻水箱組態(tài)的預設(shè)定及風機開啟組態(tài)的預設(shè)定，實現(xiàn)對冷卻模式、目標吐絲溫度、風冷相變前冷卻速度及相變區(qū)間的控制精度。

（3）修正設(shè)定計算。根據(jù)各段測溫儀的實測溫度和各工藝設(shè)備參數(shù)，修正與線材各段對應(yīng)的冷卻水箱、風機開啟組態(tài)。形成閉環(huán)控制。

（4）反饋控制計算。將各個測溫儀的實測值按一定的周期上傳給工控機及PLC。

（5）自學習計算。為了提高線材溫度控制精度，增強控制模型的適應(yīng)性。模型采用了自學習功能對模型中的各段熱交換系數(shù)進行修正，糾正模型預報偏差。

（6）結(jié)果數(shù)據(jù)處理。將線材編號、性能及溫度等預報結(jié)果上傳給上位機。以便跟蹤及處理。

3.在線性能預測與模型主要操作界面

3.1在線性能預測

在線性能預測是正常生產(chǎn)的主操作界面。上部紅色顯示的溫度值為各段的預測值。下部的藍色值為測溫儀的實測值。在界面的右方中部，首先需選擇[實測信號]或[虛擬信號]，系統(tǒng)默認為[虛擬信號]，這時系統(tǒng)的溫度信號來源于計算機的虛擬發(fā)生器，選擇[實測信號]，這時系統(tǒng)的信號來源于測溫儀。

3.2生產(chǎn)參數(shù)

[目標參數(shù)]設(shè)定目標吐絲溫度及偏差，相變前的最大冷速，及第四臺風機人口處的目標溫度及偏差。

選擇[H自學習]，系統(tǒng)將根據(jù)溫度的實測值在線自動調(diào)節(jié)修正熱交換系數(shù)。使實測值與預測值逐漸吻合。提高模型的預報精度。

[溫度波動]僅對選擇[虛擬信號]時適用，一旦選擇[溫度波動]，預報溫度在一定的范圍內(nèi)波動。

在界面的左側(cè)，有一個紅色的按鈕[工藝預設(shè)定]，一旦按這個按鈕，計算機會彈出以下界面：

此界面與數(shù)庫gongyi相聯(lián)。該數(shù)據(jù)庫存儲工廠水冷段所有的關(guān)鍵工藝參數(shù)：鋼種、直徑、設(shè)定目標值如吐絲溫度、臨界冷速、性能預報的修正值、水冷段的開啟、風冷段的開啟、輥道速度、各段的熱交換系數(shù)等。數(shù)據(jù)庫由工程技術(shù)人員預先輸入，現(xiàn)場生產(chǎn)時選擇相應(yīng)的工藝路線即可。

4.模型系統(tǒng)的運用

通過工廠技術(shù)人員的編制程序、在線計算機程序及北科大編制的程序接口。將高線廠實時坯料信息數(shù)據(jù)（Oracle數(shù)據(jù)庫：鋼坯爐號、序號、化學成分等信息）及在線溫度控制數(shù)據(jù)（基礎(chǔ)自動化數(shù)據(jù)采集：各個水冷段控制溫度、風冷線溫度、軋制速度等）同步傳遞給在線模型。在線模型根據(jù)以上信息有效預測生產(chǎn)盤條組織含量和機械性能。通過預測及時掌握盤條的性能情況，并及時反饋信息。同時對設(shè)備和相關(guān)參數(shù)做出調(diào)整，使盤條的內(nèi)部組織達到理想狀態(tài)。在線模型運行后，通過分析在線模型各種參數(shù)變化。形成了在線數(shù)學模型實施后的硬線鋼控冷工藝制度（見表1和表2）。

在線數(shù)學模型實施后的盤條實際力學性能情況見表3-4：

由表可以看出。抗拉強度最小值在870MPa以上。延伸最小值在10%以上。斷面收縮最小值在30%以上。索氏體全年平均值94.48%。較離線數(shù)學模型實施后的92.98%提高了1.5個百分點。遠遠超過離線數(shù)學模型實施前的平均值87.93%。盤條性能波動改善效果明顯。

5.模型實施效果

5.1性能改善明顯

項目實施后優(yōu)碳盤條機械性能及微觀組織（索氏體化率）均大幅提高。

5.2生產(chǎn)規(guī)模擴大。同比產(chǎn)量增加

據(jù)統(tǒng)計。項目實施前優(yōu)碳鋼和中高碳鋼（硬線鋼）盤條年產(chǎn)量為11萬噸左右。項目實施后優(yōu)碳鋼和中高碳鋼產(chǎn)量27萬噸左右。同比產(chǎn)銷量大幅增加。

5.3優(yōu)碳鋼盤條質(zhì)量異議損失大幅下降

項目實施后。優(yōu)碳盤條質(zhì)量異議損失從0.5元/噸大幅下降到0.1元/噸以下。產(chǎn)品實物質(zhì)量得到了用戶肯定。

5.4社會效益明顯

本模型系統(tǒng)的成功運用。將傳統(tǒng)事后查找原因改變?yōu)樯a(chǎn)過程的實時監(jiān)控，因此在同行業(yè)具良好的推廣價值。同時為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。