軋鋼層流冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用

許海濤，張明華，房緒金，李 舉

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南271110）

1 前 言

卷取溫度對帶鋼的金相組織影響很大，其控制精度直接影響到帶鋼的性能，為了達(dá)到成品帶鋼的性能要求，必須對卷取溫度進(jìn)行控制。卷取溫度控制本質(zhì)上是熱軋帶鋼生產(chǎn)中的軋后控制冷卻。軋后控制冷卻影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素有：冷卻開始和終了溫度、冷卻速度以及冷卻的均勻程度，這就需要進(jìn)行相應(yīng)的模型計(jì)算來控制成品帶鋼的卷取溫度。

層流冷卻裝置分布于精軋機(jī)架之后，卷取機(jī)之前的輸出輥道上下方，根據(jù)冷卻集管水量的大小分為主冷區(qū)域和微調(diào)區(qū)域。主冷區(qū)域集管的水量大，冷卻能力強(qiáng)，帶鋼冷卻主要集中在主冷區(qū)域，微調(diào)區(qū)域水量較小，冷卻能力較弱，主要用于控制卷取溫度的精度。同時(shí)在冷卻區(qū)域設(shè)有側(cè)噴，用于除去帶鋼表面的積水。在精軋F(tuán)3 出口裝有IMS 多功能儀，用于測量終軋帶鋼厚度。精軋出口、層冷中部、層冷出口及卷取機(jī)前分別設(shè)有高溫計(jì)，實(shí)時(shí)測量帶鋼溫度，用于層冷模型的計(jì)算與反饋。

2 層冷的控制思想及系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 層冷的控制思想

確定一個(gè)臨界表面溫度，在該溫度以上采取密集噴水，使其快速冷卻達(dá)到臨界值，然后采取稀疏噴水方式使帶鋼內(nèi)外熱交換，達(dá)到均勻冷卻。最后再根據(jù)實(shí)測的帶鋼溫度，進(jìn)行精調(diào)冷卻，使其達(dá)到卷取溫度的允許公差范圍以內(nèi)。

2.2 層流冷卻區(qū)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

熱軋不銹鋼廠層流冷卻系統(tǒng)由L2與L1系統(tǒng)共同完成層冷任務(wù)，L2系統(tǒng)主要完成預(yù)設(shè)定計(jì)算、動(dòng)態(tài)的設(shè)定計(jì)算、反饋控制和自適應(yīng)控制。L1系統(tǒng)主要完成帶鋼的段跟蹤、噴頭的動(dòng)態(tài)控制和實(shí)際數(shù)據(jù)的收集并傳送給L2系統(tǒng)。

層流冷卻系統(tǒng)肩負(fù)著精軋最后機(jī)架和卷取機(jī)之間冷卻帶鋼溫度的任務(wù)。冷卻區(qū)域過程模型在輸出輥道處計(jì)算帶鋼的冷卻特性，是整個(gè)冷卻區(qū)域設(shè)定計(jì)算和溫度控制的核心。它通過收集生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)（鋼種、規(guī)格等）及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)（速度、溫度、厚度等），并根據(jù)水冷和空冷區(qū)域的傳熱系數(shù)進(jìn)行熱平衡計(jì)算，從而確定冷卻方案，設(shè)定開閥數(shù)來調(diào)節(jié)卷取溫度。通過對整個(gè)層流冷卻控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，可將層流控制系統(tǒng)分為預(yù)設(shè)定模型、前饋-補(bǔ)償控制器、出入口溫度跟蹤模型、輥道控制參數(shù)模型、模型參數(shù)自適應(yīng)及冷卻水集管閥門控制等幾個(gè)部分。層流冷卻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 層流冷卻系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

2.2 .1 模型的設(shè)定計(jì)算

卷取溫度控制功能在精軋最后一個(gè)道次軋制時(shí)啟動(dòng)，此時(shí)模型預(yù)選保證冷卻速率所需的最佳水量。帶鋼頭部到達(dá)卷取入口溫度計(jì)時(shí)，控制器識別當(dāng)前帶鋼的溫度和帶鋼速度，并再計(jì)算為滿足目標(biāo)卷取溫度所需的上下噴頭數(shù)量。對于每一塊需要冷卻的帶鋼，重復(fù)上述計(jì)算。

設(shè)定過程是一個(gè)重復(fù)的過程。在精軋出口高溫計(jì)位置開始設(shè)定過程的計(jì)算。然后計(jì)算有限元網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度。最后計(jì)算卷取位置的溫度和比較卷取高溫計(jì)的客戶參考溫度。計(jì)算溫度和參考溫度之間的差異被轉(zhuǎn)換為水量的變化。

當(dāng)具有相同類等級的鋼最后一次被卷取完成，它存儲涉及鋼帶類等級和測得的水量。當(dāng)一個(gè)類等級的鋼帶首次卷取完成時(shí)，設(shè)定點(diǎn)水量近似的與帶鋼厚度、速度、帶鋼參考溫度相關(guān)。任何情況下，第一次循環(huán)執(zhí)行時(shí)，它只是設(shè)定點(diǎn)的水量。水量在冷卻線上的分布，取決于所選擇的冷卻策略（先冷，后冷），分配的結(jié)果是根據(jù)噴嘴的安裝位置和控制模式，大小是通過參考精軋完成后鋼帶的溫度而進(jìn)行計(jì)算，并且依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算冷卻線上的冷卻效率。只要計(jì)算的溫度超出偏差值，溫度誤差就轉(zhuǎn)換成水量的變化。水量的變化導(dǎo)致不同的噴嘴模式和重計(jì)算。層流冷卻控制系統(tǒng)水量設(shè)定計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 層流冷卻控制系統(tǒng)水量設(shè)定計(jì)算模型示意圖

2.2 .2 模型的反饋和自適應(yīng)控制

本系統(tǒng)控制冷卻原理采用前饋和反饋的組合控制方式，并以前饋控制為主。它根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)及精軋出口溫度進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)定開閥數(shù)量。當(dāng)帶鋼頭部到達(dá)卷取入口高溫計(jì)時(shí)，通過實(shí)測溫度進(jìn)行反饋，將冷卻后鋼板的實(shí)際測量結(jié)果反饋到系統(tǒng)中去，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和自適應(yīng)。

適應(yīng)模型的目的是最小化模型理論計(jì)算值與卷取高溫計(jì)實(shí)際測量結(jié)果之間的差異。有2 種不同的適應(yīng)值產(chǎn)生。長期自適應(yīng)值作為基本的傳熱系數(shù)的相對修正，能最小化理論計(jì)算值和DC 高溫計(jì)實(shí)測結(jié)果之間的差異。長期自適應(yīng)的目的是最優(yōu)化模型理論計(jì)算與實(shí)際結(jié)果之間的差異。穩(wěn)定的環(huán)境是執(zhí)行這種計(jì)算的必要條件，一般在帶鋼中間部分進(jìn)行長期自適應(yīng)。短期自適應(yīng)值是對具有相同分類的下一塊鋼的溫度絕對修正，用于補(bǔ)償?shù)男Чc工廠實(shí)際情況有關(guān)。短期自適應(yīng)的目的是最優(yōu)化設(shè)定計(jì)算和捕捉DC高溫計(jì)所導(dǎo)致的設(shè)定錯(cuò)誤的影響；所以短期自適應(yīng)在早期的帶鋼頭部進(jìn)行，并作為下一帶鋼的絕對修正。

3 結(jié) 語

帶鋼冷卻具有變形強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的綜合作用，既能提高帶鋼的強(qiáng)度，又能改善帶鋼的韌性和塑性，還能有效減少帶鋼表面氧化鐵皮的生成。層流冷卻系統(tǒng)的投用，提高了不銹鋼軋鋼廠成品帶鋼的質(zhì)量和性能，滿足了用戶對帶鋼質(zhì)量的需求。