基于現(xiàn)場(chǎng)的熱連軋溫度控制關(guān)鍵技術(shù)

宋美娟， 蘇皓天， 徐梓璇， 陳 曉

（徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221018）

鋼鐵工業(yè)作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和擴(kuò)大再生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。加快發(fā)展高質(zhì)量、高附加值、高技術(shù)含量的板帶鋼材是目前我國(guó)軋鋼工業(yè)中一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù)。熱軋板帶鋼質(zhì)量控制包括熱軋終軋溫度控制、卷曲溫度控制、板厚控制、板形控制及寬度控制。其中溫度控制模型對(duì)質(zhì)量起著決定作用，同時(shí)也是其他模型重要的子模型。

熱連軋帶鋼生產(chǎn)工藝是指板坯厚度200 mm 以上，長(zhǎng)度一般為4.5～9.0 m（亦有達(dá)到12 m）[1]，由一定容量的板坯庫(kù)，加熱爐區(qū)[2]、粗軋區(qū)、精軋機(jī)組區(qū)、層流冷卻區(qū)，卷取區(qū)組成的生產(chǎn)線（見(jiàn)圖1）。

圖1 主軋線設(shè)備和檢測(cè)儀表布置

1 熱連軋機(jī)組終軋溫度控制模型

熱連軋各機(jī)架溫度很大程度上影響了軋制力的選擇，所以終軋溫度模型對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的適用性一直是帶鋼軋制的關(guān)鍵。近年來(lái)，熱軋帶鋼產(chǎn)品需求又呈現(xiàn)品種多樣、規(guī)格多變、批量較小的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的終軋溫度經(jīng)驗(yàn)公式難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。本文提出不斷利用即時(shí)信息對(duì)精軋機(jī)組連軋理論模型（1）進(jìn)行修正。

精軋機(jī)組連軋模型[1]：式中：Δt 為溫降，℃；αL為強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；lF為機(jī)架間距離，m；γ 為密度，kg/m3；c 為比熱容，J/（kg·K）；h 為坯厚，m；v 為上游機(jī)架出口速度，m/s；t 為軋件溫度，℃；tw為水溫，℃。

1.1 熱對(duì)流散熱系數(shù)的修正

采用數(shù)據(jù)分層聚類的處理方法對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)、化學(xué)成分相近的數(shù)據(jù)歸類處理，而對(duì)于無(wú)初始經(jīng)驗(yàn)的新產(chǎn)品，可以采用基于性能的工藝逆向優(yōu)化模型[3]，確定長(zhǎng)距離運(yùn)輸和精軋機(jī)組中預(yù)定熱對(duì)流散熱系數(shù)。

預(yù)先根據(jù)試軋實(shí)測(cè)溫度，利用長(zhǎng)距離輻射溫降模型（2）改變長(zhǎng)距離運(yùn)輸速度，使得精軋入口實(shí)際溫度符合理論溫度，便于精軋機(jī)組中熱對(duì)流散熱系數(shù)的修正。

對(duì)試軋后得到的軋件溫度進(jìn)行預(yù)處理，去除波動(dòng)值較大的點(diǎn)。在進(jìn)行異常值剔除時(shí)，需要設(shè)定閾值作為兩種準(zhǔn)則的選擇依據(jù)，這個(gè)參數(shù)通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)目小于閾值時(shí)，采用改進(jìn)的格拉布斯準(zhǔn)則；當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)目大于閾值時(shí),采用拉依達(dá)準(zhǔn)則[4]。

通過(guò)精軋機(jī)組連軋理論模型的變式（3）修正熱對(duì)流散熱系數(shù)。為保證理論模型適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)，利用指數(shù)平滑法（4）對(duì)流熱交換系數(shù)再次修正。

此方法除可用于不同規(guī)格或不同鋼種的軋制上，也可減少同一鋼種模型在環(huán)境下的平均性質(zhì)。如此往復(fù)，不斷地實(shí)時(shí)修正熱對(duì)流交換系數(shù)[5]，使得機(jī)理模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種影響因素定性規(guī)律反應(yīng)的正確程度大大提高。

1.2 熱連軋機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)配置的調(diào)控

通過(guò)調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)配置達(dá)到目標(biāo)熱對(duì)流交換系數(shù)，采用調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)機(jī)架間冷卻水相結(jié)合的方式[6]。機(jī)架間冷卻水調(diào)節(jié)用于本道次反饋調(diào)節(jié)，速度調(diào)節(jié)用于下一道次前饋模型的修正（5）。

精軋機(jī)組速度修正模型：

1.3 終軋溫度控制（見(jiàn)圖2）

圖2 終軋溫度控制

1）對(duì)終軋入口溫度進(jìn)行判斷，反饋調(diào)節(jié)長(zhǎng)距離運(yùn)輸速度，保證精軋機(jī)組連軋模型的熱對(duì)流散熱系數(shù)精度。

2）對(duì)終軋出口溫度進(jìn)行分析，得到實(shí)際熱對(duì)流散熱系數(shù)，反饋調(diào)節(jié)本道次的機(jī)架間冷卻水和下一道次的設(shè)定速度。

2 卷曲溫度控制模型

提高卷曲溫度控制精度是確保帶鋼質(zhì)量和板型的關(guān)鍵。熱軋帶鋼的軋后冷卻是一非常復(fù)雜的過(guò)程,此過(guò)程除了存在復(fù)雜的熱交換過(guò)程,還涉及鋼的相變和體積變化[7]。在層流冷卻過(guò)程中，除了要保證板帶鋼整體的冷卻溫度和冷速，還要求板帶鋼在長(zhǎng)度方向上各點(diǎn)的溫度在誤差范圍內(nèi)。所以我們通過(guò)建立溫度模型（6）～（10），保證目標(biāo)帶鋼的金相符合要求。對(duì)板帶鋼卷曲溫度采用沿長(zhǎng)度方向逐點(diǎn)控制的策略，來(lái)保證板形、殘余應(yīng)力[8]在可控范圍內(nèi)。根據(jù)目標(biāo)帶鋼設(shè)計(jì)層流冷卻控制模式，主要以預(yù)設(shè)定和反饋修正調(diào)節(jié)冷卻水段數(shù)目，使其達(dá)到卷曲目標(biāo)溫度，將一集管的層流冷卻水與側(cè)噴水設(shè)為一組。

卷曲溫度控制模型：

2.1 層流冷卻模式的預(yù)設(shè)定和反饋控制

對(duì)于厚度在1.7 mm 以上或有急冷要求的鋼種進(jìn)行前段冷卻，1.7 mm 以下的鋼種進(jìn)行后段冷卻。根據(jù)目標(biāo)卷曲溫度和層流冷卻全段運(yùn)輸中的輻射溫降得到需要的冷卻量。通過(guò)層流冷卻水與側(cè)噴水集管溫降的累計(jì)獲得所需要開(kāi)的集管數(shù)目。對(duì)比帶鋼頭部實(shí)測(cè)溫度與目標(biāo)溫度，逐段調(diào)節(jié)最后幾小段冷卻水段數(shù)目。直至實(shí)測(cè)溫度在其誤差范圍之內(nèi)，帶鋼進(jìn)入卷取機(jī)。

2.2 層流冷卻段的現(xiàn)場(chǎng)配置調(diào)控

層流冷卻中帶鋼質(zhì)量的檢測(cè)與控制[9]，采用逐點(diǎn)檢測(cè)，由于層流冷卻時(shí)運(yùn)輸軌道上環(huán)境因素較為復(fù)雜，在前部、中部、后部放置測(cè)溫儀與測(cè)寬儀，并計(jì)算其平均值，用來(lái)粗略的判斷冷卻速度與板型質(zhì)量[10]。

采用大冷速使晶粒細(xì)化，超快速冷卻能力實(shí)現(xiàn)各強(qiáng)化機(jī)制的聯(lián)合作用，實(shí)現(xiàn)“以水代金”[11]，冷速的提高由運(yùn)輸速度與噴水量相配合達(dá)成，其中噴水量將大幅增加。

2.3 卷曲溫度控制（見(jiàn)下頁(yè)圖3）

圖3 卷曲溫度控制

1）對(duì)產(chǎn)品的目標(biāo)厚度和目標(biāo)鋼種進(jìn)行判別，確定層流冷卻模式。

2）對(duì)層流冷卻后的帶鋼頭部溫度進(jìn)行判斷，確定帶鋼全長(zhǎng)的反饋控制噴水集管方案。

3 結(jié)論

1）在精軋機(jī)組連軋溫度控制模型中引入設(shè)定的模型系數(shù)短期在線自學(xué)習(xí)功能，解決模型在環(huán)境上的平均性質(zhì)，提高肌理模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種影響因素定性規(guī)律反應(yīng)的正確程度。

2）精軋機(jī)組中采用反饋調(diào)節(jié)速度和機(jī)架間噴水量。

3）在層流冷卻控制模型中引入冷卻速度控制功能，不僅僅滿足對(duì)終點(diǎn)溫度的要求，還滿足帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

4）以帶鋼沿長(zhǎng)度方向逐點(diǎn)施行控制，使帶鋼溫度滿足在長(zhǎng)度方向上分布規(guī)律的要求。