熱軋帶鋼卷取溫度控制及其改進(jìn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上熱軋帶鋼卷取溫度控制及其改進(jìn)袁建光 黃傳清摘要: 以寶鋼2050mm熱連軋機(jī)為例，介紹了現(xiàn)代熱軋帶鋼卷取溫度控制系統(tǒng)的組成與控制功能。為了滿足擴(kuò)展鋼種與規(guī)格及卷取溫度高精度的要求，對控制模型進(jìn)行了改進(jìn)。關(guān)鍵詞：熱軋帶鋼；卷取溫度；控制系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型The coilling temperature control and improvement for hot rolled stripYUAN Jian-guang,HUANG Chuan-qing(Hot Rolling Dept.Baoshan Iron & Steel(Group)Co.,Shanghai

2、,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 coilin

3、g temperature precision,the control model of 2050mmm ill was improved.Keywords:hotrolledstrip;coilingtemperature;controlsystem;mathematicalmodel1 前言卷取溫度變化可使熱軋帶鋼再結(jié)晶晶粒直徑、析出物的量和形態(tài)發(fā)生變化，從而使其力學(xué)性能發(fā)生變化。精軋溫度一定，提高卷取溫度，會使再結(jié)晶晶粒變大，屈服極限、抗拉強(qiáng)度降低，如圖1所示1。在熱軋帶鋼生產(chǎn)中，卷取溫度是影響軋件強(qiáng)度的重要因素，并且對延伸性即材料的加工性也有影響，所以必須對卷取溫度進(jìn)行嚴(yán)格的管理與控制

4、1,2。熱軋帶鋼卷取溫度的控制主要通過對精軋機(jī)后帶鋼冷卻系統(tǒng)的控制來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際生產(chǎn)中對冷卻系統(tǒng)的控制不僅決定了帶鋼全長卷取溫度精度，而且對帶鋼頭部，特別是薄規(guī)格帶鋼在輸出輥道上的運(yùn)行穩(wěn)定性也有較大的影響3。寶鋼2050mm熱軋廠精軋機(jī)后使用層流冷卻及采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對帶鋼卷取溫度進(jìn)行自動控制。但由于外方提供的模型精度較差，且生產(chǎn)的鋼種和產(chǎn)品規(guī)格又不斷擴(kuò)大，原模型已不能很好地滿足卷取溫度高精度的要求。為此，從1994年8月開始逐步對原模型進(jìn)行改進(jìn)和完善。圖1卷取溫度對熱軋帶鋼力學(xué)性能的影響2 層流冷卻層流冷卻的目的是把熱軋帶鋼從終軋溫度冷卻到規(guī)定的卷取溫度。層流冷卻系統(tǒng)的控制思想是確定一個(gè)臨

5、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或空氣冷卻方式使帶鋼內(nèi)外熱交換，達(dá)到均勻冷卻；最后根據(jù)實(shí)測帶鋼溫度進(jìn)行精調(diào)冷卻，使其達(dá)到卷取溫度的允許公差范圍4。此外，為了使帶鋼全長性能均勻和穿帶穩(wěn)定，系統(tǒng)還對帶鋼頭部、中部，尾部規(guī)定了各種冷卻方式4。對層流冷卻系統(tǒng)的控制主要是控制噴水閥（氣動薄膜閥）的關(guān)閉。2050mm軋機(jī)層流冷卻系統(tǒng)上下各54個(gè)閥，其中，上、下前部28個(gè)閥和最后4個(gè)閥為精調(diào)閥，其余為粗調(diào)閥，、1個(gè)粗調(diào)閥的控制區(qū)域是精調(diào)閥的2倍。設(shè)計(jì)的總噴水量約為14000m3/h,使用5臺泵經(jīng)高約10m的高位水箱供水，并有1臺備用泵。供水系統(tǒng)水壓為0.4M

6、Pa,在使用處水壓約0.07MPa。在層流冷卻區(qū)還有側(cè)向噴水系統(tǒng)、輥道冷卻噴水系統(tǒng)。側(cè)向噴水的主要作用是吹走帶鋼表面的冷卻水，以提高層流冷卻效果。每隔5m布置1個(gè)側(cè)噴水嘴，每個(gè)側(cè)噴水嘴由1個(gè)噴水閥控制。在層流冷卻入口及中后部設(shè)有測溫儀；在層流冷卻尾部設(shè)有卷取測溫儀，3個(gè)測溫儀檢測的實(shí)際帶鋼溫度由儀表微機(jī)傳遞給上級計(jì)算機(jī)。3 層流冷卻控制模型與控制功能3.1 層流冷卻控制的基本數(shù)學(xué)模型根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，帶鋼在層流冷卻區(qū)與冷卻水和空氣進(jìn)行熱交換，其表面溫度可用冷卻時(shí)間的函數(shù)加以描述，即T=T0+(Ti-T0)e-KPZ（1）式中，T為帶鋼出冷卻區(qū)溫度/；T0為冷卻區(qū)環(huán)境溫度/；Ti為帶鋼入冷卻區(qū)溫度

7、/；K為模型自適應(yīng)系數(shù)；Z為帶鋼經(jīng)過冷卻區(qū)的冷卻時(shí)間/s；P為時(shí)間常數(shù)，按如下公式計(jì)算：（2）式中，Te為帶鋼的導(dǎo)溫系數(shù)；We為帶鋼的導(dǎo)熱系數(shù)；h為帶鋼厚度；K1,K2為模型系數(shù)；1為上噴水與帶鋼的熱交換系數(shù)；2為下噴水與帶鋼的熱交換系數(shù)；F為水溫、水壓和帶鋼速度綜合修正系數(shù)。由上述模型可見，帶鋼通過冷卻區(qū)的溫度隨時(shí)間的變化描述為指數(shù)關(guān)系，而帶鋼厚度，帶鋼導(dǎo)溫、導(dǎo)熱特性，冷卻區(qū)冷卻能力、水溫、水壓和帶鋼速度等對帶鋼溫度指數(shù)降低的陡度產(chǎn)生影響。帶鋼出粗軋機(jī)R4,PCC進(jìn)行相應(yīng)的控制計(jì)算后，由精軋道次計(jì)算程序啟動層流冷卻卷取溫度控制策略程序，根據(jù)精軋道次，帶鋼材質(zhì)，規(guī)格和卷取溫度目標(biāo)值等，進(jìn)行冷卻

8、計(jì)劃的計(jì)算，確定冷卻方式、噴水模式和自適應(yīng)系數(shù)等；然后啟動冷卻預(yù)計(jì)算程序，計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)卷取溫度所需噴水閥門數(shù)和起始閥門位置，并進(jìn)行最大冷卻能力校驗(yàn)；再啟動帶頭調(diào)整程序，計(jì)算出帶鋼頭尾有特殊卷取溫度要求所需的噴水閥門數(shù)，最后把設(shè)定值傳遞給基礎(chǔ)自動化，并在相應(yīng)的計(jì)算機(jī)終端上顯示結(jié)果。3.2 2050mm熱軋層流冷卻控制寶鋼2050mm熱軋層流冷卻段劃分成主冷段和精冷段兩部分，其控制功能如圖2所示。圖2 2050mm熱軋卷取溫度控制功能當(dāng)主冷段通過開環(huán)控制大致接近目標(biāo)溫度，在精冷段通過開環(huán)與閉環(huán)控制相結(jié)合，使其達(dá)到目標(biāo)卷取溫度，即在帶鋼位于終軋測溫儀期間，實(shí)測終軋溫度、帶鋼厚度和帶鋼速度，進(jìn)行周期

9、性的前饋控制計(jì)算，并適時(shí)把閥門開閉的設(shè)定值送給基礎(chǔ)自動化；在帶鋼頭部到達(dá)卷取測溫儀到其尾部離開卷取測溫儀期間，利用實(shí)測卷取溫度對層流冷卻進(jìn)行周期性的反饋控制和自適應(yīng)計(jì)算。為了解決在較大加、減速時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)需多個(gè)閥門開閉的問題，PCC計(jì)算出在一個(gè)周期內(nèi)閥門開閉數(shù)隨帶鋼速度變化的比例系數(shù)，在一個(gè)周期內(nèi)由BAC根據(jù)實(shí)際速度變化自動進(jìn)行閥門數(shù)的增減，這樣可把一個(gè)控制周期內(nèi)的卷取溫度波動控制在較小的范圍內(nèi)。3.3 2050mm熱連軋機(jī)層流冷卻系統(tǒng)的控制功能3.3.1 淡淡起始閥的選擇上部層流段和下部冷卻段第1個(gè)打開的閥門位置，不僅對帶鋼冷卻質(zhì)量產(chǎn)生影響，而且影響帶鋼在輸出輥道上的運(yùn)行穩(wěn)定性。第1個(gè)打

10、開的上部閥門可使高溫帶鋼在一接觸低溫冷卻水后，把帶鋼壓向輥道的表面，而第1個(gè)打開的下部噴水閥門則使高溫帶鋼的下表面受急冷后向上拱翹。所以，系統(tǒng)需具有選擇起始閥門位置的功能。一般情況下，上下起始閥門不能處于同一位置時(shí)，下部起始閥門只能出現(xiàn)在上部起始閥的后面（按軋制方向）。3.3.2 冷卻與噴水方式的選擇系統(tǒng)設(shè)有3種冷卻方式供選擇：（1）上部和下部均為空氣冷卻；（2）上部為水冷，下部為空冷；（3）上下部均為水冷。主冷區(qū)有4種噴水方式，見表1。表1主冷段的噴水方式序號噴水方式的名稱標(biāo)志含義1全噴水方式××××每組中所有閥門全打開23/4噴水方式×&#

11、215;×每組第4個(gè)閥門關(guān)閉31/2噴水方式××每組第1、3個(gè)閥門關(guān)閉41/4噴水方式×每組第1個(gè)閥門打開注:×表示閥門打開;表示閥門關(guān)閉.噴水方式按4個(gè)閥門構(gòu)成1個(gè)噴水集管組來執(zhí)行。全噴方式又稱密集噴水方式，3/41/4噴水方式又稱稀疏噴水方式。 3.3.3 帶鋼頭尾卷取溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)有5種方案調(diào)節(jié)帶鋼頭、尾及中部卷取溫度（依次以符號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 臨界表面溫度的確定帶鋼進(jìn)入層流冷

12、卻控制區(qū)后應(yīng)盡可能用密集噴水，即用最大的冷卻能力把帶鋼從終軋溫度冷卻到臨界表面溫度后改用稀疏噴水進(jìn)行冷卻。由冷卻策略確定帶鋼臨界表面溫度，系統(tǒng)為命中這個(gè)目標(biāo)，控制噴水長度，并根據(jù)帶鋼速度的變化，進(jìn)行跟蹤與修正。3.3.5 冷卻能力的檢查系統(tǒng)可按精軋道次計(jì)劃計(jì)算的額定值（終軋溫度、帶鋼速度、加速度和帶鋼厚度）進(jìn)行估算。檢查層流冷卻段是否有足夠的冷卻能力保證帶鋼全長達(dá)到所要求的卷取溫度。若發(fā)現(xiàn)冷卻能力嚴(yán)重不足時(shí)，系統(tǒng)具有要求改變精軋道次計(jì)劃的功能。3.3.6 系統(tǒng)自動確定冷卻策略數(shù)據(jù)系統(tǒng)可獨(dú)立從“后計(jì)算存放”的表格中獲得冷卻策略數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一般作為帶鋼材質(zhì)、卷取目標(biāo)溫度、厚度、速度和終軋溫度的表

13、函數(shù)出現(xiàn)（即稱內(nèi)部表）、可直接用于冷卻系統(tǒng)的控制。3.3.7 噴水閥門的周期計(jì)算經(jīng)預(yù)計(jì)算確定的噴水閥門，在帶鋼實(shí)際冷卻過程中，由于實(shí)測值與計(jì)算值的差異需進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)功能是通過系統(tǒng)對帶鋼冷卻過程的周期計(jì)算（每隔23s計(jì)算一次）來實(shí)現(xiàn)的，并以此來更新預(yù)計(jì)算的控制數(shù)據(jù)，提高控制精度。3.3.8 自適應(yīng)功能系統(tǒng)對層流冷卻段的帶鋼不斷跟蹤和自適應(yīng)修正，以使冷卻模型盡可能反映帶鋼的實(shí)際冷卻過程。所得自適應(yīng)系數(shù)以鋼種分類存放起來，遺傳給后面軋制的帶鋼在層流冷卻中使用。4 2050mm熱連軋帶鋼卷取溫度控制優(yōu)化寶鋼2050mm熱軋卷取溫度控制由于外方提供的模型精度不夠，且生產(chǎn)的鋼種和產(chǎn)品規(guī)格又在不斷擴(kuò)大

14、，原來的模型已不能很好地滿足卷取溫度高精度的要求，特別是對厚規(guī)格帶鋼，其控制精度更差。根據(jù)實(shí)際情況，首先在不增加設(shè)備及硬件投入的情況下，主要通過優(yōu)化、改進(jìn)和完善卷取溫度控制數(shù)學(xué)模型，來提高卷取溫度控制精度，該工作已在1996年底完成。1998年底基本完成硬件設(shè)備和控制系統(tǒng)的改進(jìn)。4.1 層流冷卻控制精度存在的問題及實(shí)施的第1步解決方案（1）原模型沒考慮帶鋼內(nèi)部厚度方向的熱傳導(dǎo)，因此系統(tǒng)誤差較大，特別是對于厚板，預(yù)設(shè)定精度差。現(xiàn)已采用內(nèi)部表格，按帶鋼厚度分級，對溫度進(jìn)行補(bǔ)償。（2）在PCC控制中，精軋控制和層流冷卻控制是兩個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)軋機(jī)最大速度設(shè)定過高時(shí)，層流冷卻能力不足，帶鋼尾部卷取溫度高?，F(xiàn)

15、已將精軋機(jī)控制與層流冷卻控制相互聯(lián)系起來，系統(tǒng)保證軋機(jī)設(shè)定的最大速度不超過層流冷卻能力。（3）原設(shè)計(jì)周期控制為3s,周期控制時(shí)間太長，響應(yīng)慢，控制精度差，現(xiàn)已修改相應(yīng)控制軟件，將控制周期改為2s。（4）原模型中加速度影響模型精度不高，在加減速時(shí)，設(shè)定波動太大，控制精度差。現(xiàn)已將加速度影響模型修改為SUFn=SUF/(1+kv)式中，SUFn為加速度影響因素值；SUF為原模型計(jì)算值；k為模型系數(shù)；v為帶鋼速度。（5）原使用的工藝極限參數(shù)值與實(shí)際不符，對于厚板，當(dāng)速度低于一定值時(shí)，溫度控制精度很低?，F(xiàn)已對各種情況下的工藝極限參數(shù)進(jìn)行重新確定，使之與實(shí)際相符。（6）對于厚度>16.0mm的帶鋼，當(dāng)穿帶速度變化較大時(shí)，頭部溫度設(shè)定時(shí)好時(shí)壞?，F(xiàn)已根據(jù)帶鋼厚度范圍對穿帶速度上限進(jìn)行了限制。4.2 帶鋼卷取溫度控制第1步優(yōu)化的效果經(jīng)過上述改進(jìn)后，卷取溫度的控制精度得到了顯著提高，對比分析見表2。表2 優(yōu)化前后的卷取溫度控制精度對比（目標(biāo)值±30精度）帶鋼厚度/mm優(yōu)化前控制精度/%優(yōu)化后控制精度/%2.12.585.84496.292.53.285.52496.693.24.286.28097.164.26.380.92296.836.312.670.59495.9612