熱軋帶鋼層流冷卻控制技術(shù)的創(chuàng)新

1、·36·鋼 鐵 技 術(shù) 2008年第 3期熱軋帶鋼層流冷卻控制技術(shù)的創(chuàng)新張志勇(中冶賽迪公司自動化事業(yè)部, 重慶 400013摘 要 剖析了傳統(tǒng)熱軋帶鋼冷卻系統(tǒng)存在的冷卻效果差、卷取溫度不可控等問題。以國內(nèi)最近投運的兩條熱軋線的 實際經(jīng)驗為前提,闡述了一些新的控制技術(shù)。關(guān)鍵詞 熱軋帶鋼 層流冷卻 冷卻策略 溫度前饋 組態(tài)跟蹤0 引言在熱軋帶鋼生產(chǎn)過程中,卷取溫度的控制直 接影響到軋制成品最終的組織形態(tài)。卷取溫度對 熱軋帶鋼奧氏體晶粒的尺寸、析出物的數(shù)量和形 態(tài)所產(chǎn)生的影響,將導(dǎo)致金屬的微觀組織發(fā)生巨 大變化,所以帶鋼冷卻效果的優(yōu)劣是決定成品加 工性能、力學(xué)性能和物理性能的重

2、要環(huán)節(jié)。層流 冷卻控制技術(shù)(CTC是控制帶鋼卷取溫度,獲得理 想成品組織和性能的一種必不可少的有效方法, 在目前熱軋帶鋼的生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。新鋼種 的開發(fā)以及新技術(shù)的應(yīng)用,都需要創(chuàng)新的冷卻設(shè) 備和冷卻策略的支持,這就凸顯出了在CTC控制技 術(shù)上進行突破的重要性。1 層流冷卻系統(tǒng)工藝的創(chuàng)新熱軋帶鋼冷卻技術(shù)的發(fā)展分為兩個方面,一 方面是工藝技術(shù)的發(fā)展,主要體現(xiàn)在各種冷卻裝 置和冷卻工藝的進步;另一方面是控制技術(shù)的發(fā) 展,主要體現(xiàn)在控制策略、控制系統(tǒng)的進步。工 藝布置上,最近兩年投產(chǎn)的層流冷卻裝置均為低壓 虹吸管式,采用機旁高位水箱供水方式。創(chuàng)新點 在于粗調(diào)段和精調(diào)段之間設(shè)置空冷中間段,在粗調(diào) 區(qū)

3、和精調(diào)區(qū)之間設(shè)置高溫計,用于檢測帶鋼粗冷 區(qū)后的溫度。工藝布置如圖1。 圖1 1750 mm熱軋帶鋼層流冷卻工藝布置圖2008年第 3期 鋼 鐵 技 術(shù) ·37·冷卻中的熱交換過程是非常復(fù)雜的非線性過 程,在冷卻中帶鋼將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,存在相變潛 熱的釋放。控制方式上不僅要考慮帶鋼與周圍介 質(zhì)的熱交換,還要考慮帶鋼內(nèi)部的熱傳導(dǎo),控制 中的實測溫度則是帶鋼的表面溫度。在冷卻過程 中,當(dāng)帶鋼溫度沿厚度方向達(dá)到均勻之前,表面 溫度總低于平均溫度,這就造成實際值與測量值 之間的偏差,需要在模型計算中對此加以修正。而 按照上圖這樣的設(shè)計,由于中間段的存在, 能在空 冷區(qū)盡可能地減小這種

4、偏差, 使精調(diào)段的控制更 為精確。2 控制技術(shù)創(chuàng)新點筆者經(jīng)歷的國內(nèi)最近投產(chǎn)的兩個熱軋項目在 層流冷卻控制技術(shù)上也有許多新的突破,實踐證明 也取得了非常滿意的控制效果。2.1冷卻策略的擴充根據(jù)所軋帶鋼鋼種和厚度的不同,常規(guī)的冷 卻僅采用前段冷卻和后段冷卻兩種方式。前段冷 卻即為帶鋼的冷卻從冷卻區(qū)始端開始,并沿著軋 制方向加減集管;后段冷卻則是從冷卻區(qū)的末端 開始,逆帶鋼行進方向加減集管。這樣的控制策 略非此即彼,十分單一。 由于沒有進一步細(xì)分, 所以針對性不強, 模型自學(xué)習(xí)收斂性較差, 需要 的周期特別長, 控制效果往往不理想。最新的控 制技術(shù)在層冷策略上進行了細(xì)分,采用了9種冷卻 策略(4種前

5、段冷卻模式、4種后段冷卻模式、1種 空冷模式。表 1 熱軋帶鋼層流冷卻策略表前段冷卻模式 后段冷卻模式 空冷模式SP 1 SP 2 SP 3 SP 4 SP 5 SP 6 SP 7 SP 8 SP 9 1111 1110 1010 1000 1111 1110 1010 1000 0000 1111 1011 1010 0010 1111 1011 1010 0010 0000對于適合前段冷卻的鋼種: 如延展性較好的 硬質(zhì)材或者無間隙原子鋼,我們就可以根據(jù)對奧氏 體的組織狀態(tài)、對奧氏體晶粒的抑制程度、對形 變而引起的位錯或降低相變溫度的相關(guān)要求,有 針對性地采用相應(yīng)的前部冷卻策略。同樣,對于

6、適合后段冷卻的鋼種: 如用于深加工的軟質(zhì)材、 冷軋產(chǎn)品,我們也可以根據(jù)對鐵素體、軋后二相粒 子析出的相關(guān)要求, 有針對性地采用相應(yīng)的后部 冷卻策略。程序的設(shè)計上也有相當(dāng)好的延伸性, 對于軋制多相鋼、CMn鋼和相變誘導(dǎo)塑性鋼等其 它鋼種, 都有在策略實現(xiàn)上的可能。這樣完善的 冷卻策略很好地滿足了不同規(guī)格、不同鋼種和不 同性能要求的產(chǎn)品冷卻的要求。2.2全新的雙調(diào)節(jié)段溫度前饋控制方式國內(nèi)大部分鋼鐵企業(yè)在層流冷卻控制上采取 的是溫度前饋加溫度反饋的控制方式。前饋控制 即精軋機末機架拋鋼后, 在帶鋼進入冷卻區(qū)域前, 系統(tǒng)根據(jù)實測的帶鋼終軋出口溫度、速度、厚度 和冷卻速率等邊界條件計算出所需的冷卻水分布

7、, 當(dāng)該段穿過熱輸出輥道時,動態(tài)地控制閥門的開 關(guān),以便得到其在前饋控制計算的所需冷卻狀 態(tài)。為了提高控制精度,常規(guī)控制系統(tǒng)的設(shè)計中 引入反饋控制,以彌補前饋控制的不足。在帶鋼 段到達(dá)卷取區(qū)高溫計處時,根據(jù)實際落到帶鋼上 的水量來計算溫度變化,利用測量的卷取溫度和 預(yù)報的卷取溫度的差別確認(rèn)和修正參數(shù),這就是 系統(tǒng)的反饋補償。這樣的做法始終解決不了反饋 的“時滯性”, 在施加反饋控制時,此段及其后 相當(dāng)長的帶鋼控制已經(jīng)過了冷卻區(qū)域。并且?guī)?精調(diào)區(qū)集管的開或關(guān)誤動作,使得實測的卷取溫 度在目標(biāo)卷取溫度附近振蕩發(fā)散,保證不了同板 溫差處于目標(biāo)范圍內(nèi)。為了克服這個問題, 新的控制理念引入了雙 調(diào)節(jié)段

8、的溫度前饋控制新方式。 在粗調(diào)段和精調(diào) 段中間,設(shè)置高溫計 PRY07, 整個控制對象也就完 全地跟隨工藝的區(qū)域設(shè)置, 一分為二。 用精軋出 口高溫計 PRY06的測量值來控制粗調(diào)段的冷卻, 使帶鋼在經(jīng)過中間段前就已經(jīng)消化掉了終軋出口 溫度、速度、厚度波動帶來的影響, 得到一個較 為穩(wěn)定的目標(biāo)中間溫度; 用中間段高溫計 PRY07的測量值來控制精調(diào)段的冷卻, 由于是在一個比 較穩(wěn)定的溫度基礎(chǔ)上進行微量調(diào)整, 而且相對于·38·鋼 鐵 技 術(shù) 2008年第 3期粗調(diào)段, 是個較短的工藝流程,控制結(jié)果就非常理 想了。這種雙調(diào)節(jié)段的溫度前饋控制新方式徹底 規(guī)避了反饋控制的“時滯性

9、”和超調(diào)。從質(zhì)量數(shù)據(jù)報表分析得出, 這種雙調(diào)節(jié)段的 溫度前饋輔以速度反饋的控制方式, 效果十分顯 著, 是一種值得推廣的控制方式。 2.3精確的冷卻噴水組態(tài)跟蹤前饋控制雖然計算出了樣本所需要的噴水組 態(tài),即帶鋼層流冷卻溫度控制的靜態(tài)模型,但要實 現(xiàn)運動帶鋼的溫度控制必須引入組態(tài)跟蹤控制。 ·建立了基于 Time Window校驗下可靠的帶 鋼頭尾跟蹤。 圖 2 雙調(diào)節(jié)段溫度修正示意圖2008年第 3期 鋼 鐵 技 術(shù) ·39··選擇了相對于定長模式更為穩(wěn)定的定時分 段模式, 對帶鋼進行微段控制; 建立由帶鋼頭尾 位置和加權(quán)溫度組成的 Temperatur

10、e Buffer, 方 便了前饋控制下相應(yīng)目標(biāo)段溫度的指針式查找。 ·在層流冷卻的噴水延時間的構(gòu)成合理分析 基礎(chǔ)上, 對目標(biāo)閥門作了位置修正。樣本跟蹤的 長度分析, 也保證了升速軋制和降速軋制下微段 跟蹤的準(zhǔn)確性。2.4短期長期相結(jié)合的自學(xué)習(xí)模式控制上作了帶鋼內(nèi)部參數(shù)的自適應(yīng),以及相 似規(guī)格、厚度、尺寸和冷卻策略的卷對卷的自適 應(yīng)。對應(yīng)于不同批次以及系統(tǒng)的長期偏差趨勢, 產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)也相應(yīng)進行適應(yīng)。基于被測量的帶 鋼溫度,長期和短期適應(yīng)結(jié)果的調(diào)整,使之自動 跟蹤過程狀態(tài)的變化,從而減少了過程狀態(tài)變化 所帶來的誤差。·基于統(tǒng)計意義上的閥門敏感系數(shù)的修正, 規(guī)避了目標(biāo)閥門開閉的

11、盲目性。·溫度斜率、速度斜率的動態(tài)更新使溫度的 偏差計算更為精確。·模型自身偏差的補償、無張力下的溫度修 正,有效抑制了帶鋼頭尾溫度的振蕩。3 應(yīng)用效果兩條新的熱連軋層流冷卻控制系統(tǒng)投用一年 多來,設(shè)備運行可靠、冷卻效果穩(wěn)定。1通過對產(chǎn)品最終相組成、鐵素體晶粒大小 和力學(xué)性能進行的抽樣表明,較好地抑制奧氏體 晶粒的再結(jié)晶和晶粒長大,控制好了相變后的微 觀組織及形態(tài),具有較好的力學(xué)性能。2對 2.015.0 mm之間各種規(guī)格帶鋼的卷取 溫度統(tǒng)計分析顯示:厚 2.07.5 mm的帶鋼,全 長的 97%可達(dá)到目標(biāo)溫度的±12 之內(nèi);厚 8.015.0 mm的帶鋼,全長的 96.8%可達(dá)到目標(biāo) 溫度的±20 之內(nèi)。3對品種規(guī)格范圍適應(yīng)面廣,變規(guī)格后系統(tǒng) 自學(xué)習(xí)效果理想,收斂性很好。4溫度前饋、分段控制效果明顯,對厚度、 終軋溫度及速度等邊界條件的改變響應(yīng)及時準(zhǔn) 確。參考文獻(xiàn)3 彭良貴, 于 明,王昭東等 .熱軋帶鋼層流冷卻數(shù)學(xué) 模型評述J.軋鋼,2003,(124 王笑波 .板帶層流冷卻過程控制方法J.中南工 業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2003,34(4:390393(收稿日期:2007-11-22···········