热连轧带钢层冷温度控制系统升级改造

摘 要 针对莱钢1500mm热连轧生产线原层流冷却卷取温度控制系统中存在的问题，通过采用模型系统，采取多种冷却策略及头尾特殊冷却方式进行系统优化改进，改造后的系统稳定，钢坯冷却温度命中率有了很大提高，板形质量明显得到改善。

【关键词】冷却技术 模型 策略

1 概述

在过程自动化系统和基础自动化系统的控制之下，根据带钢精轧出口的带钢厚度、温度、速度等数据和其它工艺设备参数，经过模型运算（包括预设定计算、修正设定计算、自学习计算），控制层流冷却区的集管组态，实现对带钢的冷却模式、卷取温度和冷却速率的控制，将热轧带钢按预定路径冷却到工艺要求的卷取温度，使其力学性能和金相组织结构达到预定的质量要求 。层流冷却下带钢的传热过程十分复杂。首先，整个冷却过程中温降大，钢板的对流换热系数及其热物性参数必然随温度产生显著的变化。其次，高温钢板的层流冷却，较其他冷却方式更为复杂。高密度管层流喷出的水流在一定压力下冲击到钢板表面，在冲击区钢板表面不形成水蒸气膜，因此，产生强烈冷却效果。沿钢板长度方向，在近冲击区一定范围内，冷却水呈层流区，在较远处呈紊流区，在层流区和紊流区之间形成过渡区。在垂直板面方向，同样出现层流区、过渡区和紊流区。因此，就整体层流冷却来看，经历了膜态沸腾、过渡沸腾和核沸腾冷却阶段，钢板传热过程是非稳态的。层流冷却设备安装在精轧末机架出口至卷取机之间，分为粗调和精调两段，如图1所示。

2 层流冷却现状分析及冷却技术要求

莱钢1500mm宽带生产线于2005年建成之后，随着其轧制品种钢种类及规格的不断拓展，由于终轧温度和卷取温度命中率低，导致的产品性能不稳定、甚至超标的问题日渐突出，影响产品的竞争力，影响企业的经济效益。

2.1 终轧温度命中率低原因分析

（1）前馈功能太过简单，主要以轧钢工经验和生产情况为主，对精轧入口的原始温度值只有简单的补偿，没有自适应功能，头部温度存在较大的目标偏差，无法很好地保证终轧温度的命中率；

（2）反馈功能虽然各种情况考虑较多，但算法比较简单，没有自学习功能，主要是根据轧钢工经验来选择投入第几组架间水进行控制，未完全实现自动控制；

（3）终轧温度目标值只与带钢厚度有关，未考虑钢种因素，所以对相同厚度不同钢种的温度控制来说，控制方法有很大欠缺。

2.2 卷取温度命中率低的现象分析

（1）出现实际温度偏低或偏高很多的现象，修改冷却系数时发现系数为0，且无法修改，反馈控制功能有时不好用，温度实际值与设定值偏差大于20时仍不调整，头部不冷设定长度值与带钢实际不冷的长度有偏差，如头部不冷设定长度为0，带钢头部仍有不冷的现象；

（2）冬天和夏天的温度相差较大，莱钢1500mm带钢所处地区春天和秋天时间很短，自学习系数变化大，易导致第一支钢的卷取温度明显偏高或偏低，正常轧钢时，层冷温度发生突变，不能进行自动调整，而且不能自学习，极易出现激冷；

（3）模型的适应能力较差，新产品开发过程中模型的学习调整过程较慢，造成整批的层冷温度波动较大，给新产品的过程控制带来很大的影响，有时出现换规格后，层冷画面数据不能自动传输，不利于新产品的开发研制；

（4）模型中终轧速度变化对层冷温度控制的影响算法不够精确，当终轧速度变化时，模型控制精度变差，二级中没有考虑抛钢后速度变化对温度的影响，抛钢后的带钢尾部温度控制处于失控状态，卷取温度设定值低于600时，控制精度明显变差。

2.3 冷却技术要求

（1）足够的冷却能力：冷却速度能满足超级钢、汽车板开发的要求；尽量降低卷取温度。

（2）良好的冷却控制精度：粗调 / 精调分开的控制手段；适当的冷却策略（头部特殊冷却等）；先进的控制系统和数学模型。

（3）良好的适应能力：钢种的适应能力（汽车板，含V、Ti钢的控轧控冷）；厚度、宽度规格的适应能力。

3 数学模型及控制冷却策略研究

带钢卷取温度是产品质量的重要工艺参数，卷取温度冷却显得极为重要，由精轧出口温度900左右到卷曲温度冷却到600左右，冷却控制目的依据钢坯规格、材质、辊道速度不同、水温等需要计算开阀数进行相应的冷却控制策略，使钢坯温度达到冷却控制目的。层流冷却控制系统比较复杂，需要建立相应的模型，达到对带钢冷却的控制精度。

3.1 统计模型

模型建模是根据精轧出口的带钢温度、带钢厚度、带钢速度、冷却策略及PDI值，计算和修正层流冷却区的开阀个数，保证目标卷取温度和相应的冷却速度，控制和提高带钢的组织性能。

3.2 差分模型

一般在厚度方向分层，长度方向分时，应用传热学原理 和数学上的有限差分原理，推导出差分方程，利用边界条件，可以对差分方程进行求解。在实际的推导过程中，由于采用的差分方式不一样最后的模型形式有一定的差别。在控制过程中，采用差分模型可以对每段带钢通过层流冷却区的温度场进行预测，可以用于对冷却速率控制作参考。

4 结语

改造后的1500热连轧层流温度冷却控制精度明显得到提高，改善了产品质量，卷取温度命中率大大提高，具有很高的推广价值。

参考文献

[1]富永亮.热轧带钢终轧温度控制模型的研究[D].东北大学，2010.

[2]张大志，杜丰梅，蔡贞伟.1500mm热轧层流冷却自动控制系统控制模型与控制策略[J].电气自动化， 2007（05）.

作者单位

山东钢铁股份有限公司莱芜分公司自动化部 山东省莱芜市 271104