【2017年整理】带钢热连轧卷取温度控制系统

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1、1 国 内 外 带 钢 热 连 轧 卷 取 温 度 控 制 系 统 的 发 展 现 状 及 意 义1.1 带 钢 热 连 轧 的 国 内 外 发 展 状 况1.1.1 国外发展状况从 1924年阿斯兰 1470 mm和 1926年巴特勒 1070 mm带钢热连轧机计算起，带钢热连轧机已经有八十多年的发展历史了。它具有综合技术性强、生产效率高、经济效益大、发展迅速、自动化程度高、新技术应用广泛等特点。可以作为衡量国家工业发展水平的一个重要标志。现在，我国已经具备设计和制造带钢热连轧机的能力了。带钢热连轧卷取温度控制系统也有将近五十年的发展历史了。1958 年以前，实现了模拟 AGC（自动厚度控制

2、） ；1960 年以前，实现了轧机调速、压下、活套控制的电动自动化；1962 年，美国在麦克劳斯（Mclouth）钢铁公司 1525 mm热轧机上实现了计算机控制；1964 年，日本在新日铁堺厂 1420 mm热轧上实现了计算机控制；1971年 11月日本新日铁大分厂 2235 mm热轧计算机控制系统投入运行，该热轧计算机控制系统作为当时的设计典范。1980 年以后，带钢热连轧计算机控制系统发展得更加迅速，趋向成熟。图 1.1 鞍 钢 2150钢 厂 带 钢 热 连 轧 2150mm层 流 冷 却 生 产 现 场 图 片 80 年代末期开始，国外许多热轧带钢厂对现有冷却设备进行改造，目的是提高

3、冷却能力及温度控制精度。为了提高温度控制精度，避免因控制阀门开闭引起的冷却水量波动，造成温度控制精度波动，国外热轧带钢厂的冷却设备均设置高位水箱，有些工厂具有水箱液面高度恒定控制技术。为了提高带钢宽度方向上水量分布的均匀性和提高下部冷却能力，对喷水装置进行了改造。为了提高卷取温度的控制精度，每个控制阀门所控制的水量减少，即控制单元呈细分化趋势。日本众多热轧带钢厂在层流冷却段内设置测温仪表，检测带钢中间温度，为控制模型实现前馈控制功能及提高设定计算精度服务。有些工厂在冷却段中间设置带钢相变过程检测仪，为模型计算带钢相变热服务。微合金高强度钢板的开发，对卷取温度控制精度提出了更高的要求。国外许多热

4、轧带钢厂对现有的过程机控制系统进行改造，有些工厂单独设置一台过程机来控制卷取温度，以提高模型计算速度、缩短再设定计算周期，提高控制精度。 随着冷却设备的更新、改造，控制模型功能的扩展及模型的进一步理论化，国外众多热轧带钢厂的卷取温度控制精度日益提高，带钢全长卷取温度20的命中率大于 94，控制技术的优化满足了新钢种开发的需要，使热轧带钢的使用领域进一步扩大。1.1.2 国内发展状况 1978年 12月投产的武汉钢铁（集团）公司的 1700mm热连轧机控制系统是我国引进的第一套带钢热连轧计算机控制系统。这个系统基本是按照日本新日铁大分厂的模式设计的。1993年 11月，在武汉钢铁（集团）公司、重

5、庆钢铁设计研究院、北京科技大学的共同合作下，完成了武汉钢铁（集团）公司 1700 mm热连轧机计算机系统的更新改造工程。在国内首次采用“硬件引进，软件立足国内”的方针，新系统在不停产的情况下顺利投入使用，并获得了比原有系统更好的控制效果。该系统已正常运行至今，产品的控制精度得到提高，该项目获得了冶金部科技进步特等奖，获得了国家科技进步一等奖。 随后，在 1995年 5月，武汉钢铁（集团）公司、北京科技大学、冶金自动化研究院、北京钢铁设计研究院等单位又共同完成了太原钢铁（集团）公司 1549mm热连轧机控制系统的建立和开发。 这两个项目的实施，标志着我国已经有能力依靠自己的力量设计和开发像热连轧

6、这样过程控制系统。为了提高冷却效果，曾提出过各种冷却方式。实验表明，低压大水量的冷却系统的冷却效果比较好。20 世纪 60年代以来，所建的热轧带钢轧机，绝大部分都采用低压大水量的层流冷却。图 1.1为卷取温度控制系统结构图。ThTcC L图 1 卷取温度控制系统结构图F 7 精轧机 ； 精轧后测温仪 ； 卷取前测温仪 ； C L 卷取机入口测温 、 上集管 、 上喷管 、 出口测温下集管 、 下喷管 、 侧吹装置ThTc图 1.2 卷 取 温 度 控 制 系 统 结 构 图在输出辊道的上部为分组封闭式冷却水箱，装有一定数量的虹吸管，下部则为带压力的喷嘴式冷却系统。层流冷却几乎使钢板泡在水中，并

7、且通过辊道两侧装置的侧喷嘴不断地吹动钢板表面的水按一定方向流动，使得带钢表面上的水不断的更新，大大提高了冷却效率（比喷水式提高了 30%40%） 。卷取温度控制的目的，就是通过层流冷却水段长度的动态调节，将不同情况（温度、厚度、速度）的带钢从比较高的终轧温度迅速冷却到所要求的卷取温度，使带钢获得良好的组织性能和力学性能。1.2 课 题 意 义 及 背 景1.2.1 课题背景热轧带钢一部分是以钢卷状态提供给冷轧带钢的生产作为原料，其余则是以横切钢板或钢卷状态，提供给机械制造、建筑、造船工业、汽车制造业、压力容器、输油气管道、冷弯型钢等行业使用。由于产品用途的差异，对热轧带钢机械性能的要求也不同。

8、带钢轧后冷却过程是调整产品性能的重要手段，其中卷取温度控制是影响成品带钢性能的关键工艺参数之一。 卷取温度控制的目的，就是通过层流冷却段长度的动态调节，将不同工况(温度、厚度、速度)的带钢从比较高的终轧温度迅速冷却到所要求的卷取温度，使带钢获得良好的组织性能和力学性能。控制带钢最终的卷取温度和冷却过程中的降温速度是卷取温度控制的主要内容。 热轧带钢的实际卷取温度是否能控制在要求的范围内，主要取决于带钢冷却系统的控制精度。当实际卷取温度超出要求的范围，钢卷的组织性能会变差，所以卷取温度控制系统必须能够满足多品种带来的多种冷却模式及控制要求的需要。 1.2.2 课题意义 近年来，我国带钢热连轧机的

9、产能和技术水平取得了迅猛的发展，宽带钢热连轧技术的发展为我国钢铁行业的发展带来了新的活力，为经济发展做出了重要贡献。由于带钢热连轧生产的高效率，高经济性，因而在轧钢生产中发展的最为迅速，而且也是各种新技术应用最为广泛的一个新领域。 在带钢热连轧中，卷取温度和终轧温度一样，对成品带钢的全相组织影响很大。是决定成品带钢加工性能、力学性能、物理性能的主要工艺参数。因此，卷取温度控制精度的提高具有十分重要的意义，它能给企业带来巨大的经济效益。 板带轧后的卷取温度控制是在精轧机与卷取机之间增加一段冷却装置，将板带从终轧后的温度冷却到相变后的卷取温度。这一加工技术是60年代初形成的，旨在提高钢板机械强度的

10、新工艺技术，并首先在带钢生产中得到了实现。它不但能大大缩短板带的冷却时间，大幅度提高产量，而且更重要的是它能够通过控制冷却速度，改变钢的金属组织结构，在不降低韧性的情况下，提高钢材的强度，同时减少板带的不平整度和残余应力，从而明显地提高钢材的质量，为生产厂家带来显著的经济效益。 带钢精轧温度一般约为800900，而高取向硅钢的终轧温度为980。通常，带钢在100m左右的输出辊道上运行时间为515秒。为了在这么短的时间内使带钢温度降低200350，仅靠带钢在输出辊道上的辐射散热和向辊道传热等自然冷却是不可能的。因而在输出辊道的很长一段距离上，需要设置高效的冷却装置，对带钢上下表面进行强制冷却，并

11、对水量进行准确控制，可以满足卷取温度的要求。 目标卷取温度随钢种的不同而变化，即使同一种钢种，合金元素的含量不同，卷取温度也应作相应的改变。过高的卷取温度，将会因卷取后的再结晶和缓慢冷却而产生粗晶组织及碳化物的积聚，导致力学性能变坏以及产生坚硬的氧化铁皮，使酸洗困难。过低的卷取温度，一方面使卷取困难且有残余应力存在，容易松卷，影响成品带卷的质量；另一方面，卷取后没有足够的温度使过饱和的碳氢（氮）化合物析出，影响钢材性能。 影响卷取温度的因素多而复杂，难以从在线控制数学模型中全部计算和精确描述。目前，在对层流冷却控制系统的研究中，应用了预测控制和自适应调节器的基本思想，但并没有应用任何很具体的理

12、论研究成果。其原因是预测控制和自适应控制中现有的一些比较成熟的算法，均要求比较严格的条件。以提高卷取温度控制精度，是一个有现实意义的课题。1.3 控 制 冷 却 简 介控制冷却是利用钢板热轧后的余热，进行在线控制冷却，在保证板材要求的板形尺寸规格的同时，可控制和提高板材的综合力学性能。目前在生产中所采用的控制冷却方式主要有三种：气水混合冷却，幕状层流冷却和柱状层流冷却。 当控制冷却中使用的冷却介质为气水时为气水混合冷却。当以水为冷却介质时依据其冲击钢板的流态方式不同，可分为两大类：一类是层流冷却，另一类是紊流冷却。由于层流水冲击钢板后围绕冲击区形成层流扩展区，冷却水飞溅少，冷却能力高，与非层流

13、冷却相比，可节省水30%。所以，现代生产线上都采用层流控制冷却方式，层流又分为柱状层流和幕状层流。 柱状层流又分为直管式和U型管式两种。一个喷头上可设一排、两排、四排或更多的喷嘴。喷嘴数量的增加使柱状层流的冷却能力得到提高，也可改善钢板的冷却均匀程度。实践证明，层流冷却的冷却效果比较好。幕状层流冷却方式是从喷嘴喷出一种幕墙式水流，水流在钢板表面上形成一细条冲击区，冲击区前后为层流扩展区。冷却介质与钢板间的热交换主要发生在冲击区和层流扩展区。目前世界上绝大多数带钢热连轧的卷取温度控制采用的都是层流冷却 (Laminar Cooling)方式，即采用循环使用的低压大水量的冷却系统。层流冷却的基本原

14、理是以大量的虹吸管从水箱中吸出冷却水，在无压力情况下流向带钢。其特点是冷却水以流股状与带钢表面平稳接触，冷却水不反溅，紧贴在带钢表面上平稳地向四周流动，扩大了冷却水与带钢的有效接触面积。层流冷却几乎使钢板泡在水中，并通过辊道两侧装设的侧喷嘴不断的将钢板表面的水汽层吹开 ，使钢板表面的水按一定方向流动，新的冷却水流不断接触钢板，大大提高了冷却效率。 层流冷却的工作原理是使带钢表面覆盖一层处于层流状态下流动的最佳厚度的水，利用热交换原理使带钢冷却至卷取温度，所使用的具体方法是使大流量的低压水平稳地贴附于带钢上表面，形成薄薄的一层水膜。且随着带钢的前进，由侧向喷出的中压水吹动水膜，使冷却水不断更新，

15、从而带走大量的热，达到冷却的目的。 层流冷却的基本控制思想：控制计算机将整个生产范围内的带钢按厚度、目标卷取温度（一般相差 10 为同一级） 、带钢材质的冷却特性、冷却要求等分很多级别，将冷却速度相近的钢归类，进行分等级控制，对不同的级别使用不同的策略数据和模型数据。层流冷却过程的控制主要分为四个部分，见表 1.1。表 1.1 层流冷却过程控制名称 时间（位置） 任务描述预计算 板坯粗轧机 准备数据前馈控制 每段至入口测温点 计算微调区开启阀门数反馈控制 每段至出口测温点 计算精调区增减阀门数自适应 每段至出口测温点 计算模型修正系数1） 冷却策略因为预设定模型只有一个方程，故不能得到唯一解。

16、用它来完成喷头个数的设定，必须对其它相关量（如上、下起始阀门，临界温度，最大冷却能力等）进行计算，才可通过预设定模型确定喷水长度。2） 预设定模型根据精轧机提供的带钢信息，应用预设定模型对各控制量进行预计算，将计算后得到的控制量设定值送基础自动化系统执行，这样可以有效地消除整个控冷系统动作滞后的影响。预设定模型每隔一段时间启动一次，重新计算各控制量后送基础自动化系统（下位机）执行，即相当于将带钢沿长度方向分段控制，以消除带钢长度方向的温度、厚度及速度的波动。3） 前馈补偿模型带钢进入层流冷却前的实际温度、带钢速度和厚度与预估值（带钢离开精轧机时的速度、厚度和温度）存在偏差，该偏差由前馈补偿模型予以消除。预计算模型与此前馈补偿模型相当于一个完整的前馈控制器。4） 反馈控制模型反馈控制是通过比较实测的卷取温度和目标卷取温度来调整精调区集管的开或关，使得实测的卷取温度在目标卷取温度附近振荡趋近，保证同板温差处于目标范围内。5） 模型参数自适应一段带钢冷却结束后，利用卷取温度点的信息对