《层流冷却的策略和控制模型毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《层流冷却的策略和控制模型毕业论文（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、层流冷却的策略和控制模型毕业论文目录摘要IIAbstractIII目录IV1 绪论11.1研究背景及意义11.2研究现状21.3章节安排32 层流冷却系统简介52.1 层流冷却系统设备布置52.2 层流冷却系统的基本结构62.3 本章小结93 层流冷却的控制模型103.1 温降模型103.1.1 空冷区温降模型103.1.2 水冷区温降模型103.2 卷取温度预报模型113.2.1 传统卷取温度预报模型113.2.2 基于遗传神经网络的卷取温度预报模型123.3 预设定模型163.4 前馈控制模型183.5 反馈控制模型193.6 自学习模型203.6.1 短期自学习213.6.2 长期自学习
2、213.7 数据库模型223.8 本章小结224 层流冷却的控制策略244.1 冷却策略244.1.1 上下开阀的起始位置244.1.2 冷却方向244.1.3 集管稀疏模式254.1.4 头尾特殊处理254.1.5 临界温度的确定254.2 带钢分段控制264.3 冷却区分段控制264.4 冷却速度控制264.5 侧喷和吹扫控制284.6 上下集管水比的配置284.7 本章小结295 实验部分30结论38参考文献39致谢40 1 绪论钢铁是现代社会最重要的原材料，其产量和质量是一个国家发达程度和经济实力的重要标志。世界钢铁协会2010年发布的报告显示，2010年全球粗钢产量达到14.14亿吨
3、，创下全球粗钢产量的新纪录。其中，中国以6.267亿吨位居全球第一位，占全球钢产量的44.3%。随着中国城市化进程的加速，交通、能源等基础设施的大规模建设，以及制造业尤其是汽车、家电等产业的快速发展，钢材需求将会大量增加1。近年来，随着社会的发展和科学技术的进步，低合金高强度、高韧性并具有良好的焊接性能的钢材已经在社会上得到了广泛的应用。各行各业对热轧带钢质量、品种、性能的要求越来越高。我国虽然是钢铁产量大国，但是高附加值、高技术含量的产品所占比例非常低，产品结构非常不合理，钢铁市场正遭受国际化的严峻挑战。调整产品结构、提高技术含量、增加产品附加值将是我国钢铁行业走向世界的必经之路2。在带钢热
4、连轧工艺中，卷取温度对带钢的金相组织影响很大，是决定成品带钢加工性能、力学性能和物理性能的重要工艺参数之一3。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结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。如果卷取温度过低，一方面是卷取困难，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，卷取后也没有足够的温度使过饱和的碳氮化合物析出，影响钢材性能。因此，将带钢卷取温度控制在由钢的部金相组织所确定的围，是带钢质量的一项关键控制措施。层流冷却系统位于带钢热连轧生产线的精轧机与卷取机之间，是控制卷取温度的一种方式，其目的是将带钢从终轧后的温度冷却到相变
5、后的卷取温度。该技术不经能大大缩短带钢的冷却时间，大幅提高产量，更重要的是它能够控制冷却速度，改变带钢的金属组织结构，在不降低韧性的情况下，提高钢材强度，减少板带的不平整度以及残余应力，从而明显地提高带钢质量，为企业带来显著的经济效益。1.1 研究背景及意义层流冷却是控制带钢卷取温度，获得理想轧材组织和性能的一种有效方法，在目前的带钢热连轧厂中得到了广泛的应用。一般而言，常用的控制方法有：高压喷嘴冷却、板湍流冷却、喷淋冷却、雾化冷却、水幕冷却、层流冷却等。各种冷却方式都有其各自的优缺点，几种冷却方式的优缺点如表1-14。采用哪种冷却方式应根据具体工艺环境和限定条件确定。表1-1 几种冷却方式的
6、优缺点冷却方式优点缺点高压喷嘴冷却水流不间断呈紊流状态喷到带钢表面；穿透性好，适用于水汽膜较厚的环境。用水量大，飞溅严重，冷却不均匀；对水质要求较高，喷嘴易堵塞；水的利用率低。板湍流冷却轧后钢板直接进入水中进行淬火和快速冷却，冷却速度可达30/s。冷却速度调节围小，耗水量较大。喷淋冷却水流以液漓群的方式冲击钢板，比高压喷嘴冷却更均匀，冷却能力较强。需要较高的压力，调节冷却能力围小，对水质要求较高。雾化冷却用加压的空气使水流成雾状冷却钢板，冷却均匀，冷却速度调节围大，可实现单独风冷、弱水冷和强水冷。线路复杂，噪音较大，车间雾气较大设备易受腐蚀。水幕冷却水流保持层流状态，冷却速度快，冷却区距离短，
7、对水质要求不高，易维护。可调节冷却速度围较小层流冷却水流以恒定低压的柱状水流冲击钢板，形成核沸腾，冷却能力强，冷却均匀。冷却区距离长，对水质要求较高，喷嘴易堵塞，维护量大。当前世界上采用的控制冷却设备主要为水幕冷却系统和柱状层流冷却系统。这两种冷却方式都可以依据带钢的速度和厚度进行水量调节，以达到需要的冷却速率，使带钢全长均匀冷却。虽然水幕冷却具有最强的冷却能力，但据西德克虏伯公司对层流、水幕和喷射3种冷却方式的对比实验表明，层流冷却方式的冷却均匀性最高，而冷却强度只比水幕冷却稍低，因此层流冷却是多数带钢热连轧生产线的主要冷却方式。由此可见，研究层流冷却卷取温度的优化控制即研究层流冷却的策略及
8、控制模型对于提高产品质量，降低废品率，增加企业的经济效益有着非常重要的现实意义。另一方面，层流冷却控制系统主要由国外开发，国还处在引进、消化、吸收的阶段，研究和优化层流冷却策略和控制模型，对于我国掌握国外先进的制造技术，提高产品在国外市场的竞争力，有着重大而深远的意义。同时，也有利于为我国今后独立自主地开发新钢种（如多相混合组织钢、铁素体区轧制钢）的冷却控制系统打下坚实的基础。1.2 研究现状卷取温度控制是层流冷却系统的核心任务，而温度控制的精度在很大程度上取决于过程数学模型的精度。早期，对层流冷却控制系统的技术改造主要集中在工艺设备的改进方面。九十年代以后，尤其是近几年来，国外对层流冷却的研
9、究主要包括两个方面：一是通过对冷却过程的研究建立精确的导热数学模型；二是针对层流冷却控冷过程的特点对控制策略进行研究。具体容如下：（1）数学模型的研究。以往的层流冷却温度场数学模型往往是实际冷却过程的简化形式，这样可大大减少计算时间，容易实现，但同时可能对冷却效果带来不利的影响。例如：应用于攀钢的意大利ANSALDO INDUSTRIA公司开发的数学模型比较简单，但对流换热系数的确定不够精确5；应用于鞍钢热轧厂、本钢1700热轧厂的由德国SIMENS公司开发的数学模型没有考虑带钢与环境的热辐射，也没有考虑水温、带钢运行速度、终轧温度对模型参数的影响，而且模型中的时间常数描述的是带钢表面温度，对
10、厚规格带钢的控制效果不理想，模型精度受到了限制6；应用于宝钢1580mm热轧厂的由日本三菱电器开发的数学模型，对各种对流换热因素考虑的较为全面，是一种较先进的层流冷却控制模型，但还需要对许多参数进行回归，按照厚度层别等做出一系列控制表7。（2）控制策略的研究。根据层流冷却控制的工艺特点，目前控冷的方式基本采用预设定计算、前馈控制、反馈控制和模型参数自适应等几个策略，并且采用动态控制的方法，将带钢在延长度方向上进行分段（称作带钢段），同时将冷却辊道划分为若干冷却段，每个冷却段由若干冷却阀组成，然后动态跟踪每一个带钢段，即确定带钢段到达某个冷却段的时刻以及经过的时间，以便在前馈和反馈时确定应调节的
11、水阀数目。当带钢和冷却辊道分段越细，带钢长度方向上的冷却控制越均匀，控制精度越高，但控制也将越复杂。随着计算机科学的迅猛发展，带钢热连轧技术已经成为多学科结合的应用技术。尤其是近几年，由SMS公司设计制造的紧凑型热带生产线（CSP）被国大量引进。国钢铁企业纷纷与高校和知名冶金科研机构合作，消化引进技术，优化系统结构，以提高控制精度。例如：钢铁公司从理论和工艺的角度分析了控冷过程中换层别后自适应能力差、尾部温差大以及低目标卷取温度精度低等问题产生的原因，提出了虚拟检测水温、反推速减点、细化层别等对应的优化策略。另外，智能控制理论的发展，为描述与控制不确定、非线性的复杂过程提供了理论基础，也使得智
12、能控制在层流冷却中得到了越来越广泛的应用。其中，北京科技大学高效轧制国家工程研究中心提出的遗传神经网络的方法，将遗传算法的能够收敛到全局最优解和鲁棒性强的优点与神经网络结合起来，并运用实际生产数据对该网络进行训练和测试，离线实现了卷取温度高精度的实时预报，并得到了在线应用。1.3 章节安排本课题以北京科技大学高效轧制国家工程研究中心承接的国某大型钢铁集团的带钢热连轧生产线二级系统改造项目为背景，介绍了层流冷却技术的研究现状，分析了层流冷却系统设备布置和控制结构，重点研究了层流冷却系统中所用到的控制模型和控制策略。并根据这些理论，绘制了层流冷却的控制画面。实践证明这些控制策略和控制模型是有效的、
13、实用的。第一章主要介绍了本文的研究背景和意义，对比了几种冷却方式，并从数学模型和控制策略方面对层流冷却系统的研究现状进行了概述。第二章给出了层流冷却系统的设备布置图和实物图，对层流冷却系统的基本结构以及各个结构之间的相互协调关系进行了介绍。第三章对层流冷却系统的控制模型进行了研究，控制模型主要包括温降模型、卷取温度预报模型、预设定模型、前馈控制模型、反馈控制模型和自学习模型以及数据库模型。着重分析了改进后的卷取温度预报模型。第四章对层流冷却系统的控制策略进行了研究，控制策略主要包括冷却策略、带钢分段控制、冷却区分段控制、冷却速度控制、侧喷和吹扫控制和上下集管水比配置。第五章给出改进的控制模型取
14、得的实验效果，并展示了设计和绘制的HMI画面。2 层流冷却系统简介2.1 层流冷却系统设备布置本文中的带钢热连轧生产线的层流冷却系统由上、下冷却系统和侧喷吹扫系统三部分组成。上部和下部冷却系统各分成60个冷却控制段，每4个控制段为一组，一共15组，前9组用于粗调，后6组用于精调。每个冷却控制段由一个阀门进行冷却水的开关控制。上部的每个控制段有两根常规U 型层流集管，每根集管上设有多个鹅颈喷水管；下部的每个控制段有4根带一定喷射角的直喷集管，每根集管上有11或12个喷嘴。也就是说，上部冷却系统由120根集管构成，下部冷却系统由240根集管构成。侧喷吹扫系统分布在输出辊道的两侧，而且交叉分布，共有
15、9个侧喷嘴，其中有2个为高压气喷，以吹散雾气，防止对轧线控制仪表的干扰。层流冷却的长度约为60m，冷却宽度为1700mm。系统同时配置了多种调节阀门和检测仪表,包括手动调节阀、气动截止阀、电磁流量计、热金属检测器、激光检测器、高温计、水温计、压力计、液位计等,用于系统的信号检测、带钢跟踪及自动控制。层流冷却系统设备布置原理图如图2-1所示，设备布置的实物图1#现场I/O柜2#现场I/O柜轧制方向高温计T1侧喷高温计T2侧喷粗调第1组手动阀精调第6组气动阀F714090mm59400mm操作台及HMI流量计卷取机冷却水分配装置如图2-2所示：图2-1 层流冷却系统设备布置原理图图2-2 层流冷却系统设备布置实物图2.2 层流冷却系统的基本结构层流冷却系统由机械系统和控制系统组成。机械系统包括供水系统、水处理系统、水量分配系统、层流系统、侧喷和前后吹扫系统。控制系统
