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新鋼1580mm熱連軋層流冷卻控制技術(shù)
1 技術(shù)簡介
新鋼熱軋薄板工程即將進(jìn)入設(shè)備安裝階段,相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)備工作已陸續(xù)展開。熱連軋是融各項(xiàng)高新技術(shù)于一體的生產(chǎn)過程,其中層流冷卻控制是其關(guān)鍵技術(shù)之一。熱軋帶鋼卷取溫度是影響成品帶鋼性能的重要工藝參數(shù),其范圍必須滿足一定的工藝要求,過高或過低都將給帶鋼的組織和性能帶來不良影響，而卷取溫度的控制和控制精度正是通過層流冷卻設(shè)備及層流冷卻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
2 層流冷卻系統(tǒng)組成
以新鋼1580熱連軋為例,其層流冷卻設(shè)備包括19個(gè)主冷卻段和3個(gè)微調(diào)冷卻段，其中每個(gè)主冷卻段包括4個(gè)控制單元組(上下噴一一對(duì)應(yīng))，總計(jì)下噴a1-a76共76個(gè) 控制單元，總計(jì)上噴b1-b76 共76個(gè)控制單元。每個(gè)微調(diào)冷卻段包括8個(gè)控制單元組(上下噴一一對(duì)應(yīng))，總計(jì)下噴a77-a100 共24個(gè)控制單元，總計(jì)上噴b77-b100 共24個(gè)控制單元。每個(gè)控制單元由一個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)一個(gè)氣動(dòng)碟閥來控制冷卻水的打開與關(guān)閉。各冷卻段之間及整個(gè)冷卻段前后各有一組側(cè)噴控制單元(共23個(gè)控制單元)，側(cè)噴水的打開與關(guān)閉原理同上、下噴一樣由一個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)一個(gè)碟閥來控制,其工藝布置如圖1所示。
圖1 新鋼1580熱連軋層流冷卻工藝流程圖
3 層流冷卻控制目標(biāo)
根據(jù)實(shí)測的板帶終軋溫度、速度、厚度和滿足工藝要求的冷卻曲線控制軋后鋼材的冷卻工藝參數(shù)(開冷溫度、終冷溫度、冷卻速率),確定相應(yīng)的噴水區(qū)長度(閥門開啟個(gè)數(shù))和噴水模式，使卷取溫度盡可能地接近工藝確定的目標(biāo)卷取溫度,獲得理想的組織結(jié)構(gòu), 以提高和改善鋼材的綜合力學(xué)性能。層流冷卻過程的控制量為:噴水閥門的開閉數(shù)量及位置、噴水模式等[1]。層流冷卻區(qū)的控制目標(biāo)是把終軋溫度為800～900 ℃的鋼板按一定冷卻制度迅速冷卻到500～700 ℃的卷取溫度,控制精度要求為±20 ℃。
4 層流冷卻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
層流冷卻系統(tǒng)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制。一級(jí)計(jì)算機(jī)是基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí), 二級(jí)計(jì)算機(jī)是過程控制級(jí)。計(jì)算機(jī)將整個(gè)生產(chǎn)范圍內(nèi)的帶鋼按厚度、目標(biāo)卷取溫度(一般相差10℃為同一級(jí))、帶鋼材質(zhì)的冷卻特性、冷卻要求等分若干級(jí)別，將冷卻速度相近的鋼種歸類，進(jìn)行分檔控制，對(duì)不同的級(jí)別使用不同的策略數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)。
5 層流冷卻控制的數(shù)學(xué)模型
通常帶鋼從精軋機(jī)末機(jī)架出口到卷取機(jī)入口的冷卻過程如圖2所示。
圖2 帶鋼軋后控冷過程示意圖
圖2中，Tf為終軋溫度, Tc 為卷取溫度, Tf 和Tc 的溫度范圍由所生產(chǎn)帶鋼的鋼種和規(guī)格確定。過程自動(dòng)化系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)模型根據(jù)所軋帶鋼的鋼種和規(guī)格要求可確定出打開第一組集管的位置(即A點(diǎn))、所需打開的冷卻集管組數(shù)以及相應(yīng)的冷卻集管開啟與關(guān)閉組合(即確定B點(diǎn)),后者可由帶鋼冷卻策略來確定。在帶鋼軋后冷卻過程中,帶鋼經(jīng)歷了空冷、水冷、然后再空冷等熱交換過程,故帶鋼軋后控冷過程中的基本數(shù)學(xué)模型為帶鋼空冷過程中的溫度場計(jì)算模型(空冷溫降模型)、帶鋼水冷過程中的溫度場計(jì)算模型(水冷溫降模型),并由此可導(dǎo)出實(shí)際使用的前饋和反饋等控制模型。數(shù)學(xué)模型直接影響到卷取溫度的控制精度[2]。
5.1 空冷計(jì)算模型
空冷時(shí)帶鋼在長度和寬度方向上的傳熱條件均比較一致,故可認(rèn)為這兩個(gè)方向上溫度分布均勻,由于帶鋼較薄,在一定厚度范圍內(nèi),可近似認(rèn)為厚度方向上溫度相同[3]。空冷傳熱數(shù)學(xué)模型如下
5.2 水冷計(jì)算模型
水冷傳熱模型與空冷相似,單個(gè)集管組水冷溫降模型
5.3 前饋控制模型
5.4 反饋控制模型
6 冷卻模式
6.1 對(duì)于要求控制形變奧氏體的組織狀態(tài)、阻止奧氏體晶粒長大、固化因形變而引起的位錯(cuò)或降低相變溫度的鋼種,采用前部冷卻策略,即先打開前主冷區(qū)的冷卻集管,用微調(diào)區(qū)對(duì)卷取溫度進(jìn)行微調(diào)控制。
6.2 對(duì)于主要控制室溫組織相變過程、控制鐵素體的長大及軋制后二相粒子析出的鋼種采用后部冷卻策略,先打開主冷卻區(qū)后部分集管進(jìn)行冷卻,用微調(diào)區(qū)對(duì)卷取溫度進(jìn)行微調(diào)控制。
6.3 對(duì)于某些對(duì)高冷卻速度敏感的鋼種(尤其是在較厚規(guī)格時(shí)) ,可以采用在主冷卻區(qū)的前部分(或全部) 以一定的間隔開啟冷卻集管,用微調(diào)區(qū)對(duì)卷取溫度進(jìn)行微調(diào)控制。
7 層冷區(qū)軋件跟蹤
7.1 跟蹤計(jì)算
在帶鋼頭部至尾部離開精軋機(jī)的期間,使用實(shí)測的軋制溫度、厚度和帶鋼的速度進(jìn)行周期性的前饋控制計(jì)算，適時(shí)把閥門開閉設(shè)定值送到基礎(chǔ)自動(dòng)化,在帶鋼進(jìn)入層流冷卻區(qū)的運(yùn)行中，計(jì)算機(jī)按固定的時(shí)間間隔，在邏輯上把帶鋼劃分為數(shù)小段，計(jì)算機(jī)對(duì)每小段在層流冷卻區(qū)進(jìn)行推算和跟蹤,對(duì)帶鋼的卷取溫度控制正是以這些小段為最小單位進(jìn)行，對(duì)每一小段計(jì)算所需增減的閥門數(shù)，當(dāng)該小段運(yùn)行到噴水區(qū)時(shí)，增減后的噴水正好對(duì)應(yīng)此小段。為了使樣本的組態(tài)噴到對(duì)應(yīng)的樣本上以及及時(shí)開閉閥門，必須實(shí)施層冷區(qū)的軋件跟蹤。
7.2 頭尾部跟蹤
根據(jù)信號(hào)啟動(dòng)相應(yīng)跟蹤程序，分別計(jì)算帶鋼頭尾部在熱輸出輥道的具體位置，以板帶運(yùn)行的同步速度，并按過程控制計(jì)算機(jī)設(shè)定的噴水組態(tài)，由前向后依次開啟集管，或依次關(guān)閉集管組態(tài)。
7.3 軋件樣本跟蹤
實(shí)時(shí)跟蹤軋件每小段在冷卻區(qū)的位置，及時(shí)下發(fā)集管組態(tài)?；A(chǔ)自動(dòng)化向過程控制計(jì)算機(jī)傳送輸出輥道上有關(guān)軋件跟蹤的傳感器信號(hào)檢得以及撿失，并完成有效性檢查，同時(shí)由過程控制計(jì)算機(jī)完成相應(yīng)的軋線邏輯控制及軋件數(shù)據(jù)處理。由于過程機(jī)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，因此軋件數(shù)據(jù)處理和軋制邏輯處理方便，并能準(zhǔn)確跟蹤板帶位置，實(shí)時(shí)噴水。
8 控制策略
8.1 預(yù)設(shè)定計(jì)算
當(dāng)帶鋼到達(dá)精軋入口溫度計(jì)時(shí), 過程自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)帶鋼的初始輸入?yún)?shù)(如帶鋼的終軋溫度、目標(biāo)卷取溫度、厚度、速度、水溫等)和相應(yīng)的冷卻曲線計(jì)算所有冷卻區(qū)域中所需要的冷卻水量, 從而對(duì)閥門的開閉狀態(tài)進(jìn)行初始設(shè)定, 將計(jì)算后得到的控制量設(shè)定值發(fā)送給基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)執(zhí)行，這樣可以有效地消除控冷系統(tǒng)動(dòng)作滯后的影響[5]。
8.2 前饋控制
由于帶鋼進(jìn)入層流冷卻區(qū)時(shí)的實(shí)際溫度、厚度、速度是實(shí)時(shí)變化的, 因此為了消除帶鋼自身邊界條件與其設(shè)定值的偏差對(duì)卷取溫度的影響, 需要對(duì)預(yù)設(shè)定計(jì)算進(jìn)行前饋補(bǔ)償。當(dāng)帶鋼到達(dá)精軋出口溫度測量點(diǎn)時(shí)( FDT 測溫儀時(shí)),根據(jù)帶鋼的實(shí)測終軋溫度, 確定為使卷取溫度達(dá)到目標(biāo)值所需開啟的閥門數(shù)。
8.3 反饋控制
為了補(bǔ)償前饋控制的偏差,通過比較實(shí)測的卷取溫度和目標(biāo)卷取溫度來調(diào)整精調(diào)區(qū)閥門的開關(guān)狀態(tài), 將帶鋼的實(shí)測卷取溫度控制在要求的精度范圍內(nèi),但反饋控制存在“時(shí)滯性”,目前國內(nèi)外對(duì)熱軋帶鋼層流冷卻控制以前饋為主,反饋為輔。這從冷卻區(qū)域的布置情況也可看出,冷卻區(qū)前段是主冷區(qū),冷卻能力強(qiáng),冷卻區(qū)長;冷卻區(qū)后段是精調(diào)區(qū),冷卻能力為前面集管的一半,冷卻區(qū)短。
8.4 自適應(yīng)控制
系統(tǒng)對(duì)層流冷卻段的帶鋼不斷進(jìn)行跟蹤和自適應(yīng)修正,以使冷卻模型盡可能反映帶鋼的實(shí)際冷卻過程,所得到的自適應(yīng)系數(shù)以鋼種、厚度和卷取溫度等多種形式分類存放,遺傳給后續(xù)軋制的帶鋼。模型自適應(yīng)分為短期自學(xué)習(xí)和長期自學(xué)習(xí),短期自學(xué)習(xí)系數(shù)用于同一軋制批次的順序卷, 換組別時(shí)應(yīng)用長期自學(xué)習(xí)系數(shù)。
8.5 帶鋼頭尾冷卻控制
一般情況下,帶鋼頭部和尾部的終軋溫度低,中部溫度高。帶鋼頭部不能進(jìn)行反饋控制,尾部的反饋能力也很弱,最終導(dǎo)致卷取溫度曲線呈兩頭低、中間高的形狀。目前,對(duì)帶鋼頭、尾可采取提高目標(biāo)卷取溫度、進(jìn)行熱頭熱尾特殊處理(比如改進(jìn)集管開啟順序,改變開閉時(shí)間)、對(duì)帶鋼頭尾部進(jìn)行自學(xué)習(xí)以及采用升速軋制結(jié)合機(jī)架間冷卻系統(tǒng)來保證終軋溫度的穩(wěn)定等多種方式來改善帶鋼頭、尾的卷取溫度控制精度。
8.6 帶鋼邊部冷卻控制
帶鋼在熱軋時(shí)存在邊部減薄現(xiàn)象,在冷卻時(shí)帶鋼邊部和中部的冷卻條件也不相同,致使帶鋼兩邊的溫度明顯比中間低、強(qiáng)度比中間高,給后續(xù)工序帶來不良影響,并且會(huì)引起板形缺陷,所以必須重視邊部冷卻控制,尤其在寬厚板冷卻時(shí)。帶鋼邊部冷卻控制一般有兩種形式:凸型水量分布和邊部遮蔽,凸型水量分布是假設(shè)帶鋼橫向溫度分布為拋物線形,把上、下集管設(shè)計(jì)成變流量,如采用集管直徑變化或間距變化,形成中凸形的水量分布,對(duì)帶鋼邊部進(jìn)行溫度補(bǔ)償。邊部遮蔽是通過擋板將集管兩端的水流導(dǎo)向儲(chǔ)水槽,間接得到凸型水量的分布。這種方式操作簡單投入低,但是效果卻較明顯[5]。
圖3 層流冷卻控制系統(tǒng)圖
9 控制效果分析
某鋼廠1580熱連軋層流冷卻改造前卷 取溫度控制曲線如圖4(a)。
卷取溫度控制曲線的分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下:實(shí)測溫度與目標(biāo)溫度相差±5以內(nèi)的占帶鋼全長的39.1% ,相差±10以內(nèi)的占帶鋼全長的57.3% ,相差±20以內(nèi)的占帶鋼全長的9.1%,相差±20以上的占帶鋼全長的9.1%。
圖4(a) 改造前卷取溫度曲線
通過全面采用上述控制技術(shù)加以改造后，控制精度獲得明顯提高，如圖4(b)。
卷取溫度控制曲線的分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下:實(shí)測溫度與目標(biāo)溫度相差±5以內(nèi)的占帶鋼全長的72.4% ,相差±10以內(nèi)的占帶鋼全長的98.3% ,全長的100%都被控制在±20以內(nèi)。
4(b) 改造后卷取溫度曲線
實(shí)時(shí)匯聚核
心行業(yè)動(dòng)態(tài)
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實(shí)時(shí)匯聚核心行業(yè)動(dòng)態(tài)
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