带钢热连轧卷取温度控制系统的研究

摘要: 文中对带钢热连轧卷取温度控制系统进行分析,卷取温度控制完成的好坏直接关系到整个系统的正常运行及所产带钢的组织性能和力学性能的好坏。通过对系统研究和分析,提出了提高卷取温度控制质量的关键。

Abstract: This article analyzes the coiling temperaturecontrol system ofHot ContinuousStripSteel Rolling. The coiling temperaturecontrolsystem affects the strip’s structureandmechanic properties directly. After system analysis, it pointed out improvingtheprecision of the presetting model was the fundamental measure to improve the precision of the coiling temperature.

关键词: 带钢热连轧;层流冷却;卷取温度;控制系统

Key words: Hot Continuous Strip Steel Rolling;lamina cooling;coiling temperature;control system

中图分类号:TG33 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)17-0137-02

0引言

卷取温度控制是热轧生产质量控制中的一个关键环节。卷取温度对板带的金相组织影响很大,是决定成品带钢加工性能、力学性能、物理性能的重要工艺参数之一。卷取温度过高或过低将会给带钢的组织性能带来不良的影响,因此,热轧带钢卷取温度的精度控制是热轧领域关注的重要问题。

1卷取温度控制系统的主要任务及要求

如何高精度地控制卷取温度目标值?对冷却过程,冷却速度进行控制;对带钢头尾进行阶梯形冷却;对薄规格采用特殊冷却方式,以确保带钢运行稳定等几个方面。

2卷取温度控制的难点

热轧带钢轧后冷却过程是一个复杂的传热过程,它包括辐射传热、水冷换热、带钢和热输出辊道的接触热传导以及在冷却过程中因发生相变而产生的相变潜热,其别是水冷换热。它与带钢的材质、厚度、速度,冷却的水量、水压、水温及水流运动形态,终轧温度、高低带钢热传导、对流、辐射条件,层流冷却装置的设备状况等多种因素有关,因此卷取温度控制是一个复杂的工业过程。它具有非线性、大时滞、多变量、强藕合等特点。它的控制难点表现在:①影响卷取温度的因素多而复杂。②检测点少。③对于厚规格带钢,其表面和中心存在温差,带钢内部存在热传导,要想该精度的控制卷取温度,必须考虑带钢内部的温度场。④层流冷却装置分布在100米左右的输出辊道的上下方,带材上每一点的实际厚度、温度有所不同,若采用加速轧制,带材每一点通过冷却区的时间差异也会很大。⑤带钢在冷却过程中存在相变,如奥氏体到铁素体的转变。另外,冷却过程中存在复杂的导热现象,这些对热流换热系数影响很大。⑥由于目前许多层流冷却系统调节的是阀门开闭的个数,从而导致层流冷却系统调节的是非连续的,其控制“粒度”由一个阀所控制的水量决定。卷取温度控制精度本质上受此“粒度”大小的制约。

3所需设备类型、特点、冷却策略的选取

热轧带钢轧后快速冷却设备主要有层流冷却、水幕冷却、喷射冷却三种。其特点分别为:层流冷却是应用最为广泛的热轧带钢轧后快速冷却设备。它具有冷却均匀、温度可控性高等优点。基本原理是大量虹吸管从水箱中吸出冷却水,冷却水在较低压力的情况下流向带钢,以流股状与带钢平稳接触,冷却水不反溅,并紧贴在带钢表面上按一定方向做宏观运动。水幕冷却是多种冷却方式中冷却能力最大、冷却段长度也最短的一种。其缺点是温度控制均匀性及精度的可控性比层流冷却差。喷射冷却在一些工厂使用,对水冷却质量要求高,且钢板冷却不均匀,温度控制精度差。一般带钢热连轧卷取温度控制采用层流冷却设备。带钢热连轧卷取温度控制层流冷却系统的冷却策略:为满足不同规格、不同钢种和不同性能要求的产品对于卷取温度和冷却速度的要求,层流冷却系统具有五种冷却策略:前段冷却、头部冷却、尾部冷却、头尾不冷、后段主冷。冷却策略在生产计划中用代码给出,以便层流冷却模型的识别。

4选取控制系统数学模型

带钢热连轧卷取温度控制采用美国CE公司开发的数学模型。它综合了热传导、对流和辐射传热,采用有限差分法,对每一节点,根据能量守恒定律,辐射、对流和传导热流量之和等于节点能量的变化率。

具体模型为:

4.1 热传导差分模型Q= 式中Q为从i点到第i+1点的热流量比率;λ为热传导系数;A为从第i点到i+1点的面积;T为第i点的温度;d为第i+1点的距离。

4.2 热辐射公式Q=εσ-×Fτ

式中Q为带钢在τ时间内热辐射损失的热量;T为带钢表面的温度;F为表面积。

4.3 对流冷却公式Q=-ηF(T-T)τ 式中Q为带钢在τ 时间内喷水对流冷却引起的带钢热损失;η为对流热传递系数;F为冷却液覆盖的表面积。

在实际生产中,层流冷却数学模型存在三大普遍问题,带钢卷取温度头尾低、中间高;换规格后第一块钢的命中精度较低;厚规格带钢控制精度较低。所以,一方面要针对具体情况进行补偿;另一方面是开发相应的智能控制模型。具体采用的模型有:①预设定模型:根据模型所需的边界条件(终轧温度、厚度、速度、卷取温度、冷却水温等)的设定值,自动选用冷却工艺数据,计算出要达到目标卷取温度所需的喷水阀门个数和起始阀门位置及冷却集管开启和关闭的组合,并进行最大冷却能力校验,最后把设定值传递给基础自动化系统做准备。②前馈动态补偿模型:为了消除板带自身边界条件与其设定值的偏差对卷取温度的影响,需要对预设定模型进行前馈补偿。③反馈控制模型,为达到带钢目标卷取温度,同时冷却过程中也存在不可控的随机干扰量,为把带钢全长的实测温度都控制在要求的精度范围内,要根据层流冷却区出口处的高温计的实测值进行反馈补偿。

5层流冷却控制系统的网络结构

整个卷取温度控制系统由操作员/工程师站、服务器、可编程控制器、通讯网络、现场 I/O等设备组成。系统中,操作员/工程师完成:程序的调试、修改和维护;过程控制;历史/当前趋势显示;生产过程的人工干预;数据采集及报表打印等。服务器完成:冷却策略的设定;模型欲设定计算;按厚度等级对预设定的模型参数进行分类学习。可编程控制器的完成:带钢的头尾跟踪;顺序逻辑控制;集管、侧喷和吹扫的开闭控制;动态调整计算;冷却架的升降控制;通过Internet与精轧及卷取可编程控制器、服务器、操作员/工程师、站联系,获取相关信息。远程I/O完成:现场设备的状态收集;根据可编程控制器向其发送的信息控制现场设备。

6层流冷却系统的人机接口系统(HMI)

带钢热连轧卷取温度控制系统的人机接口采用IGIX4.0作为平台。完全通过HMI来实现对卷取温度控制的人工干预。系统的主要功能包括:CTC程序考虑三种方式:自动方式/半自动方式、手动方式和测试方式。设置了对带钢的实时跟踪和相关才疏的画面显示。层流冷却系统是热轧带钢质量控制的重要中组成部分,当带钢质量处问题时,系统能给出报警信息,提醒操作工或管理员及时处理。其主要显示三个画面:CTC监控主画面,CTC计算值画面,CTC设定值画面。

7控制过程及控制示意图

带钢进入第一机架时层流冷却系统启动跟踪程序,并根据负荷继电器及测温仪信号判断是否出现堆钢现象,如果出现故障,则开水量由人工根据现场情况确定,如果信号正常,则由程序根据对带钢的跟踪信号进行自动控制。人工控制集管开闭时比较简单。自动控制下卷取温度控制包括:带钢的跟踪和带钢的控制。

8控制过程中的一些特殊处理

8.1 长时间停轧后重新生产时,由于受环境温度的影响,空气和冷却水的温度迅速下降,虽然随着轧制的进行,二者温度有回升,但开轧后的第一卷带钢的头部仍不可避免地沉浸在相对较低的温度中,故采用环境温度补偿措施,即在停轧时间N小时后再重新生产时,在带钢头部到达卷取测温仪且反馈控制没有开始之前,将带钢的目标卷取温度在原来的基础上增加K°C作为控制的目标温度,之后恢复为设定温度。

8.2 卷取温度滤波处理。由于粗轧采用的可逆轧制,在道次转换时会导致与滚辊道接触部分的带钢温降过大,带钢经精轧及层流冷却区冷却后由于温度降低,会显现出明显的周期性水印,尤其是轧制薄规格带钢时,水印更为明显,为了避免水印引起卷取温度反馈控制的震荡,对实测的卷取温度进行滤波处理,即检测到的最近n个数据取平均值,之后再用于反馈控制。

9控制系统运行效果分析

卷取温度控制系统经过一段时间的参数调整及自学习,对于长期轧制的同一钢种、同一厚度规格的带钢,带钢全长卷取温度的控制精度可达到较好水平。

10结论

热轧带钢层流冷却过程是一个复杂的多变量、非线性、强耦合的过程,预设定模型的精度的高低对卷取温度控制质量起决定作用;终轧温度前反馈控制结合对带钢样本段的微跟踪进行,增加了前反馈控制的针对性;在精调区和粗调区同时进行速度波动的前反馈补偿,可以减轻精轧抛钢后的尾部温降太大的现象;对环境温度进行补偿可以提高停轧后重新再生产时第一块钢的控制精度;系统的控制精度取决于统计模型的精度,统计模型对带钢厚度的分类越细,控制精度越高。

参考文献:

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