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东 匕 大学硕士学位论文摘 要 中厚板控制冷却过程数学模型及控制策略研究 摘要 控制冷却是提高产品性能的一项重要技术措施， 目前在国内中厚板生产领域 中倍受关注。 本文结合国内 某中厚板厂控制冷却系统改造工程， 对中厚板控冷系 统的数学模型及相应的冷却控制策略进行了深入研究。 在学习和总结国内外控制冷却技术相关理论的基础上， 说明了中厚板的控制 冷却采用差分数学模型的必要性， 并对交替方向隐式差分模型作以简要介绍， 重 点对差分模型中的关键参数一水冷对流换热系数进行了研究。 结合现场实际对所 采用的水冷对流换热系数回归模型进行适当的修正， 对现场实测数据进行统计处 理，回归出模型系数，实现了该冷却差分模型的在线应用。 为不同冷却策略所控制的各个参量划分层别， 给出初始设定值， 减少了过程 机控制模型的计算量， 并在此基础上改进预设定模型、 一次修正设定模型和二次 修正设定模型，为实现控制冷却系统的全自 动控制奠定了良 好的基础。 冷却结果表明， 本文所研究的冷却数学模型和冷却策略应用效果良好， 在此 基础上实现了该层流冷却系统的全自 动控制， 并具有较高的控制精度; 该冷却系 统改善了产品的综合力学性能，为提高产品的质量做出了积极贡献。 关键词:中厚板;控制冷却;过程控制;数学模型;水冷换热系数;冷却策略 东北大学硕士学位论文 abs丁尺act s t u d y o n c o o l i n g m a t h e ma t i c a l m o d e l a n d c o n t r o l l e d s t r a t e g y f o r m e d i u m a n d h e a v y p l a t e abs tract c o n t r o l le d c o o l in g is a n im p o rt a n t t e c h n o lo g y m e a s u r e t o im p r o v e t h e p e r f o r m a n c e a n d q u a l it y o f t h e p r o d u c t . a n d it is p a id m u c h a t t e n t io n t o in t h e m e d iu m a n d h e a v y p la t e p r o d u c t io n a r e a s a t t h e p r e s e n t t im e . c o m b in in g o n e e n g in e e r i n g it e m o n c o n t r o l le d c o o l in g s y s t e m in s o m e m e d i u m a n d h e a v y p la t e p la n t , t h e c o o li n g m a t h e m a t ic a l m o d e l a n d c o o lin g c o n t r o lle d s t r a t e g y a r e s t u d ie d in t h is p a p e r . b a s e d o n s t u d y i n g a n d s u m m a r iz i n g t h e c o r r e la t iv e t h e o ry , t h e n e c e s s it y o f a d o p t in g d iff e r e n c e m a t h e m a t ic a l m o d e l i n m e d iu m a n d h e a v y p la t e is il lu m i n a t e d . a ft e r t h a t , a lt e r n a t in g d ir e c t io n im p l ic it d iff e r e n c e m o d e l is in t r o d u c e d a n d w a t e r - c o o lin g c o n v e c t iv e h e a t t r a n s f e r c o e ff ic ie n t is e m p h a s iz e d s t u d ie d . a c c o r d i n g t o p r a c t ic a l s it u a t io n , m o d if y t h e w a t e r - c o o lin g c o n v e c t iv e h e a t t r a n s f e r c o e ff ic ie n t r e g r e s s iv e m o d e l p r o p e r ly . b y s t a t is t ic p r o c e s s in g t h e m e a s u r e d d a t a , t h e m o d e l p a r a m e t e r s a r e r e g r e s s e d . t h e d iff e r e n c e m a t h e m a t ic a l m o d e l h a s b e e n a p p lie d o n l in e . t h e d iv is io n t a b le is c o n s t r u c t e d f o r t h e c o n t r o lle d p a r a m e t e r s o f e a c h c o o l in g s t r a t e g y a n d t h e c o r r e s p o n d in g in it ia l s e t u p v a l u e s a r e p r e s e n t e d t o r e d u c e t h e c a lc u la t io n t im e . f u rt h e r m o r e , t h e p r e - s e t u p m o d e l , t h e f i r s t m o d if y i n g m o d e l a n d t h e s e c o n d m o d if y in g m o d e l h a v e b e e n im p r o v e d , a n d it e s t a b lis h e d g o o d b a s is f o r t h e f u ll a u t o m a t io n o f t h e c o o l in g c o n t r o lle d s y s t e m . t h e c o o li n g r e s u lt s in d ic a t e t h a t t h e c o o lin g m a t h e m a t ic a l m o d e l a n d c o o lin g s t r a t e g y s t u d ie d in t h i s p a p e r h a v e o b t a i n e d g o o d t h e a p p ly in g e ff e c t s . f o u n d in g o n t h is , t h e la m in a r c o o lin g s y s t e m r e a liz e s f u ll a u t o m a t io n . it a c q u i r e s h ig h p r e c is io n , im p r o v e s t h e in t e g r a t e d m e c h a n ic a l b e h a v io u r o f t h e p r o d u c t s , a n d m a k e s p o s it iv e c o n t r ib u t io n t o im p r o v e t h e p e r f o r m a n c e a n d q u a l it y o f t h e p r o d u c t s . k e y w o r d s : m e d iu m a n d h e a v y p la t e ; c o n t r o lle d c o o l in g ; p r o c e s s c o n t r o l ; m a t h e m a t ic a l m o d e l ; w a t e r - c o o lin g h e a t t r a n s f e r c o e ff ic ie n t ; c o o l in g s t r a t e g y i i i 东北大学硕士学位论文声 明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。 论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人己 经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 本 人 签 名 : 才 w l ; 日期:2 0 0 4 年 2 月 1 5日 东 b 大学硕士学位论文 1绪论 1绪论 1 . 1课题的研究背景 控制轧制和控制轧后冷却是近些年来新发展起来的一项先进生产技术， 已广 泛应用到各个轧钢生产领域当中， 成为轧钢技术的主要发展方向。由于人们对控 制轧控冷的认识不断深化， 加之现代化的设备和检测控制手段在轧钢生产中的应 用， 控轧控冷技术日 趋完善，明显地改善和提高了钢材的强韧性和使用性能， 为 节 约 能 源 ， 简 化 生 产 工 艺 ， 节 省 合 金 、 开 发 钢 材 新 品 种 创 造 了 有 利 条 件 钾 中 厚 板 作为重要的钢铁产品种类之一， 在造船、管线、 锅炉、 容器、 桥梁等部门都有重 要的应用，合理有效地应用控轧控冷技术对于中厚板来说具有十分重要的意义。 控制冷却是继控制轧制之后提高产品性能的另一项重要技术措施， 己逐步成 为轧后必不可少的一道工序而受到广泛重视。 国外绝大多数中厚板厂早已应用控 冷装置， 并获得良好效益。 国内的中厚板厂在很长一段时期内仍保持原有的生产 工艺而未装备控冷设备， 有少数中厚板厂引进了国外的先进控冷设备， 但因不能 引进或消化其控制冷却的核心技术而未能充分发挥出控冷的功效。基于这种情 况， 我国很有必要开展这方面的研究工作，自行研制开发控冷装置以及配套的自 动控制系统。 近两年， 各中厚板厂充分认识到控制冷却的优越性， 相继装备控冷 设备，同时积极开发冷却控制系统。 冷却控制系统主要实现三个目 标: 合理的终冷温度、 合理的冷却速度和成品 的各向冷却均匀。 若想达到三个目 标的高精度要求， 仅仅依赖于一级基础自 动化 控制系统并非易事。随着计算机和自 动控制技术的发展，过程机控制崭露头脚， 通过控冷数学模型计算， 预先制定满足目 标要求的冷却策略， 及时准确地指导基 础自 动化执行控制， 大大提高了系统的控制精度， 同时也使得冷却过程的自 动控 制成为现实。 控冷数学模型和冷却策略是过程机控制系统的基石， 只有在精确的控冷数学 模型和合理的冷却策略的基础上， 过程机控制才有所依据， 准确地给出实现目 标 精度的冷却制度。 因此， 控冷数学模型和冷却策略的研究工作十分必要， 具有重 要的实际意义。 在国内 某中厚板厂四辊精轧机液压a g c及控轧、控冷自 动化控制系统改造 东北大学硕士学位论文1绪论 工程项目中， 装备控轧、 控冷自 动化控制系统， 实现控轧控冷技术的成功应用是 其中的核心任务。 本论文以该中厚板厂轧机技术改造工程中的控制冷却系统为研 究背景， 对中厚板控制冷却系统的数学模型及相应的控制策略进行了研究， 并结 合生产实际优化模型参数，改进冷却策略，成功地实现了在线应用。 1 . 2控轧控冷原理 调整控制轧制、控制冷却工艺参数得到尽可能细小的室温组织是控制轧制、 控制冷却工艺的最主要的目的。 控制冷却三个重要的工艺参数是开冷温度、 终冷 温度、 冷却速度， 其中，开冷温度和控制轧制的终轧温度有着密切联系，它是连 接控制轧制和轧后控冷的桥梁，而提高终冷温度的精度和实现要求的冷却速度， 是轧后冷却控制的中心任务。 这三个工艺参数主要依据材质和要求的组织及工艺 性能来确定，因此，掌握控轧控冷原理，理解其对钢材组织性能的作用， 对于实 现控制冷却系统的精确控制有重要的指导意义。 控制轧制和控制冷却是通过合理地控制热轧过程中的温度制度、 变形制度和 冷却制度等工艺措施， 使热塑性变形和固态相变有机地结合在一起以获得细小晶 粒组织， 从而达到提高钢材强度、 韧性和焊接性等综合力学性能的目 的 (2 - 4 1 传统的热轧只是被视为使钢材得到所需外形和尺寸的成形工序， 而主要通过 添加合金元素和轧后再加热热处理作为强化手段， 这些措施既增加了成本又延长 了生产周期， 而且往往是在提高强度的同时降低了韧性和焊接性能。 经过大量的 理论研究， 基本可得到这样一个共识: 细化晶粒组织是同时改善钢的强度、 韧性 和焊接性的最有效方法。控制轧制的本质即通过细化晶粒提高钢材的强韧性能。 和传统热轧相比， 控制轧制不仅要得到所需外形尺寸， 还通过控制钢的高温变形 细化奥氏体晶粒， 最终通过奥氏体一铁素体相变过程的加速冷却， 获得传统热轧 钢材通过热处理后才能达到的综合性能。 控制轧制是指从轧前的加热到最后轧制道次结束之前的整个轧制过程实现 最佳控制， 以使钢材获得良 好综合力学性能的轧制方法。 控制轧制可通过适当地 调整钢的成分，控制加热温度、变形制度 ( 轧制温度、变形量) ，在轧后得到细 化的晶粒组织，从而获得高的强度和韧性。通常将控制轧制工艺分为三个阶段: 第一阶段为奥氏 体 ( y ) 再结晶区轧制 ( 约 1 1 5 0 9 5 0 之间) 。 此阶段变 形与再结晶同时进行， 因加热而粗化的奥氏体晶粒经反复变形和再结晶而逐步细 化。 由 于此阶段是通过再结晶进行奥氏 体晶粒的细化， 实现奥氏体的进一步细化 东a b 大学硕士学 位论文 1绪论 较为困难，因此转变后的铁素体 ( a) 晶粒也不可能很细小。 这是控制轧制的准 备阶段。 第二阶段是奥氏 体 ( y ) 未再结晶区轧制 ( 约9 5 0 0c - a r 3 之间) 。 随着轧制 温度的下降， 奥氏 体再结晶被抑制， 当轧制变形进入y 未再结晶区时， 形变后的 y 不再 发生再结晶， 而呈现加工 硬化状态。 随 着压下量的 增加， 奥氏 体晶 粒伸长， 同时晶 粒内出 现大量形变带。y - a 相变时在y 晶 粒界和形变带上都产生。 核， 使a的形核点增多，。晶粒进一步细化。实际上y 形变带的产生相当于分割了y 晶粒，使相变后的。晶粒细化效果明显，这是控制轧制最重要的阶段。 第三阶段是在 ( y 十 a) 两相区轧制 ( 约a r 3- a r i 之间) 。 随着轧制温度的 继 续降 低，y 晶 粒开始发生 相变， 这 样未相变的y 晶 粒和部分相变后的a 晶 粒 均被 轧制变形， 未相变的y 晶粒更加伸长， 在晶 粒内继续形成形变带， 使a晶粒进一 步细化;己相变的a晶粒在形变后因回复而形成亚晶结构，进一步提高强度。 由于第三阶段是在低于相变开始温度a r 3 的情况下进行，属于低温轧制，同 时需要实现较大的变形量， 使轧机负荷增大， 为此， 控制冷却技术的研究与发展 应运而生;由于形变诱发相变， 使a r 3 温度提高， 特别是在未再结晶区这种作用 更为明显， 导致铁素体在较高的温度下析出， 轧后缓慢冷却会使铁素体晶粒长大， 致使力学性能降低，随着用户对钢板强度、低温韧性及可焊性的要求日 益提高， 仅用控制轧制工艺己无法满足， 从而导致了 控制冷却技术的研究及冷却装置的开 发。 控制冷却技术就是利用轧后余热进行热处理的技术， 通过改变热轧钢材轧后 的冷却条件来合理控制钢材的整个相变过程， 以控制相变产物的组织状态和组成 及碳化物析出行为等来改善钢材的组织和性能。 目 前， 再结晶区轧制+未再结晶区轧制的控制轧制配合控制冷却的方式是我 国 主要应用的控轧控冷方式。 其中 控制冷却的作用不可低估， 其优点主要有如下 几点: ( 1 ) 利 用轧后余热， 可取代轧后正火处 理和淬火加回火处 理， 节省了 二次 加 热的能耗，减少了工序，缩短了生产周期，从而降低了生产成本。 ( 2 ) 可降 低a r 3 温度， 造成更大的 过冷 度， 从而提高a 的 形核率， 并降 低a 晶 粒的长大速度，明显细化a晶粒，使珠光体片层间距明显减小，同时阻 止碳化物在高温下析出， 实现强度提高而不减弱韧性。这样， 可使控制 轧制仅采用前两个阶段， 配合控制冷却来组织生产，终轧温度提高到 东j 1; 大学硕士学 位论文 1绪论 a r 3 以上，降低了轧制负荷， 减少了轧制道次， 从而提高了轧机的产量。 ( 3 ) 可降低含碳量和合金含量， 达到降低碳当量的效果， 从而改善钢材的塑 性和焊接性。 ( 4 ) 可减少钢板的不平整度和残余应力， 防止因不均匀冷却造成的不均匀变 形所产生的扭曲和弯曲，还可以减少表面氧化铁皮的生成。 采用再结晶区轧制+未再结晶区轧制的控制轧制配合控制冷却的方式时， 一 般要求终轧温度在相变开始温度a r 3 值以上， 而控制冷却过程是控制钢板整个相 变过程， 根据不同的组织及工艺性能要求确定合适的终冷温度及冷却速度， 一般 可分为三个冷却阶段:一次冷却，二次冷却和空冷。 一次冷却是指终轧开始到开始发生相变温度范围内的控制冷却过程。 为控制 变形y 的组织状态， 阻止晶粒长大， 增加相变的 驱动力， 为相变做组织上的准备， 在这阶段中应采用快速冷却。经验表明，一次冷却的开冷温度越接近终轧温度， 越有利于形变/ 的相变过程。 二次冷却是指控制钢材相变过程中的冷却。根据不同的组织及工艺性能要 求， 冷却速度可在很大范围内变化。 二次冷却终止温度一般是控制在相变结束点， 也有不同的控制点，如 s i- m n 钢和含妮低合金钢是控制在 6 0 0 左右。 在相变全部结束之后， 通常采用空冷形式冷却至室温， 这是轧后控制冷却的 第三阶段，使a晶粒中来不及析出的碳化物在缓慢冷却过程中弥散析出。 对于低碳钢、 低合金钢一般采用一次冷却和二次冷却连续进行的方式， 快速 冷却终止温度控制在珠光体相变结束点， 然后空冷， 得到的室温组织是细铁素体 和细珠光体及弥散的碳化物。 1 . 3国内外控制冷却技术的发展概况 1 . 3 . 1 控制冷却技术发展概况 2 0 世纪6 0 年代以前， 为了缩短轧制后的冷却时间， 尽快达到目 标卷取温度， 出现了高压喷射形式的冷却装置， 广泛应用于热连轧生产线。 随着对冷却装置要 求的不断提高，高压喷射的一冷却效率不高;水消耗量大，水的反溅现象严重， 冷却不均匀; 对水质的要求较高， 喷嘴容易堵塞， 水的利用率较低一等等不足之 处逐渐不被容忍， 这即促成了层流冷却装置的问世。 层流冷却大大提高了冷却效 东 北大学 硕士学 位论文 1绪论 温度不一致的各部分之间产生热应力;同时各部分产生相变的时间不同， 相变产 物及其产物数量也就不同，这将产生组织应力。在热应力和组织应力的作用下， 容易使轧件发生变形。 同时冷却方式是指轧件整体全部进入冷却装置后， 同时向轧件全长喷水使之 达到要求的终冷温度。 冷却装置的长度应比最长的控冷轧件略长。 很显然， 这是 带钢冷却无法适用的一种方式， 一般适用于较厚较短的钢板。 为了避免冷却水始 终冲击一部分区域而冲击不到另一部分区域致使冷却不均， 应让轧件在冷却过程 中往复摆动。由于是同时向整张钢板喷射冷却水， 而且钢板往复摆动， 使冲击区 的均匀分布程度提高， 同时限制了冷却水沿板长方向的流动， 使冷却水在上表面 沿长度方向的流动得到了均整。 而钢板下表面被辊子遮蔽和非遮蔽部分交替接受 冷却水的冲击， 冷却均匀程度也有所提高。 可见， 同时冷却方式的冷却均匀程度 将比连续冷却方式更好。 但是， 实行同时式冷却需要冷却装置较长， 冷却水用量也相对加大， 并且由 于冷却时间相对较长而使轧制线变得紧张; 为保证轧制和冷却互不干扰， 冷却装 置须离开轧机一定的距离。 而连续冷却因冷却装置相对较短， 单位时间用水量较 小， 而且冷却节奏易与轧制节奏匹配， 冷却装置可以离轧机更近一些， 缩短了生 产线的长度等优点而得到了广泛应用。 一般厚板的冷却均采用连续冷却方式。但如果轧件较短，如能控制好板长、 板宽、板厚方向的冷却均匀性，采用同时冷却方式将得到更好的均匀冷却效果。 一些中 厚板厂的冷却装置兼备两种冷却方式， 当钢板较厚较短时， 采用同时冷却 方式;当钢板较长时，采用连续冷却方式。 1 . 3 . 2国内 控制冷却技术发展概况 2 0 世纪7 0 年代末，武钢 1 7 0 0 m m热轧带钢机从日 本全套引进层流冷却系 统，上部采用柱状层流冷却，下部采用喷水冷却。宝钢 2 0 5 0 m m ( 德国引进) 和 1 5 8 0 m m( 日 本引进)生产线也均采用柱状层流冷却，设备运行稳定，卷取 温度精度高。目 前，国内许多热轧带钢厂积极进行改造， 完善冷却设备，改进自 动化控制系统， 采用控制精度更高的数学模型和更先进的控制策略， 同时也开始 关注冷却速度这个重要的工艺参数，使得热轧带钢的冷却自 动控制系统更加完 善。 但国内各个中厚板厂的冷却控制情况相对落后。1 9 8 5年，鞍钢半连轧厂建 东北大学硕士学位论文1绪论 成国内第一套水幕冷却装置。 但由于此套装置的冷却区长度不足， 冷却能力不够， 冷却不均匀，达不到产品质量的要求。因此，该厂在 1 9 9 5 年的改造过程中将水 幕装置改成柱状层流。9 0年代，重钢五厂的中厚板生产线采用了控制轧制加可 控的水幕冷却装置， 邯钢、 柳钢、新余钢厂等也装有水幕冷却装置， 但都未能正 常使用7 l 。日 前， 首钢、 南钢都安 装了 集管层流冷却 装置， 并配有自 动冷却控制 系统， 得到了较好的控制效果， 对于国内冷却控制技术的发展起到了很大的推动 作用，一些中厚板厂正积极建设控制冷却系统。 1 . 3 . 3国内 外的冷却控制系统介绍 冷却控制系统首先应用在热连轧带钢生产当中， 随着计算机和自动化技术的 飞速发展， 带钢的冷却控制系统已 普遍实现了计算机自 动控制， 其中过程机控制 系统的投入使用， 使热连轧带钢的冷却控制技术又迈上了一个台阶， 控制精度有 很大 的 提高。 查阅 国内 外的 文 献资 料 2 5 - 2 8 1 ， 总结 各 个热 轧带 钢厂 所采用的 冷 却 控制系统， 可以发现尽管不同的带钢生产线， 应用的冷却装置各式各样， 其冷却 控制系统却大体一致， 基本都是包括前馈控制、 反馈控制、自 适应控制三大部分 ( 如图1 .6 所示) 。 卷取机 精轧机 图1 . 6热连轧带钢冷却控制系统构成示意图 f i g . 1 . 6 s t r u c t u r e d i a g r a m o f t h e c o o l i n g c o n t rol s y s t e m i n h o t r o l l i n g s t r i p m i l l 前馈控制的两个重要的功能就是预设定和跟踪修正。 预设定功能是在带钢进 东 能大学 硕士学位论文 1绪论 入精轧机时， 根据带钢精轧出口的预报温度、 速度、目 标厚度预先计算需要开启 的阀门的组数以及排布位置，以便跟踪修正时只对部分阀门的开/ 闭进行调整， 提高在线控制的及时性。 跟踪修正是在带钢头部到达精轧出口测温仪后， 对带钢 实施分段跟踪， 检测带钢各个区段实际的终轧温度、 速度和厚度， 如果实测值和 预报值之间存在偏差， 则应对根据预报值得到的预设定结果进行修正， 计算需增 减阀门的数量 ( 主要是调整后段冷却区阀门的开启数量) ，同时对每段进行位置 跟踪， 对不同段实行不同的修正控制， 开启对应需要增加的阀门使之正好喷到相 应的区段上或对应关闭需要减少的阀门。 反馈控制在冷却区中通常对应有一个单独的控制区域 ( 位于冷却区尾端) ， 该区内包括一定数量的阀门， 是通过比较实测的卷取温度和目 标卷取温度来调整 反馈区阀门的开i 闭，使得实测的卷取温度在目 标卷取温度上下振荡趋近，保证 同板温差在目 标范围内。 反馈具有滞后的特点， 每次的反馈量都是刚刚通过卷取 测温仪的带钢区段对应的实测卷取温度和目 标卷取温度比较的结果， 而这个结果 总是应用在该段之后马上要经过反馈区域的小段带钢上， 由于卷取测温仪距离反 馈区域较远， 这两段也相距较远， 所处的状态未必一样， 有时反馈控制的结果恰 恰适得其反，因此前馈控制比较成熟之后， 常常以前馈控制为主， 反馈控制仅作 微量调节。 自 适应控制是通过比较卷取温度的实测值和前馈给出的计算值之间的偏差， 对模型中的参数进行学习计算，以修正模型。 在实际工业控制中， 力求模型简单 化， 一般都是把现场诸多不可知的或难以精确描述的诸多因素归纳成一个或多个 参数， 放到模型中去， 但由于硬件环境以 及其它随机变化因素的影响， 使得这些 参数并不稳定， 如果固化归纳出的参数， 将使模型不能适应实时变化的环境， 计 算精度降低。当主要依赖前馈进行控制时，自 适应控制是非常好的辅助手段， 不 断修正模型系数， 从而获得较高的前馈预设定精度。自 适应控制一般分为短期自 适应和长期自 适应。 短期自 适应用于修正同一轧制批号的后续钢卷， 长期自 适应 用于修正换规格后下一轧制批号的第一块带钢。 中厚板的冷却控制系统起步较晚， 国内许多中厚板厂虽装有控冷装置， 但大 多数处于人工控制状态， 不能实现自 动控制。目 前， 正有几家中厚板厂积极开发 冷却自 动控制系统， 并取得了较大的进展。 中厚板的冷却控制系统主要采用前馈 控制， 并通过自 适应控制修正模型， 提高精度。 应该说， 其前馈控制和自 适应控 制的构成原理都和热轧带钢的相应控制差不多。 由于厚板长度较短， 而且冷却区后测温仪与冷却区末端有一定距离， 当 钢板 东比大学硕士学位论文i绪论 前部分到达冷区出口测温仪时， 对于较厚的钢板而言， 大部分钢板都已离开了控 冷区， 其得到的反馈量， 对于即将离开控冷区的绝大部分钢板来说已失去了效用， 加之滞后的缺点， 反馈不能很好地发挥功效。 所以，目前中厚板的冷却控制系统 中没有反馈控制功能。 1 .4本文研究的目的和内容 1 .4 . ， 研究目的 本论文主要对中厚板控制冷却系统的数学模型及相应的控制策略进行了研 究， 建立适合现场实际条件的数学模型， 制定合理的冷却控制策略， 实现在线应 用并实现较高的控制精度。 1 . 4 . 2 研究内容 本论文研究的重点即控冷数学模型和控制策略两大主题， 具体的研究内容包 括以下几个方面: ( 1 )研究控制冷却基本原理和钢板在冷却过程中的 传热机理; ( 2 )阅读国内外相关文献资料，了 解中 厚板控制冷却的发展概况，掌握先 进技术知识; ( 3 )熟悉轧制生产线设备组成和工艺流程， 理解掌握工艺对控冷系统功能 和精度提出的要求; ( 4 )根据生产实际对选取的空 冷、水冷数学模型进行深入研究，统计现场 实测数据，回归出数学模型中的关键参数，并通过在线应用不断优化 模型参数; ( 5 )结 合生产实际 制定合理的 冷却 控制策略， 并实现在线应用; ( 6 )分析数学模型和控制策略的在线应用效果，用以 说明该冷却系统所能 达到的控制精度。 东 北大学硕士学位论文 2中厚板控制冷却系 统 2中厚板控制冷却系统 2 . 1某中厚板厂层流冷却设备组成及特点 2 . 1 . ， 控制冷却系统设备的组成 某中厚板厂 采用的是高密直集管层流冷却装置，其布置简图如图2 . 1 所示， 该装置位于四辊精轧机和矫直机之间，全长2 8米，总共有 2 8组集管，每组的 集管宽度为 3 .2 m，集管等间距分布 ( 间距为， . 0 m) ，每组集管包括一个上集管 和一个下集管， 均是直管式， 其上集管为层流形式， 下集管为喷射形式。 为了满 足不同的冷却速度要求，整套装置装有两种不同喷嘴直径的集管，2 8组中前 9 组和后 7组是大集管，所装的喷嘴直径分是:上喷嘴为 m 1 3 mm，下喷嘴为 0 1 6 m m;中间1 2 组是小集管， 其喷嘴直径分是:上喷嘴为0 8 m m，下喷嘴为 m1 2 m m。冷却装置的结构示意图如图2 .2 所示。 四 辊 轧 机 热 。 属 。 。 。日 。 外 。 。 。日 : 射 。 。 ， 仪且扫 。 式 红 外 ， 。 仪 图2 . 1某中厚板厂生产线布置简图 ( 截取和控制冷却相关的部分) f i g . 2 . 1 d i a g r a m o f p r o d u c e l i n e l a y o u t i n s o m e p l a t e p l a n t ( c h o o s e t h e p a rt c o r r e l a t i v e wit h c o n t r o l c o o l i n g ) 大集管 ( 9 组) 小集管 ( 1 2 组大集管 ( 7 组) 上 集 管1 1 . i i i i i i i 1 ! i i i i i i i i i i . i i i i i ， 另洲鼓州点裱. . r . . . r r r r r r r r 下集管 图2 . 2层流冷却装置结构示意图 f i g . 2 . 2 s t r u c t u r e d i a g r a m o f t h e l a mi n a r c o o l i n g e q u i p m e n t 东 北大学硕士学位论文 2中厚板拉制冷却系统 该冷却装置的每组集管上还装配一个边部遮蔽调宽装置，调节宽度为 1 5 0 0 m m - 3 2 0 0 m m。此外，在冷却区前后、7 # , 8 # 集管之后和 2 0 # , 2 1 # 集管 之后安装四对交错高压水侧喷装置和在冷却区后装有压缩空气侧吹装置 ( 见图 2 .2 ) 。 侧喷的作用是为了提高上部层流集管的冷却效率， 吹掉带钢上表面上集聚 的高温水， 置换新水， 将带钢上表面的冷却水截挡在指定的区域内。 空气吹扫装 置作用是吹掉钢板表面上残留水， 确保热金属检测仪( h m d ) 和红外测温仪的可靠 工作。 在冷却装置前后还配有热金属检测仪( h m d ) 和红外测温仪， 它们也是控制冷 却系统中不可缺少的重要组件。h m d的主要作用是向控冷系统提供钢板的位置 跟踪信号。 轧机后红外测温仪为控冷模型提供实际的终轧表面温度及卡量后钢板 表面温度; 控冷区前红外测温仪用于测量钢板冷前的表面温度; 控冷区出口的上 下红外测温仪分别测量冷后钢板的上下表面温度; 一般钢板在冷却后， 中心和表 面存在温差， 在控冷后的空冷过程中， 表面的温度上升， 直到中心和表面的温度 梯度达到在空冷条件下的平衡状态， 此时钢板表面温度达到最高值， 即返红温度。 因此在距离控冷区出口较远处还安装一台扫描式测温仪，用于测量钢板返红温 度。 2 . 1 . 2 控制冷却系统设备的结构特点 ( 1 ) 无论大小集管， 其上集管有， 0 8 个喷嘴， 等间 距交错排成四列; 下集管 有1 2 7 个喷嘴， 等间距交错排成五列， 瞬时最大用水量为8 0 0 0 m 3 / h r ( 设 备最大能力可达1 0 0 0 0 m 3 / h r ) ，因此称为高密直管式层流冷却装置， 它 较u型管相比，具有冷却能力强、制造精度高、层流稳定、不易堵塞及 方便更换等优点，同时层流管可拆卸，便于清理检修。 ( 2 ) 每组 集管 装置可单独控 制， 这 样， 可通过各组不同 流量的高密 度直 管的 组合来实现不同的冷却速度，控制方式灵活，可以满足不同钢种的控制 需要。 ( 3 ) 每组集管的 上下集管也可分别 控 制， 则可根 据实际情况， 调 整上 下水量 比值，实现上下表面温度均匀。 ( 4 ) 冷却装置具有中 部凸度水量的设计，同时利用调宽装置对钢板执行冷却 的宽度进行设定，从而有效地防止钢板边部过冷及横向冷却不均匀。调 宽装置采用链传动，可适应各种恶劣条件。 东 北大学硕士学位论文z中厚板控制冷却系 统 ( 5 ) 每组集管均设有自 动水冷装置， 可防止热变形;且设有自 动冲洗装置 可排除箱体内的脏物。 ( 6 ) 高于地坪1 3 m的高位水箱可提供更高的 供水压力， 能有效地击破厚钢板 表面的蒸汽膜，提高下部喷管冷却能力使较厚钢板可得到有效的冷却。 综上所述， 该高密度直集管控制冷却装置可实现较宽的的冷却速度范围， 能 够有效保证钢板长度、 宽度和上下表面的冷却均匀性， 从而满足该中厚板厂的实 际生产需要。 2 . 2某中厚板厂层流冷却控制系统 2 . 2 . 1 冷却控制系统总体概况 某中厚板厂四辊精轧机改造后的计算机控制系统是二级计算机系统， 其一级 计算机系统 ( 基础自 动化控制系统)包括轧机 h a g c基础自 动化系统和控制冷 却基础自 动化系统，二级计算机系统 ( 过程控制系统) 包括轧机 h a g c过程控 制系统和控制冷却过程控制系统。 其中， 冷却控制系统的基础自动化级和过程控 制级自 成一套控制系统， 通过工业以太网和轧机控制系统进行通讯。 冷却控制系 统结构关联图如图2 . 3所示。 控制冷却系统的主要功能是根据工艺性能要求， 由过程机进行模型运算， 确 定满足工艺要求的冷却方式、 阀门开闭的数量和排布形式， 作为设定结果传给一 级机， 由 一级机来控制冷却装置执行设定结果， 实现冷却过程的计算机自 动控制。 该控制冷却系统主要具有前馈控制和自 适应控制功能， 其中以前馈控制为主 体， 通过控制控冷辊道速度、 集管流量、 集管开启数目 及排布方式、 边部遮蔽量 以及上下水量比等参量来实现冷却控制; 自 适应通过对模型参数进行学习修正来 提高控制模型的精度， 提高前馈控制对实时变化因素的适应性。 系统的控制目 标 主要是实现工艺要求的目标冷却速度和目 标终冷温度以及实现冷却后钢板的横 向温度、纵向温度及上下表面温度均匀。 东 北大学硕士学 位论文 2中厚板拉制冷却系统 二 级 机 冷 却 过 程 控 制 模 型 冷却报告 控冷数据库 人机界面 过程跟踪实测数据处理器 二 二 丁二 二二 二. 二 二口 二 二二 二二 二二 二二 丁 一级机 s 7 - 4 0 0 ( p l c ) 匕 _ _ _ _ _ 阵 _ _ _ 一 冷却设备及相关检测仪表 图2 . 3冷却自 动控制系统结构关联图 f i g . 2 . 3 d i a g r a m o f r e la t i o n s h i p a m o n g e a c h p a rt o f c o o l i n g a u t o - c o n t r o l s y s t e m 控制冷却系统具体有三种控制方式:手动、半自 动和全自 动。 手动方式: 控冷过程机不参与控制，由操作工设定集管流量大小、 边部遮蔽 宽度、上下集管流量比和辊道速度值，集管的开1 闭、侧喷的启停以及控冷辊道 的启停也由操作员控制， 一级机依据操作工的控制指令来具体执行控制， 吹扫的 启停自 动控制。 半自 动方式: 集管流量大小、 边部遮蔽宽度、 上下集管流量比和辊道速度值 可由 操作员直接设定或是通过调用过程机模型给出上述各量的设定值， 集管的开 / 闭、 侧喷和吹扫的启停以及控冷辊道的启停由一级机自 动控制。 全自 动方式: 集管流量大小、 边部遮蔽宽度、 上下集管流量比和辊道速度值 由过程机设定，集管的开/ 闭、侧喷和吹扫的启停以及控冷辊道的启停山一级机 自 动控制，在此种状态下人工千预无效。 2 . 2 . 2 控制冷却基础自 动化系统 控制冷却基础自 动化系统的主要功能是接受操作工或是过程机控制模型给 出的 设定信号， 实现各集管精确定时开闭、 各集管水流量控制以及辊道速度和加 东北大学硕士学位论文z中 厚板控制冷却系 统 速度调整控制， 并实时采集各实测数据返给过程机， 及时反馈控制效果。 具体可 实现下列功能: ( 1 ) 对 一钢板头尾进行位置跟踪，实现各组集管喷嘴的开闭精确时序控制以 及 钢板头尾低温区的遮蔽控制; ( 2 ) 实时采集和处理数据 ( 包括钢板入口 上表面温度、出口 上下表面温度、 返红温度、冷却水温度、辊道实际速度、 集管气动薄膜阀的实际开口 度 等) ; ( 3 ) 控制各组集管流量 ( 具体控制集管气动薄膜阀的开口 度) ; ( 4 ) 控制控冷辊道速度及加速度; ( 5 ) 控制边部遮蔽自 动调宽装置; ( 6 ) 控制 侧喷和吹扫的启停; ( 7 ) 定时 触发自 动水冷装置，防止集管发生热变形; ( 8 ) 系统故障检测、记录、 编号、 管理、 系统报警。 2 . 2 . 3 控冷过程级控制系统功能构成 控制冷却过程级控制系统的主要功能是通过对钢板的跟踪， 于不同时刻触发 控冷模型进行运算， 给出满足工艺要求的冷却方式、 阀门开闭的数量和排布形式， 作为设定结果传给一级机， 并从一级机获取温度、 辊道速度等实际数据， 分析处 理后通过自 学习来优化控制冷却模型。具体实现功能如下: ( 1 ) 钢板的位置及其状态跟踪; ( 2 ) 为冷却 控制模型获取 初始数据 ( 即p r im a ry d a t a i n p u t ， 简写 为p d i ) , 主要包括钢板身份证号，化学成分，钢种，成品厚度、宽度、长度，开 冷温度，终冷温度，冷却速度; ( 3 ) 调用冷却控制模型进行预设定、实时修正 和自 学习计算; ( 4 ) 对一 级 机传来的 实 测 温度数 据进 行处 理， 用于自 学习 来优化 模型; ( 5 ) 提供数据报表、分析报告以 及各 种数据记录; ( 6 ) 和其它过程机、 基础自 动化计 算机、 监控终端进行数据通讯; ( 7 ) 具备友好的人机界面， 进行操作 显示、各 种数据显示及人工干预， 具有 事故自 动诊断和自 动记录、报警功能。 过程跟踪和控冷模型计算给出规程是控冷过程机的两大主要功能， 下面分别 介绍其具体实现的功能。 东北大学 硕士学位论文z中厚板控制冷却系统 2 . 2 . 3 . ，过程跟踪 控制冷却的过程跟踪主要有如下功能: 对控冷辊道上的钢板位置及其状态进 行跟踪: 对控冷设备的运行状态进行跟踪; 对一级机所传递的实测数据进行管理; 根据钢板在控冷辊道上的位置， 触发控冷模型预设定计算、 一次修正计算、 二次 修正计算和自 学习计算; 将模型计算的结果传给基础自 动化执行; 对人机界面的 指令和一级机传递的消息做出相应的响应; 协调轧机过程机的轧制节奏; 生成冷 却报告。 过程跟踪起着二级系统管理者的作用， 它对一级机的检测消息做出响应， 同 时将模型给定的控制模式传给一级机，是过程控制模型与基础自 动化的通讯中 枢。 过程跟踪也是保证控制冷却过程有序进行的前提， 模型计算依赖于跟踪逻辑 的触发。 过程跟踪实时从轧制线采集相关的信息一主要是轧机后红外测温仪和待 温段后的热金属检测仪( h m d ) 、冷却设备前红外测温仪及 h m d 、 冷却辊道速度 与加速度、 冷却设备后红外测温仪洲m d及扫描式红外测温仪等检测仪表的信号 数据， 依据这些信息， 对轧制线上的轧件进行跟踪， 一方面为操作工显示正确的 轧件位置和有关数据， 另一方面依据实际轧件不同位置， 触发计算机中相应的程 序，进行计算，指挥过程机工作有序的进行。 2 . 2 .3 . 2过程控制模型 冷却过程控制模型最主要的任务是为冷却控制提供满足工艺要求的冷却规 程， 它主要包括预设定计算模型， 修正设定计算模型和自学习计算模型， 冷却过 程控制模型结构如图2 .4所示。预设定计算模型是根据 p d i 数据，给出使钢板 达到冷却目 标的冷却规程。 修正设定计算模型是根据现场实际数据， 给出使钢板 达到冷却目 标的冷却规程。自 学习计算模型是根据钢板冷却前后的实测温度， 对 模型参数进行学习修正， 具体包括冷却区前空冷自 学习、 水冷自 学习、 冷却区后 空冷 ( 返红)自 学习、上下水量比自 学习和边部遮蔽自 学习。 东 北大学 硕士学位论文 z中 厚板刁 空 制冷却系 统 自学习计算 初始数据准备 预设定计算 终了处理 r it +j 蒯集流及闭一 拙各管量开. 么 ii ii ii iiiiiiiii iiiiiiiiiiii a 盛 巴川 且 川 以 让 山】 川川川a 高密直集管 四辊轧机 热 金 。测 仪口 红 外 ，仪日 射 线 m ix 仪旦扫 描 式 红 外 “仪 图2 .4冷却过程控制模型结构图 f i g . 2 . 4 s t r u c t u r e d i a g r a m o f c o o l i n g p r o c e s s c o mp u t e r c o n t r o l s y s t e m 其中，预设定模型和修正设定模型主要是为系统的前馈控制提供冷却规程， 共同构成了前馈控制模型; 而自 学习计算是系统实现自 适应控制的基础模型。 因 此， 可以说冷却过程控制模型是整个控制系统的基础， 模型的精度直接决定着整 个系统的 控制精度。 本文主要研究的是冷却数学模型和冷却策略， 而前馈控制模 型的构成正是这两部分的有机组合: 通过冷却数学模型计算， 制定满足工艺要求 的冷却策略; 之后， 依据已定的冷却策略， 再用冷却数学模型计算，