（材料加工工程专业论文）热轧带钢层流冷却控制系统的开发与应用.pdf

：0 t j v s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gd i a n h u a l e c t u r e r p e n gl i a n g g u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 f，1i“ 一 独创性声明 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他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 期：岬并- 7 舄t 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学雠文储躲牺军 签钿期：卅再7 其i 目 导师签名： 签字日期： 一 心 j 东北大学硕士学位论丈摘要 热轧带钢层流冷却控制系统的开发与应用 摘要 热轧带钢卷取温度直接影响成品带钢的微观组织和性能，而卷取温度的控制 精度主要取决于层流冷却系统的控制。本文以某1 7 0 0 热轧厂层流冷却控制系统改 造项目为背景，以带钢层流冷却控制系统为研究对象，从传热学机理出发，建立 了现场使用的层流冷却数学模型。自从在线运行以来，改造后层流冷却系统运行 稳定、可靠，控制精度高，显著提高了产品的性能。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 从经典传热理论出发，分析该热轧厂层流冷却系统改造前数学模型的原 理、具体形式以及模型的特点，建立了现场使用的层流冷却系统数学模型。 ( 2 ) 介绍该厂原层流冷却控制系统的结构、功能和冷却策略等，分析原系统控 乙 制精度较低的原因。针对该厂实际情况对层流冷却控制系统进行改造，开发新层 流冷却控制系统。改造后层流冷却控制系统包括预设定计算、修正设定计算、反 馈控制、前馈控制和自学习等功能，并对这些功能进行详细分析和介绍。 ( 3 ) 该厂原层流冷却系统存在厚规格带钢表面带水、板形瓢曲等现象，严重影 响了卷取温度的控制精度。新系统开发了二十余种冷却策略供选择使用，有效解 决了上述问题，保证了产品的性能。 ( 4 ) 在升速轧制制度下，带钢在层流冷却区内既有较大升速，也有较大降速， 需对带钢速度进行前馈补偿控制。针对带钢在层冷区内升速和降速两种情况分别 以不同的计算方式预报带钢样本速度，现场应用表明这种预报带钢速度的方法是 有效的，实现了较高的卷取温度控制精度。 ( 5 ) 数据保存采用o r a c l e 9 i 数据库，数据库客户端通过配置监听器访问数据库 服务器，为了方便查询和分析数据，采用v i s u a lb a s i c2 0 0 5 开发了数据查询系统。 为了便于对系统维护，采用v i s u a lc + + 语言开发了模型维护工具。 ( 6 ) 改造后层流冷却系统自从投入在线运行以来，在带钢速度和终轧温度波动 较大的情况下，该系统仍然运行稳定，具有较高的卷取温度控制精度，显著改善 了产品的质量和性能。 屯 关键词：热轧带钢；层流冷却；数学模型；冷却策略；卷取温度；控制系统 - 、 j 九 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f c o n t r o ls y s t e mo f l a m i n a r c o o l i n gi nh o ts t r i pm i l l a b s t r a c t t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fah o ts t r i pa r ed i r e c t l yi n f l u e n c e d b yc o i l i n gt e m p e r a t u r e t h ea c c u r a c yo ft h ec o i l i n gt e m p e r a t u r em a i n l yd e p e n d s o nt h e l a m i n a rc o o l i n gc o n t r 0 1 as e r i e so fc o n t r o lm o d e l sf o rl a m i n a rc o o l i n gs y s t e ma l e d e v e l o p e db a s e do nt h eh e a tt r a n s f e rt h e o r ya n dt h ea l t e r a t i o no fl a m i n a rc o o l i n gc o n t r o l s y s t e mo fa17 0 0h o ts t r i pm i l l s i n c et h eo n l i n eo p e r a t i o n ，t h en e wl a m i n a rc o o l i n g s y s t e mh a sb e e nr u n n i n gs t a b l ea n dr e l i a b l e 谢t hah i l g hp r e c i s i o n ，a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fh o tr o l l e ds t r i p sa r ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s a n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nc l a s s i c a lh e a tt r a n s f e rt h e o r y , c h a r a c t e r i s t i c so fm a t h e m a t i cm o d e l so f t h eo l dl a m i n a rc o o l i n gc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dn e wm a t h e m a t i cm o d e l sa r e d e v e l o p e d ( 2 ) s y s t e ms t r u c t u r e ，f u n c t i o n sa n dc o o l i n gs t r a t e g i e s o ft h eo r i g i n a ll a m i n a r c o o l i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，a n dr e a s o n sf o rt h el o wa c c u r a c yo f t h eo r i g i n a ll a m i n a r c o o l i n gs y s t e ma r ea l s oa n a l y z e d n e wl a m i n a rc o o l i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d b a s e do nt h e a c t u a ls i t u a t i o na n dc o n s i s t so fm a n yf u n c t i o n sw h i c ha r ed e t a i l e d d e s c r i b e di nt h ep a p e r , s u c ha sp r e s e t u pc a l c u l a t i o n ，m o d i f i c a t i o ns e t u pc a l c u l a t i o n ， f e e d b a c kc o n t r o l ，f e e df o r w a r dc o n t r o la n ds e l f - l e a r n i n g ，e t c ( 3 ) p h e n o m e n as u c ha sr e s i d u ew a t e ro nt h es u r f a c eo ft h i c k e rs t r i p s ，s h a p eb u c k l e a f t e rc o o l i n g ，a f f e c tt h ec o i l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ld e e p l ym o r et h a nt w e n t yc o o l i n g s t r a t e g i e sw h i c hh a v es o l v e dt h e s ep r o b l e m sa r ed e v e l o p e di nt h en e wc o o l i n gs y s t e m ( 4 ) t h es p e e do fs t r i p si nt h ec o o l i n ga r e aa l w a y sc h a n g e st oi n c r e a s eo rd e c r e a s e t oc o n t r o lt h ec o i l i n gt e m p e r a t u r em o r ep r e f e r a b l e ，s p e e df e e df o r w a r dc o m p e n s a t i o n m u s tb ec o n s i d e r e d a v e r a g es p e e do fs t r i ps e c t i o ni sp r e d i c t e da c c o r d i n gt oa c c e l e r a t e r o l l i n g o rd e c e l e r a t er o l l i n g p r a c t i c e a p p l i c a t i o np r o v e st h a t t h i ss p e e dp r e d i c t i o n ，m e t h o di se f f e c t i v ea n di m p r o v e st h ep r e c i s i o no f c o i l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 ( 5 ) d a t aa r es a v e di nt h eo r a c l e 9 id a t a b a s e ，a n dt h ed a t a b a s ec l i e n tg e t sa c c e s st o i i i ，么 i v 、 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要 a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景l 1 2 热轧带钢控制冷却技术发展概况3 1 2 1 控制冷却方式简介。3 1 2 2 控制冷却设备发展概述4 1 2 3 层流冷却控制系统发展概述7 1 3 本文研究的目的及内容8 1 3 1 本文的研究目的9 1 3 2 本文的研究内容。9 第2 章层流冷却系统的数学模型1 1 2 1 传热学基础理论1 1 2 1 1 辐射换热1 l 2 1 2 对流换热1 2 2 1 3 热传导1 3 2 2 层流冷却数学模型1 4 2 2 1 原层流冷却控制系统数学模型1 4 2 2 2 新层流冷却控制系统数学模型1 7 2 3 本章小结2 3 第3 章层流冷却控制系统及功能实现一2 4 3 1 层流冷却设备及工艺条件2 4 3 1 1 层流冷却设备布置状况一2 4 3 1 2 层流冷却工艺条件2 4 3 2 原层流冷却控制系统介绍2 5 3 2 1 控制系统配置2 5 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 2 控制系统功能2 5 3 2 3 层流冷却方式及模式2 6 3 2 4 控制效果2 6 3 3 新层流冷却控制系统概述。2 7 3 4 层流冷却控制系统的冷却策略2 9 3 5 层流冷却控制系统的功能实现3 4 3 5 1 计算准备处理功能3 4 3 5 2 预设定计算功能3 7 3 5 3 修正设定计算功能4 0 3 5 4 反馈控制4 3 3 5 5 前馈控制4 5 3 5 6 自学习计算4 6 3 6 本章小结4 7 第4 章层流冷却系统速度前馈补偿的应用4 9 4 1 速度前馈补偿思想4 9 4 2 再设定计算5 1 4 3 集管组态编集合成5 3 4 4 带钢速度跟踪制度的优化5 3 4 4 1 过程机对带钢尾部速度跟踪的优化5 4 4 4 2 基础自动化对带钢尾部控制的优化5 5 4 5 本章小结5 7 第5 章层流冷却系统现场应用及效果分析5 8 5 1 层流冷却系统的人机界面。5 8 5 2 层流冷却系统的数据保存和管理6 0 5 2 1 数据保存。6 0 5 2 2 数据查询和分析6 2 5 3 模型维护工具开发6 4 5 4 在线应用效果分析6 6 5 5 本章小结6 9 东北大学硕士学位论文目录 第6 章结论7 0 参考文献7 l 致谢7 4 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 钢铁产业是国民经济的重要支柱产业，涉及面广、产业关联度高、消费拉动 大，在经济建设、社会发展、财政税收、国防建设以及稳定就业等方面发挥着重 要作用。 由于带钢热轧生产的高产量和高效益，带钢热连轧机的建设已经成为钢铁企 业提高产量，增加经济效益的首选建设项目。自从1 9 2 4 年第一套带钢热连轧机 ( 1 4 7 0 m m ) 在美国阿斯兰问世以来，虽然热轧带钢生产线的投资较大，但短期内在 世界各国得到了迅速发展。据统计，从1 9 7 8 年武钢1 7 0 0 m m 热连轧生产线建成投 产至2 0 0 8 年上半年，我国已建和在建的常规热轧宽带钢轧机共计5 9 套( 含中厚板 坯连铸连轧机) ，设计产能1 9 3 亿t ；连铸连轧机共计l l 套，设计产能2 6 2 0 万t o e 。 我国是钢铁生产和消费大国，粗钢产量连续1 3 年居世界第一。进入2 l 世纪 以来，我国钢铁产业快速发展，粗钢产量年均增长2 1 1 。2 0 0 8 年，粗钢产量达 到5 亿吨，占全球产量的3 8 ，国内粗钢表观消费量4 5 3 亿吨，直接出口折合粗 钢6 0 0 0 万吨，占世界钢铁贸易量的1 5 。2 0 0 8 年下半年以来，随着国际金融危机 的扩散和蔓延，我国钢铁产业受到严重冲击，出现了钢铁需求陡势下滑、价格急 剧下跌、企业经营困难、全行业亏损的局面，钢铁产业稳定发展面临前所未有的 挑战【3 】，钢铁市场已由卖方市场转为买方市场，用户的要求越来越苛刻，竞争日趋 激烈。 带钢的尺寸控制技术已经逐渐成熟，金属的性能指标越来越成为钢铁行业的 竞争焦点。热轧带钢卷取温度是影响热轧带钢组织性能的关键因素之一。而热轧 带钢的实际卷取温度是否能控制在要求的范围内，则主要取决于对精轧机后带钢 冷却系统的控制。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 以保证热轧带钢卷取温度达到规定的目标温度范围，提高卷取温度控制精度一直 是热连轧领域关注的重要问题1 4 j 。 目标卷取温度随钢种的不同而变化，即使同种钢种，碳等合金元素的含量 不同，卷取温度也应作相应的改变。多数钢种的卷取温度在6 8 0 。c 以下，约为 6 0 0 6 5 0 。但有些钢种往往超出此温度范围，例如硅钢的卷取温度超过7 0 0 ， 而某些贝氏体钢的卷取温度为4 0 0 。卷取之后，带钢的金相组织已定型，可以缓 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 慢冷却，而缓慢冷却对减小带钢的内应力是有利的。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，影响带材性能垆j 。 通过层流冷却段长度的动态调节，可使带钢温度从精轧出口较高的终轧温度 冷却到接近工艺所确定的目标卷取温度，层流冷却的合理使用，可有效地改善板 带的金相组织、提高晶粒度的级别，抑止板带的带状组织，改善其横向、纵向性 能差，使板带的屈服强度、抗拉强度有较大的提高，同时其伸长率仍能保持在较 高的水平上【6 1 。 考虑到大多数带钢的质量，采用连续冷却，相变的开始温度越低，铁素体的 形核率就会越高。所以冷却速度越快，形核率越高，晶粒度就越小，再加上珠光 体层间距减小，钢的强度增大。另一方面，冷却速度低，形核率就小，造成晶粒 度大，则钢板的屈服强度相对较低。 带钢精轧温度一般约为8 0 0 9 0 0 ，而高取向硅钢的终轧温度为9 8 0 。通常， 带钢在1 0 0 多米长的输出辊道上运行时间为5 1 5 秒。为了在这么短的时间内使带 钢温度降低2 0 0 。3 5 0 。c ，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( 7 0 8 0 m ) 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，并对水量进行准确控制，可以满足卷取 温度的要求。 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。 为了提高冷却效果，曾提出过各种冷却方式。试验证明，层流冷却的冷却效 果比较好。它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。与上部冷却相对应，在 冷却辊道的每两根辊道之间设置了位置交错的集管，加强冷却效果。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，从而带走大量的热( 其 冷却效率比喷射冷却提高3 0 。4 0 ) ，来达到冷却之目的。2 0 世纪6 0 年代以来， ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 所建的热轧带钢卷取温度控制系统，绝大部分都采用层流冷却，因此对层流冷却 系统的研究和应用已成为研究热连轧机的必要环节，在国内外普遍受到重视 7 1 。 1 2 热轧带钢控制冷却技术发展概况 1 2 1 控制冷却方式简介 控制冷却方式概括起来主要有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化冷 却、喷淋冷却、板湍流冷却、水一气喷雾法加速冷却、直接淬火等几种冷却方式。 各种冷却方式都有其各自的优点和缺点，见表1 1 ，采用哪种冷却方式应根据具体 工艺环境和限定条件确剧8 。 表1 1 几种冷却方式的特点 t a b l e1 1f e a t u r e so fc o o l i n gm o d e s 冷却方式优点 缺点适用范围 水流为连续的，没有间断现象呈 压力喷射冷却蠢霉篓雾霈割韶翟编卫警雯 面冷却差别显著。 层流冷却 水幕冷却 雾化冷却 喷淋冷却 比冷却特性很低：冷却效率不 高；水消耗量大，水的匕溅严适用于一般冷却或因 重，冷却不均匀；对水质的要其穿透件好而适用于 求较高，喷嘴容易堵塞，水的水汽膜较厚的环境。 利用率较低。 冷却区距离长；集管之间有一 茔竿曩蔷譬蠢高翁驾鸶夕强： 萎笔菱耋鎏蓁裂囊鼻薹蓁鍪覆蓄誓签! l 寸如热轧 较大且难维护。 篓雾茎黍粼蚕霎素：f寄落希薷鑫翁蓑爱凳磊|薹罢雾蠢in囊翼雾 状态，冷却速度快，冷却区距离 带钢上一表面、整个冷却区冷罢鬻凳：吖掣；。等 短，对水质的要求不高，易维护。却不均；可调节的冷却速度范 最! 皇景旺凳矬犁雾2 涂絮冀瓣1 2 3 0 s ，有围较小。吴蔫鬲耘器藉发芝翟 时高达8 0 s 嚣骑霉笥= 巧惩僭 用加压的空气使水流成雾状来 冷却钢板，冷却均匀，冷却速度 调节范阐大，可实现单独风冷、 弱水冷和强水冷。 需要供风和供水两套系统，设 备的线路复杂，噪音较大；对 空气和水要求严格；车间的雾 汽较大，设备容易受腐蚀。 适用于从牢水冷到慢 水冷极宽的冷却能力 范围，尤其适用连铸 的二次冷却带。 瓣器萋二戮辫黼瓣蒙膦；僦。 冷却的钢板，比高压冷却喷嘴冷翌嘉跫繁。裂名z 皂j 羔翟芸5 目前应用较少。 却均匀，冷却能力较强。 。7 b 田7 j j 门、，贝h o 耍水移( 阔。 轧制后的钢板直接进入水中进 板湍流冷却行淬火或快速冷却，冷却速度可 达到3 0 s 。 凳挈速度的调节范围小，水量 目前应用较少。 较大o “”“1 “7 。 适用于极厚板或低抗 銮二：! 雾法寻蓑蒋薷型麓薷差荐糕幂需要供风供水虢设备躲m 姗p a ) ，髫煞艘 快速冷却 省冷矫成本。 珠光体贝氏体显微组 织。 一 直接淬火 黧一萃潞要鬻嬲薹 可焊性能；确保钢板低温韧性。 l 觅。瞄一仪也位) u n l m 匕 r 。 织。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 控制冷却设备发展概述 自2 0 世纪6 0 年代第一套层流冷却系统应用于英国布林斯奥思4 3 2 m m 窄带钢 热轧机以来，几乎每套带钢热轧机输出辊道上都装有冷却系统，但直到8 0 年代以 前，其应用仪限于1 6 m m 以下的板带。8 0 年代初，日本首次提出并研制成功第一 套中厚板加速冷却装置，并在日本福山厚板厂投产。随后，有关热轧双相钢的控 制轧制( c r ) 和控制冷却( c c ) 的基本理论研究在日本迅速开展。 7 0 年代，国内开始应用热轧带钢的控制冷却技术。武钢引进的1 7 0 0 m m 热带 钢轧机采用上部柱状层流冷却和下部喷水冷却的控冷技术。8 0 年代鞍钢半连续轧 钢厂采用了水幕冷却系统。宝钢的2 0 5 0 m m 和15 8 0 m m 热带钢轧机采用的均为层 流冷却系统【1 0 】。近年来，各冶金工厂除了新建的控冷设备外，主要是把着眼点放 在现有系统的更新和设备的完善配套上。 冷却设备包括许多种喷流形式，相应地也有不同的名称，如压力喷射冷却、 柱状层流冷却( 即集管层流) 、水幕层流冷却、雾化冷却、喷淋冷却、板湍流冷却、 水一气喷雾式冷却等。 为了满足板带轧后的快速冷却的要求，不论什么形式的冷却装置，都应具备 以下特点【i i j ： 1 1 具有高的冷却能力以获得高的降温效果； 2 ) 控制冷却的范围要宽，以满足不同钢种、不同厚度板带的不同冷却速度要 求； 3 ) 具有板带厚度方向、宽度方向和长度方向上温度控制措施，确保各方向温 度均匀； 4 ) 高的冷却效率。即对一定规格的板带，能用最少的冷却水达到目标冷却速 度。也就是，应散失的热量与喷水强度( 单位面积上，单位时间水流量) 的比值最佳， 从而节约冷却水和缩短输出辊道长度； 5 ) 具有对控制信号快速响应的冷却系统，以便在板带进入冷却区之前调整水 量，并能在线进行控制阀门的改变和调节，提高阀门的响应时间； 6 ) 在大生产中，同样轧制的条件下，冷却装置必须保证大量重复操作中具有 同样的冷却效果，确保冷却条件的稳定； 7 ) 冷却装置内部和外部结构，应便于维护、操作和清除污垢； 8 ) 在满足正常冷却条件下节省能源。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 下面主要介绍常用的层流冷却和水幕冷却设备。 1 2 2 1 层流冷却设备 层流冷却装置设置在精轧机末机架与地下卷取机间的输出辊道上下方，主要 由上集管、下集管、侧喷、控制阀、供水系统及检测仪表和控制系统组成。上部 采用大流量的低压层流水，下部采用低压水喷射，侧喷为中压水。侧喷的主要作 用是把钢表面的冷却水吹走以及时更换新水，提高冷却效果。 层流冷却装置上虹吸管的数量很多，排列又很密集，随着带钢的前进，由侧 向喷出的中压水吹动带钢表面冷却水，使其不断更新，从而带走大量的热量来达 到冷却的目的。层流冷却装置设备多、控制复杂，但精度较高。图1 1 为常见的层 流冷却设备布置简图。 层流冷却上集管的冷却形式有u 型管有阀冷却和直管无阀控制，如图1 2 所 示。两种冷却形式的圆柱形水流均可以平稳地落到带钢表面上，使带钢表面覆盖 一层处于层流状态下的流动水。由于冷却水几乎不产生反溅，平稳落下的冷却水 可以冲破薄薄的水膜，使得冲击区的钢板表面始终和新水接触，具有良好的热交 换效果。 侧喷 图1 1 层流冷却设备布置示意图 f i g 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fl a m i n a rc o o l i n ge q u i p m e n t s u 型管冷却直集管冷却 冲击区形状 图1 2 层流冷却示意图 f i g 1 2d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fl a m i n a rc o o l i n g 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 由于u 型管式的集管结构相对直管式复杂，增加u 型管喷嘴的密度相对有限， 一般u 型管式集管上最多只能有两排u 型管，只能在集管纵向增加喷嘴；而直管 式的集管可在纵横两个方向上增加喷嘴，最多可装有4 5 排直管喷嘴，可实现很 大的喷嘴密度，这样大大提高了冷却能力；而且使冲击区更均衡离散化，同时又 降低了喷出水的流速，使冲击区的冷却水更加层流化，可更好地实现冷却均匀性。 但是直管式的集管断水性差，当阀门关闭时，水仍会继续从喷嘴流出，所以要将 直管的上端离箱顶近一些，这样可尽量消除停水的滞后现象。而u 型管是喷水阀 门关闭操作后，只要u 型管内的水脱出就立刻停止喷水。 1 9 8 4 年日本专利报道了一种层流冷却装置，其喷嘴的流量可调，是一种缓急 自由的冷却装置。该装置对提高带钢的组织性能级别产生了很好的效果。就是说 不添加或少添加合金元素就可达到提高钢板的强度和韧性的目的，从而节省了合 金元素，可用普碳钢代替某些低合金钢，大幅度提高产品质量，得到优质、高韧 性、低屈强度比的钢板，产品质量波动很小。 高密度管层流冷却是在普通管层流冷却的基础上对其进行改造，利用其结构 简单等优点，增加喷嘴的密度，并结合生产特点，对其在宽度方向上的排列进行 调整，使其对各种宽度的产品进行均匀冷却。由于其单根集管上喷嘴密度增加， 使冷却能力提高；通过侧喷装置和集管的组数控制可以使钢板在各集管间形成自 回火区，从而控制钢板的组织性能及表面质量；喷嘴采用1 0 m m 以上的圆管，不 易堵塞，便于维修和管理。 1 2 2 2 水幕冷却设备 为了克服柱状层流冷却沿钢板横向冷却不均匀的特点，2 0 世纪7 0 年代出现了 水幕冷却形式，它保持了柱状层流冷却的优点，实现了横向冷却均匀，冷却能力 大大提高，从而缩短了冷却区长度，而且设备简单。因其喷水装置的出水口为横 向条幕状，喷出的水呈幕帘状，故称之为水幕冷却。 水幕设备如图1 3 所示。水流从一狭长条缝状流道流出，由于流体的收缩和表 面张力作用，水幕两端形成哑铃，哑铃形状的冷却水会造成钢板边部的过冷。解 决的措施有：在出水口两端增加引流装置；按水流速度变化规律改变流水道截面； 流水道入口加分流隔板，使水流流量分布和速度分布在出口处保持一致，形成等 宽幕状水流【1 2 】。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 f 部充水槽 图1 3 水幕装置示意图 f i g 1 3s k e t c hm a po f w a t e rc u r t a i ne q u i p m e n t 随着水幕冷却技术的发展，又出现可调水幕。所谓可调水幕是指流量和水流 宽度可根据生产工艺要求而变化。目前主要有几种形式：一是出口缝隙保持不变， 用改变水的压力使流量变化。从保持层流的观点看，这种调节是很有限的。另一 种是保持水头不变，而改变出水口的开口度和缝隙宽度，有利于形成稳定的层流。 川崎钢铁公司水岛带钢厂为改善质量和产量，对控冷系统的引进和水冷设备 的改善进行了研究，通过实验室和现场的试验发现层流冷却非常有效f 1 3 】。所以， 在输出辊道上设置层流冷却装置已成为带钢轧制的重要组成部分，目前人们把注 意力主要放在冷却设备的改造以及与自动控制系统的配套上。 1 2 3 层流冷却控制系统发展概述 热轧带钢层流冷却控制非常复杂，它涉及温度、速度、厚度、流量、轧件内 部的组织结构以及相变等多方面的问题【1 4 】。从控制角度来看，具有典型的多变量、 非线性、强耦合特征，因此热轧带钢卷取温度控制的发展经过了一个比较长的时 间。随着计算机控制技术全面渗透到层流冷却控制过程后，其控制发生了质的飞 跃。 从2 0 世纪6 0 年代以来的层流冷却系统的技术改造，各国的科技工作者做了 大量的工作，将注意力集中在工艺技术的改造和控制技术的改进。由于控制模型 的建立是一个复杂的物理过程，目前控制模型的建立基本是遵循：机理模型一实 验室或现场大量数据一简化模型一模型现场修正为基础的建模方法 1 5 , 1 6 】。 热轧带钢层流冷却过程的控制方法从以冷却模型为基础的静态开环控制发展 到以冷却模型为基础的使用先进控制技术实现的动态闭环控制。最初的开环控制 的精度完全由冷却模型决定，而冷却模型又基于边界条件的严格约束以及现场或 者实验室的大量实验，模型中的参数由实际装置状况给定。在冷却过程中，带钢 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 任意一点从精轧末机架出口穿越层流冷却区运行到卷取测温仪时，该点及其后相 当长一段带钢的受控冷却过程实际已经结束，而在冷却过程中又不可能对该点状 况进行实际跟踪测量和适时修正调节量，并且由于随机扰动和不确定因素的影响， 使模型参数具有复杂和不确定性。因此，这种开环控制通过优化预设定模型难于 提高带钢卷取温度控制精度。图1 4 为静态开环控制结构框图。 冷却边界 目标卷取 i 冷却模型 实际卷取温度。 j ( 冷却策略) 控制器层流冷却过程 图1 4 层流冷却开环控制结构框图 f i g 1 4s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fl a m i n a rc o o l i n go p e nl o o pc o n t r o ls y s t e m 相对于静态开环控制系统，动态闭环控制系统具有较高的控制精度，美国印 第安纳港2 1 3 4 m m 热带钢厂采用了模型基准控制技术，具有准确预测卷取温度的 特点。该系统采用了前馈控制方式、反馈控制方式和自适应控制方式，以前馈控 制方式为主。模型基准控制可以对每段带钢进行调节，以便随时用卷取温度偏差 修正预测值1 7 , 1 8 】。 层流冷却的控制系统实际上是由过程控制系统和基础自动化控制系统两部分 构成。其中过程控制系统主要是以自身的数学模型为基础，在得到钢种、终轧温 度、带钢厚度、带钢速度、冷却水温度等相关工艺参数后，根据设定的卷取温度， 计算出需要开阀的数目和位置并将这些信息传到网上，以备基础自动化控制系统 的使用。而基础自动化系统则依据过程自动化的开阀设定，在微跟踪的控制下， 依次打开或关闭集管阀门。与此同时，基础自动化系统也可根据自身的特点进行 一些有利于得到良好卷取温度的控制。基础自动化系统还负责采集、处理和传输 一些过程自动化所需的信号和数据。 过程控制级和基础自动化级的关系如图1 5 所示。 过程自动化 数据 基础自动化 p r o c e s sa u t o m a t i o ns u b s y s t e m数据 b a s i ca u t o m a t i o ns u b s y s t e m 图1 5 过程自动化和基础自动化关系图 f i g 1 5s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fp r o c e s sa u t o m a t i o ns u b s y s t e m a n db a s i ca u t o m a t i o ns u b s y s t e m 1 3 本文研究的目的及内容 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 1 本文的研究目的 国内某热轧厂层流冷却控制系统所有功能都由基础自动化完成，所用数学模 型较为简单，不能够反映出现场实际情况，控制效果不理想，具体表现在以下几 个方面： ( 1 ) 该层流冷却控制系统的所有数学模型都在基础自动化中，无过程自动化。 工艺技术人员对基础自动化程序不够熟悉，基础自动化工作人员对工艺了 解不够深入，有时两部门不能够根据生产需要而有效协调致，从而造成 该系统不能够灵活地适应现场生产。 ( 2 ) 冷却策略较少，只有前段集中冷却、后段稀疏冷却、两段冷却和前段稀疏 冷却四种冷却策略，不能满足生产要求，并且修改不同钢种和不同规格带 钢的冷却策略很不方便。 ( 3 ) 经冷却后板形不理想，特别是较厚规格的带钢，容易出现带钢瓢曲现象。 ( 4 ) 卷取温度控制精度较低。对于薄规格的带钢，带钢降速前控制效果比较理 想，但是降速后带钢卷取温度会有较大波动；对于较厚规格的带钢，经冷 却后带钢表面带水现象严重，卷驭温度不可控，严重影响产品的性能。 ( 5 ) 现场实际水温波动较大( 1 3 8 。c - - - - 4 0 * ( 2 ) ，模型中没有充分考虑水温的影响， 换规格轧制时卷取温度控制精度低。 该热轧厂生产规模、品种规格不断扩大，现在已经能够生产出较高附加值的 产品，但是由于层流冷却控制系统控制精度的限制，影响到了产品的性能，故需 对层流冷却控制系统进行改造以提高其控制精度。 1 3 2 本文的研究内容 本文以某1 7 0 0 m m 热轧带钢层流冷却控制系统改造项目为背景，分析研究原 层流冷却控制系统的数学模型及控制思想，从卷取温度控制和性能均匀性控制出 发，编写带钢轧后温度控制程序，并对过程自动化控制系统进行现场调试和参数 优化。本文的研究内容主要有： ( 1 ) 分析和研究原层流冷却控制系统的数学模型及控制思想，找出影响控制精 度的原因。 ( 2 ) 解决原控制系统中冷却策略较少的问题，在新系统中实现多种冷却策略， 并且方便修改和增加，解决带钢表面带水和板形瓢曲的问题。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 带钢实际速度波动较大，在升速后会有一个较大降速( 一般f 2 抛钢后开始 降速) ，末机架抛钢后速度变化也比较大，针对这种情况在模型中进行速度 补偿控制；针对现场水温波动较大的情况，对水温进行修正，提高控制精 度。 ( 4 ) 开发能适应变速轧制的热带钢层流冷却过程控制系统，并将其优化后应用 于现场在线控制。 ( 5 ) 为了方便分析和查找生产数据，使用o r a c l e 9 i 数据库储存生产中的数据， 并用v i s u a lb a s i c 2 0 0 5 开发报表系统，供分析和统计数据。为了便于对系 统维护，采用v i s u a lc + + 语言开发了模型维护工具。 东北大学硕士学位论文第2 章层流冷却系统的数学模型 第2 章层流冷却系统的数学模型 热轧带钢卷取温度的控制是层流冷却控制的核心任务，而其控制的精度很大 程度上依赖于层流冷却控制系统数学模型的精度。由于层流冷却过程的内部机理 非常复杂，每一个模型都是经过一系列的简化和近似而建立的。目前用于热轧带 钢冷却过程在线控制的数学模型主要来自欧美国家( 德国、美国和意大利等) 和亚洲 的日本、韩国等国家【1 9 ，2 0 1 。 本章首先介绍数学模型的传热学基础理论，然后分析原层流冷却控制系统的 数学模型和改造后控制系统的数学模型。 2 1 传热学基础理论 传热学是研究具有不同温度的物体间或物体内不同温度的部分之间热量传递 的规律。要合理地建立层流冷却数学模型，首先要了解层流冷却过程中的传热过 程，钢板轧后冷却的过程是固体与外界的传热过程，丰要包括两部分：一是钢板 内部的热传导过程；二是和周围介质的外部热交换过程，包括辐射、对流和热传 导。理解掌握传热的基本理论，可以准确的计算出所研究系统中传递的热流量及 温度分布，这是实现控制冷却系统准确控制的重要基础【2 卜2 3 1 。 2 1 1 辐射换热 辐射是指由物体本身产生的电磁波传递能量的现象，由于热的原因而产生的 电磁波辐射称为热辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变 时激发出来的，只要物体的温度高于“绝对零度”，物体总是不断地把热能变为辐 射能，向外发出热辐射；同时亦不断地吸收外界投来的辐射能，并将吸收的辐射 能变成热能。 带钢的辐射温降，主要存在于钢坯、带坯及带钢的输送过程中，高温轧件在 空气中逗留时将不断通过辐射方式散出热量造成温降( 此时实际上同时存在空气自 然对流，但其产生的结果和辐射相比只为后者的5 - - 7 。因此一般将其归于辐射 温降，可通过实验确定当量辐射率) 。 大量实践结果证明，单位面积和单位时间内的辐射能量和温度的四次方成正 比，即 东北大学硕士学位论文第2 章层流冷却系统的数学模型 e = e o ( 志) 4 ( w m 2 ) 式中盯绝对黑体的辐射系数，又称斯蒂芬玻尔兹曼常数， 其值为5 6 7w ( m 2 k 4 ) ； s 实际物体的黑度，又称为辐射率( s 6 5m m ) 的头尾部卷形良好，通常采用热头热尾控制， 即在带钢头、尾部一定长度内提高带钢的卷取温度。 3 2 原层流冷却控制系统介绍 3 2 1 控制系统配置 原控制系统由二级服务器、操作员站、可编程控制器、h m i 、通信网络和现 场i o 组成。该厂层流冷却控制有其特殊性，二级服务器仅完成目标温度的设定， 所有的模型和控制策略都在基础自动化完成。操作员站完成程序的修改、调试、 维护、过程监控和历史趋势显示等。可编程控制器通过三级网络系统把系统中数 据结合起来：通过光纤网接收二级目标设定，通过p r o f i b u s d p 直接控制阀的开闭， 通过e t h e m e t 与操作员站和h m i 交换数据。可编程控制器通过梯形图编程完成预 设定、动态设定、头尾跟踪、时序控制、集管和侧喷的开闭控制以及集管的倾翻 控制等功能。 3 2 2 控制系统功能 原控制系统的功能主要由预设定和动态修正设定构成。预设定包括了前馈控 制和转移温度控制；动态修正控制包括了前馈控制、转移温度控制、终轧温度补 偿控制和反馈控制。反馈控制在层流冷却出口高温计检得带钢以后投用，通过实 际卷取温度与目标卷取温度之间的偏差计算开关阀的数量。 预设定控制是在精轧机f 2 咬钢时触发，这时没有带钢的实测数据(