（材料加工工程专业论文）中厚板冷却过程温度场模型及其最优跟踪控制的研究.pdf

冬? ，匕 _ll。11，： 、 ，tat 叶1 ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a lp r o c s t u d y o nt e m p e r a t ur ef i e l dm o d e la ndo p t i m a l t r a c k i n gc o n t r o l f o rp l a t ei n c o n t r o l l e d - c o o l i n gp r o c e s s b yz e n gf a n d e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gz h a o d o n g l e c t u r e ry u a ng u o n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 - r 、，。j ；，0 东北大学硕士学位论文 声明尸明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的 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 煎 名：苏胁 e l期：j 口少19 群 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： j 东北大学硕士学位论文 中厚板冷却过程温度 中厚板轧后控制冷却是提高产 却数学模型是实现控制冷却的核心部分，而控制冷却温度场模型又是控制冷却数学模型 的核心。虽然近年来国内外的研究人员己开发了各种不同的控制冷却数学模型，但是其 模型的核心内容均未公开发表，并且很少有人单独对控制冷却过程中的温度场变化路径 进行深入分析和研究。为此，本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 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控制模块功 能及相应的冷却控制策略、层流冷却模式和集管的排布组合方式对冷却速率大小控制策 略进行分析。 ( 2 ) 根据中厚板控制冷却的特点，在分析中厚板冷却过程中传热过程的基础上，对 中厚板层流冷却过程温度场模型进行深入研究，建立差分格式的模型，并采用交替方向 法使其更具简洁性和实用性。 ( 3 ) 引入最优控制理论知识，以温度场空间模型为状态方程，建立中厚板控制冷却 时温度跟踪的线性二次型性能指标，然后运用庞特里亚金最小值原理进行推导分析，求 出最优控制参数的必要条件。 ( 4 ) 首先选取模拟钢板合适的物性参数，结合现场生产试验数据，采用共轭梯度优 化算法，求解集管最优水流密度；然后模拟控制冷却过程的温度场，并加以分析。模拟 路径图表明，采用线性二次型性能指标与温度场的状态空间模型相结合的最优跟踪控制 方法，能够进一步提高中厚板终冷温度的控制精度。 关键词：中厚板；控制冷却；温度场模型；最优跟踪控制：水流密度 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s t u d yo nt e m p e r a t u r e f i e l dm o d e la n do p t i m a lt r a c k i n g c o n t r o lf o rp l a t ei nc o n t r o l l e d c o o l i n gp r o c e s s a bs t r a c t c o n t r o l l e d - c o o l i n gi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g ym e a s u r et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n d q u a l i t yo ft h ep r o d u c ta n dd e v e l o pt h eh i g ha d d i t i o n a l l yw o r t h yp r o d u c t t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fc o n t r o l l e d c o o l i n gt e c h n o l o g yi sak e yp a r t ，a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l dm o d e li st h e m o s ti m p o r t a n tp a r t t h o u g ht h er e s e a r c h i n gw o r k e r sh a v eo p e n e do u tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i nn e a r l yy e a r sa th o m ea n da b r o a d ，t h ek e yp a r to ft h em a t h e m a t i c a lm o d e li sn o tv e n d e da n d f e wp e o p l er e s e a r c h e dd e e p l yt h et e m p e r a t u r ef i e l dm a t h e m a t i c a lm o d e l s ot h ec o n c r e t e c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o m b i n e do n ee n g i n e e r i n gi t e mo nc o n t r o l l e d c o o l i n gs y s t e mi ns o m em e d i u ma n d h e a v yp l a t ep l a n t ，t h ec o o l i n gm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o l ls t r a t e g yo fc o n t r o l l e d - c o o l i n g s y s t e m ，e s p e c i a l l yo f j e ts o r to r d e re f f e c t t i n gt h ec o o l i n gr a t ea r es t u d i e d ( 2 ) b a s e do ns t u d y i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ec o r r e l a t i v et h e o r i e so fl a m i n a rc o o l i n g ，b a s i c h e a t t r a n s f e rp r o c e s so fp l a t ei sa n a l y z e d ，a n dt h ec o n t r o l l e d c o o l i n gt e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l b a s e do nc r a n k n i c o l s o nf i n i t ed i f f e r e n c ef o r m a ti sf o u n d e da n df u r t h e rr e s e a r c h e d i ti sm o r e s i m p l ea n dp r a c t i c a lb ya l t e r n a t i n gd i r e c t i o nm e t h o d ( 3 ) a d d e dt h ec o r r e l a t i v ek n o w l e d g eo fo p t i m a lc o n t r o lt h e o r i e s ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d m o d e la sae q u m i o no fs t a t ea n dl i n a r q u a d r a t i cc o s tf u n c t i o n sa r ec r e a t e df o rp l a t ei n c o n t r o l l e d - c o o l i n gp r o c e s sa n da n a l y z e db yu s i n gt h eg a m k r e l i d z em i m m u mp r i n c i p l e t h e n w eo b t a i nf i v en e c e s s a r yc o n d i t i o n sw h i c ha r ea p p l i e dt o g e t t i n gt h eo p t i m a lc o n t r o l l e d v a r i l b l e ( 4 ) c o m b i n e dt h et e s td a t u mi ns o m em e d i u ma n dh e a v yp l a t ep l a n t 谢t hap r o c r d u r e o ft h ec o n j u g a t eg r a d i e n tm e t h o d ，t h eo p t i m a lj e tw a t e rd e n s i t yi sa c h i e v e dg i v e nt h e r m a lp h s - - i c a lp r o p e r t i e s ，i n i t i a lt e m p e r a t u r ea n dd e s i r e de x i tt e m p e r a t u r eo fp l a t e s t h e nw i t ht h eh e l po f m a t l a b7 0 ，o p t i m a lt r a c k i n gg r a p h so f t e m p e r a t u r ef i e l da r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h es i m - - u l a t e df i g u r e ss h o wt h a tc o n n c e t i n gs t a t e s p a c em e d o lo ft h et e m p e r a t u r ef i e l dw i t ht h e o p t i - m a lt r a c k i n gc o n t r o lm o d e li sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ec o n t r o lp r e c i s i o no ff i n a l c o o l i n gt e m p e r t a u r e k e yw o r d s ：m e d i u ma n dh e a v yp l a t e ；c o n t r o l l e dc o o l i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l ；o p t i m a l t r a c k i n gc o n t r o l ；j e tw a t e rd e n i s i t y v r 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 目录i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 控制冷却原理1 1 3 中厚板控制冷却的发展与现状2 1 3 1 国外中厚板控制冷却的发展与现状2 1 3 2 国内中厚板控制冷却的发展与现状8 1 3 3 控制冷却技术的发展前景9 1 4 最优控制理论的发展和应用9 1 5 本文研究的目的和内容1 0 1 5 1 研究目的1 0 1 5 2 研究内容1o 第二章中厚板控制冷却系统1 1 2 1 中厚板层流冷却系统概述1 1 2 1 1 层流冷却系统设备1 1 2 1 2 层流冷却系统设计的基本思想1 2 2 2 中厚板层流冷却自动化系统及其功能1 2 2 2 1 层流冷却基础自动化系统功能1 2 2 2 2 层流冷却过程自动化系统功能13 2 2 2 1 过程控制1 4 2 2 2 2 过程跟踪1 4 2 3 中厚板层流冷却集管及其控制策略1 5 2 3 1 层流冷却模式1 5 2 3 2 集管排布组合方式16 2 3 3 集管喷水流量控制1 7 2 3 4 上下水量比控制l7 2 4 本章小结l8 第三章中厚板冷却过程温度场模型1 9 3 1 中厚板冷却的传热过程19 3 1 1 冷却过程中的传导传热2 0 3 1 2 冷却过程中的对流传热2 1 东北大学硕士学位论文目录 3 1 3 冷却过程中的辐射传热2l 3 2 中厚板导热过程的分析2 3 3 2 1 一维非稳态导热过程的分析2 3 3 2 2 二维非稳态导热过程的分析2 6 3 3 中厚板冷却过程温度场差分模型的建立2 9 3 3 1 差分格式的选取2 9 3 3 2 温度场差分模型的建立一3 1 3 4 本章小结3 4 第四章中厚板冷却过程温度场最优跟踪控制3 5 4 1 基本概念3 5 4 1 1 状态空间描述的基本概念一3 5 4 1 2 最优控制的基本概念3 6 4 1 2 1 最优控制的基本问题。3 6 4 1 2 2 最优控制问题的实质3 6 4 1 2 3 最优控制问题的性能指标3 6 4 1 2 4 最优控制问题的提法3 7 4 1 3 线性二次型最优控制3 7 4 1 3 1 线性二次型问题3 8 4 1 3 2 线性二次型的最优跟踪控制问题3 8 4 1 4 最小值原理3 8 4 2 中厚板冷却过程温度场空间模型3 9 4 2 1 水冷换热系数模型3 9 4 2 2 采用单一集管冷却时4 2 4 2 3 采用多组集管冷却时。4 4 4 3 单一集管冷却时温度场最优跟踪控制4 5 4 3 1 状态方程和性能指标的提出4 5 4 3 2 用最小值原理推导4 5 4 4 多组集管冷却时温度场最优跟踪控制4 6 4 4 1 状态方程和性能指标的提出4 6 4 4 2 用最小值原理推导。4 7 4 5 本章小结4 8 第五章中厚板冷却过程温度场模拟4 9 5 1 最优控制参数求解4 9 5 1 1 用共轭梯度法求解4 9 5 1 2 物性参数与工艺参数选取5 2 东北大学硕士学位论文目录 5 1 3 最优控制参数5 4 5 2 温度场模拟及分析5 5 5 2 1 单一集管冷却时温度场模拟及分析5 5 5 2 2 多组集管冷却时温度场模拟及分析5 7 5 3 本章小结6 0 第六章结论6 1 参考文献6 3 致谢6 7 东北大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着国民经济和现代化建设的快速发展，国内钢铁市场对中厚板的需求量在不断增 加的同时，对其品种、规格、尺寸精度、机械性能以及质量提出了更高的要求。2 0 0 6 年 下半年以来，国内新投产并建成的中厚板轧机数量高达1 2 套，目前仍有几套在建，这些 轧机的平均产能均在1 0 0 万吨以上，合计的新增产能将近1 5 0 0 万吨。产能的高速增长无 疑对中厚板市场形成了巨大压力，要想维持产需平衡，国内的中厚板生产企业必须寻找 新的出路，那就是产品结构调整。 为了满足用户对钢板质量和性能的要求，由控制轧制和控制冷却所组合t m c p ( t h e r - m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) i 艺已经应用于中厚板生产领域，并取得了良好的效果心1 。 相对于欧美和日本比较成熟的控轧控冷技术，我国对控轧控冷技术的研究起步较晚，实 际的应用也较晚。国内的许多中厚板厂只是引进了国外的控轧控冷设备，对国外技术的 消化也不彻底，没有完全发挥出控轧控冷技术的潜力。国内的部分中厚板控制冷却设备 都还有停留在手动控制水平，控制目标也只是针对钢板的终冷温度，并且控制精度极其 有限3 刊。 新一代的控制冷却技术不仅要求对钢板的最终冷却温度进行精确控制，还要对冷却 速度进行控制，更重要的是要保证冷却过程中钢板各向的温度均匀。然而，国内现有的 多数控制冷却系统不能满足现代控制冷却工艺的要求，因此迫切需要对现有的控制冷却 系统进行改造，采用先进的控制冷却设备和计算机控制系统满足中厚板冷却过程对温度 均匀性、终冷温度和冷却速度控制的要求，以提高中厚板产品的质量。 1 2 控制冷却原理 控制冷却中有三个重要的工艺参数：开冷温度、终冷温度、冷却速度，其中开冷温 度与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具体要求的冷却速度，是轧后冷却控制的中心任务盯1 。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，掌握控制冷却原理，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。 控制冷却原理是指利用轧后余热进行热处理的技术，通过改变热轧钢板轧后的冷却 条件来合理控制钢板的整个相变过程，以控制相变产物的组织状态和组成及碳化物析出 行为等来改善钢板的组织和性能随1 。 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【9 】： ( 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 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 耗，减少了工序，缩短了生产周期，从而降低了生产成本。 ( 2 ) 随着冷却速率增加，可降低a r 3 温度，造成更大的过冷度，从而提高2 的形核 率，并降低口晶粒的长大速度，明显细化口晶粒，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a t 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 t 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率，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y 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。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，使口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，快速冷却使终止温 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 中厚板控制冷却的发展与现状 1 3 1 国外中厚板控制冷却的发展与现状 控制冷却技术是随着控制轧制技术的发展而发展起来的。第二次世界大战期间德国 对热加工条件、材质以及显微金相组织进行了非系统的零散研究，控制轧制开始进入人 们的视野。2 0 世纪6 0 年代初期，美国定性地解释了热轧后的奥氏体再结晶动力学，英国 以b i s r a 为中心对控制轧制理论开始进行系统地研究。2 0 世纪6 0 年代末，控制轧制技术 传入日本后，对控制轧制技术进行了系统化的整理，从而确立了日本在这一领域的领先 地位。控制冷却( c o n t r o l l e d c o o l i n g ) - - 词早在2 0 世纪6 0 年代就已经出现，第一套水冷装 置应用于英国布林斯奥思4 3 2 m m ( 1 7 i n ) 窄带钢热轧机，其目的主要是加快轧后冷却并控 制终冷温度睁川。 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ti i 2 0 世纪7 0 年代初，对强度、低温韧性和焊接性能的要求更加严格，但是传统的控制 轧制技术不能满足其要求，从而使人们认识到仅仅依靠传统的控制轧制技术使相变微细 化远远不够，在奥氏体控制轧制的基础上还需要通过冷却来控制相变。此后，人们开始 对控制轧制后的控制冷却技术进行研究，并致力于开发厚板轧机的在线控制冷却设备。 2 0 世纪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，即 o l a c ( o n 1 i n ea c c e l e r a t e dc o o l i n g ) 装置。进入8 0 年代中期，t m c p 技术知识的积累和体 系大致完成，并得到全世界钢铁行业的广泛认同，此时材料技术、冷却设备、操作技术 三位一体的时机已经成熟，尤其是快速发展的钢铁产业高技术装备水平，对此作出了很 大的贡献。国外开发了诸多冷却装置，有意大利n u o v a i t a l s i d e r 的水刀喷射冷却、比利时 c r m 的m u p i c 水枕方式冷却、法国u s i n o r 的喷淋方式冷却。在以后的发展过程中，占主 导地位的是由用喷嘴喷射的高压水冷却方式逐步演变形成柱状管层流冷却p h l 。 2 0 世纪8 0 年代，日本各宽厚板厂均开发安装了直接淬火系统。川崎制铁水岛厂开发 m a c s 系统，安装在加速冷却系统后面，长1 3m 。该系统类似一个水箱，容积2 3 0 0 m 3 ， 钢板在箱浸没在冷却水中。冷却箱有进水口和出水口，内安装叶片式搅动辊，加速水的 流动，加强冷却与钢板的热交换。高压淬火时，水压为0 5m p a ，最大耗水量为6 0m 3 m i n ； 低压淬火时，水压0 2 m p a ，最大耗水量为1 8 0 m 3 m i n u 副。 9 0 年代以来，为了解决冷却设备存在的问题，日本不断对冷却设备进行改造。1 9 9 8 年，j f e 西日本制铁所福山地区( 原n k k 福山厂) 厚板厂采用了所谓的s u p e r - o l a c ( s u p e r o n l i n ea c c e l e r a t e dc o o l i n g ) 新型加速冷却系统。其最大特点是避开了过渡沸腾和膜沸 腾，实现了全面的核沸腾，具有可达极限的冷却速率和极高的冷却均匀性。s u p e r - o l a c 上冷却系统的喷嘴与钢板的距离较近，以一定的角度沿轧制方向将一定压力的水喷射到 板面，将板面残存水与钢板之间形成的气膜吹扫掉，从而达到钢板和冷却水之间的完全 接触，实现核沸腾。这不仅提高了钢板和冷却水之间的热交换，达到较高的冷却速率， 而且可以实现钢板的均匀冷却，大大抑制钢板由于冷却不均引起的翘曲。其下冷却系统 是由配置在水槽内的高密度喷嘴喷射冷却水，以其随伴流的方式进行冷却，即所谓“带 高密度导管的吸人式喷水冷却 。由于冷却的均匀性，即使采用这种上、下表面的强冷 方式，也不必担心发生上、下表面的非平衡冷却。s u p e r o l a c 冷却后钢板表面的温度 分布均匀，与轧后钢板温度分布是一致的n 副。 目前，控制冷却技术主要包括加速冷却和直接淬火两种形式。加速冷却是指将热轧 后的钢材立即进行水冷，通过控制相变过程，得到期望的组织来提高钢材综合力学性能 的控制冷却技术。加速冷却已成为目前生产船板、管板和其它低合金高强度钢、低脆变 温度和良好焊接性能钢板必不可少的加工工艺。 直接淬火是快速冷却基础上发展起来的冷却技术，它较快速冷却水量密度高而且冷 却温降区域宽。它是相对于离线再加热淬火而言，对轧制之后的热钢板立即进行迅速冷 却，在轧制线上使钢板生成淬火组织，是6 0 0 m p a 以上高强度钢板的新生产工艺。这种 - 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 生产工艺的特点是，省略了加工工序，使得工艺结构更加紧凑、合理；通过对化学成分 的优化和轧制条件控制，可以获得再加热淬火所得不到的强度和韧性的组合；而且由于 降低了碳当量，焊接性能得到了提高。因此直接淬火和快速冷却一样，在今后的高强度 钢板的生产中作为必要的生产工序而占有主要位置n 6 j 。 表1 1 国外典型控制冷却装置概况 t a b l e1 1t y p i c a lc o n t r o lc o o l i n ge q u i p m e n t si na b r o a d 由表1 1 可以看出，目前虽国外中厚板厂所使用的控制冷却设备和冷却方式不相同， 但采用的冷却喷流方式主要有以下几种n 8 1 ： ( 1 ) 柱状层流 柱状层流冷却由于其冷却效率较高，上下表面、纵向冷却比较均匀而得到广泛应用。 层流冷却是以大量虹吸管从水箱中吸出冷却水，在一定压力情况下流向带钢，使大流量 的低压水与带钢平稳接触，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。 由于虹吸管的数量很多，排列又很密，带钢表面上的水层时刻可以更新，并且沿输出辊 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 道每隔一段距离设置一定数量的侧喷喷嘴，将滞留在带钢表面上的水冲掉，所以冷却效 果好n 钔。 柱状层流冷却集管有两种形式：直管和u 型管( 如图1 2 ) 。由于u 型管式集管结构相 对直管式复杂，增d n u 型管其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，且只能在集管纵向增加喷嘴；而直管式集管可以在纵横两个方向上增加喷嘴， 最多可装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 冲击区更均匀离散化，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 更好的实现冷却均匀性。直管式控制阀和u 型管控制阀的比较如表1 2 所示。 图1 1 管层流冷却示意图 f i g 1 1t h es k e t c hd i a g r a mo fl a m i n a rc o o l i n gw i t hs t r a i g h t - t u b ej e t ( a ) 直管式纵向截面图( b ) u 型管式纵向截面图 ( a ) l o n g i t u d i n a ls e c t i o nd i a g r a mo fs t r a i g h t - t u b ej e t ( b ) l o n g i t u d i n a ls e c t i o nd i a g r a mo f u - t u b ej e t 图1 2 管层流两种喷嘴对比图 f i g 1 2c o m p a r i s o nd i a g r a mo ft w ok i n d so ft u b e - l a m i n a rf l o wn o z z l e s 表1 2 直管与u 型管控制比较 t a b l e1 2c o m p a r i s o no f u - t u b ea n ds t r a i g h t t u b ej e te q u i p m e n t ( 2 ) 水幕层流 水幕冷却也可称为板层流冷却。低压水流从平面喷嘴流出形成层流状的水幕，通过 - 5 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 改变水压或者改变平面喷嘴的缝隙来调节流量。与管层流冷却方式相比较，水幕冷却方 式的冷却能力更强，在板宽方向上冷却更加均匀。因此，水幕冷却系统在板带材的控制 冷却中也得到了广泛的应用。水幕冷却装置的缺点就是对水质的要求比较苛刻，水流易 产生横向缩窄现象；采用水幕冷却时钢板的上下表面冷却不够均匀，同时水幕冷却装置 不易维护口引。图1 3 是水幕冷却的示意图。 l l - 上部水槽；2 - f 部水幂；3 - 一f 部水槽：4 - 辊子；5 - 钢板 1 3 水幕冷却装置示意图 f i g 1 3d i a g r a m m a t i c sk e t c ho f w a t e rc u r t a i ni n s t a l l a t i o n ( 3 ) 喷雾冷却 水气喷雾式冷却装置是2 0 世纪8 0 年代法国b e r t i n 公司开发研制的专利技术，又称 a d c o ( a d j u s t a b l ec o o l i n g ) 快冷装置啪3 。喷雾冷却是利用加压空气使水雾化和高压高速 气流一起从喷嘴喷出，形成雾状喷向高温钢板使钢板冷却。由于高压汽雾可以直接和高 温钢板接触，因此喷雾冷却方式的冷却能力也比较强；喷雾冷却装置的冷却调节能力范 围较大，可以实现单独风冷、弱水冷和喷雾冷；同时由于喷雾比较均匀，如果钢板的上 下表面均采用喷雾冷却方式，钢板的冷却均匀性将得到很好的保证。但是喷雾冷却的联 合喷嘴结构和配管系统比较复杂，且设备费用高、噪音大、车间雾气较大，所以没有得 到广泛应用。图1 4 是喷雾冷却装置的示意图。 图1 4 喷雾冷却装置示意图 f i g 1 4d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fw a t e r - g a sf o gs p r a y e r - 6 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 上述三种喷嘴形式各有优缺点n 引，对比结果见表1 3 。 表1 3 三种喷流形式的特点 t a b l e1 3c h a r a c t e r i s t i co ft h r e ec o o l i n gf o r m s 喷流形式 柱状层流( 高密管式)水幕层流水- 气喷雾式 冲击区分布“点”式 “线”式“面”式 冷却方式连续式，同时式连续式 连续式，同时式 冷却均匀性较均匀 横向均匀，纵向不均匀 最均匀 流量调节范围大 小大 冷却能力较强 强强 能耗较小小 大 设备维修较复杂简单 最复杂 设备投资较大 小 最大 圭茎竺皇型塞蕉茎墓耋整：竺鋈鐾望薹羞竺二! ：竺兰奎：茎釜奎丕耋薹：兰兰兰 管层流冷却因其冷却能力较低、冷却区较长而受到水幕冷却很大的冲击。但2 0 世 纪9 0 年代随着对钢板冷却均匀性要求的提高，水幕冷却的缺点日益突出，人们对普通 管层流改进，制造出高密度管层流冷却装置，并优化结构尺寸，尽量减少各u 型管喷 流横向间的相互干扰( 它不能象水幕冷却那样完全消除) ，使冷却能力大为提高，可接近 于水幕冷却。高密度管层流使原有的管层流冷却的缺点得以改善，优点得以保留，其主 要优点是：( 1 ) 板厚方向冷却比较均匀；( 2 ) 设备制造工艺简单，水流的稳定性好；( 3 ) 流量调节范围较宽，冷却能力调节比较灵活；( 4 ) 通过改变集管上的喷嘴之间距离和管 径尺寸，实现了喷出水量沿板宽方向中凸且左右对称，可以比较容易地改善板宽方向的 冷却均匀性；( 5 ) 可实现冲击区的合理配置，有效地保证了钢板均匀冷却，提高水的冷 却能力。正是由于这些优点，国际上已有多个工厂采用了高密度管层流的冷却装置。 水幕层流冷却装置是各种冷却装置中冷却能力最强的，冷却区长度也最短，其冷却 冲击区沿横向是连续的，故可实现横向冷却均匀。但是随着用户对产品均匀冷却的要求 日益提高，水幕冷却的缺点就突出了，主要有：( 1 ) 为了保持幕状层流，各个水幕的水 量需保持较大的量值，调节范围比较小，不适合生产采用小水量、低冷速冷却的薄规格 产品；( 2 ) 由于冷却能力强，易造成表面过冷，钢板在厚度方向上冷却不均匀性较大； ( 3 ) 由于水幕层流冲击区集中( 冷却效果集中) ，相对非冲击区的瞬时温差大，而且各幕间 距大( 非冲击区占的比例大) ，当采用同时冷却辊道摆动换向时，将加剧钢板瞬时局部过 冷，以致不能采用同时冷却方式；( 4 ) 流量中凸的水幕头制造精度要求高，且使用中不 易长期稳定成幕，水幕两端形成的哑铃也很难完全消除，这些都影响钢板横向冷却的均 匀性。 水一气喷雾冷却有两大优点：具有非常理想的冷却均匀性和很宽的冷却能力调整范 - 7 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 围，它实现的是“面”式的冷却，比管层流的“点 式冷却和水幕层流的“线”式冷却 的冷却均匀性要好( 如图1 5 所示) ；其设备是以组件方式构成的，拆装便捷也是一大特 点。但由于使用了空气，使喷嘴结构和配管系统复杂化，设备费用增加，维修工作大， 噪音比较大和车间雾气较大。因此选用水一气喷雾冷却的较少。近年来，由于对钢材冷 却均匀性的要求提高，有几个厂新建的控冷设备选择了这种形式。 !|蓁蓁蓁蓁三三茎三圣三量 ( a i ，c o 枉状层溉水幂层溉 图1 5 三种喷流形式的冲击区分布示意图 f i g 1 5s k e t c hm a po ft h r e ek i n d so fi m p i n g e m e n tz o n e 选择合适的冷却设备是实现控制冷却第一项要解决的问题。对所开发的控制冷却设 备必须能满足以下要求乜4 l ： ( 1 ) 实现钢板的各向均匀冷却； ( 2 ) 尽量减少冷却过程中产生的应变等形状不良和残余应力： ( 3 ) 有足够宽的冷却速度范围，并能准确地调整冷却速度，控制开冷和终冷温度； ( 4 ) 设备投资少、生产稳定、便于维修。 综合比较上述三种喷流形式，经改进的高密直集管冷却装置是最佳的选择。目前， 国内外许多新建的控冷设备都是选用的高密直集管形式，并设有控冷装置和配置有完善 的测量仪表及控制系统，能精确地控制各工艺参数，满足各种控轧控冷工艺要求，生产 出性能优良的各种钢板，并获得了很好的控制效果。 1 3 2 国内中厚板控制冷却的发展与现状 我国钢厂在控制冷却方面应用起步比较晚。在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。武 钢将控制冷却系统的某些改进移植到新一代计算机中，不仅得到本厂的实践验证，而且 在太原、梅山钢铁集团公司得到推广。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，卷取温度精度高幢5 1 。 1 9 8 5 年，鞍钢半连轧厂建成了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为柱状层流。2 0 世纪9 0 年代，重庆钢铁五厂的中厚板生产线采用 了控制轧制+ 水幕冷却装置，邯钢、柳钢、新余钢厂等也安装了水幕冷却装置，但使用 过程中都出现了一定的问题幢 。 近年来，随着先进的中厚板生产线迅速增加，为增强市场竞争力和开发高附加值产 - 8 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 品，国内许多中厚板钢厂积极进行改造或更新，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，使得冷却自动控制系统更加完善。2 0 0 0 年东北大学轧制技术及连轧自动化 国家重点实验室为济钢中板厂安装并调试成功水幕冷却装置；2 0 0 2 年又承担了国家经贸 委“十五”国家重大装备研制项目暨首钢3 5 0 0m m 中厚板轧机核心轧制技术和关键设备 研制项目，东北大学联合营口流体设备集团开发了高密集管层流冷却控制系统。首钢中 厚板厂的层流冷却控制系统是集计算机控制系统和控制冷却过程机模型系统为一体的 中厚板控制冷却系统，并且真正实现了控制冷却过程的在线自动控制，填补了国内在线 自动控制冷却技术的空白。这两年，随着东北大学在淬火机和热处理炉技术的成功开发 与应用，使得国内在控冷方面的生产技术有了大的进步，对生产高质量高附加值的特殊 钢板有着重要意义。 1 3 3 控制冷却技术的发展前景 随着钢铁市场竞争的加剧，中厚板生产企业都在努力扩大产品规模和品种范围，降 低生产成本，改善产品质量，以增强市场竞争力。各个中厚板厂在扩大品种钢生产上有 自己的不同方式，一般是一下两种情况嘲1 ： ( 1 ) 利用热处理生产线开发和生产高附加值钢。虽然热处理生产线占地面积大、定 员多、能耗也较高，使得生产成本高，但是它能生产出高端产品。在现代化的基础建设 中，随着人们对产品质量的重视，对高端钢铁产品将有越来越大的需求，因此，在国内 外中厚板生产厂家相继投建。 ( 2 ) 采用t m c p 工艺。它占地面积小、定员少、成本低，在能源和资源越发紧张 的今天，一直以来受到各个中厚板生产企业青睐。 目前，各种不同应用领域的用户清楚地意识到控制冷却技术在钢铁行业将产生巨大 的意义，因此，控制冷却技术的应用前景将十分广泛。 1 4 最优控制理论的发展和应用 最优控制理论是2 0 世纪6 0 年代迅速发展起来的现代控制理论中的主要内容之一， 它研究和解决的是如何从一切可能的方案中寻找一个最优的方案。1 9 4 8 年维纳等人发 表论文，提出信息、反馈和控制等概念，为最优控制理论的诞生和发展奠定了基础。我国 著名学者钱学森在1 9 5 4 年编著的工程控制论直接促进了最优控制理论的发展。美 国著名学者贝尔曼的“动态规划”和原苏联著名学者庞特里亚金的“最小值原理是在 最优控制理论的形成和发展过程中，最具开创性的研究成果，并开辟了求解最优控制问 题的新途径啪1 。 最优控制，又称为动态或过程最