热连轧层流冷却控制技术(终)

1、江西冶金职业技术学院 材料成型与控制专业 板带钢生产课程案例4 新钢1580mm热连轧层流冷却控制技术1 技术简介新钢热轧薄板工程即将进入设备安装阶段,相关的各项技术准备工作已陆续展开。热连轧是融各项高新技术于一体的生产过程,其中层流冷却控制是其关键技术之一。热轧带钢卷取温度是影响成品带钢性能的重要工艺参数,其范围必须满足一定的工艺要求,过高或过低都将给带钢的组织和性能带来不良影响，而卷取温度的控制和控制精度正是通过层流冷却设备及层流冷却控制技术实现的。2 层流冷却系统组成以新钢1580热连轧为例,其层流冷却设备包括19个主冷却段和3个微调冷却段，其中每个主冷却段包括4个控制单元组（上下喷一一

2、对应），总计下喷a1-a76共76个 控制单元，总计上喷b1-b76 共76个控制单元。每个微调冷却段包括8个控制单元组（上下喷一一对应），总计下喷a77-a100 共24个控制单元，总计上喷b77-b100 共24个控制单元。每个控制单元由一个电磁阀驱动一个气动碟阀来控制冷却水的打开与关闭。各冷却段之间及整个冷却段前后各有一组侧喷控制单元（共23个控制单元），侧喷水的打开与关闭原理同上、下喷一样由一个电磁阀驱动一个碟阀来控制,其工艺布置如图1所示。图1 新钢1580热连轧层流冷却工艺流程图3 层流冷却控制目标根据实测的板带终轧温度、速度、厚度和满足工艺要求的冷却曲线控制轧后钢材的冷却工艺参数

3、(开冷温度、终冷温度、冷却速率),确定相应的喷水区长度(阀门开启个数)和喷水模式，使卷取温度尽可能地接近工艺确定的目标卷取温度,获得理想的组织结构, 以提高和改善钢材的综合力学性能。层流冷却过程的控制量为:喷水阀门的开闭数量及位置、喷水模式等1。层流冷却区的控制目标是把终轧温度为800900 的钢板按一定冷却制度迅速冷却到500700 的卷取温度,控制精度要求为±20 。 4 层流冷却控制系统的结构层流冷却系统采用二级计算机控制。 一级计算机是基础自动化级, 二级计算机是过程控制级。计算机将整个生产范围内的带钢按厚度、目标卷取温度(一般相差10为同一级)、带钢材质的冷却特性、冷却要求

4、等分若干级别，将冷却速度相近的钢种归类，进行分档控制，对不同的级别使用不同的策略数据和模型数据。5 层流冷却控制的数学模型江西冶金职业技术学院 材料成型与控制专业 板带钢生产课程通常带钢从精轧机末机架出口到卷取机入口的冷却过程如图2所示。图2 带钢轧后控冷过程示意图图2中，Tf为终轧温度, Tc 为卷取温度, Tf 和Tc 的温度范围由所生产带钢的钢种和规格确定。过程自动化系统通过数学模型根据所轧带钢的钢种和规格要求可确定出打开第一组集管的位置(即A点)、所需打开的冷却集管组数以及相应的冷却集管开启与关闭组合(即确定B点),后者可由带钢冷却策略来确定。在带钢轧后冷却过程中,带钢经历了空冷、水冷

5、、然后再空冷等热交换过程,故带钢轧后控冷过程中的基本数学模型为带钢空冷过程中的温度场计算模型(空冷温降模型)、带钢水冷过程中的温度场计算模型(水冷温降模型),并由此可导出实际使用的前馈和反馈等控制模型。数学模型直接影响到卷取温度的控制精度2。5.1 空冷计算模型空冷时带钢在长度和宽度方向上的传热条件均比较一致,故可认为这两个方向上温度分布均匀,由于带钢较薄,在一定厚度范围内,可近似认为厚度方向上温度相同3。 空冷传热数学模型如下式中, ta为空冷后的温度0C；e为轧件热辐射系数,e=a´h+b,a b为空冷回归系数；s为玻尔兹曼常数(w/m2k4)；cp为比定压热容,(kJ/kg0C

6、); h为带钢(mm); fdt为精轧出口温度0C；Dt为精轧出口到卷取机前带钢运行时间(s).5.2 水冷计算模型水冷传热模型与空冷相似,单个集管组水冷温降模型Dts=1000L 3600´u´CP´r´h式中,h 为带钢厚度(mm)；为密度(kg/ m3);Cp 为比定压热容(kJ/ (kg0C)；v 为带钢速度(m/ s )；Q为热流密度 (KJ/Kg0C)；L为集管组长(m);Dts为层流冷却每组集管温降量(0C)。江西冶金职业技术学院 材料成型与控制专业 板带钢生产课程5.3 前馈控制模型 NFF=Pi+Ri(v-vs)+a1(TFA-TFS)

7、-(TCA+DT-TCAS)hva2 QNFF为前馈控制的喷水数量；Pi预设定喷水数量；Ri带钢速度影响系数；v为带钢速度(m/s)；vs为带钢轧制基准速度(根据带钢厚度由插值法求出)(m/s)；a1为终轧温度对卷取温度影响系数；a2水温补偿系数；TFA为精轧温度目标值0C；TFS为带钢精轧出口的标准温度值(根据带钢厚度由插值法求出)；TCA为带钢卷取的目标温度0C；TCAS带钢卷取目标温度的标准值(根据带钢厚度由插值法求出) 0C；DT卷取目标温度的修正值0C；Q为综合传热系数；h为带钢厚度(mm)。5.4 反馈控制模型 NFB=(DT+TCD-TCA)hva2 QNFB为反馈控制的喷水数量

8、；TCD为实际带钢卷取温度的平均值0C (带钢头部到达卷取温度计后,在0.5s,1.0s,1.5s,2.0s采集实际卷取温度,取平均值)4。6 冷却模式6.1 对于要求控制形变奥氏体的组织状态、阻止奥氏体晶粒长大、固化因形变而引起的位错或降低相变温度的钢种,采用前部冷却策略,即先打开前主冷区的冷却集管,用微调区对卷取温度进行微调控制。6.2 对于主要控制室温组织相变过程、控制铁素体的长大及轧制后二相粒子析出的钢种采用后部冷却策略,先打开主冷却区后部分集管进行冷却,用微调区对卷取温度进行微调控制。6.3 对于某些对高冷却速度敏感的钢种(尤其是在较厚规格时) ,可以采用在主冷却区的前部分(或全部)

9、 以一定的间隔开启冷却集管,用微调区对卷取温度进行微调控制。 7 层冷区轧件跟踪7.1 跟踪计算在带钢头部至尾部离开精轧机的期间,使用实测的轧制温度、厚度和带钢的速度进行周期性的前馈控制计算，适时把阀门开闭设定值送到基础自动化,在带钢进入层流冷却区的运行中，计算机按固定的时间间隔，在逻辑上把带钢划分为数小段，计算机对每小段在层流冷却区进行推算和跟踪,对带钢的卷取温度控制正是以这些小段为最小单位进行，对每一小段计算所需增减的阀门数，当该小段运行到喷水区时，增减后的喷水正好对应此小段。为了使样本的组态喷到对应的样本上以及及时开闭阀门，必须实施层冷区的轧件跟踪。7.2 头尾部跟踪根据信号启动相应跟踪

10、程序，分别计算带钢头尾部在热输出辊道的具体位置，以板带运行的同步速度，并按过程控制计算机设定的喷水组态，由前向后依次开启集管，或依次关闭集管组态。7.3 轧件样本跟踪江西冶金职业技术学院 材料成型与控制专业 板带钢生产课程实时跟踪轧件每小段在冷却区的位置，及时下发集管组态。基础自动化向过程控制计算机传送输出辊道上有关轧件跟踪的传感器信号检得以及捡失，并完成有效性检查，同时由过程控制计算机完成相应的轧线逻辑控制及轧件数据处理。由于过程机数据处理能力强，因此轧件数据处理和轧制逻辑处理方便，并能准确跟踪板带位置，实时喷水。8 控制策略8.1 预设定计算当带钢到达精轧入口温度计时, 过程自动化系统根据

11、带钢的初始输入参数(如带钢的终轧温度、目标卷取温度、厚度、速度、水温等)和相应的冷却曲线计算所有冷却区域中所需要的冷却水量, 从而对阀门的开闭状态进行初始设定, 将计算后得到的控制量设定值发送给基础自动化系统执行，这样可以有效地消除控冷系统动作滞后的影响5。8.2 前馈控制由于带钢进入层流冷却区时的实际温度、厚度、速度是实时变化的, 因此为了消除带钢自身边界条件与其设定值的偏差对卷取温度的影响, 需要对预设定计算进行前馈补偿。当带钢到达精轧出口温度测量点时( FDT 测温仪时),根据带钢的实测终轧温度, 确定为使卷取温度达到目标值所需开启的阀门数。8.3 反馈控制为了补偿前馈控制的偏差,通过比

12、较实测的卷取温度和目标卷取温度来调整精调区阀门的开关状态, 将带钢的实测卷取温度控制在要求的精度范围内,但反馈控制存在“时滞性”,目前国内外对热轧带钢层流冷却控制以前馈为主,反馈为辅。这从冷却区域的布置情况也可看出,冷却区前段是主冷区,冷却能力强,冷却区长;冷却区后段是精调区,冷却能力为前面集管的一半,冷却区短。8.4 自适应控制系统对层流冷却段的带钢不断进行跟踪和自适应修正,以使冷却模型尽可能反映带钢的实际冷却过程,所得到的自适应系数以钢种、厚度和卷取温度等多种形式分类存放,遗传给后续轧制的带钢。模型自适应分为短期自学习和长期自学习,短期自学习系数用于同一轧制批次的顺序卷, 换组别时应用长期

13、自学习系数。8.5 带钢头尾冷却控制一般情况下,带钢头部和尾部的终轧温度低,中部温度高。带钢头部不能进行反馈控制,尾部的反馈能力也很弱,最终导致卷取温度曲线呈两头低、中间高的形状。目前,对带钢头、尾可采取提高目标卷取温度、进行热头热尾特殊处理(比如改进集管开启顺序,改变开闭时间)、对带钢头尾部进行自学习以及采用升速轧制结合机架间冷却系统来保证终轧温度的稳定等多种方式来改善带钢头、尾的卷取温度控制精度。8.6 带钢边部冷却控制带钢在热轧时存在边部减薄现象,在冷却时带钢边部和中部的冷却条件也不相同,致使带钢两边的温度明显比中间低、强度比中间高,给后续工序带来不良影响,并且会引起板形缺陷,所以必须重

14、视边部冷却控制,尤其在宽厚板冷却时。带钢边部冷却控制一般有两种形式:凸型水量分布和边部遮蔽,凸型水量分布是假设带钢横向温度分布为抛物线形,把上、下集管设计成变流量,如采用集管直径变化或间距变化,形成中凸形的水量分布,对带钢边部进行温度补偿。边部遮蔽是通过挡板将集管两端的水流导向储水槽,间接得到凸型水量的分布。这种方式操作简单投入低,但是效果却较明显5。江西冶金职业技术学院 材料成型与控制专业 板带钢生产课程图3 层流冷却控制系统图9 控制效果分析某钢厂1580热连轧层流冷却改造前卷 取温度控制曲线如图4(a)。卷取温度控制曲线的分项统计数据如下:实测温度与目标温度相差±5以内的占带钢

15、全长的39.1% ,相差±10以内的占带钢全长的57.3% ,相差±20以内的占带钢全长的9.1%,相差±20以上的占带钢全长的9.1%。图4(a) 改造前卷取温度曲线通过全面采用上述控制技术加以改造后，控制精度获得明显提高，如图4(b)。卷取温度控制曲线的分项统计数据如下:实测温度与目标温度相差±5以内的占带钢全长的72.4% ,相差±10以内的占带钢全长的98.3% ,全长的100%都被控制在±20以内。4(b) 改造后卷取温度曲线管理理念和管理方式入手，由传统的“以物为中心”、“以事为中心”向“以人为中心”转变，由生硬的、等级式

16、、控制式管理向人性化管理和柔性管理转变，借助管理者的自身人格魅力、领导艺术和人际关系氛围提高管理效果。七、制度创新（一）制度是一个组织为了实现既定的目标以及内部资源与外部环境的协调统一，在产权关系、组织结构、运行机制和管理规范等方面的一系列规则安排，主要包括产权制度、经营制度（经营机制）和管理制度三个层次，制度创新是搞好各项管理工作的基础，适时的制度创新能够使组织站在发展的前沿。（二）根据我矿实际情况，制度创新主要指管理制度的创新，分重点制度创新和常规性业务管理制度创新两大类：1、重点制度创新：（1）企业管理部负责，制定规章制度管理办法，建立全矿制度体系框架，解决制度管理过程和实施过程存在问题

17、；（2）安检科负责，研究制定促进生产业务科室、机关职能部门业务保安职能有效发挥的机制；（3）劳动工资部负责，研究探索先进的薪酬管理制度，改进现行工资分配制度的缺陷，充分调动各个层面劳动者的积极性；（4）人事办、组织部、劳动工资部负责，分别制定分管专业管理干部、工程技术人员、技术能手管理制度，从考核、评聘、任用等环节体现创新性、先进性和合理性；（5）计划财务部负责，围绕全面预算管理制度，督促各有关部门建立、创新具体的控制制度，实现创效增收和节支降耗的目的；（6）职教中心负责，探索研究和改进员工培训制度，提高培训效果；（7）科技开发部负责，根据国家政策研究制定环境管理内部控制制度。2、常规性业务管

18、理制度创新：（1）生产业务科室、机关职能部门要围绕业务管理职能不断修订、完善和创新业务管理制度，调整管理措施，增强管理力度，提高管理效果，使本专业始终处于管理领先水平；（2）各单位要根据本单位管理现状，制定适时、适宜的管理制度，改变员工思想观念和行为规范，增强队伍凝聚力、向心力和战斗力。八、技术创新（一）技术创新是经济增长的技术保证和支持，是企业实现可持续发展的基础，技术创新主要包括产品创新和工艺创新。（二）洗选厂负责、煤销办配合，通过改进洗选设备和洗选工艺，提高各品种产品品质，打造名牌产品。（三）工艺创新侧重于劳动手段和相应的生产组织方法，包括新工艺、新设备以及新的生产组织方法的创新，技术室

19、、通风科、机电室、地测科、调度室要围绕以下领域进行技术创新和攻关：1、技术室：（1）分析诊断我矿推行综采放顶煤工艺出现的难点和薄弱点，选择立项和技术攻关；（2）学习、调研和引进适合我矿条件的其它先进采煤工艺；（3）建立不同盘区、不同地质条件下、不同断面巷道的支护技术标准体系；（4）选择新设备，提高辅助运输安全保障能力和运输能力；（5）加强对工序管理的研究，探索更加科学合理的生产组织方法。2、通风科：（1）加强对抽放工艺的研究，提高抽放效率；（2）加强对粉尘治理的研究，改善生产作业现场工作环境；（3）加强对防突措施的研究，制定适合我矿条件的综合防突措施；（4）建立通风设施建筑标准体系和监督检查体

20、系，确保通风系统稳定可靠；（5）对不同巷道布置方式通风系统的稳定性进行分析比较，选择难点和薄弱点进行立项和技术攻关。3、机电室：（1）不断调研和引进新技术、新装备，提高各环节安全保障能力和生产能力；（2）对设备、设施进行改进，实现节能降耗；（3）学习、引进先进的设备管理方法，提高设备运行的稳定性、可靠性，降低事故率。4、地测科：（1）开展瓦斯地质研究，探索我矿不同地质条件下的瓦斯赋存和涌出规律；（2）对承压水开采进行技术研究和攻关，确保安全生产；（3）引进、研究和探索提高地质构造探测精度的工具、手段和方法。5、调度室：研究探索对突发事件的快速反应、应急处理和信息传递机制。（四）其他业务、其他单

21、位要围绕生产过程中出现的设备、劳动组织、安全环境等方面的问题进行技术创新，特别是要鼓励员工个人进行有针对性的小改小革。九、管理要求（一）宣传部负责，科技开发部、企业管理部配合，利用各种媒体宣传创新的概念和含义，澄清员工模糊认识。（二）宣传部牵头负责，各单位配合，要加强学习型组织创建和企业文化建设，激发员工学习的热情，培养员工自觉学习的良好习惯，不断拓展创新源，为创新工作开展提供必要的动力。（三）科技开发部、企业管理部要制定具体的管理规定，明确创新项目（课题）的日常管理程序。（四）科技开发部、企业管理部牵头，每年至少召开一次创新成果发布会，编印成果集，为各单位交流、学习搭建平台。（五）人事办、组

22、织部要修订完善对干部和工程技术人员的考核办法，把创新意识、创新绩效等纳入考核标准。（六）科技开发部、企业管理部负责，要建立对各单位创新工作开展情况、实施效果的综合评价机制。（七）每年不定期召开交流会或推进会，协调解决创新项目（课题）实施过程遇到的困难，交流经验相互促进。（八）本意见中确定的管理、制度、技术创新课题为矿今后一段时间的主课题，对矿当年确定的一些子课题或其他课题以方针目标展开图和创新工作安排的形式下发到各单位。十、考核奖罚（一）对单位创新工作的综合评价结果纳入单位（部门）工作绩效考核评价办法，与单位（部门）工资奖金挂钩，与单位评比挂钩。（二）对各级人员参与创新工作的意识、创新绩效等方

23、面考核纳入对管理干部和工程技术人员的考核，与干部任职挂钩，与工程技术人员的评聘挂钩。（三）矿每年提取专项奖金，奖励创新工作中成效显著的项目、课题或个人。管理创新活动实施办法第一章 总 则第一条 为进一步规范我矿管理创新工作，完善管理创新体系，加速创新成果的推广和应用，提升矿井自主创新能力，在全矿形成勇于创新、注重实践的良好氛围，鼓励和引导员工为矿井发展献计献策，根据成庄矿推进创新工作实施意见，结合我矿实际，特制定本办法。第二条 管理创新坚持的原则（一）坚持全体员工立足本职、群策群力的全员参与原则；（二）坚持课题分级分类管理原则；（三）坚持全过程监督控制的过程管理原则；（四）坚持鼓励多种创新的多

24、样性原则；（五）坚持课题风险控制的风险管理原则。第三条 本办法适用于矿属各单位。第二章 组织机构及职责第四条 领导组及职责（一）领导组组 长：矿长、党委书记副组长：副矿级领导成 员：生产业务科室及机关职能部门负责人（二）职 责1、确定管理创新开展的总体思路；2、为管理创新开展提供必要的资源；3、审定管理创新相关制度和办法；4、协调解决管理创新工作开展过程中出现的疑点、难点问题；5、审核管理创新成果的立项、评审和申报；6、审核管理合理化建议的评审及结果采纳。第五条 管理创新工作办公室及职责（一）管理创新工作办公室设在企业管理部。（二）职 责1、制定管理创新相关制度和办法；2、组织管理创新课题的注

25、册、立项；3、对管理创新课题实施过程进行检查、考核、指导和服务；4、组织召开管理创新课题协调研讨会、成果发布会；5、组织管理创新成果评审、申报；6、负责管理创新成果荣誉登记和成果证书保存。第六条 管理创新成果评审组及职责（一）管理创新成果评审组由各专业副总工程师、各单位主任工程师、主任经济师、主任会计师和企业管理部、科技开发部负责人组成。（二）职 责1、对管理创新课题实施效果进行验证；2、对管理创新成果材料进行论证、评审；3、为领导组提交管理创新成果评审结果。第三章 成果分类及含义第七条 管理创新成果分为四类：企业管理现代化成果、质量管理成果、管理创新论文和管理合理化建议。第八条 企业管理现代

26、化成果分为应用型、创新型两类。（一）应用型是指应用国内外现代化管理的理论、技术、方法和手段，对提高产品质量，降低物资消耗，增加经济效益和保证安全生产有显著效果的成果。（二）创新型是指运用现代管理科学理论，在企业战略、企业制度、管理理念、管理方式、组织、方法和手段等方面提出的具有改进、创新因素，有明显作用和效果的办法和措施。1、创新型成果必须同时符合三项要求，一是具有创新性，即符合管理科学原理，能反映一定管理领域的客观规律；二是具有实践性，即符合国家经济技术政策、法规，体现国家指导企业工作的客观需要，具有导向性、可操作性和推广价值；三是具有效益性，即工作效率高、经济效益及社会效益显著。2、创新型

27、成果的创新性大致可分为三类：（1）结构、功能明显优于原来采取的管理方法，并达到或超过国内先进水平的创造发明；（2）应用国内外已有成果，在实践中确有加以改进和发展的创新因素；（3）引进先进管理技术在矿应用并获得成功。第九条 质量管理成果是指课题组通过开展质量管理小组（简称QC小组）活动取得的成果。第十条 质量管理小组是指从事各种劳动的职工，围绕企业方针目标或现场工作中存在的问题，以改进质量、降低消耗、提高经济效益和人的素质为目的组织起来，并运用质量管理的理论和方法开展活动的小组。第十一条 QC小组包括问题解决型小组和创新型小组，问题解决型小组包括现场型、服务型、攻关型和管理型小组。现场型QC小组：小组成员以班组和工序现场的操作工人为主体组成，课题以稳定工序质量，改进产品质量，降低消耗，改善生产环境为目的。服务型QC小组：小组成员由从事服务工作的职工群众组成，课题以推动服务工作标准化、程序化、科学化，提高服务质量和经济效益、社会效益为目的。攻关型QC