（材料加工工程专业论文）热轧带钢层流冷却自动控制系统的设计与应用.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 热轧带钢层流冷却自动控制系统 的设计与应用 摘要 卷取温度对带钢的微观组织影响很大，是决定成品带钢加工性能、物理性能 和力学性能的重要工艺参数之一。而带钢的卷取温度主要是依靠热轧机组后的层 流冷却区来控制的。为提高带钢的质量和产量，层流冷却区采用基础自动化和过 程自动化联合控制。本论文主要对基础自动化系统( 即自动控制系统) 进行探讨。 在分析国内外控制冷却技术和设备进展的基础上，说明选择层流冷却控制系 统的合理性。并针对层流冷却自动控制系统所需执行的阀门开关控制、带钢微 跟踪控制、水位自动控制、反馈控制、前馈控制、联锁控制、仿真控制、数据采 集、处理及交换功能，设计出整套控制系统。 在层流冷却自动控制系统中应用一些比较先进的控制策略：高位水箱的水位 控制、带s m i t h 预估器的反馈控制和抛钢后的前馈控制。其中水位控制是控制高 位水箱液位的，稳定的液位对于保持集管流量的稳定及过程机的设定是有利的； 反馈控制和前馈控制是控制带钢卷取温度、提高控制精度的。 在实现这套控制系统时，采用步序控制法进行编程，并对控制逻辑及控制策 略的程序框图进行说明。步序控制法可以提高设计效率，与传统的方法相比，可 节约7 0 9 5 的设计时间，而且程序的调试、修改和阅读都很方便。 这套控制系统于2 0 0 3 年3 月在某热轧带钢厂得到成功应用。其中水位控制 可将液位控制在设定水位偏差范围3 0 m m 之内，比设定的5 0 m m 精度还高；投 入反馈控制和前馈控制，可将温度偏差基本上控制在2 0 。c 以内。经过近一年 的使用，证明该系统各项控制功能均可实现，完全满足生产需要，并具有自身的 优点和先进性，可以广泛应用于热连轧厂的冷却系统中。 关键词热轧带钢层流冷却自动控制卷取温度控制策略 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f a u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m o fl a m i n a r c o o l i n g f o rh o t s t r i pm i l l a b s t r a c t h o ts t r i pc o i l i n gt e m p e r a t u r eh a si m p o r t a n te f f e c tt om i c r o s t r u c t u r ef o ri td e c i d e s m e c h a n i c a l w o r k i n gp r o p e r t i e s ，p h y s i c a lp r o p e r t y a n ds t r u c t u r e p r o p e r t y o ft h e f i n i s h e dp r o d u c ts t r i p a n dt h el a m i n a rc o o l i n ga r e aa f t e rt h ef i n i s h i n gm i l l sm a i n l y c o n t r o l si t a to n et i m e ，b a s i ca u t o m a t i o na n dp r o c e s sa u t o m a t i o na r eu s e dt oi m p r o v e q u a n t i t y a n dq u a l i t y t h i st h e s i sc h i e f l y d i s c u s s e st h ec o n t r o l s y s t e mo ft h eb a s i c a u t o m a t i o n ( t h a ti s ，a u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m ) b a s e do na n a l y z i n gc o o l i n gc o n t r o lt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sa th o m ea n d a b r o a d w ec a nc o n c l u d et h a tl a m i n a rc o o l i n gc o n t r o ls y s t e mi sr e a s o n a b l ef o rh o t r o l l i n gs t r i p a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n sw h i c h i n c l u d ev a l v eo n o f f c o n t r o l ，s t r i pt r a c k ， w a t e rl e v e l c o n t r o l ，f e e d b a c kc o n t r o l ，f e e d f o r w a r dc o n t r o l ，i n t e r l o c kc o n t r o l ， s i m u l a t i o nc o n t r o l ，d a t ag a t h e r , m a n a g e m e n ta n dt r a n s f e r s ，t h es y s t e mi sd e s i g n e d s o m ea d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g i e sa r eu s e di nt h ec o n t r o ls y s t e m t h e yi n c l u d e w a t e rl e v e lc o n t r o lo fh i g hw a t e rt a n k f e e d b a c kc o n t r o lw i ms m i t hp r e d i c t o ra n d f e e d f o r w a r dc o n t r 0 1 s t e a d yw a t e rl e v e lc a r lb eg o tb yw a t e rl e v e lc o n t r o l ，w h i c hi s v e r yi m p o r t a n tf o rw a t e rf l u x s t a b i l i z a t i o na n dp r o c e s sc o m p u t e rs e t u p p r e c i s i o n f e e d f o r w a r dc o n t r o la n df e e d b a c kc o n t r o la r en e c e s s a r yt oc o n t r o lc o i l i n gt e m p e r a t u r e a n d i m p r o v ec o n t r o lp r e c i s i o n t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t ss e q u e n t i a lc o n t r o lf o rp r o g r a m m i n g a n dt h ec o n t r o l l o g i ca n dp r o g r a mc h a r t sa r ea l le x p l a i n e d s e q u e n t i a lc o n t r o lc a ng r e a t l yi n c r e a s e e f f i c i e n c y , w h i c hs a v e s 7 0 9 5p e r c e n to ft i m et h a n 也ec o m m o n i tm a k e st h e p r o g r a m m o r ec o n v e n i e n tt oc a r r yo u t ，e a s i e rt om a s t e ra n db e t t e rt or e a d t h i s s y s t e mh a sb e e na p p l i e d i ns o m eh o ts t r i pm i l ll a s t y e a r t h ec o n t r o l p r e c i s i o n sa r eb e t t e rt h a nt h ee n a c t m e n t s t h a ti n d i c a t e st h ef u n c t i o n sa r ea l la c h i e v e d a n dt h es y s t e ms a t i s f i e st h ef a c t o r i e s n e e d sa n dh a si t ss t r o n g p o i n ta n d a d v a n t a g e s oi t c a nb eu s e da b r o a d k e yw o r d s h o t r o l l i n gs t r i p c o i l i n gt e m p e r a t u r e l a m i n a r c o o l i n g a u t o m a t i o nc o n t r o l c o n t r o l s t r a t e g y 1 l 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，不包含其他人已经发表或 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以在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 本人签名：纠支红 e t 期：a 一千& a ， 东北大学硕士学位论文绪论 1 1 课题的研究背景 1 绪论 自从1 9 2 4 年美国在阿斯兰建设1 4 7 0 m m 带钢热连轧机和1 9 2 6 年在巴特勒建 设1 0 7 0 m m 带钢热连轧机，带钢热连轧已经有8 0 年的发展史。虽然热轧带钢投 资很大，但由于生产能力大、产品质量优良、自动化程度高、生产成本低，故短 期内在世界各国得到了迅速发展。到目前为止，在世界上已经设置了近2 0 0 套带 钢热连轧机。 带钢热连轧生产，按照主要工序先后，一般划分为：加热区、粗轧区、精轧 区和卷取区。生产工艺流程按照下列工序进行：板坯预备一板坯加热一粗轧一精 轧一轧后冷却一卷取一精整。典型热轧板带生产计算机控制系统如图1 1 所示口 。 rl 管理计算机 l l 综合和分析计算机ll 备用计算机l 涮il 纛fi 纛l 暖利 i 加热炉过ii 粗轧机预 ll 精轧机预 i 冷却段预 i l 程计算机ii 过程计算机ij 过程计算机ii过程计算机i 上1上1l 111 7 化i 加热炉基li 粗轧机基li 精轧机基il 冷却段基l 【l 础自动化ll 础自动化ll 础自动化lf 础自动化i | i f f - i l 加热炉初轧机精轧机冷却段倦诹机 图l ，l 热轧生产的计算机控制系统 f i g 1 1 t h e c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mo i lh o t r o l l i n g 东北大学硕士学位论文1 绪论 从图1 1 可以看出，轧后冷却是整个热轧生产的一个重要环节，其主要任务 是冷却板带，控制卷取温度。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，热轧带钢的实际卷取温度是否能控制在要求的范围内，主要取决于带 钢冷却系统的控制精度。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，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【j j 。 目标卷取温度随钢种的不同而变化，即使同一种钢种，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 以下，约为 6 0 0 6 5 0 。c 。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【4 】【”。 卷取温度对带钢的微观组织影响很大，是决定成品带钢加工性能、力学性能、 物理性能的重要参数之一。这是因为带钢在输出辊道上冷却期间，奥氏体转变为 铁素体、珠光体、贝氏体，有时产生马氏体。化学成分和卷取温度是决定带钢最 终组织结构和各种相变比例的主要参数，所以，通过控制冷却速度和卷取温度可 以提高产品性能。在相变过程中，带钢释放热量，使冷却过程复杂化。 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，则钢质屈服强度相对较低1 6 j 。 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 ，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 一8 0 米) 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1 7 j 。 东北大学硕士学位论文 绪论 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。6 0 年代以来，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热连轧机的必要环节，在国内外受到普遍重视【7 】o 1 2 国内外发展概况 1 2 1 控制冷却方式及设备的发展概况 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。下 面主要介绍前三种冷却方式及设备 8 】 9 】【l0 1 。 喷射冷却的优点是可以喷射到需要冷却的部位，同时，通过改变喷嘴配置、 喷嘴孔的尺寸、水压等能对喷射水量( 冷却能力) 进行控制。常采用的喷嘴有扇 形喷嘴和带芯子的全圆锥喷嘴两种。当喷嘴孔小时，常发生堵塞。近年来，为防 止堵塞，开发了无芯子全圆锥喷嘴及喷雾喷嘴。 在连铸的二次冷却带由于空间狭小，使用喷雾冷却，高速空气流使水滴和铸 坯接触均匀，并能排除拉辊和铸坯间的滞留水，使铸坯的冷却不均得到明显改善 u h 1 2 1 。 所谓加速冷却，是将热轧后的厚钢板，立即进行水冷，通过控制相变组织 来提高机械性能的技术控制冷却方法。过去用大容量的水冷却厚板时，要精确地 控制钢板的整体温度是很困难的，目本神钢公司借助新开发的加速冷却方法，确 东北大学硕士学位论文l 绪论 立了高精度、均匀地控制水冷过程中的钢板温度的技术，成功地把加速冷却工艺 ( k o b es t e e lc o n t r o l l e dr o l l i n ga n da c c e l e r a t e dc o o l i n gp r o c e s s ，简称k c l 工艺) 推向了实用化阶段。 现今的加速冷却已成为船板、管板和其它低合金高强度钢、低脆变温度和良 好的焊接性能钢板现代化大生产必要的加工工艺。 直接淬火是加速冷却基础上发展起来的又一冷却方式，它较加速冷却水量密 度高而且冷却温度区域宽。所谓直接淬火是通过迅速冷却轧制之后的热钢板，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 生产工艺的特点是，与离线淬火比较，1 ) 可以节省工序；2 ) 为提高淬透性，可 减少能够得到同一强度的合金元素含量；3 ) 采取这种措施可降低碳当量以提高 焊接性能。因此直接淬火和加速冷却一样，在今后的高强度钢板的中，作为必要 的生产工序而占有主要位置。 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。 还有一种如图1 2 所示的可调水幕。该水幕利用分段斜楔控制出水的缝宽，提升 或下降斜楔控制出水口开口度 1 3 】。 图1 2 分段斜楔式可调水幕结构示意图 f i g 1 2d i a g r a mo f s e g m e n t e d i n c l i n e dw e 岵ea d j u s t a b l ew a t e rc u r t a i n 东北大学硕士学位论文 绪论 由于热轧板带生产是连续的，因此要求水幕冷却设备能满足连续生产的要 求，装簧要坚固耐用，易维护，反应敏捷，水量可调，系统构成要适于计算机控 制，其水幕设备如图1 3 所示 1 4 】。 上部充水槽；2 m 上部水幕；3 一下部充水榴；4 一辊子：5 一带钢。 图1 3 上下水幕安装示意图 f i g 1 3d i a g r a mo f w a t e rc u r t a i n i n s t a l l a t i o n 前苏联的一项专利报道了一种可调的水幕冷却装置。它带有窄口充水槽，在 其下部装有一个能在垂直于水流方向的平面上往返移动的闸板，并在上面给闸板 安上一个能伸入集管的小刷子，通过连续改变冷却水的宽度，使之与被冷却的钢 板的宽度相适应，同时清洗窄1 ：2 集管内部污垢，提高冷却效率【1 5 l 。 德国专利报道了一种水幕冷却装置，其特点是集管的出口比入口大，并由入 口向出口不断突出扩张，以补偿水幕出现的断面收缩，保持均匀良好的水幕形状。 层流冷却是以大量虹吸管从水箱中吸出冷却水，在无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，因它具有某些层流特点，所以称为层流冷却方式。 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，易于形成稳定的层流状态等优点，增加u 形管的密度，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 其单根上集管密度增加，使冷却能力提高；通过侧喷装置和集管的组数控制可 东北大学硕士学位论文1 绪论 图1 4 早期的u 型屡流喷头水冷系统 f i g 1 4 w a t e r c o o ls y s t e mo f e a r l y u l a m i n a r j e t 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。通过对普通管层流、高密 度管层流和水幕冷却进行比较得知，高密度管层流的冷却能力同水幕冷却能力相 当，而设备结构、设备维护及投资则是比较低的。 早期的层流冷却设备如图1 4 ，包括2 行u 型( 出水) 管，位于公共的集水 管上，u 型管端口在带钢宽度方向上的间隙距离为5 0 r a m 。在输出辊道长度方向上 的间隙距离为0 4 5 m ，集水管位于带钢上方约l _ 5 m ，它形成的水流像玻璃柱一样， 冷却水落到带钢平面上，反溅不严重，可以忽略，形成的圆形有效冷却区域为下 落水流直径的2 倍的区域。冷却水与带钢表面正向的紧密接触产生了很好的传热 效果。 层流冷却装置更迸一步的发展是采用单排或双排冷却水管，减少了沿带钢长 度方向集管的间隙，沿带钢宽度方向上有2 排交错布置的出水管【16 1 。 东北大学硕士学位论文1 绪论 f 一精轧首机浆：f 。一精轧末机架：f d t 一精轧测温仪； c t 一卷取测温仪：f r - 卷取夹送辊；c l 一卷取机。 图1 5 层流冷却设备布置简图用 f i g 1 5 一s i m p l ea r r a n g eo fl a m i n a rc o o l i n gi n s t a l l a t i o n s 图1 5 是层流冷却设备布置简图，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，并且沿输出辊道每隔一段距离设置一定数量的侧 喷头，将滞留在带钢表面上的水冲掉，所以冷却效果很好。 7 0 年代，国内开始应用热轧带钢控制冷却技术。7 0 年代末武钢引进的 1 7 0 0 m m 热轧带钢机上部采用柱状层流冷却和下部喷水冷却的控制技术。宝钢的 热带钢轧机采用层流冷却控制系统。 1 9 8 4 年日本专利报道了一种层流冷却装置，其集管流量可调，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、低屈服强度比的钢板，产品质量波动很小。 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【1 7 】： 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 东北大学硕士学位论文 绪论 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，在同样轧制的条件下，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、清除污垢； 8 ) 在满足正常冷却条件下节省能源。 由于控制冷却能使钢材的合金组织发生性能的改变，在热轧车l 司输出辊道 上采用层流冷却系统控制带钢的卷取温度从6 0 年代开始应用。反映该项成果的 论文于1 9 6 5 年发表，并获得美国钢铁学会( a i s i ) 的奖励。该文对加速冷却控 制系统的优点作了如下总结：“控制冷却的主要益处之一是晶粒细化。细晶粒导 致钢的强度、缺口冲击韧性和抗脆性断裂的能力增加。采用细化晶粒作为基本强 化机制，允许人们在保持相同强度水平的情况下适当降低钢中含碳量。而较低的 含碳量改善了成型性能、缺口韧性和可焊性。对扁平钢材实行控制冷却，保证获 得匹配适宜的综合机械性能，并缩小热轧低合金高强度钢和那些需要热处理的钢 之间的性能差距。”正是由于这些钢没有过多的合金化和热处理费用而能提供有 益的性能，因此它们更增加了商业、技术和研究的兴趣。对于这些钢的浓厚和日 益增长的兴趣的主要标志是大量的技术研讨会，这些会议专门对这样的钢进行描 述、分析和讨论。自6 0 年代至少有1 2 次与微合金( m a ) 有关的技术会议。1 9 8 5 年8 月在美国匹兹堡举彳亍的首届关于钢材加速冷却的国际会议上证实了加速冷 却是一种可行的工艺。在西德克虏伯公司波鸿厂的宽带钢热轧机上，对输出辊道 上冷却热带钢的层流、水幕和喷射冷却系统进行了对比研究( 如图1 6 所示) 1 8 】。 得到的结论是：水幕冷却系统具有最高的“比冷却特性”，但缺点是对带钢上、 下表面和整个冷却区长度冷却不够均匀；喷射系统的“比冷却特性”最低，且带 钢上、下表面的冷却差别很显著；而层流冷却系统的“比冷却特性”只比水幕稍 低，但它能对带钢上、下表面和整个冷却区长度进行均匀冷却。川崎钢铁公司水 岛人带钢厂，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【l 。 8 东北大学硕士学位论文绪论 理论和实践都证明层流冷却效果最佳。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。 图1 6 a 三种层流冷却装置图 f i g 1 6 ae q u i p m e n td i a g r a mo f t h r e e t y p e s o f l a m i n a rc o o l i n g 垤萎羹 i 了、 厂 、一 父一lj = 7 f i 歹 集管层流水幕喷射 图i 6 b 三种冷却方式冷却水在钢板上的分布状态 f i g 1 6 b w a t e r d i s t r i b u t i o no f t h r e e t y p e so f l a m i n a r c o o l i n g o nh o ts t r i p 1 2 2 控制系统 1 2 2 1 层流冷却控制系统 美国印第安纳港2 1 3 4 m m 热带钢厂使用层流冷却装置，其控制系统具有准确 预测卷取温度的特点。系统给基本前馈控制模型增加了两个重要特性，即预测和 跟踪，一旦前馈模型设定了目前还在精轧出口测温仪下的带钢区段的出水集管组 数，立刻进行计算，预报该段带钢预期的卷取温度，预测值与目标值之差不超过 半个集管组。图1 7 是系统结构框图【2 0 1 【2 “。 东北大学硕士学位论文绪论 过 一 长期适应模型 目标厚度程 目标卷取温度一预 梯度 测 最篡一竺坚! h 带钢速度 模 实际厚度 型 实际卷取温度一 簖姗4 尹 主冷却段 ii 微调段j 号“ - q i i lr 图1 7 印第安纳港热带钢厂热轧带钢卷取温度控制系统结构框图 f i g 1 7 s t r u c t u r ec h a r to f h o t s t r i pc o i l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m o f h o t s t r i pm i l li ni n d i a n ap o r t 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滤波调节，以便随时用卷取温度偏 差修正预测值。 前馈和反馈控制的具体算法是调节每段带钢的预测值，离卷取测温仪最近的 带钢段温差调节量最大，离精轧测温仪最近的带钢段温差调节量最小，前馈修正 值是精轧出口温差修正值和卷取温差修正值之和，这个修正值用于离开精轧测温 仪的下一段带钢的前馈计算。 自适应控制的具体算法分为卷对卷自适应算法和长期自适应算法。卷对卷自 适应算法是以前馈修正值作为模型偏差修正下块带钢，但下块带钢的头部用模型 偏差的5 0 修正：长期自适应算法是根据不同的卷取温度范围和不同浇水方式采 用不同的模型修正值，这个模型修正值的估计是一个迭代过程，通过建立修正值 表格实现。 美国印第安纳港2 1 3 4 m m 热带钢厂的热轧带钢卷取温度控制系统，采用模型 基准控制技术，控制的核心是利用卷取温度偏差修正预测模型，提高预测模型的 精度1 2 2 】1 2 3 l 。 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 东北大学硕士学位论文1 绪论 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，计算出需要开水阀的数目和位置并将这些信息传到网上，以备基础自 动化系统的使用。而基础自动化系统则依据过程机的开阀设定，在自身微跟踪 的控制下，依次打开或关闭水阀。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一些过 程机所需信号的采集、处理和传输。过程控制级和基础自动化级的关系如图1 8 所示。 过程控制级 p c c fi 基础自动化级 b a c 图1 8 过程控制级和基础自动化级的关系图 f i 9 1 8 c h a r to f p c ca n db a c 1 ，2 。2 2 水幕冷却控制系统 1 9 8 4 年7 月在日本住友金属工业公司鹿岛厂使用水幕冷却装置，整个冷却 区分为两段，前段冷却区和后段冷却区，两段冷却区之间有测温仪，用于测量 带钢的中间温度。热轧带钢卷取温度控制系统具有控制带钢卷取温度和控制带 钢冷却速度两个特点，在控制卷取温度时，每个采样点的温度是由在线模型计 算的，采样点沿带钢长度方向以固定间隔排列，而每个冷却区的水量按预定的 卷取温度相应给出。冷却速度是利用中间温度信号进行控制，通过中间温度和 带钢经过前段冷却区的时间计算冷却速度。图1 9 是系统结构框图洲矧。 东北大学硕士学位论文l 绪论 v 一带钢速度；f t _ 终轧温度：f t 。一目标终轧温度 限终轧温度偏差：m t _ 中间温度：c t _ 卷取温度。 图1 9 鹿岛厂热轧带钢卷取温度控制系统 f i 9 1 9 s t r u c t u r ec h a r to f h o t s t r i pc o i l i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mi nk a j i m a m i l l 该系统采用前馈和反馈控制方式，前馈控制是以终轧温度偏差作为控制信 号，通过调整后段冷却区水量来消除终轧温度偏差，实现前馈控制；反馈控制 是以卷取温度作为控制信号，通过调整后段冷却区水量实现反馈控制。 具体算法是计算每个冷却区的冷却水量，采用三个信号对水冷温降模型进 行补偿和调整，这三个信号分别是带钢速度、终轧温差和卷取温度。用带钢速 度来补偿轧机加、减速对水冷温降模型的影响，用终轧温度的波动来补偿设定 计算的误差，在最后冷却区采用测量温度的反馈。 日本住友金属工业公司鹿岛厂的热轧带钢卷取温度控制系统，对速度的变 化进行了前馈补偿，可见，系统将带钢速度作为卷取温度控制的重要影响因素。 1 3 控制的难点 热轧钢材卷取温度控制是相对复杂和困难的，从工艺设备的角度出发，主 要有四个方面的控制难点1 2 6 j ： 1 ) 影响卷取温度的因素多而复杂，包括：带钢材质、厚度、速度、冷却水 量、水压、水流运动形态、终轧温度、热传导、对流、辐射条件和层流冷却装 置的设备状况等，因而难以在数学模型中全部考虑和精确描述。 2 ) 在层流冷却中，冷却装置分布在1 0 0 多米长的输出辊道上下方，带钢任 东北大学硕士学位论文l绪论 一点通过冷却区需要5 2 0 秒，由于采用加速轧制技术，带钢各点通过层流冷却 区的时间差异也很大，因此，控制冷却实际是在很大的空间范围内对处于变速 及高速运动中的钢材沿长度方向逐点实施的，这使得卷取温度控制本质上是一 个十分复杂的分布控制问题。 3 ) 卷取测温仪通常安装在层流冷却区外1 0 2 5 米的位置，相对控制点，检 测滞后很大，严重制约了常规反馈控制方式的使用。此外，控制阀的开闭及冷 却水从u 型管出水口溅落到带钢表面，都存在较大的滞后效应( 秒级) ，给动 态控制带来不利影响。 4 ) 冷却水量的调节一般是非连续的，其控制“粒度”为由一个阀所控制的 水量。卷取温度控制精度本质上受此粒度大小的制约，特别是薄材，更为敏感。 从控制算法的角度来看，受工艺设备的限制，现行的热轧带钢卷取温度控 制系统基本上以设定控制为主。我国7 0 年代中期引进的1 7 0 0 m m 热连轧机，其 卷取温度控制以设定控制为主，而不具备真正意义上的反馈控制。导致这种情 况的主要原因是：带钢任一一点从精轧末机架出1 3 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，这使带钢 控制精度几乎完全依赖于预测模型结构和参数的选择。 考虑到以上情况，如果能在控制冷却的基础自动化控制系统中对卷取温度 进行进一步控制，即在基础自动化系统中根据带钢即时温度和速度的变化对冷 却水量进行调解，带钢的卷取温度精度可进一步提高。 1 4 本文的研究目的及内容 1 4 1 本文的研究目的 在现场硬件设备既定的情况下，从工艺和控制两方面入手，对热轧带钢卷 取温度进行控制，以更好地解决实际生产中存在的问题，提高带钢卷取温度精 度。 东北大学硕士学位论文绪论 1 4 2 本文的研究内容 本文以常规热连轧带钢自动控制系统为基础，针对层流冷却控制中普遍存 在的主要问题，即由于模型一次设定使s l $ j 过程中产生较大的温度偏差、带钢 尾部抛钢后卷取温度精度低等问题，以生产工况为背景，分析研究问题存在的 原因，并结合工艺技术与控制理论，主要开展以下工作： 1 ) 数据采集、处理及与过程机和操作终端的数据交换； 2 ) 层流冷却区内所有阀门的开关控制； 3 ) 层流冷却区域带钢微跟踪； 4 ) 机旁高位水箱液位自动控制； 5 ) 层流冷却精调段反馈控制； 6 ) 精轧机抛钢后的冷却水前馈控制； 7 ) 控制冷却系统的联锁控制： 8 ) 层流冷却设备仿真控制功能； 9 ) 控制过程中步序器的使用。 东北大学硕士学位论文2 层流冷却系统工艺参数及控制要求 2 层流冷却系统工艺参数及控制要求 2 1 层流冷却设备及主要工艺参数 层流冷却区设备布置简图如图2 1 所示：层流冷却设备安装在精轧机f n 机 架出1 3 至1 号地下卷取机之间的热输出辊道上下方，共布置( m + n ) 组层流冷却 集管，其中前m 组为粗冷段，后n 组为精冷段。粗冷段作为主冷区，精冷段为反 馈控制区。出水方式为上集管上排布u 型管，形成管层流。 i isva _ ”1i t 2 彬m 圆皿皿皿皿皿衄唧衄c t -bo c oo i i2 345 m - 1mm + l m + nn r l f n 一末架精轧机：f d t 、c t l 、c t 醐金属温度检测仪； a 、 一空气吹扫阀；s _ v 一侧喷阀；d c l - d c 仁卷取机： 1 一m + n 一层冷集管组编号( 其中1 一m 组为粗冷段m + l m + n 组为精冷段) 。 图2 i 层流冷却区设备布置简图 f i g 2 1e q u i p m e n t d i a g r a m o f l a m i n a r c o o l i n ga m a 热轧带钢层流冷却系统的主要工艺参数如下 1 )装置尺寸( m m ) ； 2 )处理带钢尺寸( m m ) ； 3 )上、下集管数( 根) ； 4 )冷却水温度( ) ： 5 )最大卷重( t ) ； 6 )精轧机最高速度( m ，s ) ： 7 )主冷区、精冷区长度( m m ) ； 8 )卷对卷最短间歇时间( s ) ； 9 )终轧温度范围( ) ： 1 0 ) 卷取温度范围( ) ： 东北大学硕士学位论文2 层流冷却系统工艺参数及控制要求 1 1 ) 环境温度( ) ； 1 2 ) 冷却带钢厚度( m m ) ； 1 3 ) 有效冷却宽度( m m ) ； 1 4 ) 上、下部冷却水对带钢表面的冲击压力( m p a ) ； 1 5 ) 侧喷集管数( 根) 、侧喷水压力( m p a ) 、侧喷最大用水量( m 3 ，h ) 1 6 ) 冷却能力( ) ； 1 7 ) 冷却系统分辨力( ) ； 1 8 ) 阀门的平均响应时间( s ) ； 1 9 ) 层流冷却系统的最大供水能力( m 3 h ) ； 2 0 ) 水箱的补水能力( m 3 h ) 。 2 2 层流冷却自动控制系统的控制功能 热轧带钢层流冷却自动控制系统的主要控制功能包括如下一3 ： 1 )数据采集和处理； 2 )集管快速气动薄膜阀开关控制： 3 )层流冷却区域带钢微跟踪； 4 )带钢头部移动过程中的冷却水顺序打开和带钢尾部移动过程中的冷 却水顺序关断控制； 5 )侧喷水和垂直喷射水开关控制； 6 )层流区入口和出口压缩空气吹扫阀开关控制； 7 )机旁高位水箱液位自动控制i 8 )上集管液压倾翻手动控制； 9 )层流冷却精调段反馈控制 1 0 ) 精轧机抛钢后的冷却水前馈控制； 11 ) 控制冷却系统的联锁控制： 1 2 ) 层流冷却设备仿真控制功能； 1 3 ) 与过程机、其它p l c 和操作终端的数据交换。 2 2 1 数据采集与处理 热轧带钢层流冷却自动控制系统数据采集与处理一般包括： 东北大学硕士学位论文2 层流冷却系统工艺参数及控制要求 1 ) 卷取机卷取温度； 2 ) 机旁高位水箱冷却水温度； 3 ) 机旁高位水箱冷却水液位； 4 ) 粗冷段和精冷段上、下集管流量： 5 1 供水总管的水流量。 以上几个输入均为模拟量输入，这些模拟量要被采集并送到相应的模板中。 这些信号均为4 2 0 m a 电流信号，经标度变换后存入相应的寄存器中，同时要 将其发送到网络上，供过程计算机模型计算时使用。 2 2 2 集管快速气动薄膜阀开关控制 该功能为层流冷却自动控制系统最基本、最关键的功能，即通过p l c 现场 控制i o ( f i e l dc o n t r o li o ) 对集管控制单元的快速气动薄膜阀门进行启动 和关闭( o n o f f ) 控制。 2 2 2 1 粗冷段集管快速气动薄膜阀的开关控制 m 组粗调上层流集管的每组冷却装置由m 1 根层流集管组成，每根管层流配 有一个控制单元，每根层流集管上面安装2 排u 型管。m 组下喷射集管每组冷却 装置由2 x m l 根喷射集管组成，每根喷射集管上面安装1 排喷管，两个集管为一 个控制单元。 因而粗冷段的控制单元总数为m l x 2 x m = m 个。它们由m 个继电器方式输 出的d 0 点来控制。 2 2 2 2 精冷段集管快速气动薄膜阀的开关控制 r l 组精调上层流集管每组冷却装置由n 1 根层流集管组成，每根层流集管上 面安装1 排u 型管，每根管层流集管配有一个控制单元。n 组精调下喷射集管每 组冷却装置由n 1 根喷射集管组成，每根喷射集管上面安装l 排喷管，每根喷射 集管配有一个控制单元。 因而精冷段的控制单元总数为n l 2 n = n 个，它们由n 个继电器方式输 出的d o 点来控制。 所以管集流共有( m + n ) 个控制单元，控制方式为启动和关闭( o n o f f ) 。 在过程计算机中，根据精轧出口带钢厚度、速度、温度和目标卷取温度等 东北大学硕士学位论文2 层流冷却系统工艺参数及控制要求 工艺参数，利用层流冷却数学模型，预先计算需要打开水阎的组数以及相应的位 置，即给出喷水组态。 2 2 3 层流冷却区域带钢微跟踪 层流冷却区域带钢微跟踪分为头部和尾部两个部分，主要目的是在带钢头部 或尾部通过热输出辊道时，按顺序依次打开或关闭冷却水喷嘴，以减少控冷过程 启动和停止时对水系统产生的冲击，并节省冷却水。 2 2 3 1 层流冷却区域带钢头部微跟踪 在带钢头部进入精轧机末机架时，由该信号触发带钢头部微跟踪程序。根据 精轧机出口带钢的线速度( 考虑轧辊的前滑系数) 和经过的时间，来计算带钢头 部在热输出辊道上的位置，进而计算出带钢头部在冷却区的具体位置。 2 2 3 2 层流冷却区域带钢尾部微跟踪 在带钢尾部离开精轧机末机架时，由该信号触发带钢尾部微跟踪程序。根 据卷取机卷筒或夹送辊的线速度和经过的时间，来计算带钢尾部在热输出辊道上 的位置，进而计算出带钢尾部在冷却区的具体位置。 2 2 4 带钢头部和尾部移动过程中的冷却水顺序打开和关断控制 2 2 4 1 带钢头部移动过程中的冷却水顺序打开控制 通过层流冷却区域带钢头部微跟踪程序，计算出带钢头部( 附加带钢热头 控制长度) 到达每组冷却集管的时间，p l c 提前以带钢运行的同步速度( 提前的 时间由现场调试时决定) ，按过程机的喷水组态，以由前到后的顺序将对应的集 管( 控制单元) 依次打开。 每组粗调集管又分为m 1 小组，即粗调集管上下对应2 个控制单元为1 小组， 精调集管分为n l 小组，即上下对应的2 个控制单元为1 小组，这样( m + n ) 组集 管又分为( m + n ) 2 个小组，( m + n ) 个控制单元( c o n t r o lu n i t ) 。它将对应p l c 梯形图控制程序中的( m + n ) 2 个步序( s t e p ) 。 东北大学硕士学位论文2 层流冷却系统t - 艺参数及控制要求 2 2 4 2 带钢尾部移动过程中的冷却水顺序关断控制 通过层流冷却区域带钢尾部微跟踪程序，计算出带钢尾部( 附加带钢热尾 控制长度) 到达每组冷却集管的时间，p l c 同时按带钢运行的同步速度，以由前 到后的顺序将对应的开启的集管( 控制单元) 依次关闭。 2 2