系统解决方案 誓 冬曩 誊§撼≯ １ ７ ８０ｍｍ热轧层流冷却自动控制系统的控制模型 宋强’，张运素 ，牛庆林 （１．安阳工学院机械工程学院，河南安阳４５５０００；２．安阳铜铁集团公司，河南安阳４５５００４） 摘要：以某１７８０ｍｍ热连轧机层流冷却系统为对象。建立层流冷却控制模型．并在实际使用中对影响其控制精度 的一些因素进行分析。 关键词：热轧带钢；层流冷却系统；卷曲温度；控制策略 Ｃｏｎｔｒｏｌ ＭｏｄｅＩ ｏｆ ＬａｍｉｎａｒＣｏｏｌｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｆ １ ７８Ｏｍｍ Ｈｏｔ Ｒｏｌｌｉｎｇ ＳＯＮＧ Ｑｉａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕｎ—ｓｕ２，ＮＩＵ Ｑｉｎｇ－ｌｉｎ２ （１．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｎｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｎｙａｎｇ４５５０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｎｙａｎｇＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌ Ｃｏ．，ＬＴＤ Ａｎｙａｎｇ ４５５００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａ １ ７８０ｍｍ ｈｏｔ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｉｌｌ，ｌａｍｉｎａｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ．Ｓｏｍｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｏｔ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｉｐ；ｌａｍｉｎａｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｉｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｕ引吾 控制冷却技术作为实现钢铁材料组织细化的重 要技术手段．已成为现代轧制生产中不可缺少的工艺 技术。 图１层流冷却系统示意图 对适应模型更新．从而控制冷却集管的开闭．调节冷 却水量。实现带钢冷却温度精确控制 通常层流冷却 控制冷却技术从２０世纪６０年代发展到现在 已 有压力喷射冷却、层流冷却、喷淋冷却、板湍流冷却、 水幕冷却以及水一气喷雾冷却等多种类型 目前．１７８０热连轧机组轧制的热轧带钢的冷却． 多采用的是带钢管层流冷却和高压喷嘴冷却相组合 的方式 带钢冷却具有变形强化和相变强化的综合作 用．既能提高带钢强度．又能改善带钢的韧性和塑性 热轧带钢控制冷却的目的．是为了改善钢材的组织状 态，提高带钢强度，改善带钢综合力学性能 缩短冷却时 间．提高轧机生产能力．防止因不均匀变形造成的带钢 扭曲和弯曲变形 还可以减少带钢表面氧化铁皮的生 成 带钢管层流冷却的工作原理就是让带钢表面覆盖 一装置分为主冷却段和精调段 典型的冷却方式有：前 段冷却、后段冷却、均匀冷却和两段冷却 某钢厂炉卷 轧机层流冷却区有２ｌ组冷却集管．上下互相对应．分 别位于轧机输出辊道的上、下方，在每组集管后都安 装有侧喷吹扫装置．其中前１５组为粗调段．后６组为 精调段．精调段主要用于反馈控制 温度检测装置由 位于轧机机后、层流冷却辊道入口、层流冷却辊道出 口的３个高温计组成．其中轧机后和层流冷却辊道入 口的高温计检测值用于层流冷却模型的设定计算和 前馈控制 层最佳厚度的水层．然后利用热交换原理．使带钢迅 层流冷却装置布置如图１所示 速冷却到卷取温度 ｌ层流冷却系统的主要数学模型 卷曲温度对带钢的金相组织影响很大，是决定成 品带钢的加工性能、物理性能的重要工艺参数之一。 卷取温度控制．本质上是热连轧带钢生产中的轧后控 制冷却 而影响产品质量的主要因素是冷却开始和终 了的温度、冷却速度以及冷却的均匀程度。当实际卷 取温度超出要求范围时．带钢的组织性能就会变差， 层流冷却系统依据带钢钢种、规格、温度、速度等 １二艺参数的变化．对冷却的物理模型进行预设定，并 作者简介：宋强（１９７２－），工学硕士，副教授，研究方向为 智能控制、人工智能与过程控制。 收稿Ｅｔ期：２０１３—０５—０３ ２３ ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｃａａａ．ｃｏｍ 自动化应用 所以保证热轧带钢卷取温度保持在规定的目标范围 内．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 卷取温度应在６７０℃以下，约为６００～６５０℃。 在此温度段内．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也是有利的。过 高的卷取温度．将会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 如果卷取温度过低．一方面使卷取困难，且有 残余应力存在．容易松卷，影响成品带钢的质量；另一 方面．卷取后没有足够的温度使过饱和的碳氮化合物 析出．影响轧材性能。因此，将带钢卷取温度控制在由 钢的内部金相组织所确定的范围内，是带钢质量的一 项关键控制措施 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， 为终轧温度， 为卷取温度， 和 的温度范围由所生产带钢的钢种和规格确定。 温度 图２ 带钢轧后控冷过程示意图 在带钢轧后冷却过程中．带钢经历了空冷、水冷、 再空冷等热交换过程．基本数学模型为带钢空冷过程 中的温度场计算模型ｆ空冷温降模型）、带钢水冷过程 中的温度场计算模型ｆ水冷温降模型１，并由此可导出实 际使用的前馈和反馈等控制模型 钢板层流冷却过程的传热主要有辐射传热、钢板 向冷却水的传热、钢板向空气传热以及轧辊导热等。 由于层流冷却过程的传热比较复杂．影响钢板终冷温 度的因素较多．所以建立精确的过程预报模型对提高 钢板冷却温度的控制精度非常重要 在层流冷却过程 中．钢板的传热过程主要包括空冷和水冷两部分，空 冷是指钢板在空气中向周围环境散热的降温过程．其 传热以辐射为主：水冷是指钢板向喷淋至其表面的冷 却水传热的降温过程。由于较厚规格的钢板其内部和 上下表面之间在冷却过程中存在较大的温差．所以要 考虑钢板内部的热传导．才能比较精确地计算钢板冷 却过程中的平均温度 系统解决方案 １．１辐射传热模型 带钢的热辐射损失是由于其上表面和下表面将 热量辐射到周围的环境．用Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｈｚｍａｎｎ公式计 算： Ｑｐｉ，￣ －８ ｅ０ｒ（ —ｄ一 式中，Ｑ 。为带钢的辐射热； 为带钢的热辐射 系数； 一为环境温度； 为带钢的表面温度。 １．２热传导有限差分模型 采用有限差分法计算热传导过程中的内部热量 传递。公式： Ｑ…： 互 ０ 式中，ｐ一＋ 为从第 点到第 ＋１点的热流量比率； Ａ 。为从第ｉ点到第ｉ＋１点的热传导的面积； 为第ｉ 节点的温度：ｄ为从第ｉ点到第ｉ＋１点的距离。 １．３水冷对流传热模型 钢板和冷却水接触造成的热量损失是钢板上下 表面冷却水的对流传热造成的．假设钢板所有的热量 损失全部转移到了冷却水中．则损失的热量Ｑ可以由 牛顿对流方程计算： Ｑ。＝一Ｑｗ＝ｈ￣Ａ ｗ（ｚ 一 ） 式中，Ｑ 为冷却水带走的热量；ｈ 是冷却水的传 热系数．与钢板表面节点的平均温度、冷却水流量等 因素密切相关．是一个比较复杂的难以直接确定的系 数．需要在现场根据实测数据加以分析来确定； 为 钢板和冷却水的接触面积； 为冷却水的绝对温度。 １．４前馈控制模型 前馈控制模型的数学公式： ⅣＦＦ＝ （ｖ－ｖ 忸。 一 Ｊ＿ 十△ Ｙ 式中， 为前馈控制的喷水数量；尸ｉ为预设定喷 水数量； ｉ为带钢速度影响系数； 为带钢速度，ｍ／ ｓ；Ｕｓ为带钢轧制基准速度ｆ根据带钢厚度由插值法求 出），ｍ／ｓ；Ｏ／ 为终轧温度对卷取温度影响系数；Ｏ／，为水 温补偿系数； 为精轧温度目标值； 为带钢精轧 出口的标准温度值ｆ根据带钢厚度由插值法求出）； 为带钢卷取的目标温度； 为带钢卷取目标温 度的标准值ｆ根据带钢厚度由插值法求出１：ＡＴ为卷 取目标温度的修正值：Ｑ为综合传热系数：ｈ为带钢 厚度．ｍｍ ２层流冷却控制系统的控制模型 层流冷却控制模型的设定计算是根据带钢的终 轧出口温度、速度、厚度和工艺所确定的目标冷却温 自动化应用ｌ ２０１３ ９期 ２４ 系统解决方案 一簿 叠 度、目标冷却速率的要求确定相应的冷却集管的开启 组数．使终冷温度尽可能地接近工艺所要求的目标冷 却温度。层流冷却控制系统如图３所示。根据目标冷 却温度的要求．首先计算从轧机出口到热矫直机前高 温计处钢板的空冷温降．得到水冷必须达到的冷却 量．以集管组为单元．令钢板在前一集管组的出口温 度等于其进入后一集管组的人口温度．反复利用水冷 预测模型进行计算．直到计算得到的终冷温度和目标 冷却温度的偏差在允许范围内 在层流冷却控制系统 中，维持带钢段温度有２个主要的控制回路： （１）在数学模型的基础上．根据精轧机传送的输 入数据，即温度、速度、厚度等计算出为使卷取温度达 到目标值所需的喷水区长度（预设定部分） 当板带经 过冷却区入口的测量点ＦＤＴ时．根据板带精轧出口的 实测温度、厚度及速度．计算出为使卷取温度达到目 标值所需的喷水区长度的增加值。这部分为前馈补 偿。 （２）为了提高控制精度．控制系统中还应有修正 控制．即反馈控制．通过调节冷却水的流量来修正测 量温度的误差，以弥补前馈控制的不足 因此．该系统是一个前馈一反馈控制系统 图３层流冷却控制系统图 将上述数学模型应用到某钢厂生产中．以带钢 ７ｋ０９１３４ｈ３为例，钢种Ｑ３４５Ｅ，厚度为２４ｒａｍ，设定终轧 温度８５４％，目标温度６５０％，对其控制并采样数据，控 制效果曲线如图４。目标温度与实测卷取温度误差控 制在±１０℃内，取得了良好的效果。控制精度较高。 ‘● Ｊ ， —ｎｌ ＾ 一…Ｖ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５Ｏ ６０ ｆ，ｓ 图４带钢实测卷取温度与目标卷取温度 ２５ １『＼，＼＾ｎ＾ｆ．ｃｈｉｎａｃａａａ．ｃｏｍ 自动化应用 ３自抗扰ＰＩＤ控制技术 为了克服控制系统存在的干扰．将自抗扰算法应 用于热轧带钢层流冷却控制系统．据用户反映起到了 良好的应用效果。自抗扰控制系统由跟踪微分器ｆＴＤ１， 扩张状态观测器（ＥＳＯ）Ｎ：Ｉ￣线性反馈组成 自抗扰控制是非线性ＰＩＤ控制技术的新发展．它 把系统的模型摄动作用当作内扰．将其和系统的外扰 一起作为系统总的扰动加以补偿．它不需要被控对象 和扰动的精确数学模型．对复杂的非线性不确定对象 有很强的控制能力 仿真和实际应用结果（如图５所示）显示，自抗扰 算法可以控制大时滞调节装置，具有无超调、稳态精 度高等优点．使层流冷却控制系统的性能得到最大的 发挥 图５ 实际应用结果 ４实际应用 某钢厂炉卷轧机的控制冷却控制系统２００５年８ 月正式投人生产后．钢板水冷后的终冷度可控制在目 标温度±２０℃之内．合格率由原来的８１％提高到 ９６．４％。系统运行稳定可靠，冷却效果明显。 参考文献 ［１】李伯群，张海军，孙一康．提高ＡＧＣ厚度控制精度及其 百分比的研究【Ｊ］．控制工程，２００６：１３（１）：３２—３４ ［２】孙一康．带铜热连轧的模型与控制【Ｍ］．北京：冶金工业 出版社．２００２ ［３】张树堂－２１世纪轧钢技术的发展【Ｊ］．轧钢，２００１，１８（１）： ３—６ ［４］陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型ＰＩＤ控制及其应用【Ｍ】． 北京：机械工业出版社，１９９８：１－７ ［５］邵裕森，巴筱云．过程控制系统及仪表［Ｍ】．北京：机械 工业出版社．２００５：２０４—２１０ ［６］刘建昌，王贞祥．ＡＧＣ系统控制模型与结构的研ｇ［．１１． 钢铁．１９９４．２９（５）：３５—３９