中厚板轧后快速冷却系统控制策略与控制模型

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2005.05.054 第27卷第5期 北京科技大学学报 VoL27 No.5 2005年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2005 中厚板轧后快速冷却系统控制策略与控制模型 张大志” 高健雄》刘涛》戴根宝)李国斌)罗铭)刘军) 1)北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京1000832)武汉锅铁（集团）公司，武汉430083 摘要针对轧板厂原有冷却系统冷却能力弱的实际情况，为了提高产品质量和生产效率， 专门为轧板厂生产线设计了一套全新的轧后快速冷却系统。系统集成了多种先进的控制策 略和控制模型，同时采用了西门子高性能控制器，实现了整个系统的全自动控制.现场应用 结果表明，冷却系统功能完善，控制精度高，钢板性能得到了很大改善。 关键词中厚板轧制：快速冷却系统：控制策略：控制模型；自动控制 分类号TG3351:TP278 控制冷却是利用轧后钢板的余热进行热处 制节奏和生产效率；改善车间的工作条件，减少 理的一项技术，通过控制钢板的冷却速度以达到 冷床面积：完善产品规格，开发新品种， 改善钢材组织和性能的目的.随着各行业对中厚 武钢轧板厂原有冷却系统冷却能力已经不 板的需求越来越大，以及对中厚板质量要求的不 能满足生产需要，严重制约了轧板厂生产效能的 断提高，轧后控制冷却是提高中厚板质量的一个 提高.为此，针对轧板厂实际情况，设计了一套全 十分有效而经济的方法，得到了广泛的应用，控 新的轧后快速冷却系统.系统已经投入使用，取 轧控冷己成为中厚板生产的主导工艺.目前，国 得了良好的应用效果 外大多数先进的厚板厂都设置有轧后快速冷却 装置.轧后快速冷却可以充分挖掘轧后钢板的潜 1系统简介 力，改善钢的塑性和焊接性能，提高钢板综合质 轧板厂生产线设备布置及快速冷却系统位 量：细化晶粒，减少合金含量，降低成本：提高轧 置如图1所示 23 567 89 10 日VV 日7 oRRo 12 13 1一轧机：2一冷却区入口高温计：3一冷却区入口热金属检测器：4一快速冷却区：5一冷却区出口高温计：6一冷却区出口热金属检 测器：7一冷却区出口冷金属检测器：8一返红位置高温计：9一返红位置热金属检测器：10一矫直机：11一工程师站：12一快速冷却 系统水量分配器：13一快速冷却系统远程O柜：14一快速冷却系统操作台和HM站：15一快速冷却系统PLC站 图1武钢轧板厂生产线设备及快速冷却系统布置 Fig.1 Equipment layout of the plate rolling line in Wuhan Iron and Steel Corporation 快速冷却系统主要包括机械系统和自动控制化级和现场设备级. 系，系统基本结构如图2所示， 过程控制级进行工艺模型的设定计算并向 机械系统包括供水和水处理系统、水量分配L1发送设定值.包括模型机、HM计算机和工程 系统、高密度层流系统、侧喷和前后吹扫系统.自师站，该级通过以太网进行互联，并与基础自动 动控制系统分为三级，即过程控制级、基础自动，化级PLC以及现场生产控制计算机系统进行通 收穗日期：200410-29修回日期：200412-10 讯.基础自动化级系统包括PLC、控制冷却区操作 基金项目：国防科工委重大科研项目 台、远程VOET200M及相应的应用程序，负责在 作者筒介：张大志(1972一)，副研究员，博士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 盯 恤 中厚板轧后快速冷却系统控制策略与控制模型 张 大 志 ” 高健雄 ” 刘 涛 ” 戴根 宝 ” 李 国 斌 ， 罗 铭 ， 刘 军 ， 北 京 科技 大学 高效轧制 国家 工 程研 究中心 ， 北京 武汉 钢铁 集 团 公 司 ， 武汉 摘 要 针 对 轧板 厂 原 有 冷却系统 冷却 能力弱 的 实 际情况 ， 为 了提 高产 品质量和 生 产 效率 ， 专 门 为 轧板 厂 生产线 设计 了一 套全 新 的轧后 快速 冷 却 系统 系统集 成 了 多种 先进 的控 制策 略和 控 制模型 ， 同 时采用 了西 门子 高性能控 制器 ， 实现 了整 个 系统 的全 自动控 制 现场 应用 结果 表 明 ， 冷 却 系统 功 能完 善 ， 控 制精度 高 ， 钢 板性 能得 到 了很 大 改善 关键词 中厚板 轧 制 快速冷 却 系 统 控 制策 略 控 制 模型 自动 控 制 分 类号 即 控 制 冷 却 是 利 用 轧 后 钢 板 的 余 热 进 行 热 处 理 的一项 技术 ， 通 过 控 制 钢板 的冷 却速度 以达 到 改善钢 材 组织 和 性 能 的 目的 随着各行 业对 中厚 板 的需 求越 来越 大 ， 以及对 中厚板质 量 要 求 的不 断提 高 ， 轧后 控 制 冷 却 是提 高 中厚板质量 的一个 十 分 有 效 而 经 济 的方 法 ， 得 到 了广 泛 的应 用 ， 控 轧 控 冷 已 成 为 中厚板 生 产 的主 导 工 艺 目前 ， 国 外 大 多数 先 进 的 厚 板 厂 都 设 置 有 轧 后 快 速 冷 却 装 置 轧 后 快速 冷 却 可 以充 分挖 掘 轧 后钢 板 的潜 力 ， 改善 钢 的 塑 性 和 焊 接 性 能 ， 提 高钢 板 综 合质 量 细 化 晶粒 ， 减 少 合 金 含 量 ， 降低 成 本 提 高轧 制 节 奏 和 生产 效 率 改 善 车 间 的工 作 条 件 ， 减 少 冷床 面 积 完 善产 品规 格 ， 开 发 新 品 种〔卜 ， ， 武 钢 轧 板 厂 原 有 冷 却 系 统 冷 却 能 力 已 经 不 能满足 生产 需 要 ， 严 重 制 约 了轧板 厂 生产 效 能 的 提 高 为此 ， 针 对 轧板 厂 实 际情况 ， 设计 了一套全 新 的 轧后 快 速 冷 却 系 统 系 统 己经 投 入 使 用 ， 取 得 了 良好 的应 用 效 果 系统 简 介‘ 轧 板 厂 生 产 线 设 备 布 置 及 快 速 冷 却 系 统 位 置 如 图 所 示 一 君某 兰 立 立 。 三 ， ，。 ，丫 曰 厂一一一一一一一一一一， 曰 甲 甲 甘 甲 厂户泞丁门门 ， 「 ” ” ’ 一轧 机 一冷 却 区 入 口 高温计 一冷却 区 入 口 热金 属检测 器 二 一快 速冷 却 区 一冷却 区 出 口 高温计 一冷却 区 出 口 热 金属 检 测 器 一 冷 却 区 出 口 冷 金属 检测 器 邝一返 红位 置 高温计 一返 红 位 置 热 金 属 检测 器 于一 矫直机 一工 程师站 一快 速冷 却 系 统 水量 分配 器 一快速 冷 却 系统远 程 】 柜 今一 快速 冷 却 系 统操作 台和 刃叨 站 一快速冷却 系统 站 图 武钢 轧板 厂 生 产线设备及 快速 冷却系统布 ， 肠加 卜 印 快速 冷却 系 统 主要 包 括 机械 系 统和 自动控 制 化 级 和 现 场 设 备 级 系 ， 系统基 本 结 构 如 图 所 示 ， 过 程 控 制 级 进 行 工 艺 模 型 的 设 定 计 算 并 向 机 械 系 统 包 括 供 水 和 水 处 理 系 统 、 水 量 分 配 发 送 设 定 值 包 括模 型机 、 计 算机 和 工 程 系统 、 高密 度 层 流 系 统 、 侧 喷和 前 后 吹 扫 系 统 自 师 站 该 级 通 过 以太 网进 行 互 联 ， 并 与基 础 自动 动 控 制 系 统 分 为三 级 ， 即过 程 控 制 级 、 基 础 自动 化 级 以及 现 场 生 产 控 制计 算 机 系 统 进 行 通 收稿 日期 时 修 回 日期 今 一 讯 基础 自动 化 级 系统 包 括 、 控制 冷却 区操 作 基 金 项 目 国 防科 工 委重 大 科研项 目 台 、 远 程 及 相 应 的应 用 程 序 ， 负 责 在 作 者简介 张大 志 一 ， 副 研 究 员 ， 博士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．05．054

Vol.27 No.5 张大志等：中厚板轧后快速冷却系统控制策略与控制模型 ·605 模型机 HMI 工程师站[ 其他系统 度，可控量包括集管开启数目、单组上集管流量、 上下水比、边部遮蔽位置、辊道速度等 Siemens S7400PLC系统 Ethernet Profibus DP 2.2控制策略 阀门仪表系统 传动系统 (1)钢板分段控制.钢板分段控制主要是为了 自动控制系统 控制钢板纵向温度.钢板纵向温度均匀是控制冷 供水系统水量分配器一」层流系统 却的一个主要目标，产生钢板纵向温差的原因很 侧喷和吹扫系统 机械系统 多，根据生产经验，主要原因包括：一是钢板纵向 图2快速冷却系统基本结构 材质不均：二是板坯加热不均：三是轧制过程中 Fig.2 Basic construction of the accelerate cooling system 形成的温度波动.因此，为保证钢板纵向温度的 控冷过程中根据L2设定值和钢板位置对相关设 均匀，对钢板全长尤其是头部和尾部采用分段控 备的动作时序进行控制并协调各段辊道速度以 制策略， 及为L2提供各测量值和检测信号.基础自动化 根据材质、长度、厚度等钢板参数把钢板纵 向划分为若干段，不同的钢板段数可以变化，以 级系统之间通过ProfiBus DP网进行通讯. 现场设备级主要包括控冷区42组辊道、6个 适应钢板实际情况.每一段钢板都可以看作一个 辊道传动变频控制柜、各阀门控制系统以及温度 被控对象，针对每一段钢板进行入口温度信号检 和流量、压力的检测仪表等现场设备， 测，设定和控制模型根据每段的温度偏差进行诸 如流量、集管开启数等参数的设定计算和控制， 2控制策略W 钢板分段示意如图3所示.钢板被等分为n段，每 段长度l等于L/n 21基本控制思想 中厚板轧后控制冷却是一项简化工序、减少 合金、节约能源的先进轧钢工艺技术.它通过工 段1」段2 艺手段充分挖掘钢板潜力，可以大幅度提高钢板 综合性能.由于它具有形变强化和相变强化的综 钢板全长L 合作用，所以既能提高钢板的强度又能改善钢板 图3铜板分段示意图 Fig.3 Sketch map of the subsection of plates 的韧性和塑性. 轧后控制冷却工艺一般分成三个阶段：(1)从 (2)冷却区分段控制.同钢板分段控制的目 终轧开始动变形奥氏体向铁素体开始相变温度 的和方法类似，为了实现钢板纵向温度控制目 A间的冷却.(2)从A,至奥氏体相变完成的整个 标，对冷却区集管也进行分段控制.与钢板分段 相变过程的冷却.(3)奥氏体相变完成至室温冷 所不同的是，冷却区集管分段不是均匀划分，而 却.第一阶段的冷却为相变作组织上的准备，第 是根据集管的性质和作用划分为三部分.它们分 二阶段的冷却控制奥氏体整个相变过程 别是强冷段、冷却段和精调段.针对不同的钢板， 控制冷却的目标参数包括终冷温度、返红温 各段集管之间优化组合开启，可以大大提高温度 度、冷却速率、横向温度、纵向温度、上下板面温 控制精度.集管分段示意如图4所示. 强冷段 冷却段 箱调遐！ 123456 9 1011 12 13 15 16 17 181920 冬容冬冬冬名 DDD D 知 D D D D 卤 、的尚的尚的的 的 卣 的竹 0 ①@a⊙⊙⊙ooo.@@⊙⑩⊙⊙.④⊙.⑥⊙⊙⊙⑩⊙.®.®①.@②@④⊙6.⊙oo ©© D知D)D和DD和和和和和和和DD和DDDD和D和DDD知和和和 图4集管分段示意图 Fig.4 Sketch map of the subsection of water groups

张 大 志 等 中厚板 轧 后快 速 冷 却系统控制 策 略 与控 制模 型 · …模型机 工程师站 其他系统 呼遍棘幸系亚统 … 画醚到 医遍困 。 动控制系统 阀门仪表系统 传动系统 恶猛瑟嘿 供水系统 层流系统 械系统 侧喷和 吹扫系统 图 快速 冷却系 统基本结构 加 控冷 过 程 中根 据 设定值 和 钢 板位 置 对 相 关 设 备 的动 作 时序 进 行 控 制 并 协 调 各 段 辊 道 速 度 以 及 为 提 供 各 测 量 值 和 检 测 信 号 基 础 自动化 级 系 统 之 间通 过 一 网 进 行 通 讯 现 场 设备 级 主 要 包 括控 冷 区 组 辊 道 、 个 辊 道传 动 变 频控制 柜 、 各 阀 门控 制 系 统 以及 温 度 和 流 量 、 压 力 的检 测 仪 表 等 现 场 设备 ， 控制 策略 【 基 本控 制 思 想 中厚 板 轧后 控 制冷 却 是 一 项 简化 工 序 、 减 少 合 金 、 节 约 能源 的先 进 轧钢 工 艺 技 术 它 通 过 工 艺手 段 充 分挖 掘钢 板潜 力 ， 可 以大 幅度 提 高钢 板 综合 性 能 由于 它具 有形 变 强化 和 相 变 强化 的综 合 作 用 ， 所 以既能提 高钢 板 的强度 又 能 改 善钢 板 的韧 性 和 塑 性 轧 后控制冷 却 工 艺一 般 分 成三 个 阶段 从 终 轧 开 始 动 变 形 奥 氏体 向铁 素 体 开 始 相 变 温 度 ， 间 的冷 却 从 。 至 奥 氏体相 变 完 成 的整 个 相 变过 程 的冷 却 奥 氏 体相 变完 成 至 室温 冷 却 第 一 阶 段 的冷 却 为相 变 作 组 织 上 的准 备 ， 第 二 阶段 的冷 却 控 制 奥 氏体 整 个 相 变 过 程 控 制 冷 却 的 目标 参 数 包 括 终冷温 度 、 返 红温 度 、 冷 却 速 率 、 横 向温 度 、 纵 向温 度 、 上 下 板 面 温 度 ， 可控 量包 括集管 开 启数 目 、 单 组上 集 管 流 量 、 上 下 水 比 、 边 部 遮 蔽位 置 、 辊 道 速 度 等 控 制 策 略 钢 板 分段控 制 钢 板 分段 控 制 主 要 是 为 了 控 制钢板 纵 向温度 钢 板 纵 向温 度 均 匀是控 制冷 却 的一 个 主 要 目标 ， 产 生钢 板 纵 向温 差 的原 因很 多 ， 根据 生产 经 验 ， 主 要 原 因包 括 一 是钢 板 纵 向 材质 不 均 二 是板 坯 加 热 不 均 三 是 轧制 过 程 中 形 成 的温度 波 动 因此 ， 为 保 证 钢 板 纵 向温度 的 均匀 ， 对 钢 板全 长 尤其 是 头部 和 尾 部采用 分段控 制 策 略 根 据 材质 、 长 度 、 厚度 等 钢 板 参 数 把 钢 板纵 向划 分 为若 干段 ， 不 同 的钢 板 段 数 可 以变 化 ， 以 适应 钢 板 实 际情 况 每 一 段钢 板 都可 以看作 一个 被 控对 象 ， 针 对 每 一段 钢 板 进 行 入 口 温度 信 号检 测 ， 设 定和控 制模 型根据 每 段 的温度 偏 差进行 诸 如 流 量 、 集 管开 启 数 等 参 数 的设 定 计 算和 控 制 钢 板 分 段 示 意 如 图 所 示 钢 板被 等分 为 段 ， 每 段 长 度 等 于 钢板全长 图 钢板分 段 示 意 图 · ， 冷 却 区分段 控 制 同钢 板 分段 控 制 的 目 的和 方 法 类 似 ， 为 了实现 钢 板 纵 向温 度 控 制 目 标 ， 对 冷 却 区集 管 也进 行 分 段 控 制 与钢 板 分 段 所 不 同 的是 ， 冷 却 区集 管 分 段 不 是均 匀 划 分 ， 而 是 根据 集 管 的性质 和 作用 划 分 为三 部 分 它们 分 别 是 强冷 段 、 冷 却 段和 精调 段 针 对 不 同的钢 板 ， 各段集 管 之 间优 化 组 合 开 启 ， 可 以大 大提 高温 度 控 制 精 度 集 管 分 段 示 意 如 图 所 示 图 集管 分 段 示 意 图 奴

·606· 北京科技大学学报 2005年第5期 (3)钢板头部和尾部控制.根据中厚板轧制实 区之间的辊道进入冷却区，在钢板接触冷却水的 际情况和工艺流程可知，钢板头部和尾部的温度 瞬间，钢板表面温度急剧下降，在厚度方向产生 与钢板的中部温度相比存在较大的差值，轧后钢 较大温度梯度，随着冷却的继续，温度梯度逐渐减 板纵向温度呈阶梯分布，所以针对这种情况，为 小，对于愈厚的钢板，需要较低的冷却速率才能 了使快速冷却后钢板纵向温度均匀，必须对钢板 减小钢板厚度方向温度梯度，减小钢板表面和中 头尾采取特殊控制， 心硬度差，对不同材质、不同厚度的钢板，要达到 对于钢板头部的低温情况，通常采取延迟开 理想的冷却速率，必须调整冷却集管的喷水组 启喷水集管的控制策略，即钢板头部通过需要开 合，得到不同的喷水强度，设计的冷却系统提供 启的集管一定距离后再开启该组集管，减少头部 三种冷却方式可供选择：①正常冷却，采用此方 的冷却，对于钢板尾部的低温情况，通常采取提 式时，钢板没有特殊冷却要求.②先急后缓.采用 前关闭喷水集管的控制策略，即钢板尾部在到达 此方式时，钢板在冷却区前段先进行高强度冷 已经开启的集管之前一定距离就关闭该组集管， 却，在冷却区后段进行缓慢冷却.③先缓后急.采 减少尾部的冷却. 用此方式时，钢板在冷却区前段先进行缓慢冷 (4)集管流量和辊道速度动态调整.二级计算 却，在冷却区后段再进行高强度冷却， 机模型对一块钢板所作的辊道速度、集管开启组 数和集管流量的设定在钢板进入冷却区之前已 3 控制模型， 经完成，该设定参数在钢板经过冷却区之前的高 快速冷却系统L2级控制模型主要包括返红 温计进行实际温度测量后可以进行动态调整，集 温度预报模型、预设定模型、再设定模型、动态调 管开启组数的改动是冷却能力产生不连续的阶 整模型、自学习模型、数据库模型等，其中返红温 梯变化，一般情况下不采用，而通过调整辊道速 度预报模型是基础模型，具有重要意义.表1为 度和集管流量的方式，可以使冷却能力产生连续 钢板跟踪过程中各模型对应的启动位置， 性变化. (5)边部遮蔽结构控制，由现场实际经验可 表1L2跟踪功能 Table 1 Track function of Level 2 知，钢板的边部温度较中部温度稍低.为了控制 编号跟踪事件跟踪区 模型 完成功能 钢板的横向温度，必须使冷却区上集管在钢板横 】轧机末道信号ACC入口段预设定模型预设定计算 向采用不均匀水量分布，所以冷却区设立了边部 2 HMDI ON ACC入口段再设定模型 再设定计算 遮蔽机构.遮蔽机构采用丝杆螺母机构，独立电 3开冷测温完成ACC冷却段动态调整模型动态调整计算 机驱动，电机轴上安装码盘进行遮蔽机构的位置 4返红测温完成ACC出口段自学习模型 模型自学习 控制. 5HMD4 OFF ACC出口段数据库模型数据记录归档 (6)上下水比控制.由于冷却水在钢板上下表 面的停留时间和流动状态不同，相同流量的冷却 3.1返红温度预报模型 水对钢板上下表面温度产生的影响不相同，所以 在控制冷却系统数学模型中，返红温度预报 会造成上下冷却的不均匀性.因此，为了保证钢 模型是基础模型，也是其他控制模型关键与核 板上下表面冷却的均匀性，同一组集管必须采用 心，其精度直接关系到整个冷却系统的温度控制 效果及产品性能.由文献「5]可知，返红温度预报 不同的流量，并且二者之间有一定的比例关系. 模型为： 上下表面冷却的均匀性主要是靠增加下集管的 流量来实现的.上下集管的水比一般为1.5~2.5之 T=T,-aw2.5-1.5gL H 间，根据钢板参数以及冷却要求进行选择 式中，T为返红温度，T,为开冷温度，为系统综 (⑦)侧喷和吹扫控制.侧喷的主要目的是为了 合常数，N为集管开启组数，Tw为冷却水温度，V 去除冷却水在高温的钢板表面形成的气膜，提高 为钢板速度，H为钢板厚度 冷却能力，同时可以隔断侧喷之间的冷却集管冷 3.2预设定模型 却水之间的相互干扰，提高冷却精度.前后吹扫 根据轧钢二级服务器在钢板最后道次咬钢 的主要目的是为了保证钢板进入和离开冷却区 时传送过来PDI数据以及冷却策略数据，计算集 时表面的清洁，提高表面质量， 管开启模式、调节阀的阀位、钢板速度、遮蔽机构 (8)冷却模式选择.轧后钢板经过轧机和冷却 位置，并立即向ACC PLC传送

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 钢 板 头 部和 尾 部控 制 根据 中厚 板轧制 实 际情 况和 工 艺流 程 可 知 ， 钢 板 头 部和尾 部 的温度 与钢 板 的 中部温度 相 比 存 在 较 大 的差值 ， 轧 后钢 板 纵 向温 度 呈 阶 梯 分 布 所 以针 对 这 种 情 况 ， 为 了使快速 冷 却 后钢 板 纵 向温度 均匀 ， 必 须对 钢 板 头 尾 采 取 特 殊 控 制 对 于钢 板 头 部 的低 温情 况 ， 通 常 采取 延 迟 开 启 喷水 集 管 的控 制 策 略 ， 即钢 板 头 部通过 需要 开 启 的集 管 一 定距 离后 再 开启 该组 集 管 ， 减 少 头 部 的冷 却 对 于钢 板 尾 部 的低温 情 况 ， 通 常采 取 提 前关 闭喷水 集 管 的控 制 策 略 ， 即钢 板尾 部 在 到达 己 经 开 启 的集 管之 前 一 定距 离就 关 闭该 组集 管 ， 减 少 尾 部 的冷 却 集 管流 量 和 辊 道速度 动 态 调 整 二 级 计算 机 模 型对 一块钢 板所 作 的辊 道速 度 、 集 管 开 启组 数 和 集 管 流 量 的 设 定 在 钢 板 进 入 冷 却 区之 前 已 经 完成 ， 该 设 定参 数 在 钢 板经 过 冷 却 区之 前 的高 温 计 进 行 实 际温 度 测 量后 可 以进 行 动态 调 整 集 管 开 启 组 数 的 改 动 是 冷 却 能 力 产 生 不 连 续 的阶 梯 变 化 ， 一 般情 况 下 不采 用 ， 而通 过 调 整 辊 道 速 度 和 集 管流 量 的方 式 ， 可 以使冷 却 能力产 生连 续 性 变 化 边 部 遮 蔽 结 构 控 制 由现 场 实 际 经 验 可 知 ， 钢 板 的边 部温 度 较 中部温 度 稍 低 为 了控 制 钢 板 的横 向温度 ， 必 须 使冷 却 区 上集 管在 钢 板 横 向采 用 不 均 匀 水 量 分布 ， 所 以冷 却 区 设 立 了边 部 遮 蔽机 构 遮 蔽机 构采 用 丝 杆 螺 母 机 构 ， 独 立 电 机 驱 动 ， 电机轴 上 安装 码 盘进 行遮 蔽机构 的位 置 控 制 上 下水 比控 制 由于冷 却水 在 钢 板 上 下表 面 的停 留时 间和 流 动状 态 不 同 ， 相 同流 量 的冷 却 水对钢 板 上下 表 面温度 产 生 的影 响不 相 同 ， 所 以 会 造 成 上 下 冷 却 的不 均 匀 性 因此 ， 为 了保 证 钢 板 上 下表 面冷 却 的均匀性 ， 同一 组集 管必 须采 用 不 同 的流 量 ， 并 且 二 者 之 间有 一 定 的 比例 关 系 上 下 表 面 冷 却 的均 匀 性 主 要 是 靠 增 加 下 集 管 的 流 量 来 实现 的 上 下集 管 的水 比一般 为 一 之 间 ， 根 据 钢 板 参 数 以及 冷 却 要 求 进 行 选 择 ， 侧 喷和 吹扫控 制 侧 喷 的主 要 目的是 为 了 去 除冷 却水 在 高温 的钢 板 表 面 形成 的气 膜 ， 提 高 冷 却 能力 ， 同时可 以隔 断侧 喷之 间 的冷 却 集 管冷 却 水 之 间 的相 互 干 扰 ， 提 高冷 却精度 前 后 吹扫 的主 要 目的是 为 了保 证 钢 板 进 入 和 离 开 冷 却 区 时表 面 的清 洁 ， 提 高表 面 质 量 冷 却模 式选 择 轧后钢 板 经 过 轧机和 冷 却 区之 间 的辊 道 进 入 冷 却 区 ，在钢 板 接 触 冷 却 水 的 瞬 间 ， 钢 板 表 面温 度 急剧 下 降 ， 在 厚度 方 向产 生 较 大温度梯 度 ， 随着 冷却 的继续 ，温度梯 度 逐渐 减 小 对 于 愈 厚 的钢 板 ， 需 要 较 低 的冷 却 速 率才 能 减 小 钢 板 厚 度 方 向温 度 梯 度 ，减 小 钢 板 表 面 和 中 心 硬 度 差 ， 对 不 同材质 、 不 同厚度 的钢 板 ， 要 达 到 理 想 的冷 却 速 率 ， 必 须 调 整 冷 却 集 管 的 喷 水 组 合 ， 得 到 不 同 的喷 水 强度 设 计 的冷 却 系 统 提 供 三 种 冷 却 方 式 可 供 选 择 ① 正 常 冷 却 采 用 此 方 式 时 ， 钢 板 没 有特殊 冷 却 要 求 ②先 急后 缓 采 用 此 方 式 时 ， 钢 板 在 冷 却 区 前 段 先 进 行 高 强 度 冷 却 ， 在冷 却 区后 段 进行 缓慢冷 却 ③先 缓 后 急 采 用 此 方 式 时 ， 钢 板 在 冷 却 区 前 段 先 进 行 缓 慢 冷 却 ， 在 冷 却 区 后 段 再 进 行 高 强度 冷 却 控 制 模 型’， 快 速 冷 却 系 统 级 控 制模 型 主 要 包 括 返 红 温度 预报模 型 、 预 设 定模 型 、 再 设 定模 型 、 动 态 调 整模 型 、 自学 习 模 型 、 数据 库模 型等 ， 其 中返 红温 度 预 报 模 型 是基 础 模 型 ， 具 有 重 要 意 义 表 为 钢 板 跟 踪 过 程 中各 模 型 对 应 的启 动 位 置 表 跟踪 功 能 油 编 号 跟踪 事件 跟踪 区 模 型 完 成 功 能 轧机 末道 信号 入 口 段 预 设 定模 型 预 设 定 计算 卜 入 口 段 再 设 定模 型 再 设定 计算 开 冷测 温完 成 冷 却段 动 态 调 整模 型 动 态 调 整 计 算 返 红 测 温完成 出 口 段 自学 习模 型 模 型 自学 习 出 口 段 数据 库 模 型 数据 记 录 归档 返 红 温 度 预报 模 型 在控 制 冷 却 系 统 数 学 模 型 中 ， 返 红 温度 预报 模 型 是 基 础 模 型 ， 也 是 其 他 控 制 模 型 关 键 与 核 心 ， 其 精度 直 接 关系 到整 个 冷 却 系 统 的温度 控制 效 果 及 产 品 性 能 由文 献 可 知 ， 返 红温 度 预 报 模 型 为 界一 双一 研 二互二具宾生几 厂 式 中 ， 为返 红温 度 ， 双为 开 冷 温 度 ， 为 系 统 综 合 常 数 ， 为 集 管 开 启 组 数 ， 为 冷 却 水 温 度 ， 为钢 板 速 度 ， 为钢 板 厚 度 预 设 定 模 型 根 据 轧 钢 二 级 服 务 器 在 钢 板 最 后 道 次 咬 钢 时传 送 过 来 数 据 以及 冷 却 策 略 数 据 ， 计 算 集 管 开 启模式 、 调 节 阀的 阀位 、 钢 板速度 、 遮 蔽机 构 位 置 ， 并 立 即 向 传 送

Vol.27 No.5 张大志等：中厚板轧后快速冷却系统控制策略与控制模型 ·607· 温降计算模型中采用了有限差分法来求解 开始 钢板在通过ACC区域时的每一时刻的温度场变 化.钢板在入水之前和出水之后，主要是考虑辐 L2通过网络从轧机系统Alpha计算机中得到钢板数据 射和空气对流引起的温降，钢板在冷却水下，主 预设定计算 要是考虑冷却水对流引起的温降，冷却水对流换 返红温度预报 热系数的确定考虑了水温、水量、冷却水与钢板 表面的温差以及集管几何尺寸等因素，并在自学 钢板头部检测及实际开冷温度测量 习中不断修正，在计算钢板的温度场时，还需要 再设定计算 考虑钢种和化学成分（其决定了钢板的物性参 N 数，包括比热容、热传导系数、密度等). 集管开启数量调整 Y 3.3再设定模型 集管开启调整数量计算 MD1ON后，根据轧钢二级服务器传送过 N 来的终轧道次实测数据，重新计算集管开启模 开启集管流量动态调整 式、遮蔽机构位置等，并立即向ACC PLC传送. Y 开启集管流量调整计算 3.4动态调整模型 钢板头部检测及实际返红温度测量 利用冷却区入口处的高温计以固定周期检 测钢板实际开冷温度，并根据实测的开冷温度计 模型自学习 少 算不同集管开启模式的调整位置，当ACC PLC跟 Y 踪到该开冷温度所对应的钢板段到达调整集管 自学习模型计算 位置时进行集管流量调整，ACCL2每完成一次 过程数据记录归档 开冷温度测量就立即向ACC PLC发送“段开始” 下一块钢板冷却控制 信号，以启动ACC PLC对钢板段的跟踪， N 3.5自学习模型 结束) 当带钢通过返红温度计(ACCT3)时，ACCL2 图5快速冷却系统控制模型计算流程图 以3s为周期地检测钢板返红温度，根据该段钢 Fig.5 Flow chart of the control model for the accelerate cooling 板的实际集管开启模式和返红温度，以及钢板速 system 度、水量等参数自学习返红温度预报模型系数， 4系统应用 以用于下一块钢板的设定计算， 3.6数据库模型 为武钢轧板厂提供的冷却系统为20组高密 当钢板控冷结束（返红温度测量完成）后，L2 层流集管，水冷区域长度为24800mm,含前后吹 需要将该钢板的相关数据，包括日期时间、板坯 扫总长度为27200mm.冷却区分为强冷区、冷却 号、目标数据、设定数据及测量数据，立即发送给 区和精调区.强冷区6组大高密度管层流装置（上 轧钢二级服务器，并同时添加到本地工程记录数 下一对一集管，间距800mm),冷却区12组高密 据库中.为了方便查看本地历史工程记录，可以 度管层流装置（上下一对二集管，间距1600mm), 根据需要对工程记录进行各种组合查询和排序， 精调区2组普通管层流集管（上下一对一集管，间 由于本地ACC数据库中记录条数太多(20000距800mm).由一个高8000mm容积130m具有 条)时会影响画面更新的响应时间，因此L2中设 52根出水管的车间内水箱供水，位置在轧机后控 有历史数据自动导出功能，以减轻系统维护工作 制冷却辊道传动侧集管旁 量，导出后的历史数据文件内容以文本文件的形 系统于2003年7月在现场成功投入使用，并 式保存，既可以通过HM画面导入到临时数据库 通过了各项技术指标验收.温度控制精度±10℃ 中以供查看，也可以用其他数据处理软件分析 的钢板在95%以上.该系统的冷却控制能力几乎 (例如Microsoft Excel).各模型在线控制计算基本 覆盖了所有的产品规格，由于冷却能力的提高， 流程图如图5所示. 加快了生产节奏，提高了生产效率.经过武钢质

张 大 志 等 中厚板轧 后 快速冷却 系统控制 策 略 与控制模 型 温 降计 算 模 型 中采 用 了有 限差 分 法 来 求 解 钢 板 在通 过 区域 时 的每 一 时刻 的温 度 场 变 化 钢 板 在 入 水 之前 和 出水 之 后 ， 主 要 是 考 虑辐 射 和 空气 对 流 引起 的温 降 ， 钢 板 在 冷 却 水 下 ， 主 要 是考虑冷 却 水对 流 引起 的温 降 ， 冷 却 水 对 流 换 热 系 数 的确 定考 虑 了水 温 、 水 量 、 冷 却 水 与钢 板 表 面 的温 差 以及 集 管几 何 尺 寸 等 因 素 ， 并在 自学 习 中不 断修 正 在 计 算 钢 板 的温 度 场 时 ， 还 需 要 考 虑 钢 种 和 化 学 成 分 其 决 定 了钢 板 的物 性 参 数 ， 包 括 比热 容 、 热 传 导 系 数 、 密 度等 再 设 定模 型 后 ， 根 据 轧 钢 二 级 服 务器 传 送 过 来 的终 轧 道 次 实 测 数 据 ， 重 新 计 算 集 管 开 启模 式 、 遮 蔽机 构位 置 等 ， 并 立 即 向 传 送 动 态 调 整 模 型 利 用 冷 却 区 入 口 处 的 高温 计 以 固 定 周 期 检 测钢 板 实 际 开冷温 度 ， 并根据 实测 的开冷 温度 计 算不 同集 管 开 启模式 的调 整位 置 ， 当 跟 踪 到 该 开 冷温 度 所 对 应 的钢 板 段 到达 调 整 集 管 位 置 时进 行 集 管 流 量 调 整 每 完 成 一 次 开 冷温 度 测 量 就 立 即 向 发送 “ 段 开 始 ” 信 号 ， 以启 动 对 钢 板 段 的跟 踪 自学 习 模 型 当带 钢 通 过 返 红温 度 计 时 ， 以 为周 期 地 检 测 钢 板 返 红温 度 ， 根 据 该段 钢 板 的实 际集 管 开 启模 式和 返 红温 度 ， 以及钢 板速 度 、 水 量 等 参 数 自学 习 返 红 温 度 预 报 模 型 系数 ， 以用 于 下 一 块钢 板 的设 定 计 算 数 据 库模 型 当钢 板 控 冷 结束 返 红温 度 测 量 完成 后 ， 需 要 将 该钢 板 的相 关 数据 ， 包 括 日期 时 间 、 板 坯 号 、 目标数据 、 设 定数 据及 测 量 数据 ， 立 即发送 给 轧钢 二级 服 务器 ， 并 同时添加 到本 地 工 程 记 录 数 据 库 中 为 了方 便 查 看 本 地 历 史工 程 记 录 ， 可 以 根据 需要对 工 程 记 录进 行 各 种 组合 查询 和 排 序 由于 本 地 数 据 库 中记 录 条 数 太 多 条 时会 影 响 画 面 更 新 的 响应 时 间 ， 因此 中设 有历 史数据 自动 导 出功 能 ， 以减 轻 系 统维 护 工 作 量 导 出后 的历 史数据 文 件 内容 以文 本文 件 的形 式保 存 ， 既可 以通 过 画 面 导入 到临 时数据 库 中 以供 查 看 ， 也 可 以用 其 他 数 据 处 理 软 件 分 析 例 如 各 模 型在 线 控 制 计 算基 本 流 程 图如 图 所 示 开始 通过 网络从轧机系统 计算机 中得到钢板数据 预设定计算 返红温度预报 钢板头部检测及实际开冷温度测量 再设定计算 集管开启数量调整 一一一行一一 集管开启调整数量计算 启集管流量动态调 一一下杯一 开启集管流量调整计算 钢板头部检测及实际返红温度测量 模型 自学 习 自学习模型计算 过程数据记录归档 图 快速 冷 却系 统 控制 模型 计算 流程 图 晋 印 系统应 用 为武 钢 轧板 厂 提 供 的冷 却 系 统 为 组 高密 层 流 集 管 ， 水 冷 区域 长度 为 ， 含 前 后 吹 扫 总 长 度 为 冷 却 区分 为强冷 区 、 冷 却 区 和精 调 区 强冷 区 组 大 高密度 管层 流装 置 上 下 一 对 一 集 管 ， 间距 。 ， 冷 却 区 组 高 密 度 管层 流 装 置 上 下 一 对 二 集 管 ， 间距 ， 精 调 区 组普 通 管层 流集 管 上 下 一对 一集 管 ， 间 距 由一 个 高 容积 ， 具 有 根 出水 管 的车 间 内水 箱 供水 ， 位 置 在 轧机 后控 制 冷 却 辊 道 传 动 侧 集 管 旁 系 统 于 年 月在 现 场 成 功投 入 使用 ， 并 通 过 了各 项技 术 指 标 验 收 温 度 控 制 精度 月 ℃ 的钢 板 在 以上 该系 统 的冷 却控 制 能力几 乎 覆 盖 了所 有 的产 品规 格 ， 由于 冷 却 能 力 的提 高 ， 加 快 了生 产 节 奏 ， 提 高 了生 产 效 率 经 过武 钢 质

·608· 北京科技大学学报 2005年第5期 量检测部的统计分析，钢板的总体质量得到了很 制策略和控制模型，实现整个系统全自动控制， 大提高，包括钢板强度、延伸率、表面质量以及板 (2)系统具有很高的控制精度，在实际生产中 形质量等，系统全自动功能投入使用后，还进 得到成功应用，取得了良好的应用效果， 行了大量新钢种的轧制和冷却实验，并取得了 (3)系统具有较好的通用性，可在同类生产线 成功， 上进行推广应用. 作为考核钢种，对DB685进行了两个规格 (25mm和50mm)的两轮试验，武钢技术中心的 参考文献 实验统计数据表明，2003年上半年DB685综合性 [1】李曼云，孙本荣.钢的控制轧制和控制冷却技术手册.北 京：冶金工业出版杜，1989 能合格率仅为47%.其中25mm规格钢板31批中 [2]王有铭.钢材的控制轧制和控制冷却.北京：冶金工业出 屈服强度不合格的有13批，抗拉强度不合的有 版社，1995 15批，低温冲击不合格的有8批，综合性能合格 [3]孙本荣.中厚钢板生产.北京：冶金工业出版社，1993 率只有35.5%.轧后控冷试验的6批25mm规格 [4]张大志，陈雨来，余伟，等.中厚板轧后快速冷却机械系统 设计与应用.机械制造，20045：18 DB685性能100%达到和超过了技术条件要求. [5们侯安全，蔡庆伍，米振莉，等，中厚板轧后高密度管层流快 进行控冷后，钢板性能有了明显的提高，屈服强 冷控制模型.北京科技大学学报，2002(5：544 度平均增加62MPa,抗拉强度平均增加65MPa. [6们赵永忠，朱启建，李谋滑.中厚板控冷过程有限元模拟及在 生产中的应用.治金设备，2001(6)：12 5结束语 [7]蔡庆伍，唐获，徐福昌，等.中厚板在线控冷高密度管层流 水冷装置的开发.钢铁，2001(4)：66 ()轧后快速冷却系统采用了多种先进的控 Control strategy and control model for an accelerate cooling control system of plates after rolling ZHANG Dazhi,GAO Jianxiong,LIU Tao",DAI Genbao2,LI Guobin,LUO Ming?,LIU Jun2 1)National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Wuhan Iron and Steel (Group)Corporation,Wuhan 430083,China ABSTRACT In order to improve product quality and rolling efficiency,a new set of accelerate cooling system of plates after rolling was designed for the plate rolling mill of Wuhan Iron and Steel Corporation.The system integ- rated many kinds of advanced control strategies and control models.High performance controllers of Siemens were also applied in the system and fully automatic control was realized.The application results showed that the cooling system had integrated functions and good control precision,and product quality was improved greatly. KEY WORDS plate rolling;accelerate cooling system;control strategy;control model;automatic control

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 制 策 略 和 控 制 模 型 ， 实现 整 个 系 统全 自动控 制 系 统具 有 很 高 的控 制 精度 ， 在 实 际生产 中 得 到成 功 应 用 ， 取 得 了 良好 的应 用 效 果 系统 具有 较好 的通 用 性 ， 可 在 同类 生产 线 上 进 行 推 广 应 用 考 文 献 李曼 云 ， 孙 本荣 钢 的控制轧制和 控 制 冷 却 技 术手册 北 京 冶金工 业 出版 社 ， 王 有铭 钢材 的控制 轧制和 控制 冷 却 北 京 冶金 工 业 出 版 社 ， 孙 本 荣 中厚 钢 板 生 产 北 京 冶 金工 业 出版 社 ， 张 大 志 ， 陈雨 来 ， 余 伟 ， 等 中厚板轧 后 快速 冷却 机械 系 统 设 计与应用 机械 制 造 ， 。 。 侯 安全 ， 蔡庆伍 ，米振 莉 ， 等 中厚板 轧后 高密度 管层 流快 冷 控 制模 型 北 京科技 大 学学报 ， 赵 永忠 ， 朱启 建 ， 李谋渭 中厚板 控冷 过程有 限元模 拟 及在 生 产 中的应用 冶金 设备 ， 蔡庆伍 ， 唐 荻 ， 徐福 昌 ， 等 中 厚板在线 控 冷 高密度管层 流 水 冷装置 的开 发 钢 铁 ， 参 量检 测 部 的统计 分析 ， 钢 板 的总体质量 得 到 了很 大 提 高 ， 包 括钢 板 强度 、 延 伸 率 、 表 面质 量 以及 板 形 质 量 等 系 统 全 自动 功 能 投 入 使 用 后 ， 还 进 行 了大 量 新 钢 种 的轧 制 和 冷 却 实 验 ， 并 取 得 了 成 功 作 为考 核 钢 种 ， 对 进 行 了两 个 规 格 和 们 的两 轮 试 验 ， 武 钢 技 术 中心 的 实验 统 计 数据 表 明 ， 年 上 半年 综 合 性 能合 格 率 仅 为 其 中 规 格 钢 板 批 中 屈 服 强度 不合 格 的有 批 ， 抗 拉 强度 不 合 的有 巧 批 ， 低 温 冲 击 不 合 格 的有 批 ， 综 合 性 能合 格 率 只 有 轧 后 控 冷 试 验 的 批 规 格 性 能 达 到 和 超 过 了技 术 条 件 要 求 进 行 控 冷 后 ， 钢 板 性 能有 了 明显 的提 高 ， 屈 服 强 度 平 均增 加 ， 抗 拉 强度 平 均增 加 ， 结 束语 轧 后 快 速 冷 却 系 统 采 用 了多 种 先 进 的控 凡祖刃 ，，， ‘，， ” ， 注 ，气 ， 心， ，， 助 ， 介 ， ， 叩 ， ， 运 ， 认 七