彭 文，馬更生，張殿華

(東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽，110819)

熱軋帶鋼超快速冷卻過程的溫度控制策略

彭 文，馬更生，張殿華

(東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽，110819)

針對熱軋帶鋼超快速冷卻過程溫度控制, 通過建立帶鋼冷卻過程中的空冷、水冷溫降模型，采用前饋、反饋與自適應(yīng)相結(jié)合的溫度控制策略，提高帶鋼的中間溫度和卷取溫度的控制精度，并應(yīng)用于熱軋帶鋼生產(chǎn)線。應(yīng)用效果表明，帶鋼軋后溫度控制達(dá)到了較高的精度，并有效地提高了帶鋼的力學(xué)性能。

熱軋帶鋼；軋后冷卻；超快冷；溫降模型；溫度控制

以超快速冷卻為核心的新一代TMCP(Thermo-mechanical Control Process)技術(shù)，通過采用節(jié)約型的成分設(shè)計(jì)和減量化的生產(chǎn)方法獲得高附加值、可循環(huán)的鋼鐵產(chǎn)品[1]。冷卻過程溫度控制精度直接影響著熱軋板帶鋼的組織性能和力學(xué)性能[2-4]，因此開發(fā)適用于超快速冷卻過程的溫度控制策略十分必要。在實(shí)際熱軋生產(chǎn)過程中，溫度變化過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，涉及到輻射換熱、對流換熱、熱傳導(dǎo)及相變潛熱等[5-8]。為此，本文從各種換熱形式的機(jī)制出發(fā)，建立了適應(yīng)現(xiàn)場生產(chǎn)條件的數(shù)學(xué)模型，在超快速冷卻工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了前饋、反饋與自適應(yīng)相結(jié)合的溫度控制策略，并應(yīng)用于熱軋帶鋼生產(chǎn)線。

1 軋后冷卻控制系統(tǒng)概述

寬度在800 mm以下的帶鋼熱連軋生產(chǎn)線一般采用立式卷取的方式，即從精軋機(jī)軋出的帶鋼經(jīng)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)槽后，在運(yùn)輸輥道上立式蛇形前進(jìn)，后經(jīng)平板運(yùn)輸鏈進(jìn)入到立式卷取機(jī)進(jìn)行卷取。為了滿足帶鋼軋后冷卻速率的工藝要求，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，將前段常規(guī)冷卻區(qū)改造成超快速冷卻區(qū)，并設(shè)計(jì)“超快冷+立式冷卻”兩段式冷卻模式，前段超快速冷卻區(qū)為上下對稱式布置，后段冷卻區(qū)為立式對稱式布置，改造后的軋后冷卻過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照實(shí)際生產(chǎn)需要，軋后冷卻控制系統(tǒng)是包括中間溫度MT(Middle Temperature)、卷取溫度CT(Coil Temperature)和冷卻速率為控制量的多目標(biāo)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)精軋出口帶鋼的溫度、速度、厚度等參數(shù)和工藝所確定的冷卻速率曲線的要求確定相應(yīng)的集管開啟數(shù)目，采用前饋、反饋、自適應(yīng)相結(jié)合的控制方式，使帶鋼的中間溫度和卷取溫度盡可能接近工藝所要求的目標(biāo)溫度，實(shí)現(xiàn)對熱軋帶鋼軋后冷卻過程溫度的控制。在溫度控制過程中，一般按照帶鋼段(樣本)沿帶鋼長度方向進(jìn)行溫度控制，最終實(shí)現(xiàn)帶鋼全長的溫度控制。

2 軋后冷卻數(shù)學(xué)模型

帶鋼軋后冷卻過程是一個(gè)復(fù)雜的換熱過程，在實(shí)際工程應(yīng)用中，為簡化計(jì)算過程，主要考慮空冷過程、水冷過程對溫度產(chǎn)生的影響。

2.1 空冷溫降模型

高溫帶鋼在運(yùn)輸輥道運(yùn)行時(shí)，主要通過熱輻射、空氣對流以及與運(yùn)輸輥道熱傳導(dǎo)的方式散失熱量，其中熱輻射占主導(dǎo)地位[9]，能夠占到總熱量散失量的93%～95%。根據(jù)斯蒂芬波爾茲曼定律和能量守恒定律，在單位時(shí)間內(nèi)，由于輻射散熱造成帶鋼溫度降低，因此得到：

(1)

式中：F為熱交換面積，m2；ε為輻射率，一般取0.6～0.8；σ為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Ts為帶鋼的熱力學(xué)溫度，K；Ta為外界環(huán)境的熱力學(xué)溫度，K；ρ為帶鋼密度，kg/m3；cp為帶鋼比熱，J/(kg·K)；h為帶鋼厚度，m。

(2)

假設(shè)在時(shí)間t1到時(shí)間t2內(nèi)，由空冷溫降造成的帶鋼溫度由Ts下降到Ts1，對式(2)積分可以得到空冷溫降模型：

(3)

2.2 水冷溫降模型

對流換熱是水冷換熱的主要方式，對流傳熱的強(qiáng)度不但與物體的傳熱特性有關(guān)，還取決于流體介質(zhì)的物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特性，熱交換過程極其復(fù)雜。一般采用牛頓冷卻定律進(jìn)行計(jì)算，由于對流散熱造成帶鋼在dt時(shí)間內(nèi)溫度降低dT，因此得到：2Faw(Ts-Tw)dt=ρcphFdT

(4)

式中：aw為強(qiáng)制對流換熱系數(shù)；Tw為冷卻介質(zhì)的熱力學(xué)溫度，K。

假設(shè)在時(shí)間t1到時(shí)間t2內(nèi)，由水冷溫降造成的帶鋼溫度由Ts下降到Ts2，對式(4)積分得到：

(5)

由此得到水冷溫降模型：

(6)

其中強(qiáng)制對流換熱系數(shù)aw一般通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。針對不同規(guī)格的產(chǎn)品，首先對在基準(zhǔn)水溫、水壓和速度條件下的冷卻情況進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)，反推計(jì)算出基準(zhǔn)對流換熱系數(shù)；再通過調(diào)整水溫，水壓和速度等參數(shù)，獲得不同狀態(tài)下的換熱系數(shù)，完成對流換熱系數(shù)的擬合過程，換熱系數(shù)采用下式計(jì)算：

(7)

式中：k1為模型學(xué)習(xí)系數(shù)；k2～k5為模型擬合系數(shù)；q為單位水流量，m3/h；Tw為軋制過程中水溫，K；P為軋制過程中實(shí)際水壓，MPa；v為軋制過程中帶鋼速度，m/s；Tw0為水溫基準(zhǔn)值，K；P0為水壓基準(zhǔn)值，MPa；v0為帶鋼速度的基準(zhǔn)值，m/s。

另外，帶鋼在冷卻過程中因其相變生成潛熱的緣故，對中間溫度和卷取溫度的控制也會產(chǎn)生一定的影響，因此在溫降模型計(jì)算中，使用相變潛熱之后的比熱值進(jìn)行溫降計(jì)算更為精確。

本研究的實(shí)際帶鋼厚度在1.5～3.5 mm范圍內(nèi)，是典型的薄板坯冷卻過程，故認(rèn)為帶鋼內(nèi)部溫度均勻，忽略帶鋼內(nèi)部熱傳導(dǎo)過程對帶鋼溫度造成的影響。

3 溫度控制策略

3.1 前饋控制

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于精軋出口溫度、成品的厚度和速度時(shí)刻發(fā)生波動(dòng)，因此需要不斷調(diào)整冷卻區(qū)中集管的開閉數(shù)目來消除終軋溫度、厚度的波動(dòng)對中間溫度和卷取溫度造成的影響。設(shè)定計(jì)算過程(預(yù)設(shè)定和動(dòng)態(tài)設(shè)定)是典型的前饋控制，其中預(yù)設(shè)定是根據(jù)PDI(Primary Data Input)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，動(dòng)態(tài)設(shè)定是根據(jù)精軋機(jī)帶鋼樣本的實(shí)測終軋溫度、速度和厚度進(jìn)行計(jì)算。前饋控制流程如圖2所示。前饋控制的核心內(nèi)容是帶鋼位置的準(zhǔn)確跟蹤和單根集管溫降的計(jì)算。帶鋼的跟蹤主要由基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)來完成，根據(jù)冷卻控制長度(稱為樣本)周期性地將實(shí)際的溫度、厚度、速度傳遞給過程計(jì)算機(jī)，過程計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫降的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果下發(fā)后，當(dāng)帶鋼的相應(yīng)位置到達(dá)相應(yīng)冷卻區(qū)后進(jìn)行集管開啟的操作；在單根集管的溫降計(jì)算過程中，首先根據(jù)帶鋼速度計(jì)算帶鋼通過單根冷卻集管的時(shí)間，其次根據(jù)公式(3)和公式(6)計(jì)算單根集管的溫降，最后通過終軋溫度與卷取溫度(或中間溫度)的差值計(jì)算得到需要調(diào)整的集管開閉數(shù)目。

3.2 反饋控制

反饋控制是根據(jù)帶鋼的中間溫度、卷取溫度的實(shí)測值與目標(biāo)值之間的偏差，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)反饋集管的開閉情況來消除溫度偏差。反饋控制策略采用PID(Proportion Integration Differentiation)反饋控制算法，將目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度偏差的比例P、積分I和微分D通過先行組合構(gòu)成控制量，對集管開閉狀態(tài)進(jìn)行控制，其控制輸出u(t)為：

(8)

式中：kP、kI和kD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；e(t)為輸入域。

將式(8)離散后，可以得到應(yīng)用于現(xiàn)場的反饋控制模型：

(9)

式中：Δn(i)為當(dāng)前控制率，即第i次反饋控制需要調(diào)節(jié)的集管數(shù)目；K為單根精調(diào)集管的水冷溫降，℃；ΔT(i)為第i個(gè)采樣周期卷取溫度實(shí)測值與目標(biāo)值的偏差，℃；β為微分投入系數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際效果選擇投用與否。

3.3 自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制的基本原理是根據(jù)實(shí)際集管的組態(tài)對各樣本的中間溫度和卷取溫度重新預(yù)報(bào)，并與樣本的實(shí)測值相比較，獲取二者之間的偏差，采用適當(dāng)?shù)男拚惴ㄟM(jìn)行模型關(guān)鍵參數(shù)修正，提高后續(xù)帶鋼的溫度預(yù)報(bào)精度。對帶鋼軋后冷卻過程來說，一般將各模型預(yù)報(bào)偏差歸因于水冷換熱系數(shù)偏差，通過自適應(yīng)系數(shù)對水冷換熱系數(shù)不斷修正，進(jìn)而完成自適應(yīng)控制過程。

針對不同規(guī)格的帶鋼產(chǎn)品，通過測量樣本的終軋溫度實(shí)測平均值以及中間溫度和卷取溫度實(shí)測平均值，同時(shí)根據(jù)樣本在冷卻區(qū)運(yùn)行過程中的實(shí)際集管開啟數(shù)目計(jì)算空冷溫降和水冷溫降，重新對中間溫度和卷取溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)。自適應(yīng)系數(shù)計(jì)算值k*由下式進(jìn)行計(jì)算：

(10)

實(shí)際模型自適應(yīng)系數(shù)計(jì)算完成后，需要經(jīng)過指數(shù)平滑處理之后才能應(yīng)用于下一卷帶鋼的計(jì)算過程。自適應(yīng)系數(shù)新值k為：

(11)

式中：λ為平滑系數(shù)；k′為自適應(yīng)系數(shù)舊值。

4 應(yīng)用效果

本超快速冷卻過程的溫度控制策略已在國內(nèi)某620 mm熱軋帶鋼廠得到應(yīng)用。軋制鋼種為Q235B，帶鋼厚度為2.75 mm，終軋溫度FDT(Finishing Delivery Temperature)為880 ℃左右，中間溫度(MT)目標(biāo)值為700 ℃，卷取溫度(CT)目標(biāo)值為660 ℃，數(shù)據(jù)采樣周期為200 ms。圖3為軋后冷卻過程中某卷帶鋼的軋后溫度控制曲線。為驗(yàn)證實(shí)際控制效果，對一個(gè)換輥周期內(nèi)的帶鋼軋后溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，帶鋼樣本的中間溫度和卷取溫度控制在帶鋼全長目標(biāo)溫度±18.5 ℃范圍內(nèi)的比例分別達(dá)到95%和97%。由此表明，帶鋼的中間溫度和卷取溫度控制精度均達(dá)到了較高水平，完全滿足生產(chǎn)工藝的需求，為提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能優(yōu)化創(chuàng)造了條件。

在工業(yè)試驗(yàn)中，對相同規(guī)格和化學(xué)成分的Q235B鋼板坯分別采用兩種不同的冷卻工藝：一種是只使用常規(guī)冷卻；另一種是使用超快速冷卻和常規(guī)冷卻相結(jié)合的冷卻方式。然后對其開卷取樣，在距帶鋼尾部10、100、150、300 m處分別取樣。圖4為不同冷卻工藝下帶鋼的平均屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。從圖4中可以看出，使用超快速冷卻和常規(guī)冷卻相結(jié)合工藝所得帶鋼的力學(xué)性能較均勻，相對于只使用常規(guī)冷卻工藝的帶鋼，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均提高了50 MPa左右。

Fig.4 Mechanical properties of the strip under different cooling processes

圖5為不同冷卻工藝下帶鋼的延伸率。從圖5中可以看出，與傳統(tǒng)工藝相比，采用超快速冷卻和常規(guī)冷卻相結(jié)合的工藝，延伸率略有降低，但滿足國標(biāo)要求。

Fig.5 Elongation of the strip under different cooling processes

5 結(jié)論

(1)建立了熱軋帶鋼超快速冷卻過程中的空冷溫降模型和水冷溫降模型，以此為基礎(chǔ)開發(fā)了前饋、反饋與自適應(yīng)相結(jié)合的溫度控制策略，并在某熱連軋生產(chǎn)線得到應(yīng)用。

(2)帶鋼樣本的中間溫度和卷取溫度控制在帶鋼全長目標(biāo)溫度±18.5 ℃范圍內(nèi)的比例均達(dá)到95%，滿足了現(xiàn)場溫度控制要求。與傳統(tǒng)冷卻工藝相比，超快速冷卻工藝可使帶鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高50 MPa左右，延伸率略有降低，但滿足實(shí)際的產(chǎn)品需求，為進(jìn)一步開發(fā)低成本、高附加值產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯 張惠芳]

Strategy for temperature control of ultra-fast cooling porocess in hot strip rolling

PengWen,MaGengsheng,ZhangDianhua

(State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Aimed at the temperature control of the ultra-fast cooling process in hot strip rolling and by developing the combined strategy of feed-forward, feed-back and self-adaption based on the establishment of the air cooling and water cooling temperature drop model, the precision of middle temperature and coil temperature control was improved. The cooling system had been applied in a hot strip production line. The results show that the precision of temperature control reaches a high level and the mechanical properties of the strip are improved effectively.

hot rolled strip; cooling after rolling; ultra-fast cooling; temperature drop model; temperature control

2015-05-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51074051)；遼寧省博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20131033).

彭 文(1987-)，男，東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院博士后流動(dòng)站研究人員,博士.E-mail: pengwen@ral.neu.edu.cn

TG334.9

A

1674-3644(2015)05-0321-05