王紹斌　卿俊峰　劉勇　余萬華

摘要：介紹了重鋼高速線材軋鋼廠對(duì)控冷工藝的研究與運(yùn)用，采用數(shù)學(xué)模型在線預(yù)測(cè)與控制優(yōu)碳盤條性能、金相組織等工作，以及優(yōu)化控冷工藝所取得的效果。

關(guān)鍵詞：高速線材軋機(jī)；控冷工藝；數(shù)學(xué)模型；優(yōu)碳盤條；力學(xué)性能與金相組織

前言

優(yōu)碳盤條主要用于金屬制品廠拉絲原料。為了提高金屬制品廠的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，要求其線材具有通條性能均勻、脫碳少，金相組織索氏體化程度高（90%以上）。重鋼高線廠自投產(chǎn)以來，生產(chǎn)品種較為單一，主要為普通碳素鋼，優(yōu)鋼生產(chǎn)比例較小。且產(chǎn)品性能波動(dòng)較大。因此開發(fā)“優(yōu)碳盤條性能在線預(yù)測(cè)與控制系統(tǒng)”，提高優(yōu)碳鋼盤條的性能合格率。

1.開發(fā)思路及技術(shù)創(chuàng)新

1.1開發(fā)思路

研究的主要思路、研究方案和技術(shù)路線為：首先選擇幾種典型的鋼種（70、65Mn、82B/72B）作為研究對(duì)象，利用控制軋制及控制冷卻理論及金屬材料與熱處理原理。結(jié)合重鋼高線廠的生產(chǎn)實(shí)際。確定幾種軋后控制冷卻工藝制度（包括進(jìn)精軋機(jī)溫度、吐絲溫度、各風(fēng)冷階段的冷卻速度等），利用正交法初步制定試驗(yàn)方案。然后以選定鋼種進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)和組織觀察分析。利用多元線性回歸軟件。對(duì)軋制工藝參數(shù)與性能間的關(guān)系進(jìn)行多元線性回歸。以實(shí)現(xiàn)根據(jù)工藝參數(shù)在線預(yù)測(cè)盤條組織性能。

1.2技術(shù)創(chuàng)新

（1）熱交換系數(shù)確定合理。在現(xiàn)有條件下，熱交換系數(shù)受水的壓力、水量、鋼溫、鋼速、風(fēng)速、搭接點(diǎn)及非搭接點(diǎn)等因素影響。非常復(fù)雜，目前一般根據(jù)實(shí)測(cè)值做些回歸處理，而本模型通過自學(xué)習(xí)調(diào)整熱交換系數(shù)。

（2）模型反應(yīng)速度快。通過與北科大全力合作，實(shí)現(xiàn)了在線模型與生產(chǎn)速度的合理匹配。

（3）材料物性參數(shù)科學(xué)性強(qiáng)。材料物性參數(shù)的準(zhǔn)確性決定了模型的精度。本模型根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。采用水冷線的四個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和風(fēng)冷線的三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值及性能實(shí)測(cè)值做為輸入?yún)?shù)。提高了模型的精度。

（4）在線模塊系統(tǒng)的建立及調(diào)整。將本系統(tǒng)與離線預(yù)測(cè)比較。確認(rèn)系統(tǒng)的可靠性。再通過與工廠現(xiàn)有物料跟蹤系統(tǒng)及在線系統(tǒng)所需工藝參數(shù)進(jìn)行模塊銜接。從而實(shí)現(xiàn)在線性能預(yù)測(cè)與控制。

2.控制模型

重鋼高線控制冷卻模型的總體功能是：根據(jù)軋件在精軋機(jī)出口溫度的檢測(cè)值、速度、線徑等數(shù)據(jù)和其它工藝設(shè)備參數(shù)，經(jīng)過模型運(yùn)算（包括預(yù)設(shè)定計(jì)算、修正設(shè)定計(jì)算、自學(xué)習(xí)計(jì)算），求得達(dá)到目標(biāo)機(jī)械性能的水冷段噴嘴的開啟組態(tài)及風(fēng)冷段風(fēng)機(jī)的開啟組態(tài)。水冷段的控制目標(biāo)為控制吐絲溫度。風(fēng)冷段的控制目標(biāo)為冷卻速度及相變區(qū)間。確保相變?cè)陲L(fēng)速的控制范圍內(nèi)，使盤條組織盡量索氏體化，從而提高產(chǎn)品的綜合性能。主要包括下面六個(gè)模塊：

（1）計(jì)算處理。為設(shè)定計(jì)算、修正計(jì)算、自適應(yīng)計(jì)算準(zhǔn)備各種數(shù)據(jù)和信息。如鋼種，鋼種對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)如密度，熱傳導(dǎo)系數(shù)及熱容，坯料規(guī)格（長(zhǎng)，寬，高），化學(xué)成分（C，Mn，Si，P，S，Cr，Ni，Cu，N等），軋制速度，線材直徑，設(shè)定吐絲溫度，風(fēng)冷相變區(qū)間等。

（2）預(yù)設(shè)定計(jì)算。根據(jù)精軋機(jī)出口的軋件溫度、速度、線徑、吐絲機(jī)的預(yù)設(shè)定溫度等。進(jìn)行冷卻水箱組態(tài)的預(yù)設(shè)定及風(fēng)機(jī)開啟組態(tài)的預(yù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻模式、目標(biāo)吐絲溫度、風(fēng)冷相變前冷卻速度及相變區(qū)間的控制精度。

（3）修正設(shè)定計(jì)算。根據(jù)各段測(cè)溫儀的實(shí)測(cè)溫度和各工藝設(shè)備參數(shù)，修正與線材各段對(duì)應(yīng)的冷卻水箱、風(fēng)機(jī)開啟組態(tài)。形成閉環(huán)控制。

（4）反饋控制計(jì)算。將各個(gè)測(cè)溫儀的實(shí)測(cè)值按一定的周期上傳給工控機(jī)及PLC。

（5）自學(xué)習(xí)計(jì)算。為了提高線材溫度控制精度，增強(qiáng)控制模型的適應(yīng)性。模型采用了自學(xué)習(xí)功能對(duì)模型中的各段熱交換系數(shù)進(jìn)行修正，糾正模型預(yù)報(bào)偏差。

（6）結(jié)果數(shù)據(jù)處理。將線材編號(hào)、性能及溫度等預(yù)報(bào)結(jié)果上傳給上位機(jī)。以便跟蹤及處理。

3.在線性能預(yù)測(cè)與模型主要操作界面

3.1在線性能預(yù)測(cè)

在線性能預(yù)測(cè)是正常生產(chǎn)的主操作界面。上部紅色顯示的溫度值為各段的預(yù)測(cè)值。下部的藍(lán)色值為測(cè)溫儀的實(shí)測(cè)值。在界面的右方中部，首先需選擇[實(shí)測(cè)信號(hào)]或[虛擬信號(hào)]，系統(tǒng)默認(rèn)為[虛擬信號(hào)]，這時(shí)系統(tǒng)的溫度信號(hào)來源于計(jì)算機(jī)的虛擬發(fā)生器，選擇[實(shí)測(cè)信號(hào)]，這時(shí)系統(tǒng)的信號(hào)來源于測(cè)溫儀。

3.2生產(chǎn)參數(shù)

[目標(biāo)參數(shù)]設(shè)定目標(biāo)吐絲溫度及偏差，相變前的最大冷速，及第四臺(tái)風(fēng)機(jī)人口處的目標(biāo)溫度及偏差。

選擇[H自學(xué)習(xí)]，系統(tǒng)將根據(jù)溫度的實(shí)測(cè)值在線自動(dòng)調(diào)節(jié)修正熱交換系數(shù)。使實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值逐漸吻合。提高模型的預(yù)報(bào)精度。

[溫度波動(dòng)]僅對(duì)選擇[虛擬信號(hào)]時(shí)適用，一旦選擇[溫度波動(dòng)]，預(yù)報(bào)溫度在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。

在界面的左側(cè)，有一個(gè)紅色的按鈕[工藝預(yù)設(shè)定]，一旦按這個(gè)按鈕，計(jì)算機(jī)會(huì)彈出以下界面：

此界面與數(shù)庫gongyi相聯(lián)。該數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)工廠水冷段所有的關(guān)鍵工藝參數(shù)：鋼種、直徑、設(shè)定目標(biāo)值如吐絲溫度、臨界冷速、性能預(yù)報(bào)的修正值、水冷段的開啟、風(fēng)冷段的開啟、輥道速度、各段的熱交換系數(shù)等。數(shù)據(jù)庫由工程技術(shù)人員預(yù)先輸入，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)選擇相應(yīng)的工藝路線即可。

4.模型系統(tǒng)的運(yùn)用

通過工廠技術(shù)人員的編制程序、在線計(jì)算機(jī)程序及北科大編制的程序接口。將高線廠實(shí)時(shí)坯料信息數(shù)據(jù)（Oracle數(shù)據(jù)庫：鋼坯爐號(hào)、序號(hào)、化學(xué)成分等信息）及在線溫度控制數(shù)據(jù)（基礎(chǔ)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集：各個(gè)水冷段控制溫度、風(fēng)冷線溫度、軋制速度等）同步傳遞給在線模型。在線模型根據(jù)以上信息有效預(yù)測(cè)生產(chǎn)盤條組織含量和機(jī)械性能。通過預(yù)測(cè)及時(shí)掌握盤條的性能情況，并及時(shí)反饋信息。同時(shí)對(duì)設(shè)備和相關(guān)參數(shù)做出調(diào)整，使盤條的內(nèi)部組織達(dá)到理想狀態(tài)。在線模型運(yùn)行后，通過分析在線模型各種參數(shù)變化。形成了在線數(shù)學(xué)模型實(shí)施后的硬線鋼控冷工藝制度（見表1和表2）。

在線數(shù)學(xué)模型實(shí)施后的盤條實(shí)際力學(xué)性能情況見表3-4：

由表可以看出。抗拉強(qiáng)度最小值在870MPa以上。延伸最小值在10%以上。斷面收縮最小值在30%以上。索氏體全年平均值94.48%。較離線數(shù)學(xué)模型實(shí)施后的92.98%提高了1.5個(gè)百分點(diǎn)。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過離線數(shù)學(xué)模型實(shí)施前的平均值87.93%。盤條性能波動(dòng)改善效果明顯。

5.模型實(shí)施效果

5.1性能改善明顯

項(xiàng)目實(shí)施后優(yōu)碳盤條機(jī)械性能及微觀組織（索氏體化率）均大幅提高。

5.2生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大。同比產(chǎn)量增加

據(jù)統(tǒng)計(jì)。項(xiàng)目實(shí)施前優(yōu)碳鋼和中高碳鋼（硬線鋼）盤條年產(chǎn)量為11萬噸左右。項(xiàng)目實(shí)施后優(yōu)碳鋼和中高碳鋼產(chǎn)量27萬噸左右。同比產(chǎn)銷量大幅增加。

5.3優(yōu)碳鋼盤條質(zhì)量異議損失大幅下降

項(xiàng)目實(shí)施后。優(yōu)碳盤條質(zhì)量異議損失從0.5元/噸大幅下降到0.1元/噸以下。產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量得到了用戶肯定。

5.4社會(huì)效益明顯

本模型系統(tǒng)的成功運(yùn)用。將傳統(tǒng)事后查找原因改變?yōu)樯a(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此在同行業(yè)具良好的推廣價(jià)值。同時(shí)為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了有力的技術(shù)支撐。