板带层流冷却控制技术评述

收稿日 期： ０３ ４ ５ ２０－－ ０１
艺技术的改造伽 各种层流冷却方司 和控制技术（ 即 控制器的设计， 控制策略的给出） 的改进。目 前控 制模型的建立基本上是遵循： 机理模型曰实验室或 现场大量数据叶简化模型弓模型现场修正为基础的 建模方法。这主要是因为该过程是复杂的物理过 程， 冷却水和灼热的板带初接触时， 板带和水之间 的巨 大的温 差引起迅速的热传导， 可是由于在板带 表面迅速形成隔离的 蒸汽层，即 ‘ １ 膜状沸腾” 结 ， 果出 现一段低导热期， 待到燕汽层不再稳定地附着 在板带表面时， 钢和水重新接触， 进人 “ 泡核沸 腾”期， 此时产生很强烈的 热传导， 之后板带逐渐
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自 １６ 年第一台热带钢轧机在美国诞生以 从 ９ ２ 来， 前为止， 到目 在世界上已 经设置了近２０ ０ 套热 轧带钢轧机。卷取温度控制是整个热轧生产中的最 后一 关键环节。卷取温度对板带的金相组织影响 个 很大， 是决定成品板带加工性能、 力学性能、 物理 性能的 重要工艺参数之一。卷取温度控制实质上是 轧后板带的冷却控制。 影响产品质量的主 要因素是 冷却开始和终了温 度、冷却速度以 及冷却的均匀程
度。
层流冷却过程控制是复杂工业过程控制问 关键 题， 间题是在板带进人冷却区 之前根据冷却曲 线确定集
管分布形式 ，并确定控制量的大小（ 即喷水区长 度— 开阀个数） 为此要建立板带温度变化的动 ， 态模型。 该模型应该能反映喷水区长度、 板带终轧 出口 温度、 速度及厚度等与板带温度之间的 关系。 ３ 板带层流冷却控制技术的发展状况 资料表明， ０ 从２ 世纪６ 年代的带钢层流冷却 ０ 到２ 世纪９ 年代的层流冷 ０ ０ 却系统的 技术改 造， 各 国的科技工作者做了 大量的 工作， 注意力集中在工
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变冷， 热传导也相应地逐渐降低。任何强制冷却 的效果， 取决于蒸汽层的破坏及达到 “ 泡核沸腾” 的程度。冷却时生成的蒸汽层膜，对传热系数影 响 比较 大 ．使 传 热 系 数在 １ ｗ （＝Ｒ ＯＯ ｉ －卜 Ｏ ｍ １ ＯＯ 回 ・ ６ ｗｉ 均之间波动，而且板温无法实时检 Ｏ
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万方数据Βιβλιοθήκη 河沈冶金２ 刀年第 ３ 创 期
取温度要求时的喷水阀门数， 再经设定值传送程序 把设定值传送到Ｂ Ｃ 并在相应的计算机终端上 Ａ， 显示其结果。
４ 循环控制计算 ． ４
在带钢头部至尾部离开精轧机的期间． 使用实 测的轧制温 度、 厚度和带钢的速度进行周期性的 前 馈控制计算， 适时把阀门开闭设定值送到Ｂ Ｃ Ａ， 在带钢进人层流冷却区的运行中， Ｃ按固 Ｐ 定 的时间间隔， 在逻辑上把带钢划分为数小段， 计算 机对每小段在层流冷却区 进行推算和跟踪． 然后对 带钢的 卷取温 度控制就是以 这样的小段为最小单位 进行的。对每一小段计算的增减阀门 数， 当该小段 运行到喷水区时， 增加的喷水正好喷到此小段上或 关闭需要减少的阀门 数。
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关键词： 层流冷却； 控制模型； 神经网络 中图分类号：Ｔ ３３ Ｇ ３． ７ 文献标识码：Ｂ
０ －０ ８ ０ ） ０ ３ － ２ ３ ０ 文童编号： ０ ６５ ０ （ ０ ３ ０ －０ ９ ５
Ｒ ＶＩ Ｗ Ｐ ＡＴ Ａ Ｅ Ｅ ＯＦ Ｌ Ｅ ＮＤ Ｒ Ｐ ４Ｎ －Ｌ Ｓ Ｉ ＡＮ Ｉ ＡＲ Ｆ ＯＷ Ｔ Ｃ ＮＴ ＯＬ Ｏ Ｒ Ｃ ＯＯＬ Ｇ Ｎ Ｉ Ｃ Ｅ Ｌ ｂ ， Ｎ Ｗ ｉｏｇ Ｈ Ｎ ｉ Ｗ Ｇ － ｎ ｉｎ Ａ － ｅｄ
４ ． ５反馈控制和自 适应计算
带钢在辊道上运送时， 高温的带钢要向 外辐射 热量，因而带钢产生辐射温降， 用△Ｉ 示。同时 ｉ 表 也有带钢与周围 空气进行对流换热的问题， 而会引 起带钢的对流温降。 用△ｔ ｄ 表示。由 于在高温时的 辐射热量损失远远超过了对流热量损失， 后者所占 比 重很小。因 此， 可以只考虑辐射热量损失， 而把 其它影响都包括在根据实测数据确定的辐射系数
‘二， １ ） 尹 ，２６ ７‘ 一ｙ（ △ Ｃ－ ３ ｓ ＋ ａ ２ ｔ ０ ０
式中：
量加以比 记前馈计算得到的改变量为Ｌ ， 较， Ｐ反 馈控制量的改变量为Ｌ ， Ｏ 则避免正反馈的必要条 件是： ＰＬ ＞ ， ＬＸＯ ０ 所以， 为提高反馈控制的 效果， 在控制算法中 应该加人避免这种非因果性所产生的 正反馈判断条件。 ５ 层流冷却控制模型 为了 适应计算机控制的需要， 需用温降方程来 计算各个环节的温度变化（ 如精轧机组人口 和出口 处、以及卷取机人口 处等的温度） ，以便准确地预 报轧件在各个环节中的温度值。 温降模型的 建立是与轧件热连轧生产过程的 具 体特点密切相关的。 在不同的生产环节中． 轧件温 降的规律和特点虽不尽相同， 但其温度的 变化是可 以 用基本的 传热方式的不同组合来描述。 根据带钢 热连轧轧制线上工艺和设备特点的情况， 基本上可 以归纳出以 下几个方面的 温降模型： （） １ 带钢在辊道上运送时的温降模型； （） ２ 带钢在高压水除鳞情况下的温降模型； （） ３ 带钢在低压喷水冷却时的温降模型； （） ４ 带钢在精轧机组中的温降模型。
，中。
已知带钢因 辐射引起的温降是与 （＋２３ 成 ， ７） 四 次方的关系， 这就说明随着温降的进行， 带钢的 温度将不断地迅速降 低。由 此可知带钢在短距离输 送辊道和在长距离输送辊道上辐射温降的时间是不 完全相同的，因 此分两种情况。 轧件在短距离拍送辊道上运送时， 其辐射温降
测。显然该过程具有多变量、强祸合、 非线性和时 变， 且关键控制参数不能连续在 线检测的特点， 缺 乏采用先进控制技术对此复杂的过程给出 完满的、 切合实际的方案。 板带层流冷 却系统 开开狡制原理结构框图见图 １ ．
图 玉板带层流冷却系统开环控制原理结构框图
出层流冷却区域内的温度变化过程；学习控制用以 上述模型的控制技术， 属于一种静态开环控 制方法， 层流冷却过程控制的精度完全由冷却模 完成对卷取温度预测模型中 参数的自 适应修正等 等。这些控制方法的 采用使最初卷取温度合格率达 型决定，而冷却模型又依靠边界条件的严格约束 以及现场或实验室的大量实验， 模型中的参数由 到 ７％ ０ 强， 经过几年的运行后及设备改造和技术 实际装置状况给定。所以， 各国学者及技术人员 改造， 达到卷取温度合格率９＂ ００ 强。总之，先进 冷却模型为基础的， 研究建 所以 在冷却模型方面做了大量的工作， 得到了各种约 冷却控制技术是以 束条件下的不同的冷却模型。我国的生产状况常 立板带层流冷却过程的动 态模型和控制模型是十分 常是边界条件得不到保证， 如终轧温度，国外一 重要的。 般要求在ｔ５ 之间， １℃ 而我国 钢厂很难达到这一指 ４ 板带层流冷却控制系统的基本思想 标．因此， 边界条件波动大，引进的设备及控冷 计算机将整个生产范围内的带钢按厚度、目 标 模型得不到很好的应用。 卷取温度 （ 一般相差 １℃ ０ 为同 一级 ） 、带钢材质的 冷却特性、 却要求等分很多级别， 冷 将冷却速度相 对于板带层流冷却来说，国内宝钢自 动化程 近的钢归类， 进行分档级控制， 对不同的级别使用 度较好，它采用分类查表的方法，完成层流冷却 的控制量设定，即按材质硬度分成 ５０ ０ 级， 按卷 不同的 策略数据和模型数据。 取温度分成 ８ 级，按厚度分成 ６ 级，总共分成 层冷过 控主分 四部 见 ． 的 制 要 为 个 分， 表１ 流却 程 表 １层流冷却过程控制 ２ ００ ４ ０ 类。这种方法存在的问题是分类粗细的问 名称 时间 （ 位皿） 任务描述 题。分类当然是越细越好。 但即使分类很细，由 预计算 板坯粗轧机 准备教据 于其它工艺条件不稳定，波动很大， 认为同一类 前饮控制 每段至 侧沮 人口 点 钊 贫徽调区开启阅 门效 带钢属于同一个总体， 虽然从分类表中查到的控 反抽控制 每段至出口 侧闹点 计算梢调 区增减阅门 数 制量设定值相同， 但实际控制结果的偏差也会很 自 适应 每段至出口 侧沮点 ｔ ｉ 薄棋型 修正系数 大。武钢的１ 热轧厂， ７０ ０ 引进日 本新日 控制 铁的 ４１ 冷却策略 ． 当带钢出粗轧机， Ｃ Ｐ 进行精轧机相应的控制 模型， 其中工作点的设定也是由分类查表获得， 但是形成分类表的控制量设定模型没有提供。另 计算后，由精轧道次计算程序启动出口 器策略程 外， 我国其它各热轧厂的层流冷却过程的控制基 序： 根据精轧道次计算数据和带钢材质、 规格、目 本是采用依靠人工经验进行控制量的设定手动控 标值等数据， 确定规定的自 动选用冷却工艺数据， 制的方法。 如冷 却方式、 喷水方式和自 适应系数等。 ４ 预计算 ． ２ 国外的板带层流冷却过程的控制方法从以冷 起动冷却预计算程序， 计算出 达到目 标卷取温 却模型为基础的静态开环控制发展到以冷却模型 并进行策略最大冷却能 为基础的 使用先进控制技术实现的动态闭环控制。 度需要的喷水阀门和位置， 力计算， 若冷却能力不足， 就向 操作人员报警。 反馈控制算法采用带有滤波的Ｈ调节器用以修正 ． 实际卷取温度与目 标卷取温度的偏差； 前馈控制 ４３ 带头调整 起动带头调整程序， 计算出 带钢头尾有特殊卷 算法用以补偿边界条件的波动；预测控制模型给