热轧带钢终轧温度控制模型及应用

热轧带钢终轧温度控制模型及应用龚殿尧，陈华昕，徐建忠，张殿华，刘相华东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁，沈阳 110004 摘 要：为了适应加速轧制时高精度终轧温度控制精度的要求，开发了前馈与反馈相结合的在线终轧温度控制模型。

首先，建立了机架间冷却阀门开度与流量曲线，缩短了阀门响应时间，然后将带钢沿轧制发现分为若干样本，考虑 轧制速度、加速度、带钢的机架间水冷、空冷以及变形区内的温度变化，利用机架间冷却单元以及带钢温度沿轧制 方向连续平滑变化的特点进行样本机架间跟踪，实现了高精度终轧温度控制的目的。

使用该模型进行终轧温度控制 应用效果良好。

关键词：热轧带钢，终轧温度控制，机架间冷却单元，样本跟踪 关键词Process Control Model Development and Application of Hot Rolled Strip in Finishing Hot Strip MillGONG Dian-yao, Chen Hua-xin,XU Jian-zhong, Zhang Dian-hua and LIU Xiang-huaState Key Lab of Rolling & Automation , Northeastern University, Shenyang, Liaoning, 110004 ChinaAbstract: For the requirement of high accuracy finishing temperature control during accelerating hot strip rolling, the finishing temperature process control model composed by feed-forward control and feed-back control function. The curves of relationship between valves’ opening and flow were found, The strip was virtual divided into many samples along with rolling direction, the sample tracking in mill was obtained based on the concept of cooling unit inter-stand and the smoothness of temperature curve. Considering the rolling speed, acceleration, inter-stand water cooling, air cooling and heat transfer in deformation area. Using the model, the finishing temperature control accuracy meets require well. Key words: hot rolled strip, finishing temperature control, cooling unit inter-stand, sample tracking终轧温度控制(FTC)具有可控对象少、样本 ， 跟踪困难、冷却阀门响应时间长、影响因素多[1 2] 等特点，是热轧带钢过程控制的一个难题。

一 般进行终轧温度控制时，主要通过速度调节 (FTC-1)和机架间水量调节(FTC-2)或者二者相 结合的方式。

一种终轧温度控制方法为： 固定机 架间水量， 采用在线快速动态调整带钢轧制速度 和加速度， 因为变形热是带钢在精轧区域产生温 升的重要来源， 所以带钢的终轧温度对于轧制速 度非常敏感， 采用这种手段可以在一定程度上取 得效果， 但是这种方法有如下缺点： 轧制速度曲 线不平滑，轧制过程不顺畅；调节能力有限，终 轧温度曲线不平滑； 控制精度一般。

笔者在研究 影响终轧温度因素的基础上， 提出了机架间冷却 单元的概念， 再此基础上进行带钢样本的机架间 位置跟踪[3]，在速度制度设定值的基础上，以在 线调节机架间水量为主， 以前馈和反馈相结合的1方式， 开发了可终轧温度控制模型， 此模型现场 应用效果良好。

1 模型的整体架构作为终轧温度的在线控制模型，FTC 不参 与轧制速度的在线修正， 只通过微调机架间冷却 水水量， 使精轧机组穿带完成 6 秒之后的带钢终 轧温度控制在正负偏差之内。

FTC 在精轧设定 模型(FSU)给出的机架间水量设定值基础上，通 过基础自动化反馈调整 F6 和 F5 机架后的调节 阀开度控制终轧温度； 将通条带钢分成若干个样 本， 根据精轧入口高温计实测值和此时的带钢速 度、 带钢加速度实际值， 计算在当前条件下可满 足终轧温度的各机架间集管的水量， 计算结果实 时发送给基础自动化执行， 完成前馈控制。

当带 钢尾部在精轧入口高温计处检失后， 由基础自动 化依靠反馈实现终轧温度控制。

首先依照穿带时的稳定流量、 喷嘴组态、 穿 带时带钢的精轧入口温度、穿带速度等数据及 FSU 设定数据进行带钢的初始温降计算。

将终 轧温度计算值与实测值进行对比， 使用平滑指数 法修正水冷温降模型系数， 完成模型自适应。

同 时基础自动化开始以样本为单位采集精轧入口 处的带钢温度平均值和精轧出口处轧制速度实 际值及加速度实际值， 当完成一个样本的数据采 集后， 触发前馈温度计算模型， 前馈温度计算模 型计算完成后将机架间水量发送给基础自动化， 基础自动化按照设定水量， 在前馈模型给出的样 本延迟时间的基础上调整机架间流量。

FTC 总 体流程如图 1 所示。

初始温降计算 初始温降计算自适应计算 自适应计算修正设定 修正设定 计算 计算图 1 终轧温度控制总体流程 Fig.1 Main program diagram of FTC 前馈控制是不断启动与休眠的过程，如图 2 所示。

前馈控制作用的范围为 F2 至 F4 后的机 架间冷却调节阀。

图 2 前馈控制的唤醒和休眠过程 Fig.2 The activation and rest of feed-forward control function of FTC2 阀门性能80 70 60 开度,% 50 40 30 20 10 0 0 50 1003F1上 F4up F5up F3up F2up F2dn F1up ‘ F5dn F4dn F2下 F2上 F3下 F3上 F4下 F4上 F3dn F5下 F5上 F6dn F6下 F6上 150 200 250F6up流量,m /h图 3 阀门开度与流量实测曲线 Fig.3 Curves of relationship between valves’ opening and flow 机架间冷却阀门一般包括手动开关阀、 自动 开关阀和流量调节阀， 其中调节阀的反应时间过 长是限制终轧温度控制效果的一个不利因素。

国 产阀门的性能不稳定，有的阀门 20%流量变化2也因此有的 FTC 控制系统 反应时间超过 30 秒。

将机架间冷却阀门开度固定， 在此基础上调节轧 制速度。

在进行机架间冷却阀门流量调节时， 通 常使用开度与流量 APC 的方法，是开度自动动态对于流量设定值。

通过实验测试， 获得国内某 厂的机架间调节阀的开度与流量关系曲线， 如图 3 所示。

图 3 中“up”表示上阀门， dn”表示 “ 下阀门。

因为在测试期间 F1 下阀门损坏，因此 图 3 中不包含 F1 下阀门的数据。

事先掌握了阀 门开度与流量的关系， 就可以在一定程度上缩短 调节阀的反应时间。

3 机架间冷却单元前馈控制时， 带钢沿长度方向被划分为若干 样本， 对这些样本的跟踪是关键的问题， 精确而 有效的跟踪可以使机架间冷却水量的调节准确 地作用到对应的样本， 从而保证终轧温度的控制 精度。

带钢样本在各机架间即涉及到厚度的变化，也有长度、速度和加速度的变化，如果以样 本为对象进行跟踪， 其难度非常大， 将机架间分 为若干个机架间冷却单元， 计算样本在机架间冷 却单元所经历的时间， 与样本从精轧入口高温计 处出发到达该冷却单元所需的时间， 就实现了对 样本的跟踪。

机架间冷却单元示意图如图 4 所 示。

从精轧入口高温计到精轧出口高温计之间分 前馈模型根据样本在精轧入口处的 为 8 个单元， 速度和加速度即可以计算出该样本到达各冷却 单元的时间， 基础自动化在此时间基础上减去阀 门本身的响应时间， 就可以得出阀门开始响应的 延迟时间。

图 4 机架间冷却单元示意图 Fig.4 Sketch of inter-stand cooling unit4 反馈控制反馈控制作用于精轧下游机架后的集管阀 门，一般在 F5 和 F6 的阀门。

当轧制速度没有 较大的加速时， 反馈控制基本可以单独实现终轧 温度控制， 但是当加速较大时， 反馈控制的滞后 性表现较明显。

在加速轧制时， 反馈控制可以弥 补前馈控制的不足， 由于反馈控制可以直接作用 于调节阀开度，其效果非常直接和快速。

当温度高于设定温度若干℃时，F6 机后冷 却水首先进行调节， 开口度增加， 当温度低于设 定温度若干℃时，开口度减小。

如果 F6 动作到 位， 即开口度达到最大或者完全关闭仍不能保证 温度时，F5 机后冷却水会进行调节。

开口度的 调节量可在程序中自行修改。

5 机架间冷却模型的应用该机架间冷却模型在国内某 1780mm 热轧 带钢厂得到应用。

以某带钢为例， 钢种为 Q235B， 厚度为目标 11.0mm，宽度为 1575mm。

轧制该 块钢时，F3、F4 后机架间冷却水流量发生变化， F6 后机架间水流量发生变化。

带钢在精轧入口 飞剪前与精轧后温度实测值与水量变化曲线如 图 5 所示。

该块钢全长范围内终轧温度±20℃命中率为 96.91%。

分析该块带钢的温度偏差分布，如图 6 所示。

温度偏差主要集中在±15℃之内，为 84.27%。

该块带钢目标厚度较厚，在温度控制 上有一定难度， 其终轧温度控制精度可以代表模 型的控制精度。

这一温度指标是在机架间阀门性 能较差的条件下(相应时间长，性能不稳定)获得 的， 如果阀门性能较为稳定和优良， 该模型可以 获得更好的控制精度。

31100 1050 1000 带钢温度实测值,℃ 950 900 850 800 750 700 650 600 0 50 100 150 200 250 数据点,300 350 400 450 500 F3上流量 F6下流量 F6上流量 终轧温度上限 F3下流量 F4下流量 F4下流量 精轧入口飞剪前温度实测值 终轧温度实测值 终轧温度下限500 450 400 300 250 200 150 100 50 0 阀门流量,m /h>20350图 5 带钢入口温度、终轧温度实测值与机架间冷却水流量曲线 Fig.5 Curves of strip temperature at entrance and exit of mill and inter-stand cooling flow40 百分比,% 30 20 10 0<= -20 -20<δ<=-15 -15<δ<=-7.5 -7.5<δ<=0 0<δ<=7.5 7.5<δ<=15 15<δ<=20偏差范围图 6 该块带钢的终轧温度偏差 Fig.6 Finishing temperature error of the strip6 结论建立了前馈和反馈相结合的终轧温度控制 模型， 建立了机架间冷却阀门特性曲线， 建立了带钢样本的机架间位置跟踪机制， 该模型在国内 某厂得到应用，其终轧温度控制精度可达±20℃ 命中率为 96.91%。