層流冷卻模型在1580熱軋生產線的應用

石曉磊+張勇

摘 要：層流溫度控制關系到熱軋帶鋼性能，特別是熱軋卷尾部溫度。熱軋帶鋼層流冷卻過程具有強非線性、工況條件變化劇烈、難以采用精確數學模型進行過程描述的復雜工業特性，這些特性決定了需要新的控制技術，以保證帶鋼最終質量。

關鍵詞：熱軋；冷卻控制；層流冷卻

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.012

1 熱軋層流冷卻簡介

層流位于精軋和卷取之間，通過水幕將從精軋軋出的帶鋼按照工藝要求降低到卷取卷鋼之前需要的溫度。層流降溫的目的：一是降低帶鋼的溫度，避免帶鋼溫度過高損壞卷取機；二是帶鋼在降溫的過程中，帶鋼本身的性能有本質的提高。因為能提升帶鋼的性能，所以層流是熱軋帶鋼生產過程中一個不可缺少的重要組成部分。

層流工藝設備主要由5個高位層流水箱、720個集管、216個二位三通截止式單電控閥總成。

從圖1可以看見層流高位水箱，層流上集管。而層流下集管在輥道下面，從照片中看不到。層流高位水箱有5個，其中的水源來自層流泵站，水循環利用。層流集管分為15組，每組由上下兩排，每排有12個集管，每個集管有若干的水嘴組成。

層流每組集管寬度4.18米，相鄰兩組集管中心距離5.32米。前12組為標準段，每組12個集管，由6個二位三通截止式單電控閥控制；后3組為精冷段，每組12個集管，由12個二位三通截止式單電控閥控制。電磁閥的通斷電由PLC計算得出結果，傳輸的R柜（I/O柜）執行。

2 層流控制功能和層流控制模型

層流從控制的角度看：層流前12組集管為粗調段，層流13組集管為精調段，層流14組和15組集管為反饋段。根據不同的規格型號帶鋼，層流要求的目標值溫度是不同的。這里就設計到層流參數的設定，層流參數設定是由二級傳輸到一級PLC的。具體來說就是一級與二級之間通過內存映像網，在協議公開的地址上各自寫規定的參數，對方如果需要，分別到相應地址讀取所需的參數。

如圖5所示，下面按照帶鋼通過的時序來簡介層流控制：

帶鋼通過精軋F2時，基本參數由二級讀取。完全根據二級的參數進行閥初始狀態設定是層流控制的第一步。根據預測帶鋼的精軋出口溫度及卷取目標溫度，帶鋼冷卻系統開關冷卻水集管閥數量的預設定計算。預設定計算同時還完成了一級動態設定計算和反饋控制計算所需參數的設定。計算在二級完成，結果傳輸到一級，并在帶鋼通過之前輸出。

當帶鋼通過精軋尾部高溫計（FDT）進入位于輸出輥道上下方的層流冷卻系統時，動態設定開始執行。對每一個控制點的初始設定進行修正計算。這是對卷取溫度的前饋控制動態設定根據精軋出口溫度及帶鋼速度的預測值與實際值之間的偏差對初始設定的結果進行修正。帶鋼控制點的長度與每一冷卻水段的長度是相同的。每當熱軋帶鋼經過一個冷卻水段的長度，即控制脈沖的長度，動態設定就對預設定進行一次修正，對實際開關的冷卻水段進行調整。

當帶鋼處在層流14組和層流15組時，進行反饋控制。反饋控制是根據卷取機入口高溫計的實測值調節冷卻噴水量來修正溫度偏差，即當每一脈沖控制長度帶鋼到達卷取機入口溫度計（CT）處時，實際測量該脈沖CT值，根據實際CT值與目標卷取溫度的偏差，調整反饋控制區即精冷段的集管閥門開閉陣列。在反饋控制中，由于實測樣品段和反饋控制樣品段的“時滯性冶較大，反饋控制并不能作用于當前段（實測樣品段），而只能作用于后面的段（反饋控制樣品段），因此反饋控制作用是非因果性的。

下面介紹模型控制部分：

首先，層流水冷量模型的確定，公式如下：

公式（1）：

公式（1）中，、、由一級程序計算得出，由二級直接設定。

公式（2）：

公式（2）簡稱空氣冷卻模型，計算假設帶鋼只通過空氣冷卻到達CT時的溫度。如果要計算出公式（1）中的，還需要計算、，在計算過程中需要知道冷卻水段冷卻量。下面研究計算、的方法。

公式（3）：

這是層流水冷卻模型，這里的難點在于計算和，這涉及到層流的速度預測，這里不做詳細介紹。通過公式（1）至公式（3）可以計算出層流前13組一共需要的水冷卻量，通過公式（3）可以計算出每組水冷量。有了層流冷卻控制的關鍵兩個數，可以按照層流集管控制的優先級依次開水閥，具體計算公式如下：

公式（4）：

計算滿足公式（4）的i，即為從優先級為1的集管組開到優先級為i的集管組。

層流的基本控制方式如上，有了層流冷卻量模型、層流水冷模型、空氣冷卻模型這3個基本模型。層流優化調整成為可能。

3 結束語

層流溫度控制是一個復雜的控制過程，難以用精確的數學公式進行描述，提供層流溫度控制精度很大程度上是在現場實際生產中，進行現場環境的分析，找到影響層流帶鋼精度的因素，加以數學上的公式模型進行補漏。提高層流控制精度，能夠提高成材率，降低生產成本。并且為開發新品種提供技術的可能。

參考文獻：

[1]楊旭.濟鋼熱軋廠層流冷卻系統的改進[J].冶金電氣，2004（4月上）：77-79.

[2]戴鵬，周正軍，夏孔超. 熱軋層流冷卻控制中的反饋速度優化[J]. 武鋼技術，2014（06）：55-57.