基于現場的熱連軋溫度控制關鍵技術

宋美娟， 蘇皓天， 徐梓璇， 陳 曉

（徐州工程學院機電工程學院， 江蘇 徐州 221018）

鋼鐵工業作為基礎產業，是現代社會生產和擴大再生產的物質基礎。加快發展高質量、高附加值、高技術含量的板帶鋼材是目前我國軋鋼工業中一項迫在眉睫的任務。熱軋板帶鋼質量控制包括熱軋終軋溫度控制、卷曲溫度控制、板厚控制、板形控制及寬度控制。其中溫度控制模型對質量起著決定作用，同時也是其他模型重要的子模型。

熱連軋帶鋼生產工藝是指板坯厚度200 mm 以上，長度一般為4.5～9.0 m（亦有達到12 m）[1]，由一定容量的板坯庫，加熱爐區[2]、粗軋區、精軋機組區、層流冷卻區，卷取區組成的生產線（見圖1）。

圖1 主軋線設備和檢測儀表布置

1 熱連軋機組終軋溫度控制模型

熱連軋各機架溫度很大程度上影響了軋制力的選擇，所以終軋溫度模型對實際生產的適用性一直是帶鋼軋制的關鍵。近年來，熱軋帶鋼產品需求又呈現品種多樣、規格多變、批量較小的趨勢。傳統的終軋溫度經驗公式難以滿足實際生產的需要。本文提出不斷利用即時信息對精軋機組連軋理論模型（1）進行修正。

精軋機組連軋模型[1]：式中：Δt 為溫降，℃；αL為強迫對流傳熱系數，W/（m2·℃）；lF為機架間距離，m；γ 為密度，kg/m3；c 為比熱容，J/（kg·K）；h 為坯厚，m；v 為上游機架出口速度，m/s；t 為軋件溫度，℃；tw為水溫，℃。

1.1 熱對流散熱系數的修正

采用數據分層聚類的處理方法對生產工藝參數、化學成分相近的數據歸類處理，而對于無初始經驗的新產品，可以采用基于性能的工藝逆向優化模型[3]，確定長距離運輸和精軋機組中預定熱對流散熱系數。

預先根據試軋實測溫度，利用長距離輻射溫降模型（2）改變長距離運輸速度，使得精軋入口實際溫度符合理論溫度，便于精軋機組中熱對流散熱系數的修正。

對試軋后得到的軋件溫度進行預處理，去除波動值較大的點。在進行異常值剔除時，需要設定閾值作為兩種準則的選擇依據，這個參數通常根據經驗確定。當數據數目小于閾值時，采用改進的格拉布斯準則；當數據數目大于閾值時,采用拉依達準則[4]。

通過精軋機組連軋理論模型的變式（3）修正熱對流散熱系數。為保證理論模型適應現場，利用指數平滑法（4）對流熱交換系數再次修正。

此方法除可用于不同規格或不同鋼種的軋制上，也可減少同一鋼種模型在環境下的平均性質。如此往復，不斷地實時修正熱對流交換系數[5]，使得機理模型對現場各種影響因素定性規律反應的正確程度大大提高。

1.2 熱連軋機組現場配置的調控

通過調控現場配置達到目標熱對流交換系數，采用調節速度和調節機架間冷卻水相結合的方式[6]。機架間冷卻水調節用于本道次反饋調節，速度調節用于下一道次前饋模型的修正（5）。

精軋機組速度修正模型：

1.3 終軋溫度控制（見圖2）

圖2 終軋溫度控制

1）對終軋入口溫度進行判斷，反饋調節長距離運輸速度，保證精軋機組連軋模型的熱對流散熱系數精度。

2）對終軋出口溫度進行分析，得到實際熱對流散熱系數，反饋調節本道次的機架間冷卻水和下一道次的設定速度。

2 卷曲溫度控制模型

提高卷曲溫度控制精度是確保帶鋼質量和板型的關鍵。熱軋帶鋼的軋后冷卻是一非常復雜的過程,此過程除了存在復雜的熱交換過程,還涉及鋼的相變和體積變化[7]。在層流冷卻過程中，除了要保證板帶鋼整體的冷卻溫度和冷速，還要求板帶鋼在長度方向上各點的溫度在誤差范圍內。所以我們通過建立溫度模型（6）～（10），保證目標帶鋼的金相符合要求。對板帶鋼卷曲溫度采用沿長度方向逐點控制的策略，來保證板形、殘余應力[8]在可控范圍內。根據目標帶鋼設計層流冷卻控制模式，主要以預設定和反饋修正調節冷卻水段數目，使其達到卷曲目標溫度，將一集管的層流冷卻水與側噴水設為一組。

卷曲溫度控制模型：

2.1 層流冷卻模式的預設定和反饋控制

對于厚度在1.7 mm 以上或有急冷要求的鋼種進行前段冷卻，1.7 mm 以下的鋼種進行后段冷卻。根據目標卷曲溫度和層流冷卻全段運輸中的輻射溫降得到需要的冷卻量。通過層流冷卻水與側噴水集管溫降的累計獲得所需要開的集管數目。對比帶鋼頭部實測溫度與目標溫度，逐段調節最后幾小段冷卻水段數目。直至實測溫度在其誤差范圍之內，帶鋼進入卷取機。

2.2 層流冷卻段的現場配置調控

層流冷卻中帶鋼質量的檢測與控制[9]，采用逐點檢測，由于層流冷卻時運輸軌道上環境因素較為復雜，在前部、中部、后部放置測溫儀與測寬儀，并計算其平均值，用來粗略的判斷冷卻速度與板型質量[10]。

采用大冷速使晶粒細化，超快速冷卻能力實現各強化機制的聯合作用，實現“以水代金”[11]，冷速的提高由運輸速度與噴水量相配合達成，其中噴水量將大幅增加。

2.3 卷曲溫度控制（見下頁圖3）

圖3 卷曲溫度控制

1）對產品的目標厚度和目標鋼種進行判別，確定層流冷卻模式。

2）對層流冷卻后的帶鋼頭部溫度進行判斷，確定帶鋼全長的反饋控制噴水集管方案。

3 結論

1）在精軋機組連軋溫度控制模型中引入設定的模型系數短期在線自學習功能，解決模型在環境上的平均性質，提高肌理模型對現場各種影響因素定性規律反應的正確程度。

2）精軋機組中采用反饋調節速度和機架間噴水量。

3）在層流冷卻控制模型中引入冷卻速度控制功能，不僅僅滿足對終點溫度的要求，還滿足帶鋼產品質量的要求。

4）以帶鋼沿長度方向逐點施行控制，使帶鋼溫度滿足在長度方向上分布規律的要求。