中厚板中間水冷技術優化及應用

翟世寬 宋寅虎 邱志宏 荀利濤 馮韋

摘要：某公司3 500 mm中厚板生產線全年軋制的鋼板37%以上為控溫鋼板，傳統控溫方式為軋制到控溫道次進入控溫區域空冷等待，中間坯平均控溫時間較長，嚴重制約了產量提升。故基于主軋機前后兩臺中間水冷設備，研究分析中間水冷自動化系統的結構及控制過程，通過控溫程序完善、二級模型和軋制工藝優化，縮短了軋制控溫鋼板的控溫時間，有效提高了軋制效率。

關鍵詞：中厚板；控溫時間；中間坯；中間水冷；優化

中圖分類號：TG334.9? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.022

0? ? 引言

中厚板生產過程中控制軋制和控制冷卻工藝被廣泛應用[1-2]，傳統的控制軋制工藝利用中間坯空冷控溫，控溫鋼板在控溫區長時間擺動，輥道及蓋板長時間受到了高溫烘烤，可能會造成輥道軸承抱死，導致設備停機，還嚴重影響了軋制效率提升。因此，提高中間坯冷卻效率，縮短控溫時間對軋制小時塊數的提高以及產線產能的提升都具有極大的意義[3-4]。

某鋼廠3 500 mm中厚板產線主軋機為四輥可逆式，單軋單控時根據工藝要求選擇機前或者機后控溫，交叉軋制時第一塊鋼板在機后進行控溫，待第二塊鋼板軋制控溫階段進入機前控溫時，繼續軋制第一塊鋼板。為縮短中間坯的控溫時間，實現中間坯的快速降溫，國內很多中厚板廠都在軋制區域布置了中間水冷裝置[5-7]。某3 500 mm中厚板產線中間坯水冷裝置于2022年7月上線，然而設計之初，在主軋機后設置了一臺中間水冷裝置，只允許鋼板向機后控溫區運行時投入使用，未與軋機主控制系統整合優化，在軋制不同種類、規格的鋼板時，各項冷卻參數達不到要求，出現了局部過冷、未水冷以及中間坯不勻速通過中間水冷裝置等問題。此外，中間水冷還需人工判斷開軋溫度以手動開關中間水冷集管實現冷卻過程，存在能源浪費。因此，歷史中間冷卻鋼種數據以及規程還需要進一步完善。

本文通過對影響軋制控溫鋼板控溫時間的各因素進行分析，通過控溫程序、二級模型、中間水冷裝置以及軋制工藝優化，提升溫降速率，縮短軋制控溫鋼板的控溫時間，加快軋制節奏。

1? ? 中間水冷裝置參數

中間水冷裝置主要技術參數如表1所示，中間水冷裝置共四組集管，每組集管均包括上下兩組噴嘴，其主要設備組成為：固定衍架、連接管路、冷卻集管、水量調控裝置、現場壓力流量儀表、過濾器等。

基于中厚板廠中間水冷布局位置，2023年2月又在主軋機前安裝了一臺中間水冷裝置，水系統管路由機后中間水冷裝置管路引到機前位置，主軋機前后各布置一臺中間水冷裝置，實現不同模式軋制控溫鋼板的快速冷卻。中間水冷流程如圖1所示。

2? ? 中間水冷裝置自動化控制過程

2.1? ? 自動化控制系統結構

中間水冷裝置控制系統結構如圖2所示，由一級基礎自動化與二級過程自動化系統共同組成，一級基礎自動化系統由PLC、工程師站及控制器等組成，負責閥門/冷卻水流量控制、冷卻水流量顯示、中間水冷輥道速度/位置/溫度以及數據采集等功能；二級過程自動化系統主要包括計算機終端和服務器等，負責控溫命令的下發和自學習等功能。中間水冷控制系統主要與軋線L2系統及生產計劃PES系統進行通信，獲得鋼板PDI（Primary Data Input）數據及軋機二級傳過來的軋制過程信息。基礎自動化控制系統經過優化整合，控制核心采用西門子TDC（Technology and Driver Controller）系統，通過PROFIBUS-DP與壓下稀油ET200M從站（控制機前中間水冷設備）及ACC層流ET200M從站（控制機后中間水冷設備）通信，保證現場設備按設定指令正常執行。

2.2? ? 自動化控制過程

圖3所示為中間水冷過程控制系統圖，中間水冷裝置的開啟與關閉分為自動和手動兩種模式，自動模式下開關水邏輯判斷策略由二級系統直接下發，一級系統直接執行，考慮軋制品種鋼或者水冷裝置異常，保留了中間水冷裝置手動控制功能。

在軋制規程預計算時，模型接收到板坯的數據后啟動預計算，計算道次數、是否控溫、中間坯厚度等，在成型與粗軋階段完成后，軋制中間坯厚度、溫度和規格等PDI數據發送給中間水冷模型。鋼板進入控溫輥道冷卻區前，根據發送的中間坯厚度及實測溫度等信息進行中間水冷模型計算。中間坯進入冷卻區后，根據模型計算的冷卻規程中的中間坯厚度、溫度、水溫和水壓等對冷卻區上下集管水量及比例、冷卻輥道速度進行調整，并根據中間水冷系統發送的溫降數據對鋼板溫度修正進行自學習，確保中間坯上、下表面均勻冷卻。

TDC與上位機WinCC服務器通信，中間水冷裝置通過操作員在軋機WinCC畫面進行冷卻水流量、中間水冷輥道速度等調節。手動控制開啟方式分為兩種模式，一級界面操作和手動按鈕操作均可實現遠程控制對鋼板進行水冷降溫，根據中間坯的鋼種、厚度、鋼板控溫后的開軋溫度以及由此鋼種決定的工藝要求作出決策和控制中間水冷裝置開啟時機、關閉時機，避免局部過冷、未水冷等情況。

3? ? 中間水冷優化及應用效果

3.1? ? 中間水冷裝置水量閥門開度優化

中間水冷裝置水量閥門在設計之初噴水量為定值，冷卻部分規格的鋼種不滿足工藝要求。如表2所示，設置調節水閥來調節水流量，可以控制水流量的大小，中間水冷閥門開口度為0%～100%，且上下集管保持同等開口度，保留手動調節各集管閥門流量功能。依托經驗規程和工藝要求完善二級模型，根據不同規格的中間坯厚度、溫度對冷卻區上下集管水量及比例進行調整，對于軋制厚度規格為14 mm的船板降溫效果顯著，前后對比冷卻降溫達6～7 ℃。

3.2? ? 中間水冷速度優化

憑借軋機機前待溫步序，增加邏輯控制功能。中間水冷增加了輥道速度調整功能，可根據中間水冷過程調整水冷輥道速度。手動模式下，當開啟中間水冷時，輥道速度降低至設定數值，當功能關閉后，輥道速度恢復自動模式。二級模型根據不同的鋼種規格進行輥道速度調節，可以調節輥道速度范圍為1～4 m/s，控溫板通過時實現速度匹配，冷卻范圍達到5～10 ℃，控溫時間減少16～32 s，結果如表3所示。

3.3? ? 中間水冷裝置開關控制實現

手動控制模式下增加對應的按鈕控制功能，“中間水冷”按鈕為主管道供水按鈕，點擊按鈕后，軋機前后中間水冷管路充滿水，同時操作界面開水顯示指示燈閃爍。

控溫階段鋼板需要冷卻時，如圖4所示，操作員將中間水冷轉換開關置于“機前”位置，此時軋機前開關閥打開，中間水冷上下集管出水；同樣軋機后鋼板需要冷卻時，操作員將中間水冷轉換開關置于“機后”位置，此時軋機后開關閥打開，中間水冷上下集管出水；將轉換開關置于“中間”位置則關閉水冷。通過設計按鈕、轉換開關形式，完善了手動控制模式下中間坯水冷控制過程。

3.4? ? 中間水冷投入量優化

部分單軋單控的鋼板嚴重影響了軋機作業效率，其主要耗時點是控溫時間過長，且控溫厚度越大，耗時越長，嚴重影響軋制節奏。優化二級模型，擴大部分鋼種規格投入中間水冷的使用量，對軋制規格厚度14.7/15.2/15.4 mm的船板、16.2 mm的低合金結構板使用中間水冷卻，有效提高了作業效率。此外，對部分單軋單控鋼板使用兩次中間冷卻提高作業效率，進入控溫階段及控溫結束將鋼板送入對中過程時各投入一次，每塊待溫時間減少15 s左右。

4? ? 結論

1）本文分析了中間水冷自動化控制系統結構及控制過程，中間水冷自動模式下開關水邏輯判斷策略由二級系統直接下發，并且保留了手動控制功能。

2）通過中間水冷優化，減少了中間坯控溫時間，生產效率較完全空冷有所提高。

3）總的來說，中厚板生產過程中采用中間水冷可以增加控溫過程的冷卻速率，提高軋制效率，提升控溫板機時產量。

[參考文獻]

[1] 矯志杰，何純玉，趙忠，等.中厚板軋制過程高精度智能化控制系統的研發進展與應用[J].軋鋼，2022，39（6）：52-59.

[2] 韓文，白冰，溫志強，等.新一代中厚板冷卻控制系統在萍鋼的應用[J].寬厚板，2023，29（1）：40-44.

[3] 高德平，武志強.單機架軋機中間坯冷卻系統的研究及應用[J].全文版：工程技術，2016（6）：296-297.

[4] 王發倉，熊磊，柴星池.中厚板機架間冷卻應用研究[J].江蘇科技信息，2020，37（4）：59-62.

[5] 李波，劉道明，王鑫，等.重慶鋼鐵中厚板廠中間坯冷卻裝置自動控制系統介紹[J].重慶鋼鐵裝備與工藝技術，2020，62（1）：20-22.

[6] 陳開雙.寬厚板軋機中間水冷工藝的實踐應用[J].冶金信息導刊，2021，58（4）：57-60.

[7] 何天仁.中厚板中間冷卻工藝的研究及應用[J].鋼鐵，2013，48（12）：57-62.

收稿日期：2024-04-07

作者簡介：翟世寬（1979—），男，河北秦皇島人，工程碩士，高級工程師，研究方向：電氣自動化。