层流冷却模型在1580热轧生产线的应用

石晓磊+张勇

摘 要：层流温度控制关系到热轧带钢性能，特别是热轧卷尾部温度。热轧带钢层流冷却过程具有强非线性、工况条件变化剧烈、难以采用精确数学模型进行过程描述的复杂工业特性，这些特性决定了需要新的控制技术，以保证带钢最终质量。

關键词：热轧；冷却控制；层流冷却

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

1 热轧层流冷却简介

层流位于精轧和卷取之间，通过水幕将从精轧轧出的带钢按照工艺要求降低到卷取卷钢之前需要的温度。层流降温的目的：一是降低带钢的温度，避免带钢温度过高损坏卷取机；二是带钢在降温的过程中，带钢本身的性能有本质的提高。因为能提升带钢的性能，所以层流是热轧带钢生产过程中一个不可缺少的重要组成部分。

层流工艺设备主要由5个高位层流水箱、720个集管、216个二位三通截止式单电控阀总成。

从图1可以看见层流高位水箱，层流上集管。而层流下集管在辊道下面，从照片中看不到。层流高位水箱有5个，其中的水源来自层流泵站，水循环利用。层流集管分为15组，每组由上下两排，每排有12个集管，每个集管有若干的水嘴组成。

层流每组集管宽度4.18米，相邻两组集管中心距离5.32米。前12组为标准段，每组12个集管，由6个二位三通截止式单电控阀控制；后3组为精冷段，每组12个集管，由12个二位三通截止式单电控阀控制。电磁阀的通断电由PLC计算得出结果，传输的R柜（I/O柜）执行。

2 层流控制功能和层流控制模型

层流从控制的角度看：层流前12组集管为粗调段，层流13组集管为精调段，层流14组和15组集管为反馈段。根据不同的规格型号带钢，层流要求的目标值温度是不同的。这里就设计到层流参数的设定，层流参数设定是由二级传输到一级PLC的。具体来说就是一级与二级之间通过内存映像网，在协议公开的地址上各自写规定的参数，对方如果需要，分别到相应地址读取所需的参数。

如图5所示，下面按照带钢通过的时序来简介层流控制：

带钢通过精轧F2时，基本参数由二级读取。完全根据二级的参数进行阀初始状态设定是层流控制的第一步。根据预测带钢的精轧出口温度及卷取目标温度，带钢冷却系统开关冷却水集管阀数量的预设定计算。预设定计算同时还完成了一级动态设定计算和反馈控制计算所需参数的设定。计算在二级完成，结果传输到一级，并在带钢通过之前输出。

当带钢通过精轧尾部高温计（FDT）进入位于输出辊道上下方的层流冷却系统时，动态设定开始执行。对每一个控制点的初始设定进行修正计算。这是对卷取温度的前馈控制动态设定根据精轧出口温度及带钢速度的预测值与实际值之间的偏差对初始设定的结果进行修正。带钢控制点的长度与每一冷却水段的长度是相同的。每当热轧带钢经过一个冷却水段的长度，即控制脉冲的长度，动态设定就对预设定进行一次修正，对实际开关的冷却水段进行调整。

当带钢处在层流14组和层流15组时，进行反馈控制。反馈控制是根据卷取机入口高温计的实测值调节冷却喷水量来修正温度偏差，即当每一脉冲控制长度带钢到达卷取机入口温度计（CT）处时，实际测量该脉冲CT值，根据实际CT值与目标卷取温度的偏差，调整反馈控制区即精冷段的集管阀门开闭阵列。在反馈控制中，由于实测样品段和反馈控制样品段的“时滞性冶较大，反馈控制并不能作用于当前段（实测样品段），而只能作用于后面的段（反馈控制样品段），因此反馈控制作用是非因果性的。

下面介绍模型控制部分：

首先，层流水冷量模型的确定，公式如下：

公式（1）：

公式（1）中，、、由一级程序计算得出，由二级直接设定。

公式（2）：

公式（2）简称空气冷却模型，计算假设带钢只通过空气冷却到达CT时的温度。如果要计算出公式（1）中的，还需要计算、，在计算过程中需要知道冷却水段冷却量。下面研究计算、的方法。

公式（3）：

这是层流水冷却模型，这里的难点在于计算和，这涉及到层流的速度预测，这里不做详细介绍。通过公式（1）至公式（3）可以计算出层流前13组一共需要的水冷却量，通过公式（3）可以计算出每组水冷量。有了层流冷却控制的关键两个数，可以按照层流集管控制的优先级依次开水阀，具体计算公式如下：

公式（4）：

计算满足公式（4）的i，即为从优先级为1的集管组开到优先级为i的集管组。

层流的基本控制方式如上，有了层流冷却量模型、层流水冷模型、空气冷却模型这3个基本模型。层流优化调整成为可能。

3 结束语

层流温度控制是一个复杂的控制过程，难以用精确的数学公式进行描述，提供层流温度控制精度很大程度上是在现场实际生产中，进行现场环境的分析，找到影响层流带钢精度的因素，加以数学上的公式模型进行补漏。提高层流控制精度，能够提高成材率，降低生产成本。并且为开发新品种提供技术的可能。

参考文献：

[1]杨旭.济钢热轧厂层流冷却系统的改进[J].冶金电气，2004（4月上）：77-79.

[2]戴鹏，周正军，夏孔超. 热轧层流冷却控制中的反馈速度优化[J]. 武钢技术，2014（06）：55-57.