层流冷却工艺在鞍钢1580 mm机组的应用

张吉富 ，杨玉 ，何士国 ，黄士博 ，王杰

（1.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口115007；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

鞍钢1580 mm机组的层流冷却控制系统在设计之初充分借鉴了鞍钢已经投产的1700 mm、1780 mm、2150 mm三条热轧生产线层流冷却机组在实际运行中的优点与不足，设计采用15组集管冷却，结合1580 mm机组品种结构复杂的产线特点，品种组别分类增加到60组，优化了冷却模式。为提高模型控制精度，对厚度及目标卷取温度组别分类进行细化，并将实际水温引入水冷计算模型，与原1780 mm生产线设计相对比，1580 mm生产线在层流冷却工艺 （包括层流冷却控制设备和层流冷却控制模型）方面进行了改进优化，本文对此加以介绍。

1 层流冷却控制设备的组成

1580 mm层流冷却控制设备主要由主冷粗调集管组、精冷集管组、侧喷、高位水箱、入出口高温计、控制阀、供水系统组成。1580 mm机组层流冷却设备布置简图见图1。前12组集管组用于前馈粗调控制使用，每组上下各6支集管，第13组集管用于前馈精调控制使用，每组上下各12支集管， 第14、15组用于反馈控制，每组上下各12支集管。

图1 1580 mm机组层流冷却设备布置简图

2 层流冷却控制设备的改进优化

2.1 高温计位置优化

调整了精轧后高温计以及卷取前高温计的位置，缩短了层流集管组与组之间的距离，在2#和5#水箱内加装了水温计。

精轧后高温计位置向精轧方向移动3 m，一方面缩短精轧FDT（终轧温度）反馈距离，有助于提高FDT控制精度，另一方面有效解决低速轧制时第一组层流集管冷却水从钢板表面反向流到高温计位置，造成FDT检测异常，进而影响FDT及CT（卷取温度）控制的问题；卷取前高温计位置向精轧方向移动3.5 m，缩短CT反馈距离，提高了CT控制精度，同时降低CT反馈控制时震荡超调的比例。

2.2 集管组位置优化

层流集管组与组之间的距离缩短了0.3 m，一方面提高了层流的冷却速度，另一方面缩短了高温水汽混合状态下的带钢表面在空气中暴露的时间，减少带钢表面氧化膜厚度并减轻晶界氧化程度，有效提高高端产品的表面质量。

2.3 侧喷头高度与角度调整

为吹扫掉板面上喷积水，1580 mm机组在每个层流集管组入口及出口均配置侧喷，侧喷头由3个喷嘴组成，原1780 mm生产线侧喷头设计位置高于辊道侧护板，喷射面可以覆盖全板面，开工初期，吹扫效果满足控制要求，随着产线薄规格品种比例的增加，精轧卷取卡钢事故增多，层流辊道频繁堆钢，时常剐碰喷嘴，改变了喷嘴角度，甚至撞掉喷嘴，造成侧喷吹扫效果不良，板面带水。严重时造成卷取温度检测偏低，影响层流反馈控制及自学习功能，产生不合格品。

为此，降低了1580 mm机组的侧喷头高度，将辊道侧护板切开一道斜缝，使喷嘴隐藏在辊道侧护板外侧。水平方向，三个喷嘴喷射方向与侧护板成85～102°夹角，垂直方向，三个喷嘴喷射扇形面分别覆盖辊面近端、中心及远端。彻底解决剐碰喷嘴的问题，提高了吹扫效果。

3 层流冷却控制模型的改进优化

3.1 引入实际水温参与模型设定计算

原1780 mm生产线设计的层流系统没有实际水温检测装置，层流控制模型忽略了实际水温的变化，采用理论假设水温，每月固定一个理论温度数值，分钢种、厚度规格解析水温的影响参数。

由于现场实际水温受环境温度、轧制节奏、冷却风机的启停状态变化影响较大，每天波动范围最大可达12℃，四季波动范围5～45℃。受硬件设备的能力限制，水循环系统的冷却水量仅为总水量的30%。轧制节奏快时，水温随之升高，即使冬季也可高达40℃；停轧时，系统内水温逐渐降低，最低可达到5℃左右。在水温大幅度变化的条件下，原1780 mm生产线数学模型采用理论水温数值解析出的水温影响系数作为计算水冷能力的一个参数，在模型设定计算时存在较大偏差。

新设计在2#和5#水箱内加装了水温计，F2（2#精轧机）咬钢时，将水温数据输入到二级模型中，用于层流模型计算设定和模型维护人员监控。统计全年2#和5#水箱温度，最高温差为2℃，数据稳定准确。引入实际水温参与模型控制，有效解决长时间停轧后，开轧第一卷带钢卷取温度控制偏低的问题，改善了同层别通钢周期跨越时间长时，卷取温度命中低的控制缺陷。

3.2 细化目标卷取温度层别

预设定模型中，通常根据系统划分的层别确定计算热流密度的参数，受原1780 mm生产线线性解析模型以及品种规格的限制，不能充分考虑高CT目标及低CT目标的影响。当目标卷取温度变化较大时，传热过程发生了较大变化，同一套参数不能满足冷却的要求。这些参数多是通过多元线性回归得到的，但实际回归时并不能保证某种钢种、某种厚度下其目标卷取温度是否服从等区间分布。因此，要根据目标卷取温度的特点，在层别上加以区分，细化目标卷取温度层别。

如表1所示，统计35.7万条连续生产的实际数据，550℃、580℃、610℃及640℃等13组目标卷取温度的产品数量之和占产品总量的97.23%，其中640℃占26.82%，其他卷取温度目标值占2.77%。

表1 1580 mm机组不同CT目标值的产品比例

原1780 mm生产线系统的层流控制模型共划分成8个目标卷取温度层别，570～600℃是其中的1个层别，从实际产品的CT目标值分析，580℃、590℃和600℃卷取温度目标值占比大于20%，将他们划分到同一层别，同一套控制参数既要能控制580℃又要能控制到600℃，而且频繁切换，只能靠学习参数的频繁调整来满足控制要求，降低了卷取温度控制精度。

随着生产数据的不断累积，新设计细化了目标卷取温度层别，并将层别数量扩展至10个，表2为1580 mm机组卷取温度层别划分表，该表从根源上减少了学习参数的波动，进而提高了卷取温度控制精度。

表2 1580 mm机组卷取温度层别划分表

3.3 细化钢种与厚度层别

影响卷取温度的因素多而复杂，主要包括带钢的材质、厚度、速度、冷却水（水量、水压、水温、及水流运动形态）、终轧温度、带钢导热方式（传导、对流、辐射）的条件及层流冷却装置的设备状况等。这些因素大都机理复杂，其中有一些因素还具有很强的时变性。因此，在线控制模型很难对这些影响因素全部进行计算，并给出精确的数学描述［1］。

1580 mm机组层流采用的控制模型是基于斯蒂芬-波尔茨曼定律的空冷模型以及傅立叶定律的水冷模型和侧喷模型。对该模型计算结果影响最突出的变量有带钢终轧温度、卷取温度、厚度、宽度、带钢速度等。由于带钢厚度不同，即使同一钢种材质，其终轧温度、卷取温度、带钢速度也存在较大差异，尤其是带钢终轧温度与带钢速度，不能完全靠回归的影响系数修正模型计算结果。在大生产状态下，回归边界条件不稳定，回归的影响系数与实际值差异较大，而模型层别数据分类未考虑终轧温度与带钢速度，只能靠调整模型学习系数进行修正，降低了模型控制精度。

基于上述考虑，在优化厚度层别的同时，将同一厚度、终轧温度与带钢速度差异较大的钢种划分为单独钢种层别。原1780 mm生产线设计按照碳当量划分成10组钢种层别，新设计在保留原1780 mm生产线设计的基础上，品种层别分类增加到60组。

3.4 优化冷却模式

常规标准冷却模式分为前段急冷、后段急冷和缓冷三种模式，图2为三种常规标准冷却模式冷却示意图。一般来讲，对厚带钢采用前段急冷的方式；对薄带钢采用后段急冷的方式；而对一些特殊钢可采取缓冷的方式。

三种模式与原1780 mm生产线模型一样，而新设计增加了微调的接口。以缓冷模式为例，对与一些温度特别敏感的高碳高合金钢，通过微调接口，优化集管组的优先级模式，可以使冷却速度进一步降低。达到优化产品组织性能及板形的目的。

图2 三种常规标准冷却模式冷却示意图

4 应用效果

（1）高温计位置优化后，CT反馈控制效率提高，闭环控制的时间缩短了14.6%。

（2）侧喷头高度降低，角度优化后，侧喷嘴故障次数从每月平均3次降低至0。

（3）引入实际水温参与模型控制后，因水温波动大造成卷取温度超差性能不合格钢卷数量从每年平均12卷降低至0。

采取上述改进措施后，卷取温度精度指标比原系统提高了3%以上。以厚度小于4.0 mm的SPHC为例，卷取温度±20℃的命中率达到97.5%。

5 结语

层流冷却是控制带钢性能指标的关键工序。鞍钢自主研发的1580 mm热轧带钢层流冷却控制系统在原有1780 mm生产线设备、控制功能的基础上，从设计上优化了集管组、检测仪表的位置，调整了侧喷头高度与角度，引入实际水温输入条件，结合1580 mm机组产品实际，细化钢种、厚度、卷取温度层别，系统控制能力大幅提升，卷取温度精度指标比原系统提高了3%以上，以厚度小于4.0 mm，CT目标值范围在600～680℃的代表品种SPHC为例，卷取温度在±20℃的命中率为97.5%。，达到了行业先进水平，满足复杂的品种冷却工艺需求。