中厚板机架间冷却应用研究

王发仓，熊 磊，柴星池

（1.南京钢铁股份有限公司，江苏南京 210035；2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，辽宁沈阳 110819）

0 引言

中厚板控轧控冷钢板生产过程中,中间坯待温一直是制约轧制效率提升的一个难点［1-2］。而传统轧制过程，变形难以渗透到轧件芯部，微细孔隙、枝晶偏析等缺陷难以消除，内部组织粗大，厚向性能均匀性差［3-4］。通过机架间冷却可以有效提高中间坯待温效率，从而提高整体轧制效率。同时在轧制厚板及特厚板的生产过程中，在粗轧及精轧阶段插入道次间冷却，促使变形渗透到轧件芯部，增大内部金属塑性变形程度，提高芯部质量[5-8]。国内某中厚板厂为了推动产业结构调整和优化升级，扩大产品品种规格，缩短待温时间，提高生产效率，增设了道次间冷却设备。本文基于道次间冷却系统，对自动化控制系统的模型、工艺及应用效果进行了分析研究，对工业生产有重要指导意义。

1 机架间冷却控制系统

机架间冷却设备由喷水冷却系统及吹扫系统组成，完成钢板的冷却和残留水吹扫功能。设备本体由固定框架、12组上下冷却集管、各类阀台、4套水吹装置、浊水过滤器、电气控制柜、操作屏、两套高温计、框架自水冷装置、各类压力流量检测元件等组成。冷却装置分为机前冷却区及机后冷却区两部分，设备布置如图1所示。冷却装置根据工艺需求，可实现厚度为50～300 mm，宽度为1 800～4 500 mm钢板的中间坯待温及温控形变工艺等功能。

1.1 通讯时序

冷却控制系统由基础自动化与过程自动化共同组成，完成冷却规程的计算及执行。冷却控制系统主要与轧机L2系统及MES系统进行通信，获得钢板PDI及轧制过程信息，同时将冷却规程及结果及时发送出去。图2为整个通讯时序，完成粗轧的道次间冷却、中间冷却及精轧的道次间冷却。

1.2 过程跟踪控制

过程跟踪采用以一级微跟踪为主导、二级宏跟踪为辅助的跟踪模式，即一级微跟踪实时地发送多块钢板的位置信息和现场实时数据（高温计、冷热检、水温、水压、设定规程等），二级根据钢板微跟踪位置结合高温计和冷热检信号进行宏跟踪，触发时序机制，进行相应的计算和数据处理。

1.3 待温开水策略

冷却阶段模型实时读取钢板的位置信息，进行开关水逻辑判断。当跟踪队列钢板数量为一时，判断是否多坯轧制，如果是多坯轧制，默认机后开水，而如果是单坯轧制时，根据轧制道次的奇偶性在机前或机后进行冷却。冷却时如奇数次穿水，直接用钢板尾部位置跟踪进行关水。如偶数次穿水，通过冷却计数进行关水。

图1 道次间冷却设备布置

图2 通讯时序

当跟踪队列钢板数量为二时，第一块待冷钢板在粗轧结束后到机后进行冷却，之后空冷待温。第二块钢板根据轧制道次的奇偶性到机前或机后进行水冷。

当跟踪队列钢板数量大于二时（三坯或四坯轧制）时，基本策略与两块钢板冷却一样，只是第将二，三或二，三，四块钢板组成小火车，始终使用第二块的钢板头部位置及最新一块的钢板尾部位置作为火车的头和尾进行位置跟踪判断开关水。

1.4 自学习模型-VSG变比例空间多维网格模型

中间冷却及道次间冷却的温度精度主要通过自学习系统进行保障，所以自学习系统是整个控制模型的核心。自学习模型将影响冷却效率（等效成换热系数）的各工艺参数看作是空间模型的各个维度，各参数对换热系数的等价作用程度作为各自维度不同的坐标步长。已知待冷却的工艺参数时，即可在空间中找到对应点。当形成大数据规模时，通过各维度的坐标将空间划分成多个子网格空间，将子网格空间类的点簇聚类成一质点，利用各质点和目标点的空间欧式距离关系，通过反距离加权法即可求得目标值。VSG（Variable Scale Grid）模型科学的建模方式避免了层别跃迁的缺陷以及等比例空间度量的偏差，保证精度的同时，也大大降低了计算成本。

图3 自学习模型-VSG变比例空间多维网格模型原理

2 中间冷却应用效果

2.1 单坯控轧

图4为60 mm的X56Mo由950℃冷到870℃的温度历史曲线，原空冷待温时间为170 s。当采用辊道速度1 m/s的两道次中间冷却后，实际水冷时间为6.4 s，空冷时间为54.1 s，共60.5 s。轧制效率提升29.7%（轧制时间按200 s计算）。

图4 60 mm X56Mo冷却温度历史曲线

图5为55 mm的AH36由960℃冷到890℃的温度历史曲线，原空冷待温时间为130 s。当采用辊道速度1 m/s的两道次中间冷却后，实际水冷时间为6.4 s，空冷时间为51.4 s，共57.8 s。轧制效率提升21.2%（轧制时间按200 s计算）。

图5 55 mm AH36冷却温度历史曲线

2.2 双坯控轧

图6为75 mm的X56Mo由980℃冷到850℃的温度历史曲线，原空冷待温时间为330 s。当采用辊道速度1 m/s的两道次中间冷却后，实际水冷时间为6.4 s，空冷时间为200 s，共206.4 s。轧制效率提升23.4%（轧制时间按200 s计算）。

2.3 多坯控轧

图7为160 mm的Q345R由1 000℃冷到830℃的温度历史曲线，原空冷待温时间为800 s。当采用辊道速度1 m/s的两道次中间冷却后，实际水冷时间为6.4 s，空冷时间为688.8 s，共695.2 s。轧制效率提升11.5%（轧制时间按200 s计算）。

图6 75 mm X56Mo冷却温度历史曲线

图7 160 mm Q345R冷却温度历史曲线

3 结语

（1）文章分析了机架间冷却控制系统的通讯布置控制时序，过程跟踪控制及自学习模型，并结合实际生产工艺确定了单坯、双坯及多坯中间冷却策略。

（2）通过比较机架间冷却投入前后的待温时间，分析得出采用机架间冷却工艺可有效减少待温时间，生产效率较完全空冷待温提高11%以上。