轧钢层流冷却系统的优化及应用

许海涛，张明华，房绪金，李 举

（山东泰山钢铁集团有限公司，山东济南271110）

1 前 言

卷取温度对带钢的金相组织影响很大，其控制精度直接影响到带钢的性能，为了达到成品带钢的性能要求，必须对卷取温度进行控制。卷取温度控制本质上是热轧带钢生产中的轧后控制冷却。轧后控制冷却影响产品质量的主要因素有：冷却开始和终了温度、冷却速度以及冷却的均匀程度，这就需要进行相应的模型计算来控制成品带钢的卷取温度。

层流冷却装置分布于精轧机架之后，卷取机之前的输出辊道上下方，根据冷却集管水量的大小分为主冷区域和微调区域。主冷区域集管的水量大，冷却能力强，带钢冷却主要集中在主冷区域，微调区域水量较小，冷却能力较弱，主要用于控制卷取温度的精度。同时在冷却区域设有侧喷，用于除去带钢表面的积水。在精轧F3 出口装有IMS 多功能仪，用于测量终轧带钢厚度。精轧出口、层冷中部、层冷出口及卷取机前分别设有高温计，实时测量带钢温度，用于层冷模型的计算与反馈。

2 层冷的控制思想及系统应用

2.1 层冷的控制思想

确定一个临界表面温度，在该温度以上采取密集喷水，使其快速冷却达到临界值，然后采取稀疏喷水方式使带钢内外热交换，达到均匀冷却。最后再根据实测的带钢温度，进行精调冷却，使其达到卷取温度的允许公差范围以内。

2.2 层流冷却区系统实现方式

热轧不锈钢厂层流冷却系统由L2与L1系统共同完成层冷任务，L2系统主要完成预设定计算、动态的设定计算、反馈控制和自适应控制。L1系统主要完成带钢的段跟踪、喷头的动态控制和实际数据的收集并传送给L2系统。

层流冷却系统肩负着精轧最后机架和卷取机之间冷却带钢温度的任务。冷却区域过程模型在输出辊道处计算带钢的冷却特性，是整个冷却区域设定计算和温度控制的核心。它通过收集生产计划数据（钢种、规格等）及现场实测数据（速度、温度、厚度等），并根据水冷和空冷区域的传热系数进行热平衡计算，从而确定冷却方案，设定开阀数来调节卷取温度。通过对整个层流冷却控制系统进行分析，可将层流控制系统分为预设定模型、前馈-补偿控制器、出入口温度跟踪模型、辊道控制参数模型、模型参数自适应及冷却水集管阀门控制等几个部分。层流冷却控制系统结构，见图1。

图1 层流冷却系统控制结构

2.2 .1 模型的设定计算

卷取温度控制功能在精轧最后一个道次轧制时启动，此时模型预选保证冷却速率所需的最佳水量。带钢头部到达卷取入口温度计时，控制器识别当前带钢的温度和带钢速度，并再计算为满足目标卷取温度所需的上下喷头数量。对于每一块需要冷却的带钢，重复上述计算。

设定过程是一个重复的过程。在精轧出口高温计位置开始设定过程的计算。然后计算有限元网络每个节点的温度。最后计算卷取位置的温度和比较卷取高温计的客户参考温度。计算温度和参考温度之间的差异被转换为水量的变化。

当具有相同类等级的钢最后一次被卷取完成，它存储涉及钢带类等级和测得的水量。当一个类等级的钢带首次卷取完成时，设定点水量近似的与带钢厚度、速度、带钢参考温度相关。任何情况下，第一次循环执行时，它只是设定点的水量。水量在冷却线上的分布，取决于所选择的冷却策略（先冷，后冷），分配的结果是根据喷嘴的安装位置和控制模式，大小是通过参考精轧完成后钢带的温度而进行计算，并且依据实际系统数据计算冷却线上的冷却效率。只要计算的温度超出偏差值，温度误差就转换成水量的变化。水量的变化导致不同的喷嘴模式和重计算。层流冷却控制系统水量设定计算模型如图2所示。

图2 层流冷却控制系统水量设定计算模型示意图

2.2 .2 模型的反馈和自适应控制

本系统控制冷却原理采用前馈和反馈的组合控制方式，并以前馈控制为主。它根据生产计划数据及精轧出口温度进行计算，并设定开阀数量。当带钢头部到达卷取入口高温计时，通过实测温度进行反馈，将冷却后钢板的实际测量结果反馈到系统中去，进行实时控制和自适应。

适应模型的目的是最小化模型理论计算值与卷取高温计实际测量结果之间的差异。有2 种不同的适应值产生。长期自适应值作为基本的传热系数的相对修正，能最小化理论计算值和DC 高温计实测结果之间的差异。长期自适应的目的是最优化模型理论计算与实际结果之间的差异。稳定的环境是执行这种计算的必要条件，一般在带钢中间部分进行长期自适应。短期自适应值是对具有相同分类的下一块钢的温度绝对修正，用于补偿的效果与工厂实际情况有关。短期自适应的目的是最优化设定计算和捕捉DC高温计所导致的设定错误的影响；所以短期自适应在早期的带钢头部进行，并作为下一带钢的绝对修正。

3 结 语

带钢冷却具有变形强化和相变强化的综合作用，既能提高带钢的强度，又能改善带钢的韧性和塑性，还能有效减少带钢表面氧化铁皮的生成。层流冷却系统的投用，提高了不锈钢轧钢厂成品带钢的质量和性能，满足了用户对带钢质量的需求。