1780 mm熱連軋精軋溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李亞杰 徐斌 李艷芳 王新彥

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

1780 mm熱連軋精軋溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李亞杰 徐斌 李艷芳 王新彥

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

控制軋制和控制冷卻是現(xiàn)代化卷板材的主導(dǎo)生產(chǎn)工藝,用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的板卷產(chǎn)品。精軋終軋溫度冷卻控制系統(tǒng)的控制精度直接影響產(chǎn)品的性能,本文介紹了安鋼 1780 mm熱連軋精軋冷卻控制系統(tǒng)的構(gòu)成和基本參數(shù),及針對(duì)安鋼實(shí)際情況對(duì)終軋溫度模型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

終軋溫度 終軋溫度模型 全長(zhǎng)溫度控制

0 前言

根據(jù)鋼的內(nèi)部組織和性能要求,對(duì)不同的鋼種及規(guī)格有不同的軋制溫度范圍,其中最重要的是保證終軋溫度及卷取溫度。終軋溫度的高低,在很大程度上決定了軋后鋼材內(nèi)部的金相組織和力學(xué)性能。終軋溫度過(guò)低,鋼的內(nèi)部混合晶粒組織不均勻,力學(xué)性能變差;終軋溫度過(guò)高,使帶鋼表面產(chǎn)生氧化鐵皮多,影響成品帶鋼的表面質(zhì)量。將帶鋼終軋溫度控制在由鋼的內(nèi)部金相組織所確定的范圍內(nèi),是帶鋼質(zhì)量控制的關(guān)鍵之一。因此,1780 mm熱連軋精軋溫度控制系統(tǒng)的研究,對(duì)提高鋼卷產(chǎn)品終軋溫度的質(zhì)量指標(biāo),提高產(chǎn)品的性能有著重要的理論實(shí)踐意義。

1 概況

安鋼 1780 mm熱連軋工程設(shè)計(jì)年產(chǎn)熱軋鋼卷350萬(wàn) t,主體設(shè)備國(guó)內(nèi)制造商供貨,是我國(guó)投產(chǎn)的第一條主體設(shè)備國(guó)內(nèi)供貨的 1780 mm大型熱連軋生產(chǎn)線(xiàn)。自動(dòng)化系統(tǒng)采用自主集成的建設(shè)模式,傳動(dòng)、一二級(jí)、三級(jí)系統(tǒng)分包。安鋼熱連軋 2007年 6月 12日熱負(fù)荷試車(chē),當(dāng)年達(dá)產(chǎn)。精軋溫度控制作為熱連軋機(jī)組重要的工藝控制環(huán)節(jié),直接影響最終產(chǎn)品的性能。精軋溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)及儀表控制、以及自動(dòng)化控制、模型控制為一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)。

熱連軋生產(chǎn)線(xiàn)帶鋼的終軋溫度取決于加熱溫度、板坯的厚度、運(yùn)輸時(shí)間、壓下制度、軋制速度,以及冷卻水的流量與溫度等一系列因素。其中,板坯厚度、運(yùn)輸時(shí)間、壓下制度、冷卻水溫度以及速度制度 (如恒速軋制)等,在原料與成品帶鋼規(guī)格確定的條件下,是一些較穩(wěn)定的因素。鋼坯加熱溫度、機(jī)架間冷卻水的流量等,則可以作為對(duì)終軋溫度進(jìn)行控制的手段。但在實(shí)際生產(chǎn)中,用加熱溫度 (即板坯出爐溫度)來(lái)控制終軋溫度,對(duì)某些規(guī)格產(chǎn)品,存在熱能消耗加大、加熱爐能力降低及鋼坯過(guò)燒等不利因素。因此,充分利用機(jī)架間冷卻水來(lái)加強(qiáng)對(duì)終軋溫度的調(diào)控能力,是合理的控制方案。故精軋控溫控軋系統(tǒng)對(duì)終軋溫度控制具有顯著的效果。在實(shí)際軋制過(guò)程中,板坯出爐溫度一般應(yīng)控制在 1150℃～1200℃;精軋出口鋼板溫度一般應(yīng)控制在 800℃～950℃。

2 精軋控溫控軋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

精軋控溫控軋系統(tǒng)包括三部分組成:現(xiàn)場(chǎng)儀表控制系統(tǒng),一級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和模型控制系統(tǒng)。下面從幾個(gè)方面分別對(duì)上述三個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究和它們?cè)诎蹭?1780 mm熱連軋終軋溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.1 精軋控溫設(shè)備及功能

從工藝角度,精軋控溫設(shè)備分別承擔(dān)著不同的功能和作用,安鋼 1780 mm熱連軋精軋控溫設(shè)備簡(jiǎn)介如下:

1)F1-F7工作輥冷卻控制:向精軋各機(jī)架工作輥供送軋輥冷卻水,用于冷卻工作輥和軋制過(guò)程中的潤(rùn)滑,開(kāi)關(guān)控制、可調(diào)節(jié),對(duì)軋輥溫度、磨損、熱輥型和鋼帶熱穿帶的計(jì)算有影響。

2)F1-F7支撐輥冷卻控制:向精軋各機(jī)架支撐輥供送冷卻水,開(kāi)關(guān)控制、不調(diào)節(jié),對(duì)支撐輥溫度、磨損有影響。

3)F1-F6后機(jī)架間鋼板冷卻控制:精軋機(jī)架間鋼板冷卻,開(kāi)關(guān)控制、可調(diào)節(jié),用于帶鋼溫度的控制和防止帶鋼二次氧化,為工作輥供送軋輥冷卻水,用于冷卻工作輥和軋制過(guò)程中的潤(rùn)滑,可調(diào)節(jié),對(duì)軋輥溫度、磨損、熱輥型和鋼帶熱穿帶的計(jì)算有影響。

4)F1-F7前和 F7后的帶鋼縱向噴淋控制:該系統(tǒng)逆軋制方向噴水,利用噴出的高壓水清除帶鋼表面殘留的工作輥冷卻水、機(jī)架間冷卻水以及鋼板表面氧化鐵皮。

5)F7后橫向側(cè)噴冷卻控制:F7后設(shè)置兩個(gè)帶鋼橫向側(cè)噴,利用噴出的高壓水清除帶鋼表面殘留的工作輥冷卻水、機(jī)架間冷卻水以及鋼板表面氧化鐵皮,保證終軋溫度檢測(cè)的精度。

6)F1-F4前輥縫噴淋控制:帶鋼咬入后向輥縫噴冷卻水,主要防止工作輥雜質(zhì)剝落。

7)F1-F6后活套和導(dǎo)板冷卻控制:用于機(jī)架導(dǎo)板和活套的冷卻。

8)F5-F7后的煙塵抑制控制:高速軋制時(shí)產(chǎn)生大量煙塵,尤其在軋制薄規(guī)格和不銹鋼品種時(shí),該系統(tǒng)通過(guò)水幕抑制煙塵的產(chǎn)生。

9)精軋入口高溫計(jì)和精軋出口高溫計(jì):及時(shí)有效的反饋中間坯和 F7出口帶鋼的表面溫度情況。

10)電磁流量計(jì):測(cè)量水的流量,用于流量準(zhǔn)確控制。

11)調(diào)節(jié)閥:根據(jù)流量反饋進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

2.2 終軋一級(jí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

安鋼 1780 mm熱連軋一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)采用東芝V3000系列控制器,用于精軋一級(jí)控制的控制站15個(gè),分別實(shí)現(xiàn)速度主令、AGC等功能,現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程 I/O采用 DEV ICE-NET總線(xiàn)技術(shù),控制器之間通過(guò)TCNET網(wǎng)絡(luò)通訊,一級(jí)工程師站利用 ENtherNET網(wǎng)絡(luò)連接 PLC控制站,一級(jí)控制器與二級(jí)系統(tǒng)通過(guò)EGD網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。其中實(shí)現(xiàn)精軋冷卻水控制的控制站是 ROT_M站中 FMSPY控制器,該 S3控制器完成冷卻水的邏輯控制和水流量的閉環(huán)控制等功能。

2.3 終軋溫度控制模型

作為終軋溫度控制的核心系統(tǒng),終軋溫度控制的精度和指標(biāo)直接取決于模型系統(tǒng)的控制水平,下面從幾方面對(duì)精軋溫度控制模型進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

2.3.1 模型的基本功能

為了實(shí)現(xiàn)板帶通長(zhǎng)的溫度控制,完成精軋穿帶速度的設(shè)定計(jì)算和帶鋼全長(zhǎng)溫度控制,模型需要完成三項(xiàng)主要功能:數(shù)據(jù)的獲取、帶鋼頭部溫度設(shè)定的計(jì)算、帶鋼全長(zhǎng)溫度控制。

數(shù)據(jù)的獲取:作為模型計(jì)算和控制的基礎(chǔ),模型必須獲得足夠信息輸入,例如,板帶目標(biāo)數(shù)據(jù)、鋼坯PD I數(shù)據(jù)、中間坯數(shù)據(jù)、軋機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)、冷卻水設(shè)定數(shù)據(jù)、其他輸入數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)作為模型計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)非常重要,如冷卻水設(shè)定數(shù)據(jù)要能清楚表達(dá)冷卻水的人工設(shè)定,是否使用強(qiáng)冷水、是否使用機(jī)架間冷卻水、使用哪些機(jī)架間的冷卻水、機(jī)架間冷卻水的流量設(shè)定等信息。

頭部溫度設(shè)定的計(jì)算:精軋溫度控制模型主要功能之一就是根據(jù)工藝設(shè)置計(jì)算精軋的穿帶速度,當(dāng)然穿帶速度的設(shè)定計(jì)算要考慮到很多的因素,終軋目標(biāo)溫度設(shè)定、冷卻水的配置情況、來(lái)料的溫度、各機(jī)架的壓下量、通過(guò)精軋的時(shí)間等影響。模型根據(jù)實(shí)際工藝條件,利用各種數(shù)學(xué)模型對(duì)精軋的穿帶速度進(jìn)行設(shè)定計(jì)算,以期達(dá)到最佳的頭部溫度命中率。

帶鋼全長(zhǎng)溫度控制:由于帶鋼的頭部、中間和尾部在進(jìn)入軋機(jī)前等待的時(shí)間有差異,帶鋼溫度的散失尾部大于頭部,越到尾部溫降越大。為了保證板帶全長(zhǎng)溫度的一致性,1780采用了兩種處理方式,第一:加速度反饋控制,利用軋制溫升平衡帶鋼溫度的散失,終軋溫度及時(shí)反饋調(diào)節(jié);第二:加速度、冷卻水調(diào)節(jié)前饋和反饋控制,在這種控制方式下,精軋前帶鋼入口溫度實(shí)時(shí)采集作為前饋預(yù)估控制條件,機(jī)架間冷卻水調(diào)節(jié)追求最大軋制速度,終軋溫度反饋控制。

2.3.2 主要的數(shù)學(xué)模型

鋼板因?yàn)檩椛鋼p失的熱量,主要考慮其上下表面向周?chē)h(huán)境輻射引起的熱量損失,可以用如下方程來(lái)表示:

其中:εplece——鋼板輻射系數(shù),又稱(chēng)黑度 (ε﹤ 1);

Tsurround——周?chē)h(huán)境的絕對(duì)溫度;

Tsurf——鋼板的表面絕對(duì)溫度;

Fplece——鋼板的表面積;

σ——指斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù);

Δτ——散熱時(shí)間。

鋼板和冷卻水接觸造成的熱量損失是通過(guò)鋼板上下表面冷卻水的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱造成的,假設(shè)鋼板所有的熱量損失全部轉(zhuǎn)移到了冷卻水中,則損失的熱量可以由以下熱量對(duì)流方程計(jì)算:

其中:Tsurf——鋼板的溫度;

Tw——冷卻水的溫度;

Fplece——鋼板的表面積;

αH——強(qiáng)迫對(duì)流交換系數(shù);

Δτ——鋼板接觸冷卻水時(shí)間。

鋼板軋制過(guò)程中發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生塑性變形熱,塑性變形熱可以由以下方程計(jì)算:

其中:η——吸收率,即變性熱轉(zhuǎn)化為軋件發(fā)熱部分占總變形熱的百分比;

pc——冷卻水的溫度;

V——體積;

Jl——熱功當(dāng)量。

2.3.3 模型的基本控制策略

精軋溫度控制模型不同于一般的設(shè)定模型,它不僅僅計(jì)算設(shè)定,然后根據(jù)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí),而且承擔(dān)著板帶全長(zhǎng)溫度控制的功能,需要在板帶全長(zhǎng)溫度控制過(guò)程中實(shí)時(shí)反饋控制,這必然要求該模型具備相應(yīng)的處理機(jī)制,1780 mm終軋溫度控制模型采用如圖 1所示的人物處理機(jī)制,完成頭部和全長(zhǎng)的溫度控制。

圖1 終軋溫度控制人物框圖

3 精軋控溫控軋系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 精軋冷卻水的參數(shù)、分布情況及流量控制的實(shí)現(xiàn)

安鋼 1780 mm熱連軋精軋軋機(jī)冷卻水包括兩大水系統(tǒng),一個(gè)低壓 0.4 MPa(DC2)和一個(gè)高壓1.0 MPa(DC3)直接冷卻水系統(tǒng),各路冷卻水供水總管上設(shè)置冷卻水壓力調(diào)節(jié)裝置,自勵(lì)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)管路水的恒壓控制,壓力檢測(cè)裝置檢測(cè)水壓。精軋冷卻水系統(tǒng)檢測(cè)和控制流程如圖 2所示,流程圖比較清晰地表示了各冷卻水的分布情況和基本控制參數(shù)。

圖2 精軋冷卻系統(tǒng) F5-F7檢測(cè)和控制流程

由圖 2可以看出,機(jī)機(jī)架間冷卻、工作輥冷卻和帶鋼噴淋等由高壓系統(tǒng)供水,其他冷卻水采用低壓水。其中,機(jī)架間帶鋼冷卻水,水量調(diào)節(jié)范圍 88 m3/h～350 m3/h,整個(gè)工作范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)水量,水量檢測(cè)精度:0.25%。精軋冷卻水中工作輥、機(jī)架間冷卻水水量可調(diào)節(jié),該冷卻水配套有一個(gè)閥門(mén)位置控制回路實(shí)現(xiàn)閥位,自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)流量設(shè)定生成模擬閥門(mén)開(kāi)度基準(zhǔn)值被轉(zhuǎn)換成為啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào),通過(guò)位置傳感器探測(cè)實(shí)際閥門(mén)開(kāi)度位置,位置、流量雙閉環(huán)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)流量控制。工作輥冷卻水在軋制期間長(zhǎng)開(kāi),根據(jù)軋制情況調(diào)節(jié)流量。機(jī)架間冷卻水軋制過(guò)程中,開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)冷卻帶鋼,軋制間隙開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉切斷冷卻水。為實(shí)現(xiàn)冷卻水流量的快速和高精度調(diào)節(jié),控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)節(jié)閥門(mén)流量曲線(xiàn)圖可以生成一個(gè)近似的流量值,提高水量控制的速度和精度,流量曲線(xiàn)可在調(diào)試期間進(jìn)行調(diào)整。

3.2 終軋溫度控制模型的應(yīng)用

安鋼 1780 mm熱連軋生產(chǎn)線(xiàn)使用的精軋溫度模型,是由 T M-GE提供的 FTC(Finish Temperature Control)終軋溫度控制模型。該模型分為 FTC-1和 FTC-2兩種控制模式。其中 FTC-1是固定精軋機(jī)冷卻設(shè)備出水量,以速度為控制手段達(dá)到目標(biāo)終軋溫度的策略;FTC-2是進(jìn)行固定的高加速,以精軋機(jī)架間出水量的改變?yōu)榭刂剖侄芜_(dá)到目標(biāo)終軋溫度的策略。FTC模型擁有三個(gè)模型表,包括了不同鋼種不同規(guī)格的最大加速率、減速率、自學(xué)習(xí)值等參數(shù),模型人員根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)反饋數(shù)據(jù)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)節(jié)。T M-GE的 FTC模型提供了 9個(gè)噴水代碼供模型人員進(jìn)行 配置,每個(gè)代碼都可以配置一組噴水模式。根據(jù)不同的鋼種和規(guī)格可以選擇不同的精軋機(jī)架間冷卻水噴水組合。

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

安鋼 1780 mm熱連軋于 2007年 6月順利投產(chǎn),該冷卻水系統(tǒng)在調(diào)試和生產(chǎn)過(guò)程中完全滿(mǎn)足使用要求 (溫度控制偏差在 ±15℃以?xún)?nèi)),終軋溫度控制水平和精度位列同類(lèi)機(jī)組前茅,經(jīng)統(tǒng)計(jì):2009年安鋼1780 mm熱連軋終軋溫度全年指標(biāo)達(dá)到 98.98%。

作為衡量 1780 mm熱連軋生產(chǎn)線(xiàn)鋼卷產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,高指標(biāo)的終軋溫度控制水平,使帶鋼得到了很好的金相組織和力學(xué)性能,提高軋制速度使帶鋼通板性能均勻,除鱗水的投用大大提高了帶鋼表面質(zhì)量,保證了鋼卷產(chǎn)品質(zhì)量。由于精軋控制系統(tǒng)的投用大大提高了帶鋼的軋制速度,因此縮短了軋件的軋制時(shí)間,提高了軋制節(jié)奏增加產(chǎn)量。終軋溫度控制系統(tǒng)的投用對(duì)關(guān)鍵產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了很大幫助,有利于品種鋼的相變控制、細(xì)化晶粒,保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前與終軋溫度控制相關(guān)的所有指標(biāo)均已通過(guò)考核與驗(yàn)收,為安鋼取得了良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 孫一康.帶鋼熱連軋的模型與控制.北京:冶金工業(yè)出版社,2002:105-114.

DESIGN AND APPL ICATION ON FINISHING TEM PERATURE CONTROL SYSTEM OF 1780mm M ILL

Li Yajie Xu Bin Li Yanfang Wang Xinyan

(Anyang Iron&Steel Stock Co.,Ltd)

Thermo mechanical control processwas commonly used in high quality coil and plate’s production,performance of productwas directly influenced by the precision of quench controlmodel.The composing and basic parameter ofAnyang 1780 mm HS M finishing temperature control system were briefly introduced.Also it introduced the design and application of the finishing temperature model control system.

finishing temperature finishing temperature model whole length temperature control

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:2010—5—6