轧钢层流冷却.docx

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轧钢层流冷却

内蒙古科技大学

过程控制课程设计论文

题目：

热轧带钢层流冷却控制系统设计

学生姓名：

侯峰

学号：

0867112121

专业：

测控技术与仪器

班级：

2008-1

指导教师：

李刚老师

2011年08月31日

摘要

层流冷却作为控制轧制和控制冷却技术的一个组成部分，直接影响带钢的组织和性能，所以层流冷却过程成为热轧厂生产过程中非常重要的环节。

卷取温度控制精度是保证板带质量和板型良好的关键因素。

从具体实现过程可以看出层流冷却控制过程是一个以预设定计算和前馈修正计算为主，反馈控制为辅的复杂控制系统。

层流温度控制是根据精轧出口的速度，厚度和精轧终轧温度以及要求的卷取温度对热输出辊道上下的层流冷却装置开启集管段进行设定和控制，以保

证带钢进入卷取机前的实际温度在要求卷取温度及其精度的范围内。

为保证获得具有良好综合机械性能的热轧带钢，必须使其迅速冷却到所需要的卷取温度。

带钢冷却具有变形强化和相变强化的综合作用，既能提高带钢强度，又能改善带钢的韧性和塑性。

热轧带钢的温度控制，一方面为了改善钢材的组织状态，提高带钢综合力学性能；另一方面可防止因不均匀变形造成的带钢扭曲和弯曲变形，还可以减少带钢表面氧化铁皮的生成。

关键词：

前馈；反馈；自适应；层流冷却；卷取温度；热轧带钢

摘要-1-

第一章引言错误!

未定义书签。

第二章热轧带钢层流冷却系统的控制目标和任务-4-

2.1热轧带钢层流冷却系统的控制目标-4-

2.2层流冷却系统的控制原理-4-

2.2.1层流的概念-4-

2.2.2对层流的数学描述-5-

2.2.3层流冷却的基本原理-5-

2.2.4层流冷却现场结构模型-5-

2.3层流冷却的控制难点：

-6-

第三章层流冷却控制系统结构错误!

未定义书签。

3.1控制系统的设计-8-

3.2热轧带钢层流冷却系统层次-8-

3.2.1预设定功能实现-9-

3.2.2前馈控制功能实现-10-

3.2.3补偿控制的功能实现-11-

3.2.4卷温预测/跟踪控制的实现-12-

3.2.5自适应模型功能实现-13-

3.2.6集管阀门控制器-14-

3.3系统结构图-15-

3.4控制流程-16-

3.5仪表选型-16-

第四章总结错误!

未定义书签。

参考文献错误!

未定义书签。

第一章引言

在热轧带钢生产过程中，卷取温度是影响产品性能的主要因素之一，也是影响卷取工序作业情况的关键因素之一，其精度的高低对带钢质量至关重要

[1-2]。

在热轧带钢生产过程中，卷取温度直接影响到轧制成品最终的组织形态及其力学性能。

卷取温度对热轧带钢奥氏体晶粒的尺寸、析出物的数量和形态所产生的影响，将导致金属的微观组织发生巨大的变化，所以带钢的冷却效果是决定成品加工性能、力学性能和物理性能的重要环节。

在正常生产中，卷取温度有时出现超出卷取目标温度范围的现象，这样不仅会要影响产品性能，也影响卷取作业,甚至出现打滑、堆钢事故。

因此，生产中必须要严格控制卷取温度范围。

采用层流冷却装置对热轧后的板带进行冷却控制，喷水系统的设定是层流冷却过程控制的关键。

层流冷却控制系统是热轧过程控制系统的重要组成部分，

其核心作用是通过控制层流冷却喷水阀门开启模式、开启状态或者流量，将轧后

带钢从某一终轧温度冷却到预定的卷取目标温度。

因为卷取温度对带钢的机械性能影响很大，因此卷取温度必须控制在一定的温度公差范围内。

第二章热轧带钢层流冷却系统的控制目标和任务

2.1热轧带钢层流冷却系统的控制目标

层流冷却系统的控制是根据实测的带钢终轧出口温度、速度、厚度和工艺所确定的冷却速度曲线的要求确定相应的阀门开启个数和喷水模式，使卷取温度尽可能地接近工艺所确定的目标卷取温度[3-4].

层流冷却过程的控制量为：

阀门个数、阀门位置、喷水模式等；

被控量：

带钢卷取温度.

热轧带钢卷取温度是影响成品带钢性能的重要工艺参数之一。

不同规格品种

的热轧带钢终轧温度一般为800-900C,为了使带钢获得良好的组织性能，带钢的卷取温度一般须控制在550-700C⑸。

为了获得较理想的控冷效果，开始冷却的温度应接近终轧温度，冷却速度为3-15C。

在此温度段内，钢板的金相组织已定型，可以缓慢冷却。

同时，缓慢冷却对减小钢板的内应力也是有利的。

然而，提高终冷温度的控制精度较困难。

热轧带钢轧后冷却过程是一个复杂的传热过程，它包括辐射传热、水冷换热、带钢和热输出辊道的接触热传导以及在冷却过程中因发生相变而产生的相变潜热，其中特别是水冷换热。

它与带钢的

材质、厚度、速度，冷却的水量、水压、水温及水流运动形态，终轧温度、高低带钢热传导、对流、辐射条件，层流冷却装置的设备状况等多种因素有关，因此卷取温度控制是一个复杂的工业过程。

它具有非线性、大时滞、多变量、强藕合等特点。

2.2层流冷却系统的控制原理

2.2.1层流的概念

层流就是使低水头的水从水箱或集水管中通过弯曲管的作用形成一无旋和

无脉动的流股，这种流股从外观上看如同透明的棒一样，液体质点无任何混杂现

象。

这样的层流态的水从一定高度降落到钢板表面上会平稳地向四周流去，从而

扩大了冷却水同板材的有效接触，大大提高了冷却效率。

层流冷却的特点是冷却设备的流量范围基本上是一定的。

222对层流的数学描述

Jet=丫dv2/（Tg（yYa丫）0.

式中Jet为射流扩散系数，

d为喷嘴直径，m；

丫为水的密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2;

v为喷出速度，m/s；c为表面张力，kN/m;

丫为空气密度，kg/m。

并且得出Jet<0.1时水是一滴滴地流下；

当Jet>0沖10时是层流；Jet>10〜400时是湍流；Jet>400时则是喷雾流<由于喷嘴结构和层流水流的形状不同，层流冷却又分为管层流冷却和幕状层流冷却。

2.2.3层流冷却的基本原理

带钢层流冷却的工作原理就是让带钢表面覆盖一层最佳厚度的水层，然后利

用热交换原理，使带钢迅速冷却到所需的卷取温度。

所采用的具体方法是使大流量的低压水贴附于带钢表面，形成薄薄的一层水膜，并且随着带钢的前进，由侧向喷出的中压水吹动水膜，使其不断更新，从而带走大量的热，来达到冷却的目的。

理论和实践都证明对于热轧带钢而言，层流冷却的效果最佳。

冷却水从集管中连续而稳定的流出，形成平滑、连贯的水流，呈层流状直接落到带钢表面，并在带钢表面也形成层流，流速稳定，控制简单，便于维护。

层流冷却系统具有冷却温度控制精度高、控制稳定、水耗量低等特点。

2.2.4层流冷却现场结构模型

图1.1层流冷却设备图

图1-1给出了输出辊道层流冷却设备简图［6］。

对现代带钢热连轧机来说，该层流冷却设备具有一定代表性。

该层流冷却系统由上、下冷却喷嘴系统及侧喷嘴系统三部分组成。

上部和下部冷却喷嘴系统各分成60个冷却控制段，每段由一个阀进行冷却水的开关控制。

上部每2根集管为一段，共120根集管•每根集管设有69个喷水管。

下部每4根集管为一段，共240根集管、每根集管上有11或12个喷嘴。

侧喷嘴系统分布在输出辊道两侧，交叉10布置，共有9个侧喷嘴（其中2个为高压气喷，以吹散雾气，防止对轧线控制仪表的干扰）。

2.3层流冷却的控制难点

在上述工艺设备条件下，提高卷取温度控制的精度并不是件轻而易举的事

情。

其难度可归纳如下：

（1）影响卷取温度的因素多而复杂，包括带材的材质、厚度、速度，冷却水的水量、水压、水温及水流运动形态、终轧温度、热传导、对流、辐射的条件，层流冷却装置的设备状况等等。

这些因素大都影响机理复杂，其中有一些则更具有很强的时变性，因此很难在在线控制数学模型中全部计及和精确描述。

（2）层流冷却装置分布在80多米长的输出辊道上、下方，带材任一点通过层

流冷却区需要5-I5S时间，而由于加速轧制技术的采用，带材各点通过层流冷却区的时间差异也很大。

因此，控制冷却实际上是在很大空间范围内对处于变速及高速运动中的带材沿长度方向逐点施行控制，这使得卷取温度控制在本质上是一

个十分复杂的分布控制问题。

（3）卷取温度测温仪CT通常安装在层冷区外10m甚至更远的位置。

相对控制点，检测滞后很大，严重制约了常规反馈控制方式的使用（由于时间滞后太大，易产生振荡现象）。

此外，控制阀的开闭及冷却水从出水口溅落到钢板表面，都存在较大滞后效应（秒级）、给动态控制带来了不利影响。

（4）冷却水量的调节是非连续的，其控制“粒度”由一个阀所控制的水量决定。

卷取温度控制精度本质上受此“粒度”大小的制约。

（5）带钢在冷却过程中存在相变，如奥氏体到铁素体的转变。

另外，冷却过程中存在复杂的导热现象，这些对热流换热系数影响很大［7］。

从控制的角度，卷取温度控制问题及其面临的困难可描述如下：

带材任一点从精轧末机架运行到卷取温度测温仪时，该点及其后相当长一段带钢的受控冷却过程实际已经结束，而在冷却过程中又不便或不可能对该点温度进行实测和适时调节冷却水量，但同时又要求带材各点到达卷取温度测温仪CT时温度处于精度范围之内。

换句话抽象地说，即对诸如卷取温度控制这样的物料全长质量控制，要求在控制施行过程中不对受控物体的被调量状态进行观测的条件下，保证物料

各点到达控制终点时，被调量的值满足精度要求。

这就必然导致对设定控制的依赖。

但设定控制的精度入；不仅受到在线控制模型结构简化所带来的本质上不精确的限制，也由于随机时变因素的影响而受到内外环境不确定性的制约。

第三章层流冷却控制系统结构

层流冷却控制系统的控制目标是：

根据实测的带钢终轧出口温度、速度及厚度确定相应的喷水区长度，使卷取温度尽可能地接近目标值。

控制变量是喷水区长度，被控制量是带钢的温度，带钢终轧出口温度、速度及厚度等为系统的不可控输入变量。

此外，还有不可控的随机干扰。

不断调整其中的参数及控制算法，最终使控制精度（实测卷温与目标卷温的偏差）及命中率（一条带钢中满足精度要求的被控制点数占总点数的百分比）有较大幅度的提高。

3.1控制系统的设计

带钢层流冷却过程控

張恥JI

图2.1层流冷却控制系统结构图

3.2热轧带钢层流冷却系统层次

整个层流冷却控制系统可分为几个部分：

预设定模型，补偿模型，卷温预测

/跟踪模型，模型参数自适应，集管阀门控制器。

前馈控制在主冷区进行，对控制量循环计算调整。

在带钢头部到达EM后，使用实测的带钢精轧出口的温度、厚度及速度，按段进行周期性的计算，对主冷区的喷水阀门数进行修正（原系统带钢按3秒一次进行分段）。

带钢头部离开HM后，当获取实测的带钢卷取温度后，用实测卷取温度进行反馈控制计算，计算出精冷区阀门的喷水控制，同时对主冷区的自适应系数进行修正计算。

3.2.1预设定功能实现

热轧带钢卷取温度控制在本质上是一个十分复杂的分布控制问题。

由于供水

设备以及层流稳定过程都需要时间，因此需要根据精轧机提供的带钢信息（如带

钢厚度、温度、速度等），应用预设定模型对各冷却区域水阀的开闭状态进行预计算，这样可以有效地消除整个控冷系统动作滞后的影响。

预设定模型每隔一段

时间启动一次，重新计算各控制量后送给基础自动化系统执行，即相当于带钢沿

长度方向分段控制，以消除带钢长度方向的温度、厚度及速度的波动。

在层流冷却控制系统中，由于带钢上任意一点从热连轧运行到卷取测温仪时，该点及其后相当长的一段带钢的受控的冷却过程实际已经结束，而在冷却过

程中又不可能对该点温度进行实测和适时调节冷却水量，也就是被控对象的中间

状态是不可观测的，但同时又要求带钢各点到达卷取测温仪时，