热轧带钢超快速冷却过程的温度控制策略

彭 文，马更生，张殿华

(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)

热轧带钢超快速冷却过程的温度控制策略

彭 文，马更生，张殿华

(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)

针对热轧带钢超快速冷却过程温度控制, 通过建立带钢冷却过程中的空冷、水冷温降模型，采用前馈、反馈与自适应相结合的温度控制策略，提高带钢的中间温度和卷取温度的控制精度，并应用于热轧带钢生产线。应用效果表明，带钢轧后温度控制达到了较高的精度，并有效地提高了带钢的力学性能。

热轧带钢；轧后冷却；超快冷；温降模型；温度控制

以超快速冷却为核心的新一代TMCP(Thermo-mechanical Control Process)技术，通过采用节约型的成分设计和减量化的生产方法获得高附加值、可循环的钢铁产品[1]。冷却过程温度控制精度直接影响着热轧板带钢的组织性能和力学性能[2-4]，因此开发适用于超快速冷却过程的温度控制策略十分必要。在实际热轧生产过程中，温度变化过程是一个十分复杂的过程，涉及到辐射换热、对流换热、热传导及相变潜热等[5-8]。为此，本文从各种换热形式的机制出发，建立了适应现场生产条件的数学模型，在超快速冷却工艺的基础上开发了前馈、反馈与自适应相结合的温度控制策略，并应用于热轧带钢生产线。

1 轧后冷却控制系统概述

宽度在800 mm以下的带钢热连轧生产线一般采用立式卷取的方式，即从精轧机轧出的带钢经扭转导槽后，在运输辊道上立式蛇形前进，后经平板运输链进入到立式卷取机进行卷取。为了满足带钢轧后冷却速率的工艺要求，根据现场实际情况，将前段常规冷却区改造成超快速冷却区，并设计“超快冷+立式冷却”两段式冷却模式，前段超快速冷却区为上下对称式布置，后段冷却区为立式对称式布置，改造后的轧后冷却过程控制系统结构如图1所示。按照实际生产需要，轧后冷却控制系统是包括中间温度MT(Middle Temperature)、卷取温度CT(Coil Temperature)和冷却速率为控制量的多目标控制系统，系统根据精轧出口带钢的温度、速度、厚度等参数和工艺所确定的冷却速率曲线的要求确定相应的集管开启数目，采用前馈、反馈、自适应相结合的控制方式，使带钢的中间温度和卷取温度尽可能接近工艺所要求的目标温度，实现对热轧带钢轧后冷却过程温度的控制。在温度控制过程中，一般按照带钢段(样本)沿带钢长度方向进行温度控制，最终实现带钢全长的温度控制。

2 轧后冷却数学模型

带钢轧后冷却过程是一个复杂的换热过程，在实际工程应用中，为简化计算过程，主要考虑空冷过程、水冷过程对温度产生的影响。

2.1 空冷温降模型

高温带钢在运输辊道运行时，主要通过热辐射、空气对流以及与运输辊道热传导的方式散失热量，其中热辐射占主导地位[9]，能够占到总热量散失量的93%～95%。根据斯蒂芬波尔兹曼定律和能量守恒定律，在单位时间内，由于辐射散热造成带钢温度降低，因此得到：

(1)

式中：F为热交换面积，m2；ε为辐射率，一般取0.6～0.8；σ为斯蒂芬波尔兹曼常数，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；Ts为带钢的热力学温度，K；Ta为外界环境的热力学温度，K；ρ为带钢密度，kg/m3；cp为带钢比热，J/(kg·K)；h为带钢厚度，m。

(2)

假设在时间t1到时间t2内，由空冷温降造成的带钢温度由Ts下降到Ts1，对式(2)积分可以得到空冷温降模型：

(3)

2.2 水冷温降模型

对流换热是水冷换热的主要方式，对流传热的强度不但与物体的传热特性有关，还取决于流体介质的物理性质和运动特性，热交换过程极其复杂。一般采用牛顿冷却定律进行计算，由于对流散热造成带钢在dt时间内温度降低dT，因此得到：2Faw(Ts-Tw)dt=ρcphFdT

(4)

式中：aw为强制对流换热系数；Tw为冷却介质的热力学温度，K。

假设在时间t1到时间t2内，由水冷温降造成的带钢温度由Ts下降到Ts2，对式(4)积分得到：

(5)

由此得到水冷温降模型：

(6)

其中强制对流换热系数aw一般通过实验数据拟合得到。针对不同规格的产品，首先对在基准水温、水压和速度条件下的冷却情况进行大量的统计，反推计算出基准对流换热系数；再通过调整水温，水压和速度等参数，获得不同状态下的换热系数，完成对流换热系数的拟合过程，换热系数采用下式计算：

(7)

式中：k1为模型学习系数；k2～k5为模型拟合系数；q为单位水流量，m3/h；Tw为轧制过程中水温，K；P为轧制过程中实际水压，MPa；v为轧制过程中带钢速度，m/s；Tw0为水温基准值，K；P0为水压基准值，MPa；v0为带钢速度的基准值，m/s。

另外，带钢在冷却过程中因其相变生成潜热的缘故，对中间温度和卷取温度的控制也会产生一定的影响，因此在温降模型计算中，使用相变潜热之后的比热值进行温降计算更为精确。

本研究的实际带钢厚度在1.5～3.5 mm范围内，是典型的薄板坯冷却过程，故认为带钢内部温度均匀，忽略带钢内部热传导过程对带钢温度造成的影响。

3 温度控制策略

3.1 前馈控制

在实际生产过程中，由于精轧出口温度、成品的厚度和速度时刻发生波动，因此需要不断调整冷却区中集管的开闭数目来消除终轧温度、厚度的波动对中间温度和卷取温度造成的影响。设定计算过程(预设定和动态设定)是典型的前馈控制，其中预设定是根据PDI(Primary Data Input)目标参数进行计算，动态设定是根据精轧机带钢样本的实测终轧温度、速度和厚度进行计算。前馈控制流程如图2所示。前馈控制的核心内容是带钢位置的准确跟踪和单根集管温降的计算。带钢的跟踪主要由基础自动化系统来完成，根据冷却控制长度(称为样本)周期性地将实际的温度、厚度、速度传递给过程计算机，过程计算机进行温降的计算，计算结果下发后，当带钢的相应位置到达相应冷却区后进行集管开启的操作；在单根集管的温降计算过程中，首先根据带钢速度计算带钢通过单根冷却集管的时间，其次根据公式(3)和公式(6)计算单根集管的温降，最后通过终轧温度与卷取温度(或中间温度)的差值计算得到需要调整的集管开闭数目。

3.2 反馈控制

反馈控制是根据带钢的中间温度、卷取温度的实测值与目标值之间的偏差，动态调节反馈集管的开闭情况来消除温度偏差。反馈控制策略采用PID(Proportion Integration Differentiation)反馈控制算法，将目标温度与实际温度偏差的比例P、积分I和微分D通过先行组合构成控制量，对集管开闭状态进行控制，其控制输出u(t)为：

(8)

式中：kP、kI和kD分别为比例系数、积分系数和微分系数；e(t)为输入域。

将式(8)离散后，可以得到应用于现场的反馈控制模型：

(9)

式中：Δn(i)为当前控制率，即第i次反馈控制需要调节的集管数目；K为单根精调集管的水冷温降，℃；ΔT(i)为第i个采样周期卷取温度实测值与目标值的偏差，℃；β为微分投入系数，可以根据实际效果选择投用与否。

3.3 自适应控制

自适应控制的基本原理是根据实际集管的组态对各样本的中间温度和卷取温度重新预报，并与样本的实测值相比较，获取二者之间的偏差，采用适当的修正算法进行模型关键参数修正，提高后续带钢的温度预报精度。对带钢轧后冷却过程来说，一般将各模型预报偏差归因于水冷换热系数偏差，通过自适应系数对水冷换热系数不断修正，进而完成自适应控制过程。

针对不同规格的带钢产品，通过测量样本的终轧温度实测平均值以及中间温度和卷取温度实测平均值，同时根据样本在冷却区运行过程中的实际集管开启数目计算空冷温降和水冷温降，重新对中间温度和卷取温度进行预报。自适应系数计算值k*由下式进行计算：

(10)

实际模型自适应系数计算完成后，需要经过指数平滑处理之后才能应用于下一卷带钢的计算过程。自适应系数新值k为：

(11)

式中：λ为平滑系数；k′为自适应系数旧值。

4 应用效果

本超快速冷却过程的温度控制策略已在国内某620 mm热轧带钢厂得到应用。轧制钢种为Q235B，带钢厚度为2.75 mm，终轧温度FDT(Finishing Delivery Temperature)为880 ℃左右，中间温度(MT)目标值为700 ℃，卷取温度(CT)目标值为660 ℃，数据采样周期为200 ms。图3为轧后冷却过程中某卷带钢的轧后温度控制曲线。为验证实际控制效果，对一个换辊周期内的带钢轧后温度进行数据统计，统计结果表明，带钢样本的中间温度和卷取温度控制在带钢全长目标温度±18.5 ℃范围内的比例分别达到95%和97%。由此表明，带钢的中间温度和卷取温度控制精度均达到了较高水平，完全满足生产工艺的需求，为提高产品质量和性能优化创造了条件。

在工业试验中，对相同规格和化学成分的Q235B钢板坯分别采用两种不同的冷却工艺：一种是只使用常规冷却；另一种是使用超快速冷却和常规冷却相结合的冷却方式。然后对其开卷取样，在距带钢尾部10、100、150、300 m处分别取样。图4为不同冷却工艺下带钢的平均屈服强度和抗拉强度。从图4中可以看出，使用超快速冷却和常规冷却相结合工艺所得带钢的力学性能较均匀，相对于只使用常规冷却工艺的带钢，其屈服强度和抗拉强度均提高了50 MPa左右。

Fig.4 Mechanical properties of the strip under different cooling processes

图5为不同冷却工艺下带钢的延伸率。从图5中可以看出，与传统工艺相比，采用超快速冷却和常规冷却相结合的工艺，延伸率略有降低，但满足国标要求。

Fig.5 Elongation of the strip under different cooling processes

5 结论

(1)建立了热轧带钢超快速冷却过程中的空冷温降模型和水冷温降模型，以此为基础开发了前馈、反馈与自适应相结合的温度控制策略，并在某热连轧生产线得到应用。

(2)带钢样本的中间温度和卷取温度控制在带钢全长目标温度±18.5 ℃范围内的比例均达到95%，满足了现场温度控制要求。与传统冷却工艺相比，超快速冷却工艺可使带钢的屈服强度和抗拉强度提高50 MPa左右，延伸率略有降低，但满足实际的产品需求，为进一步开发低成本、高附加值产品奠定了基础。

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[责任编辑 张惠芳]

Strategy for temperature control of ultra-fast cooling porocess in hot strip rolling

PengWen,MaGengsheng,ZhangDianhua

(State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Aimed at the temperature control of the ultra-fast cooling process in hot strip rolling and by developing the combined strategy of feed-forward, feed-back and self-adaption based on the establishment of the air cooling and water cooling temperature drop model, the precision of middle temperature and coil temperature control was improved. The cooling system had been applied in a hot strip production line. The results show that the precision of temperature control reaches a high level and the mechanical properties of the strip are improved effectively.

hot rolled strip; cooling after rolling; ultra-fast cooling; temperature drop model; temperature control

2015-05-07

国家自然科学基金资助项目(51074051)；辽宁省博士启动基金资助项目(20131033).

彭 文(1987-)，男，东北大学材料与冶金学院博士后流动站研究人员,博士.E-mail: pengwen@ral.neu.edu.cn

TG334.9

A

1674-3644(2015)05-0321-05