重钢厚板产线新超快速冷却系统简介

胡庭与 姚俊波 袁伟

(重庆钢铁股份有限公司,重庆 长寿 401258)

重庆钢铁厚板产线原有轧后控制冷却系统是2009年建成投用的常规U型管层流加速冷却系统。由于投用时间久、设备老化,冷却均匀性、模型精度等方面存在较多问题,仅能满足一般产品生产,不适于高强钢板的开发和稳定生产,在实际生产过程中暴露出的设备及工艺问题已成为制约生产品种钢的重要因素。为提高产品质量和拓展产品品种,对原有厚板线冷却系统进行更新改造:一方面提高钢板冷却能力和冷却均匀性,保证冷却后钢板的板形,实现部分钢种的合金减量化生产。另一方面,新增模型控制功能,对钢种的拓展和冷却工艺参数进行维护,不断优化提高模型控制精度,稳定提升产品质量。2021年9月13日,改造后的新系统正式投入生产使用。

1 冷却装置工艺技术参数

重钢厚板产线新超快冷却装置基本工艺与设备参数如下:

钢板开冷温度:750～1000℃

超快冷却区全长:21 m

超快冷装置入口与精轧机中心线相距:70 m

超快冷装置出口与矫直机中心线相距:58 m

目前,生产的品种主要包含结构钢、优质碳素结构钢、船板、低合金结构钢、锅炉和压力容器钢板、低温压力容器钢板、耐磨钢板、汽车大梁用钢板、Z向性能钢板、管线钢、耐大气腐蚀板、建筑结构板、桥梁板、高强度结构钢板等,成品规格(厚×宽)为(6～120)mm×(1500～3800)mm,产品大纲见表1。

表1 产品大纲Table 1 Product outline

2 新装置的组成

新超快速冷却装置位于厚板产线的精轧机与十一辊矫直机之间,主要包括高密快冷集管、侧喷及吹扫装置。快冷装置设备布置如图1所示。

图1 快冷装置布置图Figure 1 Layout of fast cooling device

2.1 高密快冷集管

冷却区内共有上、下两排集管,上下集管各配置21组高密集管,高密集管在此喷嘴冷却区域形成密集的水柱,均匀喷射,使钢板表面温度降低,使钢板内部和表面保持温度梯度。同时,每个高密喷头都配备了1台电磁流量计,1个流量调节阀以及1个具有开启和关闭功能的手动阀门,以便对上下水流量进行调节,从而实现总流量与上下流量之间的平衡。

2.2 侧喷装置

高压水侧喷装置安装在集水管道之间,每组快速冷却管道后面都配备了1～2组侧喷装置,通过中压水以特定角度冲击冷却钢板表面,以清除冷却水,控制和改善钢板的形状。侧喷装置分别通过控制阀组进行开关控制[1]。

2.3 吹扫装置

吹扫装置位于冷却装置出口,包含头尾吹扫和侧吹或顶部吹扫,其中头尾吹扫主要是将残留在钢板表面的冷却水吹扫掉;侧吹或顶部吹扫,主要吹除冷却过程中钢板的残留水,利于钢板上表面的冷却和冷却均匀性的控制[1]。

3 超快速冷却自动化控制系统

3.1 系统结构

重庆钢铁厚板产线和东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室进行了密切的合作,将超快速冷却自动控制系统与精轧机控制系统、十一辊矫直机控制及经营管控系统整合在同一网络框架内,制订出统一的网络通信规则。利用TCP/IP协议构建的多种传输协议,有效地连接各个过程控制系统,其中,Profibus-DP协议作为主要传输手段,OPC协议则作为辅助传输手段,有效地收集和处理来自人机界面系统(HMI)和其他设备的传输数据,实现对数据的追溯、规程的优化和过程工艺的记录[2-3]。

网络通信结构由三层组成,第一层是设备控制系统(L1级),负责控制所有的仪器、设备和阀门,并收集冷却水的流量信息。第二层是过程控制系统(L2级),见图2,负责工艺模型的设定和自学习等功能。第三层的是制造命令系统(L3级),负责生产计划的下达,实施有效的生产计划,对相关信息进行实时地分析与报告,实现了超快速冷却控制系统与精轧机控制系统及轧机工艺模型系统之间的无缝连接[2-3]。

图2 过程控制系统组成Figure 2 Composition of process control system

3.2 过程自动化控制系统功能

超快速冷却自动控制系统通过轧机二级系统或人工输入得到初始数据输入(PDI),然后经过预计算、测量或输入过程数据、在冷却过程中实时进行修正、收集过程数据,最后通过后计算修改数据库数据,以达到自学习功能[4]。控制系统数据流程图如图3所示。

图3 控制系统数据流程图Figure 3 Control system data flow

为了实现有效的冷却控制,需要进行多个数据交换和处理步骤:

(1)与人机界面系统(HMI)之间的数据交换:操作员可以直接在界面上查找、调整相关参数,并将其传递给控冷系统。

(2)基础自动化控制系统之间的数据交换:基础自动化控制系统可以根据控冷系统提供的数据进行相应的控制操作,以实现冷却系统的稳定运行。

(3)与数据库(MySQL)系统之间的数据交换:控冷系统可以将实时监测到的数据传递给数据库,并且可以从数据库中获取历史数据进行分析和比对。

(4)与冷却工艺模型设定的数据交换:控冷系统可以获取并设置相应的工艺参数,以确保冷却过程符合要求。

(5)过滤处理生产实测资料及触发相应的模型设定计算,获得可识别的事件,发现异常情况采取必要的调整措施。

(6)生成冷却控制报表:管理人员可以及时了解冷却系统的运行情况,并做出相应的决策和调整。

3.3 工艺控制过程

通过自动控制,轧后冷却控制系统可以根据预定的冷却速率和停止温度,精确地控制钢板的冷却过程,以达到最佳的冷却效果,其具体的控制机制如下[4]:

(1)PDI输入:主要作用是通过轧制第一道次获取PDI数据来控制冷却过程,确保原始输入数据的准确性和可靠性。

(2)冷却规程预计算:主要目的是通过轧制末道次(机前方向)接收实际轧机的数据来确定最终的轧制温度,并对钢板的冷却过程进行温度降低的模拟。通过分析PDI数据和二级系统传送的最终轧制温度,制定出适当的冷却控制规则。

(3)冷却规程的修正计算:进行冷却时,辊道速度按照轧后测温仪实际测量温度进行修正计算,可以精确地调整辊道的运动速度[5]。

(4)冷却过程开始:核心目的是通过实时动态修正辊道运行速度,触发工艺控制系统进行实时设定。

(5)冷却过程结束:主要作用是微追踪结束控制钢板冷前工艺。通过触发结束辊道控制系统,可以实现对工艺过程的有效控制。

(6)冷却后计算:主要功能是自动收集、存储和显示记录冷却过程中的数据和结果,建立自适应、冷却结束时序所分配的报表文件,方便查询和记录冷却历史记录[5]。工艺过程控制系统时序触发机制如图4所示。

图4 工艺过程控制系统时序触发机制Figure 4 Timing trigger mechanism of process control system

3.4 工艺过程控制模型

工艺过程控制模型是为了满足冷却速度、终冷温度、温度均匀性[6]等工艺的控制需求而计算获得集管水量、集管组数、辊道运行速度、水比、加速度等冷却规程参数,主要包括预计算、在线计算、后计算、自适应、自学习模型的控冷模式。

3.4.1 预计算模型

经过对PDI数据的检验,精准地调整冷却方案,从而满足不同的生产要求。生产要求包括:材料的化学组成、预期的轧制温度、实际的冷却时间、材料的比热、热传导率、材料的密实程度。通过对各种物理特征的相关信息和不同工艺参数的分析,结合相应的温度分析方法,确保在给定的时间内,按照规范的参数精确地预测各种冷却方法的效果,确保在不同的工艺参数下,能够准确地测得不同的冷却曲线,从而实现对各种冷却技术的有效配置。预计算模型计算流程见图5。

图5 预计算模型计算流程图Figure 5 Calculation flowchart of pre-calculation model

为确保钢板冷却过程中的温度均匀性,防止钢板头尾和边部过冷,快速冷却控制模型分别通过查表与插值法设定边部水凸度控制、钢板头尾遮蔽量、上下水流量比。预计算模块计算获得的过程参数主要包含:冷却集管的水流量[7]、边部水凸度控制量、关键位置的温度、钢板运行速度的曲线、侧喷吹扫装置开启组数及位置、钢板头尾遮蔽[8]的控制长度。

3.4.2 在线计算模型

随着辊道上的钢板开始移动,加速钢板冷却控制系统就开始了一系列的操作,通过对比各段的热流特性,来确定最优的冷却时机,同时也通过对板材的热流特性和其他参数的监测[9],来确保系统的稳定性和可靠性。这一速度计算考虑了前后轧制与预矫直区域的辊道控制系统[10]的限制条件。

通过使用在线计算模型,可以根据实时的温度、钢材的运动速率以及水的流动情况来调整速率曲线。在线计算模型实现的主要功能包括水冷单元的激活和关闭、点速度的修正设定及水流量大小的修正。

3.4.3 后计算模型

冷却控制系统主要对钢板长度方向所处不同位置的钢板表面、中心及平均冷却速率进行评估,后计算模型会记录下在冷却过程中钢板的温度、流速、集管流量等参数的变化[5],通过分析评估结果,确定钢板下一步是否需要修正,如果需要修正,则下一步钢板的冷却速度应如何控制。根据评估结果确定钢板长度方向不同位置的冷却速率(基于目标终冷温度),对冷却速率进行修正,同时对钢板长度方向不同位置的钢板表面、中心及平均冷却速率进行评估,建立钢板长度方向所处不同位置的钢板表面与钢板长度方向坐标之间的二维关系。

后计算的主要功能包括:收集和测量所有在线模型数据资料、将计算数据保存为文件格式、对不可测量数据进行计算,如钢板厚度方向的温度分布和钢板冷却速度、更新模型自学习系数、提高后面的钢板冷却精度、提供更易理解的数据给计算机。

3.4.4 自适应模型

当一块钢板完成了冷却过程,其自我调节机制会根据其变化情况,确定一个可以调整的参考系数,以便在未来的情况中,可以根据这个参考系数来调整其冷却过程中的变化,从而达到最佳的性能。这个自动化的模拟可以根据不同的环境和温度变化来优化材料的性能,可以根据实际需求来改变材料的温度和流动性。为此,采取了一些措施来改善材料的温度和流动性,具体包括:

(1)采用新的技术来调整冷却速率,以达到更优的结果:

αcr=Rmea/Rcal

(1)

式中,αcr为冷却速度自学习系数;Rmea为冷却实际速度平均值(℃/s);Rcal为冷却计算速度平均值(℃/s)[5]。

(2)采用改进的换热系数和自我调整的校准技术来进行计算[8]:

αhr=ΔTmea/ΔTcal

(2)

式中,αhr是换热系数,是一个自学习系数;ΔTmea反映了实际冷却温度的平均值与最终冷却温度的平均值之间的差异(℃);ΔTcal代表开冷温度的平均值与最终冷却温度的平均值之间的差异(℃)。

3.4.5 自学习模型

在空间模型中将影响冷却效率的各种工艺参数(等效成热交换系数)视为各个维度,每个参数在不同维度上对热交换系数的等效作用程度作为坐标步长。随着大量的数据的出现,能够根据不同的坐标,把整体空间细化为若干小的网格,并且把每个小的网格都归纳为同样的质量,根据它们之间的欧氏距离,采取反距离加权法,最终计算出最终的结果。VSG(Variable Scale Grid)智能模型[5]采用聚类算法、距离加权、变步长网格、大数据分析等技术进行模型算法编写,根据已知需要冷却的工艺参数,在空间中找到对应的点。当数据规模变大时,把空间划分成多个子网格,并将子网格空间中的点簇聚类成单个质点,然后利用每个质点与目标点之间的欧式距离关系,通过反距离加权法求出目标值。

4 应用效果

重钢厚板产线采用先进的工业以太网技术,将精轧机主控系统和十一辊矫直机控制系统有机地结合在一起,形成一个完整的控制系统,以实现超快速冷却控制,并且可以有效地控制轧机的运行状态,从而提高生产效率。2021年9月,超快速冷却控制系统经过优化整合,实现精轧机轧制数据的自动发送、水冷模型的自动计算、冷却速度的自动控制、模型自学习、冷却完成后数据的自动传输,大大减少了钢板轧制过程中的人为干预,极大地提升了轧制节奏的稳定性,使得冷却系统稳定运行。纵向温度均匀性得到了有效控制,最终将其控制在±30℃以内;横向温度均匀性控制在±25℃范围内,能够有效地满足生产需求、达到良好的冷却效果并且取得了显著的效果,这对于提高钢板的性能和质量具有至关重要的经济和技术意义。2023年8月,厚板产线月轧制量突破21万吨。

5 结论

重钢厚板产线生产工艺复杂,轧制节奏快速,为提高超快速冷却控制系统的自动化控制水平和达到更高的控制冷却模型精度,必须协调好各级系统控制及通讯关系的稳定性。

(1)超快速冷却控制系统和轧机、矫直机区域建立通讯,根据钢种、规格和温度的不同,采取半自动和全自动模式控制模式,当选中半自动模式时,可人工进行水冷参数设置,选中全自动时,无需人工干预,完全由过程自动化进行控制。

(2)冷却模型科学合理,具有预计算、在线计算、后计算、自适应、自学习功能,对于钢种的自学习模式采取最近轧制同规格的钢种进行自学习。在整个水冷过程中,由于换热方式不同,在同等条件下钢板上表面的换热能力远远大于钢板下表面的换热能力,这需要增加下集管流量对下表面换热的补偿能力,通常下集管水流量为上集管水流量的1.0～2.0倍,最大水比调整范围0.8～2.5倍。

(3)为满足不同钢板对冷速及控制冷却路径的要求,在默认开启集管方式基础上增加了间隔开启、密集开启、自定义开启等方式,丰富了控制方式,满足了不同钢板的冷却要求。间隔开启主要针对目标冷速较小或板形不易控制的钢板(尤其是薄板),一般采用间隔1组开启1组的方式。针对目标冷速较大的钢板或是对冷却路径有需求,如需要快速冷却至指定温度的钢板,一般采用集管连续的开启方式进行冷却。

(4)系统具备先进的头尾遮蔽技术,针对钢板头尾温度较低问题采用距离钢板头尾部550～600 mm处开启60%的水流量;针对钢板板身进入冷却区时沿长度方向存在“头高尾低”温度分布,采用辊道微加速0.02～0.05 m/s控制消除长度方向的整体温度梯度,保证钢板横向和纵向冷却均匀性。