棒线材生产线穿水冷控制系统设计.pdf

总第2 1 1 期2023年第8 期技术应用摘要：穿水冷控制是轧钢生产过程中的关键工艺，它通过调节水冷工艺的温度实现对轧件力学性能、组织结构以及成材率等方面的改进。重点介绍棒线材生产线穿水冷控制系统的配置和工作原理，并详细描述温度自动控制系统。经生产表明，控制系统的投入使得温控自动化目标达标率超过9 8%，且有效避免了因水箱问题而导致的堵钢、弯钢、红钢及冷却不均等问题。关键词：棒线材生产线；穿水冷控制系统；温度控制中图分类号：TG335.60引言棒线材生产过程中的穿水冷控制工艺对棒线材的力学性能等品质有重要影响，它是一种在线热处理方式，通过调节水冷工艺的温度来实现对轧件力学性能、组织结构及成材率等方面的改进1 1,使得产品满足品质需求。线材事业部轧线于2 0 1 9 年完成智能化升级改造，共有高线、小棒和大棒三条生产线，以220mm220mm3500mm的初轧坏、连铸坏为原料，能够生产525mm的线材和16120mm的棒材。因产品种类多、规格范围广,共有1 8 条工艺路径完成上述产品的轧制要求。轧机区由开坏机、粗中轧机、预精轧机、和1 0+4 布置式的线材精轧机+减定径机组组成，在轧线上设有水冷装置，以实现控温轧制和热机轧制,从而满足产品大纲中所有品种的要求。1系统配置1.1硬件配置控制系统以西门子PLC为数据采集控制中心，配置1 台工控机作为操作站，实时显示水温、钢温、压力、阀门开度等参数，自动闭环控制、手动控制、手/自动无扰动切换、历史曲线查询等功能可通过HMI界面对系统实现人工干预。轧线配置有4台固定式红外测温仪，1 台用于测量中轧出口温度，1 台用于测量精轧温度，1 台设在主穿水出口以测量主穿冷却后温度,最后1 台配置在冷床处以监测冷床温度,通过监测上述温度，在线、适时地调整阀门开启度。轧制过程中各种外界干扰都会导致轧制条件的变化,所以控制并适时调整每条穿水线的冷却强度显得尤为关键。系统在每段每条线穿水的主供水管路上都设置了可以自动调节的电动阀门。压力波动会导致通过阀门的流量发生改变，为了确保系统控制精度，系统采用PID调节保证系统压力稳定。1)红外测温仪：选用常州潞城红外双色测温仪，其测温范围在3 50 1 40 0，具有1 0 ms级的响应速收稿日期：2 0 2 3-0 2-1 3作者简介：任树朋（1 9 8 8 一），男，河北保定人，工程师，本科，主要从事自动化控制技术相关工作。山西冶金ShanxiMetallurgy棒线材生产线穿水冷控制系统设计任树朋（山西太钢不锈钢股份有限公司，山西太原0 3 0 0 0 3）文献标识码：A度。每个水箱的前后各布置1 个,其中水箱入口处测温仪用来测量来钢温度，水箱出口测温仪用作反馈信号，与设定温度值进行比较，进而控制电动阀门开度。高线吐丝机和棒材冷床测温仪用于控制目标温度。2)压力变送器：电源电压2 4V,量程0 1.6 MPa。输出信号4 2 0 mA。在主供水管道和电动阀门下游均配有压力变送器，通过对供水压力的测量实现对喷嘴通畅状态的判定。3)水温传感器：输出4 2 0 mA信号。安装在低压浊环水主供水系统的管道上，以检测系统供水温度，作为喷水流量的辅助判断因素。4)电磁流量计：每个供水管路的气动阀门后配置1台电磁流量计，用来监测供水流量。5)热金属检测器：数字量信号用来判断轧件是否到达穿水区域，以实现水箱供水状态的切换。共设置2台，在预穿水箱前设置1 台，以控制高线预穿水通断；在精轧机出口设置1 台，以控制高线主穿水箱通断。1.2功能介绍穿水冷控制系统可以实现动态参数记录显示功能、上位机手动控制功能、自动闭环控制功能、查询功能、历史控制参数优化等功能。其中，参数显示功能表现为在控冷系统专用PC显示监视器上实时显示水温、钢温、总管温度、压力（总管压力、各线阀后压力）、阀门开度、手/自动状态、动态参数曲线等。手自动切换对于每条穿水线都适用，可根据生产需要将穿水线设置为自动或手动。也可由操作员进行人工设定，根据实际情况优化控制参数。查询功能可在显示该系统参数的同时保存参数曲线，从而方便操作员查询历史数据，对历史数据的保存时长不少于2 个月。2控制原理2.1控制概况自动控制系统包括温度自动控制系统和轧件位置自动控制系统,其中温度自动控制系统利用红外测Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.072文章编号：1 6 7 2-1 1 52(2 0 2 3)0 8-0 1 8 3-0 2山西冶金184E-mail:第46 卷温仪实时测量轧件表面温度来调节各环节水箱对轧件的喷水冷却强度，以实现对精轧温度的准确控制，确保轧件的力学性能、组织结构符合标准。轧件位置自动控制系统利用热金属检测器判定轧件头尾位置信号，热检上升沿时水箱投入运行，下降沿时水箱退出,从而减少因过早投人造成的堆钢故障，满足生产连续性，尽量减小头尾不穿水对性能的影响程度。2.2温度控制系统温控系统能够及时准确地实现钢温控制，主要通过自动调节来冷却水量。从控冷设备中出来的棒线材温度被设置在各自穿水线冷床的测温仪测得后，系统会将实测结果与根据性能要求的设定温度值进行比较，得到的差值再经数学模型计算后作为自动控制系统对电动调节阀进行修正调节的依据。2.2.1棒材水箱前馈控制实测水箱前部来钢温度，作为前馈（开环)控制方式,以便能提前预置水箱阀门开度。其中前馈调节含有预穿温度设定和钢温影响系数等调节功能。通过在线调整控制参数，可提前将预穿阀门开启到一定量，减少反馈调节的负荷，使系统更加稳定。对于主穿水箱的前馈控制,利用配置在水箱入口前的测温仪所测温度作为前馈温度，参与主穿控制的前馈调节，通过调节主穿前馈系数提前预置主穿阀门开口度，配合主穿闭环控制，可使目标温度稳定得更快、更准确。2.2.2反馈调节将精轧温度作为反馈温度，与被控水箱构成闭环控制。精轧温度作为控制目标，通过HMI设定精轧温度,在线修正预穿PID参数,继而调节预穿阀门开度，使精轧温度趋于稳定在允许的误差范围内。2.2.3后部水箱控制后部水箱的前馈温度是前部水箱的反馈温度，此温度基于控制系统在前一个反馈控制的同时，也为后面水箱提供了前馈控制信息。每台水箱的反馈控制依据由被控水箱后面设置的测温仪提供。棒材冷床实测温度和高线吐丝温度与轧件性能显性相关，该实测温度为稳定温控系统提供必要的数据支持，确保各个温度考核点的温度在允许的误差范围内。其中前馈和反Design of Water-cooling Control System for Rod and Wire Production Line(shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003,China)Abstract:Water-cooling control is the key process in the steel rolling process.It can improve the mechanical properties,microstructure andyield of the rolled piece by adjusting the temperature of the water-cooling process.This paper introduces the configuration and workingprinciple of the water-cooling control system of the rod and wire production line,and describes the automatic temperature control in detail.The input of the control system has achieved the target rate of temperature control automation more than 98%,effectively avoiding theproblems of blocking steel,bending steel,red steel and uneven cooling caused by water tank problems.Key words:wire and rod line;water-cooling control system;temperature control馈调节同时进行，且反馈调节优先级高于前馈调节。2.3轧件位置自动控制利用热检采集的来钢信号，配合延时时间来控制三通阀的开关，及时对穿水箱进行通断水控制，可实现头(尾)部不穿水控制。当高线钢头通过水箱后再供水，防止出现堆钢现象，按照工艺布置情况，测量头部位置，满足头部不穿水的要求。其中气动三通阀单向行程执行时间不大于0.3 s，显著减少了切头留量。3系统实践系统运行维护过程中的注意事项：1)红外测温仪是系统的重要检测仪表，出现故障或测量不准确均会影响系统的控制精度。需要定期擦拭红外测温仪镜头，避免因镜头灰尘造成测量误差。同时校验镜头中的光点是否正对被测钢的中心位置。2)阀门是系统的执行机构，一旦出现故障,将使系统处于瘫痪状态，此时只能通过手摇的方式进行调节。为避免出现故障，因此应尽量减少阀门安装处的机械振动，尽量避免将阀门全开或全关，或频繁进行大幅度动作。当电动阀门自动控制阀位到达9 0%时，需要通过增加其他段手动阀门开度或者增加总管供水压力避免阀位向满量程动作；同理，当电动阀门自动控制阀位到达2 0%时，需减小其他段手动阀门开度，或者减小总管供水压力。4控制效果将穿水冷控制系统投入使用后,通过采用前馈、反馈和性能温度修正等自动化环节，实现高线进精轧和吐丝目标温度控制误差分别在1 0 和1 5，棒材控制精轧和冷床温度的误差分别为1 0 和1 5,将光圆的吐丝温度控制在1 0,温控自动化目标达标率超过9 8%，同时有效避免了穿水过程中因水箱问题而导致的堵钢、弯钢、红钢和冷却不均问题,有效保证了生产的顺利进行和工艺的可靠稳定。参考文献1李建宏.提高高速线材水冷效果应用实践J.冶金动力，2 0 1 8(6):54-57.2张瑞峰,赵宏才,王哗,等.宣钢高速线材水冷系统优化实践J山西冶金，2 0 2 2(2)：2 1 2-2 1 4,（编辑：武倩倩）Ren Shupeng