宝钢1800mm冷轧连续退火机组炉内最佳速度控制技术.doc

宝钢1800mm冷轧连续退火机组炉内最佳速度控制技术
林莉军   (宝钢股份公司  设备部，上海  201900)
　　摘要：在说明连退机组炉内速度控制重要性的基础上，总结了当前各主要工艺厂商所使用的控制技术，并从瓶颈速度控制技术、动态机组速度调节技术、机组代表速度计算方法、速度模型系数自学习方法等几方面详细地介绍了宝钢1800mm冷轧连退机组所使用的最佳速度控制模型技术。
　　关键词：冷轧；退火；瓶颈速度；代表速度；最佳速度
　　1  前言
　　宝钢1800mm冷轧连续退火机组是世界上少有的几条高速汽车板生产机组之一，其工艺段速度达到了485m／min，这对炉内控制技术提出了很高的技术要求和控制难度。要实现稳定的生产，必须防止炉内发生带钢热瓢曲和跑偏，这就要求精确控制炉内带钢张力，而张力精确控制的前提条件又是炉内带钢速度的相对稳定，变动量应尽量小，变动次数应尽量少。为此，新日铁为本机组投入了最新的炉内张力分段控制技术和最佳机组速度模型控制技术，来确保机组的高速稳定运行。炉内张力分段控制技术由过程机选择最佳炉内张力，然后传送给电气，由电气负责具体控制；最佳机组速度模型控制技术由过程机根据工艺段各炉子设备生产能力、炉内板温的控制偏差，入口段机组处理时间等因素，通过计算选择出当前最佳机组速度，并及时通知电气进行控制上的调整，实现在确保稳定生产的前提下，动态地调节机组速度，达到最大的机组产能。
　　2  机组速度主要控制技术比较
　　在生产过程中，带钢的规格、材质等都要按生产计划随时发生变化，因而必须根据炉子设备能力情况及产品制造要求对机组速度作出及时调整，避免因带温加热偏差、保温时间不足或冷却速度太慢而影响产品质量。这就是说，在正常稳定生产时，为了满足生产需要，必须人为地破坏当前的稳定状态，向另一机组速度下的稳定状态过渡。由于机组速度的过渡变化会影响到稳定生产，甚至会引起带钢跑偏和热瓢曲的出现，因而需要有一套科学的控制策略及方法来完成速度平稳过渡控制。目前，世界各主要CAPL工艺技术厂商都在总结长期生产经验的基础上，形成一套自己的控制策略，其基本思想见表1。

　　从表1看出，各家的主要控制思想差不多，即在考虑机组瓶颈速度和稳态生产基础上，给出当前机组最佳速度。但各家又各有特色，在具体的计算条件和计算逻辑中，融人了自己的生产经验和控制诀窍。
　　宝钢1800mm冷轧CAPL机组的最佳机组速度控制模型的控制策略在继承了长期的应用经验基础上，又有了进一步优化，其主要的控制思想有3个：(1)根据各炉子设备能力及产品制造要求确定当前工艺段瓶颈速度；(2)根据板温偏差情况动态地调节机组速度，及时消除控制偏差；(3)根据采样点在炉子中的运行历史，确定用于预测控制的机组代表速度。
　　3  瓶颈速度模型的处理思想
　　3．1  根据设备能力来确定各炉子允许的最大通板速度
　　在满足出成品的生产条件下，机组的设备能力就决定了生产的快慢。另外，由于各产品的冶金相变条件不一样，因而，在同样的生产设备下，产品的最大生产速度也不一样。根据宝钢1800mm冷轧连退机组的工艺，各炉段与生产设备和材质相变有关的控制要求如图1所示。

　　根据以上产品的退火处理要求，分别按如下原理计算出各炉段的带钢生产瓶颈速度：(1)根据炉子加热能力，确定HF炉允许的最大通板速度；(2)根据均热时间要求，确定SF炉允许的最大通板速度；(3)根据1CF冷却速度要求，确定1CF炉允许的最大通板速度；(4)根据过时效时间要求，确定OA炉允许的最大通板速度；(5)为了防止带钢在WQ炉的入水温度过高，从而形成汽水膜，确定2CF炉允许的最大通板速度；(6)为了防止人口活套被拉空，计算入口段生产条件造成的炉内瓶颈速度。
　　3．2  机组速度的选择和切换
　　根据各炉子的功能特点及通板限制，把整个炉段分成2个大区域来进行最佳机组速度的选择和切换：(1)选取PHF—1C区段最大机组速度VScp1(各段的最小瓶颈速度)；(2)选取OA—2C区段最大机组速度VScp2(各段的最小瓶颈速度)；(3)选取整个炉段的最大机组速度VSmin=MIN(VScp1，VScp2)。
　　通过以上计算，各种材质、规格的产品生产瓶颈速度就被计算出来。图2为典型的材质一规格一瓶颈速度的关系示意图。

　　4  动态调节机组速度的控制
　　连退机组的自动板温控制偏差主要出现在加热炉，而加热炉的板温控制偏差主要出现在动态变规格时。因此，动态速度调节模型主要考虑的是在生产过程中，当加热炉中的目标板温、带厚等发生变化时，如何通过调速来提高板温的响应速度。即通过预测计算，找出合适、不影响机组稳定生产的微小速度变动量，及时消除即将出现的板温偏差。
　　设：DTS为目标板温的变化量；SVF(A)为炉温系数；DSS(k)为THx yj变化引起的板温变化值。
　　下面分别对加热炉中可能出现的典型情况予以分析：
　　(1)目标板温变化而带厚不变(图3)

　　(2)目标板温不变而带厚变化(图4)

　　(3)目标板温和带厚均变化(图5)

    然后根据计算的DTS正负情况来决定机组的升、降速。当前带钢的最佳运行速度计算方法如下：
    当-1O℃<DTS<1O℃时，则Vs=Va。
    式中，Vs为当前机组速度设定值；Va为当前机组实际速度。
    当DTS>IO~C时：以Va为Vs的初始设定值进行循环减速计算。
    如果循环完后还没有达到，则为了避免带钢出现热瓢曲或跑偏，放弃进一步调节尝试，直接设定极限值：Vs=Vdmax。
    当DTS<-1O℃时，作加速处理，计算原理同减速处理。
    然后，根据计算结果确定当前最佳速度设定值Vset。
    在上述循环计算中，每循环一次速度上升或下降5m／min，必定涉及到速度的加速度问题，而加速度的取值在模型中是通过查表得到，它随退火曲线代码、带钢厚度、带钢宽度的不同而不同，是实际生产经验值。
    5  机组代表速度的确定
    板温预测模型中用到了当前机组速度参数，由于预测计算是周期进行的，所以速度数据取样的准确性非常重要。因为在前后二次计算中间，可能会发生包括速度在内的许多参数值的变化。模型中的速度参数Vs(t)不能采用当前机组速度Va(t)值，必须考虑中间过程的速度变化情况。根据经验积累，设计了如图6所示的取样处理。从图6看出，各取样点所代表的速度用表2表示。

    因为观测点n已在炉子出口，而且炉子出口的速度相对人口而言，对板温所起的作用明显要大，所以应适当加大此处的权重。根据这样的思想，可以把炉子的代表速度定义成如下的计算式：

    其中：

    可以看出，Cvs的值越小，炉子出口速度的权重越大。
    式中，rd表示最后一个取样点离炉子人口的时间间隔余量。
    代表速度计算式中，速度系数Cvs的自学习处理：
    当板温实际值与预测值产生偏差时，速度系数Cvs应能自动地根据当时的机组速度变化及板温偏差‘的正负情况，及时调整代表机组速度，消除预测板温偏差s，提高模型计算精度，即：
    (1)当带钢实际板温高于预测板温(ε(t)>0)时，说明计算中使用的代表速度比实际速度大，使得计算出的板温预测值偏低，必须降低代表速度以得到较高的板温计算值(预测值)：
    a)若Va(t—1)>Va(t—2)，要实现降速，必须减小Va(t—1)的权重，即增大CVs值。速度系数CVs自学习处理后的控制效果见图7。

    b)若Va(t—1)<Va(t—2)，要实现降速，必须加大Va(t—1)的权重，即减小Cvs值。
    (2)当带钢实际板温低于预测板温(ε(t)<0)时，情况正好与上面相反。
    (3)代表速度与实际速度的偏差与当时的速度值成反比，因为相同的偏差量在高速时所产生的影响较小。因而Cvs的调整量与实际速度成反比。
    根据这样思想，NSC通过长期实践，使用了如下计算式来学习C。参数。

    其中，Ccvs是自学习增益值，一般取较小的值，避免学习结果变动太大；ε(2)是模型的板温误差。
　　6  结语
    连退机组的稳定通板技术是一项综合性的控制技术，集中了炉辊制造、机械安装、张力控制、跑偏控制、加热控制、冷却控制、速度控制等核心技术，是稳定生产的关键，是各钢铁企业科研人员追求的目标。本文尝试在总结、分析宝钢其它几条连退生产线这几年来的生产经验的基础上，研究和解决目前存在的技术问题，这对设备维护、生产操作、提高产品质量和生产作业率都具有十分重要的意义。