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北台1780mm热连轧终轧温度过程控制模型研究
【摘 要】针对北台1780mm热连轧精轧温度控制系统，分析研究了现有精轧机组模型设定计算温度的控制过程，给出了相关温度计算的数学模型，提出了基于现场实际情况优化温度控制的策略，提高了精轧出口目标温度控制精度，改善了换钢种、换厚度规格温度控制的效果。
【关键词】热轧带钢 模型 终轧温度 设定计算 自学习
0.前言
带钢温度是热连轧生产过程中几个最重要的工艺参数之一，由于温度将直接影响到热连轧各机架轧制力，因此精确预报精轧机组各机架的轧制温度是保证厚度、板形及宽度数学模型命中率的关键[1]。带钢全长上温度分布的均匀性将直接影响到产品的厚度、板形和宽度的均匀性，控制温度使其在带钢全长上的均匀，可确保带钢全长的质量控制，同时可改善AGC，ASC，AWC的控制效果。
1.热轧带钢温度控制的数学模型
数学模型是实现生产过程计算机控制的基础。热轧带钢的数学模型按照机理性模型和经验统计模型，根据现场实际温升、温降情况定义，主要包括带钢在中间辊道以及精轧穿带过程中的辐射温降、精轧入口的除鳞温降、带钢与轧辊的接触温降、带钢轧制变形温升以及摩擦温升，即三种温降、两种温升方式[2]。北台1780mm热轧生产线模型是从美国IPSS公司引进的，其温升、温降的主要数学模型如下：
1.1 辐射温降数学模型
式（1）中：

Tr--带钢在空气中的辐射温降；
Kr--带钢表面辐射温降模型系数；
Ke--带钢辐射系数；
Sb-- Stefan-Bolzmann辐射常数5.67*10-14；
H--带钢厚度；
W--带钢宽度；
T--带钢温度；
Ta--环境温度；
Cp--带钢比热系数；
D--带钢密度；
dTim--带钢辐射温降时间。
1.2 喷水温降数学模型
式（2）中：

Ts--带钢喷水温降；
Ks--带钢喷水温降系数；
Fs--机架间喷水流量；
Ps--喷水压力；
Te--带钢未经喷水前的温度；
Tw--水温；
Cp--带钢比热系数；
H--喷水时的带钢厚度；
D--带钢密度；
V--工作辊线速度。
1.3 轧辊接触温降数学模型
式（3）中：

Tc--带钢与轧辊接触温降；
Kc--带钢接触温降系数；
Te--轧辊咬钢时的带钢温度；
Tr--工作辊温度；
Havg--机架入口、出口的带钢平均厚度；
Th--带钢导热系数；
L--接触弧长；
PI--∏；
Cp--带钢比热系数；
D--带钢密度；
V--工作辊线速度。
1.4 带钢轧制变形温升数学模型
式（4）中：

Td--带钢轧制变形温升；
Kd--带钢变形温升系数；
P--带钢轧制功率；
L--接触弧长；
V—工作辊线速度；
Cp--带钢比热系数；
D--带钢密度；
Havg--机架入口、出口的带钢平均厚度；
W--带钢宽度。
1.5 带钢轧制摩擦温升数学模型
式（5）中：

Tf—带钢轧制摩擦温升；
Kf--摩擦温升系数；
F--轧制力；
Cp--带钢比热系数；
D--带钢密度；
Havg--机架入口、出口的带钢平均厚度；
W--带钢宽度。
带钢经过每个机架出口温度变化值（Tout）都按照以上5个温降温升模型进行温降计算，即：

根据精轧入口温度逐个计算各机架入口、出口的带钢温度变化值，最终获得精轧出口温度值。
2.终轧温度控制相关设备简介
北台1780mm热连轧生产线设有一系列测温点，包括钢坯出炉温度、粗轧区内及粗轧出口处温度，精轧入口及精轧出口处温度等。这些测量点所能测到的仅是轧件表面温度，由于表面氧化铁皮影响或除鳞后表面温度过低以及轧件厚度过大，内部温度不均等原因无法测量到轧件的实际温度（平均温度）。
表1 北台1780mm热连轧生产线终轧温度控制相关设备
设备
位置
高温计
高压除鳞水
带钢冷却水
上、下喷嘴
轧辊冷却水
机架F1前
2个，取高值
3组
×
F1√
F1-F2之间
×
预留1组
√
F2√
F2-F3之间
×
预留1组
√
F3√
F3-F4之间
×
×
√
F4√
F4-F5之间
×
×
√
F5√
F5-F6之间
×
×
√
F6√
F6-F7之间
×
×
√
F7√
机架F7后
2个，取高值
×
×
×
备注
精轧入口区（F1）前有热卷箱
目前条件较好的测量点为粗轧区出口及精轧出口处，这两个点由于轧件刚从轧机轧出，表面状态好，所测温度能较好地反映带钢表面温度。精轧入口区域的温度测量点虽然会受到带钢表面氧化铁皮的影响，但由于精轧入口区域的温度测量点距离精轧机组较近，粗轧出口到达精轧入口区域时带钢表面生成的氧化铁皮对温度测量值的影响也较为稳定，根据其测得的带钢表面温度通过相应的计算也可得到带钢实际的平均温度。
根据现场实际情况可选择粗轧区出口或精轧区入口的实测温度作为计算精轧各机架入、出口以及精轧出口处温度的依据。模型采用精轧出口高温计的实测温度进行设定计算自学习，纠正模型设定计算误差，提高模型控制精度。
3.终轧温度控制
终轧温度控制精度包括带钢头部温度的命中率以及带钢全长温度的均匀性，精轧机组温度设定的目的是把带钢的头部温度控制在所要求的范围内；基础自动化级以带钢头部终轧实测温度或目标温度为基准，调整速度和机架间喷水流量以确保带钢全长温度的均匀性。
带钢的头部及全长温度控制主要通过调整机架间喷水及穿带速度两种手段来控制带钢终轧温度，使其达到所要求的目标范围。考虑生产产量问题，北台1780mm热连轧生产线的终轧温度控制采用首选最大穿带速度，机架间喷水优先调整带钢温度的原则设定计算精轧出口带钢头部温度。
3.1 穿带速度设定
根据精轧机组各机架电机极限条件值、飞剪剪切最小转动惯量、卷取机卷钢能力、轧钢工艺条件（厚、窄、速度过快容易使带钢穿带不稳定等条件），确定精轧的最大、最小穿带速度值并存储于模型表中，见表2。精轧穿带速度设定优先取模型表中的最大穿带速度，以便实现生产产量最大化。
穿带速度设定计算的主要目的是确定最佳穿带速度以获得终轧目标温度，同时计算dT/dV（温度/速度的偏导），以便在需要调整穿带速度时得到最佳的穿带速度满足目标温度。如果设定计算的终轧目标温度精度在允许的精度范围内，先保持穿带速度不变，优先调整喷水量。优先调整喷水有利于精轧机组各设备处于稳定状态，如果机架间喷水全关或全开仍达不到终轧目标温度，则重新确定穿带速度，由于穿带速度选择最大穿带速度，所以速度调整可降不可升。
表2 某钢种级别表（TRD）各厚度规格穿带速度区间
厚度级别（mm）

穿带速度
0
～
1.8
1.8
～
2.2
2.2
～
2.6
2.6
～
3.4
3.4
～
4.4
4.4
～
5.9
5.9
～
7.9
7.9
～
10.9
10.9
～
15.9
15.9
以上
最小穿带速度（m/s）
5.0
5.0
4.5
4.0
4.5
3.0
3.0
3.0
2
2
最大穿带速度（m/s）
9.5
10.0
10.0
9.0
7.2
7.0
5.6
5.5
4
3.2
3.2 机架间喷水设定
模型在终轧温度的初始计算时，在各机架间喷水可用的前提下，首先各机架间喷水给定了初始流量（60 60 60 60 60 150（立方米/小时）），在初始流量计算的基础上，如果达不到目标温度，便在各机架初始流量的基础上依次增加或减少水量。在水冷换热系数相同的情况下，下游机架轧件厚度减薄，有利于带钢喷水冷却效率的提高，下游喷嘴冷却效率高。模型采用逆向（下游→上游）增加机架间喷水水量，顺向（上游→下游）减少机架间喷水水量的控制方式，以最小喷水量达到终轧温度控制目标范围，并且可以减少能耗，降低电机功率。根据机架间喷水优先，速度调整其次的原则，北台1780mm热连轧终轧温度控制的总体控制基本流程见图1。
否
高
低
是
否
是
否
是
初始化、给定初始喷水量
确定各喷水集管初始水量及冷却系数
获取模型表最大穿带速度为设定穿带速度
计算终轧温度及温度/水量、温度/速度变化关系等相关参数
终轧温度是否达到精度范围？
结束
终轧温度高
终轧温度低
顺向减少机架间喷水
逆向增加机架间喷水
喷嘴全开或全闭？
喷水水量可以调整？
终轧温度比目标温度高或低？
降低穿带速度，但不得低于最小穿带速度
根据新确定的穿带速度重新计算终轧温度
终轧温度达到精度范围？
按系数提高穿带速度
但不得高于最大穿带速度
报警：喷水达到极限，调整穿带速度!

图1 终轧温度设定基本流程图
3.3 温度自学习
对于某个物理系统而言，任何数学模型都会存在一定的误差。系统模型自学习的目的根据精轧出口高温计实测数据，通过相应的算法减少模型计算误差，提高整个控制系统的精度。
在带钢穿带完成后时，模型采集精轧出口高温计实测数据以及相关数据，根据这些实际数据反算温度。将重新算回的各参数的回算值与实测值进行比较，通过修正模型中各公式的系数，最终使回算值与实测值相等，当进行下一块的设定计算时，即可使预测值与实测值相近。温度模型自学习使模型的预测值不断接近实测值，使温度计算的更准确。
4.几种优化终轧温度控制的有效手段
针对现场生产的终轧温度问题，总结改善终轧温度控制效果主要手段如下：
(1) 保证炉内烧钢均匀，板坯在炉烧钢时间。
(2) 改善仪表测量环境，特别在冬季环境温度差的情况下，确保高温计测量准确。
(3) 保证冷却水水温、水压恒定。
(4) 在外围条件保证的前提下，根据实际情况可优先调整模型冷却水温降、辐射温降系数，以提高模型计算精度。
5.实际应用效果
经过两年多的多钢种、多规格的轧制，实际结果证明该温度控制模型具有较高的控制精度，典型钢种及厚度规格的控制效果见表3。
表3 典型钢种及厚度规格的温度控制效果
钢种
厚度（mm）
公差范围
控制精度
Q235
2.75～9
±20℃
98%
Q345
4.5～10
±20℃
96%
L415MB
7～14
±20℃
90%
花纹板
2.75～5
±20℃
89%
6.小结
基于温升、温降数学模型的基础上，采用喷水优先、最大穿带速度、顺向减少水量、逆向增加水量的方式控制终轧温度获得了较好的控制精度。通过保证在炉时间、炉内烧钢良好、保证仪表测量环境、冷却水水温稳定、水压恒定等外围条件，有利于终轧温度控制精度的提高。
参考文献
[1] 孙一康，带钢热连轧的模型与控制，北京：冶金工业出版社，2002。
[2] 龚殿尧、徐建忠、刘相华、王国栋，热连轧带钢终轧温度的影响因素，东北大学学报，Vol.27，No.7，2006。
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