熱軋帶鋼層流冷卻過程的建模與控制研究.pdf

1、以攀鋼1450熱軋帶鋼廠改造項目為背景，以熱帶鋼控制冷卻過程系統(tǒng)為研究對象，以設(shè)定模型和控制方法為主線，對冷卻過程控制機制、控制模型系統(tǒng)框架、熱物性參數(shù)的變化規(guī)律及冷卻均勻性控制方法、溫度和冷卻速率的精度控制策略、適應(yīng)冷卻均勻性的冷卻裝黃結(jié)構(gòu)等進行了研究，開發(fā)了相應(yīng)的在線控制軟件，現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的效果。研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下： (1)建立了具有線性結(jié)構(gòu)特征的熱帶鋼控制冷卻過程數(shù)學(xué)模型。模型建立于對國內(nèi)外冷卻模型的比較分析的基

2、礎(chǔ)上，充分考慮了帶鋼與環(huán)境之間的輻射換熱、與冷卻水的對流換熱、側(cè)噴冷卻水的影響。其中用于水冷溫降計算的熱流密度模型，以各影響因素線性疊加的形式構(gòu)建，影響因素包括實際終軋溫度、實際卷取溫度、冷卻水溫度、帶鋼實際運行速度、帶鋼艦格尺寸等，模型的優(yōu)點在于對邊界條件變化的響應(yīng)速度快、精度高。按照模型中重要的熱物性參數(shù)熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱隨溫度和化學(xué)成分變化而變化的規(guī)律，以插值法建立了以溫度和化學(xué)成分為自變量的權(quán)重系數(shù)模型。在此基礎(chǔ)上對帶鋼厚度方向溫

3、度分布進行了研究，得出冷卻過程中厚度方向的溫度分布形式是拋物線形，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的增減趨勢決定了溫度響應(yīng)二次曲線的凸凹形式，為有效解決表面溫度和平均溫度之間轉(zhuǎn)換提供了依據(jù)。 (2)建立了具備穩(wěn)定性和精確性的二級設(shè)定模型系統(tǒng)。模型系統(tǒng)具備實時狀態(tài)下的預(yù)設(shè)定計算、修正計算、自學(xué)習(xí)計算、過程跟蹤等重要功能。通過合理的進程分配，使模型系統(tǒng)對應(yīng)的三個進程，預(yù)設(shè)定進程、修正設(shè)定進程、自學(xué)習(xí)進程在控制觸發(fā)邏輯、時序以及共享數(shù)據(jù)區(qū)及數(shù)據(jù)流程

4、的關(guān)聯(lián)方面，與二級系統(tǒng)的進程管理、控制邏輯、跟蹤、數(shù)據(jù)通信等進程能協(xié)調(diào)穩(wěn)定地工作。提出了過程級的跟蹤策略，包括對速度的跟蹤和對樣本組態(tài)的跟蹤。前饋控制時速度的跟蹤用于具有再計算點時的水冷溫降計算，以修正設(shè)定計算時的速度與噴水冷卻時實際速度的偏差；自適應(yīng)計算時的速度跟蹤用于獲得帶鋼樣本在各冷卻段下的實際速度，從而計算出帶鋼的實際水冷溫降后進行自學(xué)習(xí)的計算。樣本組態(tài)的跟蹤采用對角形跟蹤方法，將Eulerian坐標下的集管組態(tài)，通過編排后轉(zhuǎn)化

5、為Lagrangian動態(tài)坐標下的結(jié)果，這種方法適于帶鋼速度波動的工況。 (3)系統(tǒng)具有多種冷卻策略和控制冷卻速率的功能。原有的二級數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)具備單一的前段主冷策略，限制了復(fù)相鋼以及鐵素體區(qū)軋制鋼的研發(fā)和生產(chǎn)，新的層冷二級模型系統(tǒng)除了具有前段主冷模式外，還有后段主冷以及以集管組為單位的稀疏冷卻，為高附加值熱帶產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)提供了很好的冷卻平臺。新模型系統(tǒng)以卷取溫度精度控制為核心目標，以滿足冷卻過程中間溫度和冷卻速率為加強目標

6、。由于輸出輥道上沒有安裝中間測溫儀，采用軟測量的方法，以模型計算的中間溫度同目標中間溫度作比較，調(diào)整冷卻強度，實現(xiàn)冷卻速率的控制。同時為了便于現(xiàn)場冷卻工藝及冷卻策略的確定及檢驗，開發(fā)了熱帶鋼層流冷卻過程仿真軟件，可對不同冷卻策略下的帶鋼冷卻歷程進行動態(tài)顯示。 (4)采用ANSYS有限元分析軟件，對直集管和U形管中的流體流動進行了三維穩(wěn)態(tài)流動模擬計算，得知采用套管以及阻尼板，其上有阻尼孔的結(jié)構(gòu)，在集管入口冷卻水速度合理的情況下，可

7、以保證噴嘴出口冷卻水的速度和流量均勻，這對于提高冷卻介質(zhì)的冷卻效率以及保證帶鋼寬向的冷卻均勻非常重要。通過比較熱軋帶鋼軋后經(jīng)過常規(guī)層流冷卻以及超快速冷卻情況下橫斷面上溫度和熱應(yīng)力分布的不同，采用畢渥準則，分析了UFC的應(yīng)用條件。對于較厚的帶鋼，采用前置式UFC時，在UFC下的冷卻時間應(yīng)控制在0.7～1.2秒之間。另外也可考慮采用后置式UFC進行超快速冷卻，來獲得較低的卷取溫度。 (5)采用多元回歸以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法，對冷卻過程

8、基本熱流密度進行了計算。計算結(jié)果表明，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報的方法，卷取溫度預(yù)報值與實測值的標準差比多元回歸方法的計算值降低了近20％。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法在處理類似計算水冷基本熱流密度這樣的存在噪音影響或變量間具有較強的非線性關(guān)系的問題時，具有其優(yōu)勢。 本文的研究結(jié)果，針對熱帶鋼軋后冷卻在線實時控制，具有很強的實用性。所開發(fā)的熱帶鋼層流冷卻過程控制模型已成功應(yīng)用于攀鋼1450熱軋帶鋼廠的改造，為我國熱軋帶鋼控軋控冷過程模型控制研究起到