中厚板轧后高密度管层流快冷控制模型

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2002.05.016 第24卷第5期 北京科技大学学报 Vol.24 No.5 2002年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2002 中厚板轧后高密度管层流快冷控制模型 侯安全 蔡庆伍米振莉徐福昌赵永忠 北京科技大学高校轧制国家工程研究中心，北京100083 摘要根据鞍钢厚板厂投产的国内第一套中厚板轧后高密度管层流控冷装置的特点，结合 理论分析，建立了一套适用于中厚板轧后快冷的控制用数学模型.该模型由层流冷却预设定冷 却模式、各预设定冷却模式下终冷返红温度预报模型、终冷返红温度修正模型、自学习模型等 组成，且该套模型已在鞍钢厚板厂投人使用， 关键词中厚板；高密度管层流；快冷；控制模型 分类号TG335.5*1 鞍钢厚板厂投产的高密度管层流轧后控冷 性最强以及设备反应最快的控制钢板终冷温度 系统是由我国自行设计制造的.控制精度高、实 的手段.根据鞍钢厚板厂控冷设备的实际，快冷 用于现场生产、适应性强、控制方式简单的控冷 控制用数学模型采用了如下控制思路： 数学模型是整个系统的重要组成部分.中厚板 (1)计算机首先根据钢板的材质和控轧控冷 在采用高密度管层流空冷装置进行轧后冷却过 工艺所要求的Q,V和N进行预设定 程中，每组集管的流量、辊道速度、集管开启组 (2)当终轧后的钢板进入控冷区前，对钢板 数、钢板厚度及冷却水温度对钢板冷却后温度 的实际温度即开冷温度T进行实测，计算机根 有十分重要的影响，从而影响钢板冷却后的组 据该实测温度和返红温度预报模型对控冷后钢 织性能.由于中厚板在轧后快冷过程中传热的 板的终冷温度进行预测，若预测终冷温度超出 复杂性和实际生产中影响因素的多变性使得理 目标终玲温度允许范围，测计算机对预设定的 论精确求解中厚板在轧后快冷过程的温度变化 集管开启组数进行动态在线调节，以保证钢板 和终冷温度是非常困难的，因此，实际现场在线 终冷温度达到目标终冷温度， 控制用的数学模型多采用仪考虑主要影响因 (③)为保证模型的控制精度和提高模型的适 素，得到较简单的模型.本文在分析中厚板采 应性，模型还需具备自学习功能 用高密度管层流控冷装置进行轧后冷却过程的 特点后，建立了中厚板高密度管层流轧后快冷 2模型组成 控制用数学模型，并已在鞍钢厚板厂得到应用. 现场控制用数学模型由以下四部分组成： (1)层流冷却预设定冷却模式.控冷计算机 1控制思路 根据控冷钢板的材质、厚度从数据库中查出该 在实际中厚板控冷生产中，影响快冷后钢 材质、厚度下所对应的目标开冷温度、目标终冷 板终冷温度的影响因素主要有：钢板的开冷温 温度和最佳冷却速度，并确定总冷却水量、辊道 度T,钢板厚度H,每组集管的冷却水量2，集管 速度、各集管预设定开启方式、各集管开口度设 开启组数N,冷却区辊道速度V,冷却水温度T. 定值等控冷预设定参数，进行预设定 等.在一定的生产条件下，可用来调整快冷后钢 (2)各预设定冷却模式下终冷返红温度预报 板终冷温度的变量是Q,N和V.但为了保证控 模型.根据该模型和水冷区入口钢板温度实测 冷后钢板温度的控制精度和从现场设备的可操 值，计算机可对所采用的预设定冷却模式下的 作性来讲，计算机根据实测的钢板开冷温度动 钢板终冷返红温度值进行预报，作为计算机对 态地调节集管开启组数是控制最直接、可操作 钢板终冷返红温度进行控制和修正的依据. 收稿日期2001-06-20侯安全男，32岁，工程师 在控冷用数学模型中，返红温度预报模型

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 】 中厚板轧后高密度管层流快冷控制模型 侯安全 蔡庆伍 米振莉 徐福 昌 赵永忠 北京科技大学高校轧制国家工程研究中心 ， 北京 摘 要 根据鞍钢厚板厂投产 的国 内第一套 中厚板轧后 高密度管层 流控冷装 置 的特点 ， 结合 理论分析 ， 建立 了一套适用 于 中厚板轧后快冷的控制用数学模型 该模型 由层流冷却预设定冷 却模式 、 各预设定冷却模式下终冷返红温度 预报模型 、 终冷返红温度修正模型 、 自学 习模型 等 组成 ， 且该套模型 已在鞍钢厚板厂投人使用 关键词 中厚板 高密度管层 流 快冷 控制模型 分 类号 鞍钢厚板厂 投产的高密度管层流轧后控冷 系统是 由我 国 自行设计制造 的 控制精度高 、 实 用 于现场生产 、 适应性强 、 控制方式简单 的控冷 数学模 型 是整个系统 的重 要组 成部分 中厚板 在采用高密度管层流空 冷装置进行轧后冷却过 程 中 ， 每组集管的流量 、 辊道速度 、 集管开启组 数 、 钢板厚度及冷却水温度对钢板冷却后 温度 有 十分重要 的影 响 ， 从而影 响钢板冷却后 的组 织 性 能 由于 中厚板在轧后 快冷过程 中传热 的 复杂性和 实际生产 中影响因素的多变性使得理 论精确求解 中厚板在轧后快冷过程 的温度 变化 和终冷温度是非常 困难 的 ， 因此 ， 实际现场在线 控 制用 的数学 模 型 多采 用 仅 考 虑 主 要 影 响 因 素 ， 得 到较简单的模型 ‘冈 本文在分析 中厚板采 用 高密度管层流 控冷装置进行轧后冷却过程 的 特点后 ， 建立 了 中厚板高密 度管层流 轧后快冷 控制用数学模型 ， 并 已在鞍钢厚板厂得到应用 性最强 以及设备反应最快的控制钢板终冷温度 的手段 根据鞍钢厚板厂控冷设备的实际 ， 快冷 控制用数学模 型 采 用 了如下控 制思 路 计算机首先根据钢板 的材质和控轧控冷 工艺 所要 求 的 ， 和 进行预设定 当终轧后 的钢板进人控冷 区前 ， 对钢板 的实际温度 即开 冷温度 进行实测 ， 计算机根 据该实测 温度和 返红温度 预报模型 对控冷后钢 板 的终冷 温度进行预测 ， 若预测 终冷温度超 出 目标终冷温度允许范 围 ， 则计算机对预设定 的 集管开启组数进行动态在线调 节 ， 以保证钢板 终冷温度 达 到 目标终冷 温度 为保证模型 的控制精度和提高模型 的适 应 性 ， 模型 还需具备 自学 习 功 能 控制思路 在实际 中厚板控冷生 产 中 ， 影 响快冷后钢 板终冷温度 的影 响 因素主要有 钢板 的开 冷温 度 ， 钢 板厚度 ， 每组集管 的冷却水量 ， 集管 开启组 数， 冷却 区辊道 速度 ， 冷却水温度 等 在一定 的生产条件下 ， 可用来调整快冷后钢 板终冷温度 的变量是 ， 和 但为 了保证控 冷后 钢板温度 的控制精度和从现场设备的可操 作性来讲 ， 计算机根据实测 的钢板开 冷温度 动 态地调 节集管开启组数是控 制最直接 、 可 操作 收稿 日期 一 一 侯安全 男 ， 岁 ， 工程师 模型组成 现场控制用 数学模型 由以下 四部分组成 层 流 冷却预设定冷却模式 控冷计算机 根据控冷钢板 的材 质 、 厚度从数据库 中查 出该 材质 、 厚度下所对应 的 目标开冷温度 、 目标终冷 温度和最佳冷却速度 ， 并确定 总冷却水量 、 辊道 速度 、 各集管预设定开启方式 、 各集管开 口 度设 定值等控冷预设定参数 ， 进行预设定 各预设定冷却模式下终冷返红温度预报 模型 根据该模 型 和水冷 区人 口 钢板温度 实测 值 ， 计算机可对所采用 的 预设定冷却模式下 的 钢板终冷返红 温度 值进行预报 ， 作为计算机对 钢板终冷返 红温度进行控制和修正 的依据 在控冷用 数学模型 中 ， 返红 温度预报模型 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．05．016

Vol.24 侯安全等：中厚板轧后高密度管层流快冷控制模型 ·545· 是整个模型的关键与核心，其实用性与控制精 现以板厚为25mm,辊道速度为1m/s,冷却 度直接影响控冷后产品的性能，返红温度的计 水温度为18℃为例，将式(10)用泰勒公式在 算模型由以下推导得出 V=1.0m/s,H=25mm,T=18℃处展开，取一次 根据牛顿冷却公式： 项后近似得： Q=aA△T (1) b=a[bo-b(V-1.0)-b(H-25)-b(Tw-18t] 式中，a为对流换热系数，W(m2.℃)；A为换热表 (12) 面积，m2;△T为流体与钢板表面温度差，△T= 式中，b~b为常数项，为误差项. (T。-T),℃；T为流体温度，℃；T为钢板表面温 令B。=aob,B1=aob1,B2=ab,B3=a%b3 (13) 度，℃.对式(1)进行微分后得： 式(13)代入式(12)整理后可近似得： do=aAATdr (2) b=B。-B(V-1.0)-B(H-25)-B(T.-18)(14) 钢板在N组集管冷却下，假设：①每组集管 将式(14)代入式(11)得： 对钢板的冷却能力都相同；②钢板上下两面冷 T=T-NMB。-B(V-1.0)-B(H-25)-B,(T.-18)] 却情况相同；③忽略钢板冷却过程中的相变热 即终冷返红温度预报值： 对钢板终冷温度的影响；④不考虑钢板在控冷 T。=T (15) 区的热辐射及其与辊道间的热传导.根据热力 (3)终冷返红温度修正模型.计算机将根据 学第一定律可得： 式(15)计算的终冷返红温度预报值与目标值T CppBLHdT=-2NaBB(T.-T.)dt (3) 进行比较，若差值超出控制允许误差值δ，则计 式中，C为钢板的热容，kJkg.℃'；p为钢板密 算机根据终冷返红温度修正模型对高密度管层 度，kgm3；B为钢板宽度，m;L为钢板长度，m; 流冷却系统的预设定冷却模式进行修正，以保 H为钢板厚度，mm;N为开启的集管组数，组；B, 证终冷返红温度达到目标值范围.终冷返红温 为冷却器幕头纵向宽度，m. 度修正模型如下： 根据文献[刀，管层流冷却的平均对流换热 令△T=Tm-T,1△T≤6，不进行修正 系数： 当△1>6，需进行修正.即当△T>+6时，需 a9.72×10W03[(2.50-1.5lgT)D/P1P.]65× 增开集管；当△T<-时，需关闭集管.需调整的 1.163/T.-Tw) (4) 集管数为 式中，W为水流密度，m/min;D为喷嘴直径，m;P, △W=△T[B,-B,(V-1.0)-B(H-25)-B(T.-18)] 为轧制方向喷嘴间距，m;P.为垂直于轧制线方 (16) 向喷嘴的间距，m.将式(4)代入式(3)并整理得： (4)自学习模型.若实际终冷返红温度超出 dT=-1.46×10Wm.35M(2.50- 目标值允许范围，则需对该预设定冷却模式下 1.51gT.)B,D/(PP.Lp C H)] (5) 终冷返红温度预报模型进行自学习，对计算公 式(5)中B,D,P,P。为冷却器设备参数，为定值； 式中的A进行修正.自学习方法如下. P,C,为钢板物性参数，在冷却过程中可视为常 终冷返红温度T的预测公式为： 数；W在每组集管冷却水流量恒定的情况下为 Tm=Ao+T,-N[B。-B(V-1.0)- 定值.令 B(H-25)-(Tw-181. a=-1.46×10°W35B,D/P1P.pC） (6) 将T,N,V,T的实际值T,N,V,T及H代入 式(5)又可整理为： 上式，则 dT=-aN[2.50-1.5lgT.)/LH0]d (7) Tm=A+T-N[B。-B,(V- 以T,表示钢板开冷温度，T表示水冷后钢板的终 1.0)-B(H-25)-B,(Tw-18)] (17) 冷温度，1为冷却时间，=L/少，V为钢板在冷却区 若Tm-T≤6(T为本块钢返红温度的实际 的运行速度（即辊道速度，/s),然后对式(7）两 值)，模型不进行自学习.若Tm-T>,则对模型 边积分得： 中A进行自学习. T=T-aN2.50-1.5lgT.)/V0 (8) A6=Tm-T-NMB。-B(-1.0)-(H-25)- T=-ao M2.50-1.5LgT.)/(L H)]t (9) B,(T-18)], 令b=a(2.50-1.5lgT)/VH0 (10) Aore=A0ond+B(Ao-Aoo) 则 T=T-N.b (11) 式中，B为修正系数，0<B≤1，一般可取B=0.3

从】】 侯 安全等 中厚板 轧后 高密 度 管层 流 快冷控 制模 型 是整个模型 的关键与核心 ， 其实用 性 与控制精 度直接影 响控冷后 产 品 的性能 ， 返红 温度 的计 算模型 由以 下 推导 得 出 〔， 根据牛 顿冷却公式 △ 式 中 ， 为对流换热 系数 ， ， · ℃ 为换热表 面 积 ， 耐 △ 为 流 体 与钢 板 表 面 温 度 差 ， △ 兀 一 ， ℃ 为流体温度 ， ℃ 兀为钢板表面温 度 ， ℃ 对式 进行微分后得 △ 钢板在刃组 集管冷却下 ， 假设 ①每组集管 对钢板 的冷却能 力都相 同 ② 钢板 上下 两 面冷 却情况相 同 ③ 忽略钢板冷却过程 中的相 变热 对钢板终冷温度 的影 响 ④ 不 考虑 钢板在控冷 区 的热辐 射及其与辊道 间 的热传导 根据热力 学第一定律可得 户 一 兀 一 式 中 ，几 为钢 板 的热容 ， · 纯 一 ’ · ℃ 一 ’ 为钢板密 度 ， 吨 · 一 ， 为钢板宽度 ， 为钢板长度 ， 为钢板厚度 ， 为 开启 的集管组数 ， 组 民 为 冷却器幕头 纵 向宽度 ， 根据 文献 ， 管层 流 冷却 的平均对流换热 系数 ，尸 ，， 【 一 尸 ， 兀一 式 中 ， 砰为水流 密度 ， 订 为喷嘴直径 ， 尸 为轧制方 向喷嘴间距 ， 为垂直于 轧 制线方 向喷嘴的 间距 ， 将式 代人式 并整 理得 一 尸 一 户 功 式 中 ， ， 尸 ， 只 为冷却器设备参数 ， 为定值 ， 为钢板物性参数 ， 在冷却过程 中可视 为常 数 砰在 每组集 管冷却水 流 量恒 定 的情况 下 为 定 值 令 。 一 ‘ 肥 ，，，刀 ， 户 式 又 可 整理为 一 。 万 一 功〕 以 表示 钢板开冷温度 ， 界表示 水冷后钢板 的终 冷温度 ， 为冷却 时 间 ， 卜乙 ， 为钢板在 冷却 区 的运 行速度 即辊道 速度 ， 而 ， 然 后 对式 两 边积分得 一 一 功 川至 一 从 一 功」邝 令 一 功 则 只一 · 现 以 板厚为 ， 辊道 速度为 耐 ， 冷却 水 温度 为 ℃ 为例 ， 将式 用 泰勒 公式在 耐 ， ， ℃ 处展开 ， 取一 次 项后 近 似得 。 〔 。 一 一 一 一 一 切〕 式 中 ， 一 为 常数项 ， 」为误差 项 令 。 。 。 ， 刀 ， 。 ，从 ，几 。 。 式 代人式 整 理后 可 近似得 。 一刀 ， 一 一八 一 一刀 一 将式 代人式 得 界二 一从 。 一刀 一几 一 一几 一 〕 即终 冷返红 温 度预报值 几 终冷返红温度修正模 型 计算机将根据 式 计算 的终冷返红温度预报值与 目标值 几 进行 比较 ， 若差 值超 出控制允许误差值 咨 ， 则计 算机根据终冷返 红温度修正模型 对高密度管层 流 冷却系统 的预设定冷却模式进行修正 ， 以保 证终冷返红 温度达到 目标值范 围 终冷返红 温 度 修正 模 型 如下 令△ 几 一 几 ， △ 丛 咨 ， 不进行修正 当 △川劝 ， 需进行修正 即 当△ 十占时 ， 需 增 开集管 当△ 一 占时 ， 需关闭集管 需 调整 的 集管数为 △刀二 △川 。 一刀 ， 一几 一 一乃 一 」 自学 习模 型 若实际终冷返红 温度 超 出 目标值允许范 围 ， 则需对该预设定冷却模式下 终冷返红 温度 预报模型 进行 自学 习 ， 对计算公 式 中的 进行修正 自学 习 方法如下 终冷返红 温度 界的预 测公式 为 几 。 双一 。 一刀 件 一 几 一 一刀 一 」 将 ， ， ， 的实际值厂 ， ’ ， ’ ， 丸 及厅代人 上式 ， 则 几 式一 ’ 〔 。 一刀 厂 一 一八 一 一几 几 一 若 几 一 州 三 占 厂 为本块钢返红温度 的实际 值 ， 模型 不 进行 自学 习 若 几 一 川 劝 ，则对模型 中 。 进行 自学 习 成 几 一 叮一 从 。 一刀 ， 厂 一 一从 一 一 几 兀 一 」 ， 。 。 节 丢一 式 中 ， 刀为修正 系数 ， 刀‘ ， 一 般可 取刀

546· 北京科技大学学报 2002年第5期 0.7.则经自学习后新的终冷温度预测公式为： 3实际应用 To=Aonew+T:-MBo-B(V-1.0)- B(H-25)-B(Tm-18)] (18) 自2000年5月控冷系统在鞍钢厚板厂正式 在线控制用数学模型实现的流程图见图1. 投人生产后，钢板控冷后返红温度可控制在目 标值±15℃的达到了95%，在大生产中达到了非 控冷系统投入 常令人满意的控制效果. 由上位机得到控冷钢板的轧制啊 4 结论 序号、钢种、厚度（或人工键人） (1)提出了一套适用于中厚板轧后高密度管 控冷预设定 层流快冷控制用数学模型，实现了快冷过程的 实测开冷温度 计算机自动控制. (2)采用的简化的快冷返红温度预报公式， 预报返红温度 具有结构简单、通用性好、系数具有规律性且精 否 是否调整集管 度较高的特点. 是 (3)快冷过程中模型在集管预设定基础上具 计算增开/失闭的大、小集管数 备在线动态调整能力，同时具有自学习功能，使 增开/关闭大、小集管 模型在控制方式上能实现更高的控制精度 参考文献 控冷开始 1董希满，水幕冷却下中厚板温度场的研究与应用[D] 实测返红温度 北京：北京科技大学，1992 内 2杨增堂，萤西满，肖安，等，中厚板水幕冷却温度预报 一是否进行自学习 和冷却参数设定模型的研究[).钢铁，1996,31(9)：34 是 3冯光宏，蔡庆武.中厚板轧后水幕冷却控制模型的研 模型自学习 究U.钢铁，1997,32(7)：27 4孙本荣，王有铭，陈瑛.中厚钢板生产M.北京：冶金 是 是否继续控冷 出版杜，1993 王否 5盖格GH,波伊里尔DR著.俞景禄，魏季和译.冶金 (结束) 中的传热传质现象M.北京：冶金出版社，1981 6杨强生.对流传热与传质M北京：高等教育出版社， 图1快冷过程计算机自动控制流程图 1985 Fig.1 Flow chart of the control model in the accelerated 7日本钢铁协会编，王国栋译板带轧制理论与实践M). cooling process 北京：铁道工业出版社，1990 Control Model of Accelerated Cooling for On-Line High-Density Pipe Laminar Flow in Plate Mill HOU Anquan,CAI Qingwu,MI Zhengli,XU Fuchang,ZHAO Yongzhong National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT A mathematic control model used in the accelerated cooling process is presented according to the characteristic of the first set of high-denseness pipe laminar flow accelerated cooling device in China which is built in the Heavy Plate Mill of Anshan Iron and Steel Co.The model consists of the cooling process setting model,the temperature forecast model and the temperature modifying and adapting model.A satisfac- tory precision has been obtained since it was used. KEY WORDS plate;high-density pipe laminar flow;accelerated cooling;mathematic model for control

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 一 则经 自学 习后新 的终冷温度 预测 公式为 几 兀一从 。 一刀 卜 一 几 一 一几 一 在线控制用 数学模型 实现 的流程 图见 图 控冷系统投入 阅呀 一 ‘ 一 一 ， 上位 机得更 序号 、 钢种 、 厚度 或人工键人 控冷预设定 实测开冷温度 计算增开 关闭的大 、 小集管数 增开 关闭大 、 小集管 控冷开始 实测返红温度 是黔居垂续鑫再泣 逞 又兰枣夕 图 快冷过程计算机 自动控制 流程 图 实际应用 自 年 月 控冷系统在 鞍钢厚板厂正式 投入生 产后 ， 钢板控冷后 返红温度可 控制在 目 标值士 巧 ℃ 的达到 了 ， 在大生产 中达到 了非 常令人满意 的控制效果 结论 提 出了一套适用 于 中厚板轧后高密度管 层 流 快冷控制用数学模型 ， 实现 了快冷过程 的 计算机 自动控制 采用 的简化 的快冷返红温度预报公式 ， 具有结构简单 、 通用性好 、 系数具有规律性且精 度较高 的特点 快冷过程 中模型 在集管预设定基础上具 备在线动态调整 能力 ， 同时具有 自学习 功能 ， 使 模型 在控制方式上 能实现更高的控制精度 参 考 文 献 董希满 水幕冷却下 中厚板温度场的研究与应用 【 北 京 北京科技大学 ， 杨增 堂 ，董西满 ， 肖安 ， 等 ， 中厚板水幕冷却温度预报 和冷却参数设定模 型 的研究 钢铁 ， ， 冯光宏 ， 蔡庆武 中厚板轧后水幕冷却控制模型 的研 究 钢铁 ， ， 孙本荣 ， 王 有铭 ， 陈瑛 中厚钢板生产〔 』北 京 冶金 出版社 ， 盖格 ， 波伊里尔 著 俞景禄 ， 魏季和译 冶金 中的传热传质现象〔 北京 冶金 出版社 ， 杨强生 对流传热与传质 北 京 高等教育出版社 ， 日本钢铁协会编 ， 王 国栋译 板带轧制理论与实践 北京 铁道工业 出版社 ， 一 一 ， ， ， ， ， 跳 ， ， 一 飞 ， 奴 ， 一