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(xiàng)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(jī)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(jìn)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(jì)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(shí)際終軋溫度、實(shí)際卷取溫度、冷卻水溫度、帶鋼實(shí)際運(yùn)行速度、帶鋼艦格尺寸等，模型的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(shí)時狀態(tài)下的預(yù)設(shè)定計(jì)算、修正計(jì)算、自學(xué)習(xí)計(jì)算、過程跟蹤等重要功能。通過合理的進(jìn)程分配，使模型系統(tǒng)對應(yīng)的三個進(jìn)程，預(yù)設(shè)定進(jìn)程、修正設(shè)定進(jìn)程、自學(xué)習(xí)進(jìn)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(jìn)程管理、控制邏輯、跟蹤、數(shù)據(jù)通信等進(jìn)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(jì)算點(diǎn)時的水冷溫降計(jì)算，以修正設(shè)定計(jì)算時的速度與噴水冷卻時實(shí)際速度的偏差；自適應(yīng)計(jì)算時的速度跟蹤用于獲得帶鋼樣本在各冷卻段下的實(shí)際速度，從而計(jì)算出帶鋼的實(shí)際水冷溫降后進(jìn)行自學(xué)習(xí)的計(jì)算。樣本組態(tài)的跟蹤采用對角形跟蹤方法，將Eulerian坐標(biāo)下的集管組態(tài)，通過編排后轉(zhuǎn)化

5、為Lagrangian動態(tài)坐標(biāo)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(biāo)，以滿足冷卻過程中間溫度和冷卻速率為加強(qiáng)目標(biāo)

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(jì)算的中間溫度同目標(biāo)中間溫度作比較，調(diào)整冷卻強(qiáng)度，實(shí)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(yàn)，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(jìn)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(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)流動模擬計(jì)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)的方法，卷取溫度預(yù)報(bào)值與實(shí)測值的標(biāo)準(zhǔn)差比多元回歸方法的計(jì)算值降低了近20％。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法在處理類似計(jì)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(qiáng)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(shí)時控制，具有很強(qiáng)的實(shí)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