CN102553950A - 一种薄带连铸生产线轧后冷却系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种薄带连铸生产线轧后冷却系统及其控制方法，涉及一种专门适用于金属轧机或其加工产品的控制设备或方法，包括置于在线热轧机之后的分段式层流冷却装置和冷却控制系统，分段式层流冷却装置包括至少两个层流冷却集管区，其中一个集管区采用小管径喷嘴冷却集管，冷却控制系统为在线双闭环控制系统，包括前馈控制模块、预计算模块、反馈控制模块、卷取前测温模块和自适应学习模块连接构成的双闭环控制回路；双闭环控制回路选择分段式层流冷却装置的至少一个集管区，通过一组控制阀调整所选集管区中的集管开启数量，通过小管径喷嘴冷却集管和在线双闭环控制系统，在有限冷却区域内满足低速轧制的薄带钢在速度和厚度多变过程中的卷取温度精度要求。

Description

一种薄带连铸生产线轧后冷却系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种专门适用于金属轧机或其加工产品的控制设备或方法，尤其适用于利用对产品喷水冷却的薄带连铸生产线轧后冷却系统及其控制方法。

背景技术

薄带铸轧是近终形加工技术中最典型的节能高效型新技术，与传统的连铸和连轧工艺相比具有很多优点：生产成本低、工程投资低、成材率高、节能环保、占地少等，可用于生产高附加值薄规格热轧产品。

基于薄带连铸工艺的优越性，世界各大钢铁公司均投入了大量资金研究开发薄带连铸技术。到目前为止，薄带连铸技术已达到较高水平，并开始了薄带连铸的工业规模生产，一些关键技术正在逐步完善和改进，但是其轧后冷却技术明显落后于连铸技术，尚无完善的冷却装置与方法来达到较高的控制精度。

薄带连铸是一种以转动的轧辊作为结晶器，用液态钢水直接生产薄带的新技术，而最新的工艺要求薄带连铸机组配置在线热轧机，以改进带钢平直度和表面质量。铸带经在线轧制后，除厚度减小外，其表面质量和内部组织也从连铸状态转变为轧制状态。连铸的薄带出热轧机时仍然处于一种凝固不久的状态，温度较高，再加上轧制时的变形影响，薄带极易发生再结晶从而破坏初始柱状晶组织，因此，应提高薄带热轧后的冷却速率和控制精度，抑制再结晶的发生，同时起到细化晶粒，提高带钢性能的作用。

为此，需要在在线热轧机之后安装轧后冷却装置。而薄带连铸的短流程特点，使得冷却区间非常有限，一般只有不到10米的水冷区，而轧后成品厚度只有2～3毫米，带钢速度仅为2～3米/秒，远低于常规热轧的抛钢速度(常规热轧同样规格的带钢速度接近20米/秒)。目前普遍配置的冷却装置为常规层流冷却装置，即喷嘴直径相同、集管间距相等的层流冷却装置，无法兼顾不同温降和冷却速率控制的需要，同时由于低速的薄带在单个集管下的温降很大，达到几十甚至上百度，使得卷取温度上下波动很大，控制精度很低。并且每一块连铸薄带，无论钢种规格是否相同，其浇铸和轧制过程速度和厚度是多变的，厚度和运行速度上都存在较大的差异，上一块带钢的自适应学习系数应用到下一块仍然会产生很大的偏差。同时，为了确保浇铸过程的顺利进行，铸带头部一定距离内轧机是没有压下的，而是在中部进行厚度压下，也就是说整卷带钢的厚度前后是有很大差异的，一般的控制方法满足不了全长控制精度的要求。

中国实用新型专利“一种用于中厚钢板或钢带热轧后的冷却装置”(实用新型专利号：ZL98205303.7公开号：CN2334511)公开了一种水幕喷嘴与层流密排管喷嘴与气喷嘴相结合的冷却装置，它包括水箱，进水管，分水管，水喷嘴，其特点是它还包括气箱，进气管，分气管，气喷嘴，其中水喷嘴有水幕喷嘴和层流密排管喷嘴二种形式，气喷嘴由两块可调节的挡板和水喷嘴嘴头外侧组成，水喷嘴与气喷嘴配合使用，旨在通过喷气使水幕雾化，满足较低的冷速需求；通过喷气使密排层流水雾化，满足较高的冷速要求。但其雾化效果是在水流出喷嘴后通过喷气形式打散，冷却精度和均匀性较难确保。

中国发明专利“一种用于热轧带钢生产线的冷却装置”(发明专利号：ZL200610045651.8公开号：CN1803327)公开了一种用于热轧带钢生产线的冷却装置，属于热轧带钢快速冷却装置技术领域。该装置包括分水管、紊流腔、射流喷嘴，分水管的一端设有分水管堵板，分水管下方为紊流腔，紊流腔为箱体，紊流腔侧板、紊流腔堵板均与分水管连接，在紊流腔底板上开有若干个带有螺纹的孔，孔中安装有射流喷嘴，射流喷嘴通过紊流腔底板伸入紊流腔中，在分水管上设有若干个分水孔，分水管通过分水孔与紊流腔内部相通；高压水通过分水管和紊流腔后，保持高压状态，从每个射流喷嘴均匀喷出，通过密集布置的喷水孔流出高压射流在钢板表面形成强制对流，使常规热轧带钢冷却速率可以达到200℃/s以上，该专利技术虽然解决了大温降和强冷速问题，并且可以使冷却区间大大缩短，但其高压高密式装置并不适合用于生产低速薄带钢的薄带连铸生产线，极易造成过冷且难以控制精度。

中国发明专利申请“一种用于热轧带钢生产线的冷却设备”(发明专利申请号：200910068222.6公开号：CN101518788)公开了一种用于热轧带钢生产线的冷却设备，该热轧带钢生产线包括有辊道，该辊道上放置有待冷却的热轧带钢板，该冷却设备包括超快冷装置和层流冷却装置两部分，所述超快冷装置包括多条超快冷喷水上集水管和多条超快冷喷水下集水管，该超快冷喷水上集水管依次排列设置且垂直于热轧带钢生产线，该超快冷喷水下集水管设置在辊道的间隙中，所述层流冷却装置包括有高位水箱、分流集水管、层流冷却上集水管、层流冷却下集水管，所述高位水箱、分流集水管上下分布设置，所述高位水箱、分流集水管、层流冷却上集水管、层流冷却下集水管之间通过配水管路相连接，解决了常规层流冷却在生产特殊带钢时冷却能力不足的问题。该装置最大的缺陷是超快冷设备的安装距离钢板不能超过60cm，在带钢头部飘起或中部拱起时有很大的安全隐患。也有专利考虑当前段或后段通过时，使升降机机构进行工作，使狭缝喷嘴单元向上方退避，但在这种情况下，有时前后端的冷却不足，不能得到目标材质，并且还存在花费于设置升降机机构的设备成本和维护费用问题。

中国发明专利申请“一种带钢的冷却装置及其冷却控制方法”(发明专利申请号：200710092671.5公开号：CN101381806)公开了一种密排层流冷却+常规层流冷却的轧后冷却装置，该冷却装置主要由冷却段由强力冷却区Q(Q1、Q2)、粗调冷却区C、精调冷却区J组成，强力冷却区Q(Q1、Q2)关闭部分集管后，可以作为粗调冷却区C使用，每个冷却区由若干冷却段构成，各冷却段长度相同，且均由上部层流冷却集管和下部喷射集管组成，各冷却段之间设有侧喷装置，以清除带钢表面积水；带钢冷却装置的冷却控制方法是通过计算机系统进行设定计算和前馈、反馈控制。该专利虽然解决了常规层流冷却能力不足的问题，但是其装置满足不了薄带连铸生产线低速带钢的小温降和控制精度需求，也没有可以使用于薄带连铸生产线的相关依据(比如喷嘴直径和集管高度的相应设计)。其控制方法上也仅仅是常规的闭环控制，自适应学习也停留在预设定，没有参与动态控制，无法满足薄带连铸过程速度和厚度多变的控制。

中国实用新型专利“水幕层流带钢冷却装置”(实用新型专利号：ZL96211971.7公开号CN2282465)公开了一种水幕冷却+常规冷却的轧后冷却装置，由水幕冷却部件，层流冷却部件，底喷部件，稳压罐溢流部件，冷却水侧喷部件组成。该系统采用了水幕和层流带钢冷却最佳组合形式，从而实现了复杂的冷却过程，增强冷却能力，旨在一定程度上缩减常规层流冷却的区间，但因为水幕的水流量可调范围较小，不能精确地解决较低的传送速度时(例如1m/s)钢板经过水幕的温降阶梯性变化问题。

中国发明专利申请“一种薄带连铸过程多种冷却方式集成的冷却系统”(发明专利申请号：201010233459.8公开号：CN101890486)公开了一种薄带连铸过程多种冷却方式集成的冷却系统，包括有气雾冷却装置、喷水冷却装置、水雾喷枪、集水箱、辊道、横梁、底座和铸轧机机架；气雾冷却装置包括有第一进气管、第一进水管、气雾喷嘴、气体流量调节阀、第一水流量调节阀和气雾冷却喷枪安装支架；水雾喷枪包括喷嘴、第二进水管和第二水流量调节阀；喷水冷却装置包括有壳体、第三进水管、分流管、导流板、水喷嘴和第三水流量调节阀。该冷却装置布置在铸轧辊之后，与本发明所述在线热轧机后的轧后冷却不同。另外，二流体喷嘴的喷嘴结构复杂且容易堵塞，因此装置的制造成本和维护费用较高。而且，空气和水的压力控制复杂，难以保持一定的气水比，冷却能力根据该气水比变化而不稳定。另一方面，在使用水雾冷却时，虽然能够通过调整喷嘴水量来控制冷却能力，但当喷嘴符合压力减小时不能确保稳定的喷射形状，与二流体喷嘴相比较，其冷却能力控制范围变窄。

综上所述，上述专利文献所公开的冷却装置与方法，均未针对薄带连铸轧后冷却进行针对性设计，尤其是对生产过程中速度和厚度多变的控制方法上无法满足实际需求，对于薄带连铸这一世界范围内正处于从实验到工业大生产过渡时期的崭新工艺流程，非常需要一种特殊的冷却装置与一套行之有效的控制方法。

发明内容

针对连铸薄带在线热轧后速度和厚度多变的特点，以及不同温降和冷却速率工艺要求和较高的卷取温度控制精度需求，考虑以上发明存在的一些问题，本发明的目的在于提供一种连铸薄带在线热轧后的异管径分段式层流冷却装置，利用分段配置不同喷嘴直径的层流冷却集管区，满足不同的温降和冷却速率的控制需要，并通过小管径喷嘴冷却集管的精冷控制和在线双闭环控制系统，有效提高卷取温度的控制精度。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种薄带连铸生产线轧后冷却系统，包括置于在线热轧机之后的分段式层流冷却装置和冷却控制系统，所述的分段式层流冷却装置包括配有喷嘴的冷却集管，其特征在于所述的分段式层流冷却装置包括至少两个层流冷却集管区，其中一个集管区采用小管径喷嘴冷却集管，所述小管径喷嘴冷却集管的喷嘴直径为普通集管喷嘴直径的1/5～1/2。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的冷却控制系统为在线双闭环控制系统，包括轧机后测温模块、前馈控制模块、预计算模块、反馈控制模块、卷取前测温模块和自适应学习模块连接构成的双闭环控制回路；所述双闭环控制回路至少选择分段式层流冷却装置的一个集管区作为双闭环控制回路的执行区，通过一组控制阀调整所选集管区中的集管开启数量，根据带钢速度、厚度和温度的变化，控制温降和冷却速率，以满足卷取温度精度要求；所述的前馈控制模块和预计算模块经由所述的执行区控制带钢的卷取温度，并通过卷取前测温模块和反馈控制模块构成第一闭环控制回路；所述的前馈控制模块和预计算模块，经由所述的执行区控制带钢的卷取温度，并通过卷取前测温模块和自适应学习模块回到前馈控制模块，构成第二闭环控制回路。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的一种更好的技术方案，其特征在于所述的预计算模块用于计算并选择所述的集管区，控制需要开启的集管数量的预设值；所述的前馈控制模块根据带钢速度、厚度和轧机出口的带钢温度，对预设开启的集管数量的进行动态调整；所述的反馈控制模块根据带钢卷取温度实测值，对所述的小管径喷嘴冷却集管进行反馈控制；所述的自适应学习模块获取带钢运行速度、厚度变化与集管开启状态的动态关系，计算得到当前带钢的自适应学习系数，在线馈送到前馈控制模块；所述的前馈控制模块通过轧机控制系统接口读取轧机出口的带钢速度、厚度信息；所述轧机后测温模块获取轧机出口的带钢温度并传送给前馈控制模块；所述卷取前测温模块获取带钢卷取温度实测值并传送给反馈控制模块和自适应学习模块。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的一种改进的技术方案，其特征在于所述小管径喷嘴冷却集管的架设高度比普通集管的架设高度低50～200mm。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的另一种改进的技术方案，其特征在于所述小管径喷嘴冷却集管的喷嘴间距为喷嘴直径的2～5倍。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的进一步改进的技术方案，其特征在于所述的薄带连铸生产线轧后冷却系统，其特征在于所述分段式层流冷却装置的冷却区全长为8～12米，包括第一至第三共3个集管区，其中第一集管区采用双排喷嘴集管，第二集管区采用单排喷嘴集管，第三集管区采用单排喷嘴的小管径喷嘴冷却集管。

本发明的另一个目的在于提供一种用于上述薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法，通过选择控制分段式的不同喷嘴直径的层流冷却集管区，实现根据不同的温降和冷却速率的需要，精确控制冷却过程，有效提高卷取温度的控制精度。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法所采用的技术方案是：

一种薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法，用于上述的薄带连铸生产线轧后冷却系统，其特征在于所述的控制方法包括如下步骤：

S10)所述的预计算模块和前馈控制模块，通过轧机控制系统接口接收轧机出口的带钢速度、厚度信息，并通过测温模块获取带钢温度信息；

S20)所述的预计算模块计算各个集管区单个集管的换热系数；

S30)所述的预计算模块计算各个集管区的最大冷却能力和单个集管的水冷感度；

S40)所述的预计算模块根据目标温降量和冷却速率要求选择主冷区；

S50)所述的预计算模块根据目标温降量计算主冷区需要开启的集管数量，使温降量的计算值与目标值的偏差小于主冷区集管感度；

S60)所述的预计算模块计算主冷区外集管开启数量，按照集管水冷感度大小逐步开启主冷区外集管；

S70)启用前馈控制模块，动态调整反馈区外集管开启数量，直至目标温度偏差小于反馈区外的最小集管水冷感度；

S80)启用反馈控制模块形成第一闭环控制回路，在预计算的集管开启数量的基础上，通过控制阀动态调整反馈区的集管开启数量，直至实测值与目标温度偏差小于反馈区集管水冷感度。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法的一种较佳的技术方案，其特征在于在步骤S80之后还包括以下步骤：

S90)通过自适应学习模块获取带钢速度、厚度和温度变化与集管开启状态的动态关系，计算得到当前带钢的自适应学习系数，在线馈送到前馈控制模块，形成第二闭环控制回路，前馈控制模块根据所得到当前带钢的自适应学习系数，结合轧后带钢的实际速度和厚度，通过控制阀对冷却区的集管开启数量进行动态再调整。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法的一种更好的技术方案，其特征在于所述的步骤S60包括如下动作：

S61)若根据步骤S40选择的主冷区在第一集管区，则首先开启第二集管区的集管，直至温度偏差小于第二集管区的水冷感度；再开启第三集管区的集管，直至温度偏差小于第三集管区水冷感度；

S62)若根据步骤S40选择的主冷区在第二集管区，则开启第三集管区的集管，直至温度偏差小于第三集管区水冷感度；

S63)若根据步骤S40选择的主冷区为第三集管区的集管，则终止步骤S60，进入后续控制步骤S70。

本发明的有益效果是：

1、通过采用异管径分段式层流冷却装置和在线双闭环控制系统，适应连铸薄带速度和厚度多变的特点，很好地满足了连铸薄带经在线热轧后的温降和冷却速率的控制要求。

2、通过小管径喷嘴冷却集管的精冷控制，实现了根据轧制不同材质的薄带和不同冷却工艺需要，有效提高带钢的温降、冷却速率及卷取温度控制精度。

3、通过本发明的在线双闭环控制系统，实现了在不到10米有限冷却区域内，满足以不到2米/秒的低速轧制的2～3毫米薄带钢的速度和厚度多变过程的较高的卷取温度精度要求，从而保证连铸薄带钢得到均匀的轧后组织和性能。

4、该装置简单灵活，水流稳定，开放式布置，易于维护，能以较低的成本能达到较高的控制精度。

附图说明

图1为薄带连铸生产线和轧后冷却系统示意图；

图2为分段式层流冷却装置的第一集管区上集管喷嘴分布示意图；

图3为分段式层流冷却装置的第一集管区下集管喷嘴分布示意图；

图4为分段式层流冷却装置的第二集管区上集管喷嘴分布示意图；

图5为分段式层流冷却装置的第二集管区下集管喷嘴分布示意图；

图6为分段式层流冷却装置的第三集管区上集管喷嘴分布示意图；

图7为分段式层流冷却装置的第三集管区下集管喷嘴分布示意图；

图8为本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的冷却控制系统示意图。

图中，1-冷凝辊，2-轧机前夹送辊，3-在线热轧机，4-轧机后测温模块，5-第一集管区，6-第二集管区，7-第三集管区，8-卷取前测温模块，9-卷取前夹送辊，10-地下卷取机，20-轧机控制系统接口，21-前馈控制模块，22-预计算模块，23-反馈控制模块，24-自适应学习模块，50-分段式层流冷却装置。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统包括置于在线热轧机3之后的分段式层流冷却装置50和冷却控制系统，分段式层流冷却装置50包括配有喷嘴的冷却集管，分段式层流冷却装置50包括至少两个层流冷却集管区。各个层流冷却集管区通常配置不同喷嘴直径和集管间距的冷却集管。为满足小温降和低冷却速率的控制需要，以及提高卷取温度控制精度，在层流冷却集管区中设置一个采用小管径喷嘴冷却集管的集管区。小管径喷嘴冷却集管不仅要形成有效的层流冷却的水流，也要防止可能造成的由于水质问题造成的喷嘴堵塞，因此，喷嘴最小直径应以不产生堵塞为原则。通常，小管径喷嘴冷却集管的喷嘴直径为普通集管喷嘴直径的1/5～1/2。喷嘴间距以满足宽度方向均匀冷却为原则，一般为喷嘴直径的数倍，典型的小管径喷嘴冷却集管的喷嘴间距为喷嘴直径的2～5倍。为了使水流冲击对板形的影响减小到最低，集管间距一般设置为辊道间距。

冷却集管分为上集管和下集管，分别设置在被冷却带钢的上面和辊道的下面，在图1和图8中，下集管被省略未表示。为达到较高的冷却效果，不同喷嘴直径的集管，尤其是上集管，需要架设在不同的高度，如图1中的5、6、7所示。上集管的架设高度可按照如下的原则确定：

当喷嘴出口距钢板表面高度过大时，水流对钢板表面的冲击动能过大，导致水流冲击钢板表面后发生飞溅和反跳，从而使冷却水不能充分发挥作用，降低冷却效率。反之，当高度过小，水流冲击钢板表面后虽不飞溅，但由于冲击动能小，将不利于打破水流在钢板表面形成的蒸汽膜而降低冷却效率。因此，合适的喷嘴安装高度，应首先在保证满足生产工艺条件下，在水流冲击钢板表面后能冲开水膜并且以层流形式散开而不发生飞溅的最大高度。

上集管射流在出口为连续状态，但随着下落距离的增加，射流将变为非连续状态。上集管射流不断流长度即指连续射流的长度，它与流出速度和U形管直径有关，根据公式(1)可计算得到大致的高度范围h：

h＝(5.5～7.5)×(v×d)^0.375    (1)

其中，v为喷嘴出口速度(m/s)，d为喷嘴直径(m)。

水流对钢板的冲击力代表了水流穿入钢板表面水层的能力，对水流冷却能力也是有重要影响的。对于上集管，设单股水流流量为Q，根据动量方程可得冲击力F为

$F=\mathrm{\ρ}(Q/n)\sqrt{v^2+2\mathrm{gh}}---\left(2\right)$

其中：ρ为水的密度(kg/m³)，Q为集管流量(m³/s)，n为集管喷嘴个数，v为喷嘴出口速度(m/s)，g为重力加速度(m/s²)，h为喷嘴高度(m)。

根据现场实际经验和一些实验结果，上集管喷出的冷却水对钢板表面的冲击压力应达到一定压力才可以在最短的时间内打破沸腾区气膜，从而提高冷却效率。

根据公式(1)和(2)可以确定一个集管的合理安装高度范围，再根据现场观察的溅水情况进行微调。根据实际经验，小管径喷嘴冷却集管的架设高度比普通集管的架设高度低50～200mm。

在图1和图8所示的实施方案中，本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的分段式层流冷却装置50的冷却区全长为8～12米，包括第一至第三共3个集管区，其中第一集管区采用双排喷嘴集管，第二集管区采用单排喷嘴集管，第三集管区采用单排喷嘴的小管径喷嘴冷却集管。图2～图7为本发明的分段式层流冷却装置的各集管区上、下集管的喷嘴分布示意图，其中图6和图7是小管径喷嘴冷却集管的喷嘴分布示意图。为保证宽度方向的冷却均匀性，单个集管的喷嘴数量根据喷嘴直径的不同作相应的调整，如图2～7所示。

在图8所示的本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的冷却控制系统中，所述的冷却控制系统为在线双闭环控制系统，包括轧机后测温模块4、前馈控制模块21、预计算模块22、反馈控制模块23、卷取前测温模块8和自适应学习模块24连接构成的双闭环控制回路；双闭环控制回路至少选择分段式层流冷却装置50的一个集管区5、6或7作为双闭环控制回路的执行区，通过一组控制阀(图中未表示)调整所选集管区中的集管开启数量，根据带钢速度、厚度和温度的变化，控制温降和冷却速率，以满足卷取温度精度要求；前馈控制模块21和预计算模块22经由所述的执行区控制带钢的卷取温度，并通过卷取前测温模块8和反馈控制模块23构成第一闭环控制回路；前馈控制模块2和预计算模块22经由所述的执行区控制带钢的卷取温度，并通过卷取前测温模块8和自适应学习模块构成第二闭环控制回路。前馈控制模块21、预计算模块22、反馈控制模块23、卷取前测温模块4和自适应学习模块24连接构成的双闭环控制回路；预计算模块22和前馈控制模块21通过轧机控制系统接口20接收轧机出口的带钢速度、厚度信息，前馈控制模块21和反馈控制模块23通过轧机后测温模块4和卷取前测温模块8获取带钢温度信息，构成第一闭环控制回路；前馈控制模块21、预计算模块22还通过自适应学习模块24构成第二闭环控制回路。为了提高控制精度，使用配备小管径喷嘴冷却集管的第三集管区7作为反馈控制区。

在图8所示的本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的冷却控制系统中，预计算模块22用于计算并选择所述的集管区5、6或7，控制需要开启的集管数量的预设值；前馈控制模块21根据从轧机控制系统接口20获取的带钢速度和厚度，以及通过轧机后测温模块4获取的轧机出口的带钢温度，对预设开启的集管数量的进行动态调整；反馈控制模块23根据卷取前测温模块8获取的带钢卷取温度实测值，对所述的小管径喷嘴冷却集管7进行反馈控制；自适应学习模块24获取带钢运行速度、厚度变化与集管开启状态的动态关系，计算得到当前带钢的自适应学习系数，在线馈送到前馈控制模块21；前馈控制模块21通过轧机控制系统接口20读取轧机出口的带钢速度、厚度信息；轧机后测温模块4获取轧机出口的带钢温度并传送给前馈控制模块21；卷取前测温模块8获取带钢卷取温度实测值并传送给反馈控制模块23和自适应学习模块24。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法，用于上述的薄带连铸生产线轧后冷却系统，其控制过程包括如下步骤：

步骤S10：

预计算模块22和前馈控制模块21，通过轧机控制系统接口20，接收轧机出口的带钢速度、厚度信息，通过轧机后测温模块4和卷取前测温模块8获取带钢温度信息；

步骤S20：

预计算模块22计算各个集管区5、6和7的单个集管的换热系数：

综合考虑各种影响因素，使用公式(3)分别计算各个集管区单个集管的水冷换热系数W/(m²·K)：

${\mathrm{\α}}_w=a_1+a_2\·{\mathrm{\υ}}^{a_3}\·w^{a_4}\·{\mathrm{\λ}}^{a_5}\·{\mathrm{\μ}}_f^{a_8}\·\exp (a_6\·{(T_s-T_{\mathrm{ref}})}^{a_7})---\left(3\right)$

其中：

υ：带钢行进速度，m/s

Ts：带钢表面温度，K

w：单位时间水量，m³/h

λ：带钢导热系数λ＝f(T)，W/(m·K)

T_ref：参考温度，K

μ_f：冷却水运动粘度，m²/s

α₁～α₈：模型系数，取值范围：

α₁：1000～2000；

α₂：1000～1500；

α₃：-0.1～-0.03；

α₄：0.1～0.5；

α₅：0.01～0.02；

α₆：-0.0002～-0.00005；

α₇：1000～2000；

α₈：-0.0002～-0.00005；

使用公式(4)计算空冷辐射系数W/(m²·K)

${\mathrm{\α}}_r=\frac{\mathrm{\σ\ϵ}(T_s^4-T_a^4)}{T_s-T_a}---\left(4\right)$

其中：

σ：波尔茨曼常数，5.67×10^-8，W/m²K^-4

ε：黑度系数

T_s：带钢表面温度，K

T_a：大气温度，K

根据(3)和(4)可得到水冷综合换热系数α_z

${\mathrm{\α}}_z=\sqrt[3/4]{{\mathrm{\α}}_w^{4/3}+{\mathrm{\α}}_r^{4/3}}---\left(5\right)$

其中：

α_w：水冷换热系数，W/(m²·K)

α_r：空冷辐射系数，W/(m²·K)

步骤S30：

预计算模块22计算各个集管区5、6和7的最大冷却能力和单个集管的水冷感度：

根据公式(6)计算各个集管区5、6和7的最大冷却能力

$\mathrm{\ρ}{C}_p\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}\mathrm{dx}=-\mathrm{\λ}\frac{\∂t}{\∂x}+{\mathrm{\α}}_z\mathrm{\Δt}---\left(6\right)$

其中：

C_p：带钢比热，J/kg·K

ρ：带钢密度，kg/m³

λ：带钢导热系数，W/m·K

α_z：带钢与周围环境的综合换热系数(包括对流、辐射和热传导)，W/(m²·K)最大冷却能力除以开启的集管数，即为单个集管的平均水冷感度。

记第一集管区5、第二集管区6和第三集管区7的最大冷却能力分别为和

将各区的最大冷却能力除以薄带通过冷却区的时间，即为最大冷却速率，记为：

和

步骤S40：

预计算模块22根据目标温降量和冷却速率要求选择主冷区：

记目标温降量为ΔT_tar，目标冷却速率为CV_tar，根据下表选择主冷区所包含的集管区：

步骤S50：

预计算模块22根据目标温降量计算主冷区需要开启的集管数量，使温降量的计算值与目标值的偏差小于主冷区集管感度。

步骤S60：

预计算模块22计算主冷区外集管开启数量，按照集管水冷感度大小逐步开启主冷区外集管；

主冷区外集管是步骤S40所选择的主冷区之外的集管，主要包括图1和图8所示的第一集管区5和第二集管区6中的集管，主冷区外集管的开启数量受前馈控制模块21和预计算模块22控制。

步骤S70：

启用前馈控制模块21，动态调整反馈区外集管开启数量，直至目标温度偏差小于反馈区外的最小集管水冷感度；

步骤S80：

启用反馈控制模块22形成第一闭环控制回路，在预计算的集管开启数量的基础上，通过控制阀动态调整反馈区的集管开启数量，直至实测值与目标温度偏差小于反馈区集管的水冷感度。

反馈区集管为配备小管径喷嘴冷却集管的第三集管区7的集管，如图1和图8所示，反馈区集管的开启数量受反馈控制模块23控制。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法的一种较佳的技术方案，其特征在于在步骤S80之后还包括以下步骤：

步骤S90：

通过自适应学习模块24获取带钢速度、厚度和温度变化与集管开启状态的动态关系，计算得到当前带钢的自适应学习系数，在线馈送到前馈控制模块21，形成第二闭环控制回路，前馈控制模块21根据所得到当前带钢的自适应学习系数，结合轧后的实际速度和厚度，通过控制阀对冷却区的集管(包括主冷区和主冷区外集管)开启数量进行动态再调整。

由于薄带连铸生产线的特殊性，每一卷铸带的生产过程，无论钢种规格是否相同，其运行速度和厚度是多变的，尤其是为了保证浇铸的顺利，铸带头部一般轧机不压下，而是在铸带中部压下，前后厚度差异极大，给轧后冷却控制带来很大难度。而通过将在线自适应学习结果反馈到前馈控制中以后，无论厚度和速度如何变化，都可以很好地控制当前带钢全长的卷取温度精度。

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法的一种更好的技术方案是步骤S60包括如下动作：

S61)若根据步骤S40选择的主冷区在第一集管区5，则首先开启第二集管区6的集管，直至温度偏差小于第二集管区6的水冷感度；再开启第三集管区7的集管，直至温度偏差小于第三集管区7水冷感度；

S62)若根据步骤S40选择的主冷区在第二集管区6，则开启第三集管区7的集管，直至温度偏差小于第三集管区7水冷感度；

S63)若根据步骤S40选择的主冷区为第三集管区7的集管，则终止步骤S60，直接进入后续控制步骤S70。

第三集管区7同时作为主冷区和反馈区的时候，步骤S63可以实现解耦控制，消除各控制回路之间的相互耦合关系。

实施例

本发明的薄带连铸生产线轧后冷却系统的一个具体实施例的主要参数如下：

1、冷却区全长8360mm，设计3个集管区，即，第一集管区5、第二集管区6和第三集管区7，如图1所示。

2、第一集管区5的上喷嘴直径设计为22mm，高度为1700mm，集管间距设计为380mm，集管数量为5根，每根集管上的喷嘴数量为26个，双排，即总共52个，呈错位排列，如图2所示。

3、第一集管区5的下喷嘴直径设计为14.3mm，集管间距设计为380mm，高度为120mm，集管数量为10根，每根集管上的喷嘴数量为42个，单排，呈错位排列，如图3所示。

4、第二集管区6的上喷嘴直径设计为22mm，高度为1700mm，集管间距设计为760mm，集管数量为10根，每根集管上的喷嘴数量为26个，单排，呈错位排列，如图4所示。

5、第二集管区6的下喷嘴直径设计为14.3mm，集管间距设计为760mm，高度为120mm，集管数量为10根，每根集管上的喷嘴数量为42个，单排，呈错位排列，如图5所示。

6、第三集管区7为极小喷嘴直径集管区，上喷嘴直径设计为10mm，高度为1600mm，集管间距设计为380mm，集管数量为5根，每根集管上的喷嘴数量为50个，单排，呈错位排列，如图6所示。

7、第三集管区7的下喷嘴直径设计为8mm，高度为120mm，集管间距设计为380mm，集管数量为5根，每根集管上的喷嘴数量为62个，单排，呈错位排列，如图7所示。

8、第一集管区5在有大温降或者大冷却速率工艺要求时启用；第二集管区6用于常规的层流冷却控制；常规情况下，预计算模块22的设定输出作用于三个集管区，如图8所示。

9、前馈控制模块21的控制输出作用于第一集管区5和第二集管区6；第三集管区7一般由反馈控制模块23控制；当有小温降或者小冷却速率工艺需求时，第三集管区7同时作为预计算模块22的设定区域和反馈控制模块23的控制区域，通过冷却控制系统的控制软件实现解耦控制，如图8所示。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种薄带连铸生产线轧后冷却系统，包括置于在线热轧机之后的分段式层流冷却装置和冷却控制系统，所述的分段式层流冷却装置包括配有喷嘴的冷却集管，其特征在于所述的分段式层流冷却装置包括至少两个层流冷却集管区，其中一个集管区采用小管径喷嘴冷却集管，所述小管径喷嘴冷却集管的喷嘴直径为普通集管喷嘴直径的1/5～1/2。

2.根据权利要求1所述的薄带连铸生产线轧后冷却系统，其特征在于所述的冷却控制系统为在线双闭环控制系统，包括轧机后测温模块、前馈控制模块、预计算模块、反馈控制模块、卷取前测温模块和自适应学习模块连接构成的双闭环控制回路；所述双闭环控制回路至少选择分段式层流冷却装置的一个集管区作为双闭环控制回路的执行区，通过一组控制阀调整所选集管区中的集管开启数量，根据带钢速度、厚度和温度的变化，控制温降和冷却速率，以满足卷取温度精度要求；所述的前馈控制模块和预计算模块，经由所述的执行区控制带钢的卷取温度，并通过卷取前测温模块和反馈控制模块构成第一闭环控制回路；所述的前馈控制模块和预计算模块，经由所述的执行区控制带钢的卷取温度，并通过卷取前测温模块和自适应学习模块回到前馈控制模块，构成第二闭环控制回路。

3.根据权利要求2所述的薄带连铸生产线轧后冷却系统，其特征在于所述的预计算模块用于计算并选择所述的集管区，控制需要开启的集管数量的预设值；所述的前馈控制模块根据带钢速度、厚度和轧机出口的带钢温度，对预设开启的集管数量的进行动态调整；所述的反馈控制模块根据带钢卷取温度实测值，对所述的小管径喷嘴冷却集管进行反馈控制；所述的自适应学习模块获取带钢速度、厚度和温度变化与集管开启状态的动态关系，计算带钢的自适应学习系数；所述的前馈控制模块通过轧机控制系统接口读取轧机出口的带钢速度、厚度信息；所述轧机后测温模块获取轧机出口的带钢温度并传送给前馈控制模块；所述卷取前测温模块获取带钢卷取温度实测值并传送给反馈控制模块和自适应学习模块。

4.根据权利要求1所述的薄带连铸生产线轧后冷却系统，其特征在于在所述小管径喷嘴冷却集管的架设高度比普通集管的架设高度低50～200mm。

5.根据权利要求1所述的薄带连铸生产线轧后冷却系统，其特征在于所述小管径喷嘴冷却集管的喷嘴间距为喷嘴直径的2～5倍。

6.根据权利要求1所述的薄带连铸生产线轧后冷却系统，其特征在于所述分段式层流 冷却装置的冷却区全长为8～12米，包括第一至第三共3个集管区，其中第一集管区采用双排喷嘴集管，第二集管区采用单排喷嘴集管，第三集管区采用单排喷嘴的小管径喷嘴冷却集管。

7.一种薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法，用于权利要求1至6之任一权利要求所述的薄带连铸生产线轧后冷却系统，其特征在于所述的控制方法包括如下步骤：

S10)所述的预计算模块和前馈控制模块，通过轧机控制系统接口接收轧机出口的带钢速度、厚度信息，并通过测温模块获取带钢温度信息；

S20)所述的预计算模块计算各个集管区单个集管的换热系数；

S30)所述的预计算模块计算各个集管区的最大冷却能力和单个集管的水冷感度；

S40)所述的预计算模块根据目标温降量和冷却速率要求选择主冷区；

S50)所述的预计算模块根据目标温降量计算主冷区需要开启的集管数量，使温降量的计算值与目标值的偏差小于主冷区集管感度；

S60)计算主冷区外集管开启数量，按照集管水冷感度大小逐步开启主冷区外集管；

S70)启用前馈控制模块，动态调整反馈区外集管开启数量，直至目标温度偏差小于反馈区外的最小集管水冷感度；

S80)启用反馈控制模块形成第一闭环控制回路，在预计算的集管开启数量的基础上，通过控制阀动态调整反馈区的集管开启数量，直至实测值与目标温度偏差小于反馈区集管水冷感度。

8.根据权利要求7所述的薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法，其特征在于在步骤S80之后还包括以下步骤：

S90)通过自适应学习模块获取带钢速度、厚度和温度变化与集管开启状态的动态关系，计算得到当前带钢的自适应学习系数，在线馈送到前馈控制模块，形成第二闭环控制回路；前馈控制模块根据所得到当前带钢的自适应学习系数，结合轧后带钢的实际速度和厚度，通过控制阀对冷却区的集管开启数量进行动态再调整。

9.根据权利要求7或8所述的薄带连铸生产线轧后冷却系统的控制方法，其特征在于所述的步骤S60包括如下动作：

S61)若根据步骤S40选择的主冷区在第一集管区，则首先开启第二集管区的集管，直至温度偏差小于第二集管区的水冷感度；再开启第三集管区的集管，直至温度偏 差小于第三集管区水冷感度；

S62)若根据步骤S40选择的主冷区在第二集管区，则开启第三集管区的集管，直至温度偏差小于第三集管区水冷感度；

S63)若根据步骤S40选择的主冷区为第三集管区的集管，则终止步骤S60，进入后续控制步骤S70。 

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