CN102601128B - 炉卷轧机轧件温差控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炉卷轧机轧件温差控制方法，该控制方法包括的步骤有测量轧件初始温度；计算补温加热炉的出炉目标温度值并以此进行加热；计算每道次的轧制速度设定值并以此进行各道次的轧制控制，实现减小温差；测量轧机出、入口的实际温度值并与相应计算值比较以实现模型自学习，提高模型计算精度。采用该控制方法能够大大减小轧件头中尾各部的温度差异，提高了轧制稳定性及成品质量，有利于提升产线的制造能力。

Description

炉卷轧机轧件温差控制方法

技术领域

本发明涉及炉卷轧机控制技术，更具体地说，涉及一种炉卷轧机轧件温差控制方法。

背景技术

炉卷轧机（STECKEL MILL）作为热带钢轧机的形式之一，自诞生至今已有70多年的历史。多年来，通过人们对炉卷轧机工艺技术及设备的不断改善与提高，炉卷轧机正得以复苏。尤其是目前钢铁企业承受资源、环境以及制造成本的巨大压力，使得炉卷轧机这种类似短流程的生产技术得到进一步成熟和实用。炉卷轧机的一个技术优势是，由于轧机前后配置了卷取炉，起到保温的作用，特别适合生产加热温度范围窄、变形抗力大、边部容易开裂的产品，例如：不锈钢和特殊合金钢。但炉卷轧机有一个突出技术弱点就是，由于轧件不能全部进入卷取炉，致使轧件的头中尾温度差别大，温度较低的头部和尾部不仅尺寸精度差，而且在轧制薄规格产品时，容易跑偏及出现板形缺陷，严重影响轧制稳定性。频发的轧制事故会导致生产效率低下、制造成本上升。因此，对于炉卷轧机而言，减少轧件头中尾的温度差异，可以带来一系列的好处，不仅仅提高了产品的尺寸精度和产品质量，而且还可以提高轧制稳定性，减少轧制过程中的事故，提升产线的制造能力。

请参阅图1所示，炉卷轧机生产线由补温加热炉1、辊道2、测温仪3a～3c、卷取炉4、轧机5等主要设备组成。其中，轧机5采用的是四辊可逆式轧机，用于带钢尺寸及板形控制；前、后卷取炉4用于补偿轧制过程中的带钢温降，即在炉卷轧机轧制过程中，带钢通过可逆轧机进行轧制的同时，进入轧机5两侧的卷取炉4进行补温，将厚规格的板坯或中间坯轧制成薄规格的钢卷或板带。但是，在轧制过程中，带钢总有一段头或尾不能进入卷取炉4内进行加热保温，且进入卷取炉4的带钢头部或尾部和进入卷取炉4内的带钢其他部位的受热条件也不一样。由于这种差异性，使得带钢沿长度方向存在较大的温度差。该温差是轧件头尾和中部经历的热状态不同所引起的，在非轧制过程中，带钢头部或尾部在卷取炉4外的传送辊道2上空冷；带钢头部或尾部和卷取炉4的心轴通过接触传热；在卷取炉4内的钢卷中部进行近似绝热保温，钢卷外部和卷取炉之间通过辐射换热。正是由于带钢不同位置存在不同的受热条件，导致了带钢头尾和中部的温度差，且这温差将随着带钢减薄而逐渐扩大，不利于现场生产。具体表现为：一是导致轧制力波动，造成厚度精度不好；二是造成头尾的板形恶化，影响卷取炉穿带稳定性，容易造成轧制过程中的带钢跑偏。

针对上述炉卷轧机轧制过程存在的带钢头尾温度超差的现象，目前，在实际生产中采取了一系列改进措施，具体为：①提高轧机的轧制能力，提高轧制速度，减少轧制道次，减少带钢生产中的温降。该方法只是整体提高了轧件的温度，对减少带钢头中尾温度偏差效果有限。②改进卷取炉的结构，采用全封闭式卷取炉，减少热量损失。由于该方法把整个带钢全部卷入卷取炉，尽管有利于提高温度的均匀性，但是设备异常复杂，至今还没有得到实际应用。③带坯头尾采用预压下，即采用楔形轧制的方法，在前面的道次头尾比中部多压下，在后面的道次少压下。该方法在实际使用过程中，也无法改善带钢头中尾的温度差异，而且还容易导致温度偏差的扩大。

综上所述，在现有的炉卷轧机轧制过程中，由于轧件头中尾经历的热状态不同，所导致的带钢头尾和中部存在温差，如若无法有效解决该技术难题，就会导致轧制力异常波动，造成厚度精度不好；同时又造成头尾的板形恶化，引起轧制过程中带钢跑偏，破坏轧制稳定性，恶化产品质量。因此，保证轧制过程中带钢温度的均匀性，是炉卷轧机生产所迫切需要攻克和解决的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种炉卷轧机轧件温差控制方法，用以降低轧制过程中带钢的头尾与中部的温度偏差。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

该炉卷轧机轧件温差控制方法的具体步骤如下：

A.通过设于补温加热炉前的辐射高温计测量轧件的初始温度；

B.计算轧件头中尾各部的出炉目标温度值，并以此控制补温加热炉的加热，使来料各部达到该出炉目标温度值；

C.计算各道次轧件头中尾各部的轧前温度值，再分别计算出各道次轧制过程中的温升，进而计算出各道次轧制后的带钢头中尾各部的轧后温度值，并通过各部温差来计算出轧制速度设定值，用以各道次轧制的控制和调节，实现减小温差；

D.通过设于轧机出、入口的辐射高温计测量出各道次轧件各部的实际温度测量值，并与该出、入口位置的模型温度计算值进行比较，对轧机各部在各道次轧机入口、出口分别进行学习，用以提高模型计算精度。

在步骤B中，所述的加热控制根据计算出的轧件头中尾各部的出炉目标温度值，采用脉冲控制方式对补温加热炉内的脉冲烧嘴进行分区控制，用以实现轧件各部温度达到相应的出炉目标温度值。

所述的分区控制为将补温加热炉内的脉冲烧嘴分成与进入其内轧件的头中尾各部位置相对应的三个区，根据计算的各部出炉目标温度值，进行分别加热控制。

在步骤C中，具体包括以下步骤：

C1.计算经空冷后进行第一道次轧制的轧件头中尾各部的轧前温度值、轧制温升及轧后温度值，并根据轧后温差计算出第一道次的轧制速度设定值；

C2.根据第一道次的轧制速度设定值来控制轧件的第一道次轧制，并进入卷取炉进行保温；

C3.根据轧件在辊道的运行时间和卷取炉的炉气温度，跟踪计算下道次轧制的轧件头中尾各部的轧前温度值、轧制温升及轧后温度值，并根据轧后温差计算出该道次的轧制速度设定值；

C4.根据C3中的轧制速度设定值来控制轧件的该道次轧制，并进入卷取炉进行保温；

C5.重复步骤C3和C4，并不断修正每道次的轧制速度设定值以减小轧件各部温差，直至最后道次轧制结束。

在上述技术方案中，本发明的炉卷轧机轧件温差控制方法包括的步骤有测量轧件初始温度；计算补温加热炉的出炉目标温度值并以此进行加热；计算每道次的轧制速度设定值并以此进行各道次的轧制控制，实现减小温差；测量轧机出、入口的实际温度值并与相应计算值比较以实现模型自学习，提高模型计算精度。采用该控制方法能够大大减小轧件头中尾各部的温度差异，提高了轧制稳定性及成品质量，有利于提升产线的制造能力。

附图说明

图1是炉卷轧机生产线的结构原理图；

图2是本发明的轧件在补温加热炉内的进行补温加热的原理图；

图3是本发明的炉卷轧机轧件温差控制方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请结合图1～图3所示，本发明的炉卷轧机轧件温差控制方法采用以下具体步骤：

A.由于来料轧件为热坯或冷坯，因此，首先通过设于补温加热炉1前的辐射高温计3a来测量轧件6的初始温度；

B.利用定位传感器在炉门前的辊道2上定位，由装钢机装入补温加热炉1，由于该加热炉1内部设有采用脉冲烧嘴11，每对烧嘴11配有相应的热电偶12，可以进行分别控制加热效果。因此，通过加热炉1的燃烧控制系统根据轧件在补温加热炉1的位置以及计算模型，计算出件头中尾各部的出炉目标温度值，然后根据该出炉目标温度值并采用脉冲控制方式，将脉冲烧嘴11分成与进入其内轧件的头中尾各部位置相对应的三个区，进行分区控制加热。其中头、尾部控制用热电偶12采用加热炉1内部离轧件头尾最近的热电偶，中部则采用相应部位的热电偶，直到轧件温度满足设定要求后，出炉。

在上述加热控制过程中，轧件中部的出炉目标温度值采用工艺规定的出炉目标温度，而轧件头部和尾部的目标温度值则采用工艺规定的目标温度加上利用模型计算获得的调整量，具体确定方法如下：

$T_{\mathrm{head}}^{\mathrm{fur}}=T_{t\arg \mathrm{et}}+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{head}};T_{\mathrm{body}}^{\mathrm{fur}}=T_{t\arg \mathrm{et}};T_{\mathrm{tail}}^{\mathrm{fur}}=T_{t\arg \mathrm{et}}+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{tail}};$

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{head}}=\mathrm{\α}\·\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{body}-\mathrm{mod}}^i-T_{\mathrm{head}-\mathrm{mod}}^i);{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{tail}}=\mathrm{\β}\·\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(T_{\mathrm{body}-\mathrm{mod}}^i-T_{\mathrm{tail}-\mathrm{mod}}^i);$

其中

分别为计算得到的轧件头中尾各部的出炉目标温度值，T_target为工艺规定的出炉目标温度值，ΔT_head、ΔT_tail分别为轧件头部和尾部的温度调整量，是通过测量的轧件初始温度值、钢种及钢坯的尺寸所计算获得；

分别为模型计算的i道次轧件头部、中部、尾部的轧后温度值，头尾长度取10m，n是总道次数，α、β∈（0,2）为感度系数。

C.当轧件6出炉后，经一段距离的空冷后，利用模型计算进行第一道次轧制的轧件头中尾各部的轧前温度值，即轧机5咬钢前的头中尾各部温度值，再根据轧件6预计的入口厚度、出口厚度、咬钢速度、抛钢速度、轧制速度等分别计算出轧制过程中的温升，进而计算出轧件6头中尾各部的轧后温度值，并根据计算的轧后温差，计算出第一道次的轧制速度设定值；根据第一道次的轧制速度设定值来控制轧件6的第一道次轧制，从而调节轧制的升温量，从而减小第一道次的轧后温度差异；而轧出的轧件则沿轧制方向进入一侧卷取炉4进行保温；然后再根据轧件在辊道2的运行时间和卷取炉4的炉气温度，跟踪计算下道次轧制的轧件6头中尾各部的轧前温度值，进而计算出该道次的温升、轧后温度值，并根据温差计算出该道次的轧制速度设定值，并以此再进行轧制控制，再保温；通过多次重复上述计算和轧制控制，不断优化修正每道次的轧制速度，以减小轧件6轧后的各部温差，直至最后道次轧制结束。

在此步骤中，轧制速度设定值的计算公式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{new}}^i={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{old}}^i+{\mathrm{\Δ\ω}}_i$

${\mathrm{\Δ\ω}}_i={\mathrm{\μ}}_i\·\frac{(T_{\mathrm{head}-\mathrm{mod}}^i-T_{\mathrm{body}-\mathrm{mod}}^i)+(T_{\mathrm{tail}-\mathrm{mod}}^i-T_{\mathrm{body}-\mathrm{mod}}^i)}{2}$

式中

为i道次调整前的轧制速度；

为i道次调整后的轧制速度，

和

为工艺规定的i道次最小和最大轧制速度极限值；Δω_i为i道次的调节改变量，

是速度对温度的感度系数，即单位速度的变化引起多少温度的改变，Thickess_i是i道次的带钢厚度，参数A∈[10,100]。

在此需要说明的是，在上述步骤中，轧件6在补温加热炉1中的温度计算模型、空冷温度计算模型和轧制变形过程的温度模型，采用现有的一维热传导方程进行计算，对于炉卷轧制过程而言，轧件在压下过程需要考虑因塑性变形而产生的内热源，其他过程不考虑内热源。具体形式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{c\ρ}}\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{\mathrm{qv}}{\mathrm{c\ρ}}& x\∈[x_1,x_M]\\ T(x,t_0)=T_0\left(x\right)& \\ \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=x1}=Q_t\left(t\right)& \mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{{x=x}_M}=Q_b\left(t\right)\end{array}\right.$

其中T(x,t)为一维的厚度方向的温度分布；Q_t(t)和Q_b(t)在加热炉1内和空冷时分别为采用波尔斯曼辐射定律确定的上表面和下表面吸收的热流量，在轧制变形时为根据接触热传导确定的上下表面吸收的热流量；ρ、c和λ分别为钢的密度、比热和导热系数；

为压下过程的有效变形功，在其他过程为0，η∈（0,1）、V分别表示轧制功转换效率和轧制体积；M、ω分别表示过程计算机中力矩模型和轧制力模型计算的平均轧制力矩和轧机转速。

在本步骤中卷取炉内温度分三种情况进行计算，第一带钢表面裸露在炉气中，采用上述热传导方程，热流计算采用波尔斯曼辐射定律确定；第二不与炉气和卷筒接触的带钢看做为绝热保温过程；第三带钢表面和卷筒接触，采用采用上述热传导方程，热流计算采用热传导，卷筒温度为卷取炉温度减去100度。

D.最后，通过在轧机5出、入口布置的辐射高温计3b、3c对轧件6进出轧机6进行实时测量温度，为了提高模型精度，利用温度模型计算出的两侧辐射高温计3b、3c处的模型温度计算值和实际温度测量值进行比较，利用误差，针对轧件6头中尾各部，根据入口和出口分别进行学习，学习系数按照钢种和规格进行分类，轧件温度模型在计算轧机入口和出口轧件头中尾的温度后，再加上该学习系数，提高模型精度。具体的学习系数表达式如下：

${\mathrm{\Δt}}_k^{\mathrm{in}-\mathrm{new}}={\mathrm{\Δt}}_k^{\mathrm{in}-\mathrm{old}}+\mathrm{\γ}\·(T_k^{\mathrm{in}-\mathrm{act}}-T_k^{\mathrm{in}-\mathrm{mode}l})$

${\mathrm{\Δt}}_k^{\mathrm{out}-\mathrm{new}}={\mathrm{\Δt}}_k^{\mathrm{out}-\mathrm{old}}+\mathrm{\γ}\·(T_k^{\mathrm{out}-\mathrm{act}}-T_k^{\mathrm{out}-\mathrm{mode}l})$

其中k=1,2，3分别代表头中尾，和

分别表示轧机入口学习后和学习前的系数，γ∈(0,1)为平滑系数，和

分别轧件头中尾在轧机入口与出口的实际温度测量值，

和

分别为轧件头中尾各部在轧机入口与出口的模型温度计算值。

下面，以轧制钢种Ni36，中间坯厚度为30mm，成品目标厚度为3mm，坯料出炉温度头中尾一致，目标温度为1000度，卷取炉设定温度1000度，采用五道次方式轧制为例，进行具体说明：

该轧制原工艺信息见表1：

表1

道次	出口厚度	咬钢速度	轧制速度	抛钢速度	前/后张力
						1	19.11	1.9	3.5	2.0	0/5
2	11.0	1.9	5	2.5	7/5
						3	6.57	1.9	7	2.5	7/9
4	4.20	1.9	8	2.5	10.5/9

5

3.03

1.9

9

3.5

9/0

在没有采用本发明的控制方法进行上述传统轧制时，各道次轧制后头中尾的温度变化情况见表2：

表2

而采用本发明的控制方法，通过对轧件出炉温度进行调整，并对轧制速度进行调整，其中涉及到计算的取值为：出炉温度计算中，ΔT_head=20，ΔT_tail=24，α=0.6，修正后头中尾出炉温度值分别为1020℃、1000℃、1024℃；轧制速度控制中，A=82，计算

均小于0，因此取工艺限定速度

其轧制工艺信息及各道次轧制后头中尾的温度变化情况分别见表3、表4：

表3

表4

两者比较结果见表5：

表5

由此可见，应用本发明的控制方法后，轧件的温度偏差均值明显缩小，轧件全长温度均匀性得到提高，有利于提高轧制稳定性。

综上所述，轧件头中尾各部的终轧温度偏差，主要是炉卷轧制过程的固有特性造成的，即轧件头尾滞留在卷取炉外部导致了温降过大，且轧件中部轧制速度快，使得中部轧制温升高于头尾，进一步加剧了带钢头尾和中部的温度偏差。而采用本发明的控制方法，通过控制补温加热炉，适当提高轧件头尾的出炉温度，并适当降低轧件中部轧制速度，从而实现降低轧制温差，提高了轧制的稳定性。

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，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种炉卷轧机轧件温差控制方法，其特征在于，

该方法的具体步骤如下：

A.通过设于补温加热炉前的辐射高温计测量轧件的初始温度；

B.计算轧件头中尾各部的出炉目标温度值，并以此控制补温加热炉的加热，使来料各部达到该出炉目标温度值；

C.计算各道次轧件头中尾各部的轧前温度值，再分别计算出各道次轧制过程中的温升，进而计算出各道次轧制后的带钢头中尾各部的轧后温度值，并通过各部温差来计算出轧制速度设定值，用以各道次轧制的控制和调节，实现减小温差；

D.通过设于轧机出、入口的辐射高温计测量出各道次轧件各部的实际温度测量值，并与该出、入口位置的模型温度计算值进行比较，对轧机各部在各道次轧机入口、出口分别进行学习，用以提高模型计算精度。

2.如权利要求1所述的炉卷轧机轧件温差控制方法，其特征在于，

在步骤B中，所述的加热控制根据计算出的轧件头中尾各部的出炉目标温度值，采用脉冲控制方式对补温加热炉内的脉冲烧嘴进行分区控制，用以实现轧件各部温度达到相应的出炉目标温度值。

3.如权利要求2所述的炉卷轧机轧件温差控制方法，其特征在于，

所述的分区控制为将补温加热炉内的脉冲烧嘴分成与进入其内轧件的头中尾各部位置相对应的三个区，根据计算的各部出炉目标温度值，进行分别加热控制。

4.如权利要求1所述的炉卷轧机轧件温差控制方法，其特征在于：

在步骤C中，具体包括以下步骤：

C1.计算经空冷后进行第一道次轧制的轧件头中尾各部的轧前温度值、轧制温升及轧后温度值，并根据轧后温差计算出第一道次的轧制速度设定值；

C2.根据第一道次的轧制速度设定值来控制轧件的第一道次轧制，并进入卷取炉进行保温；

C3.根据轧件在辊道的运行时间和卷取炉的炉气温度，跟踪计算下道次轧制的轧件头中尾各部的轧前温度值、轧制温升及轧后温度值，并根据轧后温差计算出该道次的轧制速度设定值；

C4.根据C3中的轧制速度设定值来控制轧件的该道次轧制，并进入卷取炉进行保温；

C5.重复步骤C3和C4，并不断修正每道次的轧制速度设定值以减小轧件各部温差，直至最后道次轧制结束。

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