CN103586290A - 一种层流冷却过程带钢温度软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种层流冷却过程带钢温度软测量方法，属于自动化技术中的软测量技术领域，本发明及时把软测量结果输出到优化计算机的系统管理画面，为操作者或相关技术工人进行参数优化和监督操作提供一个参考指导作用，同时把软测量结果保存到冷却过程带钢温度软测量实时数据库中；本发明系统正常运行期间，能够根据过程的实时数据估计出带钢温度值，成为一个具有很高实用价值的、低成本的带钢温度计量手段；本发明提供的方法本身就是针对一般具有对关键参数难以实时检测的对象提出软测量方法，因此本发明方法设计的软测量方法可广泛应用于冶金、化工、纺织、建材等其他具有类似复杂特性的过程。

Description

一种层流冷却过程带钢温度软测量方法

技术领域

本发明属于自动化技术中的软测量技术领域，具体涉及一种层流冷却过程带钢温度软测量方法。

背景技术

热轧层流冷却控制系统通过控制喷水集管阀门的开闭状态调整冷却水量，从而使带钢从终轧机出口的终轧温度(800～900℃)冷却到工艺要求的卷取温度(550～700℃)。由于层流冷却过程产生许多高温气体，环境恶劣，难以在冷却区域内逐点装置合适的检测设备对带钢温度进行连续准确的检测。且带钢任一点到达卷取机时，该点及其后相当长一段带钢的受控冷却过程实际已经结束。因此，建立热轧带钢层流冷却过程带钢温度软测量模型对实现卷取温度的预报控制具有重要意义。

现有的热轧带钢层流冷却过程带钢温度软测量模型研究成果主要集中为换热方式确定条件下的带钢温度模型，为了更精确地表达带钢厚度方向上的温度梯度，一些学者建立了在厚度和长度两个方向上的温度动态模型，然而上述研究成果由于没有给出换热方式的具体确定方法及带钢定位计算，在实际应用中很难直接进行带钢在冷却区域内的温度计算。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种层流冷却过程带钢温度软测量方法，以达到实时检测、具有指导作用、提高实用价值、降低成本的目的。

一种层流冷却过程带钢温度软测量方法，包括以下步骤：

步骤1、用户根据需求设置主冷区开阀总数、精冷区开阀总数和上下起始开阀位置，并根据上述三个信息确定出该段带钢经过喷水集管时各集管控制阀门开闭状态；

具体确定方法如下：

（1）辊道上方第一个阀门与起始阀门开启位置之间的所有阀门均关闭；辊道下方第一个阀门与起始阀门开启位置之间的所有阀门均关闭；

（2）依次开启冷却区出口处的精冷区4～8个对称集管阀门；

（3）主冷区辊道上方从上起始阀门开启位置之后打开阀门，并主冷区辊道下方从下起始阀门开启位置之后打开阀门，直至总开启阀门总数达到控制系统给定的主冷区阀门开启总数；

（4）从精冷区开始位置对称开启阀门，直至阀门开启总数达到控制系统给定的精冷区阀门开启总数；

步骤2、采用设置于终轧机上的脉冲计数器采集带钢进入冷却区实测速度，并结合工艺给定的第一运行阶段的加速度、第二运行阶段的加速度、第三运行阶段的加速度、第四运行阶段的加速度、第五运行阶段的加速度、经过第二运行阶段之后应该达到的速度、最高运行速度和最高抛钢速度，确定在任意时刻某段带钢所在冷却单元的位置；

所述的第一运行阶段至第五运行阶段具体为：

第一运行阶段：指从带钢头部出终轧机开始到带钢头部到达卷取机的这段距离的运行过程；这一阶段加速运行，以保证终轧机出口带钢温度恒定；

第二运行阶段：指当带钢的头部进入卷取机后，进一步提高运行速度，该阶段运行加速度大于第一运行阶段加速度，直至速度到达经过第二运行阶段之后期望速度值；当精轧的冷却能力达到极限后，第二运行阶段结束，进入第三运行阶段；

第三运行阶段：该阶段加速度减小到与第一运行阶段加速度相同，直至带钢速度达到允许的最高速度，第三运行阶段结束，进入第四运行阶段；

第四运行阶段：该阶段开始减速运行，直至带钢的尾部在终轧机进行抛钢，该阶段带钢运行速度必须小于允许的抛钢速度；

第五运行阶段：该阶段为抛钢阶段，即带钢的尾部在终轧机抛钢后，带钢匀速运行，直到全部被卷取完毕；

根据运行时间判断出在该时刻某段带钢所处辊道位置，具体判断的方法：

（1）当运行时间小于第一运行阶段运行时间时，根据该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度确定某段带钢所处辊道位置；

（2）当运行时间大于第一运行阶段运行时间，且小于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和时，根据第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置；

（3）当运行时间大于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和时，根据第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置；

（4）当运行时间大于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和时，根据第三运行阶段运行时间、允许的最高速度、第四运行阶段加速度、第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置确定某段带钢所处辊道位置；

（5）当运行时间大于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，根据第四运行阶段运行时间、第四运行阶段运行距离、第五运行阶段运行时间、第五运行阶段加速度、第三运行阶段运行时间、允许的最高速度、第四运行阶段加速度、第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置确定某段带钢所处辊道位置，确定某段带钢所处辊道位置；

（6）当运行时间大于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，根据第四运行阶段运行时间、第四运行阶段运行距离、第五运行阶段运行时间、第五运行阶段加速度、第三运行阶段运行时间、允许的最高速度、第四运行阶段加速度、第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置；

步骤3、采用设置于终轧机上的温度检测仪检测带钢头部进入冷却区的初始温度，并取带钢厚度方向上多个节点，根据带钢头部温度并结合所在辊道位置的冷却方式获得该段带钢尾部厚度方向上多个节点的温度，将该段带钢尾部厚度方向上多个节点的温度作为下一段带钢头部厚度方向上多个节点的初始温度，依次迭代，获得每段带钢在厚度方向上多个节点的温度，即获得带钢在每对上下喷水集管下的温度分布，即完成对带钢温度的软测量。

步骤2中所述的：

（1）当运行时间小于第一运行阶段运行时间时，确定某段带钢所处辊道位置公式如下：

$g\left(t\right)=v_{0}t+\frac{1}{2}{a}_1{t}^2---\left(1\right)$

其中，g(t)表示从该带钢头部进入冷却区开始计时，经过t秒带钢头部在冷却区内的运行距离；v₀代表该段带钢进入冷却区的初始速度；a₁表示第一运行阶段加速度；

（2）当运行时间大于第一运行阶段运行时间，且小于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$g\left(t\right)=v_0{v}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)(t-t_1)+\frac{1}{2}{a}_1{(t-t_1)}^2---\left(2\right)$

其中，t₁表示第一运行阶段运行时间，

s₁表示第一运行阶段运行距离，s₁=L₀+L₁+L₂，L₀为终轧机到冷却区入口之间的距离；L₁为冷却区的长度；L₂为冷却区出口到卷取机之间的距离；a₂表示第二运行阶段加速度；

（3）当运行时间大于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$g\left(t\right)=v_0{t}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)t_2+\frac{1}{2}{a}_2{t_2}^2+v_{\mathrm{aft}}(t-t_1-t_2)+\frac{1}{2}{a}_3{(t-t_1-t_2)}^2---\left(3\right)$

其中，t₂表示第二运行阶段运行时间，

v₁表示第一运行阶段的运行速度，v₂表示第二运行阶段的运行速度；v_aft表示经过第二运行阶段之后期望速度值；a₃表示第三运行阶段加速度；

（4）当运行时间大于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$\begin{array}{c}g\left(t\right)=v_0{t}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)t_2+\frac{1}{2}{a}_2{t_2}^2+v_{\mathrm{aft}}{t}_3+\frac{1}{2}{a}_3{t_3}^2\\ +v_{\max }(t-t_1-t_2-t_3)+\frac{1}{2}{a}_4{(t-t_1-t_2-t_3)}^2\end{array}---\left(4\right)$

其中，t₃表示第三运行阶段运行时间，

v₃表示第三运行阶段的运行速度；v_max表示允许的最高速度；a₄表示第四运行阶段加速度；

（5）当运行时间大于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$\begin{array}{c}g\left(t\right)=v_0{t}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)t_2+\frac{1}{2}{a}_2{t_2}^2+v_{\mathrm{aft}}{t}_3+\frac{1}{2}{a}_3{t_3}^2\\ +v_{\max }{t}_4+\frac{1}{2}{a}_4{t_4}^2+\left(\sqrt{{v_{\max }}^2{2a}_4{s}_4}\right)(t-t_1-t_2-t_3-t_4-t_5)+\frac{1}{2}{a}_5{(t-t_1-t_2-t_3-t_4-t_5)}^2\end{array}---\left(5\right)$

其中，t₄表示第四运行阶段运行时间，

v₄表示第四运行阶段的运行速度；s₄表示第四运行阶段运行距离，s₄=L_s-s₃-s₂-s₁，

t₅表示第五运行阶段运行时间，s₅表示第五运行阶段运行距离；a₅表示第五运行阶段加速度；

（6）当运行时间大于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$\begin{array}{c}g\left(t\right)=v_0{t}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)t_2+\frac{1}{2}{a}_2{t_2}^2+v_{\mathrm{aft}}{t}_3+\frac{1}{2}{a}_3{t_3}^2\\ +v_{\max }{t}_4+\frac{1}{2}{a}_4{t_4}^2+\left(\sqrt{{v_{\max }}^2+{2a}_4{s}_4}\right)t_5+\frac{1}{2}{a}_5{t_5}^2+\sqrt{{v_{\max }}^2+{2a}_4{s}_4}(t-t_1-t_2-t_3-t_4-t_5)\end{array}---\left(6\right).$

步骤3所述的根据带钢头部温度并结合所在辊道位置的冷却方式获得该段带钢尾部厚度方向上多个节点的温度，具体如下：

辊道某个位置处，某段带钢厚度方向上的J个节点温度为：H₀(k)、H₁(k)...H_J(k)，推导公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}[1+{\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_0{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{top}}]H_0\left(k\right)=[1-{\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_0{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{top}}]H_0(k-1)+{\mathrm{\θ}}_0{H}_1\left(k\right)+{\mathrm{\θ}}_0{H}_1(k-1)+{2\mathrm{\θ}}_0{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{top}}{T}_{\mathrm{top}}\\ (2+{2\mathrm{\θ}}_1)H_1\left(k\right)={\mathrm{\θ}}_1{H}_0(k-1)+(2-{2\mathrm{\θ}}_1)H_1(k-1)+{\mathrm{\θ}}_1{H}_2(k-1)+{\mathrm{\θ}}_1{H}_0\left(k\right)+{\mathrm{\θ}}_1{H}_2\left(k\right)\\ \·\·\·\·\·\·\\ (2+{2\mathrm{\θ}}_j)H_j\left(k\right)={\mathrm{\θ}}_j{H}_{j-1}(k-1)+(2-{2\mathrm{\θ}}_j)H_j(k-1)+{\mathrm{\θ}}_j{H}_{j+1}(k-1)+{\mathrm{\θ}}_j{H}_{J-1}\left(k\right)+{\mathrm{\θ}}_j{H}_{j-2}\left(k\right)\\ \·\·\·\·\·\·\\ (1+{\mathrm{\θ}}_J+{\mathrm{\θ}}_J{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{botton}})H_J\left(k\right)={\mathrm{\θ}}_J{H}_{J-1}(k-1)+(1-{\mathrm{\θ}}_J-{\mathrm{\θ}}_J{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{botton}})H_J(k-1)+{\mathrm{\θ}}_J{H}_{J-1}\left(k\right)+{2\mathrm{\θ}}_J{\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{bottom}}{T}_{\mathrm{bottom}}\end{array}\right.----\left(7\right)$

其中，k表示时间节点，即迭代序号；J为厚度节点总数；

j=0......J，Δτ为模型时间迭代步长，

D为带钢厚度；

s_j为导温系数，

$s_j=\left\{\begin{array}{cc}8.65+(5.0-8.65)[H_j-400]/250,& H_j\∈\left[\mathrm{400,650}\right]\\ 5.0+(2.75-5.0)[H_j-650]/50,& H_j\∈\left[\mathrm{650,700}\right]\\ 2.75+(5.25-2.75)[H_j-700]/100,& H_j\∈\left[\mathrm{700,800}\right]\\ 5.25+0.00225[H_j-800],& H_j\∈\left[\mathrm{800,1000}\right]\end{array}\right.$

其他参数与换热方式相关，具体为：

（1）当带钢所在辊道位置为上下水冷方式，即辊道上方管道阀门开启，辊道下方管道阀门也开启时：

T_mtop=T_mbottom=T_w，T_w为冷却水温；

${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\Δd}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\α}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\×H_0}[2-{\left(\frac{r+1-N_{\mathrm{top}}}{11}\right)}^{0.12}]\frac{{\mathrm{\α}}_k}{100}{\left(\frac{v_{r-1}}{F_V}\right)}^{{\mathrm{\α}}_v}{\left(\frac{H_0}{F_T}\right)}^{{\mathrm{\α}}_T}$

其中，α_k、α_v、α_T、α_c和α_vd由工艺给定；F_V、F_T代表带钢的基准速度、基准温度，由工艺给定；r表示冷却单元序号，即第r对喷水集管；N_top代表上起始阀门开启位置；v_r-1代表某段带钢进入第r个冷却单元的速度；

${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{bottom}}=\frac{\mathrm{\Δd}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\α}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\×H_J}[2-{\left(\frac{r+1-N_{\mathrm{top}}}{11}\right)}^{0.12}]\frac{{\mathrm{\α}}_k}{100}{\left(\frac{v_{r-1}}{F_v}\right)}^{{\mathrm{\α}}_v}{\left(\frac{H_J}{F_T}\right)}^{{\mathrm{\α}}_T};$

（2）当带钢所在辊道位置为上下空冷方式，即辊道上方管道阀门关闭，辊道下方管道阀门也关闭时：

T_mtop=T_mbottom=T_e，T_e为环境温度；

${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\Δd}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\α}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\×H_0}\mathrm{\σ}\×\mathrm{\ϵ}\×\frac{H_0^4-T_e^4}{H_0-T_e}+6.5+5.5\×{\left(v_{r-1}\right)}^{0.8}$

其中，v_r-1代表某段带钢进入第r个冷却单元的速度；T_e为环境温度；σ=5.67×10^{－ 8}[W/m²K⁴]，为玻尔兹曼常数；ε为带钢的发射率；

${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{bottom}}=\frac{\mathrm{\Δd}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\α}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\×H_M}\mathrm{\σ}\×\mathrm{\ϵ}\×\frac{H_J^4-T_e^4}{H_J-T_e}+6.5+5.5\×{\left(v_{r-1}^i\right)}^{0.8}$

其中，H_J表示带钢底部温度，即厚度节点J的温度；

（3）当带钢所在辊道位置为上水冷下空冷方式，即辊道上方管道阀门开启，辊道下方管道阀门也关闭时：

T_mtop=T_w,T_mbottom=T_e；

${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\Δd}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\α}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\×H_0}[2-{\left(\frac{r+1-N_{\mathrm{top}}}{11}\right)}^{0.12}]\frac{{\mathrm{\α}}_k}{100}{\left(\frac{v_{r-1}}{F_v}\right)}^{{\mathrm{\α}}_v}{\left(\frac{H_0}{F_T}\right)}^{{\mathrm{\α}}_T}$

${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{bottom}}=\frac{\mathrm{\Δd}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\α}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\×H_M}\mathrm{\σ}\×\mathrm{\ϵ}\×\frac{H_M^4-T_e^4}{H_M-T_e}+6.5+5.5\×{\left(v_{r-1}^i\right)}^{0.8}.$

所述的

的计算公式如下：

$v_{r-1}=v_0+\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{a}_t{t}_q+a_{Q+1}(\mathrm{i\Δ}\stackrel{\‾}{T}+{\mathrm{\Δt}}_{r-1}-\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{t}_q)---\left(8\right)$

其中，v₀代表该段带钢进入冷却区的初始速度；Q代表在时间

内带钢结束的运行阶段个数，Q≤5；a_q表示第q个运行阶段的加速度；a_Q+1表示第Q+1个运行阶段的加速度；i表示第i段带钢；代表等时分段采用的时间；Δt_r-1表示该段带钢进入冷却区到离开第r-1个冷却单元的总时间；

通过下式计算：

$g(\mathrm{i\Δ}\stackrel{\‾}{T}+{\mathrm{\Δt}}_{r-1}^i)=S_r+g\left(\mathrm{i\Δ}\stackrel{\‾}{T}\right)---\left(9\right)$

其中，S_r代表终轧机到第r个冷却单元的距离。

步骤1所述的主冷区开阀总数范围为0～136个;精冷区开阀总数范围为8～16个。

本发明优点：

本发明一种层流冷却过程带钢温度软测量方法，在下位机PLC程序中每隔一段时间调用一次层流冷却过程热轧带钢温度软测量程序，进行一次当前时刻冷却过程中带钢温度软测量，并及时把软测量结果输出到优化计算机的系统管理画面，为操作者或相关技术工人进行参数优化和监督操作提供一个很好的参考、指导作用，同时把软测量结果保存到冷却过程带钢温度软测量实时数据库中。本发明即带钢温度软测量模型在热轧带钢层流冷却系统正常运行期间，能够根据过程的实时数据估计出带钢温度值，成为一个具有很高实用价值的、低成本的带钢温度计量手段。虽然上述所举热轧带钢层流冷却过程应用实例为具体的工业过程，实际上，本发明提供的方法本身就是针对一般具有对关键参数难以实时检测的对象提出软测量方法，因此本发明方法设计的软测量方法可广泛应用于冶金、化工、纺织、建材等其他具有类似复杂特性的过程。

附图说明

图1为本发明一种实施例的热轧带钢层流冷却系统结构图；

图2为本发明一种实施例的某钢厂层流冷却设备图；

图3为本发明一种实施例的热轧带钢温度软测量模型结构图；

图4为本发明一种实施例的层流冷却过程带钢温度软测量方法流程图；

图5为本发明一种实施例的对应带钢段冷却过程中阀门开闭状态示意图；

图6为本发明一种实施例的带钢在冷却区的温度变化曲线图；

图7为本发明一种实施例的软测量模型计算的卷取温度值和实测的卷取温度值对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明所提出的层流冷却过程热轧带钢温度软测量方法由硬件平台及软测量软件组成，其中硬件平台核心由喷水系统组成，同时配备了测量仪表以及进行软件计算的计算机系统。其硬件的联接是高位水箱中冷却水进入辊道上下方的集水管中，喷水控制系统控制集水管路上的气动薄膜阀的开闭状态，进而控制喷射在带钢表面的冷却水量，对带钢上下表面进行强制水冷。

如图1所示，以层流冷却喷水系统为核心组成的热轧带钢层流冷却系统，其测量仪表包括：一个脉冲计数器：用于在线测量带钢运行速度，安装在终轧机架上。一个厚度检测仪：用于检测被冷却带钢的终轧厚度，安装在冷却区入口位置。两个温度检测仪：用于检测冷却开始和结束时的带钢上表面温度，分别安装在冷却区的入口位置和出口位置。该热轧带钢层流冷却系统同时配置了分布式计算机控制系统（DCS）、或可编程逻辑控制器（PLC）、或工业控制计算机（IPC），或分立式工业调节器，用以采集测量仪表的信号。本发明的软测量软件既可以运行在计算机控制系统的监控计算机上，也可以运行于独立的计算机上，该软件通过与控制计算机（分布式计算机控制系统（DCS）、或可编程逻辑控制器（PLC）、或工业控制计算机（IPC），或分立式工业调节器）或数据采集器进行通讯，获得实时的过程数据，并给出冷却过程中热轧带钢温度的估计结果。

本发明的实施例为国内大型钢厂，该钢厂主要生产低碳钢，硬度等级范围为500个，层流冷却系统主要处理的带钢厚度范围是1.1mm～30mm。如图2所示，层流冷却区的入口点到出口位置之间的距离为115.52m，终轧机与冷却区前的检测点之间的距离为7.68m，冷却区前的检测点与第一个喷水阀之间的距离为4.62m，冷却区内的最后一个喷水集管距离卷取机前的检测点为10.10m，卷取机前的检测点与卷取机之间的距离为36.95m，上部喷水机构相邻集管之间的距离为1.26m，下部喷水机构相邻集管之间的距离为0.43m。整个冷却区长度为115.52m，主冷区长度为95.34m，精冷区长度为20.18m。辊道上下对称设置了19个喷水架。上部喷水机构共有76根φ245×20集管，每根集管上有φ22×2的鹅颈管46根，从鹅颈管中流出的低压水呈柱状层流。这76根管分为主冷却区和精冷区。主冷却区中有68根集管，17个喷水架，每个集管由一个阀门控制，计68个控制阀门。精冷区有8根集管，共8个控制阀门；下部喷水机构共有228根φ89×6的集管，每根集管上安装轴长为25mm的喷嘴，从喷嘴中喷出的低压水呈扇形，喷出的高度约为450mm。这228根集管与上部喷水集管对应地分为主冷区和精冷区。主冷区中有204根集管，每3根集管由一个阀门控制，共68个控制阀门，精冷区有24根集管，每三根由一个阀门控制，共8个控制阀门。

本发明实施例中，主要工艺参数如表1所示：

表1

本发明实施例中，冷却区入口位置和卷取机前各安装一个远红外测温仪，以1s的采样周期进行带钢温度的检测。终轧机架上安装脉冲计数器，将带钢速度转换为脉冲数，以1s的周期计算带钢在终轧位置的运行速度。冷却区入口位置安装测厚仪，以1s的采样周期进行带钢厚度的检测。以可编程控制器（PLC）实现基础控制回路的自动控制，并读取上述的过程数据。在监控计算机中以RSView32软件实现监控人机界面。软测量程序用RSView32提供的VBA应用软件编制。软测量软件在单独的优化计算机上运行，该计算机上装有RSLinx通讯程序负责与PLC和上位机进行数据通讯，RSLinx与软测量程序之间通过DDE方式进行双向通讯。

本发明的实现方法包括带钢冷却单元定位模型计算，冷却单元阀门开闭状态模型计算、冷却单元下的冷却过程动态模型切换、带钢温度模型组成的带钢温度软测量模型计算四个部分；层流冷却过程热轧带钢温度软测量模型采用如图3所示的结构，其中，模型Ι代表上下水冷换热方法的模型；模型II代表上下空冷换热方式的模型；模型Ⅲ代表上水冷下空冷换热方式的模型。

一种层流冷却过程带钢温度软测量方法，方法流程图如图4所示，包括以下步骤：

步骤1、用户根据需求设置主冷区开阀总数(0～136个)、精冷区开阀总数(8～16个)、上下起始开阀位置，确定出该段带钢经过喷水集管时各集管控制阀门开闭状态；主冷区为冷却区内对带钢进行冷却的主要区域，设置于冷却区前端且距离较长；精冷区为精细调整水量及有助于带钢稳定运行的冷却区域，设置于冷却区后端且距离较短；

具体确定方法如下：

（1）辊道上方第一个阀门与起始阀门开启位置之间的所有阀门均关闭；辊道下方第一个阀门与起始阀门开启位置之间的所有阀门均关闭；

（2）依次开启冷却区出口处的精冷区8个对称集管阀门；

（3）主冷区辊道上方从上起始阀门开启位置之后打开阀门，并主冷区辊道下方从下起始阀门开启位置之后打开阀门，直至总开启阀门总数达到控制系统给定的主冷区阀门开启总数；

（4）从精冷区开始位置对称开启阀门，直至阀门开启总数达到控制系统给定的精冷区阀门开启总数；

本发明实施例中，选择硬度等级为320的一条带钢，厚度为11.99mm，对带钢以1s进行等时分段，即

对应该条带钢上起始阀门开启位置为17，下起始阀门开启位置为99，取第13段带钢进行实验。该段在入口处的温度检测值为856.6℃，速度检测值为2.57m/s。对应该段的主冷区喷水集管阀门开启总数为53，精冷区喷水集管阀门开启总数为8，冷却水温29℃，环境温度为31℃，经过第二运行阶段之后应该达到的速度为2.7m/s，最高运行速度为4.04m/s，抛钢速度为15m/s，第一运行阶段的加速度为0.02m/s²，第二运行阶段的加速度0.03m/s²，第三运行阶段的加速度为0.02m/s²，第四、五运行阶段的加速度为0。经过阀门开闭状态模型计算后，该段带钢对应的阀门开闭状态结果如图5所示，“0”代表阀门关闭，“1”代表阀门打开。

步骤2、采用设置于终轧机上的脉冲计数器采集该段带钢进入冷却区实测速度，并结合工艺给定的第一运行阶段的加速度、第二运行阶段的加速度、第三运行阶段的加速度、第四运行阶段的加速度、第五运行阶段的加速度、经过第二运行阶段之后应该达到的速度、最高运行速度和抛钢速度，确定在任意时刻某段带钢所在冷却单元的位置；

所述的第一运行阶段至第五运行阶段具体为：

第一运行阶段：指从带钢头部出终轧机开始到带钢头部到达卷取机的这段距离的运行过程；这一阶段加速运行，以保证终轧机出口带钢温度恒定；

即a=0.02m/s²，s₁=L₀+L₁+L₂=(7.68+115.52+10.1)m

第二运行阶段：指当带钢的头部进入卷取机后，进一步提高运行速度，该阶段运行加速度大于第一运行阶段加速度，直至速度到达经过第二运行阶段之后期望速度值；当精轧的冷却能力达到极限后（辊道承受能力及精轧设备的反应能力达到极限），第二运行阶段结束，进入第三运行阶段；

即a=a₂=0.03m/s²，v₂=2.7m/s

第三运行阶段：该阶段加速度减小到与第一运行阶段加速度相同，直至带钢速度达到允许的最高速度，第三运行阶段结束，进入第四运行阶段；

即a=a₃=a₁=0.02m/s²，v₃=4.04m/s

第四运行阶段：该阶段开始减速运行，直至带钢的尾部在终轧机进行抛钢，该阶段带钢运行速度必须小于允许的抛钢速度；

即a=a₄=0，v₄<15m/_s

第五运行阶段：该阶段为抛钢阶段，即带钢的尾部在终轧机抛钢后，带钢匀速运行，直到全部被卷取完毕；

即a₅=0

根据运行时间判断出在该时刻某段带钢所处辊道位置，具体判断的方法：

（1）当运行时间小于第一运行阶段运行时间时，根据该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度确定某段带钢所处辊道位置；公式如下：

$g{\left(t\right)}^2=2.57t+\frac{1}{2}\&times;{0.02t}^2---\left(1\right)$

（2）当运行时间大于第一运行阶段运行时间，且小于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和时，根据第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置；

公式如下：

$g\left(t\right)=2.57t_1+\frac{1}{2}\&times;{{0.02t}_1}^2+\left(\sqrt{{2.57}^2+2\&times;2.57\&times;s_1}\right)(t-t_1)+\frac{1}{2}\&times;0.03\&times;{(t-t_1)}^2---\left(2\right)$

（3）当运行时间大于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和时，根据第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置；

公式如下：

$g\left(t\right)=2.57\&times;t_1+\frac{1}{2}\&times;0.02{t_1}^2+\left(\sqrt{{2.57}^2+2\&times;0.02s_1}\right)t_2+\frac{1}{2}\&times;0.03{t_2}^2+2.7(t-t_1-t_2)+\frac{1}{2}\&times;0.02\&times;{(t-t_1-t_2)}^2---\left(3\right)$

（4）当运行时间大于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和时，根据第三运行阶段运行时间、允许的最高速度、第四运行阶段加速度、第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置确定某段带钢所处辊道位置；

公式如下：

$\begin{array}{c}g\left(t\right)=2.57\&times;t_1+\frac{1}{2}\&times;{{0.02t}_1}^2+\left(\sqrt{{2.57}^2+2\&times;2.57s_1}\right)t_2+\frac{1}{2}\&times;{{0.03t}_2}^2+{2.7t}_3+\frac{1}{2}\&times;0.02{t_3}^2\\ +4.04(t-t_1-t_2-t_3)\end{array}---\left(4\right)$

（5）当运行时间大于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，根据第四运行阶段运行时间、第四运行阶段运行距离、第五运行阶段运行时间、第五运行阶段加速度、第三运行阶段运行时间、允许的最高速度、第四运行阶段加速度、第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置确定某段带钢所处辊道位置，确定某段带钢所处辊道位置；

公式如下：

$\begin{array}{c}g\left(t\right)={2.57t}_1+\frac{1}{2}\&times;0.02{t_1}^2+\left(\sqrt{{2.57}^2+2\&times;{0.02s}_1}\right)t_2+\frac{1}{2}\&times;{{0.03t}_2}^2+{2.7t}_3+\frac{1}{2}\&times;{{0.02t}_3}^2\\ +4.04t_4+\left(\sqrt{{4.04}^2}\right)(t-t_1-t_2-t_3-t_4-t_5)\end{array}---\left(5\right)$

（6）当运行时间大于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，根据第四运行阶段运行时间、第四运行阶段运行距离、第五运行阶段运行时间、第五运行阶段加速度、第三运行阶段运行时间、允许的最高速度、第四运行阶段加速度、第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置；

公式如下：

$\begin{array}{c}g\left(t\right)={2.57t}_1+\frac{1}{2}\&times;{{0.02t}_1}^2+\left(\sqrt{{2.57}^2+2\&times;0.02s_1}\right)t_2+\frac{1}{2}\&times;{{0.03t}_2}^2+{2.7t}_3+\frac{1}{2}\&times;{{0.02t}_3}^2\\ +{4.04t}_4+\left(\sqrt{{4.04}^2}\right)t_5+\sqrt{{4.04}^2}(t-t_1-t_2-t_3-t_4-t_5)\end{array}---\left(6\right).$

步骤3、采用温度检测仪检测带钢头部进入冷却区的初始温度，并取带钢厚度方向上多个节点，根据带钢头部温度并结合所在辊道位置的冷却方式获得该段带钢尾部厚度方向上多个节点的温度，将该段带钢尾部厚度方向上多个节点的温度作为下一段带钢头部厚度方向上多个节点的初始温度，依次迭代，获得最后一段带钢尾部厚度方向上多个节点的温度，即获得带钢在每对上下喷水集管下的温度分布，即完成对带钢温度的软测量。

具体如下：

辊道某个位置处，某段带钢厚度方向上的11个节点温度为：H₀(k)、H₁(k)...H₁₀(k)，推导公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}[1+{\mathrm{\&theta;}}_0+{\mathrm{\&theta;}}_0+{\mathrm{\&theta;}}_0{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}]H_0\left(k\right)=[1-{\mathrm{\&theta;}}_0-{\mathrm{\&theta;}}_0{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}]H_0(k-1)+{\mathrm{\&theta;}}_0{H}_1\left(k\right)+{\mathrm{\&theta;}}_0{H}_1(k-1)+{2\mathrm{\&theta;}}_0{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}{T}_{\mathrm{top}}\\ (2+{2\mathrm{\&theta;}}_1)H_1\left(k\right)={\mathrm{\&theta;}}_1{H}_0(k-1)+(2-{2\mathrm{\&theta;}}_1)H_1(k-1){+{\mathrm{\&theta;}}_1{H}_2(k-1)+\mathrm{\&theta;}}_1{H}_0\left(k\right)+{\mathrm{\&theta;}}_1{H}_2\left(k\right)\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ (2+{2\mathrm{\&theta;}}_j)H_j\left(k\right)={\mathrm{\&theta;}}_j{H}_{j-1}(k-1)+(2-{2\mathrm{\&theta;}}_j)H_j(k-1)+{\mathrm{\&theta;}}_j{H}_{j+1}(k-1)+{\mathrm{\&theta;}}_j{H}_{J-1}\left(k\right)+{\mathrm{\&theta;}}_j{H}_{j-2}\left(k\right)\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ (1+{\mathrm{\&theta;}}_{10}+{\mathrm{\&theta;}}_{10}{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{botton}})H_{10}\left(k\right)={\mathrm{\&theta;}}_{10}{H}_9(k-1)+(1-{\mathrm{\&theta;}}_{10}-{\mathrm{\&theta;}}_{10}{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{botton}})H_{10}(k-1)+{\mathrm{\&theta;}}_{10}{H}_9\left(k\right)+{2\mathrm{\&theta;}}_{10}{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{bottom}}{T}_{\mathrm{bottom}}\end{array}\right.----\left(7\right)$

本发明实施例中，综合考虑模型计算精度和运算时间，带钢卷取温度模型的模型计算时间差分步长Δτ＝0.01s。根据带钢厚度大小，模型的厚度节点数参数J取10。

s_j为导温系数，

$s_j=\left\{\begin{array}{cc}8.65+(5.0-8.65)[H_j-400]/250,& H_j\&Element;\left[\mathrm{400,650}\right]\\ 5.0+(2.75-5.0)[H_j-650]/50,& H_j\&Element;\left[\mathrm{650,700}\right]\\ 2.75+(5.25-2.75)[H_j-700]/100,& H_j\&Element;\left[\mathrm{700,800}\right]\\ 5.25+0.00225[H_j-800],& H_j\&Element;\left[\mathrm{800,1000}\right]\end{array}\right.$

其他参数与换热方式相关，具体为：

（1）当带钢所在辊道位置为上下水冷方式，即辊道上方管道阀门开启，辊道下方管道阀门也开启时：

T_mtop=T_mbottom=T_w，T_w为冷却水温29℃；

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}=\frac{11.99/10}{56.43-\{0.363-0.031[v_{r-1}-0.51\left]\right\}\&times;H_0}[2-{\left(\frac{r+1-17}{11}\right)}^{0.12}]\frac{2300}{100}{\left(\frac{v_{r-1}}{2.72}\right)}^{0.52}{\left(\frac{H_0}{850}\right)}^{1.46}$

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{bottom}}=\frac{11.99/10}{56.43-\{0.0363-0.031[v_{r-1}-0.51\left]\right\}\&times;10}[2-{\left(\frac{r+1-17}{11}\right)}^{0.12}]\frac{2300}{100}{\left(\frac{v_{r-1}}{2.72}\right)}^{0.52}{\left(\frac{H_{10}}{850}\right)}^{1.46};$

（2）当带钢所在辊道位置为上下空冷方式，即辊道上方管道阀门关闭，辊道下方管道阀门也关闭时：

T_mtop=T_mbottom=T_e，T_e为环境温度31℃；

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}=\frac{11.99/10}{56.43-\{0.0363-0.03[v_{r-1}-0.51\left]\right\}\&times;H_0}\&times;5.67\&times;{10}^{-8}\&times;0.82\&times;\frac{H_0^4-{31}^4}{H_0-31}+6.5+5.5\&times;{\left(v_{r-1}\right)}^{0.8}$

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{bottom}}=\frac{11.99/10}{56.43-\{0.0363-0.03[v_{r-1}-0.51\left]\right\}\&times;H_{10}}\&times;5.67\&times;{10}^{-8}\&times;0.82\&times;\frac{H_{10}^4-{31}^4}{H_{10}-31}+6.5+5.5\&times;{\left(v_{r-1}\right)}^{0.8}$

（3）当带钢所在辊道位置为上水冷下空冷方式，即辊道上方管道阀门开启，辊道下方管道阀门也关闭时：

T_mtop=T_w=29,T_mbottom=T_e=31；

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}=\frac{11.99/10}{56.43-\{0.363-0.031[v_{r-1}-0.51\left]\right\}\&times;H_0}[2-{\left(\frac{r+1-17}{11}\right)}^{0.12}]\frac{2300}{100}{\left(\frac{v_{r-1}}{2.72}\right)}^{0.52}{\left(\frac{H_0}{850}\right)}^{1.46}$

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{bottom}}=\frac{11.99/10}{56.43-\{0.0363-0.03[v_{r-1}-0.51\left]\right\}\&times;H_{10}}\&times;5.67\&times;{10}^{-8}\&times;0.82\&times;\frac{H_{10}^4-{31}^4}{H_{10}-31}+6.5+5.5\&times;{\left(v_{r-1}\right)}^{0.8}.$

所述的v_r-1的计算公式如下：

$v_{r-1}=2.57+\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_q{t}_q+a_{Q+1}(13+{\mathrm{\&Delta;t}}_{r-1}^{13}-\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_q)---\left(8\right)$

通过下式计算：

$q(13+{\mathrm{\&Delta;t}}_{r-1}^{13})=S_r+g\left(13\right)---\left(9\right)$

本发明实施例中，该段带钢厚度方向上三个节点温度变化曲线如图6所示，其中最上面一条曲线为该段带钢芯部温度变化曲线，中间一条曲线为该段带钢下表面温度变化曲线，下面一条曲线为该段带钢上表面温度变化曲线。

带钢在各冷却单元下发生的换热方式及采用的模型如表3所示。该段带钢分别经过了冷却区前的空冷区、冷却区域中的上下水冷区、冷却区中的空冷区、冷却区后段上下水冷区、冷却区后的空冷区，在不同阶段采用的上下表面换热系数及介质温度不同，温度下降速度也不同。

表3

注：模型Ι代表上下水冷换热方法的模型；模型II代表上下空冷换热方式的模型；模型Ⅲ代表上水冷下空冷换热方法的模型

下面具体分析在各不同区域的换热方式和温度下降过程：

1.冷却区前的空冷区：

该段带钢首先经过冷却区前的空冷区(标识为“1”的区域)，即终轧机到冷却区入口位置的一段空冷区域(第0个冷却单元)，接着经过第1～16个冷却单元，这一区域辊道上下阀门均关闭，带钢上下表面发生空冷换热过程，选择空冷换热系数，介质温度采用环境温度，经过模型计算，这一阶段的带钢温度下降较为缓慢。

2.上下水冷区

带钢运行进入第17个冷却单元，为上下水冷区(标识为“2”的区域)。该区域辊道上方阀门打开有冷却水流出，辊道下方阀门关闭，因此发生上水冷下空冷的换热方式，因此该冷却单元下温度模型参数采用上表面水冷换热系数，下表面空冷换热系数。带钢继续进入第18～43冷却单元，经过这些冷却单元时辊道上下方的阀门均为打开状态，为上下水冷的换热方式，模型参数采用上下表面水冷换热系数，模型计算结果显示带钢温度迅速下降，这是由于强制水冷的结果。

3.冷却区中的空冷区：

冷却区中的空冷区，即标识为“3”的区域。带钢运行至第44个上水冷下空冷方式的冷却单元(采用上表面水冷换热系数，下表面空冷换热系数)，继而进入第45～76个上下空冷方式的冷却单元，采用上下表面空冷换热系数，该阶段的模型计算结果显示带钢温度稍有回升继而缓慢下降，这与带钢发生相变，内部产生的潜热使带钢发生回温现象及带钢内部热传导现象一致，之后再进入空冷的缓慢降温阶段。

4.冷却区后段上下水冷区：

该段带钢进入冷却区后段上下水冷区(标识为“4”的区域)，即从第77～80个冷却单元，辊道上下方阀门均为打开状态，发生上下水冷的换热方式，模型计算结果显示带钢温度再度快速下降。

5.冷却区后空冷区：

最后带钢出冷却后进入冷却区后空冷区(标识为“5”的区域)，即进入冷却区至卷取机之间的一段空冷区，模型计算结果显示带钢温度缓慢回升(带钢内部热传导效果)并稳定。至此，整个冷区过程的带钢温度计算完毕，计算后的卷取温度为562.71℃，实测卷取温度为560.6℃，偏差为－2.11℃。

上述带钢温度模型计算的温度变化过程从一定程度上说明了本文提出的冷却过程热轧带钢温度模型的合理性。

利用本发明提出带钢温度软测量方法，可以计算冷却区内带钢在厚度方向上的温度分布，同时可以计算最终的带钢卷取温度，因此设计了卷取温度计算精度比较实验。

在相同工况条件和输入条件下，软测量模型计算的卷取温度值和实测的卷取温度值对比曲线如图7所示。从图中可以看出，即使带钢规格发生变化，本文提出的层流冷却动态过程模型计算的卷取温度基本拟合实测卷取温度，偏差较小。

Claims (5)

1.一种层流冷却过程带钢温度软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、用户根据需求设置主冷区开阀总数、精冷区开阀总数和上下起始开阀位置，并根据上述三个信息确定出该段带钢经过喷水集管时各集管控制阀门开闭状态；

具体确定方法如下：

（1）辊道上方第一个阀门与起始阀门开启位置之间的所有阀门均关闭；辊道下方第一个阀门与起始阀门开启位置之间的所有阀门均关闭；

（2）依次开启冷却区出口处的精冷区4～8个对称集管阀门；

（3）主冷区辊道上方从上起始阀门开启位置之后打开阀门，并主冷区辊道下方从下起始阀门开启位置之后打开阀门，直至总开启阀门总数达到控制系统给定的主冷区阀门开启总数；

（4）从精冷区开始位置对称开启阀门，直至阀门开启总数达到控制系统给定的精冷区阀门开启总数；

步骤2、采用设置于终轧机上的脉冲计数器采集带钢进入冷却区实测速度，并结合工艺给定的第一运行阶段的加速度、第二运行阶段的加速度、第三运行阶段的加速度、第四运行阶段的加速度、第五运行阶段的加速度、经过第二运行阶段之后应该达到的速度、最高运行速度和最高抛钢速度，确定在任意时刻某段带钢所在冷却单元的位置；

所述的第一运行阶段至第五运行阶段具体为：

第一运行阶段：指从带钢头部出终轧机开始到带钢头部到达卷取机的这段距离的运行过程；这一阶段加速运行，以保证终轧机出口带钢温度恒定；

第二运行阶段：指当带钢的头部进入卷取机后，进一步提高运行速度，该阶段运行加速度大于第一运行阶段加速度，直至速度到达经过第二运行阶段之后期望速度值；当精轧的冷却能力达到极限后，第二运行阶段结束，进入第三运行阶段；

第三运行阶段：该阶段加速度减小到与第一运行阶段加速度相同，直至带钢速度达到允许的最高速度，第三运行阶段结束，进入第四运行阶段；

第四运行阶段：该阶段开始减速运行，直至带钢的尾部在终轧机进行抛钢，该阶段带钢运行速度必须小于允许的抛钢速度；

第五运行阶段：该阶段为抛钢阶段，即带钢的尾部在终轧机抛钢后，带钢匀速运行，直到全部被卷取完毕；

根据运行时间判断出在该时刻某段带钢所处辊道位置，具体判断的方法：

（1）当运行时间小于第一运行阶段运行时间时，根据该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度确定某段带钢所处辊道位置；

（2）当运行时间大于第一运行阶段运行时间，且小于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和时，根据第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置；

（3）当运行时间大于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和时，根据第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置；

（4）当运行时间大于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和时，根据第三运行阶段运行时间、允许的最高速度、第四运行阶段加速度、第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置确定某段带钢所处辊道位置；

（5）当运行时间大于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，根据第四运行阶段运行时间、第四运行阶段运行距离、第五运行阶段运行时间、第五运行阶段加速度、第三运行阶段运行时间、允许的最高速度、第四运行阶段加速度、第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置确定某段带钢所处辊道位置，确定某段带钢所处辊道位置；

（6）当运行时间大于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，根据第四运行阶段运行时间、第四运行阶段运行距离、第五运行阶段运行时间、第五运行阶段加速度、第三运行阶段运行时间、允许的最高速度、第四运行阶段加速度、第二运行阶段运行时间、经过第二运行阶段之后期望速度值、第三运行阶段加速度、第一运行阶段运行距离、第一运行阶段运行时间、该段带钢进入冷却区的初始速度和第一运行阶段加速度，确定某段带钢所处辊道位置；

步骤3、采用设置于终轧机上的温度检测仪检测带钢头部进入冷却区的初始温度，并取带钢厚度方向上多个节点，根据带钢头部温度并结合所在辊道位置的冷却方式获得该段带钢尾部厚度方向上多个节点的温度，将该段带钢尾部厚度方向上多个节点的温度作为下一段带钢头部厚度方向上多个节点的初始温度，依次迭代，获得每段带钢在厚度方向上多个节点的温度，即获得带钢在每对上下喷水集管下的温度分布，即完成对带钢温度的软测量。

2.根据权利要求1所述的层流冷却过程带钢温度软测量方法，其特征在于，步骤2中所述的：

（1）当运行时间小于第一运行阶段运行时间时，确定某段带钢所处辊道位置公式如下：

$g\left(t\right)=v_{0}t+\frac{1}{2}{a}_1{t}^2---\left(1\right)$

其中，g(t)表示从该带钢头部进入冷却区开始计时，经过t秒带钢头部在冷却区内的运行距离；v₀代表该段带钢进入冷却区的初始速度；a₁表示第一运行阶段加速度；

（2）当运行时间大于第一运行阶段运行时间，且小于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$g\left(t\right)=v_0{v}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)(t-t_1)+\frac{1}{2}{a}_1{(t-t_1)}^2---\left(2\right)$

其中，t₁表示第一运行阶段运行时间，

s₁表示第一运行阶段运行距离，s₁=L₀+L₁+L₂，L₀为终轧机到冷却区入口之间的距离；L₁为冷却区的长度；L₂为冷却区出口到卷取机之间的距离；a₂表示第二运行阶段加速度；

（3）当运行时间大于第一运行阶段和第二运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$g\left(t\right)=v_0{t}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)t_2+\frac{1}{2}{a}_2{t_2}^2+v_{\mathrm{aft}}(t-t_1-t_2)+\frac{1}{2}{a}_3{(t-t_1-t_2)}^2---\left(3\right)$

其中，t₂表示第二运行阶段运行时间，

v₁表示第一运行阶段的运行速度，v₂表示第二运行阶段的运行速度；v_aft表示经过第二运行阶段之后期望速度值；a₃表示第三运行阶段加速度；

（4）当运行时间大于第一运行阶段至第三运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$\begin{array}{c}g\left(t\right)=v_0{t}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)t_2+\frac{1}{2}{a}_2{t_2}^2+v_{\mathrm{aft}}{t}_3+\frac{1}{2}{a}_3{t_3}^2\\ +v_{\max }(t-t_1-t_2-t_3)+\frac{1}{2}{a}_4{(t-t_1-t_2-t_3)}^2\end{array}---\left(4\right)$

其中，t₃表示第三运行阶段运行时间，

v₃表示第三运行阶段的运行速度；v_max表示允许的最高速度；a₄表示第四运行阶段加速度；

（5）当运行时间大于第一运行阶段至第四运行阶段运行时间总和，且小于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$\begin{array}{c}g\left(t\right)=v_0{t}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)t_2+\frac{1}{2}{a}_2{t_2}^2+v_{\mathrm{aft}}{t}_3+\frac{1}{2}{a}_3{t_3}^2\\ +v_{\max }{t}_4+\frac{1}{2}{a}_4{t_4}^2+\left(\sqrt{{v_{\max }}^2{2a}_4{s}_4}\right)(t-t_1-t_2-t_3-t_4-t_5)+\frac{1}{2}{a}_5{(t-t_1-t_2-t_3-t_4-t_5)}^2\end{array}---\left(5\right)$

其中，t₄表示第四运行阶段运行时间，

v₄表示第四运行阶段的运行速度；s₄表示第四运行阶段运行距离，s₄=L_s-s₃-s₂-s₁，

t₅表示第五运行阶段运行时间，s₅表示第五运行阶段运行距离；a₅表示第五运行阶段加速度；

（6）当运行时间大于第一运行阶段至第五运行阶段运行时间总和时，确定某段带钢所处辊道位置的公式如下：

$\begin{array}{c}g\left(t\right)=v_0{t}_1+\frac{1}{2}{a}_1{t_1}^2+\left(\sqrt{{v_0}^2+{2a}_1{s}_1}\right)t_2+\frac{1}{2}{a}_2{t_2}^2+v_{\mathrm{aft}}{t}_3+\frac{1}{2}{a}_3{t_3}^2\\ +v_{\max }{t}_4+\frac{1}{2}{a}_4{t_4}^2+\left(\sqrt{{v_{\max }}^2+{2a}_4{s}_4}\right)t_5+\frac{1}{2}{a}_5{t_5}^2+\sqrt{{v_{\max }}^2+{2a}_4{s}_4}(t-t_1-t_2-t_3-t_4-t_5)\end{array}---\left(6\right).$

3.根据权利要求1所述的层流冷却过程带钢温度软测量方法，其特征在于，步骤3所述的根据带钢头部温度并结合所在辊道位置的冷却方式获得该段带钢尾部厚度方向上多个节点的温度，具体如下：

辊道某个位置处，某段带钢厚度方向上的J个节点温度为：H₀(k)、H₁(k)...H_J(k)，推导公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}[1+{\mathrm{\&theta;}}_0+{\mathrm{\&theta;}}_0+{\mathrm{\&theta;}}_0{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}]H_0\left(k\right)=[1-{\mathrm{\&theta;}}_0-{\mathrm{\&theta;}}_0{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}]H_0(k-1)+{\mathrm{\&theta;}}_0{H}_1\left(k\right)+{\mathrm{\&theta;}}_0{H}_1(k-1)+{2\mathrm{\&theta;}}_0{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}{T}_{\mathrm{top}}\\ (2+{2\mathrm{\&theta;}}_1)H_1\left(k\right)={\mathrm{\&theta;}}_1{H}_0(k-1)+(2-{2\mathrm{\&theta;}}_1)H_1(k-1){+{\mathrm{\&theta;}}_1{H}_2(k-1)+\mathrm{\&theta;}}_1{H}_0\left(k\right)+{\mathrm{\&theta;}}_1{H}_2\left(k\right)\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ (2+{2\mathrm{\&theta;}}_j)H_j\left(k\right)={\mathrm{\&theta;}}_j{H}_{j-1}(k-1)+(2-{2\mathrm{\&theta;}}_j)H_j(k-1)+{\mathrm{\&theta;}}_j{H}_{j+1}+{\mathrm{\&theta;}}_j{H}_{J-1}\left(k\right)+{\mathrm{\&theta;}}_j{H}_{j-2}\left(k\right)\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ (1+{\mathrm{\&theta;}}_J+{\mathrm{\&theta;}}_J{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{botton}})H_J\left(k\right)={\mathrm{\&theta;}}_J{H}_{J-1}(k-1)+(1-{\mathrm{\&theta;}}_J-{\mathrm{\&theta;}}_J{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{botton}})H_J(k-1)+{\mathrm{\&theta;}}_J{H}_{J-1}\left(k\right)+{2\mathrm{\&theta;}}_J{\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{bottom}}{T}_{\mathrm{bottom}}\end{array}\right.----\left(7\right)$

其中，k表示时间节点，即迭代序号；J为厚度节点总数；

j=0......J，Δτ为模型时间迭代步长，

D为带钢厚度；

s_j为导温系数，

$s_j=\left\{\begin{array}{cc}8.65+(5.0-8.65)[H_j-400]/250,& H_j\&Element;\left[\mathrm{400,650}\right]\\ 5.0+(2.75-5.0)[H_j-650]/50,& H_j\&Element;\left[\mathrm{650,700}\right]\\ 2.75+(5.25-2.75)[H_j-700]/100,& H_j\&Element;\left[\mathrm{700,800}\right]\\ 5.25+0.00225[H_j-800],& H_j\&Element;\left[\mathrm{800,1000}\right]\end{array}\right.$

其他参数与换热方式相关，具体为：

（1）当带钢所在辊道位置为上下水冷方式，即辊道上方管道阀门开启，辊道下方管道阀门也开启时：

T_mtop=T_mbottom=T_w，T_w为冷却水温；

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\&Delta;d}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\&alpha;}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\&times;H_0}[2-{\left(\frac{r+1-N_{\mathrm{top}}}{11}\right)}^{0.12}]\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_k}{100}{\left(\frac{v_{r-1}}{F_v}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_v}{\left(\frac{H_0}{F_T}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_T}$

其中，α_k、α_v、α_T、α_c和α_vd由工艺给定；F_V、F_T代表带钢的基准速度、基准温度，由工艺给定；r表示冷却单元序号，即第r对喷水集管；N_top代表上起始阀门开启位置；v_r-1代表某段带钢进入第r个冷却单元的速度；

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{bottom}}=\frac{\mathrm{\&Delta;d}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\&alpha;}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\&times;H_J}[2-{\left(\frac{r+1-N_{\mathrm{top}}}{11}\right)}^{0.12}]\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_k}{100}{\left(\frac{v_{r-1}}{F_v}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_v}{\left(\frac{H_J}{F_T}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_T};$

（2）当带钢所在辊道位置为上下空冷方式，即辊道上方管道阀门关闭，辊道下方管道阀门也关闭时：

T_mtop=T_mbottom=T_e，T_e为环境温度；

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\&Delta;d}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\&alpha;}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\&times;H_0}\mathrm{\&sigma;}\&times;\mathrm{\&epsiv;}\&times;\frac{H_0^4-T_e^4}{H_0-T_e}+6.5+5.5\&times;{\left(v_{r-1}\right)}^{0.8}$

其中，v_r-1代表某段带钢进入第r个冷却单元的速度；T_e为环境温度；σ=5.67×10^{－ 8}[W/m²K⁴]，为玻尔兹曼常数；ε为带钢的发射率；

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{bottom}}=\frac{\mathrm{\&Delta;d}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\&alpha;}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\&times;H_M}\mathrm{\&sigma;}\&times;\mathrm{\&epsiv;}\&times;\frac{H_J^4-T_e^4}{H_J-T_e}+6.5+5.5\&times;{\left(v_{r-1}^i\right)}^{0.8}$

其中，H_J表示带钢底部温度，即厚度节点J的温度；

（3）当带钢所在辊道位置为上水冷下空冷方式，即辊道上方管道阀门开启，辊道下方管道阀门也关闭时：

T_mtop=T_w,T_mbottom=T_e；

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{top}}=\frac{\mathrm{\&Delta;d}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\&alpha;}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\&times;H_0}[2-{\left(\frac{r+1-N_{\mathrm{top}}}{11}\right)}^{0.12}]\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_k}{100}{\left(\frac{v_{r-1}}{F_v}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_v}{\left(\frac{H_0}{F_T}\right)}^{{\mathrm{\&alpha;}}_T}$

${\mathrm{\&zeta;}}_{\mathrm{bottom}}=\frac{\mathrm{\&Delta;d}}{56.43-\{0.0363-{\mathrm{\&alpha;}}_c[v_{r-1}-{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{vd}}\left]\right\}\&times;H_M}\mathrm{\&sigma;}\&times;\mathrm{\&epsiv;}\&times;\frac{H_M^4-T_e^4}{H_M-T_e}+6.5+5.5\&times;{\left(v_{r-1}^i\right)}^{0.8}.$

4.根据权利要求3所述的层流冷却过程带钢温度软测量方法，其特征在于，所述的的计算公式如下：

$v_{r-1}=v_0+\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_t{t}_q+a_{Q+1}(\mathrm{i\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{T}+{\mathrm{\&Delta;t}}_{r-1}-\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\&Sigma;}}}{t}_q)---\left(8\right)$

其中，v₀代表该段带钢进入冷却区的初始速度；Q代表在时间

内带钢结束的运行阶段个数，Q≤5；a_q表示第q个运行阶段的加速度；a_Q+1表示第Q+1个运行阶段的加速度；i表示第i段带钢；

代表等时分段采用的时间；Δt_r-1表示该段带钢进入冷却区到离开第r-1个冷却单元的总时间；

通过下式计算：

$g(\mathrm{i\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{T}+{\mathrm{\&Delta;t}}_{r-1}^i)=S_r+g\left(\mathrm{i\&Delta;}\stackrel{\&OverBar;}{T}\right)---\left(9\right)$

其中，S_r代表终轧机到第r个冷却单元的距离。

5.根据权利要求1所述的层流冷却过程带钢温度软测量方法，其特征在于，步骤1所述的主冷区开阀总数范围为0～136个;精冷区开阀总数范围为8～16个。

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