CN103878185B - 一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，所述方法包括下述步骤：（1）带钢动态段的选择，（2）带钢运行特征点的确定,（3）带钢运行过程中段长的动态确定，（4）带钢速度变化量步长的确定，（5）对当前段的实测速度进行合理性检验和校正，（6）实测段变化时间的修正。根据本发明，结合带钢不同的运行速度，采用动态段控制的概念，结合带钢速度运行特征，采用了线性拟合的方法对速度进行修正，从而控制带钢设定段（固定段）的运行时间。根据本发明，可解决热连轧过程中带钢在动态速度变化情况下的温度精确控制，有效提高带钢在层流冷却过程中的温度控制精度。

Description

一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法

技术领域

本发明涉及冶金热轧控制领域，具体地，本发明涉及热轧过程中的层流冷却温度控制方法，更具体地，涉及层流冷却的控制功能的正确执行，或者说确定喷水阀门的个数与带钢实际速度之间的真实性关系。根据本发明，根据各带钢段的段长、速度变化及带钢的目标冷却温度，得到各带钢段需要的温降，然后通过包括空冷模型、水冷模型等在内的冷却模型，计算得到各带钢段需要的冷却水量及各带钢段所需开启的喷水阀门数，进行预冷却、主冷却及精冷却对层流冷却阀门进行控制。

背景技术

在冶金热轧领域，热轧层流冷却控制的主要任务是调节冷却喷水阀门，从而将带钢从某一终轧温度冷却到要求的卷取温度。

由于卷取温度对带钢的物理性能影响很大，因此，卷取温度必须控制在目标卷取温度的公差范围内。对于一些特殊带钢，除了控制卷取温度外，还需要使用稀疏喷水方式进行冷却以控制其冷却速率，因为，如果带钢的表面与中心温差太大，则其晶体的结构会受到影响。

在层流冷却的控制中，关键是确定喷水阀门的个数。然而，由于带钢的速度是随时间变化的，因而带钢在喷水阀门下的滞留时间不是常数，其变化规律可以用一个速度运行图来预测（参见图2）。只有当带钢的实际运行情况和预计算的带钢运行图相吻合时，层流冷却的控制功能才能被正确地执行，因此带钢实际速度的真实性至关重要，如果带钢速度的实际值不准确，那么带钢层流冷却的控制精度就会受到很大的影响。

在实际生产过程中，当带钢尾部抛钢以后，实测速度的跟踪就由精轧F7机架切换到卷取机的夹送辊，然而卷取机夹送辊的跟踪精度和效果远不如精轧F7机架，常常造成跟踪错位而使带钢抛钢后的设定阀门（喷水阀门）偏少或偏多，引起带钢尾部卷取温度控制的异常。此外，不同规格的带钢长度不同，当带钢厚度较薄、长度较长时，其轧制速度比较快，部分段的实测速度会因为实际值采集不充分而引起异常，导致喷水阀门设定偏差，冷却水不对引起温度异常），导致前馈和反馈控制的超调（超调意为调节过量引起控制的不稳定和振荡）。

通过对现有层流冷却温度控制技术的分析发现，目前情况下，对于实际采集的卷取温度值，在经过平均值处理以后，均作为层冷前馈或反馈控制的依据，这在带钢抛钢前跟踪正常和轧制速度不快实际值采集充分时是没有问题的，但在抛钢后由卷取夹送辊跟踪或温度实际值采集异常时就不合适了。

例如，在专利号为“CN02144825.6”、发明名称为“热轧带钢中间坯层流冷却方法”中，其核心是在粗轧机出口处安装2～5组层流冷却装置，形成长度为L的层流冷却区，通过计算中间坯每一点经过层流冷却区的时间t1和一块中间坯经过层流冷却区的总时间t2，按照中间坯的钢种和规格计算出为使该中间坯冷却到所要求温度的冷却水流量Q，该方法主要适用于各种类型的热轧带钢厂的中间坯控温轧制。

又，在专利号为“CN200410021048.7”、发明名称为“一种带钢层流冷却装置及其控制冷却方法”中，把层流冷却区域划分为两个冷却区，同时具有强冷功能的带钢层流冷却装置及其控制冷却方法。其装置部分主要由上层流集管和下喷射集管组成，冷却区包括主冷段和精冷段两部分，主冷段和精冷段均由多个上部层流集管组和相应数量的下部喷射集管组组成。其控制冷却方法是由计算机通过设定计算和反馈、前馈计算实现的。以达到卷取温度控制和冷却速度控制要求。

再有，在专利号为“CN02132975.3”、发明名称为“热轧带钢三段层流冷却工艺”的发明专利提供了一种热轧带钢三段层流冷却工艺。该工艺技术上采用计算机对层流冷却控制，其特征在于将带钢设为三段进行冷却，第一段是长为30m的头部段，第二段是带钢的中间段，第三段是长为20m的尾部段，三段的冷却温度分别控制在：中间段等于目标卷取温度，头部段大于目标卷取温度20～50℃，尾部段大于目标卷取温度20～40℃。该发明热轧带钢三段层流冷却工艺可改善钢带的性能均匀性，解决了头部温度低带来热轧带钢生产薄规格易卡钢、生产厚规格易摊钢的难题，同时由于钢带性能均匀性的改善更好地满足了下道工序的要求。

然而，上面的技术描述的一种在层流冷却控制中，结合带钢的不同位置，进行分段的温度控制，而本发明涉及的是一种动态带钢段长冷却控制，与上述以往技术存在根本的不同。

另外，上述以往技术主要在粗轧出口进行冷却控制，且主要对中间坯进行冷却，未涉及对带钢成品进行冷却。

为解决上述问题，发明的目的在于，提供一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，上述以往技术主要在粗轧出口进行冷却控制，且主要对中间坯进行冷却，未涉及对带钢成品进行冷却。而发明涉及一种热轧带钢在抛钢阶段的变速冷却方法，且是对带钢成品进行冷却，且所述方法系针对带钢在抛钢阶段的速度变化而形成的一种变速冷却方法。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，结合带钢不同的运行速度，采用动态“段”控制的概念，采用了线性拟合的方法对速度进行修正，实现了变速冷却下“段”运行时间的相对稳定，并采用速度变化步长的概念对实测速度进行校验和修正，控制带钢固定段（固定段是一个相对的概念，即在根据带钢速度动态地确定了段长以后，这个段的段长在后续的轧制过程中是固定不变的，因而称其为“固定段”），从而，有效地消除了因跟踪错位和实际值采集不充分而引起的异常，避免了带钢在冷却过程中的温度异常，形成一种热轧带钢变速冷却的控制方法。

根据本发明，根据下位计算机（PLC系统）传来的带钢实测速度及段变化时间实际值，结合带钢运行图确定带钢速度变化的上下限，即速度变化量的最大步长，并且根据前一段的实测速度与最大步长来校正当前段的实测速度，或者根据前面若干段（例如3-5段）的实测速度及它们的速度变化趋势来校正当前段的实测速度，有效地消除了因跟踪错位和实际值采集不充分而引起的异常，避免了由此而产生的前馈和反馈控制的超调。

本发明的技术方案如下：

一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，所述控制方法首先通过测温仪得到在轧制运行中的带钢各段的当前温度，然后根据各带钢段的段长、速度变化及带钢的目标冷却温度，得到各带钢段需要的温降，然后通过包括空冷模型、水冷模型等在内的冷却模型，计算得到各带钢段需要的冷却水量及各带钢段所需开启的喷水阀门数，进行预冷却、主冷却及精冷却对层流冷却阀门进行控制，其特征在于，

（1）所述带钢段为动态段，所述带钢动态段根据带钢运行图中带钢在不同轧制运行时间段内不同的速度变化而设定，所述带钢动态段系根据带钢运行图中带钢在不同轧制运行时间段内以分别不同的速度运行时的段长，进行动态地划分，

当带钢轧制速度≤5m/s时，所述带钢动态段的长度定义为1.5～2.5m，当轧制速度＞5m/s时，所述带钢动态段的长度定义为2.5～11m；

所述动态段一旦取定，在整个带钢轧制过程的控制计算中不再变动，

（2）带钢运行特征点的确定,

所述带钢运行特征点系指所述带钢动态段在带钢运行图中的不同轧制运行时间段内，以分别不同的速度运行时的不同运行模式下的临界点，所述带钢运行特征点包括：

第一部分：带钢入口点，

第二部分：带钢固定功率加速度点，

第三部分：带钢恒速运行点，

第四部分：带钢固定减速点，

第5部分：带钢尾部点，

（3）根据上述带钢运行过程中动态段段长的确定，层流冷却控制模型计算出该动态段所需开启的喷水阀门数，并将设定值传送到下位PLC计算机执行，进行温度的前馈控制，以确保该动态段从F7的终轧温度降至要求的卷取温度；

（4）在上述步骤（1）的带钢动态段段长的设定时，

结合不同运行特征点下的带钢加速度或减速度及动态段运行时间，确定速度变化量的最大步长,

所述速度变化量的最大步长即指带钢在加速或减速过程中，当前动态段的速度与上一段的速度相比的许可增量或减量，用于确定带钢不同运行速度对应的带钢运行速度，

具体方法如下：

即速度变化量的最大步长。

V_step=k*a*tstep

其中，V_step速度变化量的最大步长，

k加速度的适当倍数，一般取1.1～1.25，

a加速度，

t动态段运行时间，

（5）对当前动态段实测速度进行检验和校正；

在上述步骤（1）的带钢动态段段长的设定时，

将当前段的实测速度与前一段的实测速度进行比较，如果速度偏差大于速度变化的最大步长，则根据前一段的实测速度与最大步长来校正；

（6）实测段变化时间的修正。

在带钢轧制过程中，速度在不断地变化，时而加速，时而匀速，时而又减速，因此，带钢的段长一直在动态地变化，层流冷却前馈控制计算的该段所需开启的喷水阀门数也在时刻地变化，以确保带钢的卷取温度控制在目标值的公差范围内。

根据本发明，在步骤（1），为了能够对带钢长度方向上各部分的卷取温度进行精确跟踪并且实施前馈和反馈控制，必须将带钢划分成若干个“段”。随着计算机性能的提高和运算速度的加快，目前常用的“段”划分方式是定长划分，即根据层流冷却辊道上喷水装置的布置情况以及带钢的运行速度，以一组或二组喷水集管的长度作为带钢“段”的长度，第一段的起始点从带钢头部开始。为了确保在带钢厚度较薄、长度较长、轧制速度较快时实际值采集的充分和准确，在本发明中，当轧制速度≤5m/s时，段的长度定义为1.5～2.5m，当轧制速度＞5m/s时，段的长度定义为2.5～11m。

根据本发明，在步骤（2）,具体表征指带钢在运行过程中处于某一状态的点，既带钢进入不同运行模式下的临界点，所述带钢运行特征点系根据带钢运行图以带钢在轧制过程中的速度和再致时间的关系表征。

根据本发明，在步骤（3）,进行温度的前馈控制,指没有实际温度的情况下的一种预测冷却。

在步骤（3），喷水阀门数与段长的动态确定的控制方法由计算机自动进行，具体如下：首先通过测温仪得到带钢当前温度，然后根据各带钢动态段段长及带钢的目标冷却温度，得到各带钢动态段需要的温降，然后通过包括空冷模型、水冷模型等在内的冷却模型，计算得到各带钢动态段需要的冷却水量及各带钢动态段所需开启的喷水阀门数，然后结合不同的冷却工艺，进行预冷却、主冷却及精冷却对层流冷却阀门进行控制。

根据本发明，速度变化量步长的确定，即带钢在加速或减速过程中，当前段的速度与上一段的速度相比的增量或减量。

根据本发明，在步骤（5）对当前段实测速度进行合理性检验和校正，即

将当前段的实测速度与前一段的实测速度进行比较，如果速度偏差大于速度变化的最大步长，则根据前一段的实测速度与最大步长来校正。

这是由于在实际生产过程中，速度的检测存在一定的波动，为此，要对该实测值进行校验。

在（6）实测段变化时间的修正用于为了精确的控制冷却。

在步骤（6）实测段变化时间的修正，对于速度比较快的带钢，段变化时间的离散误差会引起阀门的剧烈振荡。对于段变化时间的异常我们采用均值算法进行修正。

根据所述实测段变化时间的修正，可以最终得到需要的速度。

根据带钢运行图的速度变化趋势可以确定带钢段变化时间的趋势，从而可以排除段变化时间的异常点，具体为以前面若干段（例如，3－5段）的平均段变化时间来校正当前段的实测段变化时间。

根据本发明所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤（1），将带钢“段长”的划分如下：

	轧制速度	段长
			1	≤3m/s	1-1.5m
2	≤6m/s	1.5-2.5m
			3	≤9m/s	2.5-3.8m
4	≤12m/s	3.8-5.3m
			5	≤15m/s	5.3-7.0m
6	≤18m/s	7.0-9.0m
			7	＞18m/s	9.0-11.0m

上述为轧制速度与段长的对应关系。

根据本发明所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤（4），

取带钢的加速度值的倍数为1.1～1.25倍，作为加速度或减速度的变化量，然后根据层冷控制中动态段在带钢运行图中的对应位置得出其运行时间，由上述两项即可确定带钢速度变化的上下限，即速度变化量的最大步长。

根据本发明所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤（4），

所述速度变化量步长按照匀加速运动的运动方程及带钢运行图进行具体计算如下：

V_step＝k*a*t

其中，V_step速度变化量的最大步长，单位m/s，范围0～0.19m/s，

k加速度的倍数，一般取1.1～1.25，

a加速度，单位m/s²，范围0～0.3m/s²，

t动态段运行时间，单位s，范围0.1～0.5s。

根据本发明所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤（5）,

如果Vt_i>Vt_i-1+V_step，则取Vt_i＝Vt_i-1+V_step；

如果Vt_i<Vt_i-1-V_step，则取Vt_i＝Vt_i-1-V_step；

其中：V_step速度变化量的最大步长

Vt_i为当前段的实测速度

Vt_i-1为前一段的实测速度

否则，仍以实测速度为准，

其中，V_step为速度变化量的最大步长，Vt_i为当前段的实测速度，Vt_i-1为前一段的实测速度。

根据本发明所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤（6），根据带钢运行图的速度变化趋势可以确定每一个动态段段长的带钢段变化时间（运行时间）的趋势，从而排除段变化时间的异常点，具体方法为：

a）如果带钢在加速，则可以校正段变化时间变长的异常（以前面若干段（例如，3-5段）的平均段变化时间来校正当前段的实测段变化时间；

b）如果带钢在减速，则可以校正段变化时间变短的异常。

根据本发明所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在第5部分：带钢尾部，带钢尾部从精轧F7机架抛钢后，以恒速运行，直至全部卷取完毕为止。

根据本发明所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，

由匀加速运动的运动方程可知，时间与带钢移动长度之间的关系如下：

$T(v_0,S,a)=\frac{1}{a}*(-v_0+\sqrt{v_0^2+2*a*S})$

式中，

v₀带钢运行的初始速度，单位m/s，范围1.0～26.5m/s

S带钢移动的长度，单位m，范围0～120m

a带钢运行的加速度，单位m/s²，范围0.05～0.30m/s²

T(v₀,S,a)带钢的初始速度为v₀、加速度为a时移动S长度所需的

时间，单位s，范围0.1～0.5s

知道单位长度的运行时间和冷却区的长度，可控制最终的温度。

根据本发明所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤（1），当轧制速度≤5m/s时，段的长度定义为2.5m，当轧制速度＞5m/s时，段的长度定义为5.0m。

根据本发明上述方案，在步骤（2）,所述带钢运行特征点是带钢轧制过程中为了保证温度和抛钢安全经历的一个过程。

参照带钢运行图，结合典型带钢运行图对带钢的运行过程中的特征点的确定，直接影响到带钢运行速度变化过程中的跟踪错位，为此对带钢运行特征点的确定至关重要。

在本发明方案中，由于带钢通过冷却区的时间与位置变化的精确控制，与整块带钢的运行速度有关，为此我们结合了带钢运行图对其进行控制。在典型带钢运行图中由带钢入口、带钢固定功率加速度、带钢恒速运行时的速度、带钢固定减速度和带钢尾部速度5个部分组成，描述了带钢从头部进入冷却区到尾部出冷却区的整个时间和距离变化过程，如图2所示。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在步骤（4），

（取带钢的加速度值（当带钢在温度加速度段，即图2中的t₀～t₁段时，取温度加速度；当带钢在功率加速度段，即图2中的t₁～t₂段时，取功率加速度；对于带钢处于减速度段，即图2中的t₂'～t₃段时，取减速度）的适当倍数（一般取1.1～1.25倍）作为加速度或减速度的变化量，然后根据层冷控制中“段”在带钢运行图中的对应位置得出其运行时间，由上述两项即可确定带钢速度变化的上下限，即速度变化量的最大步长，所述速度变化量步长按照匀加速运动的运动方程及带钢运行图进行具体计算如下：

V_step=k*a*t

其中，V_step速度变化量的最大步长，单位m/s，范围0～0.19m/s

k加速度的适当倍数，一般取1.1～1.25，无单位

a加速度，单位m/s²，范围0～0.3m/s²

t段运行时间，单位s，范围0.1～0.5s。

在步骤（4），当带钢头部到达卷取机前的测温点时，带钢的实测卷取温度和运行速度将以“段”的方式上传至层流冷却计算机以便对带钢的卷取温度进行相应的反馈控制，因此上传实测数据的真实性与合理性必须得到保证。

由于PLC控制系统是按照运行图对带钢的速度进行精确控制的，因此，即使上传的实测速度有变化（升速或降速）也应该在一个合理的范围内。为了确保实测数据的真实性与合理性，可以根据运行图确定一个速度变化的步长，即速度变化的最大限度，作为对实测速度的校验。

在步骤（5），将当前段的实测速度与前一段（带钢的“段”划分好以后，从带钢头部即带钢入口开始依次从1开始编号，直至带钢轧制完毕。如果当前段的段号是6，则上一段就是编号为5的段。所谓“当前段”是指目前计算机正在进行控制的这一段。）的实测速度进行比较，如果速度偏差（之差）大于速度变化的最大步长，则根据前一段的实测速度与最大步长来校正。

当带钢的实测运行速度上传至层流冷却计算机后，控制系统将当前段的实测速度与前一段的实测速度进行比较，如果速度偏差大于速度变化的最大步长，则根据前一段的实测速度与最大步长来校正当前段的实测速度。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在步骤（5），

如果Vt_i>Vt_i-1+V_step，则取Vt_i＝Vt_i-1+V_step；

如果Vt_i<Vt_i-1-V_step，则取Vt_i＝Vt_i-1-V_step；

其中：V_step速度变化量的最大步长

Vt_i为当前段的实测速度

Vt_i-1为前一段的实测速度

否则，仍以实测速度为准，

其中，V_step为速度变化量的最大步长，Vt_i为当前段的实测速度，Vt_i-1为前一段的实测速度。

通过这样的方法，可以排除速度变化的异常点。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在步骤（6），具体方法为：

1）根据带钢运行图的速度变化趋势可以确定带钢段变化时间的趋势，从而可以排除段变化时间的异常点，这样，

a）如果带钢在加速，则可以校正段变化时间变长的异常；

b）如果带钢在减速，则可以校正段变化时间变短的异常。

在（6）实测段变化时间的修正中，

对于层流冷却系统来说，虽然采用了定长控制方式，但是PLC系统的数据采样周期仍然是固定的，段变化时间需要根据段长和速度进行换算。由于速度是变化的，因此段变化时间换算的准确性是非常重要的，其离散误差对于带钢设定阀门的影响也是不可忽视的，尤其对于速度比较快的带钢，段变化时间的离散误差会引起阀门的剧烈振荡。对于段变化时间的异常我们采用均值算法进行修正。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在步骤（6），具体方法为：

以前面若干段（例如，3-5段）的平均段变化时间来校正当前段的实测段变化时间。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，从带钢头部进入冷却区开始至到达卷取机为止，这时的带钢运行图是一个以固定加速度加速运行的图形。使用固定加速度的目的是为了保证在精轧F7出口测得的终轧温度尽可能地保持恒定，因此这一加速度也被称为温度加速度。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在第二部分：带钢固定功率加速度，当带钢头部被卷取机咬入后，精轧的轧制速度可以有很大的提高，因此对应的加速度被称为功率加速度，其数值要比温度加速度大得多。为了保证终轧温度的恒定，使用功率加速度期间必须增加精轧机架间的冷却能力。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在第三部分：带钢恒速运行，当精轧的冷却能力达到极限，即达到最大轧制速度后，带钢以最大轧制速度运行。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在第四部分：带钢固定减速度，带钢从最高轧制速度减速至F7机架允许的抛钢速度以保证带钢尾部平稳抛钢。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在第5部分：带钢尾部，带钢尾部从精轧F7机架抛钢后，以恒速运行，直至全部卷取完毕为止（图2中的t₃～t₄段）。

由匀加速运动的运动方程可知，时间与带钢移动长度之间的关系如下：

$T(v_0,S,a)=\frac{1}{a}*(-v_0+\sqrt{v_0^2+2*a*S})$

式中，

v₀带钢运行的初始速度，单位m/s，范围1.0～26.5m/s，

S带钢移动的长度，单位m，范围0～120m，

a带钢运行的加速度，单位m/s2，范围0.05～0.30m/s2

T(v₀,S,a)带钢的初始速度为v₀、加速度为a时移动S长度所需的

时间，单位s，范围0.1～0.5s。

因此，只要知道了6个时刻速度点（t0，v0），（t1，v1），（t2，v2），（t2'，v2），（t3，v3），（t4，v3），就可以确定带钢的运行图。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在带钢运行图中，时间与带钢移动长度之间的关系如下：

$Z(\mathrm{GE},L,\mathrm{SP})=\frac{1}{\mathrm{SP}}*(-\mathrm{GE}+\sqrt{{\mathrm{GE}}^2+2*\mathrm{SP}*L})$

Z(GE,L,SP)表示物体的初始速度为GE、减速度为SP时移动L长度所需的时间。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在速度变化量步长的确定时，

带钢运行图是由精轧计算机预先确定后传给层流冷却计算机的，控制系统将按此运行图对带钢的速度进行控制，因此运行图反映了带钢离开精轧F7机架后的速度/时间变化情况。有了这张带钢运行图，层流冷却控制系统就预先知道了带钢在冷却区的大致速度变化情况和变化时刻，以便根据实测温度和速度进行相应的前馈或反馈控制。

由于基础自动化控制系统将按运行图对带钢的速度进行精确控制，因此，即使速度有变化（升速或降速）也应该在一个合理的范围内，于是，我们可以根据运行图确定一个速度变化的步长，即速度变化的最大极限，作为对实测速度的校验。按照匀加速运动的运动方程。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，取带钢的温度加速度和功率加速度的最大值的适当倍数（如1.2～1.5倍）作为加速度的变化范围，然后根据层冷控制中“段”在带钢运行图中的对应位置得出其运行时间，由上述两项即可确定带钢速度变化的上下限，即速度变化量的最大步长。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在校正当前段的实测速度时，

如果当前段数已达到一定数量，则根据前面若干段的速度变化趋势来校正当前段的实测速度。

例如，如果当前段数已达到一定数量，如已经超过5段，则可以根据前面若干段（例如5段）的实测速度及它们的速度变化趋势来校正当前段的实测速度。

根据本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，结合带钢不同的运行速度，采用动态“段”控制的概念，结合带钢速度运行特征，采用了线性拟合的方法对速度进行修正，从而控制带钢固定段的运行时间，形成一种热轧带钢变速冷却的控制方法。根据本发明，可解决热连轧过程中带钢在动态速度变化情况下的温度精确控制，可有效提高带钢在层流冷却过程中的温度控制精度。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为带钢运行图。

具体实施方式

以下，举实施例，具体说明本发明的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法。

实施例1

本实施例主要解决热连轧过程中带钢在动态速度变化情况下的温度精确控制，可有效提高带钢在层流冷却过程中的温度控制精度，对于改善带钢冷却性能起到了积极的推进。

根据本发明实施例的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，结合带钢不同的运行速度，采用动态“段”控制的概念，结合带钢速度运行特征，采用了线性拟合的方法对速度进行修正，从而控制带钢固定段的运行时间，形成一种热轧带钢变速冷却的控制方法。根据本发明，可解决热连轧过程中带钢在动态速度变化情况下的温度精确控制，可有效提高带钢在层流冷却过程中的温度控制精度。

本发明已经在宝钢热轧厂2050mm产线试用，有效改善了带钢层流冷却温度控制精度。

本实施例具体流程如下：

1.1带钢动态“段长”的选择

为了能够对带钢长度方向上各部分的卷取温度进行精确跟踪并实施前馈和反馈控制，必须将带钢划分成若干个“段”。随着计算机性能的提高和运算速度的加快，目前常用的“段”划分方式是定长划分，即根据层流冷却辊道上喷水装置的布置情况以及带钢的运行速度，以一组或二组喷水集管的长度作为带钢“段”的长度，第一段的起始点从带钢头部开始。这种“段长”的划分一般都是固定的，即在整个层流冷却控制过程中保持不变。为了确保在带钢厚度较薄、长度较长、轧制速度较快时实际值采集的充分和准确，在本技术方案中，我们将带钢“段长”的划分不作为一个固定值，而是依据速度的变化进行动态地划分。段长依据速度变化的划分原则如表5.1所示。

	轧制速度	段长
			1	≤3m/s	1.5m
2	≤6m/s	2.5m
			3	≤9m/s	3.8m
4	≤12m/s	5.3m
			5	≤15m/s	7.0m
6	≤18m/s	9.0m

7

＞18m/s

11.0m

表1.1轧制速度与段长的对应关系

为了简化起见，在本实施例中，我们采用了当轧制速度≤5m/s时，段的长度定义为2.5m；轧制速度≤9m/s时，段的长度定义为4.5m；轧制速度≤15m/s时，段的长度定义为7.0m，当轧制速度＞18m/s时，段的长度定义为10.0m。

1.2带钢运行特征点的确定

结合带钢的实际运行过程对其速度变化的特征点的确定，直接影响到带钢轧制过程中的跟踪定位，因此，带钢运行特征点的确定至关重要。

由于带钢各个“段”通过冷却区的时间和位置的变化与带钢的运行速度有关，因此，在本技术方案中，我们以带钢变速轧制过程中加速度的变化点作为带钢运行的特征点，并据此构筑带钢的速度运行图。典型的带钢运行图由带钢入口、带钢固定温度加速度、带钢固定功率加速度、带钢固定减速度和带钢尾部5个部分组成，它描述了带钢从头部进入冷却区到尾部完全离开冷却区的整个时间和速度变化过程，如图2所示。具体说明如下。

第一部分：带钢入口

从带钢头部进入冷却区开始至到达卷取机为止（图2中的t₀～t₁段），这时的带钢运行图是一个以较小的固定加速度加速运行的图形。使用该加速度的目的是为了保证在精轧F7出口处带钢的终轧温度尽可能地保持恒定，因此这一加速度也被称为温度加速度。

第二部分：带钢固定功率加速度

当带钢头部被卷取机顺利咬入后，精轧的轧制速度可以有很大的提高，因此对应的加速度被称为功率加速度，其数值要比温度加速度大得多（图2中的t₁～t₂段）。为了保证带钢在精轧F7出口处的终轧温度的均匀恒定，使用功率加速度的同时还必须增加精轧机架间的冷却能力。

第三部分：带钢恒速运行

当精轧的冷却能力达到极限，即带钢达到最大轧制速度后，带钢将不再升速，而是以最大轧制速度运行（图2中的t₂～t₂'段）。

第四部分：带钢固定减速度

带钢从最高轧制速度以固定的减速度减速至F7机架允许的抛钢速度（图2中的t₂'～t₃段），以保证带钢尾部平稳抛钢。

第5部分：带钢尾部

带钢尾部从精轧F7机架抛钢后，以恒速运行，直至全部卷取完毕为止（图2中的t₃～t₄段）。

因此，我们只要知道了6个时刻与速度点（t₀，v₀），（t₁，v₁），（t₂，v₂），（t₂'，v₂），（t₃，v₃），（t₄，v₃），就可以确定带钢的运行图。

由匀加速运动的运动方程可知，时间与带钢移动长度之间的关系如下：

$T(v_0,S,a)=\frac{1}{a}*(-v_0+\sqrt{v_0^2+2*a*S})$

式中，

v₀带钢运行的初始速度，单位m/s，范围1.0～26.5m/s

S带钢移动的长度，单位m，范围0～120m

a带钢运行的加速度，单位m/s²，范围0.05～0.30m/s²

T(v₀,S,a)带钢的初始速度为v₀、加速度为a时移动S长度所需的

时间，单位s，范围0.1～0.5s

1.3带钢运行过程中段长的动态确定

带钢的运行特征点确定以后，其在冷却区的运行图就确定了，它反映了带钢离开精轧F7机架后的速度/时间变化情况。因此，有了这张带钢运行图，层流冷却控制系统就预先知道了带钢在冷却区的大致速度变化情况和变化时刻，就能够按此运行图根据5.1中的速度与段长的对应关系表动态地确定段的长度。

一旦段长确定好以后，层流冷却控制模型将计算出该段所需开启的喷水阀门数，并将设定值传送到下位PLC计算机执行，进行温度的前馈控制，以确保该段从F7的终轧温度降至要求的卷取温度。在带钢轧制过程中，速度在不断地变化，时而加速时而匀速，时而又减速，因此，带钢的段长一直在动态地变化，层流冷却前馈控制计算的该段所需开启的喷水阀门数也在时刻地变化，以确保带钢的卷取温度控制在目标值的公差范围内。

1.4速度变化量步长的确定

当带钢头部到达卷取机前的测温点时，带钢的实测卷取温度和运行速度将以“段”的方式上传至层流冷却计算机以便对带钢的卷取温度进行相应的反馈控制，因此上传实测数据的真实性与合理性必须得到保证。

由于PLC控制系统是按照运行图对带钢的速度进行精确控制的，因此，即使上传的实测速度有变化（升速或降速）也应该在一个合理的范围内，因此，为了确保实测数据的真实性与合理性，我们可以根据运行图确定一个速度变化的步长，即速度变化的最大限度，作为对实测速度的校验。按照匀加速运动的运动方程及带钢运行图，具体的算法如下：

取带钢的加速度值（当带钢在温度加速度段，即图2中的t₀～t₁段时，取温度加速度；当带钢在功率加速度段，即图2中的t₁～t₂段时，取功率加速度；对于带钢处于减速度段，即图2中的t₂'～t₃段时，取减速度）的适当倍数（一般取1.1～1.25倍）作为加速度或减速度的变化量，然后根据层冷控制中“段”在带钢运行图中的对应位置得出其运行时间，由上述两项即可确定带钢速度变化的上下限，即速度变化量的最大步长。

V_step=k*a*t

其中，v_step速度变化量的最大步长，单位m/s，范围0～0.19m/s

k加速度的适当倍数，一般取1.1～1.25，无单位

a加速度，单位m/s²，范围0～0.3m/s²

t段运行时间，单位s，范围0.1～0.5s

1.5对当前段的实测速度进行合理性检验和校正

当带钢的实测运行速度上传至层流冷却计算机后，控制系统将当前段的实测速度与前一段的实测速度进行比较，如果速度偏差大于速度变化的最大步长，则根据前一段的实测速度与最大步长来校正当前段的实测速度，方法如下：

如果Vt_i>Vt_i-1+V_step，则取Vt_i=Vt_i-1+V_step；

如果Vt_i<Vt_i-1-V_step，则取Vt_i=Vt_i-1-V_step；

其中：V_step速度变化量的最大步长，单位m/s，范围0～0.19m/s

Vt_i当前段的实测速度，单位m/s，范围1.0～26.5m/s

Vt_i-1前一段的实测速度，单位m/s，范围1.0～26.5m/s

否则，仍以实测速度为准。其中，V_step为速度变化量的最大步长，Vt_i为当前段的实测速度，Vt_i-1为前一段的实测速度。通过这样的方法，可以排除实测速度变化的异常点。

1.6实测段变化时间的修正

对于层流冷却系统来说，虽然采用了定长控制方式，但是PLC系统的数据采样周期仍然是固定的，段变化时间需要根据段长和速度进行换算。由于速度是变化的，因此段变化时间换算的准确性是非常重要的，其离散误差对于带钢设定阀门的影响也是不可忽视的，尤其对于速度比较快的带钢，段变化时间的离散误差会引起阀门的剧烈振荡。对于段变化时间的异常我们采用均值算法进行修正，具体方法为：

（1）根据带钢运行图的速度变化趋势可以确定带钢段变化时间的趋势，从而可以排除段变化时间的异常点，这样，

a）如果带钢在加速，则可以校正段变化时间变长的异常

b）如果带钢在减速，则可以校正段变化时间变短的异常

（2）以前面若干段（例如，3段或5段）的平均段变化时间来校正当前段的实测段变化时间。

结合宝钢热轧厂2050mm产线，已知冷却区的总长度L=100m，带钢头部出精轧F7机架的穿带速度为v₀=8.0m/s，固定温度加速度a_temp=0.085m/s²，固定功率加速度a_power=0.25m/s²，固定减速度a_down=-0.2m/s²，由匀加速运动的运动方程：

v_t＝v₀+at $s=v_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2$ $v_t^2-v_0^2=2\mathrm{as}$

可知，带钢头部到达卷取机（图2中的t0～t1段）时的速度v₁为：

$v_1^2=v_0^2+{2a}_{\mathrm{temp}}*L$

$=8^2+2*0.085*100$

$=64+17$

$=81$

因而v₁=9m/s，且带钢的运行长度s₁为冷却区的总长度L=100m。带钢头部被卷取机咬入后，温度加速度即切换至功率加速度，经过40秒（即5.1图中的t1～t2段）的匀加速运行，带钢速度达到最大轧制速度（19米/秒），即

v₂=v₁+a_power*t

v₂=9+0.25*40

v₂=19m/s

期间的轧制长度为：

$s_2=v_1*t+\frac{1}{2}*a_{\mathrm{power}}*t^2$

$s_2=9*40+\frac{1}{2}*0.25*{40}^2$

s₂=360+200

s₂=560m

达到最大轧制速度后，带钢以该速度恒速运行5秒钟（即图2中的t₂～t₂'段），运行距离为：

s₃=v₂*t＝19*5=95m

随后，带钢从最高轧制速度v₂=19m/s以固定减速度a_down=-0.2m/s²减速至F7机架允许的抛钢速度v₃=15m/s，其运行时间的计算为：

v₃=v₂+a_down*t

15=19-0.2*t

于是运行时间t＝20s（图2中的t₂'～t₃段），轧制长度为：

$s_4=v_2*t+\frac{1}{2}*a_{\mathrm{down}}*t^2$

$s_4=19*20-\frac{1}{2}*0.2*{20}^2$

s₄＝380-40

s₄=340m

最后，带钢尾部以抛钢速度从精轧F7机架抛钢，并以抛钢速度恒速运行，直至全部卷取完毕（图2中的t₃～t₄段），其运行长度s₅为冷却区的总长度L=100m。由此可知，带钢的全长L_total为

L_total=s₁+s₂+s₃+s₄+s₅

L_total=100+560+95+340+100

L_total=1195m

在带钢的轧制过程中，参考带钢运行图，当带钢头部尚未咬入卷取机时（图2中的t₀～t₁段），带钢的段长为4.5m；咬入卷取机后，段长变为7.0m，当带钢的轧制速度达到18m/s以上时，段长为10.0m，一旦带钢速度降低至抛钢速度15m/s时，带钢的段长又变为7.0m。

本发明技术已经在宝钢热轧厂2050mm产线应用，有效的改善了带钢层流冷却卷取温度的控制精度，即解决了热连轧过程中带钢在动态速度变化情况下的温度精确控制，可有效提高带钢在层流冷却过程中的温度控制精度，对于改善带钢物理性能起到了积极的推进作用。具有广泛推广价值。

Claims (8)

1.一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，所述控制方法首先通过测温仪得到在轧制运行中的各带钢段的当前温度，然后根据各带钢段的段长、速度变化及带钢的目标冷却温度，得到各带钢段需要的温降，然后通过包括空冷模型、水冷模型在内的冷却模型，计算得到各带钢段需要的冷却水量及各带钢段所需开启的喷水阀门数，进行预冷却、主冷却及精冷却对层流冷却阀门进行控制，其特征在于，

(1)所述带钢段为动态段，所述动态段根据带钢运行图中带钢在不同轧制运行时间段内不同的速度变化而设定，所述动态段系根据带钢运行图中带钢在不同轧制运行时间段内以分别不同的速度运行时的段长，进行动态地划分，

当带钢轧制速度≤5m/s时，所述动态段的长度定义为1.5～2.5m，当轧制速度＞5m/s时，所述动态段的长度定义为2.5～11m；

所述动态段一旦取定，在整个带钢轧制过程的控制计算中不再变动；

(2)带钢运行特征点的确定,

所述带钢运行特征点系指所述动态段在带钢运行图中的不同轧制运行时间段内，以分别不同的速度运行时的不同运行模式下的临界点，所述带钢运行特征点包括：

第一部分：带钢入口点，

第二部分：带钢固定功率加速度点，

第三部分：带钢恒速运行点，

第四部分：带钢固定减速点，

第五部分：带钢尾部点；

(3)根据上述带钢运行过程中动态段段长的确定，层流冷却控制模型计算出该动态段所需开启的喷水阀门数，并将设定值传送到下位PLC计算机执行，进行温度的前馈控制，以确保该动态段从精轧F7机架的终轧温度降至要求的卷取温度；

(4)在上述步骤(1)的动态段段长的设定时，

结合不同运行特征点下的带钢加速度或减速度及动态段运行时间，确定速度变化量的最大步长,

所述速度变化量的最大步长即指带钢在加速或减速过程中，当前动态段的速度与上一段的速度相比的许可增量或减量，用于确定带钢不同运行段对应的带钢运行速度，

具体方法如下：

即速度变化量的最大步长,

V_step＝k*a*t

其中，V_step速度变化量的最大步长，

k加速度的适当倍数，一般取1.1～1.25，

a加速度，

t动态段运行时间；

(5)对当前动态段实测速度进行检验和校正；

在上述步骤(1)的动态段段长的设定时，

将当前段的实测速度与前一段的实测速度进行比较，如果速度偏差大于速度变化量的最大步长，则根据前一段的实测速度与最大步长来校正；

(6)实测段变化时间的修正。

2.如权利要求1所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤(4)，

取带钢的加速度值的倍数为1.1～1.25倍，作为加速度或减速度的变化量，然后根据层流冷却控制中动态段在带钢运行图中的对应位置得出其运行时间，由上述两项即可确定带钢速度变化的上下限，即速度变化量的最大步长。

3.如权利要求1所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤(4)，

所述速度变化量的最大步长按照匀加速运动的运动方程及带钢运行图进行具体计算如下：

V_step＝k*a*t

其中，V_step速度变化量的最大步长，单位m/s，范围0～0.19m/s，

k加速度的倍数，取1.1～1.25，

a加速度，单位m/s²，范围0～0.3m/s²，

t动态段运行时间，单位s，范围0.1～0.5s。

4.如权利要求1所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤(5),

如果Vt_i>Vt_i-1+V_step，则取Vt_i＝Vt_i-1+V_step；

如果Vt_i<Vt_i-1-V_step，则取Vt_i＝Vt_i-1-V_step；

其中：V_step速度变化量的最大步长，

Vt_i为当前动态段的实测速度，

Vt_i-1为前一动态段的实测速度，

否则，仍以实测速度为准。

5.如权利要求1所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤(6)，根据带钢运行图的速度变化趋势可以确定每一个动态段段长的带钢段变化时间，即运行时间的趋势，从而排除动态段变化时间的异常点，具体方法为：

a)如果带钢在加速，则可以校正动态段变化时间变长的异常，以前面若干段的平均段变化时间来校正当前动态段的实测段变化时间；

b)如果带钢在减速，则可以校正动态段变化时间变短的异常，以前面若干段的平均段变化时间来校正当前动态段的实测段变化时间。

6.如权利要求1所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，在第五部分：带钢尾部从精轧F7机架抛钢后，以恒速运行，直至全部卷取完毕为止。

7.如权利要求1所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，

由匀加速运动的运动方程可知，时间与带钢移动长度之间的关系如下：

$T(v_0,S,a)=\frac{1}{a}*(-v_0+\sqrt{v_0^2+2*a*S})$

式中，

v₀带钢运行的初始速度，单位m/s，范围1.0～26.5m/s

S带钢移动的长度，单位m，范围0～120m

a带钢运行的加速度，单位m/s²，范围0.05～0.30m/s²

T(v₀,S,a)带钢的初始速度为v₀、加速度为a时移动S长度所需的时间，单位s，范围0.1～0.5s。

8.如权利要求1所述的一种用于热轧层流冷却的动态段冷却控制方法，其特征在于，在步骤(1)，当轧制速度≤5m/s时，动态段的长度定义为2.5m，当轧制速度＞5m/s时，动态段的长度定义为5.0m。