CN112090969B - 长材轧制穿水冷却控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长材轧制穿水冷却控制方法和系统。所述的方法至少包括前馈补偿步骤，如下:当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，及当前生产状态，按经验设定所需冷却水水量；将前冷却段模型预测的值作为后冷却段模型的初始状态，逐个向后递推，直到计算出冷却管出口处的钢材断面温度分布；比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对设定冷却水量进行修改，实现长材穿水冷却的前馈控制。本发明通过递推式前馈补偿和在线模型更新的方式，构成了金属轧制生产中的长材穿水冷却过程的一种控制方法。

Description

长材轧制穿水冷却控制方法和系统

技术领域：

本发明涉及一种长材轧制穿水冷却控制控制方法和系统

背景技术：

在冶金企业轧制生产工艺中,成品轧件从精轧机轧出后需要穿过水冷装置进行强行冷却，用于控制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物过早析出形成网状碳化物，固定由于变形引起的位错，增加相变的过冷度，为变形奥氏体向铁素体或渗碳体和珠光体的转变做组织上的准备。由于相变前的组织状态直接影响相变机制、相变产物形态、晶粒粗细和钢材性能，所以穿水冷却过程对轧件质量有重要影响。同时，穿水冷却过程加快了轧件的冷却速度，减少冷却时间，有助于轧线产量的提高。长材轧制的穿水冷却装置按照功能划分，主要由入口段、冷却段、出口段、水箱、喷嘴、调节阀、调压泵等组成。其中入口段主要起到隔绝空气的作用，出口段主要起到冷却水回收作用，而冷却过程是在冷却段完成，水箱为冷却过程提供了一定压力的水源，喷嘴安装将冷却水以一定的压力喷到冷却段的轧件上，调节阀起到了调节喷嘴水量的作用，调压泵起到了调节冷却水压力的作用。整个穿水冷却过程中，冷却水的水压和水量是最重要的过程控制量，对水冷效果起到关键影响。长材穿水冷却装置的冷却段一般是狭长的腔体(如文氏管)，长材从入口插入冷却段，然后整个轧件以一定的速度穿过冷却装置，从而实现整个高温长材轧件的冷却。在水冷过程中，冷却水与高温轧件间的换热能力用换热系数来表示，这是穿水冷却中关键的过程状态参数。穿水冷却过程的换热系数随生产和设备状况而变化，不同的生产状态下，换热系数各不相同。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明目的在于提出一种长材轧制穿水冷却控制方法，旨在通过对长材轧件的冷却过程进行递进式的状态预测和误差反向修正的方式，建立和优化冷却过程的分段模型，实现一种针对长材轧制穿水冷却生产的前馈补偿和在线模型修正的方法。

为达到上述目的，本发明的长材轧制穿水冷却控制方法，所述的方法至少包括前馈补偿步骤，如下:

第一步：当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，及当前生产状态，按经验设定所需冷却水水量；

第二步：根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，通过1#冷却段模型计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；

第三步：将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；

第四步：以此类推，将前冷却段模型预测的值作为后冷却段模型的初始状态，逐个向后递推，直到计算出冷却管出口处的钢材断面温度分布；

第五步：比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对设定冷却水量进行修改，实现长材穿水冷却的前馈控制。

进一步的，所述的方法至少还包括在线模型修正步骤；如下:

第一步：当冷却后的钢材出冷却段后,进行温度检测,得到冷却后的温度值；

第二步：将出口检测温度带入4#冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压等状态,反向计算虚拟检测点3钢材温度；

第三步：将虚拟检测点3反算的状态带入3#冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压等状态,反向计算虚拟检测点3钢材温度；

第四步：以此类推，将虚拟检测点的反算值带入前冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压等状态,反向计算前一个虚拟检测点的温度，逐个向前递推，直到计算出冷却管入口处的温度计算值；

第五步：计算虚拟检测点3状态的正向预测结果和反向计算结果的差距,修正4#冷却段模型；

第六步：以此类推，对3#，2#，1#冷却段模型进行修正，在前馈补偿的推导计算中采用更新后的模型。

为达到上述目的，本发明的长材轧制穿水冷却控制系统，所述的系统包括前馈补偿模块，所述的模块包括：

在冷却管入口处设置有入口温度检测单元，以得到当前钢材的表面温度信息；

计算单元，根据在线检测的水箱水温、水压信息，及当前生产状态，按预定程序设定所需冷却水水量；

还包括两个以上的冷却段模型计算单元：

1#冷却段模型计算单元；用以根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，并计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；

2#冷却段模型计算单元；将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；

…

N#冷却段模型计算单元；将通过N-1#冷却段模型预测出的虚拟检测点N-1的钢材温度分布及N#水箱的水温、水压数据，修正N#冷却段的换热系数，作为N#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点N处的钢材断面温度分布状态和n#冷却段中冷却水的水温、水压的状态

比较单元：比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对设定冷却水量进行修改，实现长材穿水冷却的前馈控制。

进一步的，至少还包括在线模型修正模块；所述的模块包括:

冷却段后温度检测单元：当冷却后的钢材出冷却段后,进行温度检测,得到冷却后的温度值；

反向计算单元，将虚拟检测点的反算值带入前冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压等状态,反向计算前一个虚拟检测点的温度，逐个向前递推，直到计算出冷却管入口处的温度计算值；

修正单元；计算虚拟检测点N-1状态的正向预测结果和反向计算结果的差距,修正N#冷却段模型；以此类推，对所有冷却段模型进行修正，在前馈补偿的推导计算中采用更新后的模型。

本发明通过递推式前馈补偿和在线模型更新的方式，构成了金属轧制生产中的长材穿水冷却过程的一种控制方法。

本发明的优点：

1.由于金属轧制生产中的长材轧件穿水冷却过程无法有效的进行检测，而以出口检测信号作为反馈信号进行控制的话，会造成轧件质量不稳定，次品率上升等问题，所以本发明提出的一种长材轧制穿水冷却控制方法，通过模型预测的前馈控制方法，可以为冷却控制提供一种有效的策略。

2.本发明将连续的冷却过程通过分段建模的方式进行分析和计算，可以提高冷却模型计算精度，降低了冷却过程中换热系数等关键参数变化给模型带来的误差。

3.本发明通过递进式的状态预测，将难以检测的冷却中间过程，分段展示出来，便于对冷却过程进行提前观察分析。

4.本发明采用误差反向计算的方式对分段冷却模型进行在线更新，保证了控制系统的精度和稳定性

附图说明

图1本发明的工艺过程示意图

图2本发明的穿水冷却控制方法流程图

具体实施方式

实施例1

以图1的冷却过程为例为例，对本发明进行说明：

图1是长材冷却装置示意图，高温的长条状轧件通过气封入口进入到冷却管，在冷却段中进行水冷，喷嘴控制喷水的流量，水压由水箱稳压泵控制，在冷却段前后设有温度检测装置。为了对水箱进行状态预测，在本实施例中，设置了3个虚拟检测点，对冷却的中间过程进行状态监控。

本发明的前馈补偿步骤流程见图2。

第一步：当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，及当前生产状态，按经验设定所需冷却水水量；

第二步：根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，通过1#冷却段模型计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；

第三步：将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压等状态；

第四步：以此类推，将前冷却段模型预测的值作为后冷却段模型的初始状态，逐个向后递推，直到计算出冷却管出口处的钢材断面温度分布；

第五步：比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对设定冷却水量进行修改，实现长材穿水冷却的前馈控制。；

通过以上5个步骤，就实现了一种长材轧制穿水冷却控制的前馈补偿步骤。

本发明的在线模型修正步骤流程。

第一步：当冷却后的钢材出冷却段后,进行温度检测,得到冷却后的温度值；

第二步：将出口检测温度带入4#冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压等状态,反向计算虚拟检测点3钢材温度；

第三步：将虚拟检测点3反算的状态带入3#冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压等状态,反向计算虚拟检测点3钢材温度；

第四步：以此类推，将虚拟检测点的反算值带入前冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压等状态,反向计算前一个虚拟检测点的温度，逐个向前递推，直到计算出冷却管入口处的温度计算值；

第五步：计算虚拟检测点3状态的正向预测结果和反向计算结果的差距,修正4#冷却段模型；

第六步：以此类推，对3#，2#，1#冷却段模型进行修正，在前馈补偿的推导计算中采用更新后的模型。；

通过以上6个步骤，就实现了一种长材轧制穿水冷却控制的反向模型更新步骤。

通过递推式前馈补偿和在线模型更新的方式，构成了金属轧制生产中的长材穿水冷却过程的一种控制方法。

实施例2

本发明的长材轧制穿水冷却控制系统，所述的系统包括前馈补偿模块，所述的模块包括：

在冷却管入口处设置有入口温度检测单元，以得到当前钢材的表面温度信息；

计算单元，根据在线检测的水箱水温、水压信息，及当前生产状态，按预定程序设定所需冷却水水量；

还包括两个以上的冷却段模型计算单元：

1#冷却段模型计算单元；用以根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，并计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；

2#冷却段模型计算单元；将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；

…

N#冷却段模型计算单元；将通过N-1#冷却段模型预测出的虚拟检测点N-1的钢材温度分布及N#水箱的水温、水压数据，修正N#冷却段的换热系数，作为N#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点N处的钢材断面温度分布状态和n#冷却段中冷却水的水温、水压的状态

比较单元：比较钢材出口温度分布的预测值和目标值之间的差异，对设定冷却水量进行修改，实现长材穿水冷却的前馈控制。

进一步的，至少还包括在线模型修正模块；所述的模块包括:

冷却段后温度检测单元：当冷却后的钢材出冷却段后,进行温度检测,得到冷却后的温度值；

反向计算单元，将虚拟检测点的反算值带入前冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压等状态,反向计算前一个虚拟检测点的温度，逐个向前递推，直到计算出冷却管入口处的温度计算值；

修正单元；计算虚拟检测点N-1状态的正向预测结果和反向计算结果的差距,修正N#冷却段模型；以此类推，对所有冷却段模型进行修正，在前馈补偿的推导计算中采用更新后的模型。

Claims (1)

1.一种长材轧制穿水冷却控制方法，其特征在于，所述的方法至少包括前馈补偿步骤，如下:

第一步：当钢材到达冷却管入口处，通过入口温度检测，得到当前钢材的表面温度信息，此时根据在线检测的水箱水温、水压信息，及当前生产状态，按经验设定所需冷却水水量；

第二步：根据水箱水温，水压和初始钢材温度，修正1#冷却段的换热系数，通过1#冷却段模型计算出虚拟检测点1处的钢材断面温度分布状态和2#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；

第三步：将通过1#冷却段模型预测出的虚拟检测点1的钢材断面温度分布及2#水箱的水温、水压数据，修正2#冷却段的换热系数，作为2#冷却段模型的初始条件，计算出虚拟检测点2处的钢材断面温度分布状态和3#冷却段中冷却水的水温、水压的状态；

第四步：以此类推，将前冷却段模型预测的值作为后冷却段模型的初始状态，逐个向后递推，直到计算出冷却管出口处的钢材断面温度分布；

第五步：比较钢材出口处的钢材断面温度分布的预测值和目标值之间的差异，对设定冷却水水量进行修改，实现长材穿水冷却的前馈控制；

还包括在线模型修正步骤；如下:

第一步：当冷却后的钢材出冷却段后,进行温度检测,得到冷却后的温度值；

第二步：将出口检测温度带入4#冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压状态,反向计算虚拟检测点3钢材温度；

第三步：将虚拟检测点3反算的状态带入3#冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压状态,反向计算虚拟检测点2钢材温度；

第四步：以此类推，将虚拟检测点的反算值带入前冷却段模型，根据正向计算时得到的换热系数和水温水压状态,反向计算前一个虚拟检测点的温度，逐个向前递推，直到计算出冷却管入口处的温度计算值；

第五步：计算虚拟检测点3状态的正向预测结果和反向计算结果的差距,修正4#冷却段模型；

第六步：以此类推，对3#，2#，1#冷却段模型进行修正，在前馈补偿的推导计算中采用更新后的模型。

Images