CN114602979A - 一种螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，涉及轧制技术领域。在精轧前预控冷却器或轧后第一台冷却器实施对螺纹钢的前馈温度控制，当螺纹钢通过测温仪时，按照长度将采集的每段温度平均值加入建立的温度队列，并跟踪螺纹钢此位置到达冷却器的时刻，通过比较此位置的采集温度与目标温度差异，调节阀门开口度以控制流量，消除温度差异；开发螺纹钢温度预测的求解模型，迭代求解消除温差的换热系数值，通过换热系数与水压、流量的关系迭代求解对应的水流量，转换为阀门开口度调节的设定值，实现对长度方向温差的自动前馈控制。本发明有利于高速运算，满足实时控制的要求，可极大减少头尾温度差异，对于后续冷却工艺的稳定控制具有重要意义。

Description

一种螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法

技术领域

本发明涉及轧制技术领域，尤其涉及一种螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法。

背景技术

随着先进的计算机和控制技术在轧制和冷却过程中的广泛应用，用户对钢铁产品的质量和性能等要求越来越严格。对于螺纹钢产品的冷却过程，其温度的高精度控制至关重要，温度是钢材再结晶、相变、析出等微观组织变化的重要条件，冷却过程中温度路径控制决定了最终产品的组织和性能。

螺纹钢在轧制过程中，由于坯料长、参与轧制机架多，延伸比大等特点，虽然在出炉时坯料整体温度是均匀的，随着生产过程的进行，头尾温差越来越大，轧件头尾温差导致在冷却过程中头尾的温度变化曲线不一致，直接影响了螺纹钢成品在性能上的差异，如何缩小同条性能差异是目前螺纹钢冷却控制过程中急需解决的问题之一。目前螺纹钢冷却系统普遍存在如下问题：

(1)通过冷却器后置测温仪测量值进行温度反馈控制难以保证冷后成品温度均匀。一般在冷床附近安装测温仪测量螺纹钢冷却后的返红温度，将其作为控制的目标温度，由于测温位置距离冷却器较远，温度测量滞后大，常根据当前测量值对后续螺纹钢的冷却参数进行调节以实现反馈控制，这种控制方式无法消除螺纹钢的头尾温度差异。

(2)对于螺纹钢冷却过程中常采用几台冷却器同时工作，以获得满足实际需求的温度值，如果不考虑螺纹钢的头尾温度差异，随着冷却的进行，头尾温度差异会继续保持，不但影响相变前奥氏体的晶粒度，而且由于头尾相变开始温度不同，导致最终相变组织的差异，这是影响螺纹钢冷却后同条性能差异的主要原因。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，在螺纹钢进入冷却器前采集其温度分布，基于高精度跟踪与温度模型，实现了对螺纹钢冷却过程水量的快速调节，在相变前最大程度减少螺纹钢长度方向温度差异，对于冷后螺纹钢的同条性能控制具有重要的实际意义。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，包括以下内容：

在精轧前预控冷却器或轧后第一台冷却器实施对螺纹钢的前馈温度控制，以保证在进入后续冷却器时获得均匀的头尾温度；当螺纹钢通过测温仪时，按照长度将采集的每一段温度平均值加入在控制器中建立的温度队列，并跟踪螺纹钢此位置到达冷却器的时刻，通过比较此位置的采集温度与目标温度差异，调节阀门开口度以控制流量，消除温度差异；

开发螺纹钢温度预测的求解模型，迭代求解消除温差的换热系数值，通过换热系数与水压、流量的关系迭代求解对应的水流量，转换为阀门开口度调节的设定值，实现对于长度方向温差的自动前馈控制。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，螺纹钢的温度前馈模型嵌入至控制器中，能够高速运算，满足实时控制的要求，通过对于螺纹钢长度方向的温度全程跟踪，自动设定不同的控制流量，可以极大减少头尾温度差异，对于后续冷却工艺的稳定控制具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的螺纹钢温度计算节点划分示意图；

图2为本发明实施例提供的螺纹钢温度前馈控制示意图；

图3为本发明实施例提供的螺纹钢温度前馈控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出的一种螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法所采用的技术方案包括建立温度预测模型、建立温度跟踪队列和螺纹钢温度前馈控制。

所述建立温度预测模型的具体内容如下：

对于螺纹钢冷却过程温度的计算，由于其长度和圆周方向上的散热量远远小于径向的散热量，故可忽略长度、圆周方向上的热传导，而将传热过程简化为沿径向上的一维传热过程，含内热源的圆柱坐标导热微分方程可用公式(1)表示。

式中，α＝k/(ρc)为导温系数，ρ为材料密度，c为比热，k为导热系数，r为半径。

对于给出表面换热系数和周围介质的温度的第三类温度边界条件形式为：

式中，h为螺纹钢表面与外界的换热系数，T_w为环境温度，T是实际温度分布，Δr是螺纹钢径向离散划分后节点间距。

对于公式(1)和公式(2)，可利用有限差商代替微商对其进行数值求解，基于有限差分方法计算温度前需要对螺纹钢在径向离散化，在螺纹钢径向划分为M个节点，如图1所示。

忽略内热源，对导热微分方程和边界方程推导后的内部节点的显式有限差分格式为：

其中，

Δt是k时刻与k+1时刻的时间变化，T_i ^k表示k时刻节点i的温度，

表示k时刻节点i-1的温度，

表示k时刻节点i+1的温度，T_i ^k+1表示k+1时刻节点i的温度。

边界条件的显式有限差分格式为：

式中，

表示k时刻边界节点M的温度，

表示k时刻边界节点M-1的温度，

表示k+1时刻边界节点M的温度。

已知螺纹钢k时刻的初始温度，按照公式(3)、(4)不断进行迭代计算就能得到任意时刻的温度变化。影响冷却过程温度变化的主要因素为冷却水与螺纹钢表面的换热系数，换热系数与水流密度密切相关，可近似用二次曲线表示，公式参数通过生产数据回归获得。

基于以上公式，给定螺纹钢进入冷却器前温度、冷却后目标温度，即可反算冷却过程的换热系数，进而求出冷却器所需流量以及调节阀开口度设定。

所述建立温度跟踪队列的具体内容如下：

为了能够按照螺纹钢长度方向温度变化实现冷却器流量的自适应调节，需要建立一个队列对螺纹钢不同位置的温度进行管理，在控制器中建立存储区域，按照先入先出的原则保留最近的螺纹钢长度、温度数据。螺纹钢温度数据的跟踪逻辑如下：

(1)测温仪检测到螺纹钢头部温度触发清空队列操作；

(2)设定螺纹钢温度分段跟踪长度ΔL，当每测量长度ΔL的温度数据后，求此段温度数据平均值

将

和已通过测温仪对应的长度L_j加入队列；其中，

是第j段螺纹钢的温度平均值，L_j是第j段螺纹钢的长度；

(3)为了节省控制器存储空间，当所跟踪的螺纹钢长度L_j冷却完成后，将这段数据从队列中删除。

所述螺纹钢温度前馈控制的具体内容如下：

在冷却器前安装测温仪采集表面实时温度，用于温度的前馈。螺纹钢在生产过程中常在精轧机组之前安装预控冷却器，用于控制钢坯进入精轧的温度，这一位置钢坯断面大、速度慢，更适合在冷却器上进行温度前馈控制。当螺纹钢进入预控冷却器之前预先测量轧件长度方向上的温度分布，通过对轧件的位置跟踪，在冷却器上对应跟踪位置的温度调整调节阀以控制水流量，使得螺纹钢经过冷却器之后的出口温度变得均匀。温度前馈控制示意图如图2所示。

在控制器中实现螺纹钢温度前馈控制，需要规划程序结构，具体如下：

步骤1：建立20ms定时中断组织块，定时调用队列管理子程序，根据螺纹钢经过冷却器前测温仪的长度，对采集的实时温度滤波后按照分段长度计算平均值后加入跟踪队列；当队列中所跟踪的螺纹钢位置在冷却结束后从队列中删除；

步骤2：当队列中所跟踪的螺纹钢位置到达冷却器入口时，提取队列中此段螺纹钢的平均温度

同时基于温度预测模型计算

以速度v运输长度为L时的实际温度

步骤3：将

作为此段螺纹钢的冷前温度，根据冷却器的出口温度设定值T_set迭代计算冷却器所需的换热系数，进而求出所需流量与此压力下的调节阀开口度设定；

步骤4：通过控制器的模拟量输出模板将调节阀开口度设定送出，如果队列内有跟踪数据，转至步骤2，为下次计算做准备；如果队列内已无跟踪数据，等待下根螺纹钢跟踪队列的建立。

如上所述，冷却器所执行的控制参数即为将此段螺纹钢冷却到目标温度的设定，实现了冷却控制参数与螺纹钢长度方向上不同位置实际温度的对应关系，实现了对于螺纹钢全长温度的前馈自适应控制。

本实施例采用上述的方法选择对某螺纹钢生产线预控冷却器进行温度前馈控制，主要工艺参数如下：钢种：400E；坯料规格：120mm方坯；成品尺寸：14mm；预控冷却器出口目标温度：950℃。

首先建立温度预测模型。

基于一维显式有限差分的温度迭代计算包含两类公式，一类是内部节点，一类是边界节点。节点划分如图1所示，取M＝5，由于是计算螺纹钢的半径范围内的温度变化，对于内部节点又分为两种类型：仅有一个相邻节点的中心点T₁，有两个相邻节点的内部节点T₂、T₃和T₄。

根据内部节点的温度迭代计算公式(3)可知，T1的迭代方程为：

T₂、T₃和T₄的迭代方程为：

T₅为边界节点，根据公式(4)得到其迭代方程：

这样，根据螺纹钢半径方向划分的各个节点的迭代方程形式，只要给出k时刻的温度值，就能计算得到k+1时刻的温度。如果给定冷却器入口温度与出口温度，通过以上温度模型可迭代求出对应的换热系数值，利用获得的换热系数值与换热系数公式，就能得到冷却器在给定压力下的流量设定，进而得到调节阀的开口度设定。

然后建立螺纹钢温度跟踪队列。

温度跟踪的起点为预控冷却器前测温仪位置，跟踪终点为预控冷却器后测温仪位置。在控制器的数据块中建立能够容纳螺纹钢在分段跟踪后的最大队列个数，每段跟踪数据的属性包括序号、长度、平均温度信息。采用SCL语言建立钢板属性结构体的语法如下：

同时设置变量queue_count作为队列中跟踪数据个数统计，当冷却器前测温仪检测到螺纹钢，并完成跟踪长度ΔL内平均温度计算后，将跟踪数据加入队列；当队列中所跟踪的螺纹钢位置超过冷却器时，在队列中将此跟踪数据删除。

最后基于跟踪队列实施温度前馈控制过程。

为了保证数据的实时性，螺纹钢长度跟踪、温度平均值计算以及冷却器调节触发计算均由定时中断调用，中断触发周期设定为20ms。本实施例选择跟踪分段长度ΔL为2m，当螺纹钢通过冷却器前测温仪时，自动触发产生数据跟踪队列，跟踪属性中包含所跟踪每一段螺纹钢的头尾位置与这一段的平均温度。当队列中跟踪数据到达冷却器时触发模型设定计算程序，首先计算入口温度，接着由入口温度、目标设定温度计算冷却器所需流量设定，并通过修改调节阀开口度设定实现对于温度的控制。

图3为采用以上方法在预控冷却器上对螺纹钢实施温度前馈控制的效果，冷前螺纹钢的头部温度明显高于尾部，通过建立跟踪队列实现对调节阀的自适应前馈控制，可以看出螺纹钢冷后温度分布明显区别于冷前温度，由于本实施例是针对预控冷却器的前馈控制，需要考虑螺纹钢头尾进入后续冷却器时间差带来的温度差异，故意将头部温度控制略低于尾部，从控制效果看很好的实现了工艺设定，降低了螺纹钢冷却过程中的同条性能差。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，其特征在于：该方法包括建立温度预测模型、建立温度跟踪队列和螺纹钢温度前馈控制。

2.根据权利要求1所述的螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，其特征在于：在精轧前预控冷却器或轧后第一台冷却器实施对螺纹钢的前馈温度控制，以保证在进入后续冷却器时获得均匀的头尾温度。

3.根据权利要求2所述的螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，其特征在于：当螺纹钢通过测温仪时，按照长度将采集的每一段温度平均值加入在控制器中建立的温度跟踪队列，并跟踪螺纹钢此位置到达冷却器的时刻，通过比较此位置的采集温度与目标温度差异，调节阀门开口度以控制流量，消除温度差异。

4.根据权利要求3所述的螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，其特征在于：建立螺纹钢温度预测模型，迭代求解消除温差的换热系数值，通过换热系数与水压、流量的关系迭代求解对应的水流量，转换为阀门开口度调节的设定值，实现对于长度方向温差的自动前馈控制。

5.根据权利要求4所述的螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，其特征在于：所述建立温度预测模型的具体内容如下：

含内热源的圆柱坐标导热微分方程如公式(1)所示；

式中，α＝k/(ρc)为导温系数，ρ为材料密度，c为比热，k为导热系数，r为半径；

对于给出表面换热系数和周围介质的温度的第三类温度边界条件形式为：

式中，h为螺纹钢表面与外界的换热系数，T_w为环境温度，T是实际温度分布，Δr是螺纹钢径向离散划分后节点间距；

对于公式(1)和公式(2)，利用有限差商代替微商对其进行数值求解，基于有限差分方法计算温度前需要对螺纹钢在径向离散化，在螺纹钢径向划分为M个节点；

忽略内热源，对导热微分方程和边界方程推导后的内部节点的显式有限差分格式为：

其中，

Δt是k时刻与k+1时刻的时间变化，T_i ^k表示k时刻节点i的温度，

表示k时刻节点i-1的温度，

表示k时刻节点i+1的温度，T_i ^k+1表示k+1时刻节点i的温度；

边界条件的显式有限差分格式为：

式中，

表示k时刻边界节点M的温度，

表示k时刻边界节点M-1的温度，

表示k+1时刻边界节点M的温度；

已知螺纹钢k时刻的初始温度，按照公式(3)、(4)不断进行迭代计算，得到任意时刻的温度变化；

基于以上公式，给定螺纹钢进入冷却器前温度、冷却后目标温度，反算冷却过程的换热系数，进而求出冷却器所需流量以及调节阀开口度设定。

6.根据权利要求5所述的螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，其特征在于：所述建立温度跟踪队列的具体内容如下：

(1)测温仪检测到螺纹钢头部温度触发清空队列操作；

(2)设定螺纹钢温度分段跟踪长度ΔL，当每测量长度ΔL的温度数据后，求此段温度数据平均值

将

和已通过测温仪对应的长度L_j加入队列；其中，

是第j段螺纹钢的温度平均值，L_j是第j段螺纹钢的长度；

(3)当所跟踪的螺纹钢长度L_j冷却完成后，将这段数据从队列中删除。

7.根据权利要求6所述的螺纹钢冷却过程温度前馈控制方法，其特征在于：所述螺纹钢温度前馈控制的具体内容如下：

步骤1：建立20ms定时中断组织块，定时调用队列管理子程序，根据螺纹钢经过冷却器前测温仪的长度，对采集的实时温度滤波后按照分段长度计算平均值后加入跟踪队列；当队列中所跟踪的螺纹钢位置在冷却结束后从队列中删除；

步骤2：当队列中所跟踪的螺纹钢位置到达冷却器入口时，提取队列中此段螺纹钢的平均温度

同时基于温度预测模型计算

以速度v运输长度为L时的实际温度

步骤3：将

作为此段螺纹钢的冷前温度，根据冷却器的出口温度设定值T_set迭代计算冷却器所需的换热系数，进而求出所需流量与对应压力下的调节阀开口度设定；

步骤4：通过控制器的模拟量输出模板将调节阀开口度设定送出，如果队列内有跟踪数据，转至步骤2，为下次计算做准备；如果队列内已无跟踪数据，等待下根螺纹钢跟踪队列的建立。

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