CN117916031A - 用于轧机的冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种使用冷却流体来冷却轧机的冷却系统中的材料的方法，该方法包括以下步骤：由运输机构将一段材料输送到轧机的冷却系统中；由传感器测量所述一段材料的速度；由控制系统将测得的速度与设定点速度进行比较，其中，该设定点速度具有冷却流体的对应的第一流速；由控制系统基于该比较来计算冷却流体的第二流速，其中，该第二流速与第一流速不同；以及以第二流速向冷却系统中的材料施加冷却流体。

Description

用于轧机的冷却系统

技术领域

本发明涉及一种用于轧机的冷却系统，轧机包括热轧机和冷轧机。

背景技术

材料卷材或板材的生产通常涉及使用单机架或多机架轧机。最终轧制产品(即，卷材或板材)常常需要被传递到冷却区段，以将产品温度降低到所需的目标温度。这通常通过应用水来完成。产品温度降低的速度和精确度将影响产品的最终机械性能，即屈服强度、抗拉强度和伸长率。

由于材料的长度所致，产品可同时存在于轧机和冷却区段中。如果产品将被卷取，则还存在如下可能性：材料在存在于轧机和/或冷却区段中的同时也存在于卷取机中。材料行进通过冷却区段的速度由轧机或卷取机来确定。在冷却操作期间，冷却区段要使用的所计算的水流将取决于轧机和卷取机的操作速度。例如，较大的速度通常需要较大的水流，且反之亦然。操作速度是预定义的，并且被称为设定点速度。这是在材料穿过冷却区段之前供应或设定的，以便计算所需的水的流动(被称为流动参考)。

在实践中，由于几种原因，所以产品的实际速度可偏离设定点速度。这些原因中的一些原因如下：

a)产品可仅以偏离初始设定点速度的固定速度存在于轧机中。

b)产品可以以偏离初始设定点速度的固定速度存在于轧机和卷取机两者中。

c)当产品离开轧机并且仅在卷取机中时，轧机和卷取机之间张力的损失将导致突然的速度变化。

d)产品长度可使得它既不在轧机中也不在卷取机中，且因此产品速度于是取决于辊道的速度。

e)如果需要将产品划分成较小的区段(例如，使用切头飞剪(FCS))，则产品可再次被划分，从而产生速度偏差，因为轧机、产品和卷取机之间丧失了张力。

自速度设定点的任何偏差都将在冷却之后产生温度误差，最终导致产品超出温度公差且因此跨越长度具有变化的机械性能。特别地，如果速度高于原始速度设定点，则由于与冷却水的接触时间减少，所以产品将更热。相反地，如果速度慢于原始速度设定点，则由于与冷却水的接触时间增加，所以产品将更冷。

将期望提供一种冷却轧制产品的方法，其中，由操作速度的变化引起的温度变化的影响得以减小。

发明内容

根据第一方面，提供了一种使用冷却流体来冷却轧机的冷却系统中的材料的方法，该方法包括以下步骤：由运输机构将一段材料输送到轧机的冷却系统中；由传感器测量所述一段材料的速度；由控制系统将测得的速度与设定点速度进行比较，其中，该设定点速度具有冷却流体的对应的第一流速；由控制系统基于该比较来计算冷却流体的第二流速，其中，该第二流速与第一流速不同；以及以第二流速向冷却系统中的材料施加冷却流体。

设定点速度可以是材料被编程为在不存在可能干扰该设定速度的任何因素的情况下行进通过冷却系统的速度。在这种情况下，冷却系统可将第一流速的冷却流体施加到材料。

比较的结果可以是速度差异，该速度差异能够被认为是速度的变化。基于比较所计算的第二流速可被认为是将速度差异考虑在内的对第一流速所做的调整。因此，控制系统可被认为将第一流速调整到第二流速。

因此，冷却方法计算设定点速度(该设定点速度是轧机的已编程的操作速度)和材料移动通过轧机的实际速度之间的材料的速度差异。由于材料没有得到适当冷却所致，这种速度差异导致冷却后与设定点温度存在温度差异。例如，如果测得的速度高于设定点速度，则由于与冷却系统的接触时间减少，所以材料将更热。替代地，如果测得的速度低于设定点速度，则由于与冷却系统的接触时间增加，所以材料将更冷。通过考虑到速度差异，能够适当地调整由冷却系统施加的冷却液体的量，使得材料与冷却系统的接触时间对于材料行进以便将材料冷却到所期望的温度的速度来说是足够的。

优选地，第二流速与第一流速不同。在一些情况下，第二流速可大于第一流速。在其他情况下，第二流速可小于第一流速。因此，第一流速能够进行调整，使得冷却系统取决于测得的速度是大于还是小于已编程的操作速度来施加更多或更少的冷却液体。

第二流速可包括调整值。该调整值可以是测得的速度和设定点速度之间的比较的结果。在一些情况下，计算第二流速包括将调整值加到第一流速以给出第二流速。优选地，调整值可以是使在一段材料已离开冷却系统之后所述一段材料的最终温度和设定点温度之间的差异最小化的值。

该方法可进一步包括：由第一温度传感器在所述一段材料已进入冷却系统之前测量所述一段材料的初始温度；将测得的温度与设定点温度进行比较；由控制系统基于该比较来计算第三流速；以及将第三流速与第二流速组合。

测得的温度和设定点温度之间的比较的结果可以是第一温度差异。基于比较所计算的第三流速可被认为是将温度差异考虑在内的流速调整。将第三流速与第二流速组合可给出所得的流速。

设定点温度可以是冷却后材料的目标最终温度。因此，控制系统可计算为了使材料从其初始温度冷却以达到设定点温度而需要施加多少冷却液体。基于该计算，控制系统可计算新流速，该新流速对应于为了达到目标冷却水平而需要调整冷却液体的流速的量。因此，取决于测得的初始温度和设定点温度之间的差异，冷却系统根据新流速来施加更多或更少的冷却液体。

优选地，在根据第二流速将冷却流体施加到材料之前实施以上方法步骤。这允许在冷却系统将冷却液体施加到材料之前将基于速度差异的流速和基于温度差异的流速两者考虑在内。

计算第一流速可包括：由控制系统接收与材料相关的一组初始条件；由控制系统并使用该一组初始条件对材料的冷却过程进行建模；由控制系统基于已建模的冷却过程来计算第一流速。

材料的初始状态可影响材料冷却的速率，且因此可影响需要由冷却系统施加到材料的液体的量。材料的初始状态可由一组初始条件来定义。初始条件可包括但不限于材料的化学成分和材料的物理尺寸。建模可由计算机程序模型实施，该计算机程序模型被构造成在作为控制系统的一部分的计算装置上运行。该模型可使用初始条件作为模型的输入，以便对具有特定初始状态的特定材料的冷却过程进行建模。这可被用来计算需要施加到材料以便将材料冷却到设定点温度的冷却液体的流速。因此，冷却方法能够被定制和调适成适合于具有大范围的初始状态的各种各样的材料。

优选地，该一组初始条件包括设定点温度。设定点温度可被视为模型的输入。这可有助于建模过程更准确地计算需要将多少液体施加到材料以便达到目标温度，且因此计算合适的流速。

优选地，第一流速与第二流速组合。这允许冷却方法在冷却系统将冷却液体施加到材料时将速度差异、温度差异和材料的初始状态考虑在内。将流速组合(例如但不限于，将第一流速和第二流速组合)可包括将第一流速和第二流速加在一起。

建模可进一步包括：由第二温度传感器在所述一段材料已离开冷却系统之后测量所述一段材料的最终温度；由控制系统将测得的最终温度与所预测的最终温度进行比较；由控制系统计算测得的最终温度和所预测的最终温度之间的差异，其中所预测的最终温度是通过建模过程所预测的最终温度。该方法可进一步包括：由控制系统使用该一组初始条件和该差异来对材料的强化冷却过程进行建模；由控制系统基于已建模的强化冷却过程来计算第四流动调整量；将第四流速与第二流速组合。

在材料已离开冷却系统之后测量温度指示材料是否已被冷却系统适当地冷却，使得已基本上达到设定点温度。测得的温度和所预测的最终温度之间的比较的结果可以是第二温度差异。如果第二温度差异指示最终测得的温度与设定点温度相差超过可接受的公差水平，则能够调整施加到材料的冷却液体的量。

在这种情况下，第二温度差异可以是模型的附加输入。建模过程能够被视为将冷却系统在先前一段材料上的表现考虑在内并将该信息用作后续建模过程的输入。也就是说，模型被告知由冷却系统提供的实际冷却水平，并且该信息被用来更准确地对材料的冷却过程进行建模。特别地，建模过程能够基于施加到先前一段材料的冷却量来计算需要由冷却系统施加到后续一段材料的冷却液体的更准确的流速。因此，建模过程可更准确地计算需要将多少液体施加到材料以便将材料冷却至设定点温度。因此，能够更新冷却方法以将冷却系统的实时表现考虑在内。

优选地，第四流速与第三流速组合。更优选地，第四流速与第三流速和第二流速组合。这允许冷却方法在冷却系统将冷却液体施加到材料时将速度差异、初始温度差异和材料的初始状态考虑在内。

在一些示例中，由传感器测量所述一段材料的速度包括测量所述一段材料在冷却系统内的速度。在其他示例中，由传感器测量所述一段材料的速度包括测量所述一段材料在冷却系统前面和/或后面的速度。通常，由于材料的速度沿着冷却区段的任何点(包括冷却之前、期间和之后)都将相同，因此能够在任何合适的第一位置处测量速度，因为这也将对应于在另一个合适的位置(例如，第二位置和/或后续位置)处的材料速度。

第二流速可包括多个流动参考。冷却系统可包括多个喷射集管。以第二流速施加冷却液体的步骤可包括：由所述多个喷射集管中的每一个根据所述喷射集管的对应的流动参考向材料施加冷却液体。

因此，每个喷射集管可与不同的流动参考相关联，且因此每个喷射集管可被构造成将不同量的冷却液体施加到材料。这可允许冷却系统通过控制沿着材料的长度施加到材料的液体的量来微调对材料的冷却。

根据另一个方面，可提供一种被构造成冷却轧机中的材料的系统，该系统包括：运输机构，其被构造成将一段材料输送到轧机的冷却设备中；传感器，其被构造成测量所述一段材料的速度；控制系统，其被构造成：将测得的速度与设定点速度进行比较，其中，该设定点速度具有冷却流体的对应的第一流速；基于该比较来计算冷却流体的第二流速，其中，该第二流速与第一流速不同；以及以第二流速向冷却系统中的材料施加冷却流体。

优选地，设备包括第一温度传感器，该第一温度传感器被构造成在一段材料已被馈送入冷却系统中之前测量所述一段材料的初始温度。控制系统可进一步被构造成：将初始温度与设定点温度进行比较；基于比较来计算第三流速；以及将第三流速与第二流速组合。

在一些示例中，控制系统进一步被构造成：接收与材料相关的一组初始条件；使用该一组初始条件对材料的冷却过程进行建模；以及基于已建模的冷却过程来计算第一流速。

设备可进一步包括第二温度传感器，该第二温度传感器被构造成在一段材料已离开冷却系统之后测量所述一段材料的最终温度。控制系统可进一步被构造成：将最终温度与所预测的最终温度进行比较；计算测得的最终温度和所预测的最终温度之间的差异；使用该一组初始条件和该差异对材料的强化冷却过程进行建模；基于已建模的强化冷却过程来计算第四流速；以及将第四流速与第二流速组合。

在一些示例中，传感器可位于冷却系统内。

优选地，冷却系统包括多个喷射集管。每个喷射集管可被构造成将一定流速的冷却液体施加到所述一段材料。每个流集管可被构造成以第二流速将液体的流动施加到所述一段材料。

附图说明

图1是冷却过程的示意图；

图2是另一个冷却过程的示意图；以及

图3图示了冷却方法的步骤。

具体实施方式

本公开涉及一种通过轧机的冷却系统使用冷却流体来冷却材料的方法、以及一种被构造成实施冷却的对应系统。

图1中总体上示出了示例冷却系统100。冷却系统100在材料变成最终产品之前对已在轧机2中轧制的片材材料6进行冷却。在一些情况下，为了生产最终产品，使用卷取机4(例如，上卷机(up-coiler))将片材材料6卷成卷材。在其他情况下，例如使用切头飞剪5将片材材料6划分成许多个较小的区段，这些区段可被称为板材。使用运输机构(未图示)使片材材料6从轧机2传递通过冷却系统100，并且可选地到达卷取机4。通常，运输机构采取一系列辊的形式，片材材料6放置在这些辊上，使得这些辊的旋转运动引起材料6前进通过轧机和冷却系统100的各个部件(在图1中从左到右)。材料6通常是金属产品，诸如元素金属或更常见地合金。特别地，金属产品可以是铁合金(诸如，钢)或铝合金。

冷却系统100包括：冷却设备102，其被构造成使用冷却流体来冷却材料；以及与冷却设备102连通的控制系统300，该控制系统被构造成控制冷却设备102。特别地，片材材料6由冷却设备102进行冷却，该冷却设备布置成在材料6经由运输机构穿过冷却系统100时将冷却液体喷射到该材料上。冷却液体的特定形式可取决于被冷却的材料的类型而变化。例如，如果材料6是钢或钢基的，则冷却液体是水。作为另一个示例，如果材料6是铝或铝基的，则冷却液体是油水混合物。在图1中所示的示例中，冷却设备102包括多个喷嘴101。喷嘴101将冷却液体通过喷嘴喷射到材料6的外表面上，以便使用冷却液体对材料6进行冷却。所述多个喷嘴能够被分割成两组。第一组喷嘴位于冷却设备102的起点处，并且可被称为喷射集管103。第二组喷嘴位于冷却设备102的终点处，并且可被称为修整集管(trim header)104。

片材材料6的最终温度是通过控制由冷却设备102通过各个喷嘴101施加到材料6的冷却液体的量来控制的。

更特别地，材料6的最终温度是使用片材材料6在它进入冷却系统100时的初始温度和片材材料6在它离开冷却系统100时的最终温度的组合来控制的。这可被称为前馈控制(使用初始温度)和反馈控制(使用最终温度)。修整集管104被构造成将固定流动的冷却液体施加到材料6，这是作为反馈控制回路的一部分进行控制的。就固定流动而言，每个修整集管104能够要么处于开启(on)要么处于关闭(off)状态，并且当处于开启状态时，该修整集管104的流动被设定处于固定的水平。换言之，每个修整集管能够要么不施加冷却液体，要么以固定的流速施加冷却液体。修整集管103被构造成将可变流动的冷却液体施加到材料6，这是作为前馈控制回路的一部分进行控制的。就可变流动而言，每个喷射集管103通常处于开启状态，并且该喷射集管103的流动能够处于从零直到最大流速的任何流速。换言之，每个喷射集管103能够不施加冷却液体或以高达最大流速的任何流速施加冷却液体。稍后将进一步详细地描述前馈和反馈控制过程。

在不存在任何形式的控制回路(前馈抑或反馈控制)的情况下，冷却系统将以第一流速将冷却流体施加到材料。包括控制回路的作用是将第一流速调整到新流速(该新流速通常与第一流速不同)，以便由喷嘴101施加到材料6。新流速包括第一流速和要对第一流速进行的调整量，该调整量被称为流动修整量(flow trim)。所得的新流速被称为流动参考。

存在许多因素影响需要施加到材料6以便达到材料的最终所期望的温度(被称为设定点温度)的冷却液体的量，包括材料6的各种性能(例如但不限于，材料6的化学成分和物理尺寸)以及材料6进入并穿过冷却系统100的速度。第一流速是将这些因素考虑在内来计算的。这些因素形成了一组初始条件10的一部分，这些初始条件被输入到控制系统300内的冷却模型20中以计算要由冷却设备102施加到材料6的冷却液体的量，该量由第一流速定义。特别地，冷却模型20接收与材料相关的该一组初始条件，且然后冷却模型20基于这些初始条件来对物理冷却过程进行建模以便计算需要由冷却设备102从喷嘴101施加的冷却液体的流速。该所计算的流速(其是在不存在任何控制回路的情况下计算的)是第一流速。第一流速从冷却模型20被传递到控制系统300内的流动参考控制器40。

为了验证施加到材料6的冷却液体的量是否合适使得材料在它离开冷却系统100之后的最终温度在+/-20摄氏度的行业接受的公差水平内与设定点温度基本上相同，由温度传感器108测量材料6在它已离开冷却系统100之后的温度，该温度传感器呈高温计的形式并且位于冷却系统100和卷取机4之间。该温度测量值可被称为出口温度。

出口温度被馈送入形成控制系统300的一部分的反馈控制器50中，该反馈控制器将出口温度与设定点温度进行比较。如果出口温度与设定点温度相差超过可接受的公差水平，则冷却设备102正在将不合适量的冷却液体施加到材料，且因此来自喷嘴101的冷却液体的流速需要以某种方式进行调整。作为反馈控制回路的一部分，任何所得温度差异都被用来调整对修整集管104的控制。例如，如果出口温度与设定点温度相比太冷，则需要将较少的冷却液体施加到材料6，且反之亦然。温度差异被用来计算需要对第一流速进行的调整量。该调整量可被称为第一基于温度的调整量，并且是一种类型的流动修整量的示例。其他类型的流动修整量也是可能的，如稍后将讨论的。

第一基于温度的调整量被发送到流动参考控制器40，在该流动参考控制器处，它与来自物理模型20的第一流速组合以给出用于修整集管104的所得流动参考。流动参考控制器40根据流动参考来控制来自修整集管104的冷却液体的流动，其中每个修整集管104能够将相同的流动参考(即，相同量)的冷却液体施加到材料6。也就是说，所述多个修整集管104中的所有修整集管104的流速跨越所述多个修整集管104是相同的。为了调整由修整集管104施加的冷却液体的流速，能够打开和关断修整集管104。在这种情况下，每个修整集管104能够独立于所述多个修整集管中的其他修整集管104而打开和关断，使得任何数量的修整集管104都能够是开启的。因此，能够通过关闭修整集管104中的一些来施加较少的冷却液体，并且能够通过打开修整集管104中的一些来施加更多的冷却液体。所有开启的修整集管104都以相同的流速施加冷却液体，且因此冷却量取决于在任何给定时间打开的修整集管104的数量。

物理模型20计算流动参考的精确度通过传热系数(HTC)自适应70过程得到改进和维持。该过程70在材料离开冷却系统100时使用呈出口温度的形式的反馈。HTC自适应过程70基于输入10来计算测得的出口温度和由物理模型20预测的出口温度之间的差异。该差异被反馈到物理冷却模型10中，使得能够在后续建模和计算期间将该差异考虑在内。通常，该过程能够被认为是使用该一组初始条件10以及在测得的出口温度和所预测的出口温度之间所计算的差异两者对材料的强化冷却过程进行建模。要由冷却设备102基于强化物理模型施加的冷却液体的计算的量能够被称为第四流速。该第四流速从冷却模型20被传递到流动参考控制器40。

冷却材料6所需要的量还将取决于材料刚好在它进入冷却系统100之前测得的温度(与设定点温度相比)。这两个温度之间的更大的差异将需要更多的冷却，且反之亦然。

另一个温度传感器106，呈高温计的形式并且定位在冷却系统100和轧机2之间，测量材料刚好在它进入冷却系统100之前的温度。该温度传感器106可被视为第一温度传感器，并且先前描述的温度传感器108可被视为第二温度传感器。

来自第一温度传感器106的温度测量值(该温度测量值可被称为初始温度或入口温度)被输入到作为控制系统300的一部分的前馈控件60中。前馈控件60将测得的初始温度与设定点温度进行比较。作为前馈控制回路的一部分，任何所得温度差异都被用来调整对喷射集管103的控制。温度差异被用来计算需要对第一流速进行的调整量。该调整量可被称为第二基于温度的调整量，并且是一种类型的流动修整量的另一个示例。

第二基于温度的调整量被发送到流动参考控制器40，在该流动参考控制器处，它与来自物理模型20的流速组合以给出针对喷射集管103的所得流动参考。因而，通常，控制系统能够被认为基于温度比较的结果来计算冷却液体的第三流速。因此，第二基于温度的调整量能够被认为是第三流速。流动参考控制器40根据该流动参考来控制来自喷射集管103的冷却液体的流动，其中每个喷射集管103能够将不同量的冷却液体施加到材料6。也就是说，所述多个喷射集管103中的喷射集管103的流速能够跨越所述多个喷射集管103是不同的。

一般而言，从流动参考控制器40发送并由喷射集管103施加的流动参考发生变化，因为第二基于温度的调整量在一段时间内并非总是相同。例如，在第一时间段，设定点温度和初始测得的温度之间可存在大的差异，从而产生大的第二基于温度的调整量。然而，在另一个时间段(诸如，第二时间段)，设定点温度和初始测得的温度之间可存在小的差异，从而产生小的第二基于温度的调整量。通过将喷射集管103构造成能够将可变流速施加到材料6，能够将由于不同温度差异所致的不同流动参考考虑在内。

更详细地，所有喷射集管103都通常是开启的(而不是关闭的)。因此，冷却量取决于每个喷射集管103的流速。对于具有预定义长度的材料段(例如，长度为1m的段)，对入口温度进行测量和求平均值。计算冷却该材料段所需的液体量以给出用于与该特定段相关联的喷射集管103的流动参考，如先前所描述的。针对每个后续段重复此计算。每个段通过冷却系统100的位置由控制系统300进行跟踪，使得每个材料段相对于每个喷射集管103的位置在任何给定时间都是已知的。在每个材料段在喷射集管103下方通过时，由该特定喷射集管103应用针对该材料段所计算的流动参考。在材料段前进通过冷却系统100并在后续喷射集管103下方通过时，由后续喷射集管103施加的流速将是针对该段所计算的流动参考。在不同的材料段穿过冷却系统100时，将由喷射集管103应用已针对这些不同段计算的不同的流动参考。因此，因为针对每个段测得的入口温度通常不同，所以针对每个段所计算的流动参考不同，且因此在材料6穿过冷却系统100时，由喷射集管103施加的流速改变。

由于冷却系统100的终点和第二温度传感器108所在的位置及因此测量出口温度的位置之间有距离，因此在由控制系统300进行补偿的温度差异中存在固有延迟。结果，将存在温度超出可接受的公差水平的一段材料，其长度对应于距冷却系统出口和出口温度测量位置的距离。

如能够在图1中所见的，两个控制回路被用来计算冷却液体的流速。第一控制回路包括控制系统300的第二温度传感器108、反馈控制器50和流动参考控制器40，其在材料6离开冷却系统100之后测量温度并使用该温度来执行多次计算以调整用于所有修整集管104的流速。该控制回路可被视为反馈温度控制回路。第二控制回路包括控制系统300的第一温度传感器106、前馈控件60和流动参考控制器40，其在材料6进入冷却系统100之前测量温度并使用该温度来执行多次计算以调整用于每个喷射集管103的流速。该控制回路可被视为前馈温度控制回路。反馈温度控制回路和前馈温度控制回路一起有助于确保材料6的出口温度在可接受的公差水平内被维持在基本上所需的设定点温度。

在这些计算期间，假设材料6行进通过冷却系统100的速度与作为初始条件10的一部分被供应到冷却模型20的设定点速度相匹配。然而，如早前所提到的，情况常常是这样的：材料6移动通过冷却系统100的实际速度与该设定点速度不同。这种速度差异可被称为速度误差。由于材料6以不同的速度移动通过冷却系统100，因此施加到材料6的冷却水的流速不适合于正在移动的材料6的实际速度，因为该流速是基于设定点速度所计算的，这将影响材料6的出口温度。

为了改进对材料6的冷却以确保出口温度与设定点温度基本上相同，当计算流速时，需要将材料6的速度差异考虑在内。将参考图2来解释该过程。

图2示出了类似于图1的另一个示例冷却系统200，并且相似的附图标记表示相似的特征和过程，将不再次解释这些特征和过程。图3中图示了使用图2的设备的一般方法。冷却系统200的冷却设备202包括多个喷嘴201。然而，在这种情况下，喷嘴201全部都是喷射集管203；不存在修整集管104。这是因为，该冷却系统200不包括图1的反馈温度控制回路，该反馈温度控制回路将出口温度反馈到流动参考控制器40中。

如前所述，并且参考图3，为了使用冷却流体来冷却材料，运输机构首先将一段材料输送到轧机的冷却系统中S300。在冷却过程期间，当材料6穿过冷却系统200时，传感器测量所述一段材料的速度S302。特别地，使用至少一个速度传感器80来重复测量材料6移动通过冷却系统200的实际速度。在一些示例中，速度传感器80可采取在运输机构(材料6在该运输机构上面传递)上的一个或多个速度编码器的形式。在其他示例中，速度传感器80可采取激光速度装置的形式。

由速度传感器80测得的速度被输入到作为控制系统500的一部分的速度相关流动控制器90中。该速度相关流动控制器将测得的速度与设定点速度进行比较。换言之，控制系统然后将测得的速度与设定点速度进行比较S304，其中设定点速度具有与其相关联的冷却流体的对应的第一流速。如先前所讨论的，如果材料6通过冷却系统200的速度偏离设定点速度，则出口温度将不同于所期望的设定点温度。测得的材料速度和设定点速度之间的任何所得差异都能够被认为是速度误差。在一些情况下，速度误差将指示材料6正移动得比预期快，且在其他情况下，速度误差将指示材料6正移动得比预期慢。作为另一个前馈控制回路的一部分，所得速度差异被用来调整对喷射集管203的控制。速度差异被用来计算需要对第一流速进行的调整量。该调整量可被称为基于速度的调整量，并且是一种类型的流动修整量的另一个示例。基于速度的调整量是使所得温度差异最小化的量。由于速度误差随时间变化，因此速度调整的流速也随时间变化。

通常，基于速度的调整量被输入到前馈控件260中，且随后被发送到流动参考控制器240，在该流动参考控制器处，它与来自物理模型20的流速组合以给出用于喷射集管的所得流动参考。因此，通常，该过程能够被认为是控制系统基于比较的结果来计算冷却流体的第二流速(基于速度的调整量)S306，且然后根据该第二流速将冷却流体施加到材料S308。

在大多数情况下，作为温度比较和速度比较两者的结果所计算的调整量是一起被考虑在内的，而不是单独进行考虑的。在这种情况下，基于速度的调整量被输入到前馈控件260中，在该前馈控件处，它与基于初始温度所计算的基于温度的调整量组合，以给出所得的前馈调整量。所得的前馈调整量是另一种类型的流动修整量。

所得的前馈调整量随后被发送到流动参考控制器240，在该流动参考控制器处，它与来自物理模型20的流速组合，以给出用于喷射集管203的所得的流动参考。流动参考控制器240根据该流动参考来控制来自喷射集管203的冷却液体的流动，其中每个喷射集管能够以与参考图1所描述的方式类似的方式将不同量的冷却液体施加到材料6。这意味着，所得的流动参考补偿温度误差和速度误差两者。因此，前馈控件260能够被视为负责补偿温度误差和速度误差两者。

如能够在图2中所见的，两个控制回路存在于控制系统500内。包括控制系统300的第一温度传感器106、前馈控件260和流动参考控制器240的第一控制回路与图1的前馈温度控制回路基本上相同。因而，该控制回路也是前馈温度控制回路。该前馈温度控制回路调整用于每个喷射集管204的流速。第二控制回路包括控制系统500的速度传感器80、速度相关流动控件90、前馈控件260和流动参考控制器240。该第二控制回路测量材料移动通过冷却系统200的速度并使用该速度来执行多次计算以调整用于所有喷射集管204的流速，使得材料6的出口温度在可接受的公差水平内被维持在基本上所需的设定点温度。该第二控制回路可被视为前馈速度控制回路。

使用两个前馈控制回路(即，前馈温度控制回路和前馈速度控制回路)的组合，大大减小了温度差异和速度差异两者。

现在将描述关于如何考虑到材料速度的变化的进一步细节。

冷却模型20是对材料内的冷却过程进行建模的基于物理的模型。模型20包括有限差分温度模型和微观结构模型，该有限差分温度模型包括冷却液体到材料的传热系数(例如，水到钢的传热系数)的细节。模型20能够预测在材料被冷却时材料温度的变化、以及基于到冷却模型20中的输入来预测在材料6离开冷却系统200之后在第二温度传感器108处的最终出口温度，这些输入包括第一流速、设定点速度和材料性能(诸如，厚度、温度和化学成分)。

材料穿过冷却区段200的距离由冷却区段200的长度来固定，并且被称为冷却距离。这是材料6在它被冷却时所行进的距离。材料6在冷却区段6中的时间长度及因此材料被冷却的时间长度被称为冷却时间。

因为冷却距离是固定的，所以任何速度误差都会导致冷却时间的变化，因为材料将存在于冷却系统200中历时更多或更少的时间量。例如，如果材料的速度从设定点增加，则冷却时间减少，且反之亦然。因此，由于速度的变化相当于冷却时间的变化，因此能够改变冷却时间以便计算速度的变化的影响。物理模型20使用冷却时间(基于设定点速度)来计算将从材料6去除多少热量，并且因此能够由模型20预测出口温度。通过关于一组标称条件将小偏差应用于冷却时间以将速度变化考虑在内，于是能够由物理模型20计算材料出口温度相对于速度的变化率。

冷却液体的流速变化也导致从材料6表面的热量移除速率的变化。例如，高流速(对应于大的流动参考)导致从材料高的热量移除速率，且因此材料快速地冷却下来。相反，低流速(对应于小的流动参考)导致从材料低的热量移除速率，并且使得材料缓慢地冷却下来。因此，流速的变化(其引起热量移除速率的变化)引起材料的出口温度的变化。流速的变化和出口温度的变化之间的关系能够由物理模型20确定并考虑在内。通过关于该一组标称条件将小偏差应用于流速以将冷却液体的流速变化考虑在内，能够由物理模型计算材料出口温度相对于流速的变化率。

通过将速度和出口温度之间的关系与流速和出口温度之间的关系组合，能够如下计算流速和速度之间的关系。

物理模型20使用标称条件来生成两种关系。第一种关系是第二温度传感器108处的温度(即，出口温度)相对于材料速度的变化的变化率，其由dT/dv给出，其中，T是以摄氏度为单位的温度并且v是以米每秒为单位的速度。第二种关系是第二温度传感器108处的温度(即，出口温度)相对于来自喷嘴的冷却液体的流速的变化率，其由dT/dF给出，其中，T是以摄氏度为单位的温度并且F是以升每秒为单位的流速。

将这两种关系组合以如下给出流速相对于速度的变化的变化率：

其中，流速的变化dF(以升每秒为单位)由下式给出：

因此，模型20能够预测当材料速度改变某个百分比时出口温度将发生什么变化。然后，能够调整流速以补偿将由速度变化造成的过度冷却或冷却不足。流速的变化被应用于所有喷射集管203。这意味着，每个喷射集管203处的流速的比例变化是相同的，因为材料速度的瞬时变化对于每个喷射集管203来说是相同的。

两个前馈控制回路的使用补偿了过程内发生的速度变化和温度变化。控制过程的主要步骤如下：

a)通过将材料的设定点速度与实际测得的速度进行比较来测量速度误差。

b)计算出口温度随速度的变化以及出口温度随流速的变化。

c)将所计算的变化组合以给出流速随速度的变化，这是补偿速度变化所需的流速的变化。

d)计算作为速度的变化的结果的流动修整量并将该流动修整量应用于作为前馈温度控制回路的结果所计算的流动修整量。

e)基于从前馈温度控制回路和前馈速度控制回路接收到的流动修整量来调整流速并将其维持在从前馈控制器供应的更新的流动参考处。

概括地说，本文中所描述的冷却系统和方法提供了对被冷却材料的温度表现的改进，这导致超出公差产品的减少及因此操作成本的降低。

Claims (14)

1.一种使用冷却流体来冷却轧机的冷却系统中的材料的方法，所述方法包括以下步骤：

由运输机构将一段材料输送到轧机的所述冷却系统中；

由传感器测量所述一段材料的速度；

由控制系统将测得的速度与设定点速度进行比较，其中，所述设定点速度具有所述冷却流体的对应的第一流速；

由所述控制系统基于所述比较来计算所述冷却流体的第二流速，其中，所述第二流速与所述第一流速不同；以及

以所述第二流速向所述冷却系统中的所述材料施加所述冷却流体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二流速包括调整值，其中，所述调整值是所述测得的速度和所述设定点速度之间的所述比较的结果，并且进一步其中，计算所述第二流速包括将所述调整值加到所述第一流速以给出所述第二流速。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述调整值是使在所述一段材料已离开所述冷却系统之后所述一段材料的最终温度和设定点温度之间的差异最小化的值。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述方法进一步包括：由第一温度传感器在所述一段材料已进入所述冷却系统之前测量所述一段材料的初始温度；

将所述测得的温度与设定点温度进行比较；

由所述控制系统基于所述比较来计算第三流速；

将所述第三流速与所述第二流速组合。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，计算所述第一流速包括：

由所述控制系统接收与所述材料相关的一组初始条件；

由所述控制系统并使用所述一组初始条件对所述材料的冷却过程进行建模；

由所述控制系统基于已建模的冷却过程来计算所述第一流速。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述建模进一步包括：

由第二温度传感器在所述一段材料已离开所述冷却系统之后测量所述一段材料的最终温度；

由所述控制系统将测得的最终温度与所预测的最终温度进行比较；

由所述控制系统计算所述测得的最终温度和所述所预测的最终温度之间的差异；

使用所述一组初始条件和所述差异来对所述材料的强化冷却过程进行建模；

由所述控制系统基于已建模的强化冷却过程来计算第四流速；

将所述第四流速与所述第二流速组合。

7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，由传感器测量所述一段材料的速度包括测量所述一段材料在所述冷却系统内的速度。

8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述第二流速包括多个流动参考，并且所述冷却系统包括多个喷射集管，并且其中，以所述第二流速施加所述冷却液体的步骤包括：

由所述多个喷射集管中的每一个根据所述喷射集管的对应的流动参考向所述材料施加所述冷却流体。

9.一种被构造成冷却轧机中的材料的系统，所述系统包括：

运输机构，其被构造成将一段材料输送到轧机的冷却设备中；

传感器，其被构造成测量所述一段材料的速度；

控制系统，其被构造成：

将测得的速度与设定点速度进行比较，其中，所述设定点速度具有所述冷却流体的对应的第一流速；

基于所述比较来计算所述冷却流体的第二流速，其中，所述第二流速与所述第一流速不同；以及

以所述第二流速向所述冷却系统中的所述材料施加所述冷却流体。

10.根据权利要求9所述的设备，其进一步包括第一温度传感器，所述第一温度传感器被构造成在一段材料已被馈送入冷却系统中之前测量所述一段材料的初始温度；并且

其中，所述控制系统进一步被构造成：

将所述初始温度与设定点温度进行比较；

基于所述比较来计算第三流速；

将所述第三流速与所述第二流速组合。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的设备，其中，所述控制系统被构造成：

接收与所述材料相关的一组初始条件；

使用所述一组初始条件对所述材料的冷却过程进行建模；

基于已建模的冷却过程来计算所述第一流速。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的设备，其进一步包括第二温度传感器，所述第二温度传感器被构造成在一段材料已离开冷却系统之后测量所述一段材料的最终温度；并且

其中，所述控制系统进一步被构造成：

将所述最终温度与所预测的最终温度进行比较；

计算测得的最终温度和所述所预测的最终温度之间的差异；

使用所述一组初始条件和所述差异对所述材料的强化冷却过程进行建模；

基于已建模的强化冷却过程来计算第四流速；以及

将所述第四流速与所述第二流速组合。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的设备，其中，所述传感器位于所述冷却系统内。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的设备，其中，所述冷却系统包括多个喷射集管。