DE19850253A1 - Verfahren und System zur Regelung von Kühlstrecken - Google Patents

Verfahren und System zur Regelung von Kühlstrecken

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Abstract

Um ein Verfahren und ein System zur Regelung einer Kühlstrecke, insbesondere der Kühlstrecke einer Walzstraße für Bleche und Bänder aus Stahl, derart zu verbessern, daß die Regelung schneller und flexibler wird, soll das Gesamtsystem nicht als eine Summe einzelner Bandpunkte bzw. Segmente betrachtet werden, sondern es wird der Temperaturzustand über die Länge des Bandes, d. h. die durch den Einfluß der Kühleinwirkung abfallende Temperaturkurve, mittels eines mathematischen Prozeßmodells kontinuierlich berechnet und mit einer Referenzkurve verglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur Re­ gelung einer Kühlstrecke, insbesondere der Kühlstrecke einer Anlage zum Walzen von Blechen und Bändern aus Stahl.
Während die Anforderungen an die geometrischen Abmessungen, die Oberflächenbeschaffenheit und mechanische Eigenschaften von warmgewalzten Bändern ständig steigen, wächst gleichzei­ tig der Wunsch nach einer höheren Flexibilität der Produkti­ onsanlagen für eine Vielzahl von unterschiedlichen Stählen. Es besteht daher der Bedarf nach automatisch arbeitenden Kühlanlagen, die genaue Temperaturverläufe sowie verschiedene Kühlstrategien, d. h. Kühlabläufe, bei hoher Flexibilität und gleichzeitiger Produktion von Stählen hoher Qualität gewähr­ leisten.
Die zur Realisierung solcher Anforderungen bisher entwickel­ ten Prozeßoptimierungs- und Regelungsverfahren zur Automati­ sierung der laminaren Warmbandkühlstrecken beruhen üblicher­ weise auf mathematischen Prozeßmodellen.
Hierbei liegt dem klassischen Konzept die Modellierung des Gesamtsystems in Form von ideellen Bandpunkten zugrunde. Bei der Modellierung eines Bandpunktes wird berücksichtigt, daß der Bandpunkt durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung Energie mit der Umgebung austauscht. Ferner wird durch Gefü­ getransformation innere Energie produziert. Zur Modellierung des Bandpunktes wird in Banddickenrichtung die instationäre eindimensionale Wärmeleitungsgleichung von FOURIER gelöst. Als geometrische Grenze der Modellierung dient der Ort des Fertigstraßenpyrometers, also der Eintrittsort des ideell ge­ dachten Bandpunktes in die Kühlstrecke, sowie der Installati­ onsort des Haspelpyrometers. Zwischen diesen beiden Orten kann durch örtlich verteilte Stelleingriffe die Solltempera­ tur des Bandes eingestellt werden.
Hierbei sind zwei unterschiedliche Ansätze bekannt geworden: zum einen ist das Prozeßmodell in einen Regelkreis eingebun­ den, zum anderen ist es von diesem getrennt. Im zweiten Fall kommt es vor Einlauf des zu kühlenden Bandes zu einer Vorein­ stellung der Stellsysteme der Kühlstrecke (Setup), wobei eine Vorsteuerung und Regelung während des Walzens nur noch zur Ausregelung verbleibender Störgrößen sowie von ungenauen Set­ up-Einstellungen dienen.
In beiden Fällen werden einzelne Bandabschnitte in Segmente aufgeteilt und beim Transport durch die Kühlstrecke verfolgt. Diesen Segmenten werden die jeweils gemessenen Prozeß- und Stellsignale zugeordnet.
Nachdem ein Segment das Haspelpyrometer erreicht hat, wird im ersten Fall eine Rückrechnung dieses Segmentes mit Hilfe des Prozeßmodells durchgeführt. Die sich ergebende Differenz zwi­ schen gemessener und berechneter Haspeltemperatur wird adap­ tiert und für eine sich anschließende angepaßte Einstellung der Stellsysteme unter Beachtung des aktuellen Prozeßzustands (Fertigstraßentemperatur, Bandgeschwindigkeit usw.) berück­ sichtigt. Dieser Berechnungsablauf wird während des Walzvor­ gangs zyklisch wiederholt.
Die Modelladaption dient bekanntermaßen dazu, die Vorhersa­ gegenauigkeit des Kühlmodells zu erhöhen. Hierbei wird das Berechnungsergebnis des Modells ständig mit den tatsächli­ chen, gemessenen Kühlergebnissen verglichen und eine Fehler­ minimierung durchgeführt.
Dieses klassische Konzept zeigt zum einen den Nachteil, daß aufgrund der Integration der Bandsegmente eine große Anzahl von Daten ermittelt und verarbeitet werden muß. Daneben sind die Stellsysteme der Kühlvorrichtung, beispielsweise die ört­ liche Verteilung des Kühlwassers und die Anzahl der betätig­ baren Kühlbalken, nicht flexibel und schnell genug regelbar. Es besteht folglich die Gefahr, daß Bandabschnitte bei einer schnellen Änderung der Bandgeschwindigkeit unterkühlt bzw. überhitzt werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein System zur Regelung einer Kühlstrecke, insbesondere einer Kühlstrecke von Walzanlagen, zu schaffen, die einen schnellen und automa­ tischen Regelvorgang gewährleisten und den datenlogistischen Aufwand verringern.
Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen offenbart.
Das vorgeschlagene Verfahren geht von dem Grundgedanken aus, das Gesamtsystem der Kühlstrecke nicht als eine Summe einzel­ ner Bandpunkte bzw. Segmente zu betrachten, sondern den Tem­ peraturzustand des Bandes über die Länge der Kühlstrecke, d. h. die durch den Einfluß der Kühleinwirkung abfallende Tem­ peraturkurve, mittels eines mathematischen Prozeßmodells kon­ tinuierlich zu berechnen bzw. zu beobachten, diese Tempera­ turkurve mit einer Referenz-Temperaturkurve zu vergleichen und die Regelabweichnungen über die Kühlstreckenlänge indivi­ duell auszuregeln. Das Modell, das der Berechnung zugrunde­ liegt, wird hierbei vorzugsweise kontinuierlich adaptiert. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Regelkreis setzt sich aus den nachfolgenden während des Kühlprozesses zyklisch ablau­ fenden Schritten zusammen:
Berechnung des Bandtemperaturverlaufs in der Kühlstrecke in Abhängigkeit der aktuellen Prozeßparameter sowie des spezifischen Prozeßzustandes des Bandes,
vorzugsweise die Adaption des der Berechnung zugrundelie­ genden Modells mittels eines konkret aufgenommenen Tempe­ ratur-Meßwertes Tmeß durch Veränderung der Modellparameter mit dem Ziel der Fehlerminimierung des Modells,
Vorausberechnung eines Referenztemperaturverlaufs mit fehlerminimiertem Modell unter Zugrundelegen einer vorge­ gebenen Referenztemperatur Tref;
individuelle Regelung der Prozeßparameter der Kühlstrecke durch Vergleich des Referenztemperaturverlauf mit dem be­ rechneten Temperaturverlauf.
Hierbei erfolgt die Berechnung des Bandtemperaturverlaufs wirklichkeitsnah. Auf Basis des vorzugsweise fehlerminimier­ ten Modells wird der Referenztemperaturverlauf vorausberech­ net.
Bei dem vorgeschlagenen Modell, das dem Verfahren zugrunde­ liegt, entfällt die Unterteilung des Bandes in einzelne Seg­ mente, wie es das klassische Modell vorsieht. Daher wird die Datenmenge übersichtlicher und der datenlogistische Aufwand deutlich geringer. Zudem erlaubt das vorgeschlagene Verfahren deutlich kürzere Ausregelzeiten, da die Berücksichtigung lan­ ger Datentransportzeiten entfällt.
Unter dem Begriff Prozeßparameter iS. des Anspruchs 1 werden die aktuellen Einstellungen der Kühlstrecke verstanden. Dies sind bespielsweise die Anzahl der aktivierten Kühlbalken und/oder die Menge bzw. die Geschwindigkeit des Kühlwassers sowie die Kühlwassertemperatur. Die Regelung dieser Stell­ glieder der Kühlstrecke erfolgt individuell und zwar in An­ passung an die Referenztemperaturkurve und erlaubt somit eine größere Schnelligkeit und Flexibilität der einzelnen Stell­ glieder.
Unter spezifischem Prozeßzustand werden in diesem Zusammen­ hang die Eigenschaften des zu kühlenden Bandes verstanden, wie die Bandgeschwindigkeit, die Banddicke, die Fertigstra­ ßentemperatur oder die Materialeigenschaften des Bandes.
Bei dem konkret gemessenen Temperaturmeßwert Tmeß bzw. bei der vorgegebenen Referenztemperatur Tref handelt es sich vorzugs­ weise um die Ist- bzw. Solltemperatur des zu kühlenden Gutes kurz vor Eintritt in die Haspeleinrichtung oder am Ausgang der Kühleinrichtung. Somit wird mittels des vorgeschlagenen Regelungsverfahren erreicht, Haspeltemperaturen mit geringen Temperaturtoleranzen einzustellen und Unterschiede in den Ge­ schwindigkeits- und Endwalz-Temperaturwerten über die Band­ länge weitgehend zu kompensieren.
Vorzugsweise umfaßt die Kühlstrecke mehrere Kühleinrichtun­ gen. Als besonders bevorzugte Ausführungsform wird vorge­ schlagen, daß obere und untere Stellglieder der Kühleinrich­ tungen unabhängig voneinander zur getrennten Kühlung der Bandober- bzw. Bandunterseite geregelt werden.
Vorteilhafterweise wird vorgeschlagen, eine Vorausberechnung des zu erwartenden Bandtemperaturverlaufs in Abhängigkeit des spezifischen Prozeßzustandes des zu kühlenden Gutes vor des­ sen Einlauf in die Kühlstrecke vor dem eigentlichen Rege­ lungsprozeß durchzuführen. Mit Hilfe dieser vorgeschalteten Setup-Berechnung des Bandtemperaturverlaufs wird ein Ar­ beitspunkt für den sich anschließenden Regelvorgang geschaf­ fen, der hierdurch schneller wird.
Durch die Einbeziehung thermophysikalischer und fluiddynami­ scher Beziehungen ist ein genaues Prozeßabbild im Regelzyklus gewährleistet.
Das erfindungsgemäße System setzt sich aus folgenden Einhei­ ten nach Anspruch 8 zusammen:
eine Einheit zur Berechnung des Bandtemperaturverlaufs (Beob­ achter) in Abhängigkeit der aktuell eingestellten Prozeßpara­ meter sowie des spezifischen Prozeßzustandes des Bandes;
eine Einheit zur Vorausberechnung eines Referenz- Temperaturverlaufs in Abhängigkeit einer vorgegebenen Refe­ renztemperatur (Tref) unter Berücksichtigung der Prozeßparame­ ter und des Prozeßzustandes (Prediktor),
eine Vorrichtung zur Steuerung der Stellglieder der Kühlein­ richtungen (1a bis 1i) der Kühlstrecke.
Nachfolgend wird das vorgeschlagene Verfahren bzw. System schematisch anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Funktions-Übersicht über das vorge­ schlagene Regelungsverfahren;
Fig. 2 bis 4 schematische Darstellungen von nacheinander ab­ laufenden Schritten des vorgeschlagenen Ver­ fahrens;
Fig. 5 eine schematische Übersicht der Systemelemente des Temperatur-Reglers;
Fig. 6, 7 schematische Übersichten des thermodynamischen Ansatzes des Modells.
Fig. 1 zeigt in schematischer Übersicht eine laminare Band­ kühlanlage 1, die sich auf dem Auslaufrollgang einer Warm­ walzbreitbandstraße zwischen dem letzten Walzgerüst 2 der Fertigstraße und dem Treiber 3a bzw. Haspel 3b befindet. Die Bandkühlanlage setzt sich aus mehreren Kühleinrichtungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h sowie 1i zusammen, die unabhängig voneinander und deren Stellglieder jeweils im Hinblick zur Bandober- und -unterseite getrennt regelbar sind. Zwischen dem letzten Walzgerüst 2 der Fertigstraße und Beginn der Band­ kühlanlage 1, gesehen in Transportrichtung des Bandes 4, ist ein erstes Pyrometer 5 zur Messung der Bandtemperatur vorge­ sehen. Ein zweites Pyrometer 6 befindet sich kurz vor dem Teiber 3a bzw. Haspel 3b.
Ferner sind in Fig. 1 schematisch die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Regelungszyklusses dargestellt.
Während des Walzens wird mittels des Kühlmodells ein Bandtem­ peraturverlauf berechnet (beobachtet), und die gemessene Has­ pel-Temperatur Tmeß wird mit der entsprechenden berechneten Temperatur Tcalc verglichen. Unter der gemessenen Haspel- Temperatur Tmeß wird die Bandtemperatur verstanden, die mit Hilfe des Pyrometers 6 gemessen wird. Tcalc ist der entspre­ chende diskrete Temperaturwert auf der beobachteten Tempera­ turkurve.
Es folgt zusätzlich die Adaption des Modells und die Übergabe des berechneten Temperaturverlaufs an den Temperaturregler.
Um die Schnelligkeit des Regelprozesses am Bandkopf zu stei­ gern, ist dem Regelprozeß eine Setup-Berechnung vorgeschal­ tet. Es wird der Bandtemperaturverlauf in Abhängigkeit des spezifischen Prozeßzustandes des zu kühlenden Gutes vor des­ sen Einlauf in die Kühlstrecke vorausberechnet. Dieser vor­ ausberechnete Bandtemperaturverlauf dient während des Walz­ prozesses als Arbeitspunkt für die Temperatur-Regelung.
Fig. 2 stellt den mittels des Modells berechneten, d. h. be­ obachteten, Verlauf der Bandtemperatur [°C] über der Bandlän­ ge [m] dar. Dieser erste Schritt des Regelkreises betrifft die Berechnung des Bandtemperaturverlaufs in der Kühlstrecke zwischen den Pyrometern 5 und 6 in Abhängigkeit der aktuell eingestellten Prozeßparameter mittels eines Modells, d. h. die sogenannte "Beobachtung". Die Kühlkurve weist im dargestell­ ten Beispiel einen relativ starken Abfall im Bereich der er­ sten vier aktivierten Kühleinrichtungen 1a, 1b, 1c, 1d auf, um dann langsam abzufallen.
Während des Regelzyklusses wird in einem zweiten Schritt ein konkreter Endtemperaturwert Tmeß an einem definierten Punkt des Bandes nach Durchlaufen der Kühlstrecke gemessen. Es han­ delt sich bei dem Endtemperaturwert vorzugsweise um die Tem­ peratur des Bandes, kurz bevor es in die Haspelvorrichtung 3b einläuft. Sie wird mittels des Haspelpyrometers 6 gemessen. Die Bandtemperatur in Höhe des Haspels hängt im wesentlichen von der zu erzeugenden Materialqualität ab und bewegt sich üblicherweise in einem Bereich von 250 bis 750°C.
Falls der konkrete Endtemperaturwert Tmeß d. h. die Haspeltem­ peratur, von dem entsprechenden Wert auf der berechneten Kur­ ve abweicht, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, erfolgt eine Ad­ aption zur Fehlerminimierung des Modells (vgl. Fig. 3). Die­ se Adaption geschieht durch eine geeignete Veränderung der Modellparameter, so daß ein adaptierter Kurvenverlauf ent­ steht, auf dem die gemessene Haspeltemperatur liegt.
Auf Grundlage dieses jetzt fehlerminimierten Modells wird ein Referenztemperaturverlauf berechnet unter Zugrundelegen einer vorgegebenen Referenztemperatur Tref, üblicherweise einer ge­ wünschten Haspeltemperatur. Diesen Schritt zeigt Fig. 4.
Dieser Verlauf geht von dem gleichen Anfangswert wie der er­ ste berechnete Temperaturverlauf aus, aber von einem unter­ schiedlichen Endwert, d. h. dem Referenzwert Tref.
Durch Vergleich des berechneten Temperaturverlaufs mit dem Referenztemperaturverlauf erfolgt eine individuelle Regelung jeder Kühlzone, getrennt für die Bandober- bzw. Banduntersei­ te. Diese Regelung geschieht hierbei mittels der Stellglieder der Kühleinrichtungen der Kühlvorrichtung.
Fig. 5 zeigt schematisch die Einheiten des Systems zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. Mit Hilfe des Prozeß-Beobachters bzw. Modells wird der Temperaturzustand des Bandes innerhalb der Kühlstrecke kontinuierlich beobach­ tet bzw. berechnet. Falls eine Abweichung zwischen berechne­ ter und gemessener Haspeltemperatur festgestellt wird, kommt es zu einer Adaption des Modells, d. h. die berechnete Haspel­ temperatur wird mit dem konkreten Meßwert Tmeß abgeglichen.
Des weiteren liegt eine Einheit vor zur Berechnung des Refe­ renz-Temperaturverlaufs, der sogenannte Prediktor. Diese Be­ rechnung erfolgt zyklisch, um die richtige Prozeßführung in­ nerhalb der Kühlstrecke zum Erreichen einer vorgegebenen Has­ peltemperatur in Abhängigkeit von zeitabhängigen Prozeßstö­ rungen wie Schwankungen der Bandgeschwindigkeit, Banddicke, Fertigstraßentemperatur etc. sicherzustellen.
Darüber hinaus ist ein Prozeß-Monitor-Regler vorgesehen, der das Gesamtsystem mit herkömmlichen regelungstechnischen Metho­ den, beispielsweise mit einem I-Regler, abgleicht, falls trotz Adaption des Modells noch eine Abweichung der erreich­ ten von der vorgegebenen Haspeltemperatur vorliegt. Der Pro­ zeß-Monitor kompensiert meßtechnisch nicht faßbare Störungen und Fehlfunktionen des Gesamtsystems und stellt damit eine einwandfreie Produktqualität durch den Abgleich der Referenz- und der aktuell gemessenen Haspeltemperatur sicher.
In Fig. 6 wird sichtbar, daß jede Kühlzone per Vergleich mit dem zugehörigen Referenzwert individuell regelbar ist, wenn der aktuelle Verlauf der Bandtemperatur über der Bandlänge innerhalb der Kühlstrecke bekannt ist. Das bedeutet, daß für beliebig viele diskrete Ortskoordinaten innerhalb der Kühlstrecke der Temperatur-Zustand des Bandes zu jedem Zeit­ punkt bekannt sein muß. Der Verlauf der Bandtemperatur ist innerhalb der Kühlstrecke nicht meßbar, sondern muß modell­ haft berechnet bzw. beobachtet werden.
Das dem vorgeschlagenen Verfahren zugrundeliegende mathemati­ sche Modell zur Berechnung des Temperaturverlaufs des Bandes in der Kühlstrecke basiert auf folgenden thermodynamischen und strömungstechnischen Grundlagen.
Der Walzprozeß wird thermodynamisch als instationärer Fließ­ prozeß in einem offenen System angenommen. Werden das Fertig­ straßenpyrometer, das Haspelpyrometer sowie die Bandober- und unterseite als thermodynamische Systemgrenzen der Kühlstrecke gewählt, so strömt am Fertigstraßenpyrometer Masse sowie Energie in Form von Enthalpie in das System, am Haspelpyrome­ ter Masse sowie Energie in Form von Enthalpie aus dem System und an der Bandober- und -unterseite Energie in Form von Wärme aus dem System. Ferner wird zugrundegelegt, daß die Kühlstrecke in beliebig viele Teilprozesse unterteilt werden kann, daß das thermodynamische Gesamtsystem sich aus einer Kette von Teilprozessen zusammensetzt und daß für jeden Teil­ prozeß die Energie- und Massenbilanz erfüllt sein muß.
Allgemein gilt für die Bilanzierung einer extensiven Größe, wie z. B. der Energie, der Masse, dem Impuls usw., in einem beliebigen, jedoch raumfesten System die allgemeine Bilanz­ gleichung
mit
ev die Dichte der extensiven Größe
is den pro Zeit- und Flächeneinheit durch die Oberflä­ che transportierten Strom der extensiven Größe
Γv die pro Zeit- und Volumeneinheit produzierte oder vernichtete Menge der extensiven Größe
Die Massenbilanz für einen Teilprozeß stellt sich wie folgt dar. Die Masse des Systems setzt sich aus der Masse der Gefü­ geanteile pi (mit Σpi = 1) zusammen mit ρi als Dichte und V als Volumen
m = Σ Vi ρi(T) pi (T) (1.2)
unter Vernachlässigung von Restanteilen folgt für ein Misch­ gefüge, bestehend aus Austenit (γ) und Ferrit (α)
m = V.ρ(T) = V.[(1-p(T))].ρα + p(T).ργ (1.3)
Für die spezifische Masse, d. h. der Dichte, folgt
Aufgrund des Transportvorgangs fließt Masse per Massenstrom über die Systemgrenzen.
i = = ρ(T). = ρ(T).s. (1.5)
mit s als dem Oberflächenvektor und z als dem Geschwindig­ keitsvektor.
Die pro Zeiteinheit produzierte oder vernichtete Masse des raumfesten Systems kann sich nur durch zeitliche Veränderung der Dichte ergeben. Mit 1.3 folgt
Unter Berücksichtigung, daß der Massenstrom nur in Koordina­ tenrichtung z1 (Längsrichtung) fließt, folgt für die Massen­ bilanz in kartesischen Koordinaten
Die Energiebilanz für einen Teilprozeß stellt sich wie folgt dar. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik setzt sich die Energie eines Systems aus der Enthalpie sowie potentiel­ ler und kinetischer Energie zusammen. Da für das vorliegende ortsfeste System keine Änderung bezüglich der kinetischen und potentiellen Energie auftritt, berechnet sich die Energie E ausschließlich aus der Enthalpie H mit U = innerer Energie
E = H(T) = U(T) + m.p.V (1.9)
und hieraus unter Vernachlässigung der Volumenänderungsarbeit p.V mit u = spezifische Energie
Über die raumfesten Systemgrenzen strömt Energie in Form von Wärme W und Enthalpie H mit h = spezifische Enthalpie
i = (T) + (T) = .h(T) + s.(T) (1.11)
Je nach Abkühlgeschwindigkeit und Soll-Haspeltemperatur ist die frei werdende Reaktionsenergie während der Gefügeumwand­ lung (γ → α-Umwandlung) zu berücksichtigen.
Die Enthalpie des Bandes berechnet sich damit zu
H(T) = Σpi(T) Hi(T) (1.13)
Unter Vernachlässigung von Restanteilen folgt für ein Mischgefüge, bestehend aus Austenit und Ferrit:
H(T) = pα(T).Hα(T) + pγ(T).Hγ(T) (1.14)
Die pro Zeit- und Volumeneinheit produzierte oder vernichtete Energie berechnet sich zu
Einsetzen der Gleichungen liefert unter Beachtung von
mit cp = Wärmekapazität
mit λ = Wärmeleitfähigkeit für kartesische Koordinaten die ge­ suchte Energiebilanzgleichung
In (1.19) wird davon ausgegangen, daß für die Wärmeleitfähig­ keit λ(T) keine Richtungsabhängigkeit vorliegt. Die Wärmelei­ tung in Breitenrichtung wird vernachlässigt; ferner erfolgt der Enthalpiefluß ausschließlich in Längsrichtung der Kühlstrecke z1.
Wird das Gesamtsystem in Subsysteme unterteilt, ergibt sich aus den Gleichungen (1.8) und (1.19) ein System von gekoppel­ ten Differentialgleichungen. Das Einsetzen von beispielsweise Differenzenausdrücken liefert ein Netzwerk zur Berechnung des Temperaturzustandes über der Längenkoordinate z1 und Banddic­ kenkoordinate z2. Die Diskretisierung des Temperatur-Netzes erfolgt dabei in Längs- und Dickenrichtung mit nicht äquidi­ stanten Abständen von Knoten zu Knoten (Fig. 7).
Neben dem thermomechanischen Ansatz geht ein strömungs­ technischer Ansatz in die Modellierung mit ein. Mit diesem Modell kann die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers beim Austritt aus der Kühleinrichtung berechnet werden. Die Strö­ mungsgeschwindigkeit hat einen wesentlichen Einfluß auf die Berechnung der Wärmeübergangszahlen für die Bandober- bzw. Bandunterseite. Sie ergeben sich konkret aufgrund der hydro- und hydrodynamischen Beziehungen zwischen Tank und den Küh­ leinrichtungsrohren der Kupplung und damit der Gesamtentnahme des Kühlwassers aus dem Tank. Insbesondere das Zu- und Ab­ schalten von Kühleinrichtungen hat einen Einfluß auf die Be­ rechnung der aktuellen Wärmeübergangszahl, bis sich ein sta­ tionärer Strömungszustand eingestellt hat. Unter der Annahme, daß es sich bei dem Kühlwasser um ein reibungsfreies und in­ kompressibles Fluid handelt, gilt für die fluiddynamische Be­ ziehung von zwei Punkten des gleichen Stromfadens die insta­ tionäre Gleichung für inkompressible Fluide nach BERNOULLI:
mit
ci Strömungsgeschwindigkeit an der Stelle i
s Stromfadenkoordinate
z Höhenkoordinate der Stelle i
pi Druck an der Stelle i
Δp Druckverlust durch Reibung und Einbauten
ν Austrittsort des Kühlwassers aus dem Rohrsystem
ρ Dichte des Fluids
g Konstante.
Bei der mechanischen Installation handelt es sich um geome­ trisch einfache Behälterformen und um eine Kette von Rohrab­ schnitten unterschiedlicher Durchmesser. Unter der Annahme unstetiger Rohrübergänge folgt unter Beachtung der Kontinui­ tätsgleichung:
mit
n = -1 Stromfadenabschnitte
A = Querschnittsfläche
aus (2.20) die gesuchte Differentialgleichung zur Beschrei­ bung des instationären Strömungszustandes zwischen dem Was­ serpegel im Hochbehälter und einem beliebigen Punkt im Rohrleitungssystem.
mit
Gleichung 2.22 beschreibt den instationären Strömungszustand eines einzelnen Kühlbalkens. Für die Modellierung des gesam­ ten Stellsystems muß diese nichtlineare Differentialgleichung zweiter Ordnung für jeden Kühlbalken aufgestellt werden. Die Kopplung der nK Differentialgleichungen erfolgt über die Kontinuitätsgleichung, da für den Wasserpegel des Hochbehäl­ ters
mit
Ap Rohrquerschnitt der Pumpe
Vp durch Pumpen geförderter Volumen­ strom
erfüllt sein muß.

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung einer Kühlstrecke, insbesondere der Kühlstrecke einer Walzstraße für Bleche und Bänder aus Stahl, dadurch gekennzeichnet,
daß der Regelkreis die folgenden zyklisch ablaufenden Schritte umfaßt:
Berechnung des Bandtemperaturverlaufs in der Kühlstrecke in Abhängigkeit der aktuell eingestellten Prozeßparameter sowie des spezifischen Prozeßzustandes des Bandes,
Vorausberechnung eines Referenztemperaturverlaufs unter Vorgabe einer Referenztemperatur (Tref),
individuelle Regelung der Prozeßparameter der Kühlstrecke durch Vergleich des berechneten Temperaturverlaufs mit dem Referenztemperaturverlauf.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Berechnung des Bandtemperaturverlaufs zugrun­ deliegende Modell mittels eines konkret aufgenommenen Temperaturmeßwertes (Tmeß) adaptiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konkret aufgenommene Temperaturmeßwert (Tmeß) die Temperatur des zu kühlenden Gutes kurz vor Eintritt in die Haspeleinrichtung (3b) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßparameter der Kühlstrecke über Stellglieder von mehreren Kühleinrichtungen (1a, 1b, 1c, 1d bis 1i) einstellbar sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß obere und untere Stellglieder der Kühleinrichtungen unabhängig voneinander zur getrennten Beeinflussung der Bandober- bzw. Bandunterseite geregelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder der Kühleinrichtungen die Anzahl der betätigten Kühlbalken und/oder die Menge- bzw. die Ge­ schwindigkeit des Kühlwassers umfassen.
7. Verfahren nach Anspuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu erwartende Bandtemperaturverlauf in Abhängig­ keit des spezifischen Prozeßzustandes des zu kühlenden Gutes vor dessen Einlauf in die Kühlstrecke vor dem ei­ gentlichen Regelungsprozeß vorausberechnet und die ent­ sprechenden Prozeßparameter der Kühlstrecke eingestellt werden.
8. System zur Durchführung des Verfahrens nach den vorheri­ gen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
eine Einheit zur Berechnung des Bandtemperaturverlaufs in Abhängigkeit der aktuell eingestellten Prozeßparameter sowie des spezifischen Prozeßzustandes des Bandes,
eine Einheit zur Vorausberechnung eines Referenz- Temperaturverlaufs in Abhängigkeit einer vorgegebenen Re­ ferenztemperatur (Tref),
eine Vorrichtung zur Steuerung der Stellglieder der Küh­ leinrichtungen (1a bis 1i) der Kühlstrecke.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Meßgerät (6) zur Ermittlung eines konkreten Temperaturwertes (Tmeß) des Bandes (4) sowie eine Einheit zur Adaption des der Berechnung zugrundeliegenden Modells umfaßt.
20. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeß-Monitor-Regler vorgesehen ist, der ein trotz Adaption fehlerbehaftetes Gesamtsystem abgleicht.
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