EP0997203B1 - Verfahren und System zur Regelung von Kühlstrecken - Google Patents

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EP0997203B1
EP0997203B1 EP99119331A EP99119331A EP0997203B1 EP 0997203 B1 EP0997203 B1 EP 0997203B1 EP 99119331 A EP99119331 A EP 99119331A EP 99119331 A EP99119331 A EP 99119331A EP 0997203 B1 EP0997203 B1 EP 0997203B1
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EP
European Patent Office
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cooling
temperature
strip
calculation
cooling path
Prior art date
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EP99119331A
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Siegfried Latzel
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SMS Siemag AG
Original Assignee
SMS Demag AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/74—Temperature control, e.g. by cooling or heating the rolls or the product
    • B21B37/76—Cooling control on the run-out table
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • C21D11/005—Process control or regulation for heat treatments for cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/54—Furnaces for treating strips or wire
    • C21D9/56—Continuous furnaces for strip or wire
    • C21D9/573—Continuous furnaces for strip or wire with cooling

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for control a cooling section, in particular the cooling section of a Plant for rolling steel sheets and strips.
  • the classical concept is the modeling of the System in the form of ideal band points.
  • the band point at the modeling of a band point is considered that the band point by heat conduction, convection and radiation Exchanging energy with the environment. Furthermore, by microstructural transformation produces internal energy.
  • For modeling the band point becomes the transient in the band thickness direction solved one-dimensional heat equation of FOURIER.
  • the geometric limit of modeling is the location of the model Fertigidesnpyrometers, so the entry point of the Vietnamese Bandluis in the cooling section, as well as the installation site of the reel pylon. Between these two places can by locally distributed control interventions the target temperature of the band.
  • the process model is integrated into a control loop. on the other hand it is separate from it.
  • the inlet of the belt comes before the inlet of the belt to be cooled to a default the positioning systems of the cooling line (Setup), where a Pre-control and regulation during rolling only for Control of remaining disturbances and inaccurate setup settings serve.
  • Setup the positioning systems of the cooling line
  • the first case a retroactive accounting of this segment with the help of Process model performed.
  • the resulting difference between measured and calculated reel temperature is adapted and for a subsequent adjusted setting the positioning systems under consideration of the current process state (Finishing temperature, belt speed, etc.). This calculation process is performed during the rolling process cyclically repeated.
  • the model adaptation is known to, the prediction accuracy to increase the cooling model.
  • the Calculation result of the model constantly with the actual, measured cooling results and an error minimization carried out.
  • the proposed method is based on the basic idea the total system of the cooling section is not considered a sum of individual Band points or segments to consider, but the temperature condition of the strip over the length of the cooling section, i.e. the temperature curve falling due to the influence of the cooling effect, by means of a mathematical process model continuously to calculate or observe this temperature curve to compare with a reference temperature curve and the deviations over the cooling length individual trimregeln.
  • the model that underlies the calculation is hereby preferably adapted continuously.
  • the calculation of the band temperature curve takes place realistically.
  • the reference temperature profile is calculated in advance.
  • process parameters iS. of claim 1 become understood the current settings of the cooling section. This are recordable, the number of activated chilled beams and / or the amount or the speed of the cooling water and the cooling water temperature. The regulation of these actuators The cooling section is done individually and in adaptation to the reference temperature curve and thus allows one greater speed and flexibility of the individual actuators.
  • the properties of the band to be cooled such as the belt speed, the belt thickness, the finishing temperature or the material properties of the tape.
  • the actual measured temperature measurement value T meas or the given reference temperature T ref is preferably the actual or setpoint temperature of the material to be cooled shortly before entry into the coiling device or at the outlet of the cooling device.
  • the cooling path comprises a plurality of cooling devices.
  • upper and lower actuators of the cooling devices independently for separate cooling of the Band upper or lower band are regulated.
  • thermo-physical and fluid-dynamic Relationships By including thermo-physical and fluid-dynamic Relationships is an accurate process image in the rule cycle guaranteed.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of a laminar band cooling system 1, which is located on the outlet roller table of a hot rolling wide strip line between the last rolling stand 2 of Finishing line and the driver 3a or reel 3b is located.
  • the Strip cooling system consists of several cooling devices 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h and 1i together independently each other and their actuators in each case with regard to Bandober- and bottom are separately controlled.
  • a first pyrometer 5 for measuring the belt temperature.
  • a second pyrometer 6 is just before Driver 3a or reel 3b.
  • a strip temperature profile is calculated (observed) by means of the cooling model, and the measured reel temperature T meas is compared with the corresponding calculated temperature T calc .
  • the measured reel temperature T meas is understood to mean the strip temperature which is measured with the aid of the pyrometer 6.
  • T calc is the corresponding discrete temperature value on the observed temperature curve .
  • the control process is preceded by a setup calculation. It is the band temperature curve depending on specific process state of the material to be cooled before Inlet into the cooling section precalculated. This precalculated Belt temperature profile is used during the rolling process as operating point for the temperature control.
  • Figure 2 illustrates the model calculated, i. watched Course of the belt temperature [° C] over the belt length [m].
  • This first step of the control loop concerns the calculation of the strip temperature profile in the cooling section between the pyrometers 5 and 6 depending on the current set process parameters by means of a model, i. the so-called "observation”.
  • the cooling curve has in the illustrated Example, a relatively large drop in the area of the first four activated cooling devices 1a, 1b, 1c, 1d, then slowly drop off.
  • a specific final temperature value T meas is measured at a defined point in the strip after passing through the cooling section.
  • the final temperature value is preferably the temperature of the belt just before it enters reel device 3b. It is measured by means of the reel pylon 6.
  • the belt temperature at the height of the reel depends essentially depends on the material quality to be produced and moves usually in a range of 250 to 750 ° C.
  • a reference temperature profile is calculated using a given reference temperature T ref , usually a desired reel temperature. This step is shown in FIG. 4.
  • This course is based on the same initial value as the first calculated temperature profile, but on a different final value, ie the reference value T ref .
  • Figure 5 shows schematically the units of the system for carrying out the proposed method.
  • the temperature state of the strip within the cooling section is continuously monitored or calculated. If a deviation between calculated and measured reel temperature is detected, an adaptation of the model occurs, ie the calculated reel temperature is compared with the concrete measured value T meas .
  • Predictor there is one unit for calculating the reference temperature profile, the so-called Predictor. This calculation takes place cyclically to the correct process within the cooling section to reach a predetermined reel temperature depending on time-dependent process disturbances like variations in tape speed, tape thickness, To ensure finishing temperature etc.
  • a process monitor controller is provided which the entire system with conventional control techniques, for example, with an I-controller, if equal despite adaptation of the model still a deviation of the achieved is present from the predetermined reel temperature.
  • the process monitor compensates metrologically not detectable interference and malfunctions of the overall system and thus provides one perfect product quality by comparing the reference and the currently measured reel temperature safe.
  • each cooling zone by comparison with the associated reference value is individually adjustable, if the current course of the belt temperature over the belt length within the cooling section is known. This means that for Any number of discrete location coordinates within the Cooling section of the temperature condition of the band at each time point must be known. The course of the belt temperature is within the cooling section not measurable, but must be modeled calculated or observed.
  • the underlying the proposed method mathematical Model for calculating the temperature curve of the strip in the cooling section is based on the following thermodynamic and aerodynamic fundamentals.
  • the rolling process becomes thermodynamically a transient flow process adopted in an open system.
  • the finishing street pyrometer, the hoist pyrometer and the band top and Bottom side as thermodynamic system boundaries of the cooling section is chosen, so flows on the finishing street pyrometer mass as well Energy in the form of enthalpy in the system, on the reel pylon Mass as well as energy in the form of enthalpy from the system and at the top and bottom of the band energy in the form of heat from the system.
  • the Cooling section can be divided into any number of sub-processes can that the overall thermodynamic system of a Chain of sub-processes and that for each sub-process the energy and mass balance must be fulfilled.
  • the mass balance for a sub-process is as follows.
  • H (T) p ⁇ (T) ⁇ H ⁇ (T) + p ⁇ (T) ⁇ H ⁇ ( T )
  • equations (1.8) and (1.19) result in a system of coupled differential equations.
  • the substitution of, for example, difference expressions provides a network for calculating the temperature state over the length coordinate z 1 and band thickness coordinate z 2 .
  • the discretization of the temperature network is carried out in the longitudinal and thickness directions with non-equidistant distances from node to node ( Figure 7).

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur Regelung 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 gleichzeitig der Wunsch nach einer höheren Flexibilität der Produktionsanlagen 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 gewährleisten.
Die zur Realisierung solcher Anforderungen bisher entwickelten Prozeßoptimierungs- und Regelungsverfahren zur Automatisierung der laminaren Warmbandkühlstrecken beruhen üblicherweise 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 Gefügetransformation 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 ideel gedachten Bandpunktes in die Kühlstrecke, sowie der Installationsort des Haspelpyrometers. Zwischen diesen beiden Orten kann durch örtlich verteilte Stelleingriffe die Solltemperatur des Bandes eingestellt werden.
Hierbei sind zwei unterschiedliche Ansätze bekannt geworden: zum einen ist das Prozeßmodell in einen Regelkreis eingebunden, zum anderen ist es von diesem getrennt. Im zweiten Fall kommt es vor Einlauf des zu kühlenden Bandes zu einer Voreinstellung der Stellsysteme der Kühlstrecke (Setup), wobei eine Vorsteuerung und Regelung während des Walzens nur noch zur Ausregelung verbleibender Störgrößen sowie von ungenauen Setup-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 zwischen gemessener und berechneter Haspeltemperatur wird adaptiert und für eine sich anschließende angepaßte Einstellung der Stellsysteme unter Beachtung des aktuellen Prozeßzustands (Fertigstraßentemperatur, Bandgeschwindigkeit usw.) berücksichtigt. Dieser Berechnungsablauf wird während des Walzvorgangs zyklisch wiederholt.
Die Modelladaption dient bekanntermaßen dazu, die Vorhersagegenauigkeit des Kühlmodells zu erhöhen. Hierbei wird das Berechnungsergebnis des Modells ständig mit den tatsächlichen, gemessenen Kühlergebnissen verglichen und eine Fehlerminimierung 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 örtliche Verteilung des Kühlwassers und die Anzahl der betätigbaren Kühlbalken, nicht flexibel und schnell genug regelbar. Es besteht folglich die Gefahr, daß Bandabschnitte bei einer schnellen Änderung der Bandgeschwindigkeit unterkühlt bzw. überhitzt werden.
Dieses klaasische Konzept ist zum Beispiel in dem Artikel von Leitholf M. D. et al., "Model reference control of runout table cooling at LTV", Iron and Steel Engineer 66 (1989), August, no. 8, Pittsburgh, PA, US, beschrieben. Hierbei wird das Band in ideele Abschnitte/Segmente unterteilt und für jedes Bandsegment eine Berechnung durchgeführt.Für jedes Segment wird während des Walzens die benötigte Wassermenge bzw. Anzahl der Kühlventile unter Beachtung des aktuellen Prozesszustandes berechnet. Mittels Bandverfolgung wird der Transport jedes Segments über den Rollgang verfolgt. Die ausgewählten Ventile werden zeitlich und örtlich richtig eingeschaltet. Anschließend erfolgt eine Nachrechnung mit dem Ziel, evtl. bestehende Modellfehler zu minimieren.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein System Regelung einer Kühlstrecke, insbesondere einer Kühlstrecke von Walzanlagen, zu schaffen, die einen schnellen Regelvorgang gewährleisten und den datenlogistischen Aufwand verringern.
Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie nach Anspruch 7 gelöst. vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen offenbart.
Das vorgeschlagene Verfahren geht von dem Grundgedanken aus, das Gesamtsystem der Kühlstrecke nicht als eine Summe einzelner Bandpunkte bzw. Segmente zu betrachten, sondern den Temperaturzustand des Bandes über die Länge der Kühlstrecke, d.h. die durch den Einfluß der Kühleinwirkung abfallende Temperaturkurve, mittels eines mathematischen Prozeßmodells kontinuierlich zu berechnen bzw. zu beobachten, diese Temperaturkurve mit einer Referenz-Temperaturkurve zu vergleichen und die Regelabweichungen über die Kühlstreckenlänge individuelle auszuregeln. Das Modell, das der Berechnung zugrundeliegt, wird hierbei vorzugsweise kontinuierlich adaptiert.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Regelkreis setzt sich aus den nachfolgenden während des Kühlprozesses zyklisch ablaufenden 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 zugrundeliegenden Modells mittels eines konkret aufgenommenen Temperatur-Meßwertes Tmeß durch Veränderung der Modellparameter mit dem Ziel der Fehlerminimierung des Modells,
  • Vorausberechnung eines Referenztemperaturverlaufs mit fehlerminimiertem Modell unter Zugrundelegen einer vorgegebenen Referenztemperatur Tref;
  • individuelle Regelung der Prozeßparameter der Kühlstrecke durch Vergleich des Referenztemperaturverlauf mit dem berechneten Temperaturverlauf.
    • Hierbei erfolgt die Berechnung des Bandtemperaturverlaufs wirklichkeitsnah. Auf Basis des vorzugsweise fehlerminimierten Modells wird der Referenztemperaturverlauf vorausberechnet.
    Bei dem vorgeschlagenen Modell, das dem Verfahren zugrundeliegt, entfällt die Unterteilung des Bandes in einzelne Segmente, 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 langer 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 Stellglieder der Kühlstrecke erfolgt individuell und zwar in Anpassung an die Referenztemperaturkurve und erlaubt somit eine größere Schnelligkeit und Flexibilität der einzelnen Stellglieder.
    Unter spezifischem Prozeßzustand werden in diesem Zusammenhang die Eigenschaften des zu kühlenden Bandes verstanden, wie die Bandgeschwindigkeit, die Banddicke, die Fertigstraßentemperatur oder die Matererialeigenschaften des Bandes.
    Bei dem konkret gemessenen Temperaturmeßwert Tmeß bzw. bei der vorgegebenen Referenztemperatur Tref handelt es sich vorzugsweise 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 Geschwindigkeits- und Endwalz-Temperaturwerten über die Bandlänge weitgehend zu kompensieren.
    Vorzugsweise umfaßt die Kühlstrecke mehrere Kühleinrichtungen. Als besonders bevorzugte Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß obere und untere Stellglieder der Kühleinrichtungen 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 dessen Einlauf in die Kühlstrecke vor dem eigentlichen Regelungsprozeß durchzuführen. Mit Hilfe dieser vorgeschalteten Setup-Berechnung des Bandtemperaturverlaufs wird ein Arbeitspunkt für den sich anschließenden Regelvorgang geschaffen, der hierdurch schneller wird.
    Durch die Einbeziehung thermophysikalischer und fluiddynamischer Beziehungen ist ein genaues Prozeßabbild im Regelzyklus gewährleistet.
    Das erfindungsgemäße System setzt sich aus folgenden Einheiten nach Anspruch 8 zusammen:
  • eine Einheit zur Berechnung des Bandtemperaturverlaufs (Beobachter) in Abhängigkeit der aktuell eingestellten Prozeßparameter sowie des spezifischen Prozeßzustandes des Bandes;
  • eine Einheit zur Vorausberechnung eines Referenz-Temperaturverlaufs in Abhängigkeit einer vorgegebenen Referenztemperatur (Tref) unter Berücksichtigung der Prozeßparameter und des Prozeßzustandes (Prediktor),
  • eine Vorrichtung zur Steuerung der Stellglieder der Kühleinrichtungen (la bis li) der Kühlstrecke.
    • Nachfolgend wird das vorgeschlagene Verfahren bzw. System schematisch anhand der beiliegenden Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
    Figur 1
    eine schematische Funktions-Übersicht über das vorgeschlagene Reglungsverfahren;
    Figur 2 bis 4
    schematische Darstellungen von nacheinander ablaufenden Schritten des vorgeschlagenen Verfahrens;
    Figur 5
    eine schematische Übersicht der Systemelemente des Temperatur-Reglers;
    Figuren 6,7
    schematische Übersichten des thermodynamischen Ansatzes des Modells.
    Figur 1 zeigt in schematischer Übersicht eine laminare Bandkühlanlage 1, die sich auf dem Auslaufrollgang einer Warmwalzbreitbandstraße 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 Bandkühlanlage 1, gesehen in Transportrichtung des Bandes 4, ist ein erstes Pyrometer 5 zur Messung der Bandtemperatur vorgesehen. Ein zweites Pyrometer 6 befindet sich kurz vor dem Teiber 3a bzw. Haspel 3b.
    Ferner sind in Figur 1 schematisch die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Reglungszyklusses dargestellt.
    Während des Walzens wird mittels des Kühlmodells ein Bandtemperaturverlauf berechnet (beobachtet), und die gemessene Haspel-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 entsprechende diskrete Temperaturwert auf der beobachteten Temperaturkurve.
    Es folgt zusätzlich die Adaption des Modells und die Übergabe des berechneten Temperaturverlaufs an den Temperaturregler.
    Um die Schnelligkeit des Regelprozesses am Bandkopf zu steigern, ist dem Regelprozeß eine Setup-Berechnung vorgeschaltet. Es wird der Bandtemperaturverlauf in Abhängigkeit des spezifischen Prozeßzustandes des zu kühlenden Gutes vor dessen Einlauf in die Kühlstrecke vorausberechnet. Dieser vorausberechnete Bandtemperaturverlauf dient während des Walzprozesses als Arbeitspunkt für die Temperatur-Regelung.
    Figur 2 stellt den mittels des Modells berechneten, d.h. beobachteten, Verlauf der Bandtemperatur [°C] über der Bandlänge [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 dargestellten Beispiel einen relativ starken Abfall im Bereich der ersten 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 handelt sich bei dem Endtemperaturwert vorzugsweise um die Temperatur 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 Haspeltemperatur, von dem entsprechenden Wert auf der berechneten Kurve abweicht, wie es in Figur 2 gezeigt ist, erfolgt eine Adaption zur Fehlerminimierung des Modells (vgl. Figur 3). Diese Adaption geschieht durch eine geeignete Veränderung der Modellparameter, so daß ein adaptierter Kurvenverlauf entsteht, auf dem die gemessene Haspeltemperatur liegt.
    Auf Grundlage dieses jetzt fehlerminimierten Modells wird ein Referenztemperaturverlauf berechnet unter Zugrundelegen einer vorgegebenen Referenztemperatur Tref, üblicherweise einer gewünschten Haspeltemperatur. Diesen Schritt zeigt Figur 4.
    Dieser Verlauf geht von dem gleichen Anfangswert wie der erste berechnete Temperaturverlauf aus, aber von einem unterschiedlichen 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. Bandunterseite. Diese Regelung geschieht hierbei mittels der Stellglieder der Kühleinrichtungen der Kühlvorrichtung.
    Figur 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 beobachtet bzw. berechnet. Falls eine Abweichung zwischen berechneter und gemessener Haspeltemperatur festgestellt wird, kommt es zu einer Adaption des Modells, d.h. die berechnete Haspeltemperatur wird mit dem konkreten Meßwert Tmeß abgeglichen.
    Des weiteren liegt eine Einheit vor zur Berechnung des Referenz-Temperaturverlaufs, der sogenannte Prediktor. Diese Berechnung erfolgt zyklisch, um die richtige Prozeßführung innerhalb der Kühlstrecke zum Erreichen einer vorgegebenen Haspeltemperatur in Abhängigkeit von zeitabhängigen Prozeßstörungen wie Schwankungen der Bandgeschwindigkeit, Banddicke, Fertigstraßentemperatur etc. sicherzustellen.
    Darüber hinaus ist ein Prozeß-Monitor-Regler vorgesehen, der das Gesamtsystem mit herkömmlichen reglungstechnischen Methoden, beispielsweise mit einem I-Regler, abgleicht, falls trotz Adaption des Modells noch eine Abweichung der erreichten von der vorgegebenen Haspeltemperatur vorliegt. Der Prozeß-Monitor kompensiert meßtechnisch nicht faßbare Störungen und Fehlfunktionen des Gesamtsystems und stellt damit eine einwandfreie Produktqualität durch den Abgleich der Referenzund der aktuell gemessenen Haspeltemperatur sicher.
    In Figur 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 zeitpunkt bekannt sein muß. Der Verlauf der Bandtemperatur ist innerhalb der Kühlstrecke nicht meßbar, sondern muß modellhaft berechnet bzw. beobachtet werden.
    Das dem vorgeschlagenen Verfahren zugrundeliegende mathematischen Modell zur Berechnung des Temperaturverlaufs des Bandes in der Kühlstrecke basiert auf folgenden thermodynamischen und strömungstechnischen Grundlagen.
    Der Walzprozeß wird thermodynamisch als instationärer Fließprozeß in einem offenen System angenommen. Werden das Fertigstraßenpyrometer, 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 Haspelpyrometer 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 Teilprozeß 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 Bilanzgleichung ∂ev ∂t = -diν i S + Γ Y mit
    ev
    die Dichte der extensiven Größe
    is
    den pro Zeit- und Flächeneinheit durch die Oberfläche 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 Gefügeanteile pi ( mit Σpi = 1) zusammen mit ρi als Dichte und V als Volumen m = Σ V i ρ i (T) p i (T) unter Vernachlässigung von Restanteilen folgt für ein Mischgefüge, bestehend aus Austenit (γ) und Ferrit (α) m = V·ρ(T) = V·[(1 - p(T))·ρα + p(T)·ργ]
    Für die spezifische Masse, d.h. der Dichte, folgt
    Figure 00120001
    Aufgrund des Transportvorgangs fließt Masse per Massenstrom über die Systemgrenzen. i = m = ρ(T)·V = ρ(T)·s·z
    Figure 00130001
    mit s als dem Oberflächenvektor und z ˙ als dem Geschwindigkeitsvektor.
    Die pro Zeiteinheit produzierte oder vernichtete Masse des raumfesten Systems kann sich nur durch zeitliche Veränderung der Dichte ergeben. Mit 1.3 folgt
    Figure 00130002
    Unter Berücksichtigung, daß der Massenstrom nur in Koordinatenrichtung z1 (Längsrichtung) fließt, folgt für die Massenbilanz in kartesischen Koordinaten p (T)=- z 1 · dp(T) dz 1 + T · dp(T) dT
    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 potentieller 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
    und hieraus unter Vernachlässigung der Volumenänderungsarbeit p*V mit u = spezifische Energie
    Figure 00130003
    Über die raumfesten Systemgrenzen strömt Energie in Form von Wärme W und Enthalpie H mit h = spezifische Enthalpie i = H(T) + Q(T) = m·h(T) + s·q(T)
    Figure 00140001
    Je nach Abkühlgeschwindigkeit und Soll-Haspeltemperatur ist die frei werdende Reaktionsenergie während der Gefügeumwandlung (γ → α-Umwandlung) zu berücksichtigen.
    Die Enthalpie des Bandes berechnet sich damit zu H(T) = Σpi(T) Hi (T)
    Unter Vernachlässigung von Restanteilen folgt für ein Mischgefüge, bestehend aus Austenit und Ferrit: H(T) = pα(T) · Hα(T) + pγ(T) · Hγ(T)
    Die pro Zeit- und Volumeneinheit produzierte oder vernichtete Energie berechnet sich zu Γ = H(T) = m(T) · h(T) + m(T) · h(T)
    Figure 00140002
    Einsetzen der Gleichungen liefert unter Beachtung von cp(T) = dh(T) dT = du(T) dT mit cp = Wärmekapazität q =-grad(λ(T)∂T∂z ) mit λ= Wärmeleitfähigkeit für kartesische Koordinaten die gesuchte Energiebilanzgleichung
    Figure 00150001
    In (1.19) wird davon ausgegangen, daß für die Wärmeleitfähigkeit λ(T) keine Richtungsabhängigkeit vorliegt. Die Wärmeleitung 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 gekoppelten Differentialgleichungen. Das Einsetzen von beispielsweise Differenzenausdrücken liefert ein Netzwerk zur Berechnung des Temperaturzustandes über der Längenkoordinate z1 und Banddikkenkoordinate z2. Die Diskretisierung des Temperatur-Netzes erfolgt dabei in Längs-und Dickenrichtung mit nicht äquidistanten Abständen von Knoten zu Knoten (Figur 7).
    Neben dem thermomechanischen Ansatz geht ein strömungstechnischer Ansatz in die Modellierung mit ein. Mit diesem Modell kann die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers beim Austritt aus der Kühleinrichtung berechnet werden. Die Strömungsgeschwindigkeit hat einen wesentlichen Einfluß auf die Berechnung der Wärmeübergangszahlen für die Bandober- bzw. Bandunterseite. Sie ergeben sich konkret aufgrund der hydround hydrodynamischen Beziehungen zwischen Tank und den Kühleinrichtungsrohren der Kupplung und damit der Gesamtentnahme des Kühlwassers aus dem Tank. Insbesondere das Zu- und Abschalten von Kühleinrichtungen hat einen Einfluß auf die Berechnung der aktuellen Wärmeübergangszahl, bis sich ein stationärer Strömungszustand eingestellt hat. Unter der Annahme, daß es sich bei dem Kühlwasser um ein reibungsfreies und inkompressibles Fluid handelt, gilt für die fluiddynamische Beziehung von zwei Punkten des gleichen Stromfadens die instationäre Gleichung für inkompressible Fluide nach BERNOULLI:
    Figure 00160001
    mit
    ci
    Strömungsgeschwindigkeit an der Stelle i
    s
    Stromfadenkoordinate
    z
    Höhenkoordinate der Stelle i
    pi
    Druck an der Stelle i
    Δρ
    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 geometrisch einfache Behälterformen und um eine Kette von Rohrabschnitten unterschiedlicher Durchmesser. Unter der Annahme unstetiger Rohrübergänge folgt unter Beachtung der Kontinuitätsgleichung: cυ +1 = Aυ Aυ +1 c υ mit
    n =
    υ-1 Stromfadenabschnitte
    A =
    Querschnittsfläche
    aus (2.20) die gesuchte Differentialgleichung zur Beschreibung des instationären Strömungszustandes zwischen dem Wasserpegel im Hochbehälter und einem beliebigen Punkt u im Rohrleitungssystem.
    Figure 00160002
    mit
    Figure 00170001
    Figure 00170002
    b2 12 = ·(A2 υ-A2 1)   Querschnittkonstante b3 = A2 υ   Ausflußkonstante Δρ/ρ   Druckverlust durch Einbauten und Rohrlängen
    Gleichung 2.22 beschreibt den instationären Strömungszustand eines einzelnen Kühlbalkens. Für die Modellierung des gesamten 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 Hochbehälters
    Figure 00170003
    mit
    Ap
    Rohrquerschnitt der Pumpe
    Vp
    durch Pumpen geförderter Volumenstrom
    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 zugrundeliegende 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 Geschwindigkeit des Kühlwassers umfassen.
    7. Verfahren nach Anspuch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß der zu erwartende Bandtemperaturverlauf in Abhängigkeit des spezifischen Prozeßzustandes des zu kühlenden Gutes vor dessen Einlauf in die Kühlstrecke vor dem eigentlichen Regelungsprozeß vorausberechnet und die entsprechenden Prozeßparameter der Kühlstrecke eingestellt werden.
    8. System zur Durchführung des Verfahrens nach den vorherigen Ansprüchen,
      das 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 Referenztemperatur (Tref),
      eine Vorrichtung zur Steuerung der Stellglieder der Kühleinrichtungen (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.
    10. System nach Anspruch 9,
      dadurch gekennzeichnet, daß ein Prozeß-Monitor-Regler vorgesehen ist, der ein trotz Adaption fehlerbehaftetes Gesamtsystems abgleicht.
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