JP5059254B2 - 冷却区間を制御するための方法およびシステム - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、鋼材から成る薄板およびストリップのための圧延ラインの冷却区間を制御するための方法およびこの方法を実施するためのシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
熱間圧延されたストリップの幾何学的寸法、表面性状および機械的な特性に対する要望が日増しに増大してくる一方、同時に多数の異なる鋼材のための製造設備の高度の自在性に対する望みも増長してきている。従って、高度の自在性とこれと同時に高い品質の鋼材の製造の充足の下に、正確な温度経過並びに異なる冷却計略、即ち冷却履歴を保証する、自動的に働く冷却設備が必要となってきた。
【0003】
このような要望を実現するために従来開発されてきた、層状の冷却区間の自動化のためにプロセス最適化と制御方法は、通常数学的なプロセスモデルを基礎としている。
【0004】
この場合、古典的なコンセプトの基礎となっているのは、観念的なストリップ点(Bandpunkt) の様式の全システムのモデル化である。ストリップ点のモデル化にあっては、このストリップ点が熱伝動、対流および放射によりエネルギーを周辺雰囲気と交代させることが考慮されている。更に、組織変化により内部エネルギーが発生する。ストリップ点のモデル化のために、ストリップ厚み方向で、フーリエの非安定な(instationaer)一次元の熱伝動式が解かれる。仕上げライン高温計の位置、即ち観念的に仮定されたストリップ製品の冷却区間内への走入位置並びにコイラ高温計の設置位置がモデル化の幾何学的な限界となる。これらの両位置の間において、調節作用が局所的に分散されるので、ストリップの基準温度が調節可能となる。
【0005】
この場合、二つの異なるセオリーが公知になっている。即ち、第一に制御モデルが制御サークルと結びつけられること、他方ではこの制御サークルから分離されることである。第二の場合、冷却されるべきストリップの走入以前に、冷却区間の調節システムの予調節が行なわれる(セットアップ)。この場合、圧延の間の予制御と調整が、残っている外乱要素並びに不正確なセットアップ調節を完全に調整するのに役立つ。
【0006】
両者の場合、個々のストリップ部分は節に分割されており、移送の際冷却区間を経てへて追跡される。これらの節にはそれぞれ測定されたプロセス信号と調節信号が所属している。
【0007】
一つの節がコイラ高温計に達した後、第一の場合にあっては、プロセスモデルによるこの節の相殺が行なわれる。測定されたコイラ温度と計算されたコイラ温度間の得られた差は適合(adaptiert) され、調節システムの引続いて行われる適合した調節のために、リアルタイムなプロセス状態(仕上げ圧延ライン温度、ストリップ速度等)の観察の下に、考慮される。
【0008】
この計算行程は圧延工程の間周期的に繰返される。
【0009】
モデル適合(Adaption)は公知のようして、冷却モデルの予報正確性を高めるのに役立つ。この場合、モデルの計算結果は常に測定された実際の冷却結果と比較され、不正最小化が行なわれる。
【0010】
この古典的なコンセプションは一方にあっては、ストリップ節の統合により大多数のデータを検出しかつ処理しなければならないと言う欠点を有している。他方では、冷却装置の調節システム、例えば冷却水の局所的な配分と多数の操作しなければならない冷却ビームは自在性をもって迅速に十分に制御することが不可能である。従って、ストリップ部分がストリップ速度が急変した際過度に冷却されたり、過度に加熱されたりする結果となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
このような公知の技術を基礎として、本発明の根底をなす課題は、迅速なかつ自動的な制御工程を保証し、かつデータ論理の解析のための経費が低減される、冷却区間、特に圧延設備の冷却区間を制御するための方法およびシステムを提供することである。
【0012】
上記の課題は、特許請求の範囲の請求項1項に記載の特徴を有する方法とこの方法を実施するための請求項7に記載のシステムによって解決される。
【0013】
提案されている方法は、冷却区間の全システムが個々のストリップ点と節の総計として観察されるのではなく、冷却区間の全長にわたるストリップの温度状態、即ち冷却作用の影響によって降下する温度曲線を数学的なプロセスモデルにより連続的に計算し、観察し、この温度曲線を参照温度曲線と比較し、制御差値を冷却区間の全長にわたって個別に調整すると言う基本思想から出発している。この場合、計算の基礎となっているモデルは、特に連続的に適合される。
【0014】
本発明により提案されている制御サークルは、以下の冷却プロセスの間周期的に経過する段階から組成されている。
【0015】
ストッリプのリアルタイムの調節されたプロセスパラメータ並びに特性プロセス状態に依存した冷却区間全長にわたるリアルタイムのストリップ温度経過の計算、
モデルの不正最小化の目的と共に、モデルパラメータの変化による具体的に記録された温度測定値Tmessによる計算の基礎となっているモデルの適合、所定の参照温度Trefを基礎として冷却区間全長にわたる参照温度経過の計算、
参照温度経過の計算された温度経過との比較による冷却区間のプロセスパラメータの個別の制御、
から組成されている。
【0016】
この場合、ストリップ温度経過の計算は実際の値に近い。この特に不正が最小化されたモデルを基礎として、参照温度経過が予計算される。
【0017】
この方法の基礎をなす提案されているモデルにあっては、古典的なモデルにおいて行なわれているようなストリップの個々の節への分割は省略されている。従って、データ量はより見通しがきき、データ論理の構成に要する経費がより少なくて済む。このことに加えて、提案された方法は明白に、より短い制御時間を可能にする。何故なら、長いデータ移送時間を考慮する必要がないからである。
【0018】
特許請求の範囲の請求項1のプロセスパラメータisと言う概念は、冷却区間のリアルタイムな調節を意味している。このことは、例えば働いている冷却ビームの数および/または冷却水の量および速度並びに冷却水の温度である。冷却区間のこれらの調節要素の制御は個別に行なわれ、参照温度曲線に適合され、従って個々の調節要素の比較的大きな迅速性と自在性を可能にする。
【0019】
特性プロセス状態とは、このことと関連して、冷却されるべきストリップの特性、例えばストリップ速度、ストリップ厚み、仕上げ圧延ライン温度或いはストリップの材料性質のような特性を意味している。
【0020】
具体的に測定された温度測定値Tmessと所定の参照温度Tref とは、特に冷却されるべき被圧延材のコイラ内への走入直前の或いは冷却装置入口における実際温度と基準温度である。従って、提案された制御方法により、巻取り温度を僅かな温度公差で調節すること、およびストリップ全長にわたる速度値と最終圧延温度値とを完全に補正することが可能となる。
【0021】
特に、冷却区間は多数の冷却装置を備えている。特に優れた発明の実施の形態として、冷却装置の上方および下方の調節部材は、互いに依存し合うことなく、ストリップ表面およびストリップ裏面の個別の冷却のために制御される。
【0022】
提案された方法にあって、期待されるストリップ温度経過の予計算を、冷却されるべき被圧延材の冷却区間内への走入以前の特性パラメータ状態に依存して本来の制御以前に行のが有利である。ストリップ温度経過の予め行なわれるセットアップ−計算により、引続いて行なわれる制御行程のための作業点が得られ、これにより作業が迅速に行なわれる。
【0023】
熱物理学的なかつ流体力学的な関係式を取入れることにより、制御サイクルにおける正確なプロセス像が保証される。
【0024】
本発明によるシステムは、特許請求の範囲の請求項8による以下の構成ユニットから構成されている。即ち、
ストリップ温度経過をリアルタイムで調節されたプロセスパラメータと特性プロセス状態に依存して計算を行うユニット、
プロセスパラメータとプロセス状態(予報値-Prediktor)を考慮の下に参照温度経過の所定の参照温度( Tref)に依存して予め計算するためのユニットおよび冷却区間の冷却装置(1aから1i)の調節部材を制御するための装置
を備えていること
から組成されている。
【0025】
以下に添付した図面に図示した発明の実施の形態につき本発明を詳細に説明する。
【0026】
図1には、層式のストリップ冷却設備1が眺望され得るように概略図示されている。この冷却設備は仕上げ圧延ラインの最後のロールスタンド2と駆動装置3aとリール3bとの間で、熱間広幅ストリップ圧延ラインの出口ローラテーブルの上方に存在している。このストリップ冷却設備は多数の冷却装置1a,1b,1c,1d,1e,1f,1g,1h並びに1iから構成されている。これらの冷却装置は互いに無関係に制御可能であり、かつそれらの調節部材はそれぞれストリップ表面および裏面の点に関して別個に制御可能である。仕上げ圧延ラインの最後のロールスタンド2とストリップ冷却設備1の始端部間において、ストリップ4の移送方向で見て、ストリップの温度を測定するための第一の高温計5が設けられている。第二の高温計6は駆動装置3aとリール3bの直前に存在している。
【0027】
更に、図1には本発明による制御サークルの個々の作業段が概略示されている。
【0028】
圧延の間、冷却モデルにより、ストリップ温度経過が計算(観察)され、測定されたコイラ温度Tmessは相応する計算された温度TCalcと比較される。測定されたコイラ温度Tmessとは、高温計6により測定されたストリップ温度を意味する。TCalcは観察された温度曲線上の相応する離散的(diskret) な温度値である。
【0029】
続いてモデルの適合と計算された温度経過値の温度制御装置への供給が行われる。
【0030】
ストリップ頭部における制御プロセスの迅速化を増長するために、セットアップ計算に先立って制御プロセスが行われる。ストリップ温度経過は、冷却区間内への冷却されるべき被圧延材の走入以前の特性プロセス状態に依存して、予め計算される。この予め計算されたストリップ温度経過は圧延工程の間温度制御のための作業点として役立つ。
【0031】
図2はストリップ長さ〔m〕の全長にわたるストリップ温度〔℃〕のモデルによって計算された、即ち観察された経過を示している。制御サークルのこの第一の段階は、高温計5と6の間における冷却区間内の、リアルタイムに調節されたプロセスパラメータに依存した、モデルによる、即ちいわゆる“観察”によるストリップ温度経過の計算に関する。冷却曲線は、図示した発明の実施の態様にあっては、第一の四つの作動されている冷却装置1a,1b,1c,1dの領域内での比較的強い降下と、その後のゆっくりとした降下を示している。
【0032】
制御サイクルの間、第二の工程段において、冷却区間を通過した後のストリップの一定した点におけるリアルタイムの最終温度値Tmessが測定される。この最終温度値は特に、ストリップがコイラ3bに走入する直前におけるストリップの温度である。この温度は、コイラ高温計6により測定される。
【0033】
コイラの高さでのストリップ温度は、本質的に生産される材料品質に依存しており、一般に250℃から750℃の範囲の間を変動する。
【0034】
リアルタイムの最終温度値Tmess、即ちコイラ温度が、図2に示すように、計算された曲線と上の相応する値と異なる場合、モデルの不正最小化のための適合が行われる(図3参照)。この適合はモデルパラメータを適当に変えることにより行われ、従って測定されたコイラ温度が存在している適合された曲線経過が生じる。
【0035】
ここでモデルが不正最小化されたことに基づいて、参照温度経過が所定の参照温度Tref 、一般には所望のコイラ温度を基礎として計算される。この行程は図4に示した。
【0036】
この経過は、第一の計算された温度経過と同じ初期値、しかし異なった最終値、即ち参照温度Tref を基礎としている。
【0037】
計算された温度経過を参照温度経過と比較することにより、各々の冷却帯域の個別の、即ちストリップの表面とストリップ裏面とに関して別個の制御が行われる。この場合、この制御は冷却設備の個々の冷却装置の調節部材によって行われる。
【0038】
図5は提案された方法を実施するためのシステムの単位を概略示している。プロセス観察者およびモデルにより、冷却区間内のストリップ温度状態が連続的に観察され、かつ計算される。計算されたコイラ温度と測定されたコイラ温度間に差が確認された場合、モデルの適合が行われる。即ち、計算されたコイラ温度はリアルタイムの最終温度値Tmessにより均衡される。
【0039】
更に、参照温度経過を計算するためのユニット、即ちいわゆる予報値(Prediktor) を得る装置が設けられている。この計算は周期的に行われ、これによりストリップ速度、ストリップ厚み、仕上げ圧延ライン温度等のような、時間に依存したプロセス外乱を考慮した所定のコイラ温度を達するための冷却区間内の正しいプロセス履行が保証される。
【0040】
更に、プロセス−モニタ−制御装置が設けられている。このプロセス−モニタ−制御装置は、モデルの適合にもかかわらず、達せられたコイラ温度の所定のコイラ温度に対する相違が存在している点で、従来の制御技術に従った方法により、例えばI制御により全システムが均衡される。プロセス−モニタは全システムの測定技術によっては把握できない外乱と不正要素を補正し、かつこれに伴い申し分のない生産品品質を参照コイラ温度とリアルタイムで測定されたコイラ温度により保証する。
【0041】
図6から、冷却区間内のストリップ全長にわたるストリップ温度のリアルタイムの経過が知られている場合、各々の冷却帯域が所属している参照値との比較毎に制御可能であることが認められる。このことは、冷却区間内の任意に多くの数の離散的な場所の座標にとって、ストリップ温度状態がどの時点にあっも知られているものでなければならないことを意味している。ストリップ温度の経過は冷却区間内において測定不可能であるのではなく、モデルとして計算および観察されなければならない。
【0042】
冷却区間内のストリップの温度経過を計算するための、本発明により提案されている方法の基礎となっている数学的なモデルは、以下に述べる熱力学的な事柄および流動技術的な事柄を基礎としている。
【0043】
圧延プロセスは、熱力学的には、開放的なシステムにあって、非安定なフロープロセスと仮定される。仕上がり圧延ライン高温計、コイラ高温計並びにストリップ表面とストリップ裏面が、冷却区間の熱力学的なシステム限界として選択されている場合、仕上がり圧延ライン高温計において質量並びにエネルギーがエンタルピーの形でシステム内に流れ、コイラ高温計(Haspelpyrometer) にあっては質量並びにエネルギーがエンタルピーの形でシステムから流出し、ストリップ表面とストリップ裏面にあってはエネルギーが熱の形でシステムから流出する。更に、冷却区間が任意の多くの部分プロセスに分割されていること、熱力学的な全システムが連鎖している部分プロセスから構成されていること、および各々の部分プロセスにとってエネルギー収支と質量収支が充足されなければならないと言うことを基礎としている。
【0044】
一般に、例えばエネルギー、質量、パルス等のような包括的な素子の収支にとって任意の、しかし不動のシステムにおいて一般収支式
【0045】
【外1】
式中
ev 包括的な素子の密度
is 包括的な素子の単位時間および単位面積当たり表面を経て移送される 流れ
Γv 包括的な素子の単位時間および単位容量当たりの生産された或いは
消費された量
が当てはまる。
【0046】
部分プロセスに関する質量収支は以下の通りである。このシステムの質量は組織割合Pi (ΣPi =1)、式中ρi は密度を、そしてVは容量を表す
【0047】
【外2】
から成り、
オーステナイト(γ)とフエライト(α)から成る混合組織に関して、残余割合を無視した場合
【0048】
【外3】
比質量、即ち密度は
【0049】
【外4】
である。
【0050】
移送過程に基づいて、システムの限界を越えた質量流れ当たりの質量が流れる。
【0051】
【外5】
【0052】
【外6】
不動のシステムの単位時間当たり生産されるか或いは消費される質量は密度の時間的な変化によってのみ得られる。式1.3から
【0053】
【外7】
がえられる。
【0054】
質量流れが座標方向Z1 (縦方向)にのみ流れることを考慮して、デカルトの座標における質量収支は
【0055】
【外8】
である。
【0056】
部分プロセスに関するエネルギー収支は以下の通りである。熱力学の第一の命題により、システムのエネルギーはエンタルピー並びに位置のエネルギーと運動のエネルギーの合成である。本発明による不動のシステムにとって、位置のエネルギーと運動のエネルギーに関して何等の変化が生じないので、エネルギーEは専らエンタルピーHから−式中U=内部エネルギーを表す−計算される。
【0057】
【外9】
そしてこの式から容量変更作業P*Vを無視して−式中u=比エネルギーを表す−
【0058】
【外10】
が得られる。
【0059】
熱WとエンタルピーH−式中h=比エンタルピーを表す−の形でエネルギーが不動のシステムを経て流れる。
【0060】
【外11】
【0061】
【外12】
冷却速度と基準コイラ温度に応じて、組織変態(γ→α−変態)の間放出される反応エネルギーが考慮される。
【0062】
従って、ストリップのエンタルピーは、
【0063】
【外13】
と計算される。
【0064】
残余割合を無視して、オーステナイト(γ)とフエライト(α)から成る混合組織に関して、
【0065】
【外14】
が成り立つ。
【0066】
単位時間当たりおよび単位容量当たり発生する或いは消費されるエネルギーは
【0067】
【外15】
【0068】
【外16】
と計算される。
【0069】
【外17】
−式中cp=熱容量を表す−
の考慮の下に式
【0070】
【外18】
−式中λ=デカルトの座標での熱伝導性を表す−
を代入することにより、求められているエネルギー収支式
【0071】
【外19】
と計算される。
【0072】
式(1.19)にあっては、熱伝導性λ(T)に関して方向依存性が存在していないことを基礎としている。幅方向での熱伝導性は無視されている。更に、エンタルピー流れは専ら冷却区間z1 の縦方向で行われる。
【0073】
全システムがサブシステムに分割されている場合、式(1.8)と式(1.19)から、結合された微分式の系が得られる。例示した微分式を使用することにより長さ座標z1 と厚み座標z2 を介して温度状態の計算のためのネットワークが得られる。この場合、温度ネットワークの離散化(Diskretisierung) は、長さと厚み方向で、結節から結節への等しくない距離で行われる(図7参照)。
【0074】
熱機械的な命題以外に、流動技術に関する命題が一緒にモデルに組込まれる。このモデルにより冷却装置からの冷却水の流出の際の流動速度が計算される。この流動速度はストリップ表面とストリップ裏面に関する熱推移数の計算に著しい影響を与える。この流動速度は具体的には、タンクと冷却装置管体間の連結部の液圧関係と流体力学的な関係に基づいて、従ってタンクからの冷却水の全取り出し量に基づいて得られる。特に冷却装置の接続および遮断は、恒常的な流れ状態が形成されるまで、リアルタイムの熱推移の計算に影響を与える。冷却水が摩擦のないかつ圧縮不能な流体であると仮定した場合、同じ流線の二つの点の流体力学的な関係に関して、ベルヌーイの圧縮不能な流体に関する非安定式(instationaere Gleichung) が当てはまる。
【0075】
【外20】
式中
C1 はiの位置における流動速度
s は流線座標
z はiの位置における高さ座標
P1 はiの位置における圧力
Δρ は摩擦および内蔵物による圧力損失
ν は管系からの冷却水の流出場所
ρ は流体密度
g は定数
を意味する。
【0076】
機械的な配設は、幾何学的に単純な容器形であり、直径の異なる管部分の連鎖である。管移行部が離散的であると仮定して、連続方程式
【0077】
【外21】
−式中
n= ν−1 流線部分
A=断面
を表す−
の考慮の下に、式(2.20)から高い容器内の水水準と導管システム内の任意の点ν間の非安定な流れ状態を計算するための、求めている微分方程式が得られる。
【0078】
【外22】
式中
【0079】
【外23】
【0080】
【外24】
【0081】
【外25】
【0082】
【外26】
【0083】
【外27】
式2.22は個々の冷却ビームの非安定な流動状態を示している。全システムのモデル化には各々の冷却ビームに関する自乗のこれらの非線形の微分方程式を立てなければならない。nk 微分方程式の連結は連続方程式を介して行われる。何故なら、高い容器の水水準に関しては、
【0084】
【外28】
式中
AP はポンプの管断面
VP はポンプにより移送されてくる容量
が充足されなければならないからである。
【0085】
【発明の効果】
本発明により、冷却区間、特に圧延設備に設けられている冷却ビーム等の冷却手段の迅速なかつ自動的な制御が保証され、かつデータ論理の解析のために経費が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図1】提案されている制御方法に関する概略的な機能展望図である。
【図2】提案されている方法の相前後して行われる工程段の概略図である。
【図3】提案されている方法の相前後して行われる工程段の概略図である。
【図4】提案されている方法の相前後して行われる工程段の概略図である。
【図5】温度制御のシステム要素の概略的な展望図である。
【図6】モデルの熱力学的な概略的な展望図である。
【図7】モデルの熱力学的な概略的な展望図である。
【符号の説明】
1 ストリップ冷却設備
1a,1b,1c,1d,1e,1f,1g,1h,1i 冷却装置
2 ロールスタンド
3a 駆動装置
3b リール
4 ストリップ
5 高温計
6 高温計
Claims (7)
- 鋼材から成る薄板およびストリップのための圧延ラインの冷却区間を制御するための方法において、制御の基礎となる制御工程が以下の工程(a)〜(k)で経過することを特徴とする方法。
(a)冷却区間の冷却状況を示す参照温度曲線に基づくプロセスパラメータと、冷却されるべきストリップの特性を示す特性プロセス状態を決定する工程。
(b)上記決定されたプロセスパラメータと特性プロセス状態に基づき、下記の数式、数1〜数3の方程式を含む数学的なモデルであって、冷却区間中のストリップの温度変化をシミュレーションするセットアップ用冷却モデルをセットする工程。
(c)セットアップ用冷却モデルにより、冷却後のストリップの温度に対する計算値Tcalcを求める工程。
(d)ストリップ圧延開始時のセットアップ用ストリップを流す工程。
(e)冷却後のストリップの温度の測定値Tmessを測定する工程。
(f)計算値Tcalcと測定値Tmessを比較する工程。
(g)不正最小化の手法により、冷却モデルの適合を図り、モデルパラメータを変更する工程。
(h)この変更された冷却モデルにより、参照値Trefまでの冷却の経緯を計算し、この計算に基づき冷却区間を通るストリップを冷却する工程。
(i)冷却後のストリップの温度Tmessを測定する工程。
(j)参照値Trefと測定値Tmessを比較する工程。
(k)(g)に戻り、(g)から(j)のルーチンを繰り返して、ストリップを冷却する工程。
以下、数式を示す。
- 具体的に記録される温度測定値Tmessがコイラ(3b)に入る直前の冷却されるべき被圧延材の温度であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 冷却区間のプロセスパラメータが多数の冷却装置(1a,1b,1c,1dから1i)の調節部材を介して調節可能であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 冷却装置の上方および下方の調節部材が、ストリップ表面およびストリップ裏面に対して別個に作用するために互いに無関係に制御可能であることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 冷却装置の調節部材が、操作される冷却ビームの数および/または冷却水の量および速度を調節することを特徴とする請求項3或いは4に記載の方法。
- 期待されるストリップ温度経過を冷却されるべき被圧延材の冷却区間内に走入する以前の特性プロセス状態に依存して、本来の制御プロセス以前に予め計算し、冷却区間の相応するプロセスパラメータを調節することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 上記請求項1〜6に記載される方法を実施するためのシステム。
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