層流冷卻工藝在鞍鋼1580 mm機(jī)組的應(yīng)用

張吉富 ，楊玉 ，何士國 ，黃士博 ，王杰

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

鞍鋼1580 mm機(jī)組的層流冷卻控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初充分借鑒了鞍鋼已經(jīng)投產(chǎn)的1700 mm、1780 mm、2150 mm三條熱軋生產(chǎn)線層流冷卻機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中的優(yōu)點(diǎn)與不足，設(shè)計(jì)采用15組集管冷卻，結(jié)合1580 mm機(jī)組品種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)線特點(diǎn)，品種組別分類增加到60組，優(yōu)化了冷卻模式。為提高模型控制精度，對厚度及目標(biāo)卷取溫度組別分類進(jìn)行細(xì)化，并將實(shí)際水溫引入水冷計(jì)算模型，與原1780 mm生產(chǎn)線設(shè)計(jì)相對比，1580 mm生產(chǎn)線在層流冷卻工藝 （包括層流冷卻控制設(shè)備和層流冷卻控制模型）方面進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，本文對此加以介紹。

1 層流冷卻控制設(shè)備的組成

1580 mm層流冷卻控制設(shè)備主要由主冷粗調(diào)集管組、精冷集管組、側(cè)噴、高位水箱、入出口高溫計(jì)、控制閥、供水系統(tǒng)組成。1580 mm機(jī)組層流冷卻設(shè)備布置簡圖見圖1。前12組集管組用于前饋粗調(diào)控制使用，每組上下各6支集管，第13組集管用于前饋精調(diào)控制使用，每組上下各12支集管， 第14、15組用于反饋控制，每組上下各12支集管。

圖1 1580 mm機(jī)組層流冷卻設(shè)備布置簡圖

2 層流冷卻控制設(shè)備的改進(jìn)優(yōu)化

2.1 高溫計(jì)位置優(yōu)化

調(diào)整了精軋后高溫計(jì)以及卷取前高溫計(jì)的位置，縮短了層流集管組與組之間的距離，在2#和5#水箱內(nèi)加裝了水溫計(jì)。

精軋后高溫計(jì)位置向精軋方向移動3 m，一方面縮短精軋F(tuán)DT（終軋溫度）反饋距離，有助于提高FDT控制精度，另一方面有效解決低速軋制時(shí)第一組層流集管冷卻水從鋼板表面反向流到高溫計(jì)位置，造成FDT檢測異常，進(jìn)而影響FDT及CT（卷取溫度）控制的問題；卷取前高溫計(jì)位置向精軋方向移動3.5 m，縮短CT反饋距離，提高了CT控制精度，同時(shí)降低CT反饋控制時(shí)震蕩超調(diào)的比例。

2.2 集管組位置優(yōu)化

層流集管組與組之間的距離縮短了0.3 m，一方面提高了層流的冷卻速度，另一方面縮短了高溫水汽混合狀態(tài)下的帶鋼表面在空氣中暴露的時(shí)間，減少帶鋼表面氧化膜厚度并減輕晶界氧化程度，有效提高高端產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

2.3 側(cè)噴頭高度與角度調(diào)整

為吹掃掉板面上噴積水，1580 mm機(jī)組在每個(gè)層流集管組入口及出口均配置側(cè)噴，側(cè)噴頭由3個(gè)噴嘴組成，原1780 mm生產(chǎn)線側(cè)噴頭設(shè)計(jì)位置高于輥道側(cè)護(hù)板，噴射面可以覆蓋全板面，開工初期，吹掃效果滿足控制要求，隨著產(chǎn)線薄規(guī)格品種比例的增加，精軋卷取卡鋼事故增多，層流輥道頻繁堆鋼，時(shí)常剮碰噴嘴，改變了噴嘴角度，甚至撞掉噴嘴，造成側(cè)噴吹掃效果不良，板面帶水。嚴(yán)重時(shí)造成卷取溫度檢測偏低，影響層流反饋控制及自學(xué)習(xí)功能，產(chǎn)生不合格品。

為此，降低了1580 mm機(jī)組的側(cè)噴頭高度，將輥道側(cè)護(hù)板切開一道斜縫，使噴嘴隱藏在輥道側(cè)護(hù)板外側(cè)。水平方向，三個(gè)噴嘴噴射方向與側(cè)護(hù)板成85～102°夾角，垂直方向，三個(gè)噴嘴噴射扇形面分別覆蓋輥面近端、中心及遠(yuǎn)端。徹底解決剮碰噴嘴的問題，提高了吹掃效果。

3 層流冷卻控制模型的改進(jìn)優(yōu)化

3.1 引入實(shí)際水溫參與模型設(shè)定計(jì)算

原1780 mm生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的層流系統(tǒng)沒有實(shí)際水溫檢測裝置，層流控制模型忽略了實(shí)際水溫的變化，采用理論假設(shè)水溫，每月固定一個(gè)理論溫度數(shù)值，分鋼種、厚度規(guī)格解析水溫的影響參數(shù)。

由于現(xiàn)場實(shí)際水溫受環(huán)境溫度、軋制節(jié)奏、冷卻風(fēng)機(jī)的啟停狀態(tài)變化影響較大，每天波動范圍最大可達(dá)12℃，四季波動范圍5～45℃。受硬件設(shè)備的能力限制，水循環(huán)系統(tǒng)的冷卻水量僅為總水量的30%。軋制節(jié)奏快時(shí)，水溫隨之升高，即使冬季也可高達(dá)40℃；停軋時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)水溫逐漸降低，最低可達(dá)到5℃左右。在水溫大幅度變化的條件下，原1780 mm生產(chǎn)線數(shù)學(xué)模型采用理論水溫?cái)?shù)值解析出的水溫影響系數(shù)作為計(jì)算水冷能力的一個(gè)參數(shù)，在模型設(shè)定計(jì)算時(shí)存在較大偏差。

新設(shè)計(jì)在2#和5#水箱內(nèi)加裝了水溫計(jì)，F(xiàn)2（2#精軋機(jī)）咬鋼時(shí)，將水溫?cái)?shù)據(jù)輸入到二級模型中，用于層流模型計(jì)算設(shè)定和模型維護(hù)人員監(jiān)控。統(tǒng)計(jì)全年2#和5#水箱溫度，最高溫差為2℃，數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確。引入實(shí)際水溫參與模型控制，有效解決長時(shí)間停軋后，開軋第一卷帶鋼卷取溫度控制偏低的問題，改善了同層別通鋼周期跨越時(shí)間長時(shí)，卷取溫度命中低的控制缺陷。

3.2 細(xì)化目標(biāo)卷取溫度層別

預(yù)設(shè)定模型中，通常根據(jù)系統(tǒng)劃分的層別確定計(jì)算熱流密度的參數(shù)，受原1780 mm生產(chǎn)線線性解析模型以及品種規(guī)格的限制，不能充分考慮高CT目標(biāo)及低CT目標(biāo)的影響。當(dāng)目標(biāo)卷取溫度變化較大時(shí)，傳熱過程發(fā)生了較大變化，同一套參數(shù)不能滿足冷卻的要求。這些參數(shù)多是通過多元線性回歸得到的，但實(shí)際回歸時(shí)并不能保證某種鋼種、某種厚度下其目標(biāo)卷取溫度是否服從等區(qū)間分布。因此，要根據(jù)目標(biāo)卷取溫度的特點(diǎn)，在層別上加以區(qū)分，細(xì)化目標(biāo)卷取溫度層別。

如表1所示，統(tǒng)計(jì)35.7萬條連續(xù)生產(chǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，550℃、580℃、610℃及640℃等13組目標(biāo)卷取溫度的產(chǎn)品數(shù)量之和占產(chǎn)品總量的97.23%，其中640℃占26.82%，其他卷取溫度目標(biāo)值占2.77%。

表1 1580 mm機(jī)組不同CT目標(biāo)值的產(chǎn)品比例

原1780 mm生產(chǎn)線系統(tǒng)的層流控制模型共劃分成8個(gè)目標(biāo)卷取溫度層別，570～600℃是其中的1個(gè)層別，從實(shí)際產(chǎn)品的CT目標(biāo)值分析，580℃、590℃和600℃卷取溫度目標(biāo)值占比大于20%，將他們劃分到同一層別，同一套控制參數(shù)既要能控制580℃又要能控制到600℃，而且頻繁切換，只能靠學(xué)習(xí)參數(shù)的頻繁調(diào)整來滿足控制要求，降低了卷取溫度控制精度。

隨著生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不斷累積，新設(shè)計(jì)細(xì)化了目標(biāo)卷取溫度層別，并將層別數(shù)量擴(kuò)展至10個(gè)，表2為1580 mm機(jī)組卷取溫度層別劃分表，該表從根源上減少了學(xué)習(xí)參數(shù)的波動，進(jìn)而提高了卷取溫度控制精度。

表2 1580 mm機(jī)組卷取溫度層別劃分表

3.3 細(xì)化鋼種與厚度層別

影響卷取溫度的因素多而復(fù)雜，主要包括帶鋼的材質(zhì)、厚度、速度、冷卻水（水量、水壓、水溫、及水流運(yùn)動形態(tài)）、終軋溫度、帶鋼導(dǎo)熱方式（傳導(dǎo)、對流、輻射）的條件及層流冷卻裝置的設(shè)備狀況等。這些因素大都機(jī)理復(fù)雜，其中有一些因素還具有很強(qiáng)的時(shí)變性。因此，在線控制模型很難對這些影響因素全部進(jìn)行計(jì)算，并給出精確的數(shù)學(xué)描述［1］。

1580 mm機(jī)組層流采用的控制模型是基于斯蒂芬-波爾茨曼定律的空冷模型以及傅立葉定律的水冷模型和側(cè)噴模型。對該模型計(jì)算結(jié)果影響最突出的變量有帶鋼終軋溫度、卷取溫度、厚度、寬度、帶鋼速度等。由于帶鋼厚度不同，即使同一鋼種材質(zhì)，其終軋溫度、卷取溫度、帶鋼速度也存在較大差異，尤其是帶鋼終軋溫度與帶鋼速度，不能完全靠回歸的影響系數(shù)修正模型計(jì)算結(jié)果。在大生產(chǎn)狀態(tài)下，回歸邊界條件不穩(wěn)定，回歸的影響系數(shù)與實(shí)際值差異較大，而模型層別數(shù)據(jù)分類未考慮終軋溫度與帶鋼速度，只能靠調(diào)整模型學(xué)習(xí)系數(shù)進(jìn)行修正，降低了模型控制精度。

基于上述考慮，在優(yōu)化厚度層別的同時(shí)，將同一厚度、終軋溫度與帶鋼速度差異較大的鋼種劃分為單獨(dú)鋼種層別。原1780 mm生產(chǎn)線設(shè)計(jì)按照碳當(dāng)量劃分成10組鋼種層別，新設(shè)計(jì)在保留原1780 mm生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，品種層別分類增加到60組。

3.4 優(yōu)化冷卻模式

常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)冷卻模式分為前段急冷、后段急冷和緩冷三種模式，圖2為三種常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)冷卻模式冷卻示意圖。一般來講，對厚帶鋼采用前段急冷的方式；對薄帶鋼采用后段急冷的方式；而對一些特殊鋼可采取緩冷的方式。

三種模式與原1780 mm生產(chǎn)線模型一樣，而新設(shè)計(jì)增加了微調(diào)的接口。以緩冷模式為例，對與一些溫度特別敏感的高碳高合金鋼，通過微調(diào)接口，優(yōu)化集管組的優(yōu)先級模式，可以使冷卻速度進(jìn)一步降低。達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品組織性能及板形的目的。

圖2 三種常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)冷卻模式冷卻示意圖

4 應(yīng)用效果

（1）高溫計(jì)位置優(yōu)化后，CT反饋控制效率提高，閉環(huán)控制的時(shí)間縮短了14.6%。

（2）側(cè)噴頭高度降低，角度優(yōu)化后，側(cè)噴嘴故障次數(shù)從每月平均3次降低至0。

（3）引入實(shí)際水溫參與模型控制后，因水溫波動大造成卷取溫度超差性能不合格鋼卷數(shù)量從每年平均12卷降低至0。

采取上述改進(jìn)措施后，卷取溫度精度指標(biāo)比原系統(tǒng)提高了3%以上。以厚度小于4.0 mm的SPHC為例，卷取溫度±20℃的命中率達(dá)到97.5%。

5 結(jié)語

層流冷卻是控制帶鋼性能指標(biāo)的關(guān)鍵工序。鞍鋼自主研發(fā)的1580 mm熱軋帶鋼層流冷卻控制系統(tǒng)在原有1780 mm生產(chǎn)線設(shè)備、控制功能的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)上優(yōu)化了集管組、檢測儀表的位置，調(diào)整了側(cè)噴頭高度與角度，引入實(shí)際水溫輸入條件，結(jié)合1580 mm機(jī)組產(chǎn)品實(shí)際，細(xì)化鋼種、厚度、卷取溫度層別，系統(tǒng)控制能力大幅提升，卷取溫度精度指標(biāo)比原系統(tǒng)提高了3%以上，以厚度小于4.0 mm，CT目標(biāo)值范圍在600～680℃的代表品種SPHC為例，卷取溫度在±20℃的命中率為97.5%。，達(dá)到了行業(yè)先進(jìn)水平，滿足復(fù)雜的品種冷卻工藝需求。