中厚板機(jī)架間冷卻應(yīng)用研究

王發(fā)倉，熊 磊，柴星池

（1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035；2.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110819）

0 引言

中厚板控軋控冷鋼板生產(chǎn)過程中,中間坯待溫一直是制約軋制效率提升的一個難點(diǎn)［1-2］。而傳統(tǒng)軋制過程，變形難以滲透到軋件芯部，微細(xì)孔隙、枝晶偏析等缺陷難以消除，內(nèi)部組織粗大，厚向性能均勻性差［3-4］。通過機(jī)架間冷卻可以有效提高中間坯待溫效率，從而提高整體軋制效率。同時(shí)在軋制厚板及特厚板的生產(chǎn)過程中，在粗軋及精軋階段插入道次間冷卻，促使變形滲透到軋件芯部，增大內(nèi)部金屬塑性變形程度，提高芯部質(zhì)量[5-8]。國內(nèi)某中厚板廠為了推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化升級，擴(kuò)大產(chǎn)品品種規(guī)格，縮短待溫時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，增設(shè)了道次間冷卻設(shè)備。本文基于道次間冷卻系統(tǒng)，對自動化控制系統(tǒng)的模型、工藝及應(yīng)用效果進(jìn)行了分析研究，對工業(yè)生產(chǎn)有重要指導(dǎo)意義。

1 機(jī)架間冷卻控制系統(tǒng)

機(jī)架間冷卻設(shè)備由噴水冷卻系統(tǒng)及吹掃系統(tǒng)組成，完成鋼板的冷卻和殘留水吹掃功能。設(shè)備本體由固定框架、12組上下冷卻集管、各類閥臺、4套水吹裝置、濁水過濾器、電氣控制柜、操作屏、兩套高溫計(jì)、框架自水冷裝置、各類壓力流量檢測元件等組成。冷卻裝置分為機(jī)前冷卻區(qū)及機(jī)后冷卻區(qū)兩部分，設(shè)備布置如圖1所示。冷卻裝置根據(jù)工藝需求，可實(shí)現(xiàn)厚度為50～300 mm，寬度為1 800～4 500 mm鋼板的中間坯待溫及溫控形變工藝等功能。

1.1 通訊時(shí)序

冷卻控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動化與過程自動化共同組成，完成冷卻規(guī)程的計(jì)算及執(zhí)行。冷卻控制系統(tǒng)主要與軋機(jī)L2系統(tǒng)及MES系統(tǒng)進(jìn)行通信，獲得鋼板PDI及軋制過程信息，同時(shí)將冷卻規(guī)程及結(jié)果及時(shí)發(fā)送出去。圖2為整個通訊時(shí)序，完成粗軋的道次間冷卻、中間冷卻及精軋的道次間冷卻。

1.2 過程跟蹤控制

過程跟蹤采用以一級微跟蹤為主導(dǎo)、二級宏跟蹤為輔助的跟蹤模式，即一級微跟蹤實(shí)時(shí)地發(fā)送多塊鋼板的位置信息和現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（高溫計(jì)、冷熱檢、水溫、水壓、設(shè)定規(guī)程等），二級根據(jù)鋼板微跟蹤位置結(jié)合高溫計(jì)和冷熱檢信號進(jìn)行宏跟蹤，觸發(fā)時(shí)序機(jī)制，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。

1.3 待溫開水策略

冷卻階段模型實(shí)時(shí)讀取鋼板的位置信息，進(jìn)行開關(guān)水邏輯判斷。當(dāng)跟蹤隊(duì)列鋼板數(shù)量為一時(shí)，判斷是否多坯軋制，如果是多坯軋制，默認(rèn)機(jī)后開水，而如果是單坯軋制時(shí)，根據(jù)軋制道次的奇偶性在機(jī)前或機(jī)后進(jìn)行冷卻。冷卻時(shí)如奇數(shù)次穿水，直接用鋼板尾部位置跟蹤進(jìn)行關(guān)水。如偶數(shù)次穿水，通過冷卻計(jì)數(shù)進(jìn)行關(guān)水。

圖1 道次間冷卻設(shè)備布置

圖2 通訊時(shí)序

當(dāng)跟蹤隊(duì)列鋼板數(shù)量為二時(shí)，第一塊待冷鋼板在粗軋結(jié)束后到機(jī)后進(jìn)行冷卻，之后空冷待溫。第二塊鋼板根據(jù)軋制道次的奇偶性到機(jī)前或機(jī)后進(jìn)行水冷。

當(dāng)跟蹤隊(duì)列鋼板數(shù)量大于二時(shí)（三坯或四坯軋制）時(shí)，基本策略與兩塊鋼板冷卻一樣，只是第將二，三或二，三，四塊鋼板組成小火車，始終使用第二塊的鋼板頭部位置及最新一塊的鋼板尾部位置作為火車的頭和尾進(jìn)行位置跟蹤判斷開關(guān)水。

1.4 自學(xué)習(xí)模型-VSG變比例空間多維網(wǎng)格模型

中間冷卻及道次間冷卻的溫度精度主要通過自學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行保障，所以自學(xué)習(xí)系統(tǒng)是整個控制模型的核心。自學(xué)習(xí)模型將影響冷卻效率（等效成換熱系數(shù)）的各工藝參數(shù)看作是空間模型的各個維度，各參數(shù)對換熱系數(shù)的等價(jià)作用程度作為各自維度不同的坐標(biāo)步長。已知待冷卻的工藝參數(shù)時(shí)，即可在空間中找到對應(yīng)點(diǎn)。當(dāng)形成大數(shù)據(jù)規(guī)模時(shí)，通過各維度的坐標(biāo)將空間劃分成多個子網(wǎng)格空間，將子網(wǎng)格空間類的點(diǎn)簇聚類成一質(zhì)點(diǎn)，利用各質(zhì)點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的空間歐式距離關(guān)系，通過反距離加權(quán)法即可求得目標(biāo)值。VSG（Variable Scale Grid）模型科學(xué)的建模方式避免了層別躍遷的缺陷以及等比例空間度量的偏差，保證精度的同時(shí)，也大大降低了計(jì)算成本。

圖3 自學(xué)習(xí)模型-VSG變比例空間多維網(wǎng)格模型原理

2 中間冷卻應(yīng)用效果

2.1 單坯控軋

圖4為60 mm的X56Mo由950℃冷到870℃的溫度歷史曲線，原空冷待溫時(shí)間為170 s。當(dāng)采用輥道速度1 m/s的兩道次中間冷卻后，實(shí)際水冷時(shí)間為6.4 s，空冷時(shí)間為54.1 s，共60.5 s。軋制效率提升29.7%（軋制時(shí)間按200 s計(jì)算）。

圖4 60 mm X56Mo冷卻溫度歷史曲線

圖5為55 mm的AH36由960℃冷到890℃的溫度歷史曲線，原空冷待溫時(shí)間為130 s。當(dāng)采用輥道速度1 m/s的兩道次中間冷卻后，實(shí)際水冷時(shí)間為6.4 s，空冷時(shí)間為51.4 s，共57.8 s。軋制效率提升21.2%（軋制時(shí)間按200 s計(jì)算）。

圖5 55 mm AH36冷卻溫度歷史曲線

2.2 雙坯控軋

圖6為75 mm的X56Mo由980℃冷到850℃的溫度歷史曲線，原空冷待溫時(shí)間為330 s。當(dāng)采用輥道速度1 m/s的兩道次中間冷卻后，實(shí)際水冷時(shí)間為6.4 s，空冷時(shí)間為200 s，共206.4 s。軋制效率提升23.4%（軋制時(shí)間按200 s計(jì)算）。

2.3 多坯控軋

圖7為160 mm的Q345R由1 000℃冷到830℃的溫度歷史曲線，原空冷待溫時(shí)間為800 s。當(dāng)采用輥道速度1 m/s的兩道次中間冷卻后，實(shí)際水冷時(shí)間為6.4 s，空冷時(shí)間為688.8 s，共695.2 s。軋制效率提升11.5%（軋制時(shí)間按200 s計(jì)算）。

圖6 75 mm X56Mo冷卻溫度歷史曲線

圖7 160 mm Q345R冷卻溫度歷史曲線

3 結(jié)語

（1）文章分析了機(jī)架間冷卻控制系統(tǒng)的通訊布置控制時(shí)序，過程跟蹤控制及自學(xué)習(xí)模型，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝確定了單坯、雙坯及多坯中間冷卻策略。

（2）通過比較機(jī)架間冷卻投入前后的待溫時(shí)間，分析得出采用機(jī)架間冷卻工藝可有效減少待溫時(shí)間，生產(chǎn)效率較完全空冷待溫提高11%以上。