熱軋卷板速度對卷取溫度自適應能力的影響研究

邢俊芳，張葉欣，彭良貴，宋志斌

（1.河鋼股份有限公司承德分公司河北省釩鈦工程技術研究中心，河北 承德 067001；2.東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

0 引言

卷取溫度控制是熱軋生產的一個重要環節，對板帶加工性能、力學性能、物理性能有重要影響，現有技術中通常使用溫度調節模型來實現帶鋼卷取溫度的自動控制。精軋F7 從拋鋼到完成卷取這段時間內，帶鋼速度值由精軋F7 速度轉變到卷取機速度。當兩者速度差值較大時卷取溫度值會有明顯變化，卷內自適應依靠變化換熱系數來調節水閥開關數量，從而保證卷取溫度控制在目標范圍內，但不能保證卷取溫度命中，尤其是在帶鋼尾部層流可開水閥數量逐漸減少、速度波動較大時，模型已經沒有能力對卷取溫度差值進行調節。

卷取溫度調節模型主要依靠層流冷卻來實現，涉及的進程包括預計算、實時計算，后計算等。預計算采用卷對卷自適應熱交換系數。在實時計算中卷內自適應通過調節自適應熱交換系數實現。層冷實時計算指的是卷內自適應，通過實時修正帶鋼的heatCofa值來確保溫度模型調節的準確性。卷取溫度模型自適應響應能力是保證帶鋼卷取溫度命中在目標值范圍內的重要條件，如果自適應響應能力差，當外界條件變化時，卷取溫度模型不能及時開關水閥，顯然就會造成卷取溫度在目標范圍內波動過大，導致控制精度顯著降低[1-2]。

1 卷對卷自適應和卷內自適應

卷對卷自適應應用于卷取溫度調節模型的預計算中。卷取溫度調節模型的預計算主要核心是基于傅里葉導熱方程的冷卻模型。根據傅里葉方程、材料模型和卷對卷自適應系數熱修正因子，獲得模型的計算溫度。

卷內自適應啟動條件是帶鋼進入層流冷卻區，并且獲得當前帶鋼的實測溫度。比較實測值與模型計算溫度，如果存在偏差，表明該偏差是由帶鋼向環境散熱不精確或相體積分數描述不精確產生的。這時自適應過程引入獨立的修正因子heatCofa，主要是通過調節帶鋼表面的熱流密度，在獲得帶鋼溫度實測值時，調整修正因子使得溫度計算值向溫度測量值收斂靠攏。通過研究發現，層冷自適應的響應能力由卷取溫度實際值和模型預報值之間的溫度偏差deltaTemp 大小和速度變化這兩方面決定。

2 速度波動對層冷自適應調節過程的影響

卷對卷自適應是在相似板坯中首先獲得當前鋼卷heatCofa 值，如果沒有相似帶鋼，換熱系數heatCofa采用默認值1.0，然后將heatCofa 分為低速（基準速度）和高速（2 倍基準速度）兩個不同的值，以獲得速度變化對heatCofa 的影響系數。卷內自適應主要是實時更新換熱系數heatCofa。換熱系數heatCofa 可分解為heatCofa0、delta heatCofa 兩部分[3-4]，根據溫度和速度的變化，計算換熱系數增量delta heatCofa，以此獲得當前鋼卷不同片段的heatCofa。

以具體鋼卷說明卷內自適應計算過程。鋼卷2207E32080，牌號SAE1008-YH，成品厚度3 mm，終軋溫度設定值880 ℃，層流溫度設定值610 ℃。卷對卷自適應中預計算采用低速（基準速度9.692 m/s）heatCofa 為1.244，而高速（2 倍基準速度19.384 m/s）heatCofa 為1.227。此卷鋼F7 穿帶速度為9.71 m/s 時的heatCofa 值采用1.244。這卷鋼卷內自適應根據卷取溫度實際值和預報值的溫度偏差deltaTemp 以及實際速度計算heatCofa 對層流溫度來進行調節，帶鋼尾部具體溫度調節過程如表1 所示。

表1 鋼卷2207E32080 帶鋼尾部溫度調節過程

由表1 可見，精軋F7 拋鋼到卷取機卷完這段時間，帶鋼速度變化大，模型可調空間較小，導致尾部卷取溫度精度不高。當鋼卷長度為720.4 m 時，帶鋼速度由9 m/s 降到6.87 m/s 時的模型通過調節heatCofa減少水閥數量能夠保證卷取溫度，但鋼卷長度為766.1 m 時，帶鋼速度由6.41 m/s 升到8.22 m/s 時的模型通過調節heatCofa 增加水閥水量已經不能保證卷取溫度。

由表1 可知，層流模型針對速度波動較大時的卷取溫度的命中調節非常有限，尤其是在帶鋼尾部層流可開水閥較少時，通過調節heatCofa 改變水閥水量的方式不能保證卷取溫度。

3 減少速度波動保證溫度卷取溫度命中

帶鋼尾部速度大幅度變化是因為F7 拋鋼后無法檢測帶鋼實際速度，原溫度調節模型以卷取機夾送輥速度代表F7 拋鋼后帶鋼實際速度，而在帶鋼離開卷取機前高溫計時又把芯軸速度當做帶鋼速度。卷取機夾送輥和芯軸兩者之間在軋制過程中是存在速度差的，主要原因是為保證軋制穩定性，夾送輥與芯軸之間需要建立張力，而建立張力需要通過夾送輥降速形成速度差來實現。速度波動促使層流自適應模型調節幅度很大，而實際層流水閥調節效果有限，從而出現尾部溫度遠高于設定值的情況，如圖1 所示。

圖1 夾送輥和芯軸之間有速度差與溫度失控關系圖

為避免夾送輥和芯軸速度差造成溫度失控，將精軋F7 拋鋼“傳輸給卷取溫度模型的帶鋼速度值”固定為芯軸角速度×帶鋼卷直徑/2，當MTR：F7 occupied 由1 變為0 時，“傳輸給卷取溫度模型的帶鋼速度值”=ACT_C_SPEED：Angular-Speed active MA Coiler（Hz）*ACT_C_DIA：Coildiameter active Coiler[m]/2，即芯軸速度×帶鋼直徑/2。通過減少帶鋼尾部速度波動，溫度調節能力明顯加強，尾部卷取溫度命中情況有很大提高，如圖2 所示。

圖2 夾送輥和芯軸之間無速度差與溫度可控關系圖

4 結論

1）層流溫度模型計算的準確性依靠自適應。預計算采用卷對卷自適應熱交換系數，實時計算依靠卷內自適應，通過卷內自適應調節換熱系數控制卷取溫度。卷內自適應對于溫度與帶鋼速度的控制有直接關系。

2）當帶鋼尾部層流可開水閥數量逐漸減少時，如果速度波動較大會出現模型沒有能力對卷取溫度差值進行調節的現象。減少帶鋼速度波動是提高帶鋼尾部卷取溫度精度的主要手段。

3）為減少帶鋼速度波動，帶鋼在精軋F7 拋鋼后固定采用芯軸速度作為帶鋼速度，以避免速度波動，從而保證尾部卷取溫度命中精度。