分类号U D C密级学位论文热轧带钢层流冷却过程控制模型及智能调优作者姓名谢海波指导导师姓名刘相华教授盐型挂盘墨垂l b 自盘也璺室熏：皇圭堕耋【主苎叁堂2王国栋教授i L 剑焦盔丛连塾自动韭圉室查点盘坠室( 杰i 墨芏!甲请学位级别盛学科类别墨生学科专业名称盐盘垄三墨堡论文提交日期2 Q Q 垒生1 2 旦论文答辩时间竺：! ：梦学位授予日期答辩委员会主席渔孟坚评阅人瑟兰垒塑盥笪漫秘叠壁垒蔓丝叁i ! ! 皇东北大学 2 0 0 4 年1 2 月末北大学博士学位论丈第一章绪论在实际生产中对冷却系统的控制不仅决定了带钢全长卷取温度精度，而且对带钢头部特别是薄规格带钢在输出辊道上的运行平稳性也有很大的影响。提高热轧带钢卷取温度控制精度的一个主要途径就是提高带钢轧后层流冷却过程控制的设定精度。传统的卷取温度设定主要依靠数学模型和统计回归公式，其计算精度已经不能满足目前层流冷却高精度控制的需要，目| j i 主要通过自学习过程来进行调整，但带钢换规格过程中，其首块带钢卷取温度的命中率很难得到保证。本论文研究的目的：本论文的目的是：在硬件环境确定的情况下，从控制策略、数学模型以及智能技术方面入手，优化热轧带钢卷取温度控制系统软件，实现卷取温度的高精度控制。为了达到这个目的，需要丌展以下工作：1 ) 构建层流冷印控制系统及控制策略；2 ) 分析热轧带钢层流冷却机理，建立并验证新建卷取温度控制系统预报模型：3 ) 利用有限差分方法分析层流冷却过程中带钢温度随时问的变化，研究带钢冷却后的返红：4 ) 采用数据挖掘中的回归分析和神经网络等集成技术对生产现场过程卷取温度控制进行离线分析和在线预测，提出热轧带钢卷取温度纠偏模型，提高卷取温度的预报精度。本论文的研究意义：1 ) 结合攀钢改造工程，开发层流冷却过程自动化设定模型系统，结合实际生产情况将过程控制模型用于在线设定，同时对模型的算法进行优化，提高卷取温度控制精度，从而提高产品的质量。2 ) 探索应用数据挖掘、神经网络集成技术，走出一条对传统模型进行优势互补的路。对神经网络在热轧带钢卷取温度控制过程中的应用探索到有价值的经验和方法。1 2 控制冷却的原理控制冷却是利用轧材余热进行热处理的技术，通过改变热轧钢材轧后的冷却条件来合理控制钢材的相变过程，从而控制相变产物的组织状态和组成及碳化物析出行为等来改善钢材的组织和性能。进行在线控制冷却，在保证板材要求的板形尺寸规格的同时，控制和提高板材的综合力学性能。它能防止奥氏体晶粒长大，阻止或减少网状碳化物的析出，保持其碳化物固溶状态，达到固溶强化的目的。同时减少珠光体球团尺寸，改善珠光体形貌和片层间距，从而改善钢板的性能。2 东北天学博士学位论乏第一章堵论_ 1 司从奥氏体转变为铁索体或珠光体型组织时是以扩散方式进行的；钢从奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织时，则是以切变方式进行的。因此，就相变机理而言，加速冷却工艺主要是利用扩敞相变机理和细化晶粒来改善钢材的性能；而直接淬火工艺则主要是利用切变机理和提高淬透性柬改善钢材的性能f 亿一”。考虑到大多数带钢的质量，采用连续冷却+ 相变的开始温度越低，铁索体的形核率就会越高。冷却速度越快，形核率越高，晶粒度就越小，再加上珠光体层间距减小，带钢的强度增大。反之，冷却速度低，形核率就小，造成晶粒度大，则带钢屈服强度相对较低。在冷却过程中，奥氏体发生分解相变。在不同的冷速下，可形成铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体或上述组织的混合体。因此根据产品的不同性能要求，可通过控冷束得到满意的产品。目前热轧带钢冷却曲线有以下几种，如图1 1 所示。p掣 指( a ) 热轧带钢的传统冷却曲线( b ) 机械性能均匀的带钢冷却曲线( c ) 铁素体加马氏体的双相钢冷却曲线( d ) 铁素体加贝氏体的般相钢冷却曲线图1 1 带钢轧后冷却曲线F i g 1 1C o o l i n gc u r v e sa f t e rs t r i pm l l e d在生产中采用哪种冷却曲线处理热轧带钢，要根据对产品组织和性能的要求、产品的厚度以及产品的成分等来确定。后三种冷却曲线与( a ) 所示的冷却曲线的最大不同点就是要对带钢的冷却过程实行控制，使产品的内在质量达到一个新的水平。曼末北太学博士学垃论王第一章绪论1 3 2 国内冷却设备的发展7 0 年代，国内丌始应用热轧带钢的控制冷却技术。武钢引进的1 7 0 0 m m 热带铜$ L 饥采用上部柱状层流冷却和下部喷水冷却的控冷技术。8 0 年代鞍钢半连续轧铡厂采舟了水幂冷却系统。宝钢的2 0 5 0 m m 和1 5 8 0 m m 热带钢轧机采用的均为层流冷却系统。近年来，各冶金工厂都未建新的控冷设备，而是把着跟点放在现有系统的更新和设备的完善配套上。固内典型的热轧带钢生产线有武钢I7 0 0 m m ，宝铜2 0 5 0 m m ，攀钢1 4 5 0 m m ，太钢l5 4 9 m m ，梅钢1 4 2 2 m m ，鞍钢1 7 8 0 m m 等。袁1 2 列出了几个钢厂的层流冷却相关控制参数f5 1 。表1 3 列出了我舀一些中厚援轧机的控制冷勰漫备【2 1 2 引。袭12 田山凝聚的热带控制冷却装置，b I eI 2a c c e l e r a t e dc o o l m ge q u I p m e n to fH s Mi nc h i n a嵌13 我国一些中厚扳轧机的控制拎却设挤T a b l e l 3P I a I ec o n t r o lc o o l i n ge q u i p m e n ti nC h i n a1 3 3 几种冷却设备的比较冷却装置包括许多种喷流形式，相应地有不同的名称，如高压力喷射冷却、柱状层流冷却( 即集管层流) 、水幕层流冷却、雾化冷却、喷淋冷却、板湍流冷却、水一气喷雾式冷却等 2 H6 1 。下面主要介绍常用的层流冷却、水幕冷却以及水一气喷雾式冷却装置。x末北是擘博士学位论文第一章绪论1 3 3 1 层流冷却设备层流；争上f 装置主要由上集管、下集管、侧喷、控制阀、供水系统及检测仪表和控制系统组成。上部层流为大流量的低压水，下部喷射为高压水，侧喷为中压水。侧喷的主要作用是把钢表面的冷却水吹走，以提高冷却效果【引。层流冷却装鼹上虹吸管的数量很多，排列又很密集，带钢表面上的水层时刻可以更新，且随着带钢的前进，由侧向喷出的中压水吹动水膜，使其不断更新，从而带走大量的热量来达到冷却的目的。层流冷却装置设备多、控制复杂，但精度较高。图1 2 为常用的层流冷却设备布置简图。( a ) 直管式纵向截面图( b ) U 型管式纵向截面图( a ) I o n g j t u d i n a ls e c t i o nd j a g r a m( b ) 1 0 n g i t u d i n a ls e c t i o nd j a g r a mo f s t r a i g h t t u b e j e to f u I u b e j e t图1 3 管层流两种喷嘴对比幽F 嘻I 3c o m p a r i s o nd i a g r 锄o f t w ok i n d so f t u b e - l a m i n a r 订o wn o z z l e s6 -耋垂蠹霪 l ：j 叫毛莹器昔蠢蔫夏酵民砸褰猫驯料稻；1 1 ：邗：? ；替旱简越辅渊籍。豁茹掣咎菰裂罐# i i 主自早丽基蚓掣蒋采萋蔓争商羹划；乎刚囊赫善蟊裂型批型i 川鞘黪型聪簖祟嘉委赫囊嚣雏i 嚣肌攀群豢蒿豁搿瓣美裁皤巍幢鹭基毪靼呈；池跫霉囊堑拜髓拍彰耩抬貅卧寸支非辩躬热弧剥并篓娑；鹫赚嵋随登羼惘对有限雨篓型篓嚣楚簪F 裔雾二其能看荫徘豢i 篓寓县挞霹征集蘩薹篓丽爵蚓豁薹囊菅誉鲁醑崔缚帚差墒徭糟聚士：袋i 飘酊靳黼；臻焉i 颤罐膀雏魏盹翩前蜒? 嘲凰廷矧垂弑镊割彰埝罕全金譬粤蓊；赢墨鞲 薹翌季霆持 羹萋雾蒸墼。霪薹一 嚣；! 穆嚣一 釜l ；鬟嚣卿? 辇警；誊! 誉譬簌蠹要i 型葺一鏊面芝薹 薹羹蠹垂妄蚕参霉游黧薯孽篷冀嚣篝一一j 硅i崔蠹莲萋燮东北大学博士学位论文第一章绪论水的压力使流量变化。但为了保持层流，这种方式的调节范围被限制得很窄。另一种是保持水头不变，而改变出水口的开口度和缝隙宽度，这样利于形成稳定的层流。1 9 7 9 年日本专利报道了种热轧钢板的水幕冷却装罱。本项发明把接近热钢板的冷却喷嘴配髯在与轧制方向平行的位雹上，使冷却水向热钢扳的扳宽方向流动，不滞留在钢板上，从而提高了冷却能力，使钢板上下面冷却效果相同，并且可以在冷却过程中控制冷却能力。日本住友金属工业公司鹿岛厂1 9 8 4 年投产的水幕冷却装置包括一个集水箱，一个狭缝喷嘴和一个气动挡板。当冷却水通过喷嘴落向带钢时便形成幕形层流。该厂热带钢轧机的输出辊道上有1 5 个这样的冷却装置。前苏联的一项专利报道了种可调的水幕冷却装置。它带有窄口喷嘴充水槽，在窄口喷嘴下部安装一个能在垂直于水流方向的平面上往返移动的闸板，并在上面给闸板安上一个能伸入喷嘴的小刷子，通过连续改变冷却水的宽度，使之与被冷却的钢板的宽度相适应，同时清洗窄口喷嘴内部污垢，提高冷却效率。德国专利报道了一种水幕冷却装置，它是由一个水箱和一个垂直于带钢运行方向并延伸到整个被冷却带钢宽度上的缝隙式喷嘴组成，通过控制喷喘缝隙形成水摧。喷嘴的出口比喷嘴的入口大，并向出口不断突出扩张，可以补偿水幕出现的断面收缩，保持均匀良好的水幕形状。济钢中板厂在实际生产中也弓l 进了水幕冷却设备，轧后钢板进行水幕冷却，板形平直且不发生卷边现象，水幕上下水量可调，满足了生产中不同钢种规格的要求，钢板的性能得到了很大的改善与提高。1 3 3 3 水气喷雾式水一气喷雾式冷却装置是2 0 世纪8 0 年代法国B E R T r N 公司开发研制的专利技术又称A D C 0 ( A d j u s t a b l eC o o l i n g ) 快冷装置【2 7 l ，使用的冷却介质为气水。目前世界上共有四套A D c 0 冷却装置，分别建在法国G T s 厂( 1 9 8 9 年) ，韩国浦项P O S C 0 2 # 厚板厂( 1 9 8 9 年) ，美国E S C O 公司( 1 9 9 5 年5 月) 和酒钢2 8 0 0 m m中板厂( 1 9 9 5 年底1 。水一气喷雾冷却系统是以模块式结构设计的，一般由4 7 个组件组成，每个组件包括4 5 个喷嘴，上、下对称。其喷嘴是由连续的线性狭缝组成，中间的一条用于喷水，两侧的用于喷射空气。喷嘴喷出恒定的低压水和空气，空气将水雾化为许多小液滴，将它们均匀地喷射到钢表面上。水流量在很大范围内可调节。喷水的狭缝有足够宽( 6 m m ) ，可避免出现阻塞问题。每个组件还配有气水分离器和蒸汽收集装置，同时在边部设有遮蔽系统。图1 5 为A D C O 上下喷嘴示意图。- 8 一2 鳘耋兰暨警三一。，一一，。，一。兰二三童垒 1 4 3 冷却均匀性分析板带在冷却过程中，若冷却不均匀，不仅会造成板带的性能不均匀，而且也影响板带的板形。因此实现板带的均匀冷却也是控制冷却的重要目标之一。对板带均匀冷却的控制能力，既决定着所处理板带性能的一致性，也决定着每批板带性能的再现性水平，因此人们总是从各个方面入手来实现板带的均匀冷却【5 9 l 。影响板带冷却均匀性的各种因素往往是交互作用的。因此，很难找到一种有效的方法来消除这些不利影响，只能根据影响冷却均匀性的主要因素采取措施，同时兼顾其它因素的影响 6 0 娟引。板带冷却后的温度梯度是由冷却速度和扳厚决定的，为使其控制在一定范围内，要根据板带的材质、厚度以及对产品性能的要求，选择适宜的冷却速度，并在冷卸过程中适时调低冷却速度，这既可以缩小断而温度麓，又有利于减小扳带变形f 6 4 “I