一种钢板在中厚板轧制生产线过程中的温度下降的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及中厚板轧制生产线的自动控制领域，具体地，本发明涉及一种钢板在 中厚板轧制生产线过程中温度下降的控制方法，尤其涉及按照轧机、预矫直机、控制冷却装 置布置的中厚板轧制生产线上的钢板从精轧机到控制冷却装置的程中温度下降的控制方 法。本发明的钢板在中厚板轧制生产线过程中温度下降的控制方法主要涉及中厚板轧制生 产线中的钢板轧制及输送速度的控制方法。 技术背景
[0002] 目前现代化的中厚板轧制生产线通常布置有加热炉、乳机、控制冷却装置、热矫直 机等，如图1所示，产线布置设计时，考虑到钢板最大成品长度的需求，乳机和控制冷却装 置间的距离通常超过60米。
[0003] 本发明涉及的所述中厚板轧制生产线的生产流程为：
[0004] 钢板在轧机中完成最后道次的轧制以后，输送辊道把钢板从精轧机后移动到控制 冷却装置的前面，然后钢板进入控制冷却装置进行喷水冷却。对于采用控制轧制与控制冷 却工艺生产的钢板（也称为TMCP，thermo-mechanical control process)，为达到设计的中 厚板产品性能，在生产中必须确保生产过程满足若干工艺参数的要求，比如精轧开轧温度、 精轧终轧温度、冷却开始温度、冷却速度、冷却终止温度等等，其中精轧终轧温度、冷却开始 温度是重要的采用TMCP工艺钢板的性能控制目标（更详细内容可见《中国中厚板轧制技术 与装备》，王国栋主编，2009,冶金工业出版社，第9章中厚板的控制轧制和控制冷却）。精 轧终轧温度是指精轧机轧制完成最后一个道次的钢板温度，冷却开始温度是指钢板即将进 入控制冷却装置开始喷水冷却时的温度。
[0005] 由于包括精轧终轧温度、冷却开始温度在内的各TMCP工艺参数影响钢板组织和 力学性能的关键因素，在完成产品的合金成分设计后，产品设计工程师会根据最终产品的 力学性能等要求，给出TMCP工艺参数的设计输出。
[0006] 近年来，在降低产品成本的压力下，产品设计工程师在尽可能降低中厚板中的微 合金含量条件下，提出了越来越苛求的TMCP工艺参数，对有些产品而言，根据产品成分和 性能要求设计输出的精轧终轧温度和冷却开始温度的数值之差较小，比如，某产品的设计 输出TMCP工艺参数要求：精轧终轧温度770°C、冷却开始温度740°C。
[0007] 对于这类TMCP工艺要求的精轧终轧温度和冷却开始温度的数值之差较小的钢 板，为了能达到产品设计的工艺参数，就必须寻找能够减少钢板从轧机输送到控制冷却装 置过程中的温度下降的方法。
[0008] 这是因为轧机和控制冷却装置间的距离通常超过60米，按照常规的钢板输出方 法，精轧终轧温度和冷却开始温度之间的温差较大，这与钢板温度、钢板宽度、钢板长度、钢 板厚度、输送辊道转速、精轧机和控制冷却装置间的距离、空气温度等有关系（请见《带钢 热连轧的模型与控制》，孙一康编著，2002,冶金工业出版社，5. 2.1节带钢（钢坯、带坯）传 送时的温降），但通常温降在50°C之上。在实际生产中，钢板常见的精轧终轧温度和冷却开 始温度曲线如图2所示。
[0009] 在国内外的公开文献中，很少涉及减少钢板从中厚板轧机输送到控制冷却装置过 程中的空冷温度下降的技术方案。检索到以此为目的的技术文献仅有日本JFE公司的专利 JP4935420。该技术方案的核心是增加类似热轧中间坯保温罩的装置，减少输出过程中的钢 板温降。但这种技术方案需要增加不小的投资，添置新保温装置，而且当钢板发生头部翘曲 时，这在实际生产中常常是不可避免的，钢板的头部容易撞到新装置上，有造成生产事故的 风险。
[0010] 根据本发明的技术方案，涉及的内容包括：按照轧机、控制冷却装置顺序布置的中 厚板轧制生产线上的钢板从精轧机到控制冷却装置的轧机、乳机后输出辊道、控制冷却装 置的整体协调的速度自动控制方法。为说明本发明技术方案的技术背景，下面先简要回顾 现有的现代化生产线通常采用的轧机、辊道、控制冷却装置的速度控制方法，以及检索到的 专利等文献的速度控制技术方案内容。
[0011] 现有的现代化生产线通常由计算机控制系统实现生产的自动控制，又根据产线上 的设备布置划分为若干个控制单元。主要控制单元包括：加热炉、乳机控制单元、控制冷却 装置控制单元，辅助的控制单元包括：热矫直机控制单元、若干个辊道控制单元等。
[0012] 另外，所述主要控制单元包括两级控制系统，其中一级为基础自动化系统，二级为 过程控制系统。所述基础自动化级主要完成设备的顺序控制、位置控制、速度控制等相关参 数的实时控制。所述过程控制级主要执行数学模型控制功能，进行过程模型的复杂计算， 完成过程参数的设定任务，过程参数中包括了钢板运行的速度图（即，时间与速度关系的 曲线）。（更详细可见《中国中厚板轧制技术与装备》，第13章计算机控制系统）。与轧机、 辊道、控制冷却装置的速度控制相关的控制单元如图3,其中，乳线上的辊道被分成若干组 (图中表TK为N组），每组至少包括一个输送混和对应的传动电机。
[0013] 图3中，Mf是精轧机主传动电机，M是辊道传动电机，Ma是控制冷却装置中的传动 电机，Clf是精轧机的一级控制系统，Cl是辊道组输运钢板时的各速度控制单元，Cla是控 制冷却装置的一级控制系统，C2f是精轧机的二级控制系统，C2a是控制冷却装置的二级控 制系统。其中，辊道组1~辊道组N(N:5~9)对应的传动电机M接收3路输入控制信号， 分别对应不同的钢板生产过程，这三个过程是轧制过程、辊道输运过程、控制冷却过程。
[0014] 中厚板轧机是可逆轧机，当钢板在轧机中进行往复的多道次的轧制时，每个道次 的钢板速度图如图4(摘自《中厚板生产》孙本荣等，1993. 1冶金工业出版社，第4. 3. 3节轧 制速度制度）所示。
[0015] 图4轧制过程中钢板运行的速度图。
[0016] 图4中，Vfmx是钢板在该道次最大的轧制速度，Fl时刻钢板在进入轧机前的辊道 上开始移动，F2时刻钢板进入轧机开始轧制，钢板继续加速，F3时刻钢板的轧制速度达到 最大值Vfmx，此后速度保持在最大值Vfmx，直到F4时刻，钢板开始降速，F5时刻，钢板离开 轧机，完成本道次轧制，F6时刻，钢板在离开轧机后的辊道上停止运动，准备逆向的下道次 的轧制。
[0017] 上述的参数￥^1^414243、？44546都由精轧机二级控制系统02€中的轧机设 定模型计算得到。在钢板开始轧制前，这些参数由精轧机二级控制系统C2f发送给精轧机 的一级控制系统Clf。在轧制过程中，Clf负责把钢板运行速度图转换成精轧机主传动电机 Mf和钢板移动所覆盖的各辊道组传动电机M的实时电机转速控制指令。此时，精轧机、辊 道、控制冷却装置的速度控制相关的控制单元的输入信号如下图5,图中辊道组传动电机M 接收的三路信号中的实线表示实际起作用的输入信号，即电机M执行了此路信号中的实时 电机转速控制指令，虚线表示当时未起作用的输入信号。
[0018] 图5轧制过程中轧机、辊道、控制冷却装置的速度控制相关的控制单元示意图。
[0019] 当钢板的所有道次都轧制完成后，钢板停留在精轧机的最后道次的轧机后的辊道 上，然后，开始钢板从轧机向控制冷却装置的输运过程。通常这个过程的速度控制方案简 单，即各辊道组在钢板运动到来之前，辊道开始固定转速的转动，该固定转速的具体数值及 开始转动的时刻，由各辊道组的速度控制单元Cl根据给定的钢板固定输送速度Vrt转换给 出。
[0020] 此时，精轧机、辊道、控制冷却装置的速度控制相关的控制单元的输入信号如下图 6所示。图中，辊道组传动电机M接收的三路信号中的实线表示实际起作用的输入信号，即 电机M执行了此路信号中的实时电机转速控制指令，虚线表示当时未起作用的输入信号。
[0021] 图6输运过程中轧机、辊道、控制冷却装置的速度控制相关的控制单元示意图。
[0022] 当钢板头部经过辊道上被称为交接点1的位置之后（见图，交接点位置通常位于 控制冷却装置前的第1-2组辊道组），钢板开始降速到零，然后等待钢板温度达到TMCP工艺 参数指定的冷却开始温度之后，钢板开始运动，以Vast的速度进入控制冷却装置。
[0023] 在此之前控制冷却装置已开始喷水，喷水集管的开启模式、水流量等控制参数，由 控制冷却装置的二级控制系统C2a中的冷却数学模型预先计算得到，开始冷却时的控制冷 却装置及钢板覆盖下的各辊道组的运动速度图（即，时间与速度关系的曲线）也是由冷却 数学模型预先计算给出。在开始冷却前，这些参数由控制冷却装置的二级控制系统C2a发 送给控制冷却装置的一级控制系统Cla。
[0024] 在钢板开始冷却后，控制冷却装置的控制系统Cla，Cla负责把钢板运行速度图转 换成控制冷却装的传动电机Ma和钢板移动所覆盖的各混道组传动电机M的实时电机转速 控制指令，并且根据安装在控制冷却装置后面的测温仪表的测量温度，实时调整Ma和和钢 板移动所覆盖的各辊道组传动电机M的实时电机转速控制指令，进行反馈控制。控制冷却 装置的二级控制系统C2a中冷却数学模型预先计算的速度图较复杂，由于本发明技术方案 中主要关心速度图中的开始冷却的速度Vast，可简化示意如下图（详细请见《中国中厚板 轧制技术与装备》，第10. 5节控冷数学模型）。
[0025] 图7控制冷却过程的钢板运行的速度图。
[0026] 在图7中，Al时刻钢板在进入控制冷却装置前的辊道上开始移动，A2时刻钢板进 入控制冷却装置开始冷却，此时的速度为Vast，即开始冷却时的钢板速度，钢板平稳运行一 段时间后，在A3时刻开始缓慢加速运行，直到A4时刻钢板离开控制冷却装置，完成控制冷 却过程，在A6时刻运行到热矫直机前的辊道上停止运动，准备开始矫直道次。上述的参数 Vast、AU A2、A3、A4、A5等都由控制冷却装置的二级控制系统C2a中的冷却数学模型计算 得到。此时，精轧机、混道、控制冷却装置的速度控制相关的控制单元的输入信号如下图8， 图中辊道组传动电机M接收的三路信号中的实线表示实际起作用的输入信号，即电机M执 行了此路信号中的实时电机转速控制指令，虚线表示当时未起作用的输入信号。
[0027] 图8控制冷却过程的轧机、辊道、控制冷却装置的速度控制相关的控制单元示意 图。
[0028] 本发明技术方案的目的是减少钢板从轧机输送到控制冷却装置过程中的温度下 降，所以从开始最后一个道次的轧制到钢板启动控制冷却，是本发明技术方案关心的过程， 有必要把整个过程中的自动化控制系统原有的钢板运行的速度图给予完整呈现。
[0029] 图9从开始最后一个道次的轧制到钢板启动控制冷却的整个过程的钢板运行的 速度图。
[0030] 图9中的RT2时刻为钢板头部经过辊道上的交接点位置，触发钢板在控制冷却装 置前的辊道上降速的时刻点，Vrt为控制单元Cl给出的钢板匀速输送速度。
[0031] 检索中厚板轧机和辊道的速度控制相关的专利和其他公开文献后，没有发现以减 少钢板从轧机输送到控制冷却装置过程中的温度下降为目的的技术方案。
[0032] 例如，一类技术方案关注的是解可逆轧机主传动电机和辊道电机的转动速度匹配 及确定辊道电机开始启动的合理时刻，简而言之，是精轧机和钢板移动所覆盖的各辊道组 传动电机之间的速度控制匹配协调。
[0033] 其较有价值的方案包括：西门