李娜

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司邯寶熱軋廠  河北  邯鄲  056003）

摘要：熱軋高強(qiáng)鋼成卷后頭尾與外界接觸，冷卻速率大于帶鋼中部，頭尾強(qiáng)度過高，在后續(xù)工序冷軋生產(chǎn)時(shí)極易出現(xiàn)軋機(jī)負(fù)荷大跳電、堆鋼等事故，因此帶鋼頭尾卷取溫度補(bǔ)償?shù)腢型冷卻普遍應(yīng)用在高強(qiáng)鋼系列鋼種的溫度控制中。實(shí)際生產(chǎn)U型冷卻出現(xiàn)帶鋼無干頭、干頭段后卷取溫度低于目標(biāo)值等問題。結(jié)合U冷控制中實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題，對(duì)CTC數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化、應(yīng)用過渡段溫度補(bǔ)償功能、改進(jìn)高強(qiáng)鋼軋制工藝等實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)鋼U型冷卻的精確控制，高強(qiáng)鋼通卷性能穩(wěn)定性顯著提升。

關(guān)鍵詞：700MPa級(jí)高強(qiáng)鋼；卷取溫度；U型冷卻；CTC模型；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

熱軋帶鋼卷取溫度對(duì)帶鋼組織性能影響很大，是決定成品帶鋼加工性能、物理性能和力學(xué)性能的重要參數(shù)之一。卷取溫度控制與帶鋼材質(zhì)、加熱溫度、冷卻水溫度、現(xiàn)場(chǎng)儀表控制精度等因素密切相關(guān)，控制對(duì)象具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性、大滯后和時(shí)變性等復(fù)雜性，時(shí)冶金企業(yè)過程控制中復(fù)雜程度最強(qiáng)、控制難度最高的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)^[1-3]。高強(qiáng)鋼軋制中需精確控制帶鋼的冷卻速度和卷取溫度以獲得理想的晶粒尺寸、金相組織和沉淀相^[4]。實(shí)際生產(chǎn)中熱軋700MPa及以上級(jí)別高強(qiáng)雙相鋼CR550/980DP、HC820/1180DP等鋼種卷取成卷后，帶鋼頭尾處于鋼卷內(nèi)外圈與外界接觸，冷卻速度與鋼卷中部帶鋼存在較大差異，而不同的冷卻速度導(dǎo)致其相變過程不同，這種不均勻性遺傳到后部工序，造成頭尾組織性能不合，成材率偏低。理論上講，采用帶鋼頭尾卷取溫度CT補(bǔ)償?shù)腢型冷卻控制方法可較好地解決帶鋼頭尾性能不合問題，但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)卷取溫度U型冷卻控制穩(wěn)定性較差，連續(xù)生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)個(gè)別鋼卷無干頭、干頭段后帶鋼卷取溫度CT低于目標(biāo)值；2.5mm以下薄規(guī)格產(chǎn)品終軋溫度FDT目標(biāo)值高，采用不使用機(jī)架間冷卻水軋制工藝，帶鋼運(yùn)行速度較慢，冷卻工藝不合理，帶鋼干頭段、熱尾段實(shí)測(cè)卷取溫度低于目標(biāo)值等問題。本文結(jié)合高強(qiáng)鋼U型冷卻技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中存在的無干頭、干頭段后卷取溫度低等問題，通過優(yōu)化CTC模型控制過程，應(yīng)用高強(qiáng)鋼過渡段卷取溫度補(bǔ)償技術(shù)，優(yōu)化薄規(guī)格高強(qiáng)鋼冷卻工藝等，使得高強(qiáng)鋼通卷帶鋼冷卻速率一致，逐步提高高強(qiáng)鋼性能的穩(wěn)定性。

1  U型冷卻工藝

帶鋼經(jīng)卷取后，頭尾與帶體以不同速率冷卻，頭尾與空氣接觸面積更大，相比帶體處于空冷狀態(tài)；帶體部分位于鋼卷內(nèi)部，冷卻方式相對(duì)緩慢。一般緩冷帶鋼的屈服強(qiáng)度和伸長率均高于空冷帶鋼^[5、6]。為減小高強(qiáng)鋼成卷后帶鋼內(nèi)外圈即帶鋼頭尾與空氣接觸冷卻速率高于帶鋼中部對(duì)產(chǎn)品性能造成的影響，卷取溫度U型冷卻控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于熱軋高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)。U型冷卻技術(shù)即是在工藝下發(fā)帶鋼目標(biāo)卷取溫度的基礎(chǔ)上，在帶鋼頭尾一定長度內(nèi)補(bǔ)償一定量的溫度，帶鋼頭尾卷取溫度目標(biāo)值高于帶鋼中部。控制原理圖如圖1。

圖1

2  U型冷卻在實(shí)際生產(chǎn)中的難點(diǎn)

2.1高強(qiáng)鋼干頭長度設(shè)定在30-99米，研發(fā)初期CTC模型干頭長度最長控制在20米，數(shù)學(xué)模型不具備高強(qiáng)鋼U冷控制能力；同時(shí)原模型溫控代碼為10個(gè)，主要用于普通鋼種的控制，而高強(qiáng)鋼U冷技術(shù)針對(duì)不同牌號(hào)高強(qiáng)鋼所需的干頭段、熱尾段長度及補(bǔ)償溫度不同，模型不能適應(yīng)多品種高強(qiáng)鋼多樣化軋制工藝要求。

2.2 CR550/980DP雙相鋼具有低屈服強(qiáng)度、高抗拉強(qiáng)度和良好的成形性能等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件，成為轎車用首選高強(qiáng)鋼，在應(yīng)用U型冷卻工藝軋制初期CR550/980DP高強(qiáng)鋼2.5mm以下薄規(guī)格產(chǎn)品軋制時(shí)模型設(shè)定60米干頭，但在控制中出現(xiàn)帶鋼頭部60米卷取溫度只在CT目標(biāo)值達(dá)不到720℃的理想溫度，控制曲線如圖2所示：

圖2

2.3 HC420/780DP等雙相鋼軋制時(shí)60米干頭溫度在770℃，控制較好，干頭段后目標(biāo)卷取溫度為620℃，但實(shí)際控制在520℃左右，該長度段內(nèi)帶鋼溫度過低影響后序工序軋制及設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，尾部熱尾控制不明顯，溫度基本在目標(biāo)值上限。該問題在其他U型冷卻控制的鋼種同樣存在，卷取溫度控制曲線如圖3：

圖3

3  U型冷卻在實(shí)際生產(chǎn)中的優(yōu)化及應(yīng)用

3.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)多工藝U冷控制

CTC模型配置文件中對(duì)帶鋼干頭長度限定為20米，程序設(shè)定在設(shè)定值大于改值時(shí)不再進(jìn)行計(jì)算；對(duì)此，把該限定值進(jìn)行放大，編制程序在該值放大后模型進(jìn)行跟蹤及帶鋼長度的計(jì)算；同時(shí)在數(shù)據(jù)字典Data Dictionary中對(duì)參數(shù)f_DryHdLenMax數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行擴(kuò)大，由20擴(kuò)大到100，可根據(jù)不同高強(qiáng)鋼的工藝要求，實(shí)現(xiàn)干頭長度的靈活控制。編制控制程序，在帶鋼干頭長度設(shè)定在100米內(nèi)時(shí)進(jìn)行跟蹤及計(jì)算，并在設(shè)定干頭長度軋制完成后實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼的冷卻控制。

原始CTC模型頭尾補(bǔ)償模型表只有10個(gè)代碼對(duì)帶鋼頭尾分類控制，現(xiàn)在熱軋牌號(hào)已經(jīng)到506個(gè)，不同牌號(hào)采用U型冷卻鋼種對(duì)頭尾溫度控制采取的補(bǔ)償方式存在多樣化，原始模型控制能力嚴(yán)重不足，并且由于CTC模型控制功能有限，帶鋼頭尾卷取溫度不具備自學(xué)習(xí)功能，實(shí)際生產(chǎn)中該功能沒有發(fā)揮作用，只是在需要U型冷卻時(shí)臨時(shí)人工調(diào)整，但還需把鋼種限定到固定家族，弊端較多，不能實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)控制。開發(fā)新模型表CTC060102_Head Tail Cooling Parameters取代原CHHT模型表，新模型表中擴(kuò)展冷卻代碼到100個(gè)，并增加了帶鋼尾部熱尾控制功能；新模型表中頭、尾補(bǔ)償代碼分開控制，同一鋼種頭、尾可設(shè)定不同的頭部代碼及尾部代碼，較原模型頭、尾同一代碼相比，有較大的靈活性。

3.2優(yōu)化高強(qiáng)鋼薄規(guī)格帶鋼軋制工藝

圖2鋼卷軋制過程中CTC模型設(shè)定集管開啟支數(shù)為0（如圖4所示），即整個(gè)軋制過程不進(jìn)行冷卻水冷卻，在150米層冷輥道帶鋼處于單獨(dú)空冷狀態(tài)，此時(shí)帶鋼與周圍介質(zhì)的換熱包括輻射散熱、與空氣的對(duì)流散熱以及帶鋼和與其接觸的輥道之間的接觸散熱等，隨著帶鋼在空氣逗留時(shí)間的增加不斷地通過輻射形式散失熱量，造成帶鋼溫度降低。該牌號(hào)帶鋼溫度不經(jīng)層流冷卻直接由F7精軋機(jī)出口915℃下降到680℃以下，輻射散熱量較大；從LOG數(shù)據(jù)中查出該卷帶鋼穿帶速度為9.1m/s，因此提高卷取溫度必須依靠提高帶鋼軋制速度以使CTC模型存在一定的調(diào)整空間。

圖4 高強(qiáng)鋼層冷集管開啟情況

針對(duì)此問題對(duì)控制工藝進(jìn)行調(diào)整，該規(guī)格終軋溫度由915℃調(diào)整到940℃，帶鋼出爐溫度嚴(yán)格控制不超過1250℃，粗軋工藝采用1、2、4、5四道除磷，卷取溫度目標(biāo)值680℃，采用后段間隔冷卻工藝，冷卻代碼設(shè)定為9；同時(shí)對(duì)帶鋼穿帶速度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)定，針對(duì)不同厚度規(guī)格計(jì)算出對(duì)應(yīng)的最優(yōu)穿帶速度，并在模型表進(jìn)行設(shè)定；通過大量數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算CR550/980DP牌號(hào)2.3mm厚度規(guī)格最優(yōu)穿帶速度設(shè)定為10.6 m/s，其他厚度規(guī)格設(shè)定不同的最優(yōu)穿帶速度以確保卷取溫度實(shí)現(xiàn)U型冷卻控制。

3.3開發(fā)U冷過渡段溫度補(bǔ)償控制功能

圖3所示高強(qiáng)鋼頭部60米干頭控制較好，在60米后熱軋卷取溫度降低，此段帶鋼殘余應(yīng)力較大、同時(shí)由于卷取溫度降低帶鋼強(qiáng)度增大 ，該卷60米后在下道工序冷軋軋制時(shí)軋制力波動(dòng)大，軋制不穩(wěn)定，易發(fā)生軋破、堆鋼等事故。該問題在U冷工藝軋制的鋼種中普遍存在，嚴(yán)重影響了高強(qiáng)鋼批量、穩(wěn)定生產(chǎn)。

針對(duì)此問題開發(fā)了高強(qiáng)鋼過渡段及帶鋼尾部段溫度補(bǔ)償控制功能，實(shí)現(xiàn)CTC模型對(duì)帶鋼四段溫度控制功能。U冷模型控制四段式冷卻，第一段干頭長度為L；第二段過度段長度為LU1，補(bǔ)償溫度TU1；第三段為中間段，每卷帶鋼控制長度不同，控制溫度為下發(fā)的軋制工藝溫度；第四段為帶尾溫度補(bǔ)償段，長度LU2，補(bǔ)償溫度TU2。不同鋼種根據(jù)軋制實(shí)際控制情況，各段長度及補(bǔ)償溫度設(shè)定不同?，F(xiàn)軋制U冷雙相鋼工藝要求干頭長度為60米。在模型源程序中編寫過度段控制程序，軋制時(shí)系統(tǒng)對(duì)帶鋼頭部進(jìn)行跟蹤，跟蹤長度在60米內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定層冷集管開啟支數(shù)為0，不進(jìn)行帶鋼冷卻，為帶鋼第一段干頭控制區(qū)域；當(dāng)跟蹤長度大于60米時(shí)，進(jìn)入過度段跟蹤，過度段的長度及補(bǔ)償溫度可根據(jù)各個(gè)鋼種實(shí)際控制情況進(jìn)行設(shè)定，例如HC420/780DP雙相鋼設(shè)定過渡段長度為20米補(bǔ)償溫度為20℃，系統(tǒng)對(duì)卷取溫度控制值為目標(biāo)CT+20℃，根據(jù)此值計(jì)算層冷集管開啟支數(shù)；在系統(tǒng)對(duì)過渡段跟蹤長度大于20米時(shí)，模型進(jìn)入帶鋼中間段進(jìn)行控制，此段帶鋼卷取溫度為三級(jí)PDI下發(fā)目標(biāo)溫度，模型根據(jù)目標(biāo)卷取溫度計(jì)算層冷集管開啟支數(shù)并下發(fā)以及執(zhí)行，根據(jù)高溫計(jì)實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制層冷精調(diào)段集管開啟；U型冷卻模型根據(jù)鋼種工藝要求對(duì)帶尾可設(shè)定不同的補(bǔ)償長度及補(bǔ)償溫度，HC420/780DP雙相鋼設(shè)定尾部60米補(bǔ)償40℃，在系統(tǒng)跟蹤到帶鋼尾部40米長度處，模型對(duì)帶鋼卷取溫度控制值為目標(biāo)CT+40℃系統(tǒng)根據(jù)帶鋼運(yùn)行速度、卷取溫度控制值計(jì)算此時(shí)所需的集管開啟支數(shù)并下發(fā)一級(jí)。

4 優(yōu)化實(shí)施效果

根據(jù)各高強(qiáng)鋼U型冷卻實(shí)際控制情況對(duì)CTC模型控制程序、軋制工藝等參數(shù)優(yōu)化后，開發(fā)U型冷卻測(cè)咯，可以根據(jù)不同鋼種、不同厚度靈活設(shè)定帶鋼長度方向上的溫度補(bǔ)償段及補(bǔ)償長度，以彌補(bǔ)由于鋼卷心表散熱不均造成的性能差異。圖5為U型冷卻技術(shù)優(yōu)化實(shí)施后帶鋼卷取溫度控制曲線，四段式冷卻技術(shù)杜絕了高強(qiáng)鋼成卷后內(nèi)外圈冷卻速率過快造成帶鋼頭尾強(qiáng)度過大、后續(xù)工序軋機(jī)負(fù)荷過大引起堆鋼事故的發(fā)生，實(shí)際應(yīng)用效果較好。

圖5

5 結(jié)論

1、對(duì)CTC模型配置程序重新進(jìn)行編寫，對(duì)帶鋼干頭長度放大到100米，編寫程序在該值放大后模型進(jìn)行跟蹤及帶鋼長度的計(jì)算；對(duì)帶鋼頭尾溫度補(bǔ)償代碼擴(kuò)充到100個(gè)，適應(yīng)多品種高強(qiáng)鋼軋制工藝要求；DBS數(shù)據(jù)庫增加鋼種單獨(dú)設(shè)定U冷控制功能，避免鋼種間的相互干擾；

2、優(yōu)化軋制工藝及帶鋼軋制速度，確保高強(qiáng)鋼薄規(guī)格產(chǎn)品干頭控制精確；針對(duì)不同厚度規(guī)格計(jì)算出對(duì)應(yīng)的最優(yōu)穿帶速度，并在模型表進(jìn)行設(shè)定；通過大量數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算CR550/980DP牌號(hào)2.3mm厚度規(guī)格最優(yōu)穿帶速度設(shè)定為10.6 m/s，其他厚度規(guī)格設(shè)定不同的最優(yōu)穿帶速度以確保卷取溫度實(shí)現(xiàn)U型冷卻控制。

3、增加干頭過度段溫度補(bǔ)償功能，研發(fā)帶鋼卷取溫度四段控制軋制技術(shù)；在模型源程序中編寫過度段控制程序，軋制時(shí)系統(tǒng)對(duì)帶鋼頭部進(jìn)行跟蹤，跟蹤長度在60米內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定層冷集管開啟支數(shù)為0，不進(jìn)行帶鋼冷卻，為帶鋼第一段干頭控制區(qū)域；當(dāng)跟蹤長度大于60米時(shí)，進(jìn)入過度段跟蹤，過度段的長度及補(bǔ)償溫度可根據(jù)各個(gè)鋼種實(shí)際控制情況進(jìn)行設(shè)定。

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