CN104226698A - 一种带钢终轧温度前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带钢终轧温度前馈控制方法，其将带钢沿长度方向分为1,2,3……m，……，n共N段，对于当前控制段第m段根据下述公式确定带钢冷却水流量调整量：

Description

一种带钢终轧温度前馈控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制方法，尤其涉及带钢的终轧温度控制方法。 

背景技术

带钢在轧制的过程中，为了控制产品质量需要对带钢的热轧终轧温度进行控制。目前，热轧终轧温度控制主要有三种方式： 

1.在一些老式轧线机架间的冷却水是开关式控制，只有全开和全关两种状态，水量在带钢轧制过程中不可以连续变化。因此，终轧温度控制主要采用调节带钢的轧制速度，如果终轧温度低，则提高轧制速度；如果终轧温度高则保持当前的轧制速度，利用带钢温度头部温度高，后续温度逐步降低的特点，降低终轧温度。 

2.机架间的冷却水可以连续调节，根据终轧温度的高低，增加或者减少冷却水流量，从而起到温度调节的作用。 

3.综合上述两种控制方法，即同时使用调节速度的方式和调节水量的方式来控制终轧温度。 

在目前终轧温度的控制中，无论是以上哪种控制方式，都是采用反馈控制，即根据精轧后的实测温度来调节速度或者冷却水流量。其中，调节速度控制终轧温度的优点是温度调节速度快，温度变化平稳；缺点是频繁调节速度会导致轧制稳定性变差，容易造成生产事故，而且速度的变化对于层流冷却的温度控制也会带来影响。而通过调节机架间冷却水控制终轧温度的优点是提高轧制稳定性，带钢轧制速度按照轧制规程中制定的速度规程轧制，可以最大限度提高层冷温度控制精度；缺点是温度调节响应慢、延时比较大，容易出现超调，温度波动比较大。 

目前反馈控制基本均采用PI控制器，虽然仅利用反馈控制也能够达到控制要求，但是从控制效果中可以看出，速度控制会影响轧制稳定性，层冷温度控制因速度变化会受到较大的影响，从而可能会影响带钢的性能指标，而 调整冷却水流量控温也存在响应速度慢，温度波动大的缺点。 

公开号为CN102145349，公开日为2011年8月10日，名称为“一种稳定控制取向硅钢终轧温度的方法”的中国专利文献公开了一种稳定控制取向硅钢终轧温度的方法，其通过增加中间坯厚度，将取向硅钢比其他相同成品规格钢种的中间坯厚度增加5％～10％；精轧前中间坯头、尾采用单排除鳞，精轧机架间冷却水采取依次打开的浇水方式；精轧采取升速轧制和大抛钢速度，减少终轧温度波动，保证取向硅钢终轧温度控制的稳定性，使取向硅钢终轧温度波动范围稳定控制在20℃以内。 

公开号为CN102069095，公开日为2011年5月25日，名称为“一种基于统计学习的精轧终轧温度预测和控制方法”的中国专利文献提供了一种基于统计学习的精轧终轧温度预测和控制方法，该方法在每个控制周期，首先以穿带速度和指定机架水量为自变量，终轧温度为因变量，用精轧过程数据建立统计学预测模型，对终轧温度进行实时预测；然后在预测模型的预测值与实际值变化趋势一致的前提下，基于给定终轧目标温度和预测模型，采用滚动时域优化算法，给出水量的有限时域滚动优化控制决策。 

发明内容

本发明的目的是提供一种带钢终轧温度前馈控制方法，其综合考虑带钢的目标温度与带钢头部实测温度的偏差、带钢长度方向上的不同温度，以及轧制过程中的速度变化、水量变化，以动态调整精轧机架间的冷却水流量，尽量消除来料温度变化、轧制速度变化对带钢温度的影响，从而减小反馈控制的调节量，保证带钢全长温度在控制目标范围内，提高带钢终轧温度的控制精度。 

为了实现上述目的，本发明提供了一种带钢终轧温度前馈控制方法： 

将带钢沿长度方向分为1,2,3……m，……，n共N段，对于当前控制段第m段根据下述公式确定带钢冷却水流量调整量： 

$\mathrm{\ΔQ}=({\mathrm{\ΔT}}_p+{\mathrm{\ΔT}}^m)*\frac{\∂F}{\∂T}+\mathrm{\ΔV}*\frac{\∂T}{\∂V}+\frac{\∂F}{\∂T}+\mathrm{\ΔF}---\left(1\right)$

控制***执行冷却水流量调整量ΔQ以对带钢当前控制段进行冷却。 

在式（1）中： 

ΔT_p（℃）为第1段带钢在精轧出口的实测温度T_c（即精轧出口测温仪测得的带钢表面温度）与设定的目标温度T_tgt的偏差，即 

ΔT_p＝T_tgt-T_c；    (2) 

ΔT^m（℃）为第m段带钢在精轧入口处的平均温度与第1段带钢在精轧入口处的平均温度的温差，即 

${\mathrm{\ΔT}}^m=T_{\mathrm{ave}}^m-T_{\mathrm{ave}}^1---\left(3\right)$

在式（3）中，第m段带钢在精轧入口处的平均温度和第1段带钢在精轧入口处的平均温度均采用下述方法确定：将带钢在厚度方向上分为1,2,3……i，……，j共J层，则带钢的平均温度T_ave为 

$T_{\mathrm{ave}}=\frac{(\frac{T_1}{2}+T_2+\·\·\·\·\·\·+T_i+\·\·\·\·\·\·+\frac{T_j}{2})}{j-1}---\left(4\right)$

式（4）中，T₁、T₂、T_i和T_j分别对应在带钢厚度方向上第1层、第2层、第i层和第j层的温度，即T₁、T₂……T_i……T_j表示带钢温度在厚度方向上的分布，这些带钢在某一点或某一段厚度方向上的温度分布均是本领域内的技术人员根据现有技术可以很容易的获得的，因此在本技术方案中带钢在厚度方向上的温度分布均是已知的，另外对于厚度方向上所分的层数，一般来说，分层越多，则温度越精确，但是计算量也越大，因此本领域内的技术人员可以根据需要酌情选择j的数目，例如j=J=5； 

ΔV（m/s）为第m段带钢到达精轧出口测温处的速度与第1段带钢在精轧出口处的速度V_p1的偏差，即 

$\mathrm{\ΔV}=V_k^{,}-V_{p1}---\left(5\right)$

在式（5）中，V_p1为控制***给定的值，控制***获得该给定值的方法是本领域内技术人员熟知的现有技术，因此本文在此不再赘述；而第m段带钢到达精轧出口处的速度则可以通过下述模型确定： 

$S=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{k-1}(h_i\×L_i)}{h_k}+s_0$

$V_k^{\′}=\sqrt{{\left(V_k\right)}^2+2\×a\×S}---\left(6\right)$

式（6）中，h_i（m）为测得的带钢在第i个精轧机架处的出口厚度，L_i（m）为固有的第i个精轧机架的轧辊中心到第i+1个精轧机架轧辊中心的距离，h_k（m）为测得的带钢在最后一个精轧机架处的出口厚度，s₀（m）为最 后一个精轧机架的轧辊中心到精轧出口处测温点的距离，V_k（m/s）为可获知的在最后一个精轧机架处的当前带钢的速度，a为可获知的带钢当前加速度，其也为标准单位；对于一般精轧机来说，精轧机架有从F1-F7七个，因此一般k=7； 

ΔF（m³/h）为第m段带钢到达精轧机入口处时当前冷却水的实际流量F_c与控制***给定的第1段带钢实际冷却水流量F_p1的偏差，即； 

ΔF＝F_c-F_p1    (7) 

在式（7）中，给定值F_p1是本领域内的技术人员根据现有技术很容易就可以获得的，F_c是实测值； 

为冷却水流量对温度的感度，即冷却水的变化量与与之对应的温度变化量的比率； 

为带钢速度对温度的感度，即温度的变化量与与之对应的带钢轧制速度变化量的比率。 

上述冷却水流量对温度的感度可以通过下述公式获得： 

$\frac{\∂F}{\∂T}=\frac{\mathrm{\Δf}}{T_{\mathrm{ave}}^{1\′}-T_1^{\′}}---\left(8\right)$

在式（8）中，   （℃）表示给定的第1段带钢的平均温度，该平均温度是通过给定的第1段带钢在厚度方向上的温度分布而采用式（4）对应的平均温度的计算方法获得的，Δf（m³/h）为在第1段带钢给定的冷却水流量基础上任意增加的冷却水流量，T′₁（℃）表示在第1段带钢原有流量基础上增加Δf的水量后对应的第1段带钢的平均温度值，其也是采用本技术方案中提及的平均温度的算法求得的。 

需要说明的是，在本技术方案中，由于为冷却水流量对温度的感度，也就是说其为一斜率，因此算得冷却水流量对温度的感度的模型并不仅限于上述一种，本领域内的技术人员应当知晓，具有对应关系的冷却水流量变化 量和与之对应的温度变化量均可以算得冷却水流量对温度的感度。 

本技术方案中轧制速度（或称为走带速度，带钢行走速度，穿带速度等）对温度的感度可以通过下述公式获得： 

$\frac{\∂T}{\∂V}=\frac{T_{\mathrm{ave}}^{\max }-T_{\mathrm{ave}}^{1^{\′}}}{V_{\max }-V_1}---\left(9\right)$

在式（9）中，V₁（m/s）表示给定的第1段带钢穿带速度，其同样也是本领域内技术人员根据现有技术可以获得的，V_max（m/s）表示第1段带钢的最大轧制速度，该最大轧制速度是对应给定的轧制工艺下的固有限定值，因此其也是已知的，（℃）表示第1段带钢在最大轧制速度下的平均温度，其仍然通过带钢在厚度方向上的温度分布算得，（℃）表示第1段带钢在速度为V₁（m/s）下的平均温度，该平均温度是通过给定的第1段带钢在厚度方向上的温度分布而采用式（4）对应的平均温度的计算方法获得的。 

为了进一步提高本技术方案中温度的精确度，还可以采用测得的带钢某一段（例如第m段）的实测温度（即带钢表面温度）对该段带钢在厚度方向上的温度分布进行修正，将经过修正的温度T′₁作为T_i代入式（4）求得该段带钢的平均温度： 

$T_i^{\′}=T_m*\frac{T_i}{T_1}---\left(10\right)$

在式（10）中，T_m（℃）为该段带钢的实测温度，T₁（℃）为修正前的带钢在厚度方向上的第1层的温度，T_i（℃）为修正前的带钢在厚度方向上的第i层的温度。 

另外需要说明的是，本技术方案中第m段带钢在精轧入口处的平均温度 可以根据本技术方案中介绍的通过带钢厚度方向上的温度分布算得后，通过精轧机入口处的测温仪测得的实测温度进行修正后获得。 

但是，在实际的轧制过程中，带钢越靠近尾部其暴露在空气中的时间就越长，因此就越容易产生氧化铁皮，产生的氧化铁皮会使得测温仪测得的带钢温度准确性发生偏差，一般来说是偏低，因此优选地采用下述方法确定第m段带钢在精轧入口处的平均温度

根据式（10）和式（4）求得该第m段带钢的平均温度

$T_i^{\′}=T_m*\frac{T_i}{T_1}---\left(10\right)$

$T_{\mathrm{ave}}=\frac{(\frac{T_1}{2}+T_2+\·\·\·\·\·\·+T_i+\·\·\·\·\·\·+\frac{T_j}{2})}{j-1}---\left(4\right)$

同时根据第m段带钢在粗轧出口处的温度和其到达精轧入口处的空冷时间，获得第m段带钢在精轧入口处的平均温度

$T_{\mathrm{Ri}}^m=f\left(T_{s\′}{T}_{f\′}t\right)---\left(11\right)$

式（11）为计算辐射热传导的一维非稳态差分方程，其为本领域内技术人员熟知的空冷模型，故本文在此不再多做介绍。T_s（℃）为本领域内技术人员可以获知的第m段带钢在粗轧出口处厚度方向上的温度分布，T_f（℃）为环境温度，t为空冷时间，即在精轧入口处的测温时刻与粗轧出口处的测温时刻之差，   （℃）为经过空冷计算的第m段带钢在厚度方向上的温度分布，据此可以根据式（4）得到

然后，根据   得到第m段带钢在精轧入口处的平均温度也就是说比较选取二者中较大的值作为第m段带钢在精轧入口处的平均温度。 

本技术方案中的每一段带钢的控制长度本领域内技术人员可以酌情选择，例如每一段控制段均为1m。 

另外，需要说明的是，一般来说，带钢控制的第1段也称为带钢头部。 

本发明所述的带钢终轧温度前馈控制方法通过上述技术方案，有效消除了来料温度以及轧制速度变化对终轧温度的影响，减小了现有反馈控制对冷却水流量的大幅度调整，从而使得终轧温度更容易接近目标值。 

具体实施方式

以下将根据具体实施例对本发明所述的带钢终轧温度前馈控制方法做进一步说明，但是该说明并不构成对本发明的不当限定。 

表1和表2列出了本实施例中的带钢在精轧轧制控制前的各项给定数据： 

表1. 

	F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7
								机架出口厚度(mm)	28.57	19.32	14.02	10.44	8.19	6.66	6.0

[0060] 

各机架穿带速度(m/s)

1.49

2.2

3.03

4.07

5.19

6.38

7

表2. 

中间坯厚度	45.5mm
		终轧目标温度	880℃
允许最大轧制速度	9.9m/s
		F7中心到精轧出口测温仪的距离	10.8m
机架间距	5.5m

在带钢长度方向上每1m划分一个控制段，对于当前控制段第m段根据下述公式确定带钢冷却水流量调整量： 

$\mathrm{\ΔQ}=({\mathrm{\ΔT}}_p+{\mathrm{\ΔT}}^m)*\frac{\∂F}{\∂T}+\mathrm{\ΔV}*\frac{\∂T}{\∂V}*\frac{\∂F}{\∂T}+\mathrm{\ΔF}$

其中： 

（1）根据该带钢的终轧目标温度880℃和实际测量得到的带钢第1段在精轧出口处的温度885℃，得到 

△T_p＝T_tgt-T_c＝880-885＝-5i 

（2）头部穿带成功之后，后续控制段在进入F1机架的时候触发后续带钢与头部带钢在精轧入口处的温差计算： 

（2a）已经获知第6控制段在粗轧出口处的测量温度为1030℃，其在粗轧出口处厚度方向上的温度分布为[1025，1050,1085，1045,1022]，通过测量温度修正后的温度分布为T_s=[1030，1055，1090，1050，1027]，平均温度为1056℃，该第6段在粗轧出口处的测温时刻和精轧入口处的测温时刻间隔为30s（即空冷时间为30s），那么利用本领域内技术人员熟知的空冷模型将5层温度分布和空冷时间带入空冷模型，计算出的   

实际测得带钢第6段控制段在精轧入口处的温度为997℃，采用该实测温度对第6段控制段在厚度方向上的温度分布进行修正后得到  $T_{\mathrm{Fi}}^m=\left[\mathrm{997,1021,1055,1016,994}\right],$ 据此得到

$T_{\mathrm{ave}}^m=\mathrm{Max}(T_{\mathrm{Rave}}^m,T_{\mathrm{Fave}}^m)=\mathrm{Max}\left(\mathrm{1026,1022}\right)=1026$

因此本实施例中第6段控制段在精轧入口处的平均温度就应当为1026℃。 

（2b）已经获知带钢头部（即第1段）在精轧入口处测得的温度为1029 ℃，同时还获知第1段板坯的温度分布T_i ¹＝[1032，1055，1070，1056，1030]，采用式（10）对该温度分布进行修正，即 

$T_i^{\′}=1029*\frac{T_1^i}{1032}$

经过修正的第1段温度分布为： 

T′_i＝[1029，1052，1067，1053，1027] 

根据式（4）   算得第1段带钢在精轧入口处的平均温度为1050℃。 

（2c）计算当前第6段控制段在精轧入口处与带钢第1段控制段精轧入口处的温差： 

（3）计算速度对温度的感度 

控制***根据带钢第1段厚度方向上的温度分布T_i ¹、来料厚度t、初始穿带速度V_p0、初始冷却水流量F_p0、带钢变形功率P和终轧目标温度T_tgt得到   F_p1=436m³/h和V_p1（即下文中的V₁）=7m/s： 

$[T_{\mathrm{ave}}^{1^{\′}},T_i^{1^{\′}},F_{p1},V_{p1}]=f(T_i^1,t,V_{p0},F_{p0},P,T_{\mathrm{tgt}})$

该公式是本技术领域内常用的差分方程，是本领域内技术人员熟知的，因此本文不再对其进行展开描述。 

根据允许的最大轧制速度V_max=9.9m/s，控制***通过本领域内的现有技术计算得到的给定的V₁=7m/s，   以及控制***通过本领域内的现有技术计算得到的对应最大轧制速度   进行计算： 

（4）计算冷却水流量对温度的感度： 

在本实施例中，在第1段带钢给定的冷却水流量F_p1=436m³/h的基础上增加Δf=200m³/h的冷却水流量，控制***通过本领域内技术人员熟知的现有技术计算得到增加200m³/h的冷却水流量对应的第1段带钢的平均温度值为859℃，然后进行计算： 

（5）计算第6段带钢与第1段带钢的速度差 

在当前控制段第6段带钢进入精轧机架F1时，控制***采集的V₇为7.8m/s，当前加速度a=0.06m/s²，那么根据表1和式（6）可以计算出第6段带钢到达F7的速度V₇’： 

$S=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^6(h_i*L_i)}{h_7}+s_0$

$S=\frac{(28.57+19.32+14.0+10.44+8.19+6.66)*5.5}{6.0}+10.8=90.7m$

$V_{7=\sqrt{{\left(V_7\right)}^2+2*a*S}=\sqrt{{7.8}^2+2*0.06*90.7}=8.46(m/s)}^{\′}$

$\mathrm{\ΔV}=V_7^{\′}-V_{p1}=8.46-7.0=1.46(m/s)$

（6）计算第6段带钢到达精轧机入口处时采集到的当前冷却水的实际流量F_c=500m³/h与控制***给定的第1段带钢实际冷却水流量F_p1的偏差 

△F=F_c-F_p1＝500-436=64m³/h 

（7）由此计算ΔQ 

$\mathrm{\ΔQ}=({\mathrm{\ΔT}}_p+{\mathrm{\ΔT}}^m)*\frac{\∂F}{\∂T}+\mathrm{\ΔV}*\frac{\∂T}{\∂V}*\frac{\∂F}{\∂T}+\mathrm{\ΔF}$

$=(-5-24)*9.09+1.46*9.65*9.09+64$

$=-71.54m^3/h$

需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种带钢终轧温度前馈控制方法，其特征在于： 

将带钢沿长度方向分为1,2,3……m，……，n共N段，对于当前控制段第m段根据下述公式确定带钢冷却水流量调整量： 

控制***执行冷却水流量调整量ΔQ以对带钢当前控制段进行冷却； 

其中： 

ΔT_p为第1段带钢在精轧出口的实测温度与目标温度的偏差； 

ΔT^m为第m段带钢在精轧入口处的平均温度与第1段带钢在精轧入口处的平均温度的温差，所述平均温度采用下述方法确定：将带钢在厚度方向上分为1,2,3……i，……，j共J层；带钢的平均温度 T₁、T₂、T_i和T_j分别对应在带钢厚度方向上第1层、第2层、第i层和第j层的温度； 

ΔV为第m段带钢到达精轧出口测温处的速度与第1段带钢在精轧出口测温处的速度的偏差； 

ΔF为第m段带钢到达精轧机入口处时当前冷却水的实际流量与第1段带钢实际冷却水流量的偏差； 

为冷却水流量对温度的感度； 

为带钢速度对温度的感度。 

2.如权利要求1所述的带钢终轧温度前馈控制方法，其特征在于，采用下述模型确定冷却水流量对温度的感度： 

式中，   表示第1段带钢给定的平均温度，Δf为在第1段带钢给定的冷却水流量基础上任意增加的冷却水流量，T′₁表示第1段带钢在给定的冷却水流量基础上任意增加的冷却水流量Δf后对应的平均温度值。 

3.如权利要求1所述的带钢终轧温度前馈控制方法，其特征在于，采用下述模型确定速度对温度的感度： 

式中，V₁表示第1段带钢的给定穿带速度，V_max表示第1段带钢的最大轧制速度，   表示第1段带钢在最大轧制速度下的平均温度，   表示第1段带钢在速度V₁下的带钢平均温度。 

4.如权利要求1所述的带钢终轧温度前馈控制方法，其特征在于，采用测得的带钢某一段的实测温度对该段带钢在厚度方向上的温度分布进行修正，将经过修正的温度T′₁作为T_i求得该段带钢的平均温度： 

式中，T_m为该段带钢的实测温度，T₁为修正前的带钢在厚度方向上的第1层的温度，T_i为修正前的带钢在厚度方向上的第i层的温度。 

5.如权利要求1所述的带钢终轧温度前馈控制方法，其特征在于，第m段带钢到达精轧出口测温处的速度V_k’通过下述模型确定： 

式中，h_i为带钢在第i个精轧机架的出口厚度,L_i为第i个精轧机架的轧辊中心到第i+1个精轧机架轧辊中心的距离，h_k为带钢在最后一个精轧机架处的出口厚度，s₀为最后一个精轧机架的轧辊中心到精轧出口处测温点的距离，V_k为在最后一个精轧机架处的当前带钢的速度，a为带钢当前加速度。 

6.如权利要求5所述的带钢终轧温度前馈控制方法，其特征在于，所述k=7。 

7.如权利要求1所述的带钢终轧温度前馈控制方法，其特征在于，采用下述方法确定第m段带钢在精轧入口处的平均温度

根据第m段带钢的实测温度修正该段带钢在厚度方向上的温度分布，将经过修正的温度T′₁作为T_i，求得该第m段带钢的平均温度其中T_m为该段带钢的实测温度，T₁为修正前的带钢在厚度方向上的第1层的温度，T_i为修正前的带钢在厚度方向上的第i层的温度： 

根据第m段带钢在粗轧出口处的温度和其到达精轧入口处的空冷时间，获得第m段带钢在精轧入口处的平均温度

根据   得到第m段带钢在精轧入口处的平均温度 

8.如权利要求1所述的带钢终轧温度前馈控制方法，其特征在于，带钢的每一段控制段均为1m。 

9.如权利要求1所述的带钢终轧温度前馈控制方法，其特征在于，所述j=J=5。