來源：世界金屬導報
武鋼CSP短流程產線目前已經生產出雙相鋼系列DP600、DP780以及DP1180等，基於DP系列材料制定全新的工藝路線及生產製造過程控制核心參數，利用現有的分段冷卻控制模型與空冷段設計布局、精確的冷卻計算速率公式，以及科學合理的冷卻策略和空冷段長度的設計，來實現不同牌號鋼種性能的精準控制，克服了短流程產線在生產DP系列鋼種中存在的固有困難，為CSP在雙相鋼、特殊鋼等產品的生產、開發奠定基礎。
武鋼CSP產線全套採用德國SMSD技術，產品厚度規格：0.8-12.7mm，生產能力250萬噸/年，於2009年5月全線投產運行。產線軋鋼部分主要由兩座輥底式均熱爐、一台40MPa高壓除鱗機、立輥、七機架熱連軋機、層流冷卻、兩台地下卷取機、鋼卷在線檢查線、鋼卷運輸線及輔助設備組成。層流冷卻是控制板帶鋼組織性能的核心設備之一。
1 武鋼CSP層流布置及功能介紹
1.1 CSP層流冷卻設備分布及功能
CSP層流冷卻裝置布置根據所處理板帶的厚度，軋制速度和溫降來確定。層流冷卻裝置主要由上部噴水機構和下部噴水機構及側噴機構組成，其中，上下噴水機構由8段粗調和2組精調組成，側噴12組（最後一組為雙組布置，確保雙相鋼大流量層流後的切水效果）。CSP層流冷卻裝置布置簡圖如圖1，本產線層流冷卻裝置採用西馬克與產線相關專家共同設計完成，冷卻區域的範圍定義為從精軋末機架F7後的測量位置開始到卷取機前的測量位置為止。層流冷卻區劃分為精調段、微調段和空冷段三部分，出精軋機後為微調前段，然後為空冷段，再為微調後段，最後為精調段，具體布置如下。
1.2三段冷卻的含義及控制
1）空冷段的設計優勢
以往國內多數鋼廠層流冷卻都是連續排布，中間沒有空冷段和中間測溫計，控制採用溫度前饋加溫度反饋的控制方式。為了提高控制精度及多品種鋼的開發應用，CSP層流冷卻設計在常規控制系統的設計中引入了反饋控制系統，以彌補前饋控制的不足。這種反饋補償，存在「時滯性」及從檢測到溫度超差到實際調整恢復的過程中，出現的溫度超差區偏長，這個溫度超差區的組織性能波動較大，這個異常是無法挽回的。在設計之初，為降低「時滯性」帶來的影響，在層流冷卻的微調段之間設置空冷段，並加裝了兩個高溫計，實現微調階段的反饋控制，實現了微調水量的準確控制。
層流模型利用精軋出口高溫計的測量值，對微調段所設的噴水集管數量進行動態調整，以確保帶鋼進入空冷段前處於一個穩定溫度值。帶鋼在經過空冷段時，可消除由FT7、帶鋼運行速度、厚度波動等問題帶來的異常影響，在空冷段形成一個比較穩定的「中間溫度」值，同時可利用空冷段高溫計所測量的實際溫度值來影響模型對微調段及精調段冷卻水量的控制。因空冷段及中間高溫計的存在，帶鋼可在一個比較穩定的溫度基礎上進行測量調節，很好地規避了反饋控制的「時滯性」，得到較好的控制結果。
空冷時帶鋼在長度和寬度方向上的傳熱條件比較一致，故可認為長度和寬度方向的溫度均勻分布，帶鋼厚度較薄，在一定的厚度範圍內，認為厚度方向上的溫度相同，因此帶鋼空冷過程可以簡化為零維非穩態導熱問題，空冷模型的精度一定程度上影響著水冷的控制精度。
式中，θair：帶鋼空冷後的溫度，℃；ε：軋件黑度係數；σ：玻爾茲漫常數，W/（mk）；△t：精軋出口到卷取機前帶鋼運行時間，s；Cp：比熱，kJ/（kg℃）；γ：密度，kg/m3；h：帶鋼厚度，mm；θth：精軋出口溫度，℃。
2）水冷段控制
層流冷卻集管裝置功能是：帶鋼經過精軋機組軋制後，進入層流冷卻區域；層流冷卻基礎自動化系統及過程控制系統通過實時控制層流冷卻上下集管裝置水量配比及水量分布，將熱軋帶鋼冷卻到工藝要求的卷取溫度，使其力學性能和金相組織結構達到預定的質量要求。
精調段冷卻：適用於有抗拉強度級別要求的硬質鋼產品以及合金鋼。
微調段冷卻：適用於進一步加工的軟質材料以及部分冷軋產品。
根據帶鋼卷取溫度的實測值與目標值的偏差，通過動態調節集管的開關來消除溫度偏差，提高帶鋼的卷取溫度精度。
每個集管所產生溫降模型為：
式中， g：比重，kg/m3；Cp：比熱，kJ/kg℃；HF：帶鋼厚度，mm；V：夾送輥線速度，m/s；QXF：每個精調集管熱流密度，kJ/m2h；lu：每個精調集管長，m。
2 武鋼CSP雙相鋼的生產特點
精軋溫度、中間溫度、空冷時間、卷取溫度和軋制速度的精確控制是熱軋雙相鋼生產的關鍵，是冷卻過程的重要控制目標。武鋼CSP開發DP系列雙相鋼的最大難點是空冷時間、中間溫度及卷取溫度的控制。武鋼CSP熱軋高強度雙相鋼生產採用前段冷卻+空氣冷卻+後段冷卻策略，結合多次熱模擬試驗和工業試驗，最終冷卻工藝參數見表1。
利用CSP層流冷卻系統的獨特優勢，結合雙相鋼生產技術，成功開發出熱軋雙相鋼DP600、DP780、DP1180，產品性能穩定，最薄厚度1.2mm，不良率≤0.65%。它具有成本低、強度高、板厚薄、屈強比低等特點，其性能和質量達到了冷軋同級別雙相鋼的標準要求。在汽車工業中推廣用熱軋基材代替冷軋基材完成冷輾擴工藝具有重要意義。
3 層流控制模型
層流冷卻段的控制主要依靠設定模型和反饋控制模型，設定模型在帶鋼進行軋制前就計算完成，反饋控制模型是在開始冷卻後發揮作用。模型運作機制如圖2所示，模型運行時的數據管理（過濾和驗證）通過反饋控制模型進行管理。反饋控制模型在每200ms的一個運算周期內和L1進行數據通訊，比如速度、溫度、水閥的設置等。這兩種模型的差異主要取決於他們的運行方式。
3.1預報模型
預報模型是反饋控制模型進行設定的過程，預報模型的計算依賴於實測的軋制數據如速度、軋機出口速度以及反饋的實測卷取溫度等，預報模型的計算數據將直接用於模型內核計算，來完成溫度控制及帶鋼跟蹤預算。運行過程如圖2所示。
3.2自學習模型
自學習模型的目的就是使理論計算和卷取溫度實測值兩者差值最小化。主要有兩種自學習值：長期自學習值（LTAD）是為了使實際和理論差值最小化，短期自學習值（STAD）是利用前一塊同鋼種同規格的頭部溫度偏差值，來修正下一塊頭部溫度的計算模型。一般來講短期自學習值是用來補償實際生產中的一些環境因素而導致的設定誤差，比如輸出輥道冷卻、檢修後的復產、工作輥的冷卻等。短期自學習和長期自學習的意義不同，所以他們發生作用的時機也不同。短期自學習是修正設定偏差，它幾乎與設定模型同時發生作用。長期自學習的目的是優化不同模型之間理論計算和實際結果的差異。它是通過執行模型穩定計算的必要條件，長期自學習作用在帶鋼的中部。相比之下，短期自學習的作用時間在長期自學習之前，如圖3所示。
3.3自學習模型的數據交換
圖4簡要地展示了自學習模型中的數據交換過程，自學習模型從設定模型中接受輸入輸出數據，將設定模型的計算結果（如水閥的設置、分類、已算得的自學習係數等）傳給溫度控制模型，同時自學習模型接收從控制模型反饋來的帶鋼瞬時狀態下的檢測數據（包括速度、溫度、水量等）。
自學習模型的輸入量：
1）MDI（模型輸入數據）：計算的速度、化學成分、水閥和側噴的設置，響應的時間，厚度及頭部溫度的預報值，冷卻策略等；
2） MDO（模型輸出數據）：自學習模型分類，水量控制輸入輸出，帶鋼瞬時的預報溫度；
3）PST（過程信號跟蹤）：水溫，實測速度，實測終軋溫度，實測厚度，實際水量。
3.4自學習的計算優化
冷卻模型如何精準、穩定的控制層流溫度，降低或消除由異常工況、工藝參數及設備狀態的改變等不利因素帶來的干擾，是自學習模型存在的關鍵。自學習模型的優化是基於大量的數據統計，區分不同軋制過程、工藝參數、產品結構及設備狀態下的系統性改善。
模型計算在自學習值未參與其中計算時也能正常進行運行，帶鋼在輸出輥道進行冷卻時，某一瞬時內，水閥打開在此瞬時狀態里為帶鋼進行冷卻，利用微分計算原則，人為將整個帶鋼劃分為若干段，計算每段冷卻控制數據，將計算結果與高溫計值進行差值計算，導入自學習模型。
ModelError = Tmeas - Tcalc
1）純粹物理計算不需要任何自學習值參與，從而計算出結果便於得出模型誤差。
2）將模型誤差通過熱傳導係數轉換為修正值。
a = a0 × （1 + LTAD）
3）再次做第一次的計算並且加入得出的修正值，得到第二個模型誤差。
ModelError2 = Tmeas- Tcalc
|ModelError2|<
|ModelError1|
當溫度誤差在給定範圍（2℃）內時，自學習值就認為誤差有效，不做干預，如果溫度誤差超出給定範圍，就進行再次計算，得出水量調整的時間和大小，修正預報模型計算結果。
4）原有的長期自學習模型是簡單的將歷史數據中自學習調整值的平均值（式（1）），按鋼種規格以及成品參數劃分到不同的自學習陣列中，隨著軋制量的增加長期自學習值也同樣進行優化和更新（式（2））。基於該原理，對長期自學習做了相關調整，通過外置計算程序，對干擾較大或存在明顯計算偏差的短期自學習值做相應的處理，避免了因設備故障及工藝參數錯誤等導致的溫度控制偏差較大的帶鋼短期自學習值直接進入長期自學習模型，導致長期自學習模型混亂。
LTADStrips = （LTAD1 + LTAD2 + LTAD3 + LTAD4 + LTAD5） / 5 （1）
LTADMatrix（n+1）= LTADMatrix（n） + （LTADMatrix（n） - LTADStrips） × Gain（StripCounter）
（2）
3.5分段控制模型應用
原有的控制模型是通過精軋和卷取傳遞的過程信號來控制，經過反饋控制模型的計算將結果反饋給水閥，進行控制，形成一個大的閉環控制，這種控制的優點是簡單直接，控制功能模塊較明確，缺點是針對性不強，控制精度較差。因為整個層流冷卻段只通過兩個高溫計在首尾作用，帶鋼在冷卻過程中會受到各種客觀條件的影響（如水流量、水壓等），導致溫度可能一直無法處於一個穩定的狀態。
為此，提出了分段控制的概念，在精軋高溫計和卷取高溫計之間採用一個高溫計作為新的控制點，實際上可以認為這是一個校正控制高溫計，把這個高溫計安放在空冷段，一方面受水汽影響較小，便於測溫；一方面保證控制間距合適。其控制思想是，三點雙閉環，中部高溫計相應也有一個目標溫度，在帶鋼正常設定完成之後，冷卻過程中，三個高溫計同時採集各自的過程信號，中部高溫計同樣按照反饋思路接近目標值，保證前段的溫度穩定，然後到達卷取高溫計，此時從中部高溫計經過的帶鋼溫度已經趨於穩定，如客觀條件較滿足的情況下，後段水量調整量不大，但如果此時卷取高溫計實測溫度異常，依據反饋控制對後段水量進行調整。精軋將溫度速度同時發給中部和卷取高溫計，中部將溫度反饋給精軋，形成閉環；卷取將溫度反饋給中部高溫計，如圖5所示。
中部高溫計在信號傳輸過程中起到反饋和校正的作用，一方面對前段水閥進行反饋，另一方面對後段水閥進行前饋。兩者同時作用。數據由報文形式進行通訊，首先精軋將模型輸入數據傳給卷取，進行層冷段的設定，設定流程如圖6所示。
分段冷卻的實現數據如表2所示。
3.6層流水閥響應檢測程序開發
層流水閥響應時間是層流冷卻模型的一項重要參數，其準確性將直接影響產品的CT精度。在沒有相關硬體的條件下，依靠現有設備，在軟體系統中開發層流上下噴水閥的響應時間檢測程序，周期性對層流水閥進行響應時間的檢測，及時調整或更換。利用該程序可將層流水閥的開啟響應時間檢測誤差值精確到1s以內，以便設備維護人員對故障水閥進行針對性的調整、更換，從而保證模型計算的準確性，進而提升CT精度。測試結果如表3所示。
4 結語
DP系列鋼種的成功開發，驗證了武鋼CSP產線的層流冷卻工藝控制思想和裝備控制能力，通過DP系列品種的開發經歷，積累了大量的生產經驗和關鍵數據積累，為今後的雙相、多相鋼的生產試驗提供了基礎保障，也為層流冷卻裝備及控制模型的升級改造提供了新的工藝思路和控制手段。未來，我們將著力於層流冷卻精細化控制能力的提升，實現單個集管水壓的精確控制，單個集管溫降值的精確預估，組織改造前段冷卻控制系統，增加前段冷卻區域的冷卻能力，實現空冷段溫度及空冷時間的精確控制，延長空冷時間，拓寬雙相及多相鋼的生產品種範圍，不斷提升產線的核心競爭力。 （陳波 陳劍飛 田軍利）