一種層流冷卻溫度控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于鋼鐵冶金領域，具體而言，涉及一種層流冷卻溫度控制方法。
【背景技術】
[0002] 鋼鐵工業是支持國民經濟發展的重要支柱產業，現代鋼鐵工業的發展水平是一 個國家技術進步和綜合國力的重要體現。近年來，隨著社會的發展與科技水平的進步，低 合金、高強度、高韌性并具有良好焊接性能的鋼材需求量與日倶增，各行各業對鋼材產品質 量、品種及性能的要求也越來越高，如何提高鋼材質量和組織力學性能成為國內外冶金行 業普遍關注的焦點。
[0003] 在現階段的鋼板生產中，高精度高硬度的海底隧道管線鋼材需求量越來越大。就 目前情況來看，美國已完成X120型高檔管線鋼的生產，而中國最新生產的高檔管線鋼僅為 X80型。對于高檔管線鋼以及其他高檔的鋼材來說，精確的冷卻曲線是生產的關鍵因素。終 冷溫度和冷卻曲線將在很大程度上影響鋼板的金屬熱力學性能，進一步地會影響鋼板的機 械性能，如硬度、延展度、韌性、屈服強度以及金屬疲勞等方面，所以，高檔鋼板的控制指標 會變的更加苛刻，不僅需要對最終的冷卻溫度進行嚴格控制，也需要對全程的冷卻曲線進 行有效控制。然而在生產過程中，由于鋼板的運行速度和噴水量存在直接的耦合關系，因此 如何協調二者的關系從而使得鋼板乳后冷卻的溫度控制更加精準是一件非常困難的事情。
[0004] 鋼板熱乳后由900°C經過水冷冷卻，溫度降到四五百度，在這整個過程中鋼板的內 部結構會發生相變。在相變過程中，鋼板內部的鐵原子與碳原子會進行重排形成結構不同 的晶體，這些晶體的尺寸大小是影響鋼板金屬力學性能的最重要的因素。鋼板溫度在下降 的過程中會經過相變區域，鋼板的內部結構會發生變化，奧氏體會向其他結構轉變。然而不 同的相變體具有不同的力學性能，有的硬度比較高，有的延展性能比較好，另外一些相變體 是不銹鋼的主要成分。因此，現有鋼板乳后冷卻技術中存在以下缺陷：（1)如何協調鋼板運 行速度與噴水量之間的關系，從而使鋼板乳后冷卻的溫度控制更加精準；(2)新鋼板在設 計初期無法根據相變動力學的原理進行鋼板冷卻曲線的設定，繼而在生產過程中也無法根 據設定的冷卻曲線控制鋼板溫度的變化過程。
【發明內容】
[0005] 本發明針對現有技術的不足，提出一種層流冷卻溫度控制方法。本發明基于預測 控制算法原理，結合PID控制的策略建立子目標狀態空間模型，并根據建立的子目標狀態 空間模型，得到子目標控制器參數，從而將鋼板層流冷卻全過程溫度變化曲線的控制，轉化 為多段曲線擬合的形式，分段進行控制。使得鋼板層流冷卻的溫度控制不僅在鋼板的終冷 溫度上滿足預定要求，同時整個鋼板在冷卻過程中的溫度變化曲線也達到預定要求，大大 提升了鋼板的應用性能。
[0006] 為實現上述目的，本發明提出了一種層流冷卻溫度控制方法，其特征在于，所述方 法包括以下步驟：
[0007] 1. -種層流冷卻溫度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
[0008] (一）子目標PID控制器的確定：
[0009] (1-1)根據鋼板運行的物理位置，在層流冷卻的長度方向上等分為η段，得到溫度 控制子目標集L = [Q，L2, L3,…，LJ ;
[0010] (1-2)利用鋼板換熱原理，對各溫度控制子目標建立子目標溫度模型，具體為：
[0012] 其中，T(k)為k時刻子目標溫度矩陣；T(k+1)為k+Ι時刻子目標溫度矩陣；u(k) 為k時刻子目標PID控制器控制量，ξ為干擾噪聲；M、N為溫度系數矩陣；
[0013] (1-3)根據建立的子目標溫度模型，并結合廣義預測GPC-PID方法，獲得子目標 PID控制器參數，包括比例系數kP，積分系數&和微分系數k D，從而完成子目標PID控制器 的確定；
[0014] (二）層流冷卻溫度的控制：
[0015] (2-1)根據鋼板冷卻全過程溫度變化目標曲線設定各溫度控制子目標處的參考溫 It r = [r1; r2, r3, ···, rj ；
[0016] (2-2)初始化層流冷卻生產線的閥門預開啟數量隊、鋼板運行速度v，啟動層流冷 卻生產線；
[0017] (2-3)實時采集溫度控制子目標集L = ，…，LJ中對應子目標處的當前 溫度，得到測量溫度Y = [?\，T2, T3，…，TJ ;
[0018] (2-4)以參考溫度r = [ri，r2，r3,…，rj和測量溫度Y = [m，…，TJ的偏 差值作為子目標PID控制器的輸入，通過確定的子目標PID控制器對子目標溫度進行控制。
[0019] 作為進一步優選的，對所述步驟（1-3)中得到的子目標PID控制器參數進行工程 化處理，具體包括以下步驟：
[
[0021] 其中，k' P，k' pk' D工程化處理后的子目標PID控制器參數；
2『法整定辨識后的子目標？10控制器參數；^匕是由步驟（1-3)獲得的子目標？10控 制器參數；Kp，&，Kd為理想效果子目標PID控制器參數。
[0022] 作為進一步優選的，所述鋼板冷卻全過程溫度變化目標曲線是基于鋼板的類型進 行設定，具體包括：
[0023] (2-1-1)預先設定符合生產要求的鋼板力學性能，并根據所述鋼板力學性能得到 對應的相變體比例；
[0024] (2-1-2)根據所述相變體比例設定所需鋼板冷卻全過程溫度變化目標曲線；
[0025] (2-1-3)根據上述所需鋼板冷卻全過程溫度變化目標曲線進行實際實驗，得到實 驗用品鋼材；
[0026] (2-1-4)將上述實驗用品鋼材進行力學性能測試，然后對該所需鋼板冷卻全過程 溫度變化目標曲線進行反復調整，直到確定最終的鋼板冷卻全過程溫度變化目標曲線。
[0027] 作為進一步優選的，在步驟（2-1)中，對所述各溫度控制子目標劃分處的參考溫 度進行設定，具體包括：
[0028] 首先，根據所述鋼板運行速度，得到鋼板運行到所述溫度控制子目標集L = [L L2, L3，…，LJ中各子目標處的時間，繼而，在已設定的鋼板冷卻全過程溫度變化目標曲 線上按照對應的時間得到各溫度控制子目標處的參考溫度r = [Γι，r2, r3，…，rn]。
[0029] 作為進一步優選的，在步驟（2-2)中，對所述閥門預開啟數量隊進行初始化，具體 包括：
[0030] ①層流冷卻前段閥門預開啟數量：
[0031] N1= (T 〇-Tc-λ )/Cdi
[0032] 其中，T。為層流冷卻入口溫度；T。為預測卷取溫度；Cd i為粗冷閥門與溫度的線性 比例系數；λ為層流冷卻的裕量；
[0033] ②層流冷卻后段閥門預開啟數量：
[0034] N2= (Te-Tc)/Cd2
[0035] 其中，Te為粗冷結束后的溫度；CdA精冷閥門與溫度的線性比例系數。
[0036] 作為進一步優選的，在步驟（2-2)中，對所述鋼板運行速度進行初始化，具體包 括：
[0037] 首先，通過對樣本鋼板進行測量分析，得到鋼板冷卻速率與速厚積關系表，其中速 厚積為n v= h · v，v為鋼板運動速度，h為鋼板厚度；
[0038] 然后，根據特定生產線對鋼板冷卻速率標準化，繼而通過查找上述關系表得到鋼 板對應冷卻速率下的速厚積，進而根據實測鋼板的厚度來確定鋼板運行速度。
[0039] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的 技術優點：
[0040] 1.本發明通過建立子目標溫度模型，將鋼板層流冷卻全過程溫度變化曲線的控制 轉化為多段曲線擬合的形式，分段進行控制，從而使得鋼板層流冷卻的溫度控制不僅在鋼 板的終冷溫度上滿足預定要求，同時整個鋼板在冷卻過程中的溫度變化也達到預定要求， 大大提升了鋼板的應用性能。
[0041] 2.同時，針對鋼板冷卻過程中的閥門預開啟數量分段進行估計，同時對鋼板運行 平均速度進行預估計，有效協調了鋼板運行速度與噴水量之間的關系，進一步地，使鋼板乳 后冷卻的溫度控制更加精準；
[0042] 3.通過本發明提出的層流冷卻溫度控制方法，使得PID參數整定不再需要停產調 試，可直接通過計算得到，同時鋼板在設計初期即可根據相變動力學的原理進行鋼板冷卻 曲線的設定，繼而在生產過程中根據設定的冷卻曲線控制鋼板溫度的變化過程。
【附圖說明】
[0043] 圖1是層流冷卻溫度變化曲線控制方法流程圖；
[0044] 圖2是層流冷卻溫度變化曲線控制方法結構圖；
[0045] 圖3是層流冷卻溫度變化曲線與生產線位置的對應關系。
【具體實施方式】
[0046] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0047] 如圖1所示為層流冷卻溫度曲線控制方法流程圖，具體包括：
[0048] (一）子目標PID控制器的確定：
[0049] (1-1)根據鋼板運行的物理位置進行溫度控制子目標的劃分；
[0050] 為了精確的控制層流冷卻溫度區域的溫度變化過程需要對層流冷卻的過程進行 溫度控制子目標的劃分。如圖2所示，在層流冷卻的長度方向按照一定的間隔等分為η段， 得到溫度te制子目標集L = [Lp L2, L3,…，Ln]。
[0051] (1-2)利用鋼板換熱原理，針對各溫度控制子目標建立子目標溫度模型，具體包 括：
[0052] 鋼板與外界進行熱輻射、水冷換熱以及空氣冷卻等散熱方式，鋼板的內部與鋼板 的表面則進行熱傳導傳熱的方式。但是在控制的時候，空氣冷卻部分是不受控的散熱部分， 只需考慮冷卻水對鋼板的散熱情況。
[0053] 鋼板的第一層：
[0059] 其中，dQ為熱傳導的微分，即熱量變化率；dt為換熱時間的微分人為鋼板換熱面 積；ε為鋼板的黑度；σ為熱輻射系數；?\為鋼板第一層，即上表面的溫度；Ta為環境溫度； α為水冷換熱系數；1；為冷卻水溫度；λ為導熱系數；T2S鋼板第二層，即下節點的溫度； h為鋼板厚度方向上表面與下節點之間的距離。
[0061] 其中，c為鋼板比熱容；m為鋼板質量；dT為鋼板溫度變化率。
[0062] 化成離散的形式：
[0064] 對于鋼板的內部層次來說，區別在于沒有水冷換熱和熱輻射，只有上下層的溫度 傳遞；
[0065] dQ內節點=dQ上節點傳熱+dQ下節點傳熱
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