高線控冷溫度閉環改造與工藝改進

吳建軍

（河鋼集團宣鋼公司二鋼軋廠，河北 宣化 075100）

在線材生產過程中，軋制出來的線材產品必須從軋后的高溫紅熱狀態冷卻到常溫狀態。線材軋后的溫度和冷卻速度決定了線材內在組織、力學性能及表面氧化鐵皮數量，因而對產品質量有著極其重要的影響。所以，線材軋后如何冷卻，是整個線材生產過程中產品質量控制的關鍵環節之一[1]。

宣鋼高線水冷控冷系統因控制精度低，軋制工藝吐絲溫度無法有效保證，不能滿足品種鋼和盤螺等控軋控冷高效冷卻的工藝要求。因此，實現水冷控制系統的升級，實現溫度閉環控制的目的，對于宣鋼今后品種鋼開發和生產具有積極的意義。

1 生產工藝簡介

宣鋼高線工藝布置如圖1所示，其工藝流程：加熱爐加熱→粗軋→中軋→預精軋→1號、2號水箱→精軋→3號、4號、5號、6號水箱→夾送輥→吐絲機→斯太爾摩風冷線→精整收集、打捆包裝入庫。

圖1 宣鋼高速線材生產線工藝布置圖

高線軋后生產線大體分為五個區：水冷區、成圈區、散卷控冷區、散卷收集區和PF線及精整區。水冷區包括精軋機組前、后的水冷裝置。如圖2所示。

圖2 水冷控制設備

2 控冷系統設備設計

2.1 控冷設備設計

2.1.1 水冷線設備

預精軋后水冷段設備1套：包含2個摩根六代水箱。精軋機后水冷段設備1套：包含4個摩根六代水箱，水箱之間使用雙孔導槽。水箱噴嘴和雙孔導槽的材質均為17-4PH。熱處理達到HB 340~360。

2.1.2 水箱閥站控制選擇

水箱閥站的所有三通閥采用專用于摩根高線水箱的高速三通換向閥--FISHER三通閥。FISHER三通閥的切換動作迅速，保證水箱對軋件的冷卻控制速度準確，減少軋件異常冷卻的長度，提高產品收得率。該三通閥由兩位四通電磁換向閥控制執行氣缸調節閥芯的位置，這個氣缸由一個單電磁鐵、兩位基本冷卻閥控制。當軋件脫離水箱后，三通閥立即將冷卻水導向沖渣溝。

調節閥位于電磁流量計和三通閥之間，用于調節進入水箱的冷卻水流量。進入沖渣溝的冷卻水流量由位于換向閥和水槽之間的閘閥控制。調節閥的位置由閥上的I/P調節器給出信號。該I/P單元可以接收來自主控制的4～20 mA的信號，使閥從最小開至最大。確保冷卻水量始終得到有效的控制。

水箱閥站的各流量、壓力變送元件信號引入現場分線箱。

2.1.3 高溫計

高溫計測量軋件的溫度并同PI溫度控制回路一起向操作者提供顯示。精軋機入口前的1號高溫計顯示軋件進入精軋機的軋件溫度。當進入精軋機的軋件溫度過低時，低溫報警發出信號警告操作者。2號高溫計則顯示軋件出精軋機后的溫度。吐絲機出口高溫計則顯示軋件成品的溫度。

2.1.4 水質

由于冷卻水流量的范圍大，因此冷卻水水質、溫度和壓力可能對冷卻工藝具有很大的影響。該控冷系統對水質要求如下：水箱冷卻介質為中性（pH值7～9）凈化工業水。水中懸浮顆粒不大于25～30 mg/L，雜質顆粒度不超過250μm；水溫允許偏差±5℃；水溫最高不超過35℃；水壓要求恒穩。

2.2 控冷溫度閉環系統設計

2.2.1 L1溫度閉環控制原理

溫度閉環自動控制投入時，L1級系統根據水冷卻段出口側安裝的高溫計實測軋件溫度，與目標溫度進行比較，做PI調節，輸出用于控制流量調節輔助回路。在預水冷段和水冷段各設置一個溫度閉環調節回路，分別對精軋機入口和吐絲機入口的軋件溫度進行控制。為防止出現由于溫度閉環控制作用導致出現同一支鋼前后溫差較大的現象出現，系統設置有“絕對溫度調節”和“相對溫度調節”選擇開關。為防止由于溫度檢測出現誤信號而導致調節器產生錯誤輸出，在溫度檢測環節設有軟件濾波回路，首先對溫度檢測做移動平均濾波，考慮到同一支軋件的溫度不會發生突變，因此當檢測值超出上次移動平均值一定范圍時將該檢測值剔除。

2.2.2 溫度前饋控制

由于溫度反饋控制存在著不可避免的滯后性，在正常生成情況下，系統主要以溫度前饋調節為主。由于調節閥的開口度與軋件通過穿水冷卻系統所呈現的溫降是一個典型的非線性/多變量/大慣性環節，因此采用溫度前饋為主控制方式。對于不同的軋件入口溫度，L1利用L2提供的溫度前饋公式計算前饋流量。L2依據不同軋制品種、規格，下發相應的前饋流量計算公式供L1使用。

不同軋制品種、規格、速度等，L2自學習功能自動維護前饋公式。系統投入后第一次軋制某個鋼種和規格時，可將系統處于溫度開環流量閉環控制狀態，操作工依據歷史經驗來設定流量或控制手動調節閥開口度，進行生產。如果加熱爐坯溫控制穩定，下一支鋼即可投入溫度閉環控制。如果加熱爐坯溫控制波動較大，生產幾根鋼后，再投入溫度閉環。

在冷卻過程中，控制系統根據軋件的實際溫降和冷卻水實際流量，對溫度前饋公式進行自學習修正。修正后將使后續鋼到來時依據溫度前饋控制進行的流量設定分量基本滿足冷卻要求。

2.2.3 流量閉環控制

控制系統可以選擇斷開溫度控制回路，單獨進行流量閉環控制，此時在HMI上直接對流量進行設定，系統根據實際流量自動控制調節閥的開口度。

在系統進行初次設定時，可以根據生產經驗先設定一個流量設定值，然后在冷卻過程中系統根據人口溫度、出口溫度、軋件速度、實際流量等參數自動學習溫度前饋系數。并可根據實際冷卻曲線進行分析后手動修改溫度前饋系數。

2.2.4 調節閥手動控制

控制系統可以選擇直接對調節閥的開口度進行控制。此時在HMI上手動設定調節閥的開口度或現場手動調節開口度。

手動控制模式只用于緊急情況下的人工干預，用以滿足生產要求。穿水冷卻控制系統原理框圖如圖3所示（以預水冷段為例）。

圖3 穿水冷卻控制系統控制原理框圖

3 試驗結果和分析

3.1 硬線盤條的軋制工藝方案

以表1中鋼坯化學成分為原料，試軋料采用冷坯，嚴格剔除原料脫方、扭轉、彎曲度超標、尺寸超差、夾雜、翻皮、劃傷、結疤等表面缺陷。

表1 鋼坯化學成分（82B） %

入爐鋼坯加熱均勻、燒透，確保加熱質量，通條溫差≤30℃。因故障停軋時，鋼坯在加熱爐內應采取降溫保溫措施。爐內氣氛保持還原性氣氛。高壓水除鱗設備保證正常使用，確保氧化鐵皮除盡。

3.2 改造前后水冷控制分析

3.2.1 改造前水冷系統分析

高線控冷溫度閉環改造后，各水箱和恢復段長度均有不同改變，從而對成品性能控制造成一定影響。2號水冷箱溫降58℃/水箱，3號水冷箱溫降165℃/水箱，4號水冷箱溫降117℃/水箱，5號水冷箱溫降-10℃/水箱，6號水冷箱溫降23℃/水箱。

改造前各水箱水冷分配極不均勻，且預水冷段1號水箱由于無流量計，導致無法記錄數據。根據現場水量及1號水箱設備實際情況，1號水箱水量按照平均值60 m3/h統計，則預水冷平均水量消耗為148.99 m3/h，精軋后水冷平均水量消耗為231.34 m3/h。

3.2.2 改造后水冷系統分析

改造后各水箱水冷分配均勻，預水冷平均水量消耗為124.43 m3/h，精軋后水冷平均水量消耗為69.22 m3/h。與改造前各點水量對比，預水冷平均水量消耗減少24.56 m3/h，精軋后水冷平均水量消耗減少162.12 m3/h。在相同工藝條件下，改造后可節水約186 m3/h，尤其是精軋后水冷節水顯著。

從圖4中可以看出改造前后每一段水冷箱中線材所經歷的溫度變化歷程。改造后與改造前相比，精軋后3號水冷箱進口溫度（同精軋機出口溫度）降低約100℃，在精軋機進口溫度基本一致的情況下，精軋機溫升降低，可以看出改造后預精軋紅鋼表面和芯部溫度梯度較小，同時精軋機出口溫度降低可以得到合適的晶粒度尺寸，有利于后期組織轉變。改造后穿水冷階段各水冷箱和恢復段溫度變化幅度較大，表明水冷段和恢復段發揮各自作用能夠更好，溫度控制更優，對后期風冷控制提供良好的晶粒和溫度條件。

圖4 改造前后精軋后水冷過程線材表面溫度曲線

3.3 硬線盤條改造前后性能分析

3.3.1 改造前盤條性能分析

表2是改造前盤條取樣力學性能情況。通過數據分析，抗拉強度極差增大約15 MPa，搭接點性能較非搭接點均質性差，極差大。面縮非搭接點去除最小值9.27%后，平均值為28.23%，極差為9.09%，與搭接點基本一致。

表2 改造前盤條取樣性能記錄表

3.3.2 改造后盤條性能分析

改造后盤條力學性能情況見表3。

表3 改造后盤條性能記錄表

通過對共計168組數據分析，抗拉強度分布在1 160～1 220 MPa之間所占比例為84.52%，分布在1 155～1 225 MPa之間所占比例為92.26%。斷面收縮率≥30%所占比例為82.74%。

4 結語

本文結合宣鋼控冷溫度閉環改造項目，分析了高線控冷溫度閉環相關控冷設備（包括水冷箱、閥臺等）、水箱噴嘴布置和工藝布局、高線控冷溫度閉環軟件控制系統等，對高線溫度閉環系統進行了分析與設計，并以SWRH82B盤條為試驗對象，研究了水冷系統改造前后各工藝參數、盤條綜合力學性能等。研究結果表明，采用溫度閉環系統，可確保軋件溫度控制精度達±10℃，提高盤條通條性能穩定性。能夠減少水耗約186 m3/h，提高冷卻水的利用率。

1）采用溫度閉環系統，可確保軋件溫度控制精度達±10℃。

2）采用先進的高線控冷溫度閉環設備和軟件，能夠減少水耗約186 m3/h，提高冷卻水的利用率。