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    作者簡介：

    王笑波，女，1986年畢業(yè)于遼寧大學(xué)物理系，并留校任教。后又從師于東北大學(xué)自控界柴天佑院士，并在攻讀博士期間參與了多項(xiàng)冶金行業(yè)國家級科技攻關(guān)和自然科學(xué)基金項(xiàng)目。現(xiàn)任寶鋼研究院首席研究員，教授級高工，東北大學(xué)兼職碩士生導(dǎo)師，主要從事軋鋼過程建模與控制方法的研究。2008年被評為全國三八紅旗手。獲得國家冶金工業(yè)局科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎1項(xiàng)，寶鋼重大科技進(jìn)步一等獎、三等獎各1項(xiàng)，受理的專利5項(xiàng)，企業(yè)技術(shù)秘密10余項(xiàng)，通過技術(shù)創(chuàng)新為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益上萬千元，發(fā)表在核心期刊的論文十余篇。其中，在中國過程控制年會上兩次獲得張鐘俊青年優(yōu)秀論文二等獎，成為國內(nèi)兩次獲張鐘俊獎的唯一人。

    摘要：厚板生產(chǎn)組織具有小批量、多品種、高精度等特點(diǎn)。厚板加速冷卻過程控制系統(tǒng)在降低品種成本、減少產(chǎn)品生產(chǎn)的后處理工序、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面起著關(guān)鍵作用。本文從分析引進(jìn)的軋后冷卻過程控制系統(tǒng)的問題及當(dāng)前國內(nèi)軋后加速冷卻控制模型使用現(xiàn)狀等方面出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的實(shí)際，在多學(xué)科人士深度融合的基礎(chǔ)上，設(shè)計并建立了滿足產(chǎn)品工藝需求的新型全自動冷卻過程控制系統(tǒng)，通過自主開發(fā)的厚板軋后冷卻過程控制模型系統(tǒng)的應(yīng)用，控制冷卻鋼板的終冷溫度控制精度在產(chǎn)品品種、規(guī)格不斷拓展的情況下，仍得到了穩(wěn)步的提升。　

    關(guān)鍵詞：厚板；冷卻；模型；過程控制系統(tǒng)

    1 前言

    在線加速冷卻系統(tǒng)(ACC)于1979年在日本首次投入使用，并在80年代廣泛應(yīng)用在日本和歐洲的中厚板軋機(jī)上。在線加速冷卻和控制軋制(CR)共同控制鋼板組織結(jié)構(gòu)及性能稱為熱機(jī)軋制(TMCP)。采用加速冷卻的熱機(jī)軋制最初主要用于船板和管線鋼板的生產(chǎn)，1985年美國ASTM將TMCP生產(chǎn)的鋼板列入標(biāo)準(zhǔn)。目前，ACC技術(shù)已廣泛應(yīng)用于造船、管線、建筑、橋梁、壓力容器等鋼板的生產(chǎn)。部分生產(chǎn)廠的冷卻裝置還具有高速冷卻能力，可以對軋后鋼板進(jìn)行直接淬火(DQ)。與傳統(tǒng)的熱處理后淬火相比，直接淬火不但可以節(jié)能，而且在冷卻速度相同的前提下可以得到更高的硬化程度，可以降低鋼中的碳含量和碳當(dāng)量，從而提高鋼板的焊接性能，因此大多數(shù)先進(jìn)的加速冷卻裝置都具有直接淬火的能力。通常強(qiáng)度超過580MPa的鋼板可采用直接淬火工藝生產(chǎn)。

                    

                   圖1 厚板ACC鋼板的應(yīng)用

    加速冷卻裝置型式很多，我國近幾年新建的中厚板廠主要使用的冷卻裝置有：氣霧冷卻系統(tǒng)(ADCO)、超快速冷卻（VAI&CRM的MULPIC冷卻系統(tǒng)、 日本JFE的SuperOLAC系統(tǒng)、國內(nèi)東北大學(xué)RAL開發(fā)的超快冷UFC系統(tǒng)）、新型的ACC冷卻系統(tǒng)、高密度管狀層流冷卻系統(tǒng)四種型式。氣霧冷卻系統(tǒng)具備加速冷卻和直接淬火功能，國內(nèi)只有酒鋼中厚板廠采用此類設(shè)備，國外采用的也為數(shù)不多。該系統(tǒng)冷卻能力較大、冷卻均勻、但是設(shè)備高大、噪音也大、設(shè)備檢修比較困難；MULPIC冷卻系統(tǒng)也具備加速冷卻和直接淬火功能，國內(nèi)采用MULPIC冷卻系統(tǒng)的沙鋼5000mm厚板廠、萊鋼4300mm厚板廠和舞鋼4100mm厚板軋機(jī)三套，迪林根厚板廠、韓國浦項(xiàng)No.2和No.3厚板軋機(jī)后來改造的水冷裝置也采用了此系統(tǒng)。該系統(tǒng)冷卻能力強(qiáng)大、冷卻均勻，但是由于噴嘴數(shù)量多、水系統(tǒng)凈化要求很高，維護(hù)檢修相對比較復(fù)雜；新型的ACC冷卻系統(tǒng)和傳統(tǒng)熱連軋使用的層流冷卻系統(tǒng)有所不同，由高壓噴射段(5bar)和U型管的層流冷卻系統(tǒng)組成。國內(nèi)主要有寶鋼和鞍鋼5000mm寬厚板軋機(jī)、寶鋼羅涇厚板廠和首鋼4300mm厚板軋機(jī)等采用。該系統(tǒng)分區(qū)組成建設(shè)靈活，投資可分期投入，并且設(shè)備檢修簡單、易于維護(hù)，但冷卻能力和冷卻均勻性不及MULPIC設(shè)備；高密度管狀層流冷卻系統(tǒng)是我國最近幾年自行開發(fā)的冷卻系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的層流冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加大U型管的密度以提高水量而開發(fā)。目前已應(yīng)用于太鋼、舞鋼和新余鋼廠等；超快冷UFC是東北大學(xué)RAL 提出了的全部采用噴嘴傾斜布置的壓力噴射式超快速冷卻系統(tǒng)。國內(nèi)已在河北石家莊敬業(yè)鋼鐵公司3 000 中厚板軋機(jī)上裝設(shè)UFC+ACC 的新式冷卻系統(tǒng)，并投入使用。鞍鋼4 300 中厚板，首秦4 300 中厚板軋機(jī)正在設(shè)備安裝階段。

                      

               

            圖2 中厚板超快速冷卻（JFE福山中厚板的Super-OLAC,河北敬業(yè)UFC,沙鋼MULPIC）生產(chǎn)線

    目前，世界各國的中厚板生產(chǎn)普遍采用了控冷技術(shù)，其理論和實(shí)際操作水平也日臻完善，冷卻控制技術(shù)的核心模型已經(jīng)有了良好的應(yīng)用，而國內(nèi)厚板廠的控冷模型無論是引進(jìn)還是自主研發(fā)，均處于經(jīng)驗(yàn)管理系統(tǒng)的水平上，對于新品拓展還有部分需要外商，或高校的實(shí)驗(yàn)支撐。 

    寶鋼5m厚板加速冷卻設(shè)備具有直接淬火和及層流冷卻兩種功能（如圖4、圖5所示），裝備和控制技術(shù)都是從SMSD引進(jìn)，該套設(shè)備于2005年3月1日調(diào)試結(jié)束并投入使用；控制系統(tǒng)調(diào)試、功能考核直至2006年6月底基本完成。該系統(tǒng)在使用過程中發(fā)現(xiàn)許多問題：數(shù)據(jù)濾波方法有誤，導(dǎo)致在線計算出錯，終冷溫度無法控制在目標(biāo)終冷溫度的范圍之內(nèi)；控制策略不完善，導(dǎo)致各個控制量之間相互耦合，邊界條件的波動對優(yōu)化設(shè)定的影響很大，同鋼種、同規(guī)格終冷溫度控制波動很大；隨著寶鋼ACC鋼種生產(chǎn)的不斷擴(kuò)大溫度預(yù)測模型的顯現(xiàn)出不準(zhǔn)確，直接造成控制精度的急劇下降；多目標(biāo)的自適應(yīng)控制不盡合理，導(dǎo)致同鋼種、同規(guī)格鋼板預(yù)設(shè)定參數(shù)波動很大，很難實(shí)現(xiàn)新品試制后性能 的穩(wěn)定；原過程控制模型中沒有針對入口邊界條件波動的前饋補(bǔ)償控制功能；沒有模型參數(shù)的自學(xué)習(xí)功能，導(dǎo)致終冷溫度控制精度很難保證。 

    寶鋼針對厚板生產(chǎn)ACC產(chǎn)品需求，為最大限度地發(fā)揮這條冷卻線的冷卻控制潛力，組織力量進(jìn)行多學(xué)科深度融合，開發(fā)相應(yīng)的新的過程控制系統(tǒng)。包括冷卻策略、冷卻模式、物理模型、控制模型、自學(xué)習(xí)模型和自適應(yīng)方法等，并在5m厚板加速冷卻生產(chǎn)線上對現(xiàn)有計算機(jī)進(jìn)行替換和使用，以提高厚板控冷生產(chǎn)能力和產(chǎn)品精度、相對減少鋼種成分量，進(jìn)而降低生產(chǎn)組織的難度和余材量，最終滿足下一代新產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。

                 

                         圖4 寶鋼5m厚板加速冷卻設(shè)備布置示意圖

                      

                    圖5 寶鋼厚板軋后冷卻線
 
    2 新型軋后冷卻過程控制系統(tǒng)特點(diǎn)

    2.1 模塊化的程序設(shè)計

    由于L2過程控制計算機(jī)的程序編寫不是模塊化編程，一處的修改牽扯到多處的程序模塊和程序變量，對現(xiàn)場模型的持續(xù)改進(jìn)帶來極大的困難，也不利于新品開發(fā)過程的參數(shù)調(diào)試和完善。同時，隨著降本增效需求，多數(shù)新產(chǎn)品需要高強(qiáng)冷卻，而原SMSD程序，為完成工程驗(yàn)收的需要又對設(shè)備能力和鋼種規(guī)格等等進(jìn)行了多處的限制和制約，大大影響了這條冷卻線能力的發(fā)揮。

    為此，從厚板新品不斷推出的實(shí)際需要，為便于ACC過程控制系統(tǒng)的現(xiàn)場使用出發(fā)，我們將此系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)完善，并重新設(shè)計，將原系統(tǒng)紛亂的程序設(shè)計（如圖5a）改為清晰的模塊化設(shè)計（如圖5b）。

            

                  圖5a 原過程控制系統(tǒng)通訊流程圖 圖5b 新過程控制系統(tǒng)通訊流程圖

    2.2 清晰的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    厚板軋后加速冷卻新型過程控制系統(tǒng)主要由5個子系統(tǒng)、一組系統(tǒng)工具和若干外部服務(wù)構(gòu)成，5個子系統(tǒng)分別是：應(yīng)用子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、模型子系統(tǒng)、存儲子系統(tǒng)、監(jiān)測/控制子系統(tǒng)。外部服務(wù)分別是：歸檔服務(wù)、統(tǒng)計服務(wù)等。
各個子系統(tǒng)之間相對獨(dú)立，耦合較低。并且將大多數(shù)的系統(tǒng)功能進(jìn)行了分解、抽象和封裝，形成了具有繼承體系和清晰接口的類庫。類庫中的大多數(shù)功能類具有配置能力，擁有良好的可重用性。 

                   

                       圖6 新系統(tǒng)各子系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖

    2.3 鋼板冷卻過程全自動控制

    針對厚板軋后冷卻設(shè)備的配置現(xiàn)狀，考慮產(chǎn)品和工藝的需求，集產(chǎn)品設(shè)計、工藝開發(fā)、自動化、計算機(jī)等技術(shù)力量，在多學(xué)科深度融合及基礎(chǔ)上，確定了相應(yīng)的冷卻控制策略；根據(jù)厚板的目標(biāo)產(chǎn)品品種與規(guī)格，并考慮今后新開發(fā)產(chǎn)品的拓展，完成加權(quán)多模型最優(yōu)控制器設(shè)計；并根據(jù)不同產(chǎn)品冷卻工藝要求，對弱冷、強(qiáng)冷、分段式冷卻等采用合理的冷卻控制模式；針對現(xiàn)有設(shè)備采用速度和冷卻區(qū)域長度的優(yōu)化設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、并發(fā)揮了冷卻設(shè)備的最大設(shè)計能力。

              

                  圖7 厚板冷卻過程控制系統(tǒng)的時序關(guān)系圖

    因?yàn)樵诳刂其摪遘埡罄鋮s過程溫降和溫降速度時，水流量控制、冷卻水區(qū)域控制、鋼板在水中運(yùn)行速度控制等等存在強(qiáng)耦合關(guān)系。為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等指標(biāo)要求，針對厚板小批量、多品種、在線生產(chǎn)邊界條件波動范圍大的特點(diǎn)，綜合考慮各個控制儀表、測量儀表及設(shè)備的相應(yīng)特性，對冷卻過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了冷卻過程的預(yù)設(shè)定控制（包括對閥門流量、開閥組數(shù)、邊部遮蔽位置和頭尾流量特殊調(diào)節(jié)等的計算與控制）；前饋補(bǔ)償控制；
冷卻過程的動態(tài)調(diào)節(jié)；反饋控制（包括對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)鋼板冷卻過程控制效果、終冷偏差等，對控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)計算）等等，真正實(shí)現(xiàn)了鋼板連續(xù)生產(chǎn)過程的靜態(tài)設(shè)定和動態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了冷卻過程的全自動控制。具體流程如圖7所示。

    3 新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了新品拓展及控制精度的提高

    新系統(tǒng)自09年12月正式投入寶鋼5m厚板使用，并完全替代原有的西馬克過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軋后冷卻過程的全自動控制，從穩(wěn)定性、易維護(hù)性和控制精度等方面都有所提高，驗(yàn)證了新系統(tǒng)功能的完備性、算法的正確性、軟件的穩(wěn)定性和工業(yè)應(yīng)用的可靠性。

    由于新型厚板加速冷卻過程控制解決了終冷溫度和冷卻路徑的精確控制，從而為厚板生產(chǎn)的柔性控制——利用簡單的成分設(shè)計通過改變工藝獲得多樣化的相變組織和材料性能提供了廣闊的空間。

    3.1 一種經(jīng)濟(jì)型工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼

    隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，機(jī)械設(shè)備不斷大型化和輕量化，對具有良好力學(xué)性能和使用性能的高強(qiáng)韌鋼板的需求也日益增加。通常采用調(diào)質(zhì)（淬火+回火）和TMCP（控軋控冷）技術(shù)生產(chǎn)屈服強(qiáng)度690MPa級鋼板。采用調(diào)質(zhì)方法生產(chǎn)的鋼板力學(xué)性能穩(wěn)定，但生產(chǎn)工序較長，在軋制后需要進(jìn)行淬火和回火熱處理，交貨周期長，且由于調(diào)質(zhì)方法生產(chǎn)的鋼板碳當(dāng)量較高，焊接性能一般。采用TMCP技術(shù)生產(chǎn)的鋼板，具有良好的焊接性能，生產(chǎn)流程短，但在生產(chǎn)中控制軋制和控制冷卻技術(shù)對鋼板力學(xué)性能的均勻性和鋼板最終板型有較大影響，因此生產(chǎn)工藝控制難度較大。

    利用新型厚板加速冷卻過程控制系統(tǒng)對終冷溫度和冷卻路徑的精確控制，在降低合金成分，提高冷卻速率，降低終冷溫度全面保證中，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型工程機(jī)械用鋼的組織生產(chǎn)。由于采用的快速冷卻技術(shù)，縮短了在鐵素體和珠光體相變溫度區(qū)間的停留時間，因此，簡化了鋼板成分體系，減少了貴重合金元素的添加量，提高了鋼板的經(jīng)濟(jì)效益。

    3.2 管線鋼

    對于高等級管線鋼，利用新型厚板加速冷卻過程控制系統(tǒng)對終冷溫度和冷卻路徑的精確控制，不僅鋼種從X65擴(kuò)大到X100，而且個個鋼種的厚度范圍也不斷擴(kuò)大，控制精度不斷提高，加快了生產(chǎn)節(jié)奏，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

    3.3 系統(tǒng)指標(biāo)的提高

               

               圖8 ACC鋼種逐年拓展數(shù)量累計示意圖 圖9 終冷溫度在±30℃統(tǒng)計數(shù)據(jù) 

    從2007年9月至2010年2月厚板ACC鋼板生產(chǎn)不斷攀升，由08年ACC材占總軋制量的比例20%以下，升至到目前的30%以上。生產(chǎn)的ACC鋼板數(shù)據(jù)，逐月統(tǒng)計鋼種拓展情況（如圖8所示）。就在生產(chǎn)品種、規(guī)格不斷拓展的情況下，新系統(tǒng)上線后，按照時間段2007/09- 2008/02 和 2010/01- 2010/02 對全部鋼種、船板、管線鋼及其它，針對終冷溫度按鋼板全長在±30℃百分比進(jìn)行統(tǒng)計，終冷溫度的控制精度獲得了明顯的改善（如圖9所示）。同時，厚板ACC鋼板生產(chǎn)的異材發(fā)生率也從原來的0.34%下降到目前的0.05%左右。

    另外，由于新型厚板加速冷卻過程控制系統(tǒng)完全由寶鋼人自主開發(fā)，針對新鋼種的拓展和新工藝的需求的系統(tǒng)功能的拓展和完善，可以及時跟進(jìn)和一并解決；對設(shè)備的改進(jìn)，和冷卻能力的擴(kuò)大和提高，過程控制模型的改進(jìn)和完善可以同時完成；對于冷卻設(shè)備前后工序的新需求，可以同時完善其接口，并對其過程控制系統(tǒng)和模型的影響進(jìn)行系統(tǒng)考慮并加以修改。

    4 結(jié)語

    本文從分析引進(jìn)的軋后冷卻控制系統(tǒng)的問題及當(dāng)前國內(nèi)軋后加速冷卻控制模型使用現(xiàn)狀等方面出發(fā)，設(shè)計滿足產(chǎn)品工藝需求的冷卻過程控制系統(tǒng)架構(gòu)，并對其核心模型進(jìn)行了研究，開發(fā)了相應(yīng)的過程控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括通訊、接口、監(jiān)控、邏輯控制、核心模型。核心模型包括冷卻策略、冷卻模式、物理模型、控制模型（預(yù)計算模型、再計算模型、前饋模型、反饋模型）、自學(xué)習(xí)模型和自適應(yīng)方法等。該項(xiàng)目從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、模型開發(fā)到全面ACC過程機(jī)平穩(wěn)過渡替換完全由寶鋼內(nèi)部成員自主完成。系統(tǒng)及模型開發(fā)周期短，費(fèi)用省，研發(fā)、現(xiàn)場結(jié)合緊密，能夠快速適應(yīng)高端產(chǎn)品冷卻能力需求，系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、良好的可移植性和可擴(kuò)展性成為該項(xiàng)目的最大亮點(diǎn)。但還有許多工作需要大家的共同努力：

    （1） 設(shè)備方面：隨著產(chǎn)品拓展的需求，設(shè)備的冷卻能力是否滿足？是否需要更為復(fù)雜的各種冷卻設(shè)備的相互配合？冷卻過程控制系統(tǒng)將隨之進(jìn)行與之相適應(yīng)的冷卻模型和冷卻控制策略的改進(jìn)和完善。外方引進(jìn)的系統(tǒng)在設(shè)計上總會或多或少考慮考核產(chǎn)品的需求，在新品拓展中也總會因工藝需求的增加需要完善設(shè)計系統(tǒng)，沒有對核心技術(shù)的全面掌握，就很難將引進(jìn)的系統(tǒng)發(fā)揮其最大作用，這也是這幾年來其它引進(jìn)企業(yè)不能將厚板軋后冷卻完全實(shí)現(xiàn)自動化的關(guān)鍵所在。

    （2） 產(chǎn)品、工藝需求：自主研發(fā)中的多學(xué)科的深度融合，是自動化過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柔性、網(wǎng)絡(luò)、智能、集成和綠色化的關(guān)鍵。首先產(chǎn)品設(shè)計過程不只是單純追求某項(xiàng)性能指標(biāo)的先進(jìn)和高低，而是注意考慮市場、合金成本、安全、環(huán)境資源等方面的影響；同時，工藝設(shè)計由經(jīng)驗(yàn)判斷走向定量分析；各個學(xué)科采用數(shù)值模擬和物理模擬技術(shù)并與少量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合，以代替過去一切都要通過大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法，也可以節(jié)省大量的人和物力。自動化、信息化的系統(tǒng)設(shè)計之中深度融合產(chǎn)品設(shè)計的思想和工藝實(shí)現(xiàn)的路徑，才能真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品組織性能相關(guān)的冷卻路徑控制和冷卻過程溫降的控制，實(shí)現(xiàn)綠色產(chǎn)品的綠色生產(chǎn)過程的全自動控制。

    （3） 在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的軋后冷卻生產(chǎn)過程全自動控制中，筆者遇到水中鋼板的跟蹤精度不準(zhǔn)，造成對鋼板頭尾控制精度的影響；流量調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)時間影響在線流量控制方法的實(shí)現(xiàn)；多工藝、多設(shè)備的配合，使多模型控制的單一自適應(yīng)方法失控；多因素導(dǎo)致冷卻過程的異常，如何在海量的數(shù)據(jù)中尋求；不可測的過程如何真正實(shí)現(xiàn)軟測量控制？在整個的生產(chǎn)過程中如何使加工過程、檢測過程、物流過程融為一體等需要各大研發(fā)機(jī)構(gòu)、高校、設(shè)備廠、儀表制造廠、自動化公司的精誠合作與相互配合，企業(yè)問題的抽象和研發(fā)部門的方法、理論的應(yīng)用之間的互通，方可實(shí)現(xiàn)鋼鐵自動化的自主集成的突破，或許會為日趨嚴(yán)格的環(huán)境與資源的約束，給鋼鐵制造業(yè)帶來的危機(jī)創(chuàng)造出新的平臺和發(fā)展空間。