中厚板中间水冷技术优化及应用

0引言

中厚板生产过程中控制轧制和控制冷却工艺被广泛应用^[1—2],传统的控制轧制工艺利用中间坯空冷控温,控温钢板在控温区长时间摆动,辊道及盖板长时间受到了高温烘烤,可能会造成辊道轴承抱死 ,导致设备停机,还严重影响了轧制效率提升。因此,提高中间坯冷却效率,缩短控温时间对轧制小时块数的提高以及产线产能的提升都具有极大的意义^[3—4]。

某钢厂3 500 mm中厚板产线主轧机为四辊可逆式,单轧单控时根据工艺要求选择机前或者机后控温,交叉轧制时第一块钢板在机后进行控温,待第二块钢板轧制控温阶段进入机前控温时,继续轧制第一块钢板。为缩短中间坯的控温时间,实现中间坯的快速降温,国内很多中厚板厂都在轧制区域布置了中间水冷装置^[5—7]。某3 500 mm中厚板产线中间坯水冷装置于2022年7月上线,然而设计之初,在主轧机后设置了一台中间水冷装置,只允许钢板向机后控温区运行时投入使用,未与轧机主控制系统整合优化,在轧制不同种类、规格的钢板时,各项冷却参数达不到要求,出现了局部过冷、未水冷以及中间坯不匀速通过中间水冷装置等问题。此外,中间水冷还需人工判断开轧温度以手动开关中间水冷集管实现冷却过程,存在能源浪费。因此,历史中间冷却钢种数据以及规程还需要进一步完善。

本文通过对影响轧制控温钢板控温时间的各因素进行分析,通过控温程序、二级模型、中间水冷装置以及轧制工艺优化,提升温降速率,缩短轧制控温钢板的控温时间,加快轧制节奏。

1 中间水冷装置参数

中间水冷装置主要技术参数如表1所示,中间水冷装置共四组集管,每组集管均包括上下两组喷嘴,其主要设备组成为:固定衍架、连接管路、冷却集管、水量调控装置、现场压力流量仪表、过滤器等。

基于中厚板厂中间水冷布局位置,2023年2月又在主轧机前安装了一台中间水冷装置,水系统管路由机后中间水冷装置管路引到机前位置,主轧机前后各布置一台中间水冷装置,实现不同模式轧制控温钢板的快速冷却。中间水冷流程如图1所示。

2 中间水冷装置自动化控制过程

2.1自动化控制系统结构

中间水冷装置控制系统结构如图2所示,由一级基础自动化与二级过程自动化系统共同组成,一级基础自动化系统由PLC、工程师站及控制器等组成,负责阀门/冷却水流量控制、冷却水流量显示、中间水冷辊道速度/位置/温度以及数据采集等功能;二级过程自动化系统主要包括计算机终端和服务器等,负责控温命令的下发和自学习等功能。中间水冷控制系统主要与轧线L2系统及生产计划PES系统进行通信,获得钢板PDI(Primary Data Input)数据及轧机二级传过来的轧制过程信息。基础自动化控制系统经过优化整合 , 控制核心采用西门子TDC(Technology and Driver Controller)系统 ,通过 PROFIBUS—DP与压下稀油ET200M从站(控制机前中间水冷设备)及ACC层流ET200M从站(控制机后中间水冷设备)通信,保证现场设备按设定指令正常执行。

2.2自动化控制过程

图3所示为中间水冷过程控制系统图,中间水冷装置的开启与关闭分为自动和手动两种模式, 自动模式下开关水逻辑判断策略由二级系统直接下发,一级系统直接执行,考虑轧制品种钢或者水冷装置异常,保留了中间水冷装置手动控制功能。

在轧制规程预计算时,模型接收到板坯的数据后启动预计算,计算道次数、是否控温、中间坯厚度等,在成型与粗轧阶段完成后,轧制中间坯厚度、温度和规格等PDI数据发送给中间水冷模型。钢板进入控温辊道冷却区前,根据发送的中间坯厚度及实测温度等信息进行中间水冷模型计算。中间坯进入冷却区后,根据模型计算的冷却规程中的中间坯厚度、温度、水温和水压等对冷却区上下集管水量及比例、冷却辊道速度进行调整,并根据中间水冷系统发送的温降数据对钢板温度修正进行自学习,确保中间坯上、下表面均匀冷却。

TDC与上位机WinCC服务器通信,中间水冷装置通过操作员在轧机WinCC画面进行冷却水流量、中间水冷辊道速度等调节。手动控制开启方式分为两种模式,一级界面操作和手动按钮操作均可实现远程控制对钢板进行水冷降温,根据中间坯的钢种、厚度、钢板控温后的开轧温度以及由此钢种决定的工艺要求作出决策和控制中间水冷装置开启时机、关闭时机,避免局部过冷、未水冷等情况。

3 中间水冷优化及应用效果

3.1 中间水冷装置水量阀门开度优化

中间水冷装置水量阀门在设计之初喷水量为定值,冷却部分规格的钢种不满足工艺要求。如表2所示,设置调节水阀来调节水流量,可以控制水流量的大小,中间水冷阀门开口度为0%~100%,且上下集管保持同等开口度,保留手动调节各集管阀门流量功能。依托经验规程和工艺要求完善二级模型,根据不同规格的中间坯厚度、温度对冷却区上下集管水量及比例进行调整,对于轧制厚度规格为14 mm的船板降温效果显著,前后对比冷却降温达6~7℃。

3.2 中间水冷速度优化

凭借轧机机前待温步序,增加逻辑控制功能。中间水冷增加了辊道速度调整功能,可根据中间水冷过程调整水冷辊道速度。手动模式下,当开启中间水冷时,辊道速度降低至设定数值,当功能关闭后,辊道速度恢复自动模式。二级模型根据不同的钢种规格进行辊道速度调节,可以调节辊道速度范围为1~4 m/s,控温板通过时实现速度匹配,冷却范围达到5~10℃ ,控温时间减少16~32 s,结果如表3所示。

3.3 中间水冷装置开关控制实现

手动控制模式下增加对应的按钮控制功能,“中间水冷”按钮为主管道供水按钮,点击按钮后,轧机前后中间水冷管路充满水,同时操作界面开水显示指示灯闪烁。

控温阶段钢板需要冷却时,如图4所示,操作员将中间水冷转换开关置于“机前”位置,此时轧机前开关阀打开,中间水冷上下集管出水;同样轧机后钢板需要冷却时,操作员将中间水冷转换开关置于“机后”位置,此时轧机后开关阀打开,中间水冷上下集管出水;将转换开关置于“中间”位置则关闭水冷。通过设计按钮、转换开关形式,完善了手动控制模式下中间坯水冷控制过程。

3.4 中间水冷投入量优化

部分单轧单控的钢板严重影响了轧机作业效率,其主要耗时点是控温时间过长,且控温厚度越大,耗时越长,严重影响轧制节奏。优化二级模型,扩大部分钢种规格投入中间水冷的使用量,对轧制规格厚度14.7/15.2/15.4 mm的船板、16.2 mm的低合金结构板使用中间水冷却,有效提高了作业效率。此外,对部分单轧单控钢板使用两次中间冷却提高作业效率,进入控温阶段及控温结束将钢板送入对中过程时各投入一次,每块待温时间减少15 s左右。

4 结论

1)本文分析了中间水冷自动化控制系统结构及控制过程,中间水冷自动模式下开关水逻辑判断策略由二级系统直接下发,并且保留了手动控制功能。

2)通过中间水冷优化,减少了中间坯控温时间,生产效率较完全空冷有所提高。

3)总的来说,中厚板生产过程中采用中间水冷可以增加控温过程的冷却速率,提高轧制效率,提升控温板机时产量。

[参考文献]

[1]矫志杰,何纯玉,赵忠,等.中厚板轧制过程高精度智能化控制系统的研发进展与应用 [J].轧钢,2022,39 (6):52-59.

[2]韩文,白冰,温志强,等.新一代中厚板冷却控制系统在萍钢的应用[J].宽厚板,2023,29(1):40-44.

[3]高德平,武志强.单机架轧机中间坯冷却系统的研究及应用[J].全文版:工程技术,2016(6):296-297.

[4]王发仓,熊磊,柴星池.中厚板机架间冷却应用研究[J].江苏科技信息,2020,37(4):59-62.

[5]李波,刘道明,王鑫,等.重庆钢铁中厚板厂中间坯冷却装置自动控制系统介绍 [J].重庆钢铁装备与工艺技术,2020,62(1):20-22.

[6] 陈开双.宽厚板轧机中间水冷工艺的实践应用[J].冶金信息导刊,2021,58(4):57-60.

[7]何天仁.中厚板中间冷却工艺的研究及应用 [J].钢铁,2013,48(12):57-62.

2024年第12期第22篇