【正文】 二是增加下表面的噴水量，這也是最主要和最有效的方法。 上下集管水比的配置冷卻后帶鋼外形的平坦和溫度的均勻是對(duì)軋后冷卻裝置的基本要求之一，為此需要采取各種措施來保證帶鋼在長(zhǎng)度、寬度和厚度（特別是上下表面）上的冷卻均勻。采用不同的冷卻策略的冷卻速度控制圖如圖43所示：帶鋼溫度℃冷卻時(shí)間431 前向冷卻方式的冷卻速度帶鋼溫度℃冷卻時(shí)間431 后向冷卻方式的冷卻速度冷卻時(shí)間帶鋼溫度℃圖433 各種稀疏模式冷卻方式冷卻速度 側(cè)噴和吹掃控制當(dāng)冷卻水和熾熱的帶鋼接觸時(shí)，帶鋼和水之間的巨大溫差引起迅速的熱傳導(dǎo)，但同時(shí)鋼板表面也會(huì)迅速形成隔熱的蒸汽層。 冷卻速度控制對(duì)于不同的鋼種，通過確定冷卻策略中的冷卻方向、稀疏模式和臨界溫度的組合來實(shí)現(xiàn)冷卻速度的控制，保證帶鋼的組織性能。被劃分的每一塊帶鋼都可以看作是一個(gè)被控對(duì)象，針對(duì)每一段帶鋼進(jìn)行入口溫度信號(hào)檢測(cè)，設(shè)定和控制模型根據(jù)每段的溫度偏差進(jìn)行諸如集管開啟數(shù)等參數(shù)的設(shè)定計(jì)算和控制。通常將上述工藝控制方式叫作兩段式冷卻。常用的特殊處理方式主要有：頭部不冷、尾部不冷、頭尾不冷、頭部微冷、尾部微冷和頭尾微冷。X表示開，0：表示關(guān)，后面的模式意義一樣。在這種冷卻方式下，帶鋼在剛進(jìn)入冷卻區(qū)時(shí)將會(huì)空冷一段距離，然后再快速冷卻到目標(biāo)卷取溫度。集管的開啟方向由精軋向卷取方向開啟。 操作工可以在 HMI 上面根據(jù)實(shí)際情況輸入上集管閥門和下集管閥門的開啟位置，同時(shí)在程序中應(yīng)當(dāng)加以保護(hù)。帶鋼熱連軋生產(chǎn)線的層流冷卻控制系統(tǒng)在這些控制模型的作用下，冷卻后的卷取溫度完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求。當(dāng)帶鋼全部都出了層冷區(qū)的高溫計(jì)時(shí)，采用指數(shù)平滑法進(jìn)行帶鋼之間的自學(xué)習(xí)，為保證穩(wěn)定性，可以取合適的增益系數(shù) α 。 短期自學(xué)習(xí)短期自學(xué)習(xí)又叫帶鋼段之間的自學(xué)習(xí)。僅僅根據(jù)上述的幾種控制模型，卷取溫度的控制精度是有限的。為了解決帶鋼全長(zhǎng)反饋控制問題，在卷取溫度控制的實(shí)踐中，采用下列反饋控制算法： ()式中 TCA — 實(shí)測(cè)卷取溫度目標(biāo)值，℃。最初的反饋控制，由于控制信號(hào)時(shí)間滯后較長(zhǎng)，因此為避免振蕩，實(shí)際上只是根據(jù)帶鋼頭部的實(shí)測(cè)溫度對(duì)設(shè)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行一次性修正。這里的轉(zhuǎn)移控制，是考慮在卷取溫度控制中引入反饋控制方式后，為盡可能減小控制滯后，而將反饋調(diào)節(jié)集中在層流冷卻系統(tǒng)的下游處進(jìn)行。并連續(xù)檢測(cè)第 6 臺(tái)精軋機(jī)架 F6 的出口速度、溫度、厚度、冷卻水溫的變化，從而不斷地通過改變冷卻集管的開啟和關(guān)閉的數(shù)量，來預(yù)先進(jìn)行卷取溫度的控制。因此，冷卻水段數(shù)的計(jì)算只是針對(duì)帶鋼上某一點(diǎn)的，于是必須對(duì)帶鋼進(jìn)行跟蹤，適時(shí)開啟水閥，使得對(duì)該點(diǎn)來說，是在 N 個(gè)水冷段的作用下穿越層流冷卻區(qū)的，而對(duì)其他點(diǎn)來說，由于變速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致通過層流冷卻區(qū)所用時(shí)間不同，對(duì)應(yīng)的冷卻水段就可能不是 N。預(yù)設(shè)定模型需要進(jìn)行冷卻能力校核，分為最大冷卻能力校核和最小能力校核。碼串總長(zhǎng)度為L(zhǎng) = (Ni + No+1) Nhmax + No +2，包括了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、隱層作用函數(shù)、連接權(quán)值和閾值的所有信息。設(shè)網(wǎng)絡(luò)的輸入層單元數(shù)、隱層單元數(shù)和輸出層單元數(shù)分別為 Ni、Nh 和No。其模型結(jié)構(gòu)形式如圖33所示：GA模型適應(yīng)度fBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)輸出誤差平方和E圖33 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層和輸出層是根據(jù)使用者的需求來設(shè)計(jì)的。交叉是遺傳算法中起核心作用的遺傳操作，它是把兩個(gè)父代個(gè)體的部分結(jié)構(gòu)加以替換重組而生成新個(gè)體的操作。在遺傳算法中，通過編碼組成初始群體后，遺傳操作的任務(wù)就是對(duì)群體的個(gè)體按照它們對(duì)環(huán)境的適應(yīng)度（適應(yīng)度評(píng)估）施加一定的操作，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化過程。此作用引起神經(jīng)元 i 的狀態(tài)變化，神經(jīng)元 i 的輸出 yi 是當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以單個(gè)神經(jīng)元為基礎(chǔ)的，現(xiàn)在簡(jiǎn)單介紹一下單個(gè)神經(jīng)元的工作原理。輸入層各神經(jīng)元負(fù)責(zé)接收來自外界的輸入信息，并傳遞給中間層各神經(jīng)元；中間層是內(nèi)部信息處理層，負(fù)責(zé)信息變換，根據(jù)信息變化能力的需求，中間層可以設(shè)計(jì)為單隱層或者多隱層結(jié)構(gòu)；最后一個(gè)隱層傳遞到輸出層各神經(jīng)元的信息，經(jīng)進(jìn)一步處理后，完成一次學(xué)習(xí)的正向傳播處理過程，由輸出層向外界輸出信息處理結(jié)果。 基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卷取溫度預(yù)報(bào)模型由于傳統(tǒng)卷取溫度預(yù)報(bào)模型的固有缺陷，導(dǎo)致卷取溫度預(yù)報(bào)精度不高。帶鋼表面溫度可用下列冷卻時(shí)間函數(shù)加以描述： ()式中 T(t) — t 時(shí)刻帶鋼的平均溫度，℃； T0 — 冷卻區(qū)環(huán)境溫度，℃； Ti — 終軋帶鋼溫度，℃； k — 模型自適應(yīng)系數(shù)； t — 帶鋼進(jìn)過冷卻區(qū)的冷卻時(shí)間，s； p — 時(shí)間常數(shù)。因此對(duì)流換熱系數(shù)一般是理論公式和實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的綜合統(tǒng)計(jì)模型?？绽鋮^(qū)的輻射溫降 ΔTf 可以按下列公式計(jì)算： ()式中 ΔTf — 空冷區(qū)溫降，℃；Δτ — 軋件移動(dòng)時(shí)的溫降時(shí)間，Δτ = ΔL/v，s；ΔL — 軋件移動(dòng)的距離，m；v — 軋件移動(dòng)的速度，m/s；ε — 軋件的熱輻射系數(shù)；δ — 斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，108W/() ；C — 比熱容，J/( )；γ — 密度，kg/m3；h — 軋件的厚度，m； 水冷區(qū)溫降模型帶鋼的層流冷卻屬于低壓噴水冷卻，帶鋼通過層流水時(shí)的換熱是一種強(qiáng)迫對(duì)流形式，主要是以對(duì)流的形式散熱。 溫降模型從帶鋼離開精軋末機(jī)架到達(dá)卷取測(cè)溫計(jì)CT，帶鋼依次處于空冷區(qū)、水冷區(qū)和空冷區(qū)。這樣，整個(gè)層流冷卻系統(tǒng)就形成了一個(gè)前饋控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，從而保證了控制系統(tǒng)的精度。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)精軋機(jī)F1咬鋼時(shí)，L1級(jí)給L2級(jí)發(fā)送事件信號(hào)，啟動(dòng)層流冷卻控制系統(tǒng)的L2級(jí)作預(yù)設(shè)定，L2級(jí)預(yù)設(shè)定完成后，將設(shè)定結(jié)果下達(dá)給L1級(jí)，L1級(jí)進(jìn)行帶鋼的頭部跟蹤。層流冷卻的策略和控制模型屬于過程自動(dòng)化控制L2級(jí)的范疇。系統(tǒng)同時(shí)配置了多種調(diào)節(jié)閥門和檢測(cè)儀表,包括手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)截止閥、電磁流量計(jì)、熱金屬檢測(cè)器、激光檢測(cè)器、高溫計(jì)、水溫計(jì)、壓力計(jì)、液位計(jì)等,用于系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)、帶鋼跟蹤及自動(dòng)控制。上部的每個(gè)控制段有兩根常規(guī)U 型層流集管，每根集管上設(shè)有多個(gè)鵝頸噴水管；下部的每個(gè)控制段有4根帶一定噴射角的直噴集管，每根集管上有11或12個(gè)噴嘴。第五章給出改進(jìn)的控制模型取得的實(shí)驗(yàn)效果，并展示了設(shè)計(jì)和繪制的HMI畫面。第二章給出了層流冷卻系統(tǒng)的設(shè)備布置圖和實(shí)物圖，對(duì)層流冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行了介紹。 章節(jié)安排本課題以北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心承接的國內(nèi)某大型鋼鐵集團(tuán)的帶鋼熱連軋生產(chǎn)線二級(jí)系統(tǒng)改造項(xiàng)目為背景，介紹了層流冷卻技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備布置和控制結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究了層流冷卻系統(tǒng)中所用到的控制模型和控制策略。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)紛紛與高校和知名冶金科研機(jī)構(gòu)合作，消化引進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以提高控制精度。根據(jù)層流冷卻控制的工藝特點(diǎn)，目前控冷的方式基本采用預(yù)設(shè)定計(jì)算、前饋控制、反饋控制和模型參數(shù)自適應(yīng)等幾個(gè)策略，并且采用動(dòng)態(tài)控制的方法，將帶鋼在延長(zhǎng)度方向上進(jìn)行分段（稱作帶鋼段），同時(shí)將冷卻輥道劃分為若干冷卻段，每個(gè)冷卻段由若干冷卻閥組成，然后動(dòng)態(tài)跟蹤每一個(gè)帶鋼段，即確定帶鋼段到達(dá)某個(gè)冷卻段的時(shí)刻以及經(jīng)過的時(shí)間，以便在前饋和反饋時(shí)確定應(yīng)調(diào)節(jié)的水閥數(shù)目。具體內(nèi)容如下：（1）數(shù)學(xué)模型的研究。同時(shí)，也有利于為我國今后獨(dú)立自主地開發(fā)新鋼種（如多相混合組織鋼、鐵素體區(qū)軋制鋼）的冷卻控制系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這兩種冷卻方式都可以依據(jù)帶鋼的速度和厚度進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，以達(dá)到需要的冷卻速率，使帶鋼全長(zhǎng)均勻冷卻。水幕冷卻水流保持層流狀態(tài)，冷卻速度快，冷卻區(qū)距離短，對(duì)水質(zhì)要求不高，易維護(hù)。噴淋冷卻水流以液漓群的方式?jīng)_擊鋼板，比高壓噴嘴冷卻更均勻，冷卻能力較強(qiáng)。表11 幾種冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)冷卻方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)高壓噴嘴冷卻水流不間斷呈紊流狀態(tài)噴到帶鋼表面；穿透性好，適用于水汽膜較厚的環(huán)境。 研究背景及意義層流冷卻是控制帶鋼卷取溫度，獲得理想軋材組織和性能的一種有效方法，在目前的帶鋼熱連軋廠中得到了廣泛的應(yīng)用。如果卷取溫度過低，一方面是卷取困難，且有殘余應(yīng)力存在，容易松卷，影響成品帶卷的質(zhì)量；另一方面，卷取后也沒有足夠的溫度使過飽和的碳氮化合物析出，影響鋼材性能。我國雖然是鋼鐵產(chǎn)量大國，但是高附加值、高技術(shù)含量的產(chǎn)品所占比例非常低，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)非常不合理，鋼鐵市場(chǎng)正遭受國際化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中，%。所有這些實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全自動(dòng)控制。為了保證帶鋼成品性能指標(biāo)，同時(shí)使帶鋼順利卷取并保持良好卷形，必須使帶鋼卷取溫度控制在合理范圍內(nèi)。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。（3）掌握層流冷卻中用到的控制模型的原理。（2）了解帶鋼熱連軋的生產(chǎn)工藝，理解層流冷卻系統(tǒng)的整體架構(gòu)。起止時(shí)間：2012年2月25日至2012年6月5日共16周指 導(dǎo) 教 師簽 字系 主 任簽 字院 長(zhǎng)簽 字畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 摘要在帶鋼熱連軋工藝中，卷取溫度對(duì)帶鋼的金相組織影響很大，是決定成品帶鋼加工性能、力學(xué)性能和物理性能的重要工藝參數(shù)之一。同時(shí)，設(shè)計(jì)并繪制了基于西門子WinCC的層流冷卻控制畫面。世界鋼鐵協(xié)會(huì)2010年發(fā)布的報(bào)告顯示，創(chuàng)下全球粗鋼產(chǎn)量的新紀(jì)錄。各行各業(yè)對(duì)熱軋帶鋼質(zhì)量、品種、性能的要求越來越高。過高的卷取溫度，將會(huì)因卷取后的再結(jié)晶和緩慢冷卻而產(chǎn)生粗結(jié)晶組織及碳化物的積聚，導(dǎo)致力學(xué)性能變壞，以及產(chǎn)生堅(jiān)硬的氧化鐵皮，使酸洗困難。該技術(shù)不經(jīng)能大大縮短帶鋼的冷卻時(shí)間，大幅提高產(chǎn)量，更重要的是它能夠控制冷卻速度，改變帶鋼的金屬組織結(jié)構(gòu)，在不降低韌性的情況下，提高鋼材強(qiáng)度，減少板帶的不平整度以及殘余應(yīng)力，從而明顯地提高帶鋼質(zhì)量，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。采用哪種冷卻方式應(yīng)根據(jù)具體工藝環(huán)境和限定條件確定。冷卻速度調(diào)節(jié)范圍小，耗水量較大。線路復(fù)雜，噪音較大，車間內(nèi)霧氣較大設(shè)備易受腐蝕。當(dāng)前世界上采用的控制冷卻設(shè)備主要為水幕冷卻系統(tǒng)和柱狀層流冷卻系統(tǒng)。另一方面，層流冷卻控制系統(tǒng)主要由國外開發(fā)，國內(nèi)還處在引進(jìn)、消化、吸收的階段，研