唐宏進(jìn)

(上海寶信軟件股份有限公司自動(dòng)化事業(yè)本部,上海 201900)

1 現(xiàn)狀與問(wèn)題

寶鋼湛江鋼鐵4 200 mm中厚板廠軋線有粗軋機(jī)和精軋機(jī)共2臺(tái)軋機(jī)。粗軋機(jī)軋制完成后,中間坯在粗軋機(jī)和精軋機(jī)中間的輥道待溫,待溫到精軋開軋溫度后進(jìn)入精軋機(jī)軋制。通常情況下待溫厚度和待溫溫度與品種及厚度密切相關(guān)。品種相同時(shí),待溫中間坯厚度越厚,待溫目標(biāo)溫度越低,待溫時(shí)間越長(zhǎng)。

厚板待溫通常有兩種途徑:空冷和水冷。空冷是依靠自然環(huán)境溫度進(jìn)行冷卻,水冷是通過(guò)冷卻水對(duì)中間坯上下表面澆水進(jìn)行快速冷卻。湛江4 200 mm中厚板廠未投用中間水冷時(shí)待溫方式只有空冷?？绽浯郎厮钑r(shí)間較長(zhǎng),以中厚板廠常見的50 mm厚度結(jié)構(gòu)鋼Q355B為例,待溫厚度通常為90 mm,中間坯采用空冷自然冷卻時(shí)長(zhǎng)可達(dá)600 s。為緩解空冷待溫時(shí)間長(zhǎng)的影響,采用多塊鋼組坯待溫的生產(chǎn)方式,即粗軋機(jī)軋制完的幾塊中間坯在精軋入口組成隊(duì)列,幾塊中間坯一起空冷待溫,后續(xù)中間坯到精軋軋制區(qū)待軋時(shí)就縮短了需要的空冷時(shí)間。

只采用空冷方式待溫存在節(jié)奏慢,效率低的問(wèn)題:

(1) 空冷待溫冷卻速度慢,鋼板品種或者厚度跳躍稍大,精軋機(jī)時(shí)常需要等待空冷過(guò)程完成才能進(jìn)行軋制。

(2) 粗軋機(jī)和精軋機(jī)道次數(shù)量為剛性,只能多1道次或者少1道次。多塊鋼組坯控制的數(shù)量也是剛性的,只能多1塊或者少1塊。所以無(wú)論軋制計(jì)劃怎么安排,軋機(jī)道次怎么計(jì)算,兩臺(tái)軋機(jī)總是無(wú)法完美匹配,日常精軋機(jī)軋制時(shí)常遇到需要空冷20～60 s的短暫等待時(shí)間。

隨機(jī)抽取湛江厚板的生產(chǎn)數(shù)據(jù)(2020年7月21日—7月22日),對(duì)鋼板的待溫時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),中間坯待溫時(shí)間達(dá)到2.45 h,占生產(chǎn)時(shí)間的8.17%。中間待溫對(duì)軋制節(jié)奏的影響十分明顯。

為了縮短中間坯待溫時(shí)間,湛江4 200 mm中厚板廠在粗軋和精軋之間的輥道上安裝了中間水冷裝置,通過(guò)中間水冷和組坯空冷相結(jié)合的方式降低中間坯在輥道上的待溫時(shí)間,提升軋線的生產(chǎn)能力。

2 中間水冷裝置技術(shù)參數(shù)

新增的中間水冷裝置在粗軋機(jī)與精軋機(jī)之間,位置如圖1所示,裝置安裝在精軋入口FE5輥道上,坐標(biāo)位于122～127 m之間,設(shè)備長(zhǎng)度4 m。中間水冷有上下兩個(gè)管路,每路各有6組集管,總水冷水量800～1 000 m3/h。上下管路總集管之上各安裝1個(gè)流量調(diào)節(jié)閥,用于控制中間水冷流量。上下總集管上還各安裝1個(gè)流量計(jì),用于檢測(cè)總管路實(shí)際流量。上部管路上裝有1個(gè)開關(guān)閥,用于在非中間水冷狀態(tài)下的管路排水。

圖1 中間水冷裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of intermediate water cooling device

非水冷情況下,兩個(gè)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉,關(guān)閉供水,同時(shí)6個(gè)排水閥打開。當(dāng)過(guò)程計(jì)算機(jī)有下發(fā)中間水冷設(shè)定值(即需要中間水冷),兩個(gè)調(diào)節(jié)閥會(huì)根據(jù)流量設(shè)定值打開,同時(shí)6個(gè)排水閥關(guān)閉,保證實(shí)際供水流量與設(shè)定流量一致。當(dāng)板坯水冷完畢,兩個(gè)調(diào)節(jié)閥會(huì)關(guān)閉供水,排水閥同時(shí)全部打開,將管路中的積水排干。

3 控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程

寶鋼湛江4 200 mm中厚板廠軋線控制系統(tǒng)控制器為西門子TDC,整條軋線的自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用的是西門子公司的全流程自動(dòng)化方案。為不影響原有程序架構(gòu),中間水冷程序在原有軋線控制程序基礎(chǔ)上新增和修改,程序編寫在軋線輔助功能程序(MSF)里。主控TDC控制器的Profibus網(wǎng)絡(luò)下新增一個(gè)ET200站,用于中間水冷現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入及中間水冷設(shè)備相關(guān)閥的輸出。

中間水冷使用邏輯如下:粗、精軋機(jī)之間只有1塊中間坯時(shí),板坯可進(jìn)行多道次的中間水冷;精軋入口區(qū)有多塊鋼組坯時(shí),組坯的第1塊板坯在分離至精軋機(jī)前時(shí)進(jìn)行1道次的水冷后進(jìn)入精軋軋制區(qū)等待軋制。

3.1 多道次水冷

多道次水冷應(yīng)用于粗軋機(jī)和精軋機(jī)之間的輥道上只有1塊待軋板坯時(shí)。粗軋機(jī)軋完中間坯后,過(guò)程計(jì)算機(jī)將計(jì)算中間坯到目標(biāo)溫度所需要的水冷道次、水冷速度、中間水冷的流量,這些值經(jīng)過(guò)設(shè)定值處理程序(SDH)下發(fā)至軋線協(xié)調(diào)程序(LCO)。

為實(shí)現(xiàn)多道次的自動(dòng)水冷,LCO精軋入口區(qū)程序中需要新增向前水冷軋制步(軋制步代碼4900)和向后水冷軋制步(軋制步代碼4910),兩個(gè)軋制步用于多道次水冷的控制。

中間坯從粗軋區(qū)域進(jìn)入精軋入口區(qū)時(shí),在水冷裝置下以設(shè)定速度來(lái)回水冷,水冷完設(shè)定的道次后,中間坯離開水冷裝置進(jìn)入精軋軋制區(qū)進(jìn)行軋制。

如果設(shè)定水冷道次大于1且滿足多道次水冷條件,精軋入口區(qū)的軋線協(xié)調(diào)程序?qū)?dòng)多道次水冷程序。中間坯在進(jìn)入水冷裝置前冷卻水打開,中間水冷實(shí)際流量達(dá)到設(shè)定流量后,中間坯按設(shè)定的水冷速度穿過(guò)水冷裝置進(jìn)行水冷。奇道次時(shí),執(zhí)行向前水冷軋制步(4900),中間坯按設(shè)定的水冷速度往精軋機(jī)方向運(yùn)動(dòng),當(dāng)板坯尾部位置超過(guò)中間水冷裝置末端位置時(shí),向前水冷步結(jié)束,實(shí)際水冷道次數(shù)增加1道次,奇道次水冷完成,LCO跳轉(zhuǎn)到偶道次水冷軋制步(4910)。偶道次水冷時(shí),中間坯按設(shè)定的水冷速度往粗軋機(jī)方向運(yùn)動(dòng),中間坯映像頭部位置小于中間水冷裝置起始位置時(shí),偶道次水冷步驟結(jié)束,實(shí)際道次數(shù)增加1道次。當(dāng)水冷道次等于L2設(shè)定道次時(shí),多道次水冷過(guò)程完成,中間坯將進(jìn)入精軋軋制區(qū)進(jìn)行下一步軋制。多道次水冷過(guò)程如圖2所示。

圖2 多道次水冷過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-pass water cooling process

3.2 單道次水冷

組坯空冷是中間坯冷卻經(jīng)常采用的方式,即粗軋軋完的中間坯在精軋入口依次組成1個(gè)隊(duì)列一起擺動(dòng)自然冷卻。精軋軋制區(qū)空時(shí),組坯隊(duì)列中的第1塊中間坯分離出隊(duì)列進(jìn)入精軋軋制區(qū)去等待軋制。

為了使多塊鋼組坯空冷和中間水冷同時(shí)使用,多塊鋼組坯中的第1塊中間坯在分離并前往精軋軋制區(qū)的過(guò)程中,對(duì)經(jīng)過(guò)水冷裝置的中間坯進(jìn)行單道次水冷,即在組坯的第1塊中間坯分離過(guò)程和往精軋機(jī)前推床行進(jìn)的過(guò)程中,打開中間水冷裝置的水閥,中間坯在通過(guò)中間水冷裝置時(shí),對(duì)組坯分離過(guò)程中的第1塊中間坯進(jìn)行1道次的水冷。

由于中間水冷安裝在122～126 m的位置,原組坯分離點(diǎn)在133.24 m處,若按原有分離點(diǎn)組坯分離,第1塊中間坯尾巴離開原分離點(diǎn)時(shí),后續(xù)的板坯也會(huì)進(jìn)入中間水冷裝置,造成后續(xù)板坯的水冷不受控,影響后續(xù)板坯的溫度控制。為了精準(zhǔn)地對(duì)組坯的第1塊中間坯進(jìn)行水冷,需將組坯分離點(diǎn)往粗軋方向前移,從133.24 m提前至FE6和FE5輥道交接點(diǎn)120.32 m處,距離中間水冷裝置還有1 m多的空間,保證了在分離過(guò)程中,第2塊中間坯不會(huì)進(jìn)入中間水冷,也解決了板坯分離過(guò)程中因?yàn)橹虚g坯過(guò)長(zhǎng)出現(xiàn)板坯頭部進(jìn)入精軋軋機(jī)仍未完成分離動(dòng)作的問(wèn)題。圖3為多坯組坯分離時(shí)單道次水冷的過(guò)程。

圖3 組坯單道次水冷示意圖Fig.3 Schematic diagram of single pass water cooling

4 實(shí)現(xiàn)效果

中間水冷裝置上下集管的冷卻流量由過(guò)程計(jì)算機(jī)計(jì)算并設(shè)定,自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定流量對(duì)兩個(gè)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié),控制中間水冷流量。上下集管的流量控制的PDA如圖4所示,上下閥的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)速度較為一致,實(shí)際流量在達(dá)到設(shè)定值后也比較穩(wěn)定。

圖4 水冷時(shí)冷卻水流量PDA曲線Fig.4 PDA curves of cooling water flow rate during water cooling

圖5為5道次中間水冷時(shí)的PDA,精軋入口區(qū)的軋制步正常地跳入向前/向后水冷軋制步(4900/4910),從精軋入口區(qū)域板坯的頭尾位置可以看出中間坯在中間水冷中按照過(guò)程計(jì)算機(jī)設(shè)定的道次和速度進(jìn)行正常水冷,在水冷完成之后跳出水冷軋制步,進(jìn)入精軋軋制區(qū)進(jìn)行下一步的軋制。中間坯在進(jìn)入水冷裝置前,上下集管的實(shí)際流量就提前達(dá)到了設(shè)定值,水冷過(guò)程中流量也十分穩(wěn)定。

圖5 多道次水冷PDAFig.5 PDA curves of multi pass water cooling

單道次水冷的PDA曲線如圖6所示,板坯頭部位置在到達(dá)水冷裝置前,冷卻水實(shí)際流量達(dá)到設(shè)定的流量,精軋入口區(qū)組坯的板坯正常進(jìn)入分離過(guò)程(軋制步4850),在分離過(guò)程和進(jìn)入精軋軋制區(qū)的過(guò)程中對(duì)板坯進(jìn)行了單道次的水冷。

中間水冷投用后縮短了中間坯待溫的時(shí)間,特別對(duì)厚度60 mm以上的中間坯效果顯著。在環(huán)境溫度為27 ℃,中間水冷總管設(shè)定流量約800 m3/h的條件下,溫度為980 ℃、厚度為80 mm的中間坯以1.0 m/s速度經(jīng)過(guò)中間水冷裝置時(shí),每道次能降溫30 K。中間坯經(jīng)過(guò)5道次水冷后溫度降為830 ℃左右,之后進(jìn)行40～60 s的空冷返紅就能降到790 ℃左右的開軋溫度。中間坯待溫至精軋開軋溫度總耗時(shí)約200 s,在相同環(huán)境及冷卻效果的情況下,如果只使用空冷降溫待溫時(shí)間約需360 s,中間水冷的投用減少了約160 s的待溫時(shí)間,加快了軋制節(jié)奏。

5 結(jié)語(yǔ)

中間水冷系統(tǒng)與軋線主控系統(tǒng)及軋機(jī)模型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有效融合,擴(kuò)展了原有軋線系統(tǒng)的功能及效率。中間水冷與多塊鋼組坯空冷的結(jié)合減少甚至消除了由于控溫帶來(lái)的精軋機(jī)等待時(shí)間,提升了軋線的軋制節(jié)奏,有益于軋線產(chǎn)量的提高。