为了降低生产成本，实现产品“减量化”生产，首钢迁钢与东北大学合作，于2012年10月进行了2160mm热轧轧后冷却设备改造，拆除原层流冷却入口4组集管，在相应位置增设3组超快速冷却^{[1, 2, 3]}设备，轧后冷却控制系统也作了相应的改造.改造后新增的东北大学L2级轧后冷却控制系统与原SIEMENS层流冷却控制系统采用了并行方案.自投产以来，东北大学轧后冷却控制系统运行稳定，但随着生产产品的增多，在生产调试过程中也逐渐暴露出一些问题，主要体现在如下几个方面：①超快冷出口纵向头部、中部和尾部温度存在偏差；②带钢经超快速冷却后，在层流冷却区存在返红现象，影响了卷取温度控制精度；③精轧机架间冷却水不参与终轧温度控制，为保证终轧温度，通常速度波动较大，进而影响卷取温度控制 精度.本文针对生产调试过程中出现的上述问题，对轧后冷却温度控制系统进行了改进优化，显著提高了轧后冷却的温度控制精度.

按“定长”将带钢分为若干样本段，并按相同的长度将冷却区划分为n个区域^[4]，如图 1所示.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 带钢样本及冷却区划分方法 Fig. 1 Schematic of division method for strip segments and cooling sections

每当一个新的带钢样本段到达精轧机出口高温计时，轧后冷却温度控制系统根据实测的精轧出口温度、速度、加速度、超快冷出口目标温度、目标卷取温度等，调用温度计算模型，确定该带钢样本段所需的集管开启状态.

带钢在轧后冷却区的换热过程十分复杂，其中包括：热辐射、空气对流散热、水冷对流散热和带钢与辊道之间的热传导及相变潜热等^{[5, 6, 7]}.工程应用过程中，为了简化计算，通常仅考虑热辐射和水冷对流散热，而其他方式的散热都纳入到热辐射散热系数中统一考虑，如下式所示：

为了保证终轧温度控制精度，精轧机组通常需要进行升速轧制，因此带钢头部、中部和尾部各样本段通过超快速冷却区的换热系数及冷却时间存在较大的差异.为了消除超快冷出口纵向温度变化趋势，提高超快冷出口的温度控制精度，本文在系统原有的带钢中间本体水冷换热系数自学习的基础上，增加了带钢头部及尾部的水冷换热系数自学习功能.各位置的水冷换热系数学习值可按下式进行计算^[8]:

热轧带钢在轧后的超快速冷却过程中，由于表面骤冷，带钢厚度方向表面和中心会形成较大的温度梯度，在快速冷却结束后的短时内，由于带钢内部热传导作用，会出现已经被冷却的表面温度再次升高的现象，现场称为“返红”^[9].采用一维有限差分法，结合现场超快冷生产实际数据，对不同钢种及厚度规格的产品返红进行了模拟计算，以厚度为13.5mm的Q345产品为例，计算结果如图 2所示.从图中可以看出在超快冷集管出口处，带钢表面和中心温差达到最大，高达140℃；在超快冷出口测温点，返红不充分，带钢表面和中心仍存在约35℃的温差.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 超快冷返红模拟计算曲线 Fig. 2 Simulated results of strip surface temperature rise after ultra-fast cooling

由于带钢在超快冷出口测温点返红进行的不充分，带钢的表面温度会明显低于带钢的平均温度.在这样的情况下，以超快冷出口实测表面温度作为后续层流冷却区的入口温度，会造成模型中的层流冷却换热系数明显低于实际值.考虑到超快冷出口测温点带钢返红进行的不充分，所以将图 2中超快冷出口测温点位置带钢平均温度与表面温度的差值作为返红补偿值，与超快冷出口温度模型计算值加合，作为层流冷却的入口温度.超快冷出口温度返红补偿值与钢种及产品厚度有关，通常钢种需求的冷却速率越大、产品越厚返红补偿值越大.

影响带钢轧后冷却温度的因素包括带钢的材质、厚度、速度、板形，冷却水的水量、水压及水温，终轧温度等^{[10, 11]}.其中带钢速度具有很强的时变性，速度的波动不但影响带钢样本段通过冷却区的时间，而且还会影响冷却集管的水冷换热系数.由于现场精轧机架间冷却水不参与终轧温度的控制，主要通过调速的方法来确保终轧温度控制精度，所以带钢在冷却区的实际运行速度曲线和精轧预设定的速度通常存在较大的差别.当实际速度和预定速度偏差较大时，通常仅通过温度反馈控制已经无法满足温度控制精度要求.

为了消除速度波动的影响，除了对FDT位置的带钢新样本段进行计算外，对于已经进入冷却区的带钢样本段，同步进行速度的更新及温度的再计算.如图 3所示，以带钢样本段s_k为例，将样本段s_k通过任意No.j冷却区速度表示为v_k,j.如图 3a所示，当样本段s_k到达FDT位置时，计算s_k通过各冷却区的速度v_k,j(j=1，2，…，n)，并以FDT实测温度为初始值，计算s_k在各冷却区的温 度及达到目标温度所需的冷却集管组态；如图 3b所示，下一时刻样本段s_k+1到达FDT位置，样本段s_k到达No.1冷却区，由于带钢各样本的速度具有同步性，所以用样本段s_k+1过各冷却区的速度来更新s_k通过各冷却区的速度，即v_k,j=v_k+1,j-1(j=2，3，…，n)，并以前一时刻No.1冷却区出口温度计算值作为初始值，重新计算s_k在后续各冷却区的温度及达到目标温度所需的冷却集管组态；以此类推，直到样本段s_k出了冷却区为止.如图 3c所示，样本段s_k+i到达FDT位置，样本段s_k到达No.i冷却区，从图中不难看出，样本段s_k在No.1~ No.i冷却区，温度计算所用的速度为v_k+j,1(j=0，1，…，i-1)，基本代表了带钢在不同时刻的实际运行速度.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图3 速度波动条件下的轧后冷却温度计算方法 Fig. 3 Strip temperature calculation method on the condition of speed fluctuation on run-out table

应用上述方法，对迁钢2160mm热轧轧后冷却控制系统进行了优化，优化后超快冷出口温度和卷取温度控制精度均明显提高，以基于超快冷生产的减量化Q345产品为例，超快冷出口温度±30℃偏差，平均控制精度由优化前的86.4 % 提高到了93 % ，卷取温度±20℃偏差，平均控制精度由优化前的89 % 提高到了94.5 % .图 4给出优化前后轧后冷却控制系统控制效果对比曲线，其中钢种为Q345，成品厚度均为11.75mm，超快冷出口目标温度620℃，目标卷取温度580℃.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图4 优化前后温度控制效果的对比 Fig. 4 Comparison of control results between before and after optimization (a) —优化前； (b) —优化后.

从图 4a可以看出，超快冷出口温度UT和卷取温度CT在全长范围内波动较大，尤其是头部明显超差；而图 4b中，优化后的轧后冷却控制系统超快冷出口温度和卷取温度控制的精度都明显提高.

1) 为了降低生产成本，迁钢2160mm热轧线采用超快冷技术对轧后冷却系统进行了升级改造.本文介绍了升级改造后的轧后冷却温度控制的基本方法，分析了轧后冷却控制系统在生产调试过程中出现的主要问题.

2) 针对超快冷出口温度波动大的问题，提出了带钢头部、中间本体及尾部多点自学习方法，有效地提高了超快冷出口温度控制精度.

3) 采用有限差分法，对轧后超快冷过程的返红问题进行了分析，结果表明在超快冷出口测温点，带钢表面和中心仍存在较大的温差.在模拟分析计算的基础上，提出了一种超快冷出口返红补偿方法，以提高卷取温度控制精度.

4) 分析了速度波动对轧后冷却温度控制的影响，采用对进入冷却区的带钢样本段进行温度再计算的方法来提高速度波动条件下的卷取温度控制精度.

5) 采用上述方法，对轧后冷却控制系统进行了优化，现场应用结果表明，优化后超快冷出口温度和卷取温度控制精度均明显提高.