武钢CSP短流程产线目前已经生产出双相钢系列DP、DP以及DP等，基于DP系列材料制定全新的工艺路线及生产制造过程控制核心参数，利用现有的分段冷却控制模型与空冷段设计布局、精确的冷却计算速率公式，以及科学合理的冷却策略和空冷段长度的设计，来实现不同牌号钢种性能的精准控制，克服了短流程产线在生产DP系列钢种中存在的固有困难，为CSP在双相钢、特殊钢等产品的生产、开发奠定基础。
武钢CSP产线全套采用德国SMSD技术，产品厚度规格：0.8-12.7mm，生产能力万吨/年，于年5月全线投产运行。产线轧钢部分主要由两座辊底式均热炉、一台40MPa高压除鳞机、立辊、七机架热连轧机、层流冷却、两台地下卷取机、钢卷在线检查线、钢卷运输线及辅助设备组成。层流冷却是控制板带钢组织性能的核心设备之一。
1武钢CSP层流布置及功能介绍
1.1CSP层流冷却设备分布及功能
CSP层流冷却装置布置根据所处理板带的厚度，轧制速度和温降来确定。层流冷却装置主要由上部喷水机构和下部喷水机构及侧喷机构组成，其中，上下喷水机构由8段粗调和2组精调组成，侧喷12组（最后一组为双组布置，确保双相钢大流量层流后的切水效果）。CSP层流冷却装置布置简图如图1，本产线层流冷却装置采用西马克与产线相关专家共同设计完成，冷却区域的范围定义为从精轧末机架F7后的测量位置开始到卷取机前的测量位置为止。层流冷却区划分为精调段、微调段和空冷段三部分，出精轧机后为微调前段，然后为空冷段，再为微调后段，最后为精调段，具体布置如下。
1.2三段冷却的含义及控制
1）空冷段的设计优势
以往国内多数钢厂层流冷却都是连续排布，中间没有空冷段和中间测温计，控制采用温度前馈加温度反馈的控制方式。为了提高控制精度及多品种钢的开发应用，CSP层流冷却设计在常规控制系统的设计中引入了反馈控制系统，以弥补前馈控制的不足。这种反馈补偿，存在“时滞性”及从检测到温度超差到实际调整恢复的过程中，出现的温度超差区偏长，这个温度超差区的组织性能波动较大，这个异常是无法挽回的。在设计之初，为降低“时滞性”带来的影响，在层流冷却的微调段之间设置空冷段，并加装了两个高温计，实现微调阶段的反馈控制，实现了微调水量的准确控制。
层流模型利用精轧出口高温计的测量值，对微调段所设的喷水集管数量进行动态调整，以确保带钢进入空冷段前处于一个稳定温度值。带钢在经过空冷段时，可消除由FT7、带钢运行速度、厚度波动等问题带来的异常影响，在空冷段形成一个比较稳定的“中间温度”值，同时可利用空冷段高温计所测量的实际温度值来影响模型对微调段及精调段冷却水量的控制。因空冷段及中间高温计的存在，带钢可在一个比较稳定的温度基础上进行测量调节，很好地规避了反馈控制的“时滞性”，得到较好的控制结果。
空冷时带钢在长度和宽度方向上的传热条件比较一致，故可认为长度和宽度方向的温度均匀分布，带钢厚度较薄，在一定的厚度范围内，认为厚度方向上的温度相同，因此带钢空冷过程可以简化为零维非稳态导热问题，空冷模型的精度一定程度上影响着水冷的控制精度。
式中，θair：带钢空冷后的温度，℃；ε：轧件黑度系数；σ：玻尔兹漫常数，W/（mk）；△t：精轧出口到卷取机前带钢运行时间，s；Cp：比热，kJ/（kg℃）；γ：密度，kg/m3；h：带钢厚度，mm；θth：精轧出口温度，℃。
2）水冷段控制
层流冷却集管装置功能是：带钢经过精轧机组轧制后，进入层流冷却区域；层流冷却基础自动化系统及过程控制系统通过实时控制层流冷却上下集管装置水量配比及水量分布，将热轧带钢冷却到工艺要求的卷取温度，使其力学性能和金相组织结构达到预定的质量要求。
精调段冷却：适用于有抗拉强度级别要求的硬质钢产品以及合金钢。
微调段冷却：适用于进一步加工的软质材料以及部分冷轧产品。
根据带钢卷取温度的实测值与目标值的偏差，通过动态调节集管的开关来消除温度偏差，提高带钢的卷取温度精度。
每个集管所产生温降模型为：
式中，g：比重，kg/m3；Cp：比热，kJ/kg℃；HF：带钢厚度，mm；V：夹送辊线速度，m/s；QXF：每个精调集管热流密度，kJ/m2h；lu：每个精调集管长，m。
2武钢CSP双相钢的生产特点
精轧温度、中间温度、空冷时间、卷取温度和轧制速度的精确控制是热轧双相钢生产的关键，是冷却过程的重要控制目标。武钢CSP开发DP系列双相钢的最大难点是空冷时间、中间温度及卷取温度的控制。武钢CSP热轧高强度双相钢生产采用前段冷却+空气冷却+后段冷却策略，结合多次热模拟试验和工业试验，最终冷却工艺参数见表1。
利用CSP层流冷却系统的独特优势，结合双相钢生产技术，成功开发出热轧双相钢DP、DP、DP，产品性能稳定，最薄厚度1.2mm，不良率≤0.65%。它具有成本低、强度高、板厚薄、屈强比低等特点，其性能和质量达到了冷轧同级别双相钢的标准要求。在汽车工业中推广用热轧基材代替冷轧基材完成冷辗扩工艺具有重要意义。
3层流控制模型
层流冷却段的控制主要依靠设定模型和反馈控制模型，设定模型在带钢进行轧制前就计算完成，反馈控制模型是在开始冷却后发挥作用。模型运作机制如图2所示，模型运行时的数据管理（过滤和验证）通过反馈控制模型进行管理。反馈控制模型在每ms的一个运算周期内和L1进行数据通讯，比如速度、温度、水阀的设置等。这两种模型的差异主要取决于他们的运行方式。
3.1预报模型
预报模型是反馈控制模型进行设定的过程，预报模型的计算依赖于实测的轧制数据如速度、轧机出口速度以及反馈的实测卷取温度等，预报模型的计算数据将直接用于模型内核计算，来完成温度控制及带钢跟踪预算。运行过程如图2所示。
3.2自学习模型
自学习模型的目的就是使理论计算和卷取温度实测值两者差值最小化。主要有两种自学习值：长期自学习值（LTAD）是为了使实际和理论差值最小化，短期自学习值（STAD）是利用前一块同钢种同规格的头部温度偏差值，来修正下一块头部温度的计算模型。一般来讲短期自学习值是用来补偿实际生产中的一些环境因素而导致的设定误差，比如输出辊道冷却、检修后的复产、工作辊的冷却等。短期自学习和长期自学习的意义不同，所以他们发生作用的时机也不同。短期自学习是修正设定偏差，它几乎与设定模型同时发生作用。长期自学习的目的是优化不同模型之间理论计算和实际结果的差异。它是通过执行模型稳定计算的必要条件，长期自学习作用在带钢的中部。相比之下，短期自学习的作用时间在长期自学习之前，如图3所示。
3.3自学习模型的数据交换
图4简要地展示了自学习模型中的数据交换过程，自学习模型从设定模型中接受输入输出数据，将设定模型的计算结果（如水阀的设置、分类、已算得的自学习系数等）传给温度控制模型，同时自学习模型接收从控制模型反馈来的带钢瞬时状态下的检测数据（包括速度、温度、水量等）。
自学习模型的输入量：
1）MDI（模型输入数据）：计算的速度、化学成分、水阀和侧喷的设置，响应的时间，厚度及头部温度的预报值，冷却策略等；
2）MDO（模型输出数据）：自学习模型分类，水量控制输入输出，带钢瞬时的预报温度；
3）PST（过程信号跟踪）：水温，实测速度，实测终轧温度，实测厚度，实际水量。
3.4自学习的计算优化
冷却模型如何精准、稳定的控制层流温度，降低或消除由异常工况、工艺参数及设备状态的改变等不利因素带来的干扰，是自学习模型存在的关键。自学习模型的优化是基于大量的数据统计，区分不同轧制过程、工艺参数、产品结构及设备状态下的系统性改善。
模型计算在自学习值未参与其中计算时也能正常进行运行，带钢在输出辊道进行冷却时，某一瞬时内，水阀打开在此瞬时状态里为带钢进行冷却，利用微分计算原则，人为将整个带钢划分为若干段，计算每段冷却控制数据，将计算结果与高温计值进行差值计算，导入自学习模型。
ModelError=Tmeas-Tcalc
1）纯粹物理计算不需要任何自学习值参与，从而计算出结果便于得出模型误差。
2）将模型误差通过热传导系数转换为修正值。
a=a0×（1+LTAD）
3）再次做第一次的计算并且加入得出的修正值，得到第二个模型误差。
ModelError2=Tmeas-Tcalc
ModelError2
ModelError1
当温度误差在给定范围（2℃）内时，自学习值就认为误差有效，不做干预，如果温度误差超出给定范围，就进行再次计算，得出水量调整的时间和大小，修正预报模型计算结果。
4）原有的长期自学习模型是简单的将历史数据中自学习调整值的平均值（式（1）），按钢种规格以及成品参数划分到不同的自学习阵列中，随着轧制量的增加长期自学习值也同样进行优化和更新（式（2））。基于该原理，对长期自学习做了相关调整，通过外置计算程序，对干扰较大或存在明显计算偏差的短期自学习值做相应的处理，避免了因设备故障及工艺参数错误等导致的温度控制偏差较大的带钢短期自学习值直接进入长期自学习模型，导致长期自学习模型混乱。
LTADStrips=（LTAD1+LTAD2+LTAD3+LTAD4+LTAD5）/5（1）
LTADMatrix（n+1）=LTADMatrix（n）+（LTADMatrix（n）-LTADStrips）×Gain（StripCounter）
（2）
3.5分段控制模型应用
原有的控制模型是通过精轧和卷取传递的过程信号来控制，经过反馈控制模型的计算将结果反馈给水阀，进行控制，形成一个大的闭环控制，这种控制的优点是简单直接，控制功能模块较明确，缺点是针对性不强，控制精度较差。因为整个层流冷却段只通过两个高温计在首尾作用，带钢在冷却过程中会受到各种客观条件的影响（如水流量、水压等），导致温度可能一直无法处于一个稳定的状态。
为此，提出了分段控制的概念，在精轧高温计和卷取高温计之间采用一个高温计作为新的控制点，实际上可以认为这是一个校正控制高温计，把这个高温计安放在空冷段，一方面受水汽影响较小，便于测温；一方面保证控制间距合适。其控制思想是，三点双闭环，中部高温计相应也有一个目标温度，在带钢正常设定完成之后，冷却过程中，三个高温计同时采集各自的过程信号，中部高温计同样按照反馈思路接近目标值，保证前段的温度稳定，然后到达卷取高温计，此时从中部高温计经过的带钢温度已经趋于稳定，如客观条件较满足的情况下，后段水量调整量不大，但如果此时卷取高温计实测温度异常，依据反馈控制对后段水量进行调整。精轧将温度速度同时发给中部和卷取高温计，中部将温度反馈给精轧，形成闭环；卷取将温度反馈给中部高温计，如图5所示。
中部高温计在信号传输过程中起到反馈和校正的作用，一方面对前段水阀进行反馈，另一方面对后段水阀进行前馈。两者同时作用。数据由报文形式进行通讯，首先精轧将模型输入数据传给卷取，进行层冷段的设定，设定流程如图6所示。
分段冷却的实现数据如表2所示。
3.6层流水阀响应检测程序开发
层流水阀响应时间是层流冷却模型的一项重要参数，其准确性将直接影响产品的CT精度。在没有相关硬件的条件下，依靠现有设备，在软件系统中开发层流上下喷水阀的响应时间检测程序，周期性对层流水阀进行响应时间的检测，及时调整或更换。利用该程序可将层流水阀的开启响应时间检测误差值精确到1s以内，以便设备维护人员对故障水阀进行针对性的调整、更换，从而保证模型计算的准确性，进而提升CT精度。测试结果如表3所示。
4结语
DP系列钢种的成功开发，验证了武钢CSP产线的层流冷却工艺控制思想和装备控制能力，通过DP系列品种的开发经历，积累了大量的生产经验和关键数据积累，为今后的双相、多相钢的生产试验提供了基础保障，也为层流冷却装备及控制模型的升级改造提供了新的工艺思路和控制手段。未来，我们将着力于层流冷却精细化控制能力的提升，实现单个集管水压的精确控制，单个集管温降值的精确预估，组织改造前段冷却控制系统，增加前段冷却区域的冷却能力，实现空冷段温度及空冷时间的精确控制，延长空冷时间，拓宽双相及多相钢的生产品种范围，不断提升产线的核心竞争力。（陈波陈剑飞田军利）
来源：世界金属导报