寶鋼湛江鋼鐵中厚板廠中間水冷技術應用與實現

唐宏進

(上海寶信軟件股份有限公司自動化事業本部,上海 201900)

1 現狀與問題

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

厚板待溫通常有兩種途徑:空冷和水冷?？绽涫且揽孔匀画h境溫度進行冷卻,水冷是通過冷卻水對中間坯上下表面澆水進行快速冷卻。湛江4 200 mm中厚板廠未投用中間水冷時待溫方式只有空冷?？绽浯郎厮钑r間較長,以中厚板廠常見的50 mm厚度結構鋼Q355B為例,待溫厚度通常為90 mm,中間坯采用空冷自然冷卻時長可達600 s。為緩解空冷待溫時間長的影響,采用多塊鋼組坯待溫的生產方式,即粗軋機軋制完的幾塊中間坯在精軋入口組成隊列,幾塊中間坯一起空冷待溫,后續中間坯到精軋軋制區待軋時就縮短了需要的空冷時間。

只采用空冷方式待溫存在節奏慢,效率低的問題:

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

(2) 粗軋機和精軋機道次數量為剛性,只能多1道次或者少1道次。多塊鋼組坯控制的數量也是剛性的,只能多1塊或者少1塊。所以無論軋制計劃怎么安排,軋機道次怎么計算,兩臺軋機總是無法完美匹配,日常精軋機軋制時常遇到需要空冷20～60 s的短暫等待時間。

隨機抽取湛江厚板的生產數據(2020年7月21日—7月22日),對鋼板的待溫時間進行了統計,中間坯待溫時間達到2.45 h,占生產時間的8.17%。中間待溫對軋制節奏的影響十分明顯。

為了縮短中間坯待溫時間,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,通過中間水冷和組坯空冷相結合的方式降低中間坯在輥道上的待溫時間,提升軋線的生產能力。

2 中間水冷裝置技術參數

新增的中間水冷裝置在粗軋機與精軋機之間,位置如圖1所示,裝置安裝在精軋入口FE5輥道上,坐標位于122～127 m之間,設備長度4 m。中間水冷有上下兩個管路,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個流量調節閥,用于控制中間水冷流量。上下總集管上還各安裝1個流量計,用于檢測總管路實際流量。上部管路上裝有1個開關閥,用于在非中間水冷狀態下的管路排水。

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,兩個調節閥關閉,關閉供水,同時6個排水閥打開。當過程計算機有下發中間水冷設定值(即需要中間水冷),兩個調節閥會根據流量設定值打開,同時6個排水閥關閉,保證實際供水流量與設定流量一致。當板坯水冷完畢,兩個調節閥會關閉供水,排水閥同時全部打開,將管路中的積水排干。

3 控制實現過程

寶鋼湛江4 200 mm中厚板廠軋線控制系統控制器為西門子TDC,整條軋線的自動化控制系統采用的是西門子公司的全流程自動化方案。為不影響原有程序架構,中間水冷程序在原有軋線控制程序基礎上新增和修改,程序編寫在軋線輔助功能程序(MSF)里。主控TDC控制器的Profibus網絡下新增一個ET200站,用于中間水冷現場信號的輸入及中間水冷設備相關閥的輸出。

中間水冷使用邏輯如下:粗、精軋機之間只有1塊中間坯時,板坯可進行多道次的中間水冷;精軋入口區有多塊鋼組坯時,組坯的第1塊板坯在分離至精軋機前時進行1道次的水冷后進入精軋軋制區等待軋制。

3.1 多道次水冷

多道次水冷應用于粗軋機和精軋機之間的輥道上只有1塊待軋板坯時。粗軋機軋完中間坯后,過程計算機將計算中間坯到目標溫度所需要的水冷道次、水冷速度、中間水冷的流量,這些值經過設定值處理程序(SDH)下發至軋線協調程序(LCO)。

為實現多道次的自動水冷,LCO精軋入口區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),兩個軋制步用于多道次水冷的控制。

中間坯從粗軋區域進入精軋入口區時,在水冷裝置下以設定速度來回水冷,水冷完設定的道次后,中間坯離開水冷裝置進入精軋軋制區進行軋制。

如果設定水冷道次大于1且滿足多道次水冷條件,精軋入口區的軋線協調程序將啟動多道次水冷程序。中間坯在進入水冷裝置前冷卻水打開,中間水冷實際流量達到設定流量后,中間坯按設定的水冷速度穿過水冷裝置進行水冷。奇道次時,執行向前水冷軋制步(4900),中間坯按設定的水冷速度往精軋機方向運動,當板坯尾部位置超過中間水冷裝置末端位置時,向前水冷步結束,實際水冷道次數增加1道次,奇道次水冷完成,LCO跳轉到偶道次水冷軋制步(4910)。偶道次水冷時,中間坯按設定的水冷速度往粗軋機方向運動,中間坯映像頭部位置小于中間水冷裝置起始位置時,偶道次水冷步驟結束,實際道次數增加1道次。當水冷道次等于L2設定道次時,多道次水冷過程完成,中間坯將進入精軋軋制區進行下一步軋制。多道次水冷過程如圖2所示。

圖2 多道次水冷過程示意圖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個隊列一起擺動自然冷卻。精軋軋制區空時,組坯隊列中的第1塊中間坯分離出隊列進入精軋軋制區去等待軋制。

為了使多塊鋼組坯空冷和中間水冷同時使用,多塊鋼組坯中的第1塊中間坯在分離并前往精軋軋制區的過程中,對經過水冷裝置的中間坯進行單道次水冷,即在組坯的第1塊中間坯分離過程和往精軋機前推床行進的過程中,打開中間水冷裝置的水閥,中間坯在通過中間水冷裝置時,對組坯分離過程中的第1塊中間坯進行1道次的水冷。

由于中間水冷安裝在122～126 m的位置,原組坯分離點在133.24 m處,若按原有分離點組坯分離,第1塊中間坯尾巴離開原分離點時,后續的板坯也會進入中間水冷裝置,造成后續板坯的水冷不受控,影響后續板坯的溫度控制。為了精準地對組坯的第1塊中間坯進行水冷,需將組坯分離點往粗軋方向前移,從133.24 m提前至FE6和FE5輥道交接點120.32 m處,距離中間水冷裝置還有1 m多的空間,保證了在分離過程中,第2塊中間坯不會進入中間水冷,也解決了板坯分離過程中因為中間坯過長出現板坯頭部進入精軋軋機仍未完成分離動作的問題。圖3為多坯組坯分離時單道次水冷的過程。

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

4 實現效果

中間水冷裝置上下集管的冷卻流量由過程計算機計算并設定,自動化系統根據設定流量對兩個調節閥進行比例積分調節,控制中間水冷流量。上下集管的流量控制的PDA如圖4所示,上下閥的響應時間和響應速度較為一致,實際流量在達到設定值后也比較穩定。

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

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

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水冷裝置前,冷卻水實際流量達到設定的流量,精軋入口區組坯的板坯正常進入分離過程(軋制步4850),在分離過程和進入精軋軋制區的過程中對板坯進行了單道次的水冷。

中間水冷投用后縮短了中間坯待溫的時間,特別對厚度60 mm以上的中間坯效果顯著。在環境溫度為27 ℃,中間水冷總管設定流量約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速度經過中間水冷裝置時,每道次能降溫30 K。中間坯經過5道次水冷后溫度降為830 ℃左右,之后進行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約200 s,在相同環境及冷卻效果的情況下,如果只使用空冷降溫待溫時間約需360 s,中間水冷的投用減少了約160 s的待溫時間,加快了軋制節奏。

5 結語

中間水冷系統與軋線主控系統及軋機模型系統實現了有效融合,擴展了原有軋線系統的功能及效率。中間水冷與多塊鋼組坯空冷的結合減少甚至消除了由于控溫帶來的精軋機等待時間,提升了軋線的軋制節奏,有益于軋線產量的提高。