作者簡介：

    王笑波，女，1986年畢業于遼寧大學物理系，并留校任教。后又從師于東北大學自控界柴天佑院士，并在攻讀博士期間參與了多項冶金行業國家級科技攻關和自然科學基金項目。現任寶鋼研究院首席研究員，教授級高工，東北大學兼職碩士生導師，主要從事軋鋼過程建模與控制方法的研究。2008年被評為全國三八紅旗手。獲得國家冶金工業局科學技術進步二等獎1項，寶鋼重大科技進步一等獎、三等獎各1項，受理的專利5項，企業技術秘密10余項，通過技術創新為企業創造經濟效益上萬千元，發表在核心期刊的論文十余篇。其中，在中國過程控制年會上兩次獲得張鐘俊青年優秀論文二等獎，成為國內兩次獲張鐘俊獎的唯一人。

    摘要：厚板生產組織具有小批量、多品種、高精度等特點。厚板加速冷卻過程控制系統在降低品種成本、減少產品生產的后處理工序、提高產品質量等方面起著關鍵作用。本文從分析引進的軋后冷卻過程控制系統的問題及當前國內軋后加速冷卻控制模型使用現狀等方面出發，根據現有設備的實際，在多學科人士深度融合的基礎上，設計并建立了滿足產品工藝需求的新型全自動冷卻過程控制系統，通過自主開發的厚板軋后冷卻過程控制模型系統的應用，控制冷卻鋼板的終冷溫度控制精度在產品品種、規格不斷拓展的情況下，仍得到了穩步的提升。　

    關鍵詞：厚板；冷卻；模型；過程控制系統

    1 前言

    在線加速冷卻系統(ACC)于1979年在日本首次投入使用，并在80年代廣泛應用在日本和歐洲的中厚板軋機上。在線加速冷卻和控制軋制(CR)共同控制鋼板組織結構及性能稱為熱機軋制(TMCP)。采用加速冷卻的熱機軋制最初主要用于船板和管線鋼板的生產，1985年美國ASTM將TMCP生產的鋼板列入標準。目前，ACC技術已廣泛應用于造船、管線、建筑、橋梁、壓力容器等鋼板的生產。部分生產廠的冷卻裝置還具有高速冷卻能力，可以對軋后鋼板進行直接淬火(DQ)。與傳統的熱處理后淬火相比，直接淬火不但可以節能，而且在冷卻速度相同的前提下可以得到更高的硬化程度，可以降低鋼中的碳含量和碳當量，從而提高鋼板的焊接性能，因此大多數先進的加速冷卻裝置都具有直接淬火的能力。通常強度超過580MPa的鋼板可采用直接淬火工藝生產。

                    

                   圖1 厚板ACC鋼板的應用

    加速冷卻裝置型式很多，我國近幾年新建的中厚板廠主要使用的冷卻裝置有：氣霧冷卻系統(ADCO)、超快速冷卻（VAI&CRM的MULPIC冷卻系統、 日本JFE的SuperOLAC系統、國內東北大學RAL開發的超快冷UFC系統）、新型的ACC冷卻系統、高密度管狀層流冷卻系統四種型式。氣霧冷卻系統具備加速冷卻和直接淬火功能，國內只有酒鋼中厚板廠采用此類設備，國外采用的也為數不多。該系統冷卻能力較大、冷卻均勻、但是設備高大、噪音也大、設備檢修比較困難；MULPIC冷卻系統也具備加速冷卻和直接淬火功能，國內采用MULPIC冷卻系統的沙鋼5000mm厚板廠、萊鋼4300mm厚板廠和舞鋼4100mm厚板軋機三套，迪林根厚板廠、韓國浦項No.2和No.3厚板軋機后來改造的水冷裝置也采用了此系統。該系統冷卻能力強大、冷卻均勻，但是由于噴嘴數量多、水系統凈化要求很高，維護檢修相對比較復雜；新型的ACC冷卻系統和傳統熱連軋使用的層流冷卻系統有所不同，由高壓噴射段(5bar)和U型管的層流冷卻系統組成。國內主要有寶鋼和鞍鋼5000mm寬厚板軋機、寶鋼羅涇厚板廠和首鋼4300mm厚板軋機等采用。該系統分區組成建設靈活，投資可分期投入，并且設備檢修簡單、易于維護，但冷卻能力和冷卻均勻性不及MULPIC設備；高密度管狀層流冷卻系統是我國最近幾年自行開發的冷卻系統，在傳統的層流冷卻系統的基礎上，加大U型管的密度以提高水量而開發。目前已應用于太鋼、舞鋼和新余鋼廠等；超快冷UFC是東北大學RAL 提出了的全部采用噴嘴傾斜布置的壓力噴射式超快速冷卻系統。國內已在河北石家莊敬業鋼鐵公司3 000 中厚板軋機上裝設UFC+ACC 的新式冷卻系統，并投入使用。鞍鋼4 300 中厚板，首秦4 300 中厚板軋機正在設備安裝階段。

                      

               

            圖2 中厚板超快速冷卻（JFE福山中厚板的Super-OLAC,河北敬業UFC,沙鋼MULPIC）生產線

    目前，世界各國的中厚板生產普遍采用了控冷技術，其理論和實際操作水平也日臻完善，冷卻控制技術的核心模型已經有了良好的應用，而國內厚板廠的控冷模型無論是引進還是自主研發，均處于經驗管理系統的水平上，對于新品拓展還有部分需要外商，或高校的實驗支撐。 

    寶鋼5m厚板加速冷卻設備具有直接淬火和及層流冷卻兩種功能（如圖4、圖5所示），裝備和控制技術都是從SMSD引進，該套設備于2005年3月1日調試結束并投入使用；控制系統調試、功能考核直至2006年6月底基本完成。該系統在使用過程中發現許多問題：數據濾波方法有誤，導致在線計算出錯，終冷溫度無法控制在目標終冷溫度的范圍之內；控制策略不完善，導致各個控制量之間相互耦合，邊界條件的波動對優化設定的影響很大，同鋼種、同規格終冷溫度控制波動很大；隨著寶鋼ACC鋼種生產的不斷擴大溫度預測模型的顯現出不準確，直接造成控制精度的急劇下降；多目標的自適應控制不盡合理，導致同鋼種、同規格鋼板預設定參數波動很大，很難實現新品試制后性能 的穩定；原過程控制模型中沒有針對入口邊界條件波動的前饋補償控制功能；沒有模型參數的自學習功能，導致終冷溫度控制精度很難保證。 

    寶鋼針對厚板生產ACC產品需求，為最大限度地發揮這條冷卻線的冷卻控制潛力，組織力量進行多學科深度融合，開發相應的新的過程控制系統。包括冷卻策略、冷卻模式、物理模型、控制模型、自學習模型和自適應方法等，并在5m厚板加速冷卻生產線上對現有計算機進行替換和使用，以提高厚板控冷生產能力和產品精度、相對減少鋼種成分量，進而降低生產組織的難度和余材量，最終滿足下一代新產品的生產需要。

                 

                         圖4 寶鋼5m厚板加速冷卻設備布置示意圖

                      

                    圖5 寶鋼厚板軋后冷卻線
 
    2 新型軋后冷卻過程控制系統特點

    2.1 模塊化的程序設計

    由于L2過程控制計算機的程序編寫不是模塊化編程，一處的修改牽扯到多處的程序模塊和程序變量，對現場模型的持續改進帶來極大的困難，也不利于新品開發過程的參數調試和完善。同時，隨著降本增效需求，多數新產品需要高強冷卻，而原SMSD程序，為完成工程驗收的需要又對設備能力和鋼種規格等等進行了多處的限制和制約，大大影響了這條冷卻線能力的發揮。

    為此，從厚板新品不斷推出的實際需要，為便于ACC過程控制系統的現場使用出發，我們將此系統進行了改進完善，并重新設計，將原系統紛亂的程序設計（如圖5a）改為清晰的模塊化設計（如圖5b）。

            

                  圖5a 原過程控制系統通訊流程圖 圖5b 新過程控制系統通訊流程圖

    2.2 清晰的系統結構

    厚板軋后加速冷卻新型過程控制系統主要由5個子系統、一組系統工具和若干外部服務構成，5個子系統分別是：應用子系統、通訊子系統、模型子系統、存儲子系統、監測/控制子系統。外部服務分別是：歸檔服務、統計服務等。
各個子系統之間相對獨立，耦合較低。并且將大多數的系統功能進行了分解、抽象和封裝，形成了具有繼承體系和清晰接口的類庫。類庫中的大多數功能類具有配置能力，擁有良好的可重用性。 

                   

                       圖6 新系統各子系統關系結構示意圖

    2.3 鋼板冷卻過程全自動控制

    針對厚板軋后冷卻設備的配置現狀，考慮產品和工藝的需求，集產品設計、工藝開發、自動化、計算機等技術力量，在多學科深度融合及基礎上，確定了相應的冷卻控制策略；根據厚板的目標產品品種與規格，并考慮今后新開發產品的拓展，完成加權多模型最優控制器設計；并根據不同產品冷卻工藝要求，對弱冷、強冷、分段式冷卻等采用合理的冷卻控制模式；針對現有設備采用速度和冷卻區域長度的優化設定，實現了節能降耗、并發揮了冷卻設備的最大設計能力。

              

                  圖7 厚板冷卻過程控制系統的時序關系圖

    因為在控制鋼板軋后冷卻過程溫降和溫降速度時，水流量控制、冷卻水區域控制、鋼板在水中運行速度控制等等存在強耦合關系。為了滿足產品質量和生產效率等指標要求，針對厚板小批量、多品種、在線生產邊界條件波動范圍大的特點，綜合考慮各個控制儀表、測量儀表及設備的相應特性，對冷卻過程進行實時監控，實現了冷卻過程的預設定控制（包括對閥門流量、開閥組數、邊部遮蔽位置和頭尾流量特殊調節等的計算與控制）；前饋補償控制；
冷卻過程的動態調節；反饋控制（包括對實測數據進行分析處理，并根據鋼板冷卻過程控制效果、終冷偏差等，對控制參數進行自適應計算）等等，真正實現了鋼板連續生產過程的靜態設定和動態調節，實現了冷卻過程的全自動控制。具體流程如圖7所示。

    3 新系統實現了新品拓展及控制精度的提高

    新系統自09年12月正式投入寶鋼5m厚板使用，并完全替代原有的西馬克過程控制系統，實現了軋后冷卻過程的全自動控制，從穩定性、易維護性和控制精度等方面都有所提高，驗證了新系統功能的完備性、算法的正確性、軟件的穩定性和工業應用的可靠性。

    由于新型厚板加速冷卻過程控制解決了終冷溫度和冷卻路徑的精確控制，從而為厚板生產的柔性控制——利用簡單的成分設計通過改變工藝獲得多樣化的相變組織和材料性能提供了廣闊的空間。

    3.1 一種經濟型工程機械用高強鋼

    隨著社會經濟發展，機械設備不斷大型化和輕量化，對具有良好力學性能和使用性能的高強韌鋼板的需求也日益增加。通常采用調質（淬火+回火）和TMCP（控軋控冷）技術生產屈服強度690MPa級鋼板。采用調質方法生產的鋼板力學性能穩定，但生產工序較長，在軋制后需要進行淬火和回火熱處理，交貨周期長，且由于調質方法生產的鋼板碳當量較高，焊接性能一般。采用TMCP技術生產的鋼板，具有良好的焊接性能，生產流程短，但在生產中控制軋制和控制冷卻技術對鋼板力學性能的均勻性和鋼板最終板型有較大影響，因此生產工藝控制難度較大。

    利用新型厚板加速冷卻過程控制系統對終冷溫度和冷卻路徑的精確控制，在降低合金成分，提高冷卻速率，降低終冷溫度全面保證中，實現經濟型工程機械用鋼的組織生產。由于采用的快速冷卻技術，縮短了在鐵素體和珠光體相變溫度區間的停留時間，因此，簡化了鋼板成分體系，減少了貴重合金元素的添加量，提高了鋼板的經濟效益。

    3.2 管線鋼

    對于高等級管線鋼，利用新型厚板加速冷卻過程控制系統對終冷溫度和冷卻路徑的精確控制，不僅鋼種從X65擴大到X100，而且個個鋼種的厚度范圍也不斷擴大，控制精度不斷提高，加快了生產節奏，提高了產品質量和產量。

    3.3 系統指標的提高

               

               圖8 ACC鋼種逐年拓展數量累計示意圖 圖9 終冷溫度在±30℃統計數據 

    從2007年9月至2010年2月厚板ACC鋼板生產不斷攀升，由08年ACC材占總軋制量的比例20%以下，升至到目前的30%以上。生產的ACC鋼板數據，逐月統計鋼種拓展情況（如圖8所示）。就在生產品種、規格不斷拓展的情況下，新系統上線后，按照時間段2007/09- 2008/02 和 2010/01- 2010/02 對全部鋼種、船板、管線鋼及其它，針對終冷溫度按鋼板全長在±30℃百分比進行統計，終冷溫度的控制精度獲得了明顯的改善（如圖9所示）。同時，厚板ACC鋼板生產的異材發生率也從原來的0.34%下降到目前的0.05%左右。

    另外，由于新型厚板加速冷卻過程控制系統完全由寶鋼人自主開發，針對新鋼種的拓展和新工藝的需求的系統功能的拓展和完善，可以及時跟進和一并解決；對設備的改進，和冷卻能力的擴大和提高，過程控制模型的改進和完善可以同時完成；對于冷卻設備前后工序的新需求，可以同時完善其接口，并對其過程控制系統和模型的影響進行系統考慮并加以修改。

    4 結語

    本文從分析引進的軋后冷卻控制系統的問題及當前國內軋后加速冷卻控制模型使用現狀等方面出發，設計滿足產品工藝需求的冷卻過程控制系統架構，并對其核心模型進行了研究，開發了相應的過程控制系統。整個系統包括通訊、接口、監控、邏輯控制、核心模型。核心模型包括冷卻策略、冷卻模式、物理模型、控制模型（預計算模型、再計算模型、前饋模型、反饋模型）、自學習模型和自適應方法等。該項目從系統結構設計、模型開發到全面ACC過程機平穩過渡替換完全由寶鋼內部成員自主完成。系統及模型開發周期短，費用省，研發、現場結合緊密，能夠快速適應高端產品冷卻能力需求，系統可靠、穩定、良好的可移植性和可擴展性成為該項目的最大亮點。但還有許多工作需要大家的共同努力：

    （1） 設備方面：隨著產品拓展的需求，設備的冷卻能力是否滿足？是否需要更為復雜的各種冷卻設備的相互配合？冷卻過程控制系統將隨之進行與之相適應的冷卻模型和冷卻控制策略的改進和完善。外方引進的系統在設計上總會或多或少考慮考核產品的需求，在新品拓展中也總會因工藝需求的增加需要完善設計系統，沒有對核心技術的全面掌握，就很難將引進的系統發揮其最大作用，這也是這幾年來其它引進企業不能將厚板軋后冷卻完全實現自動化的關鍵所在。

    （2） 產品、工藝需求：自主研發中的多學科的深度融合，是自動化過程控制系統實現柔性、網絡、智能、集成和綠色化的關鍵。首先產品設計過程不只是單純追求某項性能指標的先進和高低，而是注意考慮市場、合金成本、安全、環境資源等方面的影響；同時，工藝設計由經驗判斷走向定量分析；各個學科采用數值模擬和物理模擬技術并與少量的實驗驗證結合，以代替過去一切都要通過大量重復實驗的方法，也可以節省大量的人和物力。自動化、信息化的系統設計之中深度融合產品設計的思想和工藝實現的路徑，才能真正實現產品組織性能相關的冷卻路徑控制和冷卻過程溫降的控制，實現綠色產品的綠色生產過程的全自動控制。

    （3） 在實現產品的軋后冷卻生產過程全自動控制中，筆者遇到水中鋼板的跟蹤精度不準，造成對鋼板頭尾控制精度的影響；流量調節閥的響應時間影響在線流量控制方法的實現；多工藝、多設備的配合，使多模型控制的單一自適應方法失控；多因素導致冷卻過程的異常，如何在海量的數據中尋求；不可測的過程如何真正實現軟測量控制？在整個的生產過程中如何使加工過程、檢測過程、物流過程融為一體等需要各大研發機構、高校、設備廠、儀表制造廠、自動化公司的精誠合作與相互配合，企業問題的抽象和研發部門的方法、理論的應用之間的互通，方可實現鋼鐵自動化的自主集成的突破，或許會為日趨嚴格的環境與資源的約束，給鋼鐵制造業帶來的危機創造出新的平臺和發展空間。