国际电气工程先进技术译丛 钢铁制造中的过程控制.pdf

国际电气工程先进技术译丛钢铁制造中的过程控制（日）高桥亮一 著 马立新 译机 械 工 业 出 版 社图书在版编目（C I P）数据钢铁制造中的过程控制/（日）高桥亮一著；马立新译.北京：机械工业出版社，2 0 1 4.1（国际电气工程先进技术译丛）I S B N9 7 8-7-1 1 1-4 4 8 2 6-6.钢 .高 马 .钢 铁 工 业生 产 过 程 控 制.T F 4中国版本图书馆C I P数据核字（2 0 1 3）第2 7 4 5 3 3号 机械工业出版社（北京市百万庄大街2 2号 邮政编码1 0 0 0 3 7）策划编辑：张沪光 责任编辑：张沪光版式设计：霍永明 责任校对：佟瑞鑫封面设计：赵颖喆 责任印制：乔 宇北京机工印刷厂印刷（三河市南杨庄国丰装订厂装订）2 0 1 4年1月第1版第1次印刷 1 6 9 mm2 3 9 mm9.5印张1 8 3千字0001 3000册标准书号：I S B N9 7 8-7-1 1 1-4 4 8 2 6-6定价：39.90元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（0 1 0）8 8 3 6 1 0 6 6销售一部：（0 1 0）6 8 3 2 6 2 9 4销售二部：（0 1 0）8 8 3 7 9 6 4 9读者购书热线：（0 1 0）8 8 3 7 9 2 0 3 网络服务教 材 网：h t t p：/w w w.c m p e d u.c o m机工官网：h t t p：/w w w.c m p b o o k.c o m机工官博：h t t p：/w e i b o.c o m/c m p 1 9 5 2封面无防伪标均为盗版译 者 序统计显示，2 0 1 2年全球粗钢总产量为1 5.4 7 8亿t，由于根据微量元素的调节与加工方法而异，其强度、延展性、韧性等存在不同，因而被广泛地使用在不同的地方，钢铁占金属材料总使用量的约9 5%。被称为钢板、钢管、棒材的钢铁产品，是由原材料的铁矿石与煤炭经过多种的制造过程而制成的。因此，控制技术在产品品质提高、生产性能提高、降低制造成本等方面发挥着很重要的作用。日本的钢铁制造业早在1 9 6 0年引进了计算机控制，并且推进了制造过程的自动化，现在的控制功能几乎已经覆盖了制造过程的全部范围。其结果是生产效率提高、品质提高、成品率及单位能源消耗等生产诸环节中的效果有了很大的提高，处于世界领先地位。从炼铁、炼钢过程到轧制加工过程，再到热处理、表面处理过程等诸多过程的钢铁生产环节中，要推进产品品质、成品率的提高，节能及自动化、省力的基础技术中，控制技术的作用至关重要。再者，由于钢铁制造过程为批量大规模生产过程，若能实现高准确度的控制，则钢铁制造工业的效益会更显著，从而能够带动人们积极尝试各种各样先进的控制方法。本书主要基于上述理念研究探讨适用于各个过程的控制方法，其很大一部分依赖于控制模型与控制目的。对于炼铁与炼钢过程，以固相、气相、液相的流动与变化或者伴随化学反应的现象作为控制对象，论述从描述现象的物理、化学规则到构筑的数学模型。针对带钢热轧机的加热、轧制、冷却的各过程的现象，建立实时处理的数学模型与使用这个数学模型的控制进行讨论。以连轧机为主要内容介绍了带钢冷轧机的控制。然后对带钢冷轧机中被冷轧制的钢板，进行连续退火炉的板温控制及表面处理的镀着量控制做了介绍。本书的内容以系统建模和分析、过程控制及其控制方法为主线，讨论炼钢过程的控制方法与技术。译者多年来从事智能科学与控制技术的研究应用、电气自动化与信息处理以及翻译工作，对该领域技术和发展趋势有着浓厚的研究兴趣。本书的翻译工作得到了许多本领域专家的建议，在此表示真诚的感谢。由于译者的水平有限，如有错误与不妥之处，敬请批评指正。在此向所有关注我的人们谨致谢忱。译 者2 0 1 3年7月原 书 序有过试图尽可能快地，并以更低价格地生产出更好的产品的人，大概都有一种欲罢而不能的感受。在生产的第一线，几乎是日益增长永无止境地追求着这个目标，而控制工程领域为了实现此目标做出了贡献。作为实现上述目标的直接方法，自动装置（A u t o m a t i o n）是第二次世界大战以后在欧洲诞生的术语，控制技术则是占据了其核心的关键技术（K e yT e c h n o l o g y）。说到自动装置，自然让人联想到“自动化”，但是现代控制技术并不仅仅是“自动化”，还会通过结合“系统化”，“最优化”和“智能化”，为了更快、更低成本地生产更好的产品，在各个产业领域中不断地突破极限。控制技术并不只是在产品制造过程中，在产品的使用中也被灵活地应用。为了提高汽车、照相机、空调等消费品的功能，内置先进的控制技术，使其附加值得以提高。适用于制造技术的控制产品技术方面的应用范围也在快速扩大。而且在制造业范畴之外，控制技术也在日新月异地发展。例如，飞机、火车、船舶等交通工具的控制是现代控制技术的一个重点，在环境工程中控制技术也发挥了关键技术的作用，而且通过家庭自动化（H o m eA u t o m a t i o n），控制技术在提高个人生活方面也做出巨大贡献。最近，控制技术的显著发展在很多情况下负有推动各产业领域的具体技术进步的责任。作为控制技术的基础是传感器和传动装置，如果没有与之相关的信号处理技术的进步，以及包含通信或图形接口的软件、硬件这两项计算机技术的进步，是根本得不到发展的。另一方面，控制技术也是与各行业共通而普遍的技术。是所谓的“跨学科”的技术，具有跨越了各行业具体技术的通用性技术。这个情景类似于“材料”。“材料”在自然科学（物性物理或化学等）中有着普遍性，对控制而言，控制理论就充当了这个角色。控制理论和其他工程理论相比较，不仅有非常古老的历史，最近也取得了令人瞩目的发展。作为控制普遍性学科，其控制理论与产业现场的控制技术之间的关系并不是直接的，但是却有很强的关联性。控制技术在近年来的发展中，控制理论发挥了至关重要的作用。本系列专著中，产业界的控制技术的最新发展，以“控制理论的贡献”为主线来介绍各领域中的成熟技术。基于控制理论的控制系统设计“追求合理性”，就是指在基本成型的产品生产现场可以达成怎样的控制效果，作为这个系列专著的中心课题。到目前为止，已经出版过大量控制理论方面的教科书、手册和专业书，有限领域或对象的控制技术方面的手册类书籍也不在少数。但是到目前为止至少在日本还没有出版过像本系列专著这样覆盖各个产业领域，从理论观点讲述与技术相关的控制方面书籍。我们相信这个系列专著会给在制造或开发现场兢兢业业工作的控制技术人员、希望了解控制理论应用现状的研究人员，以及学习控制相关知识的大学生们提供一个十分有用的参考书。书中，变形后的瓦特离心调速器的封盖设计图样是由北神由子提供的。并借此机会对向本系列专著提供了相应产品的各位表示衷心的感谢。译著封面未采用此图。策划、编辑委员长 木村 英纪原 书 序 前 言作为工业控制系列著作之一的 钢铁制造中的过程控制自策划以来经过了数年，这期间，钢铁行业周围的环境也发生了很大的变化。继2 0世纪6 07 0年代的高速增长期的大型化、高速化，到这之后的8 09 0年代初期的高品质化、节能化的设备投资相继出现，新型控制系统的研究开发非常的活跃。由于钢铁制造是一个批量化大规模生产的过程，若能够进行高精度的控制，则工业生产效果会有很大的改善，在这方面积极尝试了各种先进的控制方式。在经济形势发生着变化、设备投资减少的当今时代，日本国内的控制系统没有太多新型开发，高品质、高成品率、节能、高生产率，即以实现更快的速度和更便宜的价格生产出合格商品为目标的技术进步在生产活动中继续发展的空间是有限的，因此没有控制技术就不可能实现制造技术的进步。在追求以高效率生产出高质量的新产品的技术之基础上，控制技术的作用在今后将会发挥更大的作用。在钢铁制造中，从处理伴随着化学反应、固相和液相的相变化的高温熔化的炼铁与炼钢的过程开始，到钢板、钢管、棒材、型钢等多种形态的钢铁制品的塑性成型加工过程中存在各种的工序。若要全部介绍这些过程的内容，有限的版面是很难完成的。本书围绕生产量最多的薄钢板，各章节中就以炼铁、炼钢、热轧、冷轧、表面处理的各个制造过程进行了介绍。本书将重点介绍炼钢过程的建模与以此模型为基础的控制，将用较大篇幅分析描述过程的数学模型。对于控制而言，必须充分理解控制对象的行为。因此，对于控制技术者而言，构筑表现控制对象的数学模型是研究工作的开端。对于对钢铁制造过程不熟悉的读者而言略微有点详细了，但这样做是希望读者们深刻理解控制过程的特征。另外，合适的控制方法根据对象过程的动态特性与外部干扰的特征或者要求规范由设计者选择。因此，设计者重点阅读书中的哪一部分可以根据各种不同的控制方法的应用而决定，由于本书的叙述方法在不同的状况下所选择的方法未必是最为合适的，读者可以当做参考书来阅读。本书中不仅是针对炼铁炼钢过程的控制方法，在其他各种各样的过程中应用控制技术的情况下也可以参考本书。在本书编纂的过程中，首先得到了以住友金属工业（株式会社）综合技术研究所测量控制研究开发部的各位的多方面的帮助。特别是，柏原 义之（第2章），岩村 健、北田 宏（第3章），木村 和喜（第4章）、大井 俊哉（第5章），上田 一郎（第6章），不仅是资料的引用，还得到了很多的建议，对此一并表示衷心的感谢。最后，对本系列的策划、编辑委员长木村 英纪教授给予的鼓励与指导表示深切的感谢。高桥 亮一2 0 0 2年8月前 言 目 录译者序原书序前言第1章 钢铁制造过程与控制1 1.1 钢铁业的发展与控制技术的作用1 1.2 钢铁制造过程2 1.2.1 炼铁的过程2 1.2.2 钢铁制造过程3 1.2.3 热轧过程4 1.2.4 冷轧与表面处理过程5 1.3 钢铁制造过程的控制6 参考文献8第2章 炼铁过程的控制9 2.1 高炉炉况控制9 2.1.1 炉况监视1 0 2.1.2 铁液温度控制1 1 2.2 热风炉的燃料投入量控制1 5 2.2.1 热风炉的过程模型1 5 2.2.2 热风炉燃料投入量控制1 7 2.3 炼焦炉的排放温度控制2 1 2.3.1 炼焦温度预测模型2 2 2.3.2 炉膛热量输入控制2 3 2.4 烧结品质控制2 5 2.4.1 烧成成品成分控制2 6 2.4.2 烧透点控制2 6 2.5 小结2 7 参考文献2 7第3章 炼钢过程的控制2 8 3.1 转炉吹炼控制2 8 3.1.1 转炉的炉内反应模型2 9 3.1.2 采用辅助喷枪的动态控制3 3 3.2 转炉炉口压力控制3 5 3.3 连铸机铸模内的金属液面控制3 6 3.3.1 钢液液位控制系统的概要3 6 3.3.2 过程的模型化3 7 3.3.3 根据H控制理论的金属液液位控制系统的设计3 8 3.3.4 应用于调节器的设计与实际过程4 0 3.4 连铸机二次冷却控制4 2 3.4.1 铸锭温度计算铸模4 3 3.4.2 控制方法4 5 3.5 小结4 6 参考文献4 6第4章 带钢热轧机的控制4 8 4.1 连续加热炉的燃烧控制4 8 4.1.1 控制系统的构成4 9 4.1.2 材料温度计算模型5 0 4.1.3 目标抽出温度计算模型5 1 4.1.4 抽出间隔的预测5 2 4.1.5 燃烧控制5 3 4.2 轧机的装置5 7 4.2.1 精轧机的装置5 7 4.2.2 钢板的形状控制6 4 4.2.3 边缘粗轧制的装置7 2 4.3 钢板的厚度控制7 5 4.3.1 测厚仪厚度控制7 6 4.3.2 前馈控制7 9 4.3.3 使用最优调节器的板厚-机架间拉力控制8 2 4.3.4 使用干扰观测的活套支撑器控制8 8 4.4 钢板的冷却控制9 2 4.4.1 冷却设备概要9 2 4.4.2 控制对象建模9 2 4.5 小结9 6 参考文献9 7第5章 带钢冷轧机的控制9 8 5.1 串列式冷轧机组的控制9 8 5.1.1 装置控制9 9 5.1.2 动态控制1 1 1 5.2 带钢冷轧机的板厚控制1 1