快速冷却系统(acc)模型策略设计与分析

快速冷却系统（ACC）模型策略设计与分析【摘要】本文介绍了快速冷却系统（ACC）的模型策略思路，对于模型的设计给出详细的分析，在较关键的冷却速度与冷却率的关系运算方面给出了计算公式，得出了较好的冷却效果模型。并对于特殊的薄长的钢板以及空气冷却率的关系进行了必要的说明，有较好的实践效果。【关键词】快速冷却模型策略冷却率0前言快速冷却工艺是一项节约合金、简化工序、节约能源消耗的先进轧钢技术。热轧钢材轧后控制冷却能改善钢材组织，提高钢材性能，缩短热轧钢材的冷却时间，提高轧机的生产能力，还可以防止钢材在冷却过程中由于不均匀而产生的扭曲和弯曲，产生较高的效益1。1钢板冷却策略快速冷却系统ACC是用来冷却钢板的一套自动化控制系统。当钢板离开每一个冷却区域时，钢板的长度方向和宽度方向的温度是一致的，也就是说钢板的温度是均衡的。钢板的终冷温度是由技术人员设定的，为了能够控制终冷温度必须对温度的冷却速率进行控制。为了控制冷却速率必须控制住钢板通过冷却系统区域的时间，这个时间是由钢板的运行速度决定的。假设，钢板的温度均衡没有变化，钢板运行到冷却系统装置的入口。见下图1（A所示。TSTSTSTSCA空气冷却速率TS钢板温度CM控制冷却模型冷却率LLLLLLLLSATTC2SLATTCLLLABC图1钢板进行冷却系统示意图当头部进入到冷却系统中，经过一段时间后尾部才能进入到冷却系统中，如图1（B所描术的钢板的位置，设长度为L的一张钢板正在冷却，它的头部刚好要从冷却系统中出来，在头部穿过冷却系统的这个时间中，钢板出现热损失，而且随着运行钢板热量会继续损失。如图1（C所示，钢板的头部己距离冷却系统L米，与冷却系统装置的长度相等。如果冷却后钢板的终冷温度和冷却速率是常数，那就必须调整钢板通过冷却系统装置的运行速度2。下面就讲述一下在维持一个恒定的冷却速率和终冷温度以及冷却水流速率的情况下，如何调整运行速度的改变。11初始和运行冷却速度的设计与计算如上文中指出的，当钢板的头部进行冷却系统中。假设钢板的纵向温度是均衡的。设这个温度是TS。当钢板的头部进行入冷却区域，但还有尾部在冷却系统外面没有进入时，钢板与环境进行热交换。这种热损失主要是辐射和自然的热交换。设钢板在空气中的冷却速率为CA（/S）。这是假设钢板在冷却系统中的冷却速率CM是一个常数。设终冷目标温度为TE，则得出钢板头部在冷却系统中没有与环境产生热交换形成热损失的时间B，见公式（1）SYLMTC在上式中T是时间，下标Y表示钢板头部从开始位置到冷却系统的距离，也就是钢板头部经过的水冷却区域的距离。当钢板头部从冷却系统中出来时，钢板的温度比进入时下降了T，表示如公式（2）YLATB在上式中下标Y表示钢板头部己从初始位置移动了一个距离L。当钢板的头部从冷却系统中出来时，冷却的长度因此是L。现在假设钢板的头部离冷却系统的开始位置是Y2L，如果冷却速率和终冷温度仍是常数，则得出公式（3）2LALMTTCT合并同类项得21ALLTT由公式（1）得出2TB可得1AMC如果有三张相同长度的钢板进行冷却区，上图1中可重复三次这样的过程。当前的钢板距离冷却区域的距离为2L时，钢板的下降温度为2LATT再一次要维持期望的冷却速率和终冷温度，可得232LMCT合并同类项可得321ALLTTT由公式（1）可推出3LTB这个过程可以推论到钢板头部距离冷却区为YNL的情况231NNABA根据序列求和的标准公式可得1NNLBAT上式可应用于钢板所有点的计算。当设NY/L,Y表示钢板头部的当前位置到进入冷却系统入口的距离，则可得到下列公式1YLTA变换可得LNBTY上式定义了钢板头部到冷却系统入口的距离，在时间T秒后钢板进入冷却系统，钢板速度也随之变化，根据微分方程可得出在时间T时的钢板速度1LNTLASTB下面给出一个重要的关系。首先，如果钢板的长度是LP,，则钢板的整个冷却时间为1PLTBTA整个冷却时间是指从钢板头部进入冷却区域到钢板尾部离开冷却区域的时间。其次，从等式可得出钢板头部进入冷却区域的速度为LNHLSB所以，在时间T之后开始冷却的速度是11HTAAMSCTTTTB最终的钢板运行速度和初始的速度比率为1PPTLLHAMSC12冷却率的修正计算要达到最终冷却率目标时可能会出现一些情况，如开始冷却时的线速度低于允许的速度而结束冷却的时却又大于允许的线速度了。这种情况下就必须修改冷却率，重新设置线速度达到适当的范围之内。钢板头部进入冷却区后其运行速度己经改变，就有必要重新计算一个新的冷却率，从公式和A的定义可以得出1LNLMAHCLSB现在定义冷却系统中冷却率CM如下T（21）上文中我们定义了T是钢板开始冷却时的温度和终冷时温度的差。这样可得出公式（22）和公式（23）LNLNMAAHCLLST（22）LH（23）从而得出冷却率的计算公式1AMCE（24）这样，我们可以从钢板开始进入冷却系统时就能够算出冷却率了。2速度修正策略控制冷却系统可以通过操作人员进行管理和监督。操作工根据红外测温仪测得的钢板温度可以快速有效的诊断出初始设置的问题。这样，根据分析冷却一批钢板后的信息来优化设置用于后续的钢板冷却中。有三个速度修正模型用于操作工设置。这三个速度修正模型分别是速度修正、初始速度修正、最终速度修正。21速度修正在实际运行中可能会出现实际温度与操作工设置的目标温度之间出现了偏差。如果钢板的实际温度低于目标温度，操作工则要增加辊道运行速度来降低冷却时间。相反的，如果钢板温度太高，操作工则要降低辊道运行速度来增加冷却时间。如何设置实际的线速度时必须考虑到不在操作工修改模型中的水流量速率和速度定理的应用。这个线速度是通过操作工修正调整如下MSLOA（25）上式中SL是一个修正速度，决定了初始速度和最终速度偏差。AO是初始速度偏差。22初始速度修正当钢板的头部温度过热或过冷，但钢板尾部温度却在允许的范围内时，则用初始速度修正功能来调整。再者，如果头部温度比目标温度大很多时，则要降低进入冷却系统的速度，如果温度过低则要增加进入速度。如果操作工要修改头部速度，但要保持尾部的相同速度，计算公式如下PPHTLLSMA（26）在上式中，MH是操作工可以设定的头部修正数。A是修正的冷却率。则得出PLH（27）明显的，如果操作工改变了头部的速度，则尾部经过冷却装置的时间也会改变。则得出1LNBMSA（28）A和分别表示新的速度规则决定的最大和最小速度，并控制在允许的范围之内。如果超出了限制范围，MH会不断的调整直到速度达到可接受的范围内。23最终速度修正由于初始温度修正只是针对钢板头部温度控制在允许的范围内。而当钢板显现的温度不是升高就是降低时就需要最终速度修正设置。见公式PPLLHTTSAMS（29）在上式中，MH是操作工可以设定的头部修正数。A是修正的冷却率。则得出PLT（30）明显的，如果操作工改变了头部的速度则尾部经过冷却装置的时间也会改变。则得出1LNHBSA（31）A和B分别表示新的速度规则决定的最大和最小速度，并检查控制在允许的范围之内。如果超出了限制范围，MH会不断的调整直到速度达到可接受的范围内。24初始和最终速度联合修正从上文中公式可得1PTLHMSA（32）合并同类项得PLTS（33）用上式可以决定钢板头部的冷却时间。3冷却速度策略实现的几个难点问题上面提到的速度定理是基于假设冷却区域长度是L的情况下提出的那么问题是如何决定L的长度呢31最大生产能力与运行速度的关系L2中根据最大生产能力来设置线速度。越长的钢板冷却时其线速度越大。当钢板头部进入，尾部离开时钢板的速度冷却的长度就确定了。这时需检查最大允许速度，如果超出了冷却水区域的长度时，最大允许速度就减小，并且重复这个过程。通过关闭距离轧机最远的一组冷却水来减小水冷却区域的长度。32薄规格、长尺寸钢板要十分注重的问题钢板从进入到离开冷却区域时的速度是变化的，而冷却水区域的长度也是减小的。以10M长的钢板为例，通过冷却区域时是240的温降。能够注意到减小钢板进入和离开的速度时，进入和离开时的速度偏差也变小。见下图2所示。054353252151045302515105尾部在冷却区域末端时的钢板速度头部进入冷却区时钢板速度水冷却区域长度M速度M/S钢板长10M,温降T240图2一般钢板的冷却速度与冷却区域长度的关系在冷却长且薄的钢板时应用速度原理技术就要十分小心。当钢板长度增加时，温度偏差T减小，在头部进入冷却区域的速度与尾部离开的速度之间的偏差太大，超出允许范围。因此，减小尾部离开速度无法减小水冷却区域的长度。因此在低的冷却率并且温差T很小的情况下冷却长且薄的钢板时要十分小心。见图3所示1086420302515105尾部在冷却区域末端时的钢板速度头部进入冷却区时钢板速度水冷却区域长度M速度M/S钢板长50M,温降T80图3薄长钢板的冷却速度与冷却区域长度的关系33空气冷却率的修正速度原理揭示出钢板头部进入冷却区域和尾部离开时的速度是不同的，并且与空气冷却率有相当密切的关系。空气冷却率越大则这两个速度偏差越大3。冷却率的定义是钢板表面温度在一定时间内的改变率。空气中的冷却速率依赖于钢板的厚度。越薄的钢板冷却速度越快。空气冷却率的计算是依据流量模型乘以一个修改系数。这个修改系数是根据钢板的厚度来定义的。下见表1。表1空气冷却率修改系数表最小厚度范围（MM最大厚度范围（MM修改系数（）15030151803518210402125045253005030400554050060506006560700707080075800804小结快速冷却系统在现代冶金中厚板、中板产线上应用越来越广泛，成为生产品种板、高强度钢板不可缺少的工艺设备。钢板高温冷却变形会造成金相组织上的应变，对于钢板外形控制不当会造成更大的损失。而关键技术的设计与实现直接影响到钢板的质量