中厚板控轧控冷技术.ppt

中厚板控轧控冷技术发展,东北大学 轧制技术及连轧自动化 国家重点实验室 ,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,讲 座 内 容,1 概 述 2 控轧控冷的基本原理 3 中厚板控轧控冷的特点和关键技术 4 控轧控冷的数学模型与自动控制 5 国外典型厚板轧机的控轧控冷介绍 6 结 语,概 述,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,1 概 述 - 控冷的意义,两个通俗说法: 1 水是最廉价的合金元素 (可以用水替代合金元素来改变钢材的性能) 2 中国的多数中板轧机是世界上最干旱的轧机 (目前我们还没有充分利用好水的作用) 川崎水岛：12000 m3/h，迪林根：14000 m3/h 宝钢2050：14000 m3/h， 1580: 13000 m3/h,1.1 控轧控冷的必要性,用户要求：产品性能（强度、韧性、焊接性、冲击性能） 决定性能的因素：组织结构（晶粒、析出、组织分数） 决定组织的因素：成分和工艺（压下率、温度、冷却速度）材料加工过程是冶金过程柔性制造技术,急需通过控轧控冷改变性能的钢种 管线钢：开发西部，西气东输工程 高级别船板 高强度工程机械用钢 抗震耐火钢（日本阪神大地震后提出） 新一代钢铁材料：超级钢,1.1 控轧控冷的必要性产品开发,新一代钢铁材料：超级钢简介 思路：超洁净、超细晶、超均匀，实现强度翻番 国家重大基础研究项目(973)，参与国际竞争（日、美、韩） RAL承担通过轧制和冷却控制细化晶粒，提高性能 经过RAL实验室实验、宝钢现场实验、小批量生产 工艺改进：重新分配压下量，控制终轧温度，卷取温度 效果：Q235屈服强度400MPa， 抗拉强度510MPa 延伸率28，宽冷弯合格，晶粒尺寸：3.9微米,1.1 控轧控冷的必要性产品开发,超级钢实验情况：Super-SS400 宝钢首批试制200吨，为一汽供货 投料冲压作发动机前置横梁4000件，成品率100 2001年千吨级供货，2002年万吨级； 500MPa级超级钢研究工作已经取得良好进展； 预期效果： 第一步:通过控轧控冷，节省合金元素，降成本(200元/吨) 第二步:减小钢板厚度，减轻车重，降低油耗 第三步:改进车型设计，远景：3升车（宝钢参加国际行动）,1.1 控轧控冷的必要性产品开发,1.1 控轧控冷的必要性产品开发,1000，保温3min，900、20% 变形850、25% 变形770、67% 变形 道次间10 /s冷却 变形后 7 /s冷却,超级钢Super-SS400 工业生产条件下显微组织 晶粒3.9卷取温度400，抗拉强度500,实验室实验结果,工业生产结果,国外厚板控轧设备发展情况 - 淘汰第一代中板轧机，建设强力型轧机板凸度控制功能 * 德国迪林根：10000kW2，10000吨 *瑞典SSAB：4000mm，10000kW2，10000吨 - 特点各异的待温冷却工艺和装置 * 侧辊道 * 中间喷淋 * 交叉轧制工艺 - 强力型矫直机,1 概 述 - 国外控制轧制技术发展情况,国外厚板控冷设备发展情况 - 控冷已经成为提高钢材性能的基本手段 * TMCP率：住友鹿岛：52，曼海姆：80 - 很多公司形成了自己独特的技术 * 新日铁的CLC技术 * 川崎制铁的MACS技术 * 住友金属的DAC技术 * 欧洲：MACOS(曼海姆)， ISC(蒂森)， ADCO(法国) - DQ的研究和应用取得良好效果,1 概 述 - 国外发展控制冷却设备情况,现代中厚板轧机外观,中厚板轧机侧视,轧制中的中厚板轧机,1 概 述 - 国外厚板轧机的控冷系统,强力型轧机 -济钢3500mm，7000吨，7000kW2 -首钢3500mm，7000吨，7000kW2 -鞍钢4300mm， 8000吨，6000kW2 -宝钢5000mm，10000吨，10000 kW2 强力型矫直机 -鞍钢3000mm -首钢2100吨,1 概 述 - 国内轧机发展情况,对控轧控冷的重要作用已有认识 很多厂家利用国内力量装备控轧控冷设备(强力轧机ACC) -鞍钢，首钢，济钢，南钢，舞阳，新余 一些厂家在观望， 有矛盾心情: - 引进国外技术， 价格昂贵， 难以承受 - 使用国内技术， 担心可靠性， 承担责任 “ 狭路相逢勇者胜”， 敢于抓住机遇， 迈出第一步者， 将在产品竞争中走在前面,1 概 述 - 国内控制冷却设备发展情况,国内中厚板控轧控冷研究状况: - 中厚板轧制及冷却过程温度场的FEM模拟 - 中厚板组织性能演变与控制的模拟研究 - 组织性能预报数学模型与软件开发 - 中厚板新钢种的开发(高强钢、耐火钢、桥梁钢.) - 轧制与冷却实验设备开发（鞍钢、酒泉、宝钢） - 控冷设备开发研制（RAL + 营口流体设备集团） * 水幕装置，管层流装置（ 直管式， U型管式，气雾式） * 快速响应阀（气动薄膜阀） * 水处理系统 （大流量反冲洗过滤器）,1 概 述 - 国内发展情况,控轧控冷的基本原理,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,2.1 控轧控冷机理 2.2 控制轧制 轧制温度制度（加热、粗轧、精轧，待温） 轧制压下制度（粗轧、精轧压下量，方向） 液压弯辊等板凸度控制制度 2.3 控制冷却ACC 冷却模式，冷却温度制度 2.4 直接淬火DQ 淬火温度，回火制度（温度、时间）,2 控轧控冷的基本原理,控轧控冷工艺图示,K2.1,(DQ),(DQ),(ACC),组织、成分、性能、TMCP条件的关系,K2.24,控轧控冷的组织变化,K2.2,加热温度（碳氮化物溶解，晶粒长大） 粗轧变形制度：粗轧压下量（变形深入，RCR） 精轧阶段轧制温度控制 进入未再结晶区 合理的精轧温度 待温制度的确定 精轧阶段轧制变形控制 未再结晶区总变形量 精轧道次压下量,控轧控冷中工艺制度制订原则,三种控制轧制的策略、参数和机理,轧制后奥 氏体晶粒,铁素体 形核,相变后,控冷后,形变硬化的铁素体,2.1 控制轧制和控制冷却机理示意,变形前奥氏体晶粒,变形后晶粒被拉长,铁素体形核,相变完成,冷却,轧制,变形带与其上的析出,T4.10,变形带,变形带上 的析出,珠光体的不同形核地点,T4.15,变形工具钢 a) 晶界 b) 退火孪晶 c) 变形带 d)晶内,奥氏体晶粒尺寸与铁素体晶粒尺寸的关系,试样为7mm厚的空冷钢板 空心符号：无变形 实心符号：热变形后空冷,三种控制轧制的策略、参数和机理,再结晶区控轧： 微合金钢950，普碳钢基本在再结晶区轧制 总变形量60% 机 理： 变形区内有动态恢复和动态再结晶 道次间歇期间完成再结晶 反复轧制再结晶使晶粒变细 低温再结晶区晶粒细化明显。,三种控制轧制的策略、参数和机理,未再结晶区控轧： 空冷或喷淋控制轧制温度到奥氏体未再结晶区 温度范围通常为Ar3900（950） 总变形量大于一定数值（70） 道次变形量大于一定的数值 机 理： 变形奥氏体晶粒被拉长 形成大量变形带、孪晶和位错 增加形核点，相变后细化晶粒,未再结晶区变形量与奥氏体晶界面积和变形带密度的关系,T4.11,含铌钢，Nb: 0.03% 低于30：变形带密度增加缓慢 高于30：迅速增加,铁素体晶粒尺寸与奥氏体界面面积的关系,T4.12,为什么要低温轧制,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,轧制温度对组织和力学性能的影响,K23,0.18C1.36Mn钢 各道次压下量20 总计9道次轧制到20mm 轧制温度变化范围200,热变形奥氏体的温度压下量再结晶图,K213,CMn钢轧制后1s水冷,含铌钢轧制后3s水冷,900以下变形量与韧脆转变温度的关系,K52,钢板厚度10mm 2mm切口夏氏值 横向,轧制温度对晶粒尺寸和性能的影响,K24,130,50MPa,三种控制轧制的策略、参数和机理,两相区控轧： 如需进一步的提高强度，可降低终轧温度750 在奥氏体和铁素体两相区轧制 机 理： 奥氏体继续被拉长，晶粒内形成变形带及位错 在变形带及位错处形成新的等轴铁素体晶粒 先析出铁素体变形后内部形成亚晶，使强度提高,为什么进行两相区轧制,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,Ar3以下压下量与力学性能关系,实验室数据（）： 0.17C1.6Mn钢，1150加热，Ar3为730 两相区轧制，利用铁素体的位错亚结构强化,K2.7,两相区轧制对组织和性能的影响,K62,Nb钢在1070、1020 进行62.5的轧制，在850 进行50的轧制后，以710 进行轧制。 YS提高60MPa（30）; FATT降低70 。,为什么需要强力轧机 低温大压下,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,不同钢种的变形抗力,T6.10,温度降低,变形抗力与含碳量的关系,T6.6,Si0.25%, Mn1.10%,温度低于900时，由于碳含量引起的变形抗力发生明显变化。 1000 时，碳含量的变化对变形抗力不产生影响。,附带说明：氮通过形成氮化钛和氮化铝等氮化物，细化晶粒而影响变形抗力,温度降低,变形抗力与固溶合金元素含量的关系,T6.7,C0.10%, Si0.25%, Mn1.10%,MoSiCrCuNiMn,提高变形抗力,变形抗力与微合金元素含量的关系,T6.8,变形条件 Tr加热温度1250 T1第一阶段变形温度1050 T2第二阶段变形温度900 NbTiV,变形抗力增大,控轧控冷中轧制温度控制措施,粗轧机架 交叉轧制 精轧机架,实行大压下道次数减少后轧制负荷的增大,Blue10,板凸度、板形控制的作用,板形控制手段的作用,板形、板凸度控制手段是强力型轧机的必备手段 强力型轧机实行大压下 与普通轧机相比，大轧制力造成板凸度增大 利用板形和板凸度调整手段，保证比例凸度达到设定要求 如果无板凸度调整手段，凸度无法保证，大压下形同虚设,比例凸度放松的效果,板凸度控制手段双锥度BUR,最大改善30m,板凸度调整手段液压弯辊,BURB,WRB,CVC轧机的凸度调整,PC轧机P的原理与特点,HCW轧机,改造后轧制范围扩大,Blue13,为什么要进行控制冷却,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,2.3 控制冷却组织变化（细晶与相变强化）,再结晶区控轧,未再结晶区控轧,两相区控轧,控制冷却,35m,5 10 m,1020m,加热,温度,时间,2.3 控制冷却晶粒细化和相变强化,HSLA控制冷却的作用,对于添加微合金元素的钢，如果IAC的冷却速度为10 /s时，与空冷相比，其强度可以增加50100MPa； IAC材的vTs基本由合金成分和控制轧制程度决定； 由空冷到12 /s增加冷却速度时，组织变化的顺序为铁素体晶粒细化、珠光体带消失及其微细分散、珠光体消失和生成取代它的贝氏体； IAC引起强化的因素有：1）铁素体晶粒细化；2）析出强化量增大；3）贝氏体的体积分数增大。其中前2相引起屈服点提高，抗拉强度决定于3）。微合金元素的添加使淬透性提高，从而增大特定冷却速度下的贝氏体量； 如果想提高韧性，重要点在于细化铁素体晶粒的同时，生产微细分散的贝氏体，为此必须优化加热温度或控制轧制条件，细化奥氏体的晶粒。,加速冷却对性能的影响,K29,对再结晶奥氏体进行水冷效果并不明显，对未再结晶奥氏体进行水冷，会产生明显的晶粒细化效果。 利用10/s的冷却速度进行冷却，可以明显提高强度，韧性可以保持不变。 使用的设备：OLAC (On Line Accelerated Cooling), NKK 冷却参数：开冷：760 终冷：550 钢种：Nb钢与Nb、V钢,加速冷却对材料性能的影响,K7.7,压下率/,冲击功/J,贝氏体相变,通过控制冷却，得到微细的贝氏体； 同样的压下率，强度可以提高6070MPa； 同样的冲击功，利用控制冷却可以将强度提高5060MPa.,精轧控冷对力学性能的影响,K7.1,控冷终止温度对性能的影响,K7.2,SiMn钢：厚度25mm Nb钢：19mm 轧制与冷却条件： 终轧温度：760 开冷温度：760 终冷温度：450 室温 效果： 冲击性能：保持不变 YS提高：70100MPa TS提高：5060MPa,控制轧制对横向冲击性能的影响,KF12,厚度14mm 2mm，V形缺口，实物尺寸试样 实现控制轧制，冲击功有下降的趋势。 原因：控制轧制使强度升高，因而冲击性能会有所降低。MnS在轧制温度低的区域更加容易伸展，会使夏氏试样的断裂面出现微细剥离裂纹现象。,控制冷却对力学性能的影响,KF21,CR材的YS随Nb/V含量的增加而上升，达到X60X70的强度水平。 抗拉强度Nb-V钢上升的幅度比C-Mn钢大。原因： Nb-V量增大，淬透性增大，高冷速段贝氏体的生成量增大。 在冷却速度为10/s的情况下，比 CR轧制可以提高强度50100MPa. 当加热温度相同时，冷却与控制轧制的效果大致相同，甚至可能稍有改善。 加热到1200时，韧脆转变温度随冷速提高而变差，而1100 时，会改善。 韧性主要由CR条件决定。 低温CR时，夏氏冲击断口产生明显的分离，它会因精轧温度的降低和两相区轧制而增大发生的频率。,控制冷却的效果,KF22,铌含量对力学性能的影响,KF23,加热温度1100 冷却速度7 /s Nb0.03%, 强度出现饱和趋势 IAC和CR的强度差别为5060MPa. 影响因素：加热温度固溶铌的数量；相变前奥氏体的微细程度；快速冷却引起贝氏体生成数量。 韧性随铌含量增大而提高，到0.08%出现饱和。 影响因素：晶粒细化。包括初始晶粒细化，粗轧中抑制晶粒粗化，奥氏体再结晶温度升高造成未再结晶区的累计压下量增大。 加热温度1200和1100时，韧脆转变温度差30。,钛对控制冷却效果的影响,KF24,Ti0.02%, Ti与N完全结合，在凝固和奥氏体高温区形成TiN。此时强度变化甚少。,为什么要添加微合金元素,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,溶度积,T9.1,各种氮化物在奥氏体和铁素体中的溶解度均低于相应金属的碳化物。 溶解度依 V，Nb，Al，Ti 的顺序降低。故 Ti 在高温区即已析出；V 在低温区析出。 除 AlN 之外，碳化物和氮化物均为立方晶体结构，可以忽溶，故常以碳氮化物析出。 除极低含碳量的高氮钢外，很少形成VN，NbN; 含钛钢中，首先形成TiN，当全部钛以. TiN的形式与钛结合之后，TiC才随钛含量的增加而发生沉淀。,溶解度降低,奥氏体晶粒尺寸与加热温度的关系,T9.2,微合金元素抑制奥氏体晶粒长大,K25,HSLA钢的再结晶动力学,T9.3,SiMn钢,0.04Nb钢 预应变0.5,T9.4,含铌钢的静态再结晶动力学,T9.5,900, 0.002%C,900, 0.10%Nb, 预变形0.5,含铌钢和含钛钢的力学性能,T9.6,基本化学成分：0.01%C0.25Si1.50Mn TR:1100 TF: 780 900 以下的总压下率70,铌含量大于0/03时，强度饱和,铌含量或钛含量大于0.06%时，冲击韧性趋于饱和,钛与氮结合阶段（钛低于0.02%）,T9.7,含钒的铌钢和钼、钛钢的力学性能,通过添加V，促进沉淀强化，性能进一步提高； 冲击韧性保持不变 注意：厚规格的钢板适于用V强化，因为它的强化机制以低温析出为主，与晶粒细化强化的机制不同，与控制冷却的速度关系不大。,微合金元素抑制晶粒长大,K214,钢种成分： C-Mn钢：0.13C, 1.2Mn Nb钢：0.16C, 1.4Mn, 0.03Nb Ti钢：0.13C, 1.1 Mn, 0.02Ti 碳锰钢随轧制温度的提高，晶粒长大明显； Nb钢1050以下，不发生再结晶。1150 发生明显的长大； Ti钢晶粒无明显的长大,微合金元素抑制再结晶作用,K28,微合金元素添加4大作用： 抑制加热时奥氏体晶粒长大 抑制再结晶 相变行为 析出硬化 固溶在奥氏体中的铌和钛能很好的控制加工后的再结晶，再结晶温度提高100以上。,再结晶临界压下量/,Nb对动态再结晶的抑制作用,K211,0.08C-1.5Mn-Nb钢,考虑韧性要求的轧制计划实例,K64,管线钢 控制点： 待温点：待温温度，待温厚度 终轧点：终轧温度,温度、含碳量与软化率的关系,T4.5,T4.6,应变诱导碳氮化铌析出过程,T4.6,再结晶与沉淀过程的相互作用,T4.7,析出与再结晶的相互作用,T4.7,T4.8,（a）普碳钢与含铌钢再结晶动力学的比较,（b）溶质Nb对含铌钢再结晶动力学的影响,（c）PPT曲线与RRT曲线的叠加,注意：钒钢不会发生此种效应，因为钒的碳氮化物在低温阶段析出，此时，再结晶已经完成,为什么要进行DQ？,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,DQ与AC及TEMPER,M1,0.06C-0.25Si-1.4Mn，Nb/V/Ti最多0.08 加热温度：1100，900以下轧制压下量75 精轧温度：800 板厚：19 mm,常化与淬火回火组织,T4.13,直接淬火钢的组织特点,K2.25,直接淬火或淬火回火钢的组织特点： M或B的位错亚结构，析出物。更加微小的尺度。 主要组织要素： M: 旧奥氏体的晶界、马氏体束（bundle）、马氏体包(packet)、板条(lath)、板条内的位错 B:B-F 析出物见于旧奥氏体的边界，板条边界，板条内。,淬火钢组织因素与力学性能关系图,K2.26,组织变化对强度与韧性的影响 回火引起组织与性能的变化,轧制条件对直接淬火钢性能的影响,K2.27,RH轧制温度高 MH轧制温度中 LH轧制温度低（奥氏体未再结晶区轧制）,a由于合金元素完全固溶引起的淬透性的提高 b由于奥氏体粗化引起淬透性提高 causforming（强化与组织细化） d促进铁素体相变，淬透性降低，组织细化,轧制条件、材料本身的淬透性对淬火钢的性能有重要影响！,冷却速度与贝氏体相变强化,K223,0.01C1.5Mn0.04Nb0.09V Sv有效奥氏体晶界面积（代表变形量的大小） 通过加速冷却，抑制铁素体相变，促进贝氏体相变，实现相变强化。,合金元素对力学性能影响,M3,0.06C-0.25Si-1.4Mn Nb/V/Ti最多0.08 加热温度：1100 900以下轧制压下量75 精轧温度：800 板厚：19 mm,DQ材B体积分数与加热时固溶合金元素量的关系（左） DQ材TS与Vs的关系（右）,M6,M7,合金元素通过冷却对力学性能的影响,K710,基本成分：0.06C, 1.4Mn 20mm厚 铌、钛对提高强度有效，V效果不大。 淬火组织为贝氏体微细铁素体的混合组织。 通过降低Ae3增加贝氏体的体积分数，提高强度。,不同温度直接淬火与调质的比较,K7.9,0.11C-1.2Mn-0.6Cr-0.5Mo钢 回火：575，1h A: RQ B: DQ(加热温度下50压下) C;DQ(820 下50压下),DQ的重要性在于此,控轧压下量对淬火钢性能的影响,K7.11,基本成分：0.06C, 1.4Mn 20mm厚 通过控制轧制，强度略有降低，但是韧性大幅度改善。 通过控轧，铁素体的体积分数仅仅少量增长，通过铁素体的对奥氏体的阶段效果，将贝氏体变成更小的单元，贝氏体铁素体板条的长度变短，故大大改善了韧性。注意：在30之前，上述效果并不明显，在大于50以后，其效果急剧增大。,控轧压下量对B-F长度的影响,K7.12,加热与精轧温度对直接淬火钢力学性能影响,K7.13,0.13C, 1.4Mn, 0.025Nb 比再加热淬透性提高。 随轧制温度的降低，强度降低，但是韧性大幅度提高。原因：奥氏体晶粒细化；未再结晶区变形引起淬透性降低。若进一步增加未再结晶区的变形量，可以看到TMT的效果。 Nb可以提高淬透性（有利于贝氏体相变），回火时析出，可以利用。,淬火回火后Nb含量TS的关系,K7.14,0.01%Nb以下，随Nb的增加，强度提高。原因：淬透性提高，沉淀析出。 大于0.01%Nb后，降低。原因：奥氏体再结晶温度提高，未再结晶区变形淬透性降低。 大于0.02%Nb之后，强度提高。原因：未再结晶状态下加工量增加，TMT的效果显现。,280MPa,控制轧制控制冷却实例,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,控制轧制的轧制制度,KF1,材料为铝镇静钢，0.14C-0.30Si-1.30Mn, 其中单独或复合添加Nb, V, Cu, Cr, Ni。 150mm厚度的板坯预先轧制到60mm，冷却后沿相同方向继续轧制到12mm。 加热温度：1250，1150 按每道次20的压下量进行7个道次的精轧。 CRIII与HR相同的加热温度，但是进行低温轧制，900的以下总压下量达到60。CRIV的加热温度为1150.,Nb对YS和脆性转变温度的影响,KF2,0.14C-0.30Si-1.30Mn 在0.01Nb以下，随着Nb含量的增加，脆性转变温度急剧降低。 到0.03%Nb之前，随随着Nb含量的增加，强度提高。 CRIII和CRIV效果最为显著。,控制轧制的效果,KF3,0.14C-0.30Si-1.30Mn 添加Nb和V，均使材料的YS和TS升高。但是添加V，对韧性的改进不大。,V对YS和脆性转变温度的影响,YS和vTs与晶粒尺寸的关系,KF4,细晶强化和析出强化对YS的影响,0.01Nb,0.033V,C含量对CRIII材料力学性能的影响,KF5,0.50%Si-1.4%Mn-0.045Nb, 改变C含量。 采用CRIII规程进行控制轧制。 C从0.13%降低到0.05% YS几乎不发生变化，因为晶粒尺寸变化甚微，均为5m左右 TS有一定的降低 冲击功增加1.5倍 珠光体的量由2427降低到78，故冲击功增加。,900以下总压下量与脆性转变温度的关系,KF6,厚度14mm,KF7,900以下总压下量与脆性转变温度的关系,0.14C-0.24%Si-1.23%Mn 厚度10mm,S含量对冲击功的影响,KF8,厚度14mm 2mmV形缺口实物尺寸试样 S含量控制到0.01以下时，冲击性能明显提高 改善L、C方向的压下比，可以显著改善C方向的冲击性能,S含量对冲击性能的影响,KF11,TS:550-650MPa 2mm，V形缺口，实物尺寸试样,纵横方向压下比对冲击性能影响,KF9,厚度915mm TS:550-650MPa,KF10,纵横方向压下比对冲击性能影响,厚度：12mm 成分： 0.17C-0.13%Si-1.12%Mn- 0.2Cu-0.2%Cr-0.019%Nb 改变横轧比实际上是将MnS夹杂物向各个不同的延伸方向分配，从而将S所决定的各方向的延展性向L，C方向分配。,变形对CCT曲线的影响,KF26,3.1 中厚板 控轧控冷的特点 3.2 控制冷却的关键技术 横向温度均匀性控制 纵向温度均匀性控制 上下表面温度均匀性控制 3.3 控制冷却装置及其布置,3 中厚板 TMCP的特点和关键技术,3.1 中厚板 控轧控冷的特点,厚度大，表面与中心温差大，对模型精度的要求高 厚度大，内部热量传到表面需要时间，提高冷却速度困难 宽度大，横向均匀性要求高 上下表面冷却条件不对称，导致上下面性能不对称，瓢曲 轧件短，头尾占长度的比例大，对头尾的控制要求高 无张力，容易瓢曲,核心问题： 1 钢板冷却均匀性控制 * 纵向温度均匀性 （头尾、梯形冷却、U型冷却） * 横向温度均匀性（遮蔽、凸度控制） * 上下表面温度均匀性（水量配比、可调） 2 提高冷却效率 * 冷却装置的参数设计 （阀门响应性、压力、流速、水量）,3.2 中厚板 控轧控冷的关键技术,3.2 长度方向的冷却的均匀性,时间,开 关,头,尾,冷却部分,尾遮蔽,头遮蔽,喷射冷却点,3.2 头尾部水量控制,控冷装置的阀门控制,双薄膜快速开闭气动阀,电动调节阀,手动调节阀,流量调节范围： 25 100（水幕） 15% 100（高密直集管）,3.2 加速运动和温度梯度的消除,V,t,T,t,V,t,T,t,头580,尾520,恒速,加速,3.2 横向均匀性边部遮蔽及凸型水量,凸型水量分布,边部遮蔽 (3000以上的宽板效果明显),形成水量凸度,由前馈和自适应控制遮蔽宽度,3.2 横向均匀性边部遮蔽及凸型水量,3.3 CLC系统上下面流量控制,3.3 上下面流量控制,下冷却系统流量,上 冷 却 系 统 流 量,流量比1:2.5,流量比1:1.5,最大流量,最小流量,3.3 冷却强度和表面与芯部的冷却不均匀性,3.3 冷却强度和表面与芯部的冷却不均匀性,方式 喷射 冷却能力差 管式层流 冷却能力较强 水幕层流 冷却能力强，结构简单 气雾式冷却 冷却范围宽，结构复杂,喷射,气雾,水幕层流,管式层流,3.4 控制冷却装置冷却方式,1.钢板 2.上喷 3.下喷 4.手动蝶阀 5. 流量调节阀 6.气动薄膜阀 7.冷却过滤器 8.蓄水池 9.新水 10.供水泵 11.高位水箱 12.回水管,3.4 控制冷却装置单水箱供水系统,1,3,2,4,6,7,9,8,10,12,11,5,4,5,4,3.4 控制冷却装置双水箱供水系统,系统布置简图,高位水箱,输水管,U形管喷头的结构,3.4 控制冷却装置管式层流,直管式层流喷头的结构,直管式层流冷却装置的优点： 1 容易制作；2 不易堵塞；容易通堵,定位孔板,正视图,横截面视图,高密度直集管原理图,控制冷却的数学模型,中厚板控制轧制与控制冷却技术讲座,4.1 数学模型 基本方程 边界条件 热传导系数 4.2 自动控制 控制策略 控制方式 控制系统构成,4 数学模型与自动控制,T-温度 t-时间 q-内热源强度 x，y，z-坐标 -导温系数 c/ k -密度 c-比热 k-导热系数,4.1 数学模型 热传导方程,轧件内部热传导过程的控制方程,这里：Tt，Tt-t分别为t，t-t时刻的温度场 KT温度刚度矩阵 K3变温矩阵 p与内热源有关的常数项 利用上式，可以由t-t时刻的温度场求出t时刻的温度场,4.1数学模型-有限元求解公式,1 对称面 假设几何对称面的两侧温度分布也对称，即在对称面上没有热量交换，故为绝热边界条件 Q=0,4.1数学模型温度场边界条件,B,A,A,B,2 自由表面 通过辐射与对流与外界进行热交换，放热系数分别为 hr， hc 辐射：hrA( T4- ),4.1数学模型温度场边界条件,对流：Qc= hc A ( T - T w ) hc与冷却介质、表面、温度等有关,A,A,B,4.1数学模型温度场求解实例,y,4.1数学模型热交换系数,热交换系数表征钢材和周围介质的热交换的强弱，依赖于表面温度和水量，是确定冷却规程的最重要的参数之一。热交换系数强烈的依赖于带钢表面的温度和水量密度，同时与水温、控冷装置的结构参数有密切的关系。 对于水幕层流冷却，在同样的水流密度的情况下，其冷却能力是管式层流的1.32倍。 对于管式层流冷却，热交换系数可以表示为：,热交换系数和钢板表面温度、水流速 率和水温的关系,4.1数学模型热交换系数,空冷温降模型,侧喷（SIDESPRAY）温降模型,层流水冷（BANK LAMINOR）温降模型,4.1 数学模型应用模型,空冷温降模型,侧喷温降模型,式中： TS侧喷温降量，C； LSD侧喷喷射幅，m； KX侧喷个数； QS侧喷热流密度，kJ/m2h。,层流水冷温降模型,式中： Lbnk层流冷却区长度，m； QX上下喷嘴总热流密度（QX=Q+Q），kJ/m2h；,式中： Q层冷上半部分喷嘴的热流密度，kJ/m2h； f0热流密度系数，kJ/m2h ； f2上部喷嘴热流密度修正系数； CTW水温修正系数； a前面喷嘴喷水状况修正值； N上面部分的计算对象的组数（集管）； N0上面部分的实际的组数（集管）； f3压力修正系数（1：通常压力 ，0.5：1/2压力）。,上部喷嘴热流密度模型,式中： f2下部喷嘴的热流密度修正系数； a下面部分的前面喷嘴喷水状况修正值； N下面部分的计算对象的组数（集管）； N0下面部分的实际组数（集管）；,下部喷嘴热流密度模型,式中： f1基本热流密度系数.(学习系数)； C0C8基本热流密度修正系数； WF带钢宽度，mm； CT卷取温度，C； V带钢速度，m/s； LL0 FDTCT之间的距离，m；,热流密度系数模型,比热数学模型,式中： Cp平均比热，kJ/kgC； RGFDTFDT的含热量，kJ/kgC； RGCTCT的含热量，kJ/kgC；,控制冷却过程自动化,过程跟踪 启动冷却过程预计算、再计算、后计算 启动侧喷装置 启动端部吹扫装置 启动辊道 启动相应喷水集管 冷却过程设定： 喷嘴流量设定 ON喷嘴数量设定 辊道速度设定 控冷宽度设定,自适应 辊道速度自适应 阀门流量自适应 数据存储： PDI数据存储 模型参数存储 自适应参数存储 层别数据存储,控制冷却过程自动化,控制策略前馈控制自适应控制,轧机出口的扫描式测温仪 1 和固定式测温仪 2 的检测信号用于前馈控制； 冷却区出口的扫描式测温仪 3 和固定式测温仪 4 的检测信号用于自适应控制；,4.2 自动控制系统控制策略,控制策略控冷装置分段控制,控冷装置的物理分区：沿冷却区全长分为N个冷却段，各段依据测温仪测定的温度分布信号和跟踪的信号进行单独的控制，控制变量为冷却水的水量。其主要作用是针对钢板的头部和尾部的低温区进行控制。,4.2 自动控制系统控制策略,4.2 自动控制系统控制策略,控制策略反馈控制,水流量闭环控制框图 （通过控制开闭组数和单组喷头流量来控制总流量）,4.