（材料加工工程专业论文）热轧带钢温度控制系统的设计与应用.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n g e n g i n e e r i n g d e s i g na n da p p l i c a t i o no ft e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mi nh o ts t r i pm i l l b yf uj i n g w e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a n gd i a n h u a s e n i o re n g i n e e rz h e nl i d o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 也 思0 学位论文作者签名：销舒k 日期：叫、7 乡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口年半口两年口 学位沦文作者签名：导师签名： 签字日期：签字目期： 东北大学硕士学位论文 摘要 热轧带钢温度控制系统的设计与应用 摘要 温度是带钢热轧过程中最重要的工艺参数之一。控制带钢在全长上温度的均匀一 致，特别是黑头、黑尾、水印的消除将大大改善a g c 、a f c 、a w c 的控制效果。在轧 制过程中，轧件中所含的热量会被低温的冷却水和空气以及与轧件接触的轧辊带走，同 时在变形时还会产生变形热和摩擦热，因此温度控制是一个复杂的过程。本文以某带钢 热轧厂温度控制系统设计与应用的实际项目为背景，主要研究机架间冷却和层流冷却过 程的控制方法，主要研究工作概括为： ( 1 ) 通过阅读大量国内外有关热轧带钢温度控制的文献资料，了解影响终轧温度和 卷取温度的因素，介绍有关机架间冷却和层流冷却温度控制的方法。 ( 2 ) 介绍了某热轧厂机架间冷却和层流冷却过程的设备布置，建立适合现场应用的 温降模型，具体说明了在终轧温度和卷取温度控制系统中基础自动化系统的控 制功能，包括在终轧温度控制中的反馈控制和卷取温度控制过程中的前馈和反 馈控制功能。 ( 3 ) 用实验的方法测试气动调节阀的特性，利用曲线拟合的方式获得冷却水流量与 调节阀开口度之间具体的函数关系。 ( 4 ) 控制机架间冷却水的开关阀经过现场性能测试，得到了阀门流量与响应时间的 关系，发现性能不良的阀门，并针对性能问题提出建议。 ( 5 ) 层流冷却调试过程中，针对f 2 抛钢时降速较大导致带钢尾部板形不良的问题， 提出了一种速度前馈补偿策略，应用效果良好。 ( 6 ) 以g ef a u n c 公司开发的c i m p l i c i t y 人机界面组态软件开发主画面、二级画而、 测试画面、趋势图和报警画面，随时监控轧制过程，处理报警等信息。 ( 7 ) 从趋势图中可以看出，对于不同的钢种，终轧温度和卷取温度基本控制在2 0 ，能很好的满足现场工艺及轧钢生产要求。 关键词：机架间冷却；人机界面；层流冷却；热轧带钢；温度控制 d e s i g na n da p p l i c a t i o no ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi nh o t r o ll e ds t r i p a b s t r a c t t e m p e r a t u r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sd u r i n gt h ep r o c e s so ft h e s t r i p r o l l i n g m a k i n gt h ef u l l - l e n g t hs t r i pt e m p e r a t u r ea ta l l o w a b l er a n g e ，e s p e c i a l l yt h ee l i m i n a t i o n o ft 王l et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e n s t r i p sh e a da n dt a i la n dw a t e r m a r k sw i l ls u b s t a n t i a l l v i m p r o v et h ea p p l i c a t i o ne f f e c to ft h ea g c ，a f c ，a w c d u r i n gr o l l i n g ，t h eh e a ti nt h es t r i pw i l l b ea b s o r b e db yt h ea i r ，t h e c o o l i n gw a t e ra n dt h er o l l e r s ，a tt h es a m et i m ei t p r o d u c t s d e f o r m a t i o nh e a ta n df r i c t i o nh e a t ，t h e r e f o r et e m p e r a t u r ec o n t r o li sa c o m p l e xp r o c e s s t h i s p a p e ri se s t a b l i s h e di nt h ep r a c t i c a lp r o j e c to ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mf o rh o ts t r i p s ， a n dt h em a i nw o r k sa r ea b o u ti n t e r - s t a n dc o o l i n ga n dl a m i n a rc o o l i n gc o n t r 0 1 t h er e s u l t sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d y i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ec o r r e l a t i v el i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a do nt h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lo fh o tr o l l e ds t r i p s ，u n d e r s t a n d i n gt h ee f f e c t sf a c t o r so f f i n i s h i n g t e m p e r a t u r ea n dc o i l i n gt e m p e r a t u r e ，i n t r o d u c t i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l e dm e t h o d so n i n t e r - s t a n dc o o l i n ga n dl a m i n a rc o o l i n g ( 2 ) t e l l i n gt h ee q u i p m e n tl a y o u to fac e r t a i nh o tr o l l i n gp l a n tf o ri n t e r s t a n dc o o l i n ga n d l a m i n a r c o o l i n g ，e s t a b l i s h i n gt e m p e r a t u r ed r o pm o d e ls u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o n , a n a l y z i n gt h ef u n c t i o no fb a s i ca u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e md u r i n gh o ts t r i p sc o o l i n g ， i n c l u d i n gf e e d b a c kf u n c t i o ni nt h ef i n i s h i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o la n df e e d b a c ka n d f e e d f o r w a r df u n c t i o ni nt h ec o i l i n gt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 ( 3 ) b yt e s t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i so ft h ea e r o d y n a m i cr e g u l a t i n gv a l v e s ，g e t t i n gs p e c i f i c f u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ec o o l i n gw a t e rf l o wa n dt h er e g u l a t i n gv a l v e s o p e n i n gd e g r e e ( 4 ) b yt h ep e r f o r m a n c et e s tf o rt h eo n o f fv a l v e sw h i c hc o n t r o li n t e r - s t a n dc o o l i n gw a t e l o b t a i nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf l o wr a t eo fv a l v ea n dr e s p o n s et i m e ，f i n dt h ev a l v e s w h i c ha r ei nb a dp e r f o r m a n c ea n dg i v es u g g e s t i o n so np e r f o r m a n c e p r o b l e m s ( 5 ) d u r i n gl a m i n a rc o o l i n gs y s t e md e b u g g i n g ，t h es p e e do f s t r i p sw i l ld e c r e a s ew h e nf 2 s t a n dt h r o w i n gs t e e l ，w h i c hm a yl e a dt ob a df l a t n e s s ak i n do fs p e e df e e d f o r w a r d c o m p e n s a t i o ns t r a t e g yi sp r o p o s e d ，t h ee f f e c t i v e n e s so fw h i c hi ss a t i s f i e d ( 6 ) u s i n gc i m p l i c i t yw h i c hi sd e v e l o p p e db yg ef a u n cd e s i g nm a i ns c r e e n ，l 2 s c r e e n ，t e s ts c r e e n ，t r e n dc h a r t sa n da l a r ms c r e e n ，m o n i t o r i n gt h er o l l i n gp r o c e s sa n d t t l 东北大学硕士学位论文型堕 = ： 一一一 d e a lw i t ht h ea l a r mi n f o r m a t i o na ta n y t i m e ( 7 ) t i l et r e n dc h a r t s s h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a nm o s t l yk e e pm e f i n i s h i n gt e m p e r a t u r ea n dc o i l i n gt e m p e r a t u r ea t 士2 0 。c ，s a t i s f i e d t h ed e m a n do f w o r k s h o pt e c h n o l o g ya n ds t e e lr o l l i n g k e yw o r d s ：i n t e r s t a n dc o o l i n g ；h m i ；l a m i n a rc o o l i n g ；h o tr o l l e ds t r i p ；t e m p e r a t u e c o n t r 0 1 1 v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 机架间冷却技术简介2 1 2 1 终轧温度控制方法2 1 2 2 影响终轧温度的因素4 1 3 层流冷却技术简介6 1 3 1 轧后冷却技术的发展7 1 3 2 各种冷却方式的特点比较7 l - 3 3 层流冷却的原理9 1 3 4 层流冷却系统的冷却策略一1 0 1 3 5 板带层流冷却技术的难点1 2 1 4 本章小结1 3 第2 章机架问冷却系统1 4 2 1 机架问冷却硬件配置和设备布置1 4 2 1 1 机架问冷却系统的硬件配置1 4 2 1 2 机架间冷却系统的设备布置一1 5 2 2 机架问冷却数学模型1 6 2 3 阀门的特性和测试效果17 2 3 1 气动调节阀的特性17 2 3 2 机架f r j 冷却阀门的性能测试1 9 2 3b a c 的控制功能2 2 2 3 1 数据采集和处理一2 2 2 3 2 气动薄膜阀丌关控制2 3 2 3 3 气动调节阀控制一2 3 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 4 精轧机出口温度反馈控制。2 3 2 3 5 终轧温度前馈控制2 3 2 3 6 公共逻辑控制2 4 2 3 7 终轧温度命中率的计算2 4 2 3 8 系统的故障与报警。2 4 2 4h m i 相关操作2 4 2 5 轧制过程中冷却水流量的变化2 5 2 6 本章小结2 5 第3 章层流冷却系统2 6 3 1 层流冷却设备及其技术参数2 6 3 1 1 层流冷却设备参数2 6 3 1 2 层流冷却设备集管的配置2 6 3 2 层流冷却温降模型2 8 3 3p a c 系统所控区域内检测元件3 0 3 3 1 红外测温仪3 0 3 3 2 集管水流量计3 0 3 3 3 高位水箱液位及液温计一3 0 3 3 4 热金属检测器3 l 3 4b a c 的控制功能3 l 3 4 1 数据采集和处理一3 2 3 4 2 集管快速气动薄膜阀开关控制3 2 3 4 3 层流冷却区域带钢微跟踪3 3 3 4 4 带钢头部和尾部移动过程中的冷却水顺序打开和关断控制3 4 3 4 5 侧喷水的开关控制3 4 3 4 6 层流区入口和出口压缩空气吹扫阀的开关控制3 5 3 4 7 上集管液压倾翻手动控制3 5 3 4 8 精轧机抛钢后的速度前馈控制3 5 3 4 9 层流冷却出口反馈控制3 6 3 4 1 0 公共逻辑控制3 7 3 4 11 卷取温度命中率的计算3 8 东北大学硕士学位论文目录 3 4 1 2 系统的故障与报警3 8 3 4 1 3 控制冷却系统的联锁控制3 8 3 4 1 4 层流冷却设备仿真控制功能3 9 3 5 操作台及h m i 相关操作4 0 3 5 1 操作站h m i 4 1 3 5 2h m i 相关操作4 1 3 5 3 操作台相关操作4 2 3 6 编程软件介绍4 2 3 7 轧制速度变化时的前馈控制补偿4 5 3 8 本章小结4 7 第4 章人机界面的设计4 9 4 1c i m p l i c i t yh m i 软件简介5 0 4 2h m i 画面组态51 4 2 1 创建一个工程一51 4 2 2 定义角色、用户、资源、端口、设备一5 2 4 2 3 定义点5 3 4 2 4 组态画面5 4 4 2 5 数据存盘( d a t a b a s el o g ) 功能5 9 4 3 本章小结6 0 第5 章温度控制系统在线应用效果6 1 5 1 机架f n j 冷却系统在线应用效果6 1 5 2 层流冷却系统在线应用效果6 4 5 3 本章小结6 6 第6 章结论6 7 参考文献一6 8 致谢7 1 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 控制轧制和控制冷却工艺( t m c pt h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) 是现代钢铁工 业取得的最重要的技术成就之一【l 】。作为t m c p 技术两大支柱之一的控制冷却包括精轧 过程中的机架问冷却和轧后带钢在输出辊道上的冷却。温度在热轧生产过程中是一个非 常重要的工艺参数，对金属在变形过程中的变形抗力、轧制压力、金相组织、机械性能 以及表面质量都有直接的影响。控制冷却的目的是在不降低韧性的前提下，提高钢板的 强度和钢板的质量。 应用控冷装置进行的控冷轧制分为三个阶段，即高温轧制阶段一控温轧制阶段一轧 后快冷阶段【2 j 。 1 ) 高温轧制阶段。能力较小的轧机，开轧温度大约在1 1 5 0 - 1 2 0 0 范围内。此阶 段是利用钢坯温度高、变形抗力小、能量消耗低的特点来进行大压下轧制，此阶段一般 完成总压下量的6 5 7 5 。 2 ) 控温轧制阶段。经过高温轧制后，当钢板温度在9 6 0o c 1 0 5 0 左右时，通过控 制开关打开机架间冷却装置。一边轧制，一边用冷却水对钢板表面进行强制冷却，冷却 水量和冷却时间可以根据钢板的厚度规格大小进行控制和调节。这样，使轧制过程连续 进行，直到达到所要求的终轧温度范围。在控温轧制过程中，虽然轧制温度下降较快， 轧件变形抗力在不断增大，但由于轧制的时问不是很长，钢板温度仍较高，轧机仍可进 行一定量的压下。在接近终轧温度时，为保证板形良好，此时压下量相应减小。 3 ) 轧后冷却阶段。不同品种规格的带钢，在精轧机组中的终轧温度一般约为8 0 0 9 0 0o c ，高取向硅钢的终轧温度通常为9 8 0 ，卷取温度约为6 0 0 6 5 0 。大部分钢厂 的热输出辊道一般约为1 0 0 m 左右，带钢在此段辊道上的运行时间一般约为5 1 5 s 。在 这么短的时问内要使带钢温度降低1 5 0 - - 3 0 0 ，仅靠带钢在输出辊道上的辐射散热和带 钢向辊道传热等自然冷却是不可能的，必须在输出辊道的很长一段距离上设置高冷却效 率的喷水装置，对带钢上下表面喷水，并对喷水水量进行准确控制，以满足卷取温度的 要求。 近年来，随着工业界对板带的需求量的日益增长，对产品质量的要求也越来越苛刻。 在此推动下，热带终轧温度、卷取温度的控制精度也取得了长足的进步。国内终轧温度 控制精度约为2 0 左右，卷取温度的控制精度为1 5 c 2 0 之间。板带生产已由 过去单纯追求大型化、高速化、连续化转向了注重节约能源和提高产品质量【3 1 。在热轧 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 厂板带层流冷却生产过程中，研究卷取温度控制不仅可以提高板带产品质量，而且可以 节约能源、生产双相钢、提高生产效率。 本文对某热轧厂 7 0 0 m m 机架间冷却和轧后层流冷却基础自动化功能进行研究，通 过各种冷却方法提高终轧温度和卷取温度的命中率，从而进一步改善热轧带钢的组织结 构，提高热带钢的机械性能和物理性能。 1 2 机架间冷却技术简介 对热轧带钢来说，从板坯出炉到带钢轧制结束，中间要经过运输和轧制两大环节【4 】。 带钢的终轧温度取决于加热温度、板坯的厚度、运输时间、压下制度、速度制度、冷却 水量和冷却水温度等。其中，板坯厚度、压下制度、运输时间等，在原料与成品带钢规 格确定的条件下，是一些较稳定的因素，而加热温度、机架间冷却水量以及速度制度等， 则可以作为终轧温度进行控制的手段。但在实际生产中，用加热温度( 即板坯出炉温度) 来控制终轧温度，对某些规格产品，存在热能消耗过大，加热炉能力降低及钢坯过烧等 不利因素，而速度制度亦受到机电设备能力和其他工艺因素的限制。换句话说，不论是 板坯加热温度，还是速度制度，都不是唯一受目标终轧温度制约的。因此，充分利用机 架间冷却水来加强对终轧温度的调控能力，是近年来颇受注重的控制方案【5 j 。 1 2 。1 终轧温度控制方法 机架间冷却控制的方法按恒速轧制和加速轧制而分为两种【6 】。早期的热带轧制均采 用恒速轧制，2 0 世纪8 0 年代以后新建的热带生产线为了提高产品质量和生产率大都采 用升速轧制。我国一些在旧轧线基础上经过现代化改造的轧线仍采用恒速轧制。 1 ) 恒速轧制时的控制方法 对于传统的恒速轧制带钢，终轧温度控制方式较为简单：精轧设定中的重要模块一 终轧温度设定功能是温度模型计算中的主要部分，以带钢头部8 1 0 个点的精轧入口温 度实测值的算数平均值表征带钢头部温度，通过设定带钢穿带速度及机架间喷嘴组态， 当带钢到达精轧出口高温计之后，测得精轧出口温度，并将轧制过程中温度控制的任务 交给基础自动化级，通过反馈的方式处理。 当精轧机组采用恒速轧制时，一般在精轧入口前设有热卷箱，热卷箱的作用为一方 面缓冲轧线压力，提高轧制节奏，一方面带钢卷入热卷箱之后，头部和尾部方向发生转 换，而且带钢在热卷箱内迟滞一小段时间，也使带钢头尾温度趋向均匀。某1 7 0 0 m m 热 轧厂采用恒速轧制时，其终轧温度控制的设定模型存在于精轧设定模型内，依靠基础自 动化级的反馈控制完成带钢全长的终轧温度控制。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 热带终轧温度控制是典型的大滞后过程，仅仅通过基础自动化简单的计算功能是难 以完成复杂的通条终轧温度控制的。目前，国内主要生产厂家的终轧温度过程控制系统 均采用国外先进技术，而随着加速轧制的采用及新产品新工艺的不断推出，对终轧温度 控制的方法、策略及过程控制模型的研究成为重要的课题。 2 ) 加速轧制时的控制方法 为了减少带钢头尾温差和提高生产率，带钢头部穿带之后可以提高带钢轧制速度。 当精轧机组采用加速轧制时，般采用设定和反馈相结合的方法控制终轧温度，c 钢 2 0 5 0 m m 热轧带钢厂、b 钢1 7 0 0 m m 和1 8 8 0 m m 热轧带钢生产线均采用这种方法，实际 运行效果良好。采用加速轧制时中间坯在精轧入口的温度和带钢精轧出口速度的关系示 意图如图1 1 所示。当中间坯温度降低时需要升高轧制速度以减少带钢在精轧区的温降， 当中间坯温度下降趋缓时可以停止加速，依靠带钢自身随时间降温而保证精轧出口温度 的均匀。 调节热带终轧温度的手段，可以分为通过调节带钢轧制速度和通过调节机架问喷嘴 状态两种方式。一般将以调节轧制速度为手段的终轧温度控制称为f t c 1 ，而以调节机 架问喷嘴状态为手段的终轧温度控制称为f t c 2 。当采用f t c 1 不能满足目标终轧温度 精度要求时，则自动转为两种方式相结合的方式。 速 度 温 廑 d 时间秒 图1 1 中间坯精轧入口温度和带钢速度的关系 f i g 1 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l a bt e m p e r a t u r ea n ds t r i ps p e e d 加速轧制机架问冷却喷嘴的控制策略比较复杂，可以通过现场调试获得最佳效果。 c 钢2 0 5 0 热轧厂加速轧制时，采用设定和反馈相结合的终轧温度控制，其加速轧制的 速度制度由温度加速段、功率加速度段和减速段组成。采用温度加速段的目的是为了保 证终轧温度控制精度，功率加速段的目的是为了提高产量，减速段的目的是为了降低抛 钢速度、减少甩尾等问题的发生。现场可调节的阀门为f 2 f 6 后的5 组阀门，其中f 6 后的阀门具有动态调节功能，可以根据带钢速度的变化而调整。该厂原模型投入使用后 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 效果并不理想，经过对喷水模型及机架间喷嘴开闭顺序和反馈控制的改进之后，取得较 为理想的效果，降低了性能废钢率。 1 2 2 影响终轧温度的因素 终轧温度是带钢温度控制中最重要的参数之一。终轧温度控制的精度，不但影响到 轧制力和负荷分配的设定以及精轧出口带钢厚度精度，还对热轧带钢产品的组织性能有 重要的影响7 1 2 1 带钢精轧温度的控制精度受除磷水、机架间冷却水、速度、带钢厚度、 冷却水的换热系数等多种因素的影响。分析影响终轧温度的因素【1 3 】，有利于提高精轧温 度控制精度。 1 ) 轧制速度对带钢温度的影响 轧制速度是影响带钢精轧过程中温度变化的关键因素，目前现场通常采用设定或者 控制带钢出口速度的方法来保证终轧温度。为了研究带钢穿带速度对精轧终轧温度的影 响，设定其它条件不变，穿带速度从小到大依次变化，计算轧制过程中的终轧温度。结 果表明：随穿带速度逐渐增加，终轧出口温度逐渐升高，变化明显。 2 ) 粗轧出i = 1 温度对带钢终轧温度的影响 粗轧出口温度是精轧温度计算的起始温度。同理，其它条件不变，只有粗轧出口温 度从低到高变化时，终轧温度也从低到高变化。但是，随着轧件向精轧出口移动，温度 差逐渐减小。 3 1 带钢厚度对终轧温度的影响 带钢精轧温度变化与带钢厚度密切相关。带钢厚度在各个机架的压下率、应变都是 温度模型的重要参数。为了研究带钢机架间厚度对精轧过程中带钢温度变化的影响，在 其他条件不变的条件下，按表1 1 中列出的3 种厚度分配分别进行精轧温度计算。计算 所得精轧温度变化曲线见图1 2 。由图1 2 可见，带钢越薄，其温降速度越快，同时在轧 制时温升高，在带钢出口厚度为4 4 9 3 l m m 时，轧制时的温升与温降基本抵消，在温降 曲线上表现为温度基本呈线性下降。 表1 1 三种机架间厚度分布 t a b l ei 1t h r e ed i s t r i b u t i o n so fs t r i pt h i c k n e s sb e t w e e nm i l ls t a n d s ( m m ) 模二 l 3l ! l 焉 h一；4。i 掰御 硒一 1 融i 川i 三! 百篇 一一一一 面埘唧磊翟 ，一m n 援 f讹一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 距粗耗出口的薤膏i 图1 2 带钢出口厚度对轧制过程中带钢温度变化的影响 f i g 1 2e f f e c to fe x i tt h i c k n e s so ns t r i pt e m p e r a t u r ed u r i n gr o ll i n g 4 ) 水冷换热系数对带钢终轧温度的影响 在精轧过程中，除鳞箱内采用高压水冷。f 1 和f 2 之后的机架间采用较高压水冷， 目的是除去轧件表面的氧化铁皮和次生氧化铁皮，在f 3 到f 6 后配备有机架间水冷喷嘴。 为了研究水冷换热系数对精轧带钢温度变化的影响，采用如表1 2 中所列的水冷系数。 为了研究水冷换热系数对带钢精轧温度变化的影响，将机架间所有喷嘴开关标志置 为o n ，保持其他条件不变，分别按表1 2 中所列的水冷换热系数进行计算，所得带钢 精轧温度变化曲线如图1 3 所示。从图中可以看出，水冷换热系数的变化，对带钢精轧 过程温度的影响非常明显，水冷系数越大，带钢温降越快。水冷换热系数的确定，对于 带钢精轧温度控制具有非常重要的意义。 表1 2 计算中采用的水冷换热系数 t a b l e l 2h e a te x c h a n g ec o e f f i c i e n tu s e di nc o m p u t a t i o nw ( m 2 、 图1 3 水冷换热系数对带钢精轧温度变化的影响 f i g 1 3h e a te x c h a n g ec o e f f i c i e n to i ls t r i pf i n i s h i n gt e m p e r a t u r e 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 5 1 工作辊材质对带钢终轧温度影响 工作辊在轧制过程中与带钢直接发生热交换，带钢在轧制时产生的热交换过程包括 变形升温、摩擦升温和接触温降三个部分。为了方便地研究工作辊材质不同对带钢温度 变化的影响，假设精轧7 个机架工作辊材质设定为相同，并分别对工作辊材质为白口铁、 可锻铸铁和铬合金时的带钢温度变化进行计算。计算结果表明，当工作辊材质发生较大 变化时，带钢精轧温度变化差别较大，这种差别反映在带钢精轧出口温度上，最大的差 值可达1 1 1 6 5 。这主要是因为工作材质变化较大时，其物性参数差别较大，造成工作 辊与带钢之间接触热阻的差别，因而改变了工作辊与带钢之间的传热。 1 3 层流冷却技术简介 卷取温度控制是整个热轧生产中的最后一个关键环节【1 4 】。卷取温度直接影响到轧制 成品最终的组织形态及其力学性能，对热轧带钢奥氏体晶粒的尺寸、析出物的数量和形 态所产生的影响，将导致金属的微观组织发生巨大的变化，所以带钢的轧后冷却效果是 决定成品加工性能、力学性能和物理性能的重要环节。卷取温度控制实质上是轧后板带 的冷却控制。影响产品质量的主要因素是冷却开始和终了温度、冷却速度以及冷却的均 匀程度。 1 3 1 轧后冷却技术的发展 自6 0 年代第一套层流冷却系统应用于英国布林斯奥思4 3 2 m m 窄带钢热轧机以来， 几乎每套带钢热轧机输出辊道上都装有冷却系统，但直到8 0 年代以前，其应用仅限于 1 6 m m 以下的板带。8 0 年代初，日本首次提出并研制成功第一套中厚板加速冷却装置， 并在日本福山厚板厂投产。随后，有关热轧双相钢的控制轧制( c r ) 和控制冷却( c c ) 的基 本理论研究在日本迅速开展。 1 9 8 5 年，我国在鞍山钢铁公司( 简称鞍钢) 半连轧厂建成国内第一套水幕冷却装置。 但由于此套装置的冷却区长度不够，冷却能力有限，冷却不均匀，达不到产品的质量要 求，因此，该厂在1 9 9 5 年的改造过程中将水幕冷却装置改成柱状层流结构。9 0 年代， 重庆钢铁公司五厂( 简称重钢五厂) 的中厚板生产线采用了控制轧制+ 可控的水幕冷却装 置。邯郸钢铁( 集团) 有限公司( 简称邯钢) 、柳州钢铁厂、新余钢铁有限责任公司( 简称新 余钢厂) 等也装备了水幕冷却装置。 控轧控冷技术己在我国的带钢生产线上得到了成功应用。上海宝钢有限公司( 简称 宝钢) 2 0 5 0 m m ( 德国引进) 和15 8 0 m m ( 日本引进) 轧制生产线上采用柱状层流冷却方式后， 设备运行稳定，卷取温度控制精度提高；武汉钢铁集团公司( 简称武钢) 1 7 0 0 m m 轧机的 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 层流冷却装置是8 0 年代从日本引进的，武钢将控冷模型改进移植到新一代计算机中， 不仅得到了本厂的实践验证，而且在太原钢铁( 集团) 有限公司( 简称太钢) 和梅山钢铁公 司得到推广i l5 。 1 3 2 各种冷却方式的特点比较 冷却方式概括起来主要有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化冷却、喷淋冷 却、板湍流冷却、水一气喷雾加速冷却以及直接淬火等几种。各种冷却方式有其各自的 优点和缺点，见表1 3 所示1 1 6 。采用哪种冷却方式应根据具体工艺环境和限定条件来确 定。 国内外的研究表明：近年来，中厚板轧机轧后在线冷却方式大多数采用的是层流冷 却方式和水幕冷却方式。同时，国外也相继采用了喷雾冷却( 水气喷雾) 、高密度管层流 冷却和直接淬火冷却方式。加速冷却方式因其冷却速度快、产品性能好、节省成本以及 提高生产效益而受到众多钢铁企业的瞩目，是今后中厚板轧机轧后在线冷却方式的主要 发展趋势。但由于其设备复杂，控制系统正在完善之中，所以目前仍以层流冷却方式和 水幕冷却方式为主流。 1 3 3 层流冷却的原理 层流一般相对与“紊流 而言，一般用雷诺数判定。雷诺数小，意味着流体流动时 各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管道内壁有规则的运动，呈层流流动 状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数 r e 4 0 0 0 为紊流状态，r e - - 2 0 0 0 - - 4 0 0 0 为过渡状态。层流对外 来的各种扰动均具有一定的抑制能力，这种能力称为流动的稳定性。流体的惯性使扰动 扩大，但流体的粘性则抑制扰动，故流体的稳定性随雷诺数的增大而减弱。 层流冷却的工作原理是以大量虹吸管从水箱中吸出冷却水，在低压力情况下流向带 刚，使带钢表面覆盖一层处于层流状态下最佳厚度的冷却水。从喷嘴流出的冷却水不反 溅( 理想状态下) 并紧贴在带钢表面呈层流状态按一定方向做宏观运动，利用热交换原理 使带钢冷却至卷取温度。由于虹吸管的数量多，排列又很密，带钢表面上的水层利用侧 喷阀喷出的中压侧喷水随时更新，将滞留在带钢表面上的高温水和氧化铁皮冲掉，使冷 却水不断更新，从而带走大量的热量来达到冷却目的。所以冷却效果好。 下面以单个喷嘴的冷却水冲击带钢表面图1 4 为例：带钢表面正对着喷嘴中心处区 域称为滞止区，冷却水与带钢直接接触进行单相强制对流换热，冷却效率非常高。随着 冷却水在带钢表面的流动，冷却水与带钢接触时间增加并被加热，在带钢表面的某些特 定点上开始产生气泡，气泡扰动剧烈，换热系数和对流密度都急剧增加，此时的沸腾称 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 表1 3 各种冷却方式的优缺点 冷却方式优点 缺点 适用范围 - 8 - 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 为核态沸腾。当这些气泡汇聚覆盖在带钢表面形成稳定的蒸汽膜时，热量必须穿过热阻 较大的汽膜，所以换热系数小，此时的沸腾称为膜态沸腾。在膜态沸腾区之外，冷却水 会在表面聚集形成不连续的小液态聚集区，小液态聚集去的水一般被汽化，或者从平板 的边缘处流下。在实际生产中，由于每隔定距离都有一个侧喷阀，所以在冷却区看不 到小液态聚集区，但在冷却区末端可以看见。 在实际卷取温度控制过程中，带钢经终轧后进入由多组集管组成的层流冷却区，带 钢经过每一组集管时，表面温度迅速降低，增加了带钢内部传导，在集管之间带钢表面 温度又得到回复，但带钢平均温度却显著下降，通过集管根数的控制就可以使带钢冷却 到目标卷取温度【8 j 。 l 一工一j _ m 上匣j _ 一更一 i 单相强制对流i i 核态沸腾区i 膜态沸腾区小液态聚集区v 向环境辐射和对流散热 图1 4 单个喷嘴的冷却水冲击带钢表面示意图 f i g 1 4c u r r e n ts k e t c hm a po fo n es p r a y 1 3 4 层流冷却系统的冷却策略 带钢卷取温度的控制模式包括常规冷却控制和冷却速度控制，常规冷却控制是以目 标卷取温度为最终控制目标，而冷却速度控制以冷却速率、中间目标温度和目标卷取温 度为目标值【1 7 】。 为满足不同规格、不同钢种和不同性能要求产品对卷取温度和冷却速度的要求，带 钢卷取温度控制的基本方案有前段冷却、后段冷却、稀疏冷却、带钢头尾不冷却等。 1 3 4 1 带钢前段冷却控制方式 带钢前段冷却控制方式( 见图1 5 ) 实际上是以前馈控制为主体，而补偿控制和反馈控 制为辅的一种冷却控制方式1 5 1 。前馈控制就是根据精轧机组终轧温度的预设定值和卷取 温度目标值，馈送控制信号来接通前段冷却水集管，对带钢进行冷却。主要用于带钢厚 度在1 7 r a m 以上的普碳钢和有急冷要求的高级硅钢的冷却。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 钞翮翮佣厂 nm 凸 剖u u 山h 图1 5 前段冷却模式 f i g 1 5d i a g r a mo f t h ef o r e p a r tc o o l i n gm o d e 前段冷却模式优先集中将层流冷却区入口侧的集管阀门打开，快速冷却区集中在层 冷区前部。采用此冷却模式时，尽量靠近第一组集管的第一根喷管选择1 根喷管作为起 始阀门，由起始阀门开始，根据层冷模型算出的所需冷却长度的计算结果，来确定打开 阀门的组数，沿轧制方向依次将所需的阀门打开，实现前段主冷。起始阀门可由轧制计 划明示或由操作工指定【1 8 1 。 1 3 4 2 带钢后段冷却控制方式 带钢后段冷却方式( 见图1 6 ) 是在层流冷却装置的后段( t i p 靠近卷取机的那一侧) ，将 前馈控制，补偿控制和反馈控制作为一个整体。当产品需要在温度较低区快速降温时， 采用这种冷却模式，此时优先集中将层流冷却粗冷区出口侧的集管阀