（材料加工工程专业论文）热连轧系统机架间冷却数学模型研究.pdf

童! ! 查兰罂圭兰堡鎏兰 堡苎 热连轧系统机架间冷却数学模型研究 摘要 热轧带钢终轧温度是影响带钢最终成品组织性能的重要因素之一。合理的终 轧温度可以使带钢获得良好的组织和性能。而且减少带钢的头尾温差，对于提高 质量有明显的优越性。带钢全长终轧温度均匀一致，才能保证整条带钢的机械性 能及厚度的均匀一致。因此，提高终轧温度的控制精度成为热轧生产中一个重要 的研究课题。而所有这些的关键在于要有精确而实用的机架间冷却数学模型。本 文在轧制技术经典理论的基础上，结合现场生产实际和工艺控制情况，就机架间 冷却数学模型和终轧温度控制的实际应用开展了深入的理论研究和现场应用研 究。主要内容包括： 在查阅国内外文献的基础上，通过对带钢在精轧机组内各个传热过程的分析， 分别给出了各过程的温度计算模型，包括变形区内传热模型和变形区外温降模型。 其中变形区内传热模型由带钢与轧辊接触传热模型、带钢与轧辊摩擦生热模型和 带钢塑性变形热模型组成，变形区外温降模型包括空冷温降模型和水冷温降模型。 介绍了带钢比热模型和热传导系数模型，提出采用区间内线性插值法计算不同温 度带钢的比热值和热传导系数。 在f i 述数学模型的基础上，对机架间水冷数学模型进行了深入的探讨，通过 模拟计算得到开冷温度和秒流量对带钢水冷温降的影响规律。发现水冷效果在秒 流量较小时或者开冷温度较高时比较明显。 对于轧制一条带钢时，考虑厚度对带钢水冷温降的影响。提出关于水冷温降 的厚度修正算法，独创性的提出用以体现厚度对带钢水冷温降影响的厚度修f 系 数，从而对带钢水冷模型进行了修正。用正确数据对模型进行了验证，验证结果 表明模型与实际符合良好。 用有限差分法模拟计算相同秒流量、不同厚度带钢水冷时温度分布。为了使 模型能很方便地应用到实际生产，用差分模拟计算结果对模型系数进行简化和回 归，探索出回归确定轧制给定规格所需带钢厚度修正系数的有效方法。 童苎查兰至圭兰堡篓耋堡圣 用v i s u a lc + + 6 0 编制机架间水冷离线模拟计算程序，通过计算，得出轧制速 度、成品厚度和机架间冷却水量对终轧温度的影响规律。在以上研究的基础上， 对典型钢种的三种不同成品规格轧制时精轧冷却水量作离线模拟计算，为实现精 轧过程的精确水量控制提供了理论依据和可靠参考。 结合现场实际生产工艺，简要介绍了设定计算模型和一级基础自动化在线控 制的思路和控制模型，给出了穿带速度设定和机架问喷水初始值设定的方法。建 立了关于辐射率的自适应模型，采用指数平滑法进行自适应计算。 关键词：热连轧，机架间冷却，数学模型，终轧温度，厚度修正 i i 蛮苎奎兰堡圭兰堡篓兰 。：垒! ：! ! ! 些 s t u d y o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n t e r s t a n d c o o l i n g f o rh o t s t r i pr o l l i n g a b s t r a c t t h ef i n i s h i n gt e m p e r a t u r eo fh o ts t r i pi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c h a f f e c ts t r u c t u r ep r o p e r t yo f s t r i pf i n i s hp r o d u c t p r o p e rf i n i s h i n gt e m p e r a t u r ec a nh e l p a c h i e v eg o o ds t r u c t u r ep r o p e r t y m o r e o v e r , r e d u c i n gh e a d t a i lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e h a ss u p e r i o r i t yt oi m p r o v i n gs t r i pq u a l i t y o n l yt h ef i n i s h i n gt e m p e r a t u r ea l o n gt h e w h o l es t r i pi su n i f o r m ，c a l lt h eu n i f o r m i t yo f s t r i pm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dt h i c k n e s sb e o b t a i n e d t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h ec o n t r o la c c u r a c yo ff i n i s h i n gt e m p e r a t u r e b e c o m e sa v e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti nh o ts t r i pr o l l i n g b u tt h ek e yo f t h es u b j e c tl i e si n a c c f 2 r a t ea n d p r a c t i c a li n t e r s t a n dc o o l i n g m a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e do nc l a s s i c a lt h e o r yo f r o l l i n gt e c h n o l o g y ，c o m b i n i n gw i t ho n s i t ep r o d u c t i o n a n d p r o c e s s c o n t r o lc o n d i t i o n s ，t h e o r ya n da p p l i c a t i o n s t u d yo ni n t e r s t a n dc o o l i n g m a t h e m a t i c a lm o d e la n df i n i s h i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o li sd i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f o l l o w i n g a r et h em a i nc o n t e n t s ： b a s e do nt h ec o h e r e n td o c u m e n t a t i o na th o m ea n da b o a r d ，t h eh e a t t r a n s f e r p r o c e s s e so fs t r i pi nt h ef i n i s hr o l l i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d ，a n dt e m p e r a t u r em o d e lo f e v e r yp r o c e s s i ss e t u p ，i n c l u d i n gi n s i d e d e f o r m a t i o n z o n e h e a tt r a n s f e rm o d e la n d o u t s i d e - d e f o r m a t i o n - z o n et e m p e r a t u r ed r o pm o d e l t h ef o r m e ri sc o m p o s e do fc o n t a c t h e a tt r a n s f e rm o d e l ，f r i c t i o nt h e r m o g e n i cm o d e la n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nm o d e l t h e l a t e ri n c l u d e sr a d i a t i o nm o d e la n dw a t e r - c o o l i n gm o d e l b e s i d e s ，s p e c i f i ch e a tm o d e l a n dt h e r m oc o n d u c t i v i t ym o d e lo fs t r i pa r ep r e s e n t e d l i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o di s p r e s e n t e d t oc a l c u l a t et h es t r i ps p e c i f i ch e a ta n dt h e r m oc o n d u c t i v i t y w i t l lt h eb a s i so ft h e s em a t h e m a t i c a lm o d e l s t h e p a p e rp r e s e n t sad e e pr e s e a r c ho n t h ei n t e r s t a n dw a t e rc o o l i n gm o d e l t h ee f f e c tr e g u l a r i t yo fw a t e rc o o l i n gt e m p e r a t u r e d r o pu p o n f l o w m a s sa n d s t a r t - c o o l i n gt e m p e r a t u r e i sa c h i e v e d t h r o u g h s i m u l a t e c a l c u l a t i o n s i ti n d i c a t e st h a tw a t e r c o o l i n ge f f e c ti sm u c h b e t t e rw h e nt h ef l o w m a s si s s m a l l e ro rt h es t a r t - c o o l i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h e r i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ee f f e c to fw a t e rc o o l i n gt e m p e r a t u r ed r o pu p o ns t r i pt h i c k n e s sm u s tb et a k e n i n t oc o u n tw h e nas t r i pi sr o l l i n g t h i c k n e s sa m e n d m e n t a l g o r i t h mo nw a t e rc o o l i n gi s p r e s e n t e d ，a n dt h i c k n e s sa m e n d m e n tc o e f f i c i e n ti s c r e a t i v ep r e s e n tt ov a l u et h ee f f e c t t h u st h ew a t e r c o o l i n gm o d e l i sa m e n d e d t h em o d e li st e s t e dw i t ht h er e a s o n a b l ed a t a ， a n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em o d e lc o i n c i d e sw e l lw i t ht h e p r a c t i c e u n d e rt h ec o n d i t i o no fs a m ef l o w - m a s sa n dd i f f e r e n t s t r i p t h i c k n e s s t h e s t r i p t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni sa c h i e v e d b ys i m u l a t ec a l c u l a t i n g w i t hf i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d t oe a s i l ya p p l yt h em o d e lt ot h ep r a c t i c e ，t h em o d e lc o e f f i c i e n ti s s i m p l i f i e d a n d r e g r e s s e dw i t ht h ef i n i t ed i f f e r e n c ec a l c u l a t er e s u l t ae f f e c t i v em e t h o dt od e f i n et h e c o e f f i c i e n ti sf o r m e d w i t hv i s u a lc + + 6 0a n dt h em o d e l s t h eo f f - l i n es i m u l a t i o np r o g r a mo ni n t e r s t a n d c o o l i n gi sw o r k e do u t b yc a l c u l a t i n gw i t ht h i sp r o g r a m ，t h ee f f e c tr e g u l a ro ff i n i s h i n g t e m p e r a t u r eu p o ns t r i pt h i c k n e s s ，s t r i pr o l l i n gs p e e da n di n t e r s t a n dc o o l i n gw a t e r q u a n t i t y i sa c h i e v e d b a s e do nt h er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，t h ei n t e r s t a n d c o o l i n g w a t e rq u a n t i t yo f t y p i c a ls t e e lg r a d e st h r e ef i n i s hp r o d u c ts p e ci so b t a i n e db ys i m u l a t e c a l c u l a t i n g t h e r e f o r ei tp r o v i d e st h er e a l i t yo ff i n i s hr o l l i n gc o o l i n gw a t e rq u a n t i t y s a c c u r a t ec o n t r o lw i t ht h e o r yb a s i sa n dc r e d i b l er e f e r e n c e b a s e do nt h eo n s i t ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t h es e t - u pm o d e la n d d e s i g na n d c o n t r o l m o d e lo fo n l i n ec o n t r o la r em o t i o n e db r i e f l y t h es e t u pm e t h o do f s t r i pt h r e a ds p e e d a n di n t e r s t a n ds p r a y si n i t i a lv a l u ei sp r e s e n t e d as e l fa d a p t i n gm o d e lo f r a d i a n c ei ss e t u p ，u t i l i z i n ge x p o n e n t i a ls m o o t h i n g t oc a l c u l a t e ； k e y w o r d s ：h o t s t r i pr o l l i n g ，i n t e r s t a n dc o o l i n g ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，f i n i s h i n g t e m p e r a t u r e ，t h i c k n e s sa m e n d m e n t 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外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一 同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示感谢。 本人签名：獭太 日期：乡。字，7 专o 东北大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 板带热连轧过程中，带钢轧制温度是直接影响产品尺寸精度、力学性能以及 轧机负荷合理分配的重要因素之一。合理的终轧温度可以使带钢获得良好的组织 和性能。另外，带钢全长终轧温度均匀一致，才能保证整条带钢的机械性能及厚 度的均匀一致。不难看出，对带钢终轧温度的要求分两个层次，一是要使带钢头 部达到所要求的终轧温度；二是要使带钢在全长方向上的终轧温度尽量保持均匀 一致，或者波动在允许的误差范围内。如果终轧温度不达标或者带钢头尾温度不 均，就会造成整卷带钢的组织陛能不合格等质量问题，这样必然会影响企业的经 济效益。而且减少带钢的头尾温差，对于提高质量有明显的优越性。总之，终轧 温度是影响钢板组织和性能的最主要的因素之一。 目标终轧温度随钢种的不同而变化，即使同一种钢种，碳等其它合会元素的 龠帚不同，终轧温度也府作相应的改变。多数钢种的终轧温度在9 0 0 以下，约为 8 3 0 8 8 0 。通常精轧机组的长度在5 0 m 左右，带钢通过时间一般在l o 1 8 秒之 i b j 。带钢入精轧时温度很高，一般在1 0 0 0 左右，在相当短的时间内把带钢冷却 1 5 0 左右，已是不易；加之在带钢轧制时会与轧辊作用而产生复杂的热交换过程， 使控制变得更为复杂。因此，如何提高终轧温度的控制精度成为热轧生产中的一 个重要的研究课题。 热轧带钢生产中终轧温度受到许多因素的影响，例如，带钢由粗轧出口到精 轧入口的中间辊道上由于辐射所产生的温度降、各道次金属变形产生的温升、会 属和轧辊接触摩擦产生的温升、带钢和轧机间的热传导导致的温降、带钢在机架 制运行辐射散热导致的温降、除鳞水以及机架间冷却导致的温降等。影响终轧温 度的t 艺参数丰要有各道次带钢的入口和出口厚度、轧制速度、带钢在辊道上的 运行速度、除鳞水以及机架间冷却的水量和压力等。 其中，设定穿带速度可使带钢头部终轧温度较为准确的达到要求：升速轧制 则是控制带钢全长上终轧温度保持均匀的重要手段。虽然升速轧制对充分发挥轧 机生产能力有利，但是其加速度过大会导致带钢尾部终轧温度大大高于头部终轧 东北大学硕士学位论文l 绪论 温度，致使带钢全长终轧温度不均。 为了充分发挥轧机的生产能力，在机架问安置喷水设备，对精轧过程中的带 钢喷水冷却，保证高加速度轧制时带钢全长终轧温度的均匀。 可见，机架问冷却控制的目的一方面是通过调节机架间冷却水流量和水压， 使不同工况( 温度、厚度、速度) 的带钢的终轧温度落在所要求的温度范围内，减 小带钢头尾温差，使带钢获得良好的组织性能和力学性能。另一方面，是为了充 分利用设备的生产能力，提高企业生产效率。 1 2 机架间冷却国内外技术现状 1 2 1 带钢精轧温度计算模型 数学模型是用计算机实现轧钢生产过程控制的核心，其作用是通过选用不同 的物理或实验模型来描述最佳的生产过程【2 】；用既有实时性又简便精确的算法来计 算精轧过程的一些预设定值，使轧制过程平稳，又不损坏设备，从而获得所要求 的带钢厚度和温度。 为了适应计算机控制的需要，需要计算各个环节的温度变化，如精轧机组入 口带钢温度，在精轧机组内部带钢的温度分布和出精轧机组时带钢的温度等等， 以便准确的预报轧件在各个环节中与温度相关的参数值，如各机架 l s t j 力等。根 据经验，在机架入口处，1 4 c 的温度偏差会引起轧制力1 0 的误差【3 】o 准确计算各 机架入口带钢温度的重要性可见一斑。 国内外热轧厂采用的方法主要有两种。 一种是以粗轧出口测温仪测得的带钢温度为基准，考虑从此开始到带钢出精 轧机组，带钢所发生的各种温降过程，相应地建立每个温降过程温度计算数学模 型，采用这些模型逐步计算带钢在每个温降过程后的温度以及每一机架的轧制变 形热、接触热损失、机架间传送辐射冷却、机架间喷水冷却。 温降模型的建立是与轧件热连轧生产过程的具体特点密切相关的。在不同的 生产环节中，轧件温度的变化规律和特点虽不尽相同，但其温度的变化是可以用 基本的传热方式的不同组合来描述1 4 3 。 虽然精轧入口一般也装有测温仪，但是其测温条件没有在带钢刚出粗轧时理 想1 5 】，凶此一般以粗轧出口处的测温仪铡得的带钢温度为基准，精轧出口的测温仪 东北大学硕士学位论文1 绪论 一般用来对带钢开轧温度进行校正。 采用这种方法，一般需要考虑从粗轧出口到精轧入口的辐射散热、在轧制变 形区内带钢的塑性变形热、与轧辊接触传热、与轧辊摩擦生热、在精轧机组内部 的辐射散热以及机架间喷水导致的对流散热六大热交换过程。在工业应用中，为 方便起见，从粗轧出口到精轧入口的辐射散热和在精轧机组内部的辐射散热常常 使用同一个数学模型。 另一种是“卡两头分配中间”的方法 6 】。由于精轧机组各机架的轧件温度是一 个重要参数，对轧件轧制力等影响较大，又考虑到精轧机组的连续性和前后设有 测温仪的特点，利用精轧机组两头的测温仪的实测温度不断校正传热系数，而用 较简单的温降公式来“分配”精轧机组总温降，以确定各机架的温度( 见图1 1 ) 。 f lf 2f 3f 4f 6f 6 f o 7 除鳞厂 、厂厂厂n 山川5 弓弓弓弓弓弓 ll 一一厶一 厶一一l 一4 厶 厶一一厶一 图1 1 精轧机组分段图示 f i g 1 1s e g m e n td i a g r a mo f f i n i s h i n gg r o u p 这种方法把轧制时塑性变形热和接触导热损失假设为互相抵消，机架间辐射 冷却和喷水冷却可以合并看作一个等效冷却系统，为了简单起见，可用对流冷却 公式作为温降公式。 先取 导：_ 2 ，：生( i 为机架号) ( 1 1 ) 矿2 f扣亍“为秽l 梨芍 ( 1 - 1 ) 假设如= 2 a # 7 c ，并把精轧机组分为8 段，则 东北大学硕士学位论文l 绪论 m 箍一致去 ：， 互一一瓦。扛一 、 式中，厶为卜_ l 机架到i 机架的距离，m 。? 当i - = 7 时，此三为终轧测温仪离未机 架( 第6 机架) 的距离；当i = 1 时，此三为精轧入口测温仪离第一机架的 距离。考虑到精轧入口测温仪和1 号机架间有高压水除磷装置，其m 值比 一般低压喷水冷却要大，因此应该采用l 作为此段的当量距离三l = 肚l ( j 为此段实际距离) ，口应由实验确定； 撅和v ，分别为轧件厚度。m m 和轧件速度，m 。 稳定# l s j j 时，h i v = 。y 。其中，h 。为末机架的成品厚度，m m ；v 。为末机架的 出1 3 速度，m s 。 因此 n 器= 等c 卢删z 一；一乃囊，k 。 i = 1 时，t i l 等于t o ，即是精轧机组入口温度( 测温仪处) 砟。 瓦，即是精轧机组出1 ：3 温度( 测温仪处) 砟c 。 将上式从i = l 到i = 7 累加起来得 。n 盈：二k 兰翌 ( 1 3 ) i = 7 时，死等于 ( 1 4 ) 此式可写为 糟= e d 吨剖 s ， 耳。一l4 丸匕j 。 式中，为精轧机组入口测温仪到出口测温仪的总距离( 其中入口测温仪至1 号机 架的距离l 应采用? 代替) 。 持：e 4 一凄 ( 1 6 ) 东北大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 终轧温度控制 砭= 竽h 格 ( 1 7 ) 精轧机组的终轧温度控制，包括带钢头部终轧温度控制和带钢全长终轧温度 控制两部分。在精轧过程中，带钢终轧温度的控制涉及到很多方面，既育来自带 钢速度制度的影响，又有带钢压下量分配的影响。同种规格带钢轧制时，如果带 钢轧制速度不同，得到的带钢终轧温度也不同。另一方面，带钢以同样的速度进 行轧制，如果带钢的精轧目标厚度不同；或者精轧目标厚度相同，但是中间机架 的压下量分配不同，得到的带钢终轧温度也会不同。 如果带钢精轧过程压下量分配和精轧目标厚度已经确定，那么就可以控制适 当的带钢穿带速度使带钢头部达到目标终轧温度。或者带钢穿带速度已经达到了 上限或下限，也可以通过改变精轧目标厚度的方法，达到使带钢头部获得目标终 轧温度的目的。 陈永、余广夫、陈继林等人根据攀钢热轧生产工艺流程，考察了轧制线上带 钢温度的变化情况及其影响因素，在定量分析轧制速度、轧制节奏、轧制道次、 除磷道次和钢坯加热速度及出炉断面温差对热轧板卷终轧温度影响的基础上，给 出了终轧温度数学表达式 7 】a 他们考虑到各种因素对终轧温度的影响程度不同，且 实际生产中多种因素交叉作用，按照数理统计方法，确定出终轧温度与其影响因 素之f b 的数学表达式如下： + y = 3 3 9 + o 3 7 x l o 2 6 x 2 1 8 8 x 3 + 2 2 0 8 x 4 1 5 9 8 x 5 + r( 1 8 ) 式中，y 为热轧板卷终轧温度，； x 为铸坯加热温度，； x 2 为出炉钢坯断面温差，i 趵为除磷道次： 轧为终轧速度，耐s ； x s 为粗轧轧制道次： ，为自适应项。 目前，国内外大型热轧厂普遍采用以下方法来控制带钢终轧温度的。带钢头 部的终轧温度一般靠正确设定精轧出口速度或者末机架轧制速度来保证，而整带 东北大学硕士学位论文1 绪论 温度均匀则靠j 下确控制机组加速度及机架间喷水量来实现。目前已能控制终轧温 度在1 0 1 5 左右，基本达到了整带温度均匀。 12 2 1 带钢头部终轧温度控制 图1 2 是某厂热连轧带钢生产线温度检测及控制设施简图。在粗轧和精轧之 间，一般有两个测温点，一个是在粗轧r 4 之后，另一个是在精轧飞剪之前。其中， 前者比较重要，因为此处测温条件较好，板坯厚度适中，经变形后表里温度均匀， 表面干净，无水汽障碍，故测量结果比较准确，一般皆以它作为基础来对加热温 度进行反馈控制和对终轧温度进行设定计算。精轧飞剪之前的测温仪主要是用束 对精轧入口温度的校正和精轧温度的再次设定。 喁 圈1 2 带钢温度检测及控制设施简幽 f i g 1 2d i a g r a mo f s t r i pt e m p e r a t u r e d e t e c t i o na n dc o n t r o le q u i p m e n t s 带坯从粗轧末架出口的温度( h c ) 到精轧出口的温度( 砟c ) ，其间的总温度 降包括了以下两部分： 1 ) 带坯从粗轧出1 ：3 道精轧入口即在中间辊道上主要由于辐射所产生的温度 降： 2 ) 带钢穿过精轧机组各机架，即从精轧入口到精轧出口的温度降。 当已知r c 时，可出下式求出精轧入口的温度，即精轧的开轧温度砟o 。p i3 面a s r + ( 耕”k ， 式中，盯为斯蒂芬波茨曼常数： 动材科的等价热辐射率，5 一o 6 0 8 ，表面不光洁时取大值： 沩在该段运输过程中所需要的时间，s ； c 为钢的比热，i c i ( k g ) ； 6 东北大学硕士学位论文 1 绪论 沩钢的比重，k g c m 3 ； 胁、靠c 一粗轧出口带坯厚度( m m ) 及实测粗轧出口绝对温度，k 。 要求终轧温度砟c 一般倾向于采用直接统计的方法来确定终轧温度与各有关 因素划的定量关系。但也可以采用理论公式计算。假定轧制时金属变形所产生的 热量和热传导所损失的热量互相近似可以抵消，机架间辐射冷却和喷水冷却可合 并看成一个当量冷却系统，令其等价传热系数为尬，则由传热的基本公式( 板带 辐射面积取为，6 ，。系数k ，包括到肠中) 一丘d ( ，一弦耐f = c 归l h d t( 1 1o ) 得 积分后，以f = 土代入，则得 v 。 学r = e 两d t 母球x p c 老j 1 2 ) 式中，r 、疋分别为带钢温度和冷却水温度，； 丁南、砰c 分别为带坯头部的精轧入1 2 温度和出口温度推算值，； b 、f 分别为带钢宽度和单位时间内移送长度，m m ； r 为精轧区间带坯头部移送时间，s ； 上为精轧区间入口测温仪到出1 ：3 测温仪的总距离，m ，考虑高压水影响应乘 以一经验系数； h 。、v 。分别为出末架时的带钢厚度( m m ) 和速度，m s 。 由上式即可反算求出为保证终轧温度所需要的精轧出口的速度v c v c = 筹血( 筹) 以上式计算得到的v c 作为精轧机组末机架的速度设定值，即可保证带钢头部 的终轧温度与目标值相符。应当指出的是，v c 不应超出工艺规定的允许穿带速度的 范围。如果超出了该极限范围，应取其极限值，以优先保证顺利穿带。 东北大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 2 带钢全长终轧温度控制 精轧机组终轧温度的控制，不单是要求带钢头部达到所要求的温度，而且要 求带钢全长终轧温度均匀一致，这样才能保证整条带钢机械性能及厚度的均匀。 轧制过程中由于带坯头部和尾部在空气中停留的时间不同，尾部停留的时间 要长，因而引起带钢尾部的终轧温度低于头部的终轧温度。带坯越长，则带钢头 部与尾部进入精轧机组的时间差越大，它们的终轧温度差也越大。 在恒速轧制时，带钢头部与尾部在中间辊道上的停留时间差出可以按下式计 算： 、 出；f f 上一上i( 1 1 4 ) l v f ov 式中，f 为带坯的长度，m ； v 巾为精轧机组的入口速度，m s ； ”盯为粗轧机组的出口速度，m s 。 为了解决这个问题，有些钢厂，如攀钢等，采用了在粗轧和精轧之倒配备热 卷箱的方法。热卷箱技术是解决热轧带钢厂中间坯温降的有效措施之一 甜。采用热 卷箱的显著特点之一是对卷取后的中间坯带卷有明显的温度均匀作用，同时将中 间坯温度较低的尾部变成头部送入精轧机组。这样对减小带钢头尾温差是是十分 有利的。换者之，采用热卷箱技术对带钢终轧温度有平稳作用。加钢联西尔顿 1 4 2 0 m m 热轧带钢厂采用热卷箱轧制，其终轧温度与无热卷箱升速轧制和非升速轧 制两种不同工艺制度相比，终轧温度变化分别降低了3 5 和5 0 t 8 1 。 关于带钢全长终轧温度控制，现在普遍为国内外大型热轧厂采用的主要有以 下两个方案： ( 1 ) 固定喷水量( 此为穿带时的喷水量) ，通过改变轧制速度来控制终轧温度 采用此种方案的依据是，通过适当的加速度，使轧机速度不断提高，即可以 使带钢中部、尾部在中间辊道上的停留时间减少，从而减少辐射热损失，又可以 使高温轧件与轧辊的接触时间缩短，减少传导热损失，同时，加速轧制造成的塑 性变形热与摩擦热的增加也会引起带钢升温，从而可把带钢全长终轧温度偏差控 制在允许范围之内士1 5 3 0 。 对加速度的控制，可以由操作人员根据仪表显示来进行，也可以利用终轧温 东北大学硕士学位论文1 绪论 度f c 值与目标值相比较来实现反馈自动控制。由于加速度值和温度变化之间的定 量关系不容易确定，故实际生产中常采用“开关式”方法来控制加速度。如图1 3 中( a ) 图所示，温度t 为所需终轧温度目标值，温度变化要控制在乃乃范围内。； 如果温度低予l ，就自动提高轧制速度使温度上升；反之，诺高于疋，就自动降 速( 令加速度等于零) 使温度下降。在轧制过程中当温度低于c 点后，经测温仪 得到信号及计算机计算后，使速度上升，温度也就相应上升。以后按此速度维持 不变。由于带钢愈往尾部温度降愈大，故在此一定速度下终轧温度仍连续自然下 降，待温度降低到d 点，又同样使速度和温度上升。如此推演下去，控制终轧温度 在一定范围内( 例如2 0 ) 变化【”。 图1 3 中( b ) 图所示的这种分级加速的办法是在带钢质量要求较高、终轧温度控 制要求较严的情况下使用的，这样卷曲温度也好控制。如果带钢质量要求不高、 温度控制要求不严，则可采用l - 3 图( b ) 中虚线所示的大加速度，直接加速到为提高 产量所需要的轧制速度。此时可控制机架间喷水量来适当调整终轧温度。图1 4 为 在各种速度变化条件下带钢终轧温度在全长的分布情况，其中( 口) 是旧式轧机没 有加速时的情况，带钢头部温度高，尾部温度低：( b ) 为小加速度的情况，可使 整带温度均匀：( c ) 则为大加速度的情况，这是常用的方案，虽然整带温度也不 很均匀，但提高了轧机的生产能力，因而采用较多。 由于速度升高不仅减少了热损失，而且增加了塑性变形热，故若升速过快反 会使带钢温度过高，也不合于要求。实践表明，为了控制终轧温度，轧机的加速 度只能限制在o 0 5 0 2 m s 2 范围内，否则，带钢的终轧温度将沿长度从头部到尾 部逐渐升高。而轧机实际的加速能力可达12 m s 2 。因此，近年来发展了新的控 制方案，既是把终轧温度的控制变量由速度改为机架间喷水量。为了提高产量可 采用大的加速度，而通过改变机架间喷水量来控制带钢全长终轧温度的均匀性。 东北大学硕士学位论文1 绪论 温度t 八厂 _ v 一￥一y 衍 ( a ) 速 度 ( b ) 幽1 3 终轧温度与速度变化示意 垫i f i g 1 3 a l t e r a t i o nd i a g r a mo f f i n i s h i n g t e m p e r a t u r e a n d v e l o c i t y 时间 ( b ) 时间 时间 时间 ( c ) 幽1 4 轧制速度变化时终轧温度在带钢全k 的分布 ( a )不加速( b ) 小加速( c ) 大加速 f i g i 4f i n i s h i n gt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n g t h es t r i pw i t hv e l o c i t yc h a n g i n g ( a ) n oa c c e l e r a t i o n ( b ) l o wa c c e l e r a t i o n ( c ) h i g ha c c e l e r a t i o n ( 2 ) 利用喷水装置的水压和水量控制终轧温度 利用机架问喷水装置的水压和水量来控制带钢全长终轧温度的均匀性，可以 通过改变阀的开度( 连续调节) ，也可以通过改变喷水的喷嘴数目( 开关式调节) 来实现。 采用该控制方案，可以按大加速度轧制，以最短的时间达到最高轧速，在加 速过程及到达最高轧速后的稳速过程中，均利用机架间喷水装置来控制终轧温度， 并借此来克服提高轧机生产力与带钢终轧温度控制之间的矛盾。这种方案在一些 自动化配置比较完备、自动控制水平比较高的大型轧钢厂得到广泛应用。 东北大学硕士学位论文 1 绪论 应该指出的是，控制精轧前高压除鳞水的水量来控制带坯温度是不可取的， 因为这种方法对连轧带钢终轧温度没有实质性的影响。实验表明，即使全部关闭 精轧前除鳞器的高压水，带坯进入连轧机的温度可提高4 0 。c ，带钢终轧温度也只 能提高2 0 ，而减少高压除鳞水，可能带来除鳞不净，从而导致热轧带钢表面质 量恶化。 由于机架间喷水对终轧温度的影响不易用理论公式来表示，采用以下形式的 经验公式p j ： 11 正 ，= a + 6 靠o + c 向。+ 西。+ 已 + 厂二+ g 二+ ( 1 1 5 ) pg 或 i g i _ = 口+ 6 1 9 0 0 + c i l g 九+ d l g v + e t l 9 2 + f l g p + g l g q + ( 1 1 6 ) 式中，斥。一精轧入口带钢温度，； t f c 一带钢终轧温度，； “一成品目标厚度，m m ； h 一穿带速度，m s ； ：一精轧机组伸长率。 利用上述模型，在实测到t f o 和凰( 坯料厚度) 后，根据目标成品厚度“可 算出精轧机组延伸率，并根据确定的水压小水量g ，即可确定合适的穿带速度h 。 而对于带钢全长，在实测t f o 、h o ，以及实测和h 基础上，确定p 和q ，以 保证t f c 达到目标值。p 和q 之间预先规定调节的优先度和比例关系。为反馈修 正项，根据实测的终轧温度z 0 进行反馈控制。 = t 一砭)( 1 1 7 ) 呓每隔一定时间间隔实测一次，并计算一次、p 和口的新值，通过机架蒯 喷水控制系统对水压和水量进行控制。 宝钢作为国内自动化控制水平最高的钢铁企业，采用上面两种方案相结合的 办法，对终轧温度进行控制。它把精轧过程中带钢的加速过程分为温度加速度阶 段和功率加速度阶段。在温度加速度阶段通过调节轧制速度来控制终轧温度，在 功率加速段通过控制第6 和第7 机架间冷却水的流量来控制终轧温度。从穿带一 直到带钢头部进入卷取机前，即温度加速度段，机架间冷却不投入使用，轧制速 来北大学硬士学位论文l 绪论 度就成为精轧温度控制中最活跃和最有效的因素。 东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室的张晓峰【9 j 等人在深入研究 宝钢终轧温度控制方法的基础上，针对终轧温度设定控制实时性非常强、不宣采 用形式上比较复杂的模型或比较复杂的算法的特点，结合人工智能原理，建立了 基于r b f 网络的终轧温度预测控制系统，充分利用砌玎网络逼近能力强的特点， 用它来替代以前的预测模型，取得了较好的控制效果。 1 3 机架间冷却过程浅析 冷却的冷媒主要有两大类，一类是沸腾冷媒，另一类是非沸腾冷媒。水是沸 腾型冷媒用水作冷媒具有价格便宜、用后处理容易、使用安全等优点，所以多 用水进行钢材的冷却。但是，在钢材的冷却温度范围内，水产生沸腾，钢材的表 面温度在4 0 0 6 0 0 以上时，钢材表面产生蒸汽膜，使传热系数降低。在3 0 0 - - - 4 0 0 以下时，钢材表面产生核沸腾，传热系数急剧增加，郎钢材在水冷过程中伴随着 复杂的沸腾现象。水的沸腾现象受水和钢材两方面条件的影响很大钢材的化学 成分、加热条件、轧后冷却条件等，对热轧钢材的表面性状有较大影响l l 。 机架f b j 喷水冷却属于强制冷却，传热形式示于图1 5 。在水流的下方和几倍水流 宽度的扩展区域内，传熟方式为单相强制对流，在这个区段( 区域i ) ，水流的冷 却效率很高，表面温度较低，不产生沸腾。在蒸汽滞止边沿线以外，接近平板的 水被加热，水流区自身的冷却效应已不存在，平板的表面温度增加，开始出现沸 腾，接着可能会形成比较窄的核状沸腾和过渡期沸腾的区域( 区域i 【) ，接着区域 i i 会出现薄膜沸腾强制对流区( 区域) 。在核状沸腾区和过渡区，气泡对传热具 有较大的影响，它加强了表面与冷却水之间的传热，在膜状沸腾区，由于蒸汽的 导热性能很差，因此，表面与冷却水之间的换热系数很小，在膜状沸腾区，带钢 除了以汽膜导热的形式被冷却之外，还以辐射的方式穿透汽膜向液体传递热量 i i j 。 求北大学硕士学位论支l 绪论 幽1 5 水流冲击静止平板时的传热形式 f i g1 5t r a n s f e rf o r m o f h e a tw h e nw a t e rs t r i k e ss t i l lf l a tp l a t e 在膜状沸腾区之外，冷却水会在表面聚集形成不连续的小液态聚集区( 区域 i v ) 。在小液态聚集区的下面，传热方式为对流和辐射，在表面没有水的地方，传 热主要是向环境的辐射热。小液态聚集区的水最终或者被汽化，或者从平板的边 缘处流下。在区域v ，传热方式为表面无水的平板与环境之间的辐射和对流。 如果图l ，5 中的平板向右运动，位于小液态聚集区液层下面的和薄膜沸腾区的 蒸汽层的厚度会减少，其原因是平板的运动加剧了蒸汽的流动。然而，如果平板 向左运动的速度足够大，蒸汽层的厚度会增加，其原因是蒸汽会因平板运动而被 拉向下落水流。当然，因为冲击水流在表面上被分开，所以在运动的带材或平板 上，上述两种现象会同时出现。 当表面温度较高时，通过蒸汽薄膜的辐射很显著。分别考虑完全浸在液体中 的竖直等温平板自然对流时薄膜沸腾中的蒸汽作为辐射参与性气体和非辐射参与 性气体的情况。能量传输方程中的平流传输项可被忽略，因为与通过蒸汽层的辐 射相比它们非常小。在非辐射参与性情况下，平板和蒸汽液体间的界面被认为是 漫次平行表面，在辐射参与性情况下，认为能量方程中蒸汽的辐射项按光学薄层 蒸汽处理。 尽管机架间冷却时在冲击水流附近处的单相强制对流具有较强的传热能力， 东北大学硕士学位论文 1 绪论 但薄膜沸腾区可扩展至在热轧带材上5 0 倍冲击水流宽度的范围内。因此，分析膜 状沸腾区的冷却规律十分重要，研究表明，膜状沸腾时表面自q 运动对传热的影响 十分显著，当冷却液的温度较低时亦是如此，。过冷度的效应很重要，它取决于普 朗特准数和平板速度，在表面高速运动时，如果表面的温度不是非常高，则辐射 换热量较少甚至可以忽略。当表面沿着冷却液的反方向以较低的速度运动时，由 于蒸汽层厚度增加，辐射换热的效应较为显著，较大的表面速度可以改变蒸汽流 动的方向，并且可能从部分液化区带走蒸汽，