（材料加工工程专业论文）薄板坯轧制气车大梁钢的控制冷却工艺研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i m i i i i i i i l u l i i i l l i i i i i l l l l i l l l l i l l l i i i i y 2 15 8 3 3 1 s t u d y o nc o n t r o l l e dc o o l i n g t e c h n o l o g y o f t h i ns l a br o l l i n ga u t o m o b i l eb e a ms t e e l b y z h o um a n c h u n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l i ux i a n g h u a p r o f e s s o rl i uz h a n y i n g n o r t e a s t e r nu n i v e r s i t y o c t e m b e r2 0 0 8 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。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日飙研 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 一年口一年半口 学雠文作者虢2 勺c 荔丢 签字日期：7 1 7 芗严 两年 导师签名： 签字日期： 矿咱、i 东北大学博士学位论文 摘要 摘要 高强度级别的钢板用于汽车制造是发展方向，采用高强度汽车大梁钢可以降低汽 车的自重，屈服强度在5 0 0 m p a 以上级别的钢板成为重型汽车大梁用钢板的主流。本 文为实现使用薄板坯生产高性能汽车大梁钢，对层流冷却的工艺与控制进行了模拟研 究，通过计算机模拟层流冷却过程，优化了层流冷却工艺参数，提高了卷取温度的 控制精度。根据模拟的工艺参数在实验室进行了轧制及冷却实验。通过试验，得 到相应工艺下汽车大梁钢的组织及性能，进一步分析了工艺参数对组织性能的影 响规律。同时利用有限元方法，对薄板坯连铸连轧生产线汽车大梁钢轧制过程的温 度场进行了模拟，得出了薄板坯轧制过程温度场。为薄板坯连铸连轧汽车大梁钢生产 工艺设计、改进和具体生产操作提供依据。 1 在充分了解薄板坯连铸连轧生产线层流冷却控制的形式、特点及控制方法的 基础上，采用v b 语言编制了层流冷却模拟软件，利用该软件可以在改变带钢的轧制 速度、厚度及冷却方式等工艺参数的情况下，自动确定带钢层流冷却时集管的开启总 数及开启位置，输出卷取温度及冷却温降曲线等。 2 在详细了解汽车大梁钢生产、应用及发展的前提下，对典型品种、规格汽车 大梁钢t 5 1 0 l 的层流冷却过程进行模拟，通过与现场实际数据的比较，模拟控制精度 高，为准确控制卷取温度提供了依据。采用前段冷却方式，终轧温度在8 5 0 1 0 时， 卷取温度控制精度为6 0 0 1 0 。能得到屈服强度为4 3 5 m p a ，抗拉强度为5 4 0 m p a ， 延伸率为3 0 的强度高、韧性好的低碳汽车大梁钢。 3 根据前述的模拟结果，在实验室中采用不同的轧制工艺及冷却策略，来验证 模拟结果所得到的显微组织及力学性能，从而确定薄板坯轧制汽车大梁钢冷却策略、 轧制工艺与组织性能的关系；研究了终轧温度、卷取温度、冷却速度及冷却方式对 组织性能的影响规律。 4 利用a n s y s 有限元模拟软件，对使用薄板坯生产汽车大梁钢轧制过程的温度 场进行了模拟，得到了薄板坯轧制过程中板带温度的变化规律，终轧后带钢边部比中 部温度约低4 0 ，为轧制过程板型控制和轧后控冷提供了准确的温度数据。 5 根据上述模拟和试验成果，2 0 0 6 年6 月9 日在唐山钢铁有限公司1 8 1 0 m m 薄板 坯连铸连轧生产线上进行了试生产，利用8 5 m m 连铸薄板坯，共生产2 5 0 0 n 屯汽车大梁 钢，产品性能稳定，满足用户使用要求。 东北大学博士学位论文 摘要 通过对连铸薄板坯轧制汽车大梁钢控制冷却的模拟研究与试验，得到的控制冷却 方式和参数用于生产实际，并对产品进行了组织性能分析。为准确控制卷取温度，提 高汽车大梁钢的一i l t _ 厶匕i = j 匕，优化了工艺控制参数，在实际生产中应用效果良好，2 0 0 6 年至 2 0 0 7 年共计生产汽车大梁钢4 5 6 万吨，产品性能稳定，满足使用要求。 关键词：薄板坯，连铸连轧，层流冷却，汽车大梁钢，f e m 模拟，温度场 东北大学博士学位论文 a b s 仃a c t a b s t r a c t w i t ht h em a n u f a c t u r ed e v e l o p m e n to f h e a v yv e h i c l e s ，t h ee x i s t i n gs t r e n g t h s t r i ph a v e b e e nu n a b l em e e tt h en e e d o f c a r s u s i n gh i g h i n t e n s i t yb e a mc a nr e d u c es e l f - w e i g h to ft h e a u t o m o t i v ev e h i c l e s ，t h ea u t o m o b i l eb e a ms t e e lw i t hy i e l ds t r e n g t ha b o v e5 0 0 m p ah a s b e c o m em a i n s t r e a mf o rh e a v ya u t o m o b i l e i nt h i sp a p e r , t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f a u t o m o b i l es t e e lg i r d e r , t h em a i n l ys t u d i e sh a v eb e e nm a d e ：l a m i n a rc o o l i n gs y s t e mw i t h t h ep r o c e s sa n dc o n t r o l ，b a s e do nt h es i m u l a t i o no fl a m i n a rc o o l i n gs c e n ei nc o m p u t e rt o d e v e l o p t h ec o n t r o l p a r a m e t e r o fb e n d i n g t e m p e r a t u r e ，g a i n t h e o r g a n i z a t i o n a n d p e r f o r m a n c eo fa u m o b i l eb e a ms t r i pi nh o m o l o g i s ep r o c e s sp e r f o r m a n c e ，m o r ea n a l y z et h e i n f l u e n c e r e g u l a t i o no ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e rt os t r u c t u r ep r o p e r t y t h r o u g hf i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i n gt ot h er o l l i n gp r o c e s so fa u t o m o b i l eb e a ms t r i pb ys h e e ts h e e tb a r , g e t t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep r o c e s s i tc a np r o v i d ed a t ar e f e r e n c ef o rp r o c e s sd e s i g na n d m o d i f yt h ep a r a m e t e r sf o rr o l l i n gs t e e la n dp r o d u c et h ep e r f e c tq u a l i t ys t e e lo fa u t o m o b i l e f r a m e s 1 w j t ht h ef u l l yu n d e r s t a n d i n go fl a m i n a rc o o l i n gc o n t r o lm o d e so fs h e e tb a r c o n t i n u e sc a s t i n ga n dr o l l i n gl i n e u s i n gv bl a n g u a g eo r g a n i z e dt h es i m u l a t i o nc o n t r o l s o f t w a r eo ft h eh o tr o l l e ds t r i pl a m i n a rc o o l i n g ，t h es o f t w a r ec a nb eu s e dt od e t e r m i n e a u t o m a t i c a l l yt h et o t a ln u m b e ro fo p e nm a n i f o l d sa n dt h eo p e np o s i t i o n si ns t r i pl a m i n a r c o o l i n g ，t od r e wt h ec u r v eo fc o i l i n gt e m p e r a t u r ea n dc o o l i n gt e m p e r a t u r ed r o pb y c h a n g i n gs t r i ps t e e l sr o l l i n gs p e e d ，a n dt h et h i c k n e s sa n dt h ec o o l i n gm o d ep a r a m e t e r s 2 b a s eu p o nt h eu n d e r i n go ft h e p r o d u c t i o n 、u t i l i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to f a u t o m o b i l eb e a ms t e e l ，s i m u l a t e dt h et y p i c a lg r a d ea n dt y p ea u t o m o b i l eb e a ms t e e lo f t 510 l ，c o m p a r i n gw i t ht h ea c t u a ld a t at h a ts i m u l a t e dt e m p e r a t u r eh a sh i g ha c c u r a c y , i tc a n p r o v i d et h er e f e r e n c ei na c c u r a t e l yc o n t r o ls t r i p sb e n d i n gt e m p e r a t u r e u s i n gf r o n tz o n e c o o l i n gm o d e ，w h e nf i n i s h i n gr o l l e dt e m p e r a t u r ei sa b o u t8 5 04 - 10 ，t h ec o n t r o la c c u r a c y o fb e n d i n gt e m p e r a t u r ei sa b o u t6 0 04 - 10 t h i sc o o l i n gm e t h o dw i l l g e tt h ey i e l d s t r e n g t ho f4 35m p aa n dt e n s i l es t r e n g t ho f5 4 0m p a ，e l o n g a t i o no f30 o ft h e h i g h i n t e n s i t y , a n dg o o dt o u g h n e s so fl o w c a r b o na u t o m o b i l eb e a ms t e e l ，w h i c hc a ns a t i s f y t h en e e d o fu s e r s i i i 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t 3 b a s ea b o v ea n a l o gr e s u l t ，u s ed i f f e r e n tr o l l i n gp r o c e s sa n dc o o l i n gm e t h o di n l a b o r a t o r yv e r i f yt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa n a l o gr e s u l t ，c o n f i r m t h er e l a t i o n s h i po fc o o l i n gm a t h o d 、r o l l i n gp r o c e s sa n dm i c r o s t r u c t u r e s r e s e a r c h e dt h e i n f l u e n c er u l ef r o mf i n i s hr o l l i n gt e m p e r a t u r e 、b e n d i n gt e m p e r a t u r ec o o l i n gs p e e da n d c o o l i n gm e t h o dt os t r u c t u r ep r o p e r t y 4 w ec a ng e tt h ed i s t r i b u t i o na n dc h a n g er e g u l a ro ft h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h et h i n s l a br o l l i n gb ys i m u l a t i n gd u r i n gt h ep r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n gi nt h e a u t o m o b i l ef l a m e ss t e e lr o l l i n gp r o d u c t i o nl i n eu s i n ga n s y ss o f t w a r e t h et e m p e r a t u r eo f s t r i ps i d el o wa b o u t4 0 t h a nm i d d l e ，p r o v i d et h ea c c u r a c yt e m p e r a t u r ed a t e f o r p r o f i l ec o n t r o lo fr o l l i n ga n dc o o l i n gc o n t r o l a f t e rr o l l e d 5 u s i n gt h er e s u l to fs i m u l a t ea n dt e s t ，w em a d et h ep r e p r o d u c t i o ni nt a n gs t e e l 1810 m mt h i nb a rc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n gp r o d u c t i o nl i o no nj u n e9o f2 0 0 6 t h e t h i c ko ft h es l a bi s8 5 m m ，p r o d u c t e d2 5 0 0t o n sa u t o m o b i l eb e a ms t r i p ，t h ep r o d u c t p e r f o r m a n c es t a b i l i z a t i o n ，m e e tt h en e e d o f c u s t o m e r t h i sa r t i c l ei sm a i n l yd i r e c t e da g a i n s tt h ec a ro fs t e e lg i r d e r so fas e r i e so fr e s e a r c h a n ds i m u l a t i o nt e s t s ，i no r d e rt oc o n t r o l l i n gb a t c h i n gt e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y ，i m p r o v et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n do p t i m i z et h ec o n t r o l l i n gp a r a m e t e ro ft h ep r o c e s s ，a n dh a sg e ta g o o de f f o r ti na c t u a lp r o d u c t i o n ，s t a b i l i t yp e r f o r m a n c e o fp r o d u c t i o n ，a n dm e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h eu s e 。t o t a lp r o d u c e da u t o m o b i l eb e a ms t r i p4 5 ，6 0 0t o n sa t 2 0 0 6a n d 2 0 0 7y e a r s ，t h ep r o d u c tp e r f o r m a n c es t a b i l i z a t i o n ，m e e tt h en e e do fc u s t o m e r k e yw o r d s ：t h i ns l a b ，c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n g ，l a m i n a rc o o l i n g ，a u t o m o b i l eb e a m s t e e l ，f e ms i m u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ef i e l d 东北大学博士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 1 绪论1 1 1 控制冷却技术1 1 1 1 控制冷却技术的发展过程1 1 1 2 层流冷却的工作原理及作用3 1 1 3 层流冷却系统的冷却策略5 1 2 板带层流冷却及卷取温度控制系统简介7 1 2 1 板带层流冷却系统简介7 1 2 2 卷取温度控制系统及控制难点8 1 2 3 卷取温度控制研究的意义9 1 2 4 唐钢薄板生产线层流冷却及卷取温度的控制过程1 0 1 3 汽车大梁钢生产的发展1 1 1 3 1 汽车大梁钢生产的发展1 1 1 3 2 对汽车大梁钢的性能要求1 2 1 3 3 汽车大梁钢的生产工艺流程1 3 1 4 汽车大梁钢温度场的模拟1 4 1 5 研究背景与研究内容，1 6 1 5 1 研究背景1 6 1 5 2 研究内容17 2 层流冷却设备及数学模型19 2 1 唐钢层流冷却系统简介1 9 2 1 1 唐钢层流冷却的布置1 9 2 1 2 层流冷却的其它主要技术参数2 0 东北大学博士学位论文 目录 2 2 层流冷却的数学模型2 1 2 2 。1 辐射换热2 1 2 2 2 对流换热2 3 2 2 3 热传导2 4 2 3 热轧带钢层流冷却数学模型的应用情况2 5 2 4 唐钢层流冷却过程控制数学模型2 6 2 4 1 空冷模型。一2 6 2 4 2 水冷模型2 7 2 4 3 带钢平均比热模型3 0 一 2 4 4 自学习模型一3 2 2 5 本章小结一3 4 3 层流冷却控制系统及模拟软件3 5 - 3 1 层流冷却控制目标及控制方法3 5 - 3 1 1 层流冷却控制的目标一3 5 - 3 1 2 板带层流冷却的控制方法一3 5 3 2 层流冷却系统的功能一3 6 3 2 1 计算准备功能的实现3 7 3 2 2 原始阀门设定计算功能的实现3 9 3 2 3 动态阀门模型建立- 4 0 3 2 4 反馈控制功能的实现4 1 3 2 5 学习计算功能的实现4 3 3 3 层流冷却模拟软件设计及功能介绍4 4 3 3 1 层流冷却过程模拟的意义4 4 3 3 2 层流冷却模拟系统的作用4 5 3 3 3 层流冷却过程模拟系统功能介绍4 5 3 4 模型的验证4 8 3 4 1 空冷回归系数的确定4 8 3 4 2 冷却段数的验证5 0 3 4 36 m m 厚汽车大梁钢温降曲线的模拟结果5 0 东北大学博士学位论文 目录 3 5 模拟结果分析5 3 3 5 1 冷却方式对带钢温度的影响5 3 3 5 2 带钢厚度、速度对冷却温度的影响5 4 3 6 本章小结5 6 4 汽车大梁钢实验室热轧实验5 7 4 1 实验目的5 7 4 2 实验过程5 7 4 2 1 实验设备5 7 4 2 2 实验材料5 7 4 2 3 实验方法5 9 4 3 试验结果6 0 4 3 1 实际冷却工艺参数6 1 - 4 - 3 2 组织观察及性能检测6 1 4 4 实验结果分析6 6 4 4 1 终轧温度对力学性能及组织的影响一6 6 4 4 2 卷取温度对力学性能及组织的影响6 9 4 4 3 冷却方式对力学性能及组织的影响7 2 4 5 本章小结。7 5 5 汽车大梁钢轧制过程的温度场模拟7 6 5 1 轧件的传热数学模型一7 6 5 1 1 传热分析7 6 5 1 。2 连铸坯轧制过程温度变化的数学模型7 7 5 2a n s y s 有限元模拟软件简介一8 8 5 。3 轧制过程温度场的模拟一8 9 5 3 1 有限元模拟步骤8 9 5 3 2 汽车大梁钢轧制过程温度场模拟9 0 5 4 模拟结果比较1 0 0 5 5 本章小结1 0 1 6 层流冷却模拟软件在生产中的应用1 0 3 v i i 东北大学博士学位论文 目录 6 1 唐钢热轧带钢的生产情况1 0 3 6 1 1 生产设备一1 0 3 - 6 1 2 工艺制度- 1 0 4 6 2 层流冷却模拟软件确定冷却制度一1 0 5 6 2 1 生产应用实例一10 5 6 2 2 生产中的数据统计及行业对比一1 0 8 6 2 3 高倍微观组织及夹杂物、析出物的分析一1 0 9 7 结论一11 4 一 参考文献一1 1 5 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 绪论 1 1 控制冷却技术 1 1 1 控制冷却技术的发展过程 随着国内近年来钢铁产能快速增长，钢铁市场的竞争越来越激烈，为了提高企业 竞争能力，满足用户使用要求，必须稳定、提高钢材的性能。轧后冷却是提高钢材性 能的重要生产环节，控制冷却技术在轧钢生产中获得了快速发展。 控制冷却技术在我国带钢生产中已得到了成功应用。例如，宝钢2 0 5 0 m m ( 德国引 进) 和1 5 8 0 m m ( 日本引进) 生产线上采用了层流冷却，设备运行稳定，卷取温度精度高； 武钢1 7 0 0 m m j ；l 机的层流冷却装置是上世纪8 0 年代从日本引进的，武钢将控制冷却模 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、梅山钢铁 集团公司得到推广【l 】；最近攀钢1 4 5 0 m m 热轧厂对原有的层流控制冷却系统进行了改 造，进一步提高了卷取温度的控制精度。 自上世纪6 0 年代层流冷却系统在工业上应用以来，控制冷却技术经过了4 0 多年 的发展，已经实现了自动控制和高效率冷却。目前热轧带钢采用的控制冷却方式主要 有高压喷嘴冷却、层流冷却、水幕冷却等方式【2 1 。各种冷却方式有其各自的优缺点和 适用范围，详见表1 1 t 引。 目前在热轧带钢生产中采用的冷却方式主要有柱状层流冷却、幕状层流冷却和喷 射冷却，如图1 1 所示。自2 0 世纪6 0 年代以来，所建的热轧带钢厂都采用低压大水 量的层流冷却，在输出辊道上设置层流冷却装置已成为热轧厂的重要组成部分【4 】。 为了满足带钢轧后的快速冷却要求，轧后的冷却装置，应具备以下特点【5 】： ( 1 ) 具有高的冷却能力以获得高的温降效果； ( 2 ) 控制冷却的范围要宽，以满足不同钢种、不同厚度带钢的不同冷却速度要 求： ( 3 ) 具有带钢厚度方向、宽度方向和长度方向上温度控制措施，确保各方向温 度均匀； ( 4 ) 高的冷却效率，即对一定规格的带钢，能用最少的冷却水达到要求的冷却 速度； ( 5 ) 具有对控制信号快速响应的冷却系统，以便在带钢进入冷却区之前调整水 东北大学博士学位论文第一章绪论 量，并能在线进行控制阀门的改变和调节，以提高阀门的响应时间； ( 6 ) 要求冷却装置必须保证大量重复操作中具有同样的冷却效果，以确保冷却 条件的稳定； ( 7 ) 冷却装置的内部和外部结构，应便于维护、操作、清除污垢； 实践证明，低压大水量的层流冷却系统的冷却效果比较好。层流冷却己成为当前 热连轧带钢生产线上的重要设备之一，它具有冷却能力强，可控性好，故障率低等优 尉6 i 。层流冷却系统对热连轧带钢的组织性能控制起到了非常重要的作用，在国内 外受到普遍的重视。 表1 1 几种冷却方式的特点 t a b l e1 1c o o l i n gm o d e l sa n dt h e i rf e a t u r e s 东北大学博士学位论文第一章绪论 集管层流 水幕喷射 图1 1 三种冷却装置及三种冷却方式在钢板上的分布状况图 f i g 1 1t h r e ek i n d so fc o o l i n gi n s t a l l a t i o na n dt h e i rd i s t r i b u t i o n so ns t e e ls h e e t 1 1 2 层流冷却的工作原理及作用 ( 1 ) 层流冷却的工作原理 目前热连轧带钢的温度控制大部分都采用层流冷却( l a m i n a rc o o l i n g ) 的方式，即 采用循环使用的低压大水量的冷却系统【8 1 。层流冷却的基本原理是高位水箱中的冷却 水，经集管和u 型管流向带钢，使带钢表面覆盖一层流动的冷却水。由于水压低冷却 水不反溅，并紧贴在带钢表面按一定方向流动，通过热交换使带钢冷却。冷却水以流 股状与带钢表面平稳接触，冷却水紧贴在带钢表面上平稳地向四周流动，扩大了冷却 水与带钢的有效接触【1 0 】。由于u 型管的数量多，排列又很密，带钢表面上的水层时刻 可以更新，并且沿输出辊道每隔一段距离设置一定数量的侧喷头，将滞留在带钢表面 上的水冲掉，使冷却水不断更新，从而带走大量的热来达到冷却目的，所以冷却效果 好【1 1 1 。实际经验表明，层流冷却形成柱状水流，具有较大的动能，能够冲破带钢表面 的蒸汽膜，在带钢表面形成并保持核沸腾状态，冷却能力可以达到1 3 9 6 1 7 4 5w m 2 k ， 而高压喷水的冷却能力为8 1 4 - , 9 3 0 w m 2 k ，可见层流冷却的冷却效率要比高压喷水方 式提高约3 0 5 0 t 1 2 】。典型的层流冷却系统结构如图1 2 所示，可以分为粗调区和微 调区。 3 东北大学博士学位论文第一章绪论 亡f 测温仪o 侧喷嘴 卷取机 图1 2 层流冷却系统示意图 f i g 1 2s k e t c ho fl a m i n a rc o o l i n gs y s t e m ( 2 ) 层流冷却区的作用及要求 1 1 粗调区的作用及要求 层流冷却粗调区是对带钢进行强制冷却的主要区域，位于层流冷却区的前部【1 2 】。 带钢头部进入粗调区后，冷却区内上下喷咀系统根据预先设定的冷却段数，同时以低 压大水量的形式向带钢表面喷水，按规定的冷却速率使带钢表面温度产生速降。为了 保证带钢上下表面冷却的均匀性，下喷咀系统的水压和水量应略大于上喷咀系统，避 免带钢表面产生弯曲变形。对层流冷却区的要求是冷却能力要强，冷却速率要高。图 1 3 是材质为s p h d ，板厚1 4 r a m 的板带钢在层流冷却区内的冷却曲线图。从图中可 以看出，带钢表面温度的下降主要发生在粗调区的前部。 9 1 3 0 8 叩 7 0 0 6 - _ - l 乞 - 图1 3 带钢冷却曲线图 f i g 1 3c u r v e so fs t r i pc o o l i n g 4 5 5 t 6 距离，i l l 东北大学博士学位论文第一章绪论 2 、) 微调区的作用及要求 微调区位于层流冷却区的后部，当带钢经过粗调区的强制冷却到达微调区时，带 钢表面温度已接近于目标卷取温度。因此，微调区的主要作用就是根据实测卷取温度 与目标卷取温度的误差，来反馈调节微调区的冷却段数，达到对带钢卷取温度进行“微 调 的目的，确保带钢卷取温度始终处于允许的误差范围之内。对微调区主要的要求 是可控性强，调节速度快1 1 3 】。 1 1 3 层流冷却系统的冷却策略 板带层流冷却控制系统是整个热轧生产线上的一个生产环节。板带离开精轧机， 经过层流冷却系统后达到目标卷取温度的要求，层流冷却系统控制模型的实施，必须 满足精轧速度的要求，在各生产环节协调的基础上进行【9 1 。 由于轧制速度的变化，导致板带在输出辊道上的运动是一个变速的过程，为了在 实际复杂工况条件下准确控制板带各点的卷取温度，必须解决动态设定计算、动态跟 踪和动态控制的问题。所以模型控制采用分段控制、进行速度跟踪、确定加速因子、 对滞后进行补偿【l o l 。为满足不同规格、不同钢种和不同性能要求的产品对于卷取温度 和冷却速度的要求，层流冷却系统具有如下冷却策略：前段主冷模式、后段主冷模式 和稀疏冷却模式( 按组稀疏模式和按集水管稀疏模式) 。冷却策略可以在生产计划中 用代码给出，以便层流冷却模型识别【3 】。 ( 1 ) 前段主冷模式 当带钢需要在温度较高的情况下进行快速冷却时，采用这种冷却模式。该冷却模 式是将层流冷却区的入口侧的集管阀门依次打开，快速冷却区集中在层冷区前部。采 用该冷却模式时，是以第一冷却段的第一根集水管作为起始，根据层流冷却模型计算 得出所需冷却段的长度，来确定打开集水管阀门的组数。沿轧制方向依次将所需的阀 门打开，实现前段主冷，见图1 4 所示。 钢。 v 励网励g t a 励厂 网v 图1 4 前段主冷模式 f i g 1 4f o r e p a r tc o o l i n gm o d e 前段主冷模式主要对应于显微组织以铁素体和珠光体为主的普碳钢和优质合金 一5 一 东北大学博士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 后段主冷模式 当带钢需要在温度较低的情况下进行快速冷却时，采用这种冷却模式。该冷却模 式是将层流冷却区出口侧的集管阀门依次打开，快速冷却区集中在层冷区后部。采用 该冷却模式时，控制系统将冷却段的最后一段的最后一个集水管作为起始阀门。由该 起始阀门开始，根据层流冷却模型算出的所需冷却段的长度，来确定打开阀门的组数， 沿与轧制方向相反的方向依次将所需的阀门打开，实现后段主冷，见图1 5 所示。 v 厂 厂 呖嘲黝网励v 图1 5 后段主冷模式 f i g 1 5b a c k p a r tc o o l i n gm o d e ( 3 ) 稀疏冷却模式 当带钢在不同的冷却温度段需要不同的冷却强度时，采用按组水冷和按组空冷的 交替冷却模式，来确定层流冷却主冷区的集管阀门开关顺序，见图1 6 所示。采用该 冷却模式时，选择某段集管的第一根喷管作为起始阀门，由起始阀门开始，根据层流 冷却模型算出所需的冷却长度，来确定打开阀门的组数，沿与轧制方向依次将所需的 阀门打开。具体执行又分为二种，分组方法如下。 1 ) 4 个集管组为一个控制子区，其中一组集管7 根喷管全开，相邻另一组7 根喷管 全闭。根据层流冷却模型算出的所需冷却长度，来确定所需的控制子区数，其中最后 一个子区的开启阀门，需要根据温降要求来确定。 2 12 个集管组为一个控制子区，其中一组集管7 根喷管全开，另二组1 4 根喷管全闭。 根据层流冷却模型算出所需的冷却长度，来确定所需的控制子区数，其中最后一个子 区的开起阀门，需要根据温降要求来确定。 v 励广 g z - a 广 网厂 励v i i 九芴【丁= 弋劾【丁= = _ 匠r b 图1 6 按组稀疏冷却模式 f i g 1 6g r o u pc o o l i n gm o d e 当产品需要较均匀的冷却强度时，采用按单根集管冷却模式，见图1 7 所示。此 时按照水量均匀的原则，确定层流冷却主冷区的集管阀门开关顺序，精调区的冷却策 略不变。采用此种冷却模式时，选择某组集管的第一个集水管的阀门作为起始，由起 6 东北大学博士学位论文第一章绪论 始阀门开始，根据层流冷却模型算出所需冷却长度，来确定打开阀门的组数，沿与轧 制方向依次将所需的阀门打开。具体执行又分为2 种，分组方法如下： 1 ) 4 i 。集管组为一个控制子区，其中一组集管为全开，另一组集管为闭。根据层 流冷却模型算出的所需冷却长度，来确定所需的控制子区数。 2 ) 2 个集管组为一个控制子区，其中一根集管为全开，另2 根集管为闭。根据层流 冷却模型算出的所需冷却长度，来确定所需的控制子区数。 vn n m 几 n 广 网v 图1 7 按管稀疏冷却模式 f i g 1 7p i p ec o o l i n gm o d e 1 2 板带层流冷却及卷取温度控制系统简介 1 2 1 板带层流冷却系统简介 层流冷却工艺是上世纪6 0 年代初形成的旨在提高板带性能的新工艺，并首先在 带钢生产中得到实现。板带轧后的层流冷却工艺是在精轧机与卷取机之间增加一段冷 却装置，将板带从终轧后的温度冷却到相变后的卷取温度。层流冷却技术，不但能大 大缩短钢板的冷却时间，大幅度提高产量。而且更重要的是它能通过控制冷却速度和 温度，得到要求的组织和性能。控制组织性能，提高钢材的强韧性，同时降低钢板的 不平整度和残余应力，提高钢材的质量，满足使用的更高要求。层流冷却控制的主要 任务是控制冷却喷水阀门，将带钢冷却到要求的卷取温度。卷取温度对带钢的性能有 很大的影响，因此，卷取温度必须控制在一定的目标偏差范围内。 热连轧带钢轧机轧后控制冷却方式主要采用管层流冷却，而且下部水量均大于上 表面的冷却水量，以保证上下表面冷却均匀【1 4 1 。 在热轧带钢的轧后温度控制中，除控制卷取温度外，冷却速度也要准确控制。尤 其是较厚的带钢，冷却速度过大，将使表面和中心的温差加大。如果带钢表面与中心 温差太大，也会影响到性能，为此使用稀疏冷却模式进行冷却。考虑到只有在温度低 于某一特定的温度( 临界温度) 后带钢会因冷却速率太快出现硬质组织，因此为了充 分利用冷却设备的能力，一般先采用密集喷水的方式将带钢冷却到临界温度，然后采 用稀疏喷水的方法将其冷却到卷取温度。 东北大学博士学位论文第一章绪论 1 2 2 卷取温度控制系统及控制难点 卷取温度控制系统应具备以下功能【l5 j ： ( 1 ) 卷取温度初始设定功能。根据钢材组织和性能要求，确定冷却制度和带钢 温度分布制度。根据带钢厚度、轧制速度和预测的终轧温度进行带钢冷却的初始设定。 ( 2 ) 卷取温度在线控制功能。根据实测的各段带钢厚度、速度和温度进行在线 动态控制和补偿。 ( 3 ) 卷取温度控制自学习功能。以实测卷取温度与目标卷取温度的偏差为依据， 对控制参数在线修正，提高对环境变化的自适应能力，从而提高控制精度。 ( 4 ) 数据采集和处理功能。通过数据处理，不断积累经验，建立专家知识库。 目前，热轧板带层流冷却控制系统基本上采用分布式计算机控制系统( d c s ) ，一 般分为基础自动化( b a c ) 和生产过程自动化( p a c ) 两层控制级，如图1 8 所示。 过程控制 l 初始数据输入2 跟踪3 控制量的设定4 基于模型的控制量棱正 5 数据的采集和处理6 人机界