（材料加工工程专业论文）热连轧中间辊道保温工艺模拟分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 捅要 随着计算机技术及轧制理论的迅速发展，计算机在轧钢工业中得到了广泛的应用。对 轧制过程进行模拟与仿真，求解轧制过程中的各种变量分布，并对得到的结果进行综合研 究，建立并且不断改进轧制过程的数学模型，以提高理论解析精度、提高板带的工艺控制 和产品的最终质量。 热连轧带坯在中间辊道输送过程中，温度迅速下降。减小中间辊道的输送长度、提高 带坯的输送速度及在中间辊道上加装保温装置等，都是减少带坯热量散失及带坯头尾温差 的有效措施。 本论文针对武钢热轧厂热连轧中间辊道保温工艺进行研究。对保温罩使用过程中 工艺控制及对精轧轧制工艺影响进行了分析。通过对热连轧生产线现场实测数据进行统 计、归类及整理，分析了带坯在中间辊道上温降的主要原因；根据现场的实际情况，用有 限差分的方法建立了使用保温罩和不使用保温罩带坯在中间辊道上温降的数学模型，带坯 的断面温度分布模型；建立了精轧机组轧制压力、轧制力矩、轧制功率计算模型；用v b 语言编写了模拟分析软件，该软件系统具有良好的操作界面和较高的灵活性，能把重要工 艺参数数据及时显示出来；利用模拟软件对中间辊道保温工艺对轧件温度、精轧力能参数 的影响进行了模拟分析。 研究表明，对中间辊道保温工艺的控制，能节能降耗、减小轧件的温降、影响精轧力 能参数，为轧制线温度调控创造条件。研究结果为实际生产工艺控制提供了依据。 关键词：中间辊道；保温罩；数学模型；模拟分析 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p u t e ri sa p p l i e db r o a d l yi nt h ef i e l do fs t e e lr o l l i n gi n d u s t r y , a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dr o l l i n gt h e o r i e s f o rt h ea i mo fc r e a t i n ga n di m p r o v i n gt h e m a t h e m a t i cm o d e li nt h er o l l i n gp r o c e s s ，a d v a n c et h ea c a d e m i cl e v e l ，a n da l s of o rt h eu l t i m a t e q u a l i t ya n dt h es h a p ec o n t r o lo ft h ep l a t e ，t h i sp a p e rv i at h ec o u r o fs i m u l a t i o no ft h er o l l i n g p r o c e s s ，f e t c ho u tt h ed i s t r i b u t i o no ft h ev a r i o u sv a i l a b l ed u r i n gt h er o i l i n gp r o c e s s ，a n dd ot h e g e n e r a la n a l y s e st ot h er e s u l t t h ep l a t et e m p e r a t u r ed r o pf a s td u r i n gt h ei n t e r m e d i a t em i l e rt a b l e r e d u c t i o nt h el e n g t ho f t h er o l l e rt a b l e ，i n c r e a s et h es p e e do ft h ep l a t ea n di n s t a l lh e a tp r e s e r v a t i o ne n v e ro nt h e i n t e r m e d i a t er o l l e rt a b l ea n ds oo na r ee f f e c t i v e n e s sm e t h o d si nt h er e d u c t i o no fh e a td i s s i p a t e a n dh e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h eh e a d - t a i lo f t h ep l a t e t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h eh e a tp r e s e r v a t i o ni nt h eh o tr o l l i n gp r o c e s s w u h a ni r o n & s t e e l c o m p a n y a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c et h a tt h ef i n i s h i n gr o l l i n gu n d e rt h ec o n t r o lo ft h et e c h n o l o g y a n dt h ec h i e fc a n s eo ft h et e m p e r a t u r ed r o pi nt h ei n t e r m e d i a t em i l e rt a b l e ，t h r o u g hn u m e r i c a l s t a t e m e n t , s u b s u m p t i o n , a r r a n g e m e n to ft h e a c t u a lm e a s u r e dd a t aw h i c hg o ti nt h eh o t c o n t i n u o u sr o l l i n gp r o d u c t i o nf i e l di nt h eu s eo ft h eh e a tp r e s e r v a t i o nc o v e r a c c o r d i n gt ot h e p r o d u c tc o n d i t i o n , w ec r e a t i n gt h et e m p e r a t u r ed r o pm a t h e m a t i cm o d e lo ft h ep l a t ew h e ni to n t h ei n t e r m e d i a t et a b l ea n dc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ec r o s ss e c t i o na su s ef i n i t e d i f f e r e n c e w ea l s oc r e a t i n gr o l l i n gp r e s s u r e 、r o l l i n gt o r q u ea n dr o l l i n gc a p a c i t ym a t h e m a t i c m o d e l t h es i m u l a t i o ns y s t e mw h i c hw a sw r i t t e ni nv bp r o g r a m m i n gl a n g u a g eh a sag o o d o p e r a t i n gi n t e r f a c ea n dh i g ha g i l i t y , i tc a ng a t h e ri m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n ds h o wt h e m i nt i m e a r 盯a 1 1 w es i m u l a t ea n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h et e c h n o l o g yt h a tt h ei n t e r m e d i a t e m i l e rt a b l ew i t hh e a tp r e s e r v a t i o nt ot h et e m p e r a t u r eo ft h es l a ba n dt h ep a r a m e t e r si nt h e f i n i s h i n gr o l l i n g t h er e s e a r c hs h o wt h a ta c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lo ft h eh e a tp r e s e r v a t i o ni nt h ei n t e r m e d i a t e r o l l e rt a b l ec a ns a v et h ee n e r g y , d e c r e a s et h et e m p e r a t u r ed r o po ft h es l a b ，i n f l u e n c et h e i m p o r t a n tp a r a m e t e r so f t h ef i n i s h i n gr o l l i n ga n da l s om a k ec o n d i t i o n st oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e o f t h er o l l i n gt a b l e t h er e s u l tp r o v i d er e f e r e n c ea n dg u i d a n c et op r o c e s s c o n t r o l l i n gi ni n d u s t r y k e y w o r d s ：i n t e r m e d i a t et a b l e ；i n s u l a t i o nc o v e r ：m a t h e m a t i c a lm o d e l ：s i m u l a t ea n da n a l y z e 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章前言 1 1 课题来源 “热轧保温工艺制度的研究与优化”课题是结合武钢热轧厂的实际生产情况需要拟定 的科研课题。q 2 3 5 、q 3 4 5 、s a e l 0 0 8 等钢在不同的保温工艺下的温度变化、压力变化、扭 矩变化的数学模型的研究是该课题的主要研究的内容之一。研究工作主要包括现场实测数 据收集和工艺控制分析、实验室实验、数学模型研究、预报模拟软件开发。 i 2 课题目的和意义 钢铁行业作为人类社会文明的基础材料，对人类进步和经济的发展起着不可取代的作 用，而人类对科学的探索反过来又促进了钢铁行业的不断进步。然而随着全球化浪潮的 兴起，任何一个国家和钢铁公司都必须面对日益激烈的市场竞争；另一方面人类的发展无 形中又增加了地球的危机，特别是钢铁材料生产过程中能耗消耗高，环境负荷重。这促使 冶金工作者在利用现有的科技知识基础上，通过结构调整和新技术的开发及应用来达到优 质、高产和低耗的目的嘲。 温度是热连轧生产过程中几个最重要的工艺参数之一，由于温度直接影响到热连轧轧 制力，因此准确预报各道次，特别是精轧机组各机架的轧制温度是保证厚度、板形及宽度 数学命中率的关键。因而轧制线上温降模型是热连轧的一个关键模型。带钢全长上的温度 分布的均匀性将直接影响产品的厚度、板形和宽度的均匀性，控制温度使其在带钢全长上 的均匀，特别是黑头、黑尾及中间水印的消除将大为改善a c , c 、a s c 、a w c 的控制效果嘲脚脚嗍。 长期以来，带钢生产都是依靠经验来使用中间保温罩的。从生产实践的成败中摸索而 得到的经验，无疑是非常宝贵和比较可靠的。但其适用范围有局限性，因为涉及到轧制力 的任一因素诸如轧机设备、零件强度、弹性变形、磨损、塑性变形，机械参数的估算及所 轧带钢的性能等变化都将影响规程的制订吲。虽然采用经验法所确定的轧制温度制度能够 满足生产要求，但不一定是最好的，我们不能以能够生产出产品为最终目的，而是要以最 好的生产工艺，优质、高产、低能耗地进行生产，这样才能使产品有更强的竞争能力。要 确定最优的温度制度，按通常的经验法来制定要达到该目的是比较困难的。因此，温度制 度的制订应该将生产中的实际经验总结提高到理论高度，使之具有普遍的指导意义脚嘲“o 】。 要研究中间辊道保温制度对温度的影响，以及温度对热轧工艺的影响，热轧工艺对最 后组织和性能的影响需要大量的计算工作，繁重的计算若由人工来完成不仅工作量大，而 且是难以实现和完成的，随着计算机技术进入工程设计领域后，采用数学编程正逐步发展 成一种设计方法叫。由于计算机的运算速度和能力是人工计算所无法比拟。这就可将大量 繁重的计算工作由计算机来完成，而建立计算模型等智能型工作由设计者来完成。这样才 能在众多的设计模型中选择最优模型，以达到最佳的效果 1 2 o 温度控制在轧钢生产中的应用，已经引起轧钢工作者的关注，在国内外有关资料中有 许多报道。在轧钢生产中，较好的控制温度已取得了明显的经济效益和社会效益。随着计 算机技术的普及和推广，更好的控制温度制度在轧钢生产中应用前景会更加广阔，而这些 对于实现* l n 过程优质、高产、低能耗有着十分重要的意义“”“”。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 研究现状 1 3 1 国外研究现状 在美国，以v l a d i m rb g i z b u r g 教授为首的研究群体，对热带生产中粗轧机和精轧机 组之间的热量保护进行了研究，已经建立了热轧钢材温度控制和工艺参数之间的数学模 型，可根据最后的成品厚度确定带钢在中间各个环节的温度和轧机的力能参数，或按组织 和性能要求优化控轧控冷工艺制度“”。 为了节能及减小轧件温降，目前，在热连轧生产中间辊道上出现了一些节能保温措施， 其中具有代表性的有1 9 8 0 年3 月第一台生产用热卷箱在澳大利亚b h p 公司西港厂的新宽 带热轧带钢厂投入运行。主要设备有1 台可逆式粗轧机、短距离延迟辊道、热卷箱及5 机 架精轧机组为提高生产能力和改善带钢产品质量，1 9 8 0 年加锕联对希尔顿1 4 2 0 皿n 宽带 钢轧机的热卷箱进行改造，之后，又有4 台热卷箱投人运行，3 台在欧洲，l 台在北美洲。 1 9 8 3 年加铜联依利湖2 0 5 0 m 热连轧机投入生产运行“”。国斯姆斯公司制造了一台可逆式 炉卷轧机，用它轧制不锈钢具有很好的经济效益。轧机的设计生产能力为6 0 万吨年， 约一半是特殊钢。带钢的宽度为8 0 0 1 6 0 0 毫米，厚度为2 8 毫米( 碳钢为2 1 6 毫米) ； e n c o p a n e l s 保温罩是由与保温罩盖相铰接的液压缸来调节保温效果的。此液压缸可使悬挂 的分段保温罩离开输送辊道因为特殊钢的加热和精轧温度是千变万化的通过调整分段保 温罩开闭的数量精轧机入口温度可控制在6 0 的范围内。针对这些保温技术，开展了粗 轧和精轧之间的热量保护、温度控制和最终组织的关系等研究“”。 英国谢菲尔大学的c m 塞拉斯及其同事是预报板带热轧过程温度及其他重要参数对 精轧过程和显微组织演变建模的研究人员，他首先提出了量化热轧钢材中的温度场和冶金 学现象的思想，他研究的模型已经用于低碳c - m n 钢的温度和组织预报，并成功预报了温 度对精轧及最后晶粒组织变化的影响“”。随后，日本钢铁、川畸钢铁、法国的i r s i d 和加 拿大大不列颠哥伦比亚大学等也进行了相应的研究。早期的研究集中在c 一蜘钢热轧薄板 生产上，但现在已扩展到合金钢及其它一些钢种上。 英国、加拿大，澳大利亚和前苏联等国家亦开展了这方面的研究，模型或模型参数都 是经验或半经验的，应用时都是随具体的轧制条件不同而不同“”。 国外的研究报道都略去了具体的数学模型或其中的主要参数，因此不可能直接应用他 们的成果。另一方面，在现阶段，大部分的数学模型要根据生产线的具体工艺情况校正数 学模型或模型中的参数。 在模拟工作方面，奥钢联开发了名为v a i q 的热轧模拟软件，可以在线预测精轧过程 的各个指标。该系统是在格拉茨大学b u c h m a y r 博士研究小组进行的相关研究基础之上， 由奥钢联工程技术公司( v a i ) 作开发的在线控制系统。这套系统采用物理冶金模型代替统 计的方法，因为只有物理冶金模型才具备预测多种钢种性能的灵活性啪“1 。 1 3 2 国内研究现状 目前，国内在这方面的研究正逐渐成为热点。我国相继开展了“控制轧制、控制冷却” 重点技术攻关，开发了热轧新工艺，并积累了大量有关组织和工艺参数的数据。在这以后， 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 以东北大学的王国栋、刘东升、刘相华和北京科技大学的杨王弱等为代表，广大研究人员 逐渐对组织和性能、化学成分与性能、性能与某单一工艺参数，如轧制温度、变形量或冷 却速度之间的关系进行了研究和总结。北京钢铁研究总院采用神经网络等方法开展了模拟 工作，并得到了宝钢、鞍钢、珠钢等的大力配合，工作正在进行之中。现这些工作为以后 综合开展组织和性能预报及控制打下了良好的基础。但是尚未系统开展热轧钢材组织和性 能预报及控制专家系统的研究和开发工作啪儿船1 。 中科院金属研究所在国家9 7 3 项目支持下，开展了温度、组织性能预报工作，结合工 艺和物理冶金模型，开发了模拟软件r o l l a n ，现已在鞍钢1 7 8 0 线上使用，离线预报误差 可以满足免检( 或抽检) 的需要，为提高轧钢控制水平，优化工艺参数起到了非常重要的 作用。同时，国内相关院校如重庆大学、东北大学、北京科技大学、武汉科技大学等在计 算机模拟在线各种性能预报上做了大量的工作咖。 对于热连轧生产中间辊道节能保温措施，安阳钢铁、昆明钢铁、包头钢铁、南京钢铁 等采用的是炉卷轧机；攀钢采用的是热卷箱；宝钢1 5 8 0 m m ，武钢2 2 5 0 眦热轧厂、鞍钢的 2 1 5 0 m n f l s p 连铸连轧均在中问辊道上加装了保温罩。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章带钢热连轧过程温度计算 2 1 传热学的理论3 嘲0 1 1 嘲 传热学是研究具有不同温度的物体间或物体内不同温度的部分之间热量传递的规律。 对于热连轧来说所研究的是轧件，即板坯、带坯或带钢的温度变化。在加热，辊道上运送 及轧制时存在两种传热过程：一是轧件内部的导热，即当轧件表面与中心温度存在差异时 热量在轧件内的传递，在加热炉中加热时，中心温度低于表面，热量从表面向中心传递， 而在轧制线上由于周围介质温度低，因此轧件表面温度一般低于中心，热量由中心向表面 传递。二是轧件表面与周围介质问的热交换，存在三种不同的传热( 表面热交换) 方式，即 辐射、对流和热传导。在传热过程中一般同时存在这几种方式。 辐射( 热辐射) 是依靠物体表面发射电磁波来传送热量，因此无论在真空，或者周围介 质是空气以及冷却水时都存在热辐射，并且任何物体除了向四周发射电磁波还将同时接受 别的物体发射的电磁波。热辐射是轧件在辊道上运送时的主要热交换方式。 对流是依靠流体的运动传递热量。当流体( 空气、水) 与轧件表面接触时同时存在热传 导和流体的对流传热。工程上称这种复合过程为“对流换热”，在轧制线上存在自然对流 和强制对流两种形式，自然对流是当空气与高温轧件表面接触后由于升温而膨胀、上升， 而冷空气下降与轧件接触。如此循环将热量传走。强制对流指高压水除鳞，机架间喷水以 及精轧后的层流冷却，通过大量淋水将轧件表面热量传走。 接触热传导是当轧件与轧辊接触时，由物体内部分子或原子直接交换热量，实现从高 温向低温处转移热量的过程。 热连轧轧制过程数学模型中，轧件的温降模型是主要模型之一，即轧件在辊道运送、 轧制中及轧后冷却过程中轧件产生温降的准确预报是轧制力能参数计算、工艺控制及组织 性能预报的前提条件。 对于热连轧来说强制对流及热辐射是造成轧件温降的主要表面热交换方式。 对于厚度较大的板坯、带坯以及厚规格带钢，内部存在较大的温差( 表面温度与中心 温度) ，因此内部热传导应加以考虑。 2 1 1 辐射换热“1 辐射是由于物体本身温度导致产生电磁波，其波长范围由0 1 芦m 到1 0 0 0 j m ( 包括了 紫外线、可见光和红外线三个波段，主要是红外线) 。 辐射过程伴随着能量的转换，热能辐射能一热能。辐射能的传播以光速进行，不需 要借助中间介质，更不需要相互接触，热射线射到物体后，其辐射能部分被物体吸收，变 为热能。任何物体不论其温度高低，都在不断地向外辐射能量( 只有绝对温度零度即一2 7 3 时，才不放射能量) ，同时又不断地部分吸收外界投射来的辐射能。根据得到的热量和 失去热量的多少而决定是被加热还是被冷却。带钢的辐射温降，主要存在于钢坯、带坯及 带钢的输送过程，高温轧件在空气中逗留时将不断通过辐射方式散出热量造成温降( 此时 实际上同时存在空气自然对流，但其产生的结果和辐射相比、只为后者的5 7 。因此 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 一般将其归于辐射温降通过实验确定的当量辐射率) 。 ( 单位面积和单位时间内的) 和温度的四次方成正比： e = 盯( 甜t ( w 脚2 ) 大量实践结果证明，辐射能量 公式( 2 1 ) 式中：盯绝对黑体的辐射系数，又称斯蒂芬一玻尔兹曼常数，u = 5 6 9 w m 2 k 4 ； g 实际物体的黑度，又称为辐射率( s 1 ) ，当表面氧化铁皮较多时为0 8 ，刚 轧出的平滑表面为0 5 5 o 6 5 ，需根据实验来确定； r 物体绝对温度，t = t + 2 7 3 ，( k ) 。 2 1 2 对流换热 对流换热是物体表面热交换的另一种主要形式。此种热交换的强度不但和物体传热特 性有关，而且更主要是决定于介质液体的物理性质和运动特性。在此种热交换过程中，一 般常伴随着流体集态的改变( 产生气泡、汽膜) 。因此，热交换过程是极其复杂的。为便于 计算，常采用下列简单形式的计算公式： 坦= 口( f 一) f d r 公式( 2 2 ) 式中，热交换面积，( m 2 ) ；f 熟交换时间，( s ) ；f 物体温度，( ) ； 介质温度，( ) ；口强迫对流传热系数，( w m 2 ) 。 2 1 3 热传导 热传导有两种类型：一是接触热传导，即两件物体相接触时，当存在温度差时将产生的 热量传导；二是固体物体内部当表面和中心温度有差别时将发生的热传导。接触热传导主 要用于$ l n 时轧辊和轧件接触造成的温降，轧辊和轧件的接触热传导往往受表面氧化铁皮 层热阻的影响，因此现象比较复杂。 固体热传导过程完全取决于固体内温度的分布，研究固体内热传导即是研究物体内温 度场随时间的变化，计算公式见公式( 2 3 ) ， r 。= ，( y ，z ，f ) 公式( 2 3 ) 式中z ，y ，z 所研究的空间坐标；，温度；f 时间。 2 2 带钢热连轧保温工艺简介 带钢热连轧过程中的保温措施包括：热卷箱、炉卷轧机、保温罩和逆辐射绝热组合块 等。 2 2 1 热卷箱嘲 s t e l c o 式热卷箱安装在精轧机组入口侧，世界上许多轧钢厂成功地采用了它板坯完 成最后道次粗轧之后一离开粗轧机就进入卷取箱的入口导槽，通过弯曲辊使之成卷( 如图 2 1 ) 。然后板卷被送至开卷位置展开以向精轧机组穿带，同时又开始下一块板的卷曲。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 粗轧机精轧机 图2 1 卷取箱基本设想 热卷箱的热量保持作用是由于增大钢板热辐射部分的等效厚度，以及提高卷眼内部环 境的温度而实现的。另外，改变中间料头尾方向有助于减小其长度方向上的温差。但是， 在某些情况下，尤其是为提高产量而提高精轧机速度时，要采取特别措施防止温度过度升 高而发生带钢过烧。 热卷箱可说是最有效的被动型热量保持装置。但可惜的是，因为钢板边缘处的冷却速 度大大高于钢卷中间部位。因此，从热卷箱的效率出发，应该进一步强调钢板横向温差问 题，这种横向的温差对于较窄的钢板会带来更多的麻烦。 使用热卷箱可以显著缩短中间辊道的长度并能减少现有轧机的功率。这一特点可以部 分地弥补热卷箱的基本投资，而用于维护和操作的附加费用可由降低板坯的出炉温度，增 加产量和更好的厚度控制带来的效益得以补偿。 热卷箱主要的缺点是难于实现板坯长度方向的温度梯度的自动控制。最方便的控制方 法是改变精轧机组的速度。然而，增大轧制速度可导致不理想的温升，降低速度又将减少 产量，因而这种方法是很难实现的或者说是不切实可行的。 解决的办法是采用反向卷取箱，即从中间料尾部开始卷取而不是从头部。反向卷取方 式是在中同料头部进入精轧机组，尾部离开粗轧机组之后开始卷取。这种控制方法可通过 调整卷取速度保证所要求的温降。同时也可以配合轧机的加速轧制。 2 2 2 炉卷轧机“”1 在精轧机组前部安装炉卷轧机可获得安装多机架轧机和热卷箱产生的综合效果。采用 这种设备布置方式时，较厚的中间料可以进入炉卷轧机( 特点类似于使用多机架的装置) ； 轧过一个道次之后再将轧材卷取( 作用类似于热卷箱) 。 这种设备布置的主要缺点是：当轧制前一块钢的最终精轧道次时，炉卷轧机不能轧下 一块钢：因而这种方式产量较低( 如图2 2 ) 。 2 2 3 保温罩“】【3 2 1 保温罩系统靠保持中间料周围较高的环境温度，实现保温。热带生产中使用的这一装 置的常见类型有各种被动型和主动型的绝热和热反射保温罩。 在被动型绝热系统中，在中间料周围围绕可以减少热传导的绝热材料，因而提高中间 料周围的环境温度。这类装置造价低，但效率不高；某一轧机在整个延迟辊上使用的辊道 罩，其实际提高的板坯温度只有1 3 c 。据l a w s 介绍，遮盖中间料上表面的被动式绝热板 达到热平衡的温度仅为9 8 9 c 。正如h e w i t t 所解释的，虽然新型的绝热材料阻止热传导 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 粗轧机精轧机 图2 2 炉卷轧机 的效率极高，但是阻止红外辐射的效率却很低。 主动型的绝热设施类似于通道式加热炉。它是利用减少热传导和加设外部热源的方法 在中间料周围提供较高的环境温度。这类装置有两种设计型式，只对边部加热或对中问料 整体加热，其主要缺点是需要附加的安装、维护和操作费用。 使用反射保温罩，中间料被罩在能反射中间料热量的罩子内。某些此类装置使用了非 绝热的铝质反射罩。据反映，使用反射式保温罩所获效益是很有限的；迄今为止，其最高 平衡温度达到了2 9 8 9 。同时还遇到了保持反射板清洁的同题。 使用逆辐射保温罩时，中间料被罩在内部充满绝热材料的一层薄金属保温屏内。当高 温中间料穿过保温罩时，金属保温屏被迅速烤热并达到很高的平衡温度。与反射式保温罩 相反，保温屏表面越黑逆射保温罩效率越高。 第一套逆辐射保温罩( 如图2 3 ) 于1 9 7 7 年在英国进行了试验，并于1 9 8 2 年全套安装 在大不列颠钢铁公司的l a c k e n b y 厂。这套装置可在轧制3 到4 块钢板后使平衡温度达到 约9 9 8 9 ，其效益如下： ( 1 ) 提高精轧区温度的均匀性，有效的减小带钢的头尾温降； ( 2 ) 因减少轧制中的废钢和消除钢卷尾部的拉窄和撕裂而提高产量； ( 3 ) 出炉温度平均降低3 2 2 ，燃料节省约1 0 ，并减少了表面氧化铁皮； ( 4 ) 减小了最小可轧厚度； ( 5 ) 稍微减小精轧机组的水印； ( 6 ) 中间料待轧等候可达4 m i n ，仍然可轧出优质板材； ( 7 ) 提高了包括厚度控制，宽度控制，表面光洁度和通板长度的板形在内的多项质量 指标。 除上述优点外，在过首块钢时即实现保温性能、降低成本和减少维护费用等方面，逆 辐射保温罩保留了进一步改进的余地。为实现首块钢保温性能，逆辐射保温罩必须设计成 能在短时间内使保温罩本身达到与中间料一致的温度，为了理解如何可以做到这一点，设 想一个简化的中间料和保温罩之间的热传导过程，这期间中间料通过辐射而散掉的热量完 全被保温屏吸收。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 3 保温罩 为提高保温罩的性能，由于加热逆辐射屏而损失的中间料温度必须限制在最小限度。 通过减小保温屏的厚度；增加传热效率；可以达到此目的。第一个必要的条件是制作保温 屏的材料必须特别薄；第二个条件是在设计上要使保温屏与中间料距离尽可能地近。 2 2 4 逆辐射绝热组合块“】 捌 为了得到更好的保温效果，需要获得具有耐久性好的较薄保温屏材料。采用一种称作 r r b 的产品( 逆反射绝热组块) 可解决这一问题。这种绝热块( 如图2 4 ) 内包含一层由耐火 纤维材料制作的耐高温绝热毡。它是通过将绝热毡按波浪形折叠从而形成很多个相邻的隔 绝层。这种结构与b y r d 所描述的z 型块相似。沿相邻隔绝层外曲线包裹的是不锈钢薄反 射屏，它既可以吸收和逆辐射热量，又可以防止绝热毡直接与水接触。 34 图2 4 逆辐射绝热组合块 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 1 一相临绝热层；2 一薄不锈钢绝热屏；3 一绝热屏折叠部分；4 安装板 2 3 带钢温度计算模型“删“” 温度的变化过程由钢坯的加热和板坯的不断冷却所组成。对于普碳钢，钢坯在室温状 态下装入加热炉中，经过两个小时左右的加热( 通过预热一加热一均热段完成钢坯加热过 程) 后，温度达到1 1 8 0 1 2 5 0 c 。钢坯出炉后，随着钢坯厚度不断轧薄，板坯的温度通过 各种形式的温降逐渐变低，在粗轧机组出口处约为1 0 8 0 1 1 0 0 ( 3 ，通过中间辊道的冷却到 精轧入口处降到1 0 0 0 1 0 5 0 c ，精轧机组末架终轧温度一般为8 3 0 8 7 0 c ，输出辊道上 通过喷水强迫冷却到6 0 0 6 5 0 卷成钢卷。 在热轧带钢生产过程中温度制度是一个十分重要的因素，准确地计算( 预估) 各个环节 的温度变化是实现热连轧机计算控制的重要前提。 温降模型的建立是和生产过程具体特点相关连的，在现代热连轧机中一般设有5 6 个温度计，装置地点为：加热炉出口处( 此处往往不便装温度计) ，粗轧机组中间( 如r l 后面) ， 租轧机组出口处，精轧机组入口处，精轧机组出口处及卷取机入口处。但根据热连轧机的 具体条件，其中最可靠的测量点为粗轧机组出口处，因为此时板坯厚度适中( 约2 0 4 0 哪) ， 板坯温度基本已均匀化( 表面和中心温差不大) ，加上刚从粗轧机组中轧出板坯表面质量 好，因此测量出的表面温度比较可靠地代表了这一板坯的实际温度。粗轧机组中和加热炉 的测量点都由于钢坯厚度太大，加上表面铁皮较多或者经过高压水除鳞后表面温度降低， 都不易测量可靠的钢坯温度。精轧机组入口处板坯温度原是一个十分重要的参数，但由于 实际上存在困难，不易测量准确，这是因为如果把测量点放在飞剪前后则此时板坯由于经 过一百多米的运输，表面产生了二次氧化铁皮，影响到带钢的热辐射，使温度测量有可能 出错。如果把测量点放到精轧除鳞箱后面则由于高压水冷却使表面温度太低，因此目前计 算机控制模型都是利用粗轧机组出口处测量得到的温度为基准，用温降方程来计算精轧机 组入口温度。 考虑到钢坯加热温度不易实际测量( 只能测得加热炉内各点的温度) ，因此目前亦有利 用以粗轧机组出i = 1 处( 或r ：后测温仪) 实测温度为基准，通过粗轧机组温降公式反算出钢坯 的出炉温度，以此对加热炉温度进行控制。 热连轧机温降过程可归结为以下四种基本传热环节： ( 1 ) 带钢( 钢坯，板坯) 在辊道上或机架间传送时的温降； ( 2 ) 高压水除鳞时的温降； ( 3 ) 喷水或层流冷却时的温降； ( 4 ) 轧制时的带钢温度变化。 现将各基本传热环节的温降方程推导如下。 2 3 1 辊道上温降“m 1 带钢传送时的温降主要是辐射造成的热量损失，同时也存在自然对流冷却( 空气) 。 但在高温时辐射损失远远超过了对流损失，一般温度在1 0 0 0 以下对流热量损失只占总热 量损失的5 7 ，因此可以只考虑辐射损失，而把其他影响都包含在根据实测数据确定的 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 辐射率占。所以此处的计算公式可为们： r = 。6 s c r l 0 0 h r + f k 玉1 0 0 1 ) 4 。培 i 公式( 2 4 ) 式中盯绝对黑体的辐射系数；占辐射率；r 物体绝对温度，( k ) ； 厂物体密度，( k g m 3 ) ；g 比热，( k c a l k g ) ；t o 初始温度，( k ) ； 板坯厚度，( m m ) ；f 熟交换时间，( 秒) 。 而计算热流的公式为 ( 剖4 一( 爿4 蜊z 这里主要考虑辐射率的取值，在预报板带温度的文献中，l e e 、s i m s 和w r i g h t 提出在 9 5 0 ，辐射率取为0 7 7 。另外一些文献将辐射考虑为一个假定的热交换系数，公式为： 矗纪；啊堑 r t 辐射率e 与温度有关，计算公式为： 占：丝翌f o 1 2 5 t - 2 7 3 0 3 8 1 “1 1 0 0 0l1 0 0 0 ， 公式( 2 6 ) 公式( 2 7 ) 一些文献给出了钢板在不同条件下辐射率的取值。在粗轧段，氧化铁皮比较厚，这时， 辐射率接近0 9 ，精轧接近0 8 左右，而在精轧辊道上，辐射率一般为0 7 。 2 3 2 高压水除鳞“】 b 】 删 利用高压水流冲击钢坯表面来清除一次或二次氧化铁皮是目前采用的主要方法。由于 大量高压水流和钢坯( 板坯) 表面接触将带走一部分热量使钢坯( 板坯) 产生温降，这种热量 损失属于强迫对流形式。强迫对流的热交换过程比较复杂，它不但和钢坯温度、介质温度 以及钢的热物理性能有关，还和流体的流动状态( 流速，水压等) 有关，因此要从理论上写 出各种因素的影响方程是比较困难的，目前一般都采用牛顿公式来计算”1 ： a q = h w ( t 一瓦) f a r 公式( 2 8 ) 式中h t c 热交换系数，( k c a l m 2 h ) ；t 物体温度，( ) ； 已冷却水温度，( ) ；f 热交换面积，( 米2 ) ；f 热交换时间，( 秒) 。 2 3 3 轧制过程热量损失嘲 当采用边轧制边喷高压水来控制温度时，系统能量的变化有。1 ： ( 1 ) 轧件向周围介质辐射传热使系统热量的减少； ( 2 ) 轧件向轧辊、辊道热传导使系统热量的减少； ( 3 ) 轧件与空气对流使系统热量的减少； 武汉科技大学硕士学位论文第1 i 页 “) 轧件与高压水之闻强迫对流传热使系统热量减少； ( 5 ) 轧件变形时，变形热效应使系统热量的增加； ( 6 ) 轧件变形时，接触面上摩擦热使系统热量的增加。 就传热方式而言，系统热量的损失主要是( 4 ) ，同时还有少量的( t x z x 3 ) 。当不采用边轧 制边喷高压水来控制温度时，主要考虑( 2 x 5 ) 。文献 1 和 4 中提出的计算公式，把所有的 温升和温降考虑在一个公式当中。计算公式为： 出一- 一4 2 1 见l ( t c 一，) p yv h 怫 “ 公式( 2 9 ) 式中 接触弧长，( 所) ；f ，轧辊温度，( ) ； 趣平均厚度，( 埘聊) ；v 轧制速度，( m s ) 。 其中因工作辊热传导引起的温降通过钢板的两个最外层的总热量可以根据下式计算：嘲 盼4 缒惦 公式( 2 1 0 ) 式中4 轧件和工作辊的接触面积，( 埘2 ) ：七轧件氧化层的导热系数，( w m 七) ； q 由于热传导工作辊所获得的热量或轧件所失的热量，( ，) ； 霉轧辊温度，( k ) ；轧件与工作辊的接触时间，( s ) ； 口轧件的热扩散率，( 坍2 s ) 。 辊缝处轧件损失的热量由公式( 2 1 1 ) 给定嘲： q = r c y ( a t 。) 得出因工作辊热传导引起的温降公式嘲： 母焘悸 式中 乙；堕；r l 辊半径。 公式( 2 1 1 ) 公式( 2 1 2 ) 表2 1 是通过简化方程得到的与辊接触引起的温降公式。另外计算辊缝中，轧件与轧 辊热传导损失的热量，一些文献用热流方程，通过试验得到热交换系数的值。文献中提到， 由于在大量的热交换系数中极少量数据从轧制时轧件和轧辊中得到，许多研究人员已经假 设理想的热接触。从粗轧机中轧辊温度的测量上看，s t e v e n 已经得出轧辊间隙中，在开始 接触3 0 m s 内热交换系数为3 7 6k w m - 2 七一，随后为1 8 3 7 6k w m 4 七一。m u r a t a 通过测量高 温试料和低温试料的热反映，计算出应用于各种轧制环境中的热交换系数。从他们的结果 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 表2 1 带钢与辊接触引起的温降公式 作者名 公式 p w 李，r 。b 。西姆斯，h 加们l p枷 奈特 h v e n t z e l 小篇卜靠，厚磊 y d 采利兹诺夫 r = 丽0 0 5 1 【, 川0 8 ) c o t ( 卜_ ：a r _ a ) l + ，s f 塞莱第斯基 丁= 百0 5 6 1 【丁一最) 伍 h 奈特，t 霍普 小雨0 1 6 3 盱, 五) 厚 表明，不除鳞和水作为润滑剂的情况下轧辊间隙间热交换系数在2 3 - - - 8 1 k w m - 2 后- 1 范围以内。 通过这项研究，3 7 k w m l 2 七。已经运用于模拟轧制间隙的情况。 在计算机械功引起的温升时，所要考虑的有两个主要方面：消耗在轧件和轧辊间界面 的机械功和在变形阶段轧件所吸收的机械功。 在热轧条件下，假设界面无滑动，因而克服摩擦的机械功部分可被忽略，机械功的大 部分均由轧件在变形阶段吸收。 传热过程可由下列热平衡方程予以描述。由于机械功产生的热为： q = k ，圪1 1 1 善 几 公式( 2 1 3 ) 式中啊、吃入口和出口厚度，( m m ) ；k 变形抗力，( m p a ) ； 圪轧件的体积，( 所3 ) ；机械功转化为热的部分。 由此，可得出机械功引起温升的计算公式： 母鲁h 鲁 猁z 另外，国外文献中，p a v l o v 方程用来计算机械功引起的湓升，这里假设机械变形在整 个变形过程中是均匀的，而且所有的功全部转化为热能，因此公式为： = 筹t 倒 公式( 2 1 5 ) 武汉科技大学硕士学位论文 第1 3 页 通过简化得到的一些计算机械功引起温升的公式如表2 2 。 表2 2 机械功引起温升公式 作者名 公式 b a 恰古诺夫 肌( 等) ( 1 + 篆 h 鲁 m a z a i k o v 肌1 1 6 9 0 p ch 见 p w 李，r b 西姆斯，h 小勰 奈特 y d 采利兹诺夫 r ：星l l l 当 7 9 5 氟 f 塞莱第斯基 r ： 坠 l n 堕 9 3 4 5 p c p 也 h 奈特，r 霍普 r ：墨鸳鱼l i l 堕 7 9 0 哇哇 国外文献中提出对轧件和轧辊之间的滑动没有清楚的解释，当通过数据计算摩擦系数 做了尝试。d e n t o n 和c r a n e 提出在1 0 0 0 1 2 摩擦系数为0 2 5 增长到1 1 0 0 c 为0 4 。r o b e r t s 提出了无润滑时的以下关系， = 4 8 6 x 1 0 。t - o 0 7 1 4 摩擦引起的温升计算公式为： g ，。v r j p 公式( 2 1 6 ) 公式( 2 1 7 ) 尸是在接触弧的压力，从轧辊的分力的知识可以得到一个平均值；e 是轧件和轧辊的 相对速度，而且沿着接触弧变化。公式是由h a t t a 提出。 在计算轧制温降的过程中，轧辊与轧件的热接触和机械功及摩擦的温升基本接近，有 时，采用近似解法，假定它们相互抵消。 2 3 4 精轧过程温度计算嘲嘲 国外文献中一般采用以上的公式逐步计算每一架轧机的轧制变形热、接触热损失、机 架间传送辐射冷却以及机架间喷水冷却，但文献 1 提出对于精轧机组则容易出现误差累 积使后几个机架温度偏差过大。考虑到精轧机组各架轧机的轧件温度是一个重要参数以及 精轧机组的后续性和前后设有测温仪的特点，一般往往不采用逐步计算温降的方法，而用 “卡两头分配中间”的方法，即利用两头的测温仪的实测温度不断校正，而用简单的温降 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 公式来分配精轧机组总温降，以确定各架轧机的温度。采用的公式为：m = 和o 丘急 公式( 2 1 8 ) 式中末架的出口速度，( 所j ) ；末架的成品厚度，( 所坍) ； 厶。i 和i + l 机架间的距离，( r a ) ；精轧入口温度，( ) ； 以= 警譬 上精轧机组长度，( 所) ；幺精轧出口温度，( ) 2 4 带钢断面温度计算方法1 1 乜3 3 嘲蚓 2 4 1 边界条件 如果不给定边界条件和初始条件( 对非稳态的问题) ，热传导微分方程就会有无数个解。 初始条件描述的是在时间坐标为零时( r = 0 ) 区域内的温度分布，而边界条件描述的是区域 边界上的温度或热流密度。有三种形式的边界条件： ( 1 ) 第一类边界条件 边界上的温度是给定的，一般情况下边界温度既是时间又是位置的函数，并可表示成 如下形式： 边界面s 处r = z ( ，f ) 公式( 2 1 9 ) ( 2 ) 第二类边界条件 边界面上温度的法向导数是给定的，这个法向导数可以既是时间又是位置的函数，表 示为如下形式： 边界面s