轧制自动控制--8-板带钢冷却技术

板带钢冷却技术讲义,板带钢冷却技术讲义,20011年12月,主讲教师：胡贤磊,对于热轧：加热温度、开轧温度、终轧温度和卷曲温度直接影响产品性能；对于中厚板来说：加热温度、开轧温度、控温温度、终轧温度和终冷温度直接影响产品性能；温度对成品的金相组织、晶粒度、机械性能、焊接性能以及表面状态都有直接影响。（举例：表面红色铁皮现象、冷却造成的翘曲等现象）温度是轧制过程最活跃的工艺参数，轧制力与温度之间关系非常密切。,温度控制的目的的意义,轧制过程温度变化的基本规律,钢板在加热炉中进行加热（推钢式加热炉容易产生水印）。轧制过程温度不断下降，对于中厚板产品，为了控制产品性能，常采取控温轧制；而热连轧通过机架间冷却水控制钢板终轧温度。加速冷却：为了得到良好的晶相组织，需要控制产品的相变过程，层流冷却系统得到广泛应用。（层流介绍）自然冷却或卷取：卷取相当于一种热处理，可改善钢板性能。热轧过程的温度变化范围比较大，其开轧温度一般在11001200之间，而终轧温度根据钢种不同有很大差别。带钢一般在800870之间，中厚板6501000之间。与带钢热连轧过程的温度变化不同的是：中厚板轧制过程由于轧件比较厚，轧件表面和中心温度差别比较大，但是其头尾的温度差异不太明显。,温度模型介绍,热辐射和对流,层流,紊流,薄板空冷温度变化,高压水除鳞,高压水与钢板之间接触后会在钢板表面形成一个很薄的蒸汽膜，这种传热方式近似于半无限大平板的瞬态热传导。,与轧辊接触产生的热传导,钢板与轧辊的接触弧长与轧辊的半径相比很小，则这两者之间的热传导问题可以简化成两个半无限体之间的热传导过程。,塑性功转变为热量引起的温升,温度模型介绍,实测表面温度与平均温度,中厚板轧后冷却技术交流,1、轧后冷却工艺简介2、轧后冷却技术的发展3、高效均匀的冷却技术4、控制系统及数学模型5、层流冷却系统的关键技术冷却均匀性控制6、控制策略,1、轧后冷却工艺对最终组织的影响,控制轧制轧制参数的控制与优化（奥氏体状态的控制）,加热温度各个道次的轧制温度压下量,控制冷却冷却参数的控制与优化（相变过程的控制）,需要的组织和性能,开始冷却温度终止冷却温度冷却速度冷却模式,控制轧制与控制冷却的功能,控制轧制与控制冷却的关键点,关键点：“奥氏体状态的控制”和进一步的“由这种状态受到控制的奥氏体发生的相变的控制”控轧：奥氏体状态的控制：晶粒尺寸、硬化状态；控冷：奥氏体相变条件的控制：开始温度（过冷度）、冷却速率、终止温度；强化机制：传统的控制冷却是以卷取温度作为控制目标，通过冷却速度控制实现细晶强化，配合微合金化技术实现析出强化。,2.轧后冷却技术的发展,新一代钢铁材料开发：超级钢、超细晶粒钢、相变强化机制社会发展要求：4R原则，即减量化、再循环、再利用、再制造。TMCP技术发展：采用节约型的成分设计和减量化生产方法，获得高附加值、可循环的钢铁产品。这种TMCP技术就是以快冷技术为核心的新一代TMCP技术。强化机制：超细晶强化、相变强化、析出强化等综合强化手段,冷却设备,控制冷却系统新日铁：CLC技术川崎制铁：MACS技术住友金属：DAC技术日本JFE：OLAC/Super-OLAC曼海姆：MACOS蒂森：ISC(强冷却系统）克莱西姆：ADCO奥钢联：MULPIC东北大学：U-ACC、直集管、水幕北京科技大学：U-ACCSUPIC,小结：1)可以实现直接淬火的冷却装置有：水幕高密度管层流气雾冷却（ADCO）气雾+层流(Super-OLAC)喷射+层流(MULPIC)板湍流+喷射(LOI/DREVER)2）控冷工艺和钢种永远是相互关联的,高密集管层流冷却系统,管层流冷却设备的关键点（1）,水流的性质：稳定的均匀的层流。这一点已经在实验室得到证实。现场是与辊道平行布置的高位水箱（实际是粗管道），保证了每一个层流集管的状况与实验室是一样的。,适当的足够的水压：压力过高，水流喷溅，不沿板面流动，降低传热效果；压力过低，击不破水膜，降低传热效果；压力过低，降低阀门的响应特性；,管层流冷却设备的关键点（2）,足够的水量：水系统的能力；高位水箱的储水能力；辊道运动速度可以部分补偿水冷能力的不足。,管层流冷却设备的关键点（3）,水幕装置,U形管喷头的结构,JFESuper-OLAC技术,OLAC：1980年NKK（现JFE）轧后冷却技术工业化；NKK控制冷却技术的开发历程：Super-OLAC推广：1998年福山厚板厂；2003年5月仓敷厚板厂；2004年6月京浜厂,可以以近似理论极限冷却速度，世界最高冷却速度（700/秒-板厚3mm）对钢板实行全面、均匀的冷却该设备可以大幅度提高冷却温度控制精度，从而提高钢材的质量（通过晶粒细化、均匀化达到高强高韧化、焊接性稳定、加工性能提高）,JFESuper-OLAC技术优势,Super-OLAC与在线回火HOP,JFESuper-OLAC技术应用,与在线回火（感应加热）技术相结合，开发了一系列具有优异性能的高品质中厚板材：造船用钢：大热量输入焊接用钢；桥梁用钢：海岸耐侯性钢；高层建筑用钢：建筑用590N/mm2级钢板、385N/mm2高层建筑用钢；压力容器用钢：610N/mm2级钢板；管线用钢：例如世界强度最高的管线钢CSA级690（相当于X100级管线钢）,中厚板轧后冷却技术发展趋势,在国内中厚板企业冶炼装备和轧机装备及技术日益提高，基本与钢铁技术发达国家如日本等基本无差距的背景下，钢板轧后辅助工序及技术，尤其是控制钢板组织性能演变的轧后冷却工序所需的高效冷却技术，已成为制约国内中厚板企业生产高附加值高性能中厚板产品的问题关键所在。轧后冷却技术发展：高冷却速率；冷却均匀性好,JFESuper-OLAC技术核心,高冷却能力：比传统加速冷却方法快25倍；冷却均匀性：在中厚钢板冷却过程的全温度区域实现板材的高效均匀冷却；冷却能力：,JFESuper-OLAC核心高冷速、均匀,3均匀、高效冷却的基本原理,倾斜喷射；压力；较近距离；消除膜态沸腾，实现核态沸腾；25倍的冷却效率,局部换热区域描述1.射流冲击区在水流下方和23倍水流宽度的扩展区域内，形成具有层流流动特性的单相强制对流区域（区域）。流体直接冲击换热表面，使流动边界层和热边界层大大减薄，从而大大提高热/质传递效率，因此换热强度很高。,钢板表面局部换热区描述,中厚板加速冷却过程的换热分析,2.核态沸腾换热区核态沸腾由于汽泡（沸腾）扰动剧烈，换热系数和热流密度急剧增大，换热能力很强。3.膜态沸腾换热区沸腾强制对流区（区域），热量传递须穿过热阻较大的汽膜导热，换热强度低。,沸腾曲线示意图,中厚板加速冷却过程的换热分析,中厚板DQ的问题,作为控制冷却的极限结果，DQ的作用早已为人们所认识。但是，其潜在的能力一直未得到发挥，原因在于直接淬火条件下冷却均匀性的问题一直没有的到解决，DQ情况下板形控制一直困扰人们。国内：宝钢5mDQ、酒钢ADCODQ采用的技术：日本厚板厂DQ采用的冷却技术：喷射冷却层流冷却：新日铁-CLC;住友DAC;JFE-Super-OLAC,中厚板控冷设备冷却能力及效果与其所基于的换热机理有关。冷却设备提高冷却效率、实现均匀冷却的关键：集管喷嘴的合理设计及排布；射流冲击换热区的合理配置；冲击换热区面积的最大化；泡核沸腾换热。,提高中厚板换热能力的途径,新型控制冷却系统基本配置,？m,20m,？m,NEW-ACC,矫直机,轧机,方案1：水泵供水水量：6000m3/h压力：0.30.5MPa,方案1：高位水箱供水水量：40006000m3/h压力：0.10.2MPa,DQ+ACC均匀性高效率，高冷速仪表和阀门,4.中厚板控制冷却系统,仪表配置,触发逻辑,控冷过程机根据轧线上钢板的检测信息，根据宏跟踪数据区轧件的身份信息，结合钢板微跟踪段的信息触发相应的计算预设定计算、修正设定计算、模型自学习。,控制系统组成,第2级过程控制级：通过数学模型进行设定计算，板坯跟踪，数据采集，模型自学习，打印报表，人机接口，历史数据存储，报警等；第1级基础自动化级：顺序控制，设备控制和质量控制，执行过程机的设定，保证板坯头部、尾部、边部与中间部分的温度一致。通过控制，使产品冷却速度及全长的温度达到要求的精度；第0级数字DC传动控制级：轨道的速度及加速度控制。仪表：HMD、测温仪、流量计,常规层流设备性能保证值,同板温度差220；异板温度差225；控制冷却钢板厚度范围：660mm；控制冷却钢板宽度范围：15002600mm；控制冷却钢板最大长度：30000mm；控制冷却开始温度范围：7001000；控制冷却终冷温度范围：450750；辊道速度调整范围：0.22.0m/s；注：控冷区辊道速度应与控冷区前后辊道速度匹配。板形：矫直后成品板形满足或优于国家标准的1/2；一次性能合格率：99.5；冷却速率范围：1.550/s（视水温和板厚而定），对于20mm厚钢板，冷却速度最大为20/s；系统的计算机、PLC投入运行率99.5。,控制目标终冷温度冷却速度各向冷却均匀控制参量集管流量集管开启数目及位置辊道速度辊道加速速边部遮蔽量及遮蔽位置水量比,冷却过程控制模型结构图,冷却策略制定初始的冷却计划，为前馈控制模型提供初始化数据。模型在其提供的初始值基础上进行计算，减少了计算量。冷却数学模型是前馈控制模型的核心，通过反复调用冷却数学模型进行温降计算，给出实现目标的冷却规程。,数学模型及冷却策略的作用,交替方向隐式差分数学模型,交替方向隐式差分形式：（无条件稳定、求解方便）,初始条件、边界条件和物性参量的确定,边界条件：,初始条件：,差分形式,求解差分方程需确定的量:初始条件：终轧时刻作为冷却的开始时刻，此时钢板断面温度作为初始温度场边界条件：确定不同时刻对应的表面对流换热系数(空冷、水冷)三个物性参量：钢板密度、导热系数、比热,空冷表面对流换热系数的确定,根据斯蒂芬波尔茨曼定律：,确定空冷换热系数主要依赖于值的确定,参考牛顿冷却公式形式给出：,水冷表面对流换热系数的确定,(1)该模型主要考虑了水流密度和钢板表面温度的影响;(2)根据实测温度数据用回归试凑法确定a、b、c、fv。,式中，Aw自学习系数；qw水流密度；T钢板表面温度；fv速度修正系数；a按钢板规格确定的系数；b、c模型常数系数。,采用回归模型：,导热系数的确定,用线性插值方法可求得对应含碳量和任一时刻温度的导热系数特点：在差分某一节点范围内导热系数是常数(满足差分形式成立的条件),典型钢种的导热系数值曲线,比热的确定,典型钢种的比热值曲线,（取温度上限值连线）,碳钢：在700-750区间比热值变大，对应相变过程Si-Mn钢：在750-800区间比热值变大，对应相变过程同样是用线性插值方法求得对应含碳量和任一时刻温度的比热值特点：将相变潜热考虑到平均比热中(可以对热传导偏微分方程简化),冷却均匀性控制,终冷温度冷却数学模型的精度冷却设备的冷却能力冷却速度控制策略调整集管排布组合方式、喷水流量、钢板运行速度成品的各向冷却均匀控制策略纵向：头尾特殊控制/分段跟踪控制/加速度控制横向：改变边部遮蔽量及位置上下面：改变水量比制定初始的冷却控制策略，给出相应控制参量合理初始值，模型在此初始值基础上进行计算给出合适的冷却规程，可减少迭代次数，从而减少计算时间。,采用策略前的实测曲线(40mm),采用策略前的实测曲线(12mm),纵向非均匀性特点,横向边部遮蔽示意图,(a)理想的遮蔽形式,(b)局部使用集管的遮蔽形式,(c)实际采用的遮蔽形式（连续使用集管时）,(d)实际采用的遮蔽形式（间隔使用集管时）,上下面调节水量比,单根集管冷却区域上下表面温降示意图,下集管比上集管的水量要大水量变化，水量比值也变化,温度场模型,提高计算精度,翘曲分析,合理上下换热系数,系统设计,前馈控制系统模型设定自适应控制,装置优化设计,供水平衡流量均匀稳定,合理控制策略制订,温度均匀性控制分析,冷却过程翘曲简要分析,分析认为，在冷却初始阶段钢板大部分未发生相变，因此钢板产生翘曲的主要影响因素是热应力的作用，钢板朝强冷侧产生收缩；相变发生后，强冷侧相变膨胀的影响逐渐增大，钢板翘曲量减小，最终向反方向产生了翘曲，反向翘曲的极值为；相变结束后，热应力成为影响钢板翘曲的主要因素，随着钢板上下部分的温差增大翘曲量也不断增大；随着冷却过程的进行，钢板上下部分的温差逐渐缩小，钢板的翘曲也逐渐减小。,应力失稳分析,基于弹塑性理论，当热应力和组织应力之和大于临界屈曲应力，钢板发生变形，产生板形缺陷。从应力曲线可以看出，只有将热应力和组织应力之和控制在屈曲临界以内，才能避免翘曲现象的发生。根据热应力和弹性不稳定理论，计算出了厚度、宽度和长度方向的临界屈服应力，如表3.2所示。分析可知钢板是否产生变形取决于以下因素：（1）温差，即冷却过程中钢板冷却越不均匀，钢板内部温度梯度越大，就越容易产生板形缺陷；（2）厚宽比，即越薄的钢板，厚度和宽度的比值越小，越容易产生板形缺陷；（3）屈曲压力系数，通常钢板头尾以及钢板边部屈曲压力系数远小于中心部分，所以钢板边部比中心更容易产生板形缺陷。,层流系统参数对控冷均匀性的影响,控冷均匀性,水循环系统稳定,集管喷水均匀,水循环平衡数学模型,泵流量优化,水力数学模型,冷却过程温度均匀性控制