热连轧层流冷却控制技术(终)

案例4 新钢1580mm热连轧层流冷却控制技术

1 技术简介

新钢热轧薄板工程即将进入设备安装阶段,相关的各项技术准备工作已陆续展开。

热连轧是融各项高新技术于一体的生产过程,其中层流冷却控制是其关键技术之一。热轧带钢卷取温度是影响成品带钢性能的重要工艺参数,其范围必须满足一定的工艺要求,过高或过低都将给带钢的组织和性能带来不良影响，而卷取温度的控制和控制精度正是通过层流冷却设备及层流冷却控制技术实现的。

2 层流冷却系统组成

以新钢1580热连轧为例,其层流冷却设备包括19个主冷却段和3个微调冷却段，其中每个主冷却段包括4个控制单元组（上下喷一一对应），总计下喷a1-a76共76个控制单元，总计上喷b1-b76 共76个控制单元。每个微调冷却段包括8个控制单元组（上下喷一一对应），总计下喷a77-a100 共24个控制单元，总计上喷b77-b100 共24个控制单元。每个控制单元由一个电磁阀驱动一个气动碟阀来控制冷却水的打开与关闭。

各冷却段之间及整个冷却段前后各有一组侧喷控制单元（共23个控制单元），侧喷水的打开与关闭原理同上、下喷一样由一个电磁阀驱动一个碟阀来控制,其工艺布置如图1所示。

图1 新钢1580热连轧层流冷却工艺流程图

3 层流冷却控制目标

根据实测的板带终轧温度、速度、厚度和满足工艺要求的冷却曲线控制轧后钢材的冷却工艺参数(开冷温度、终冷温度、冷却速率),确定相应的喷水区长度(阀门开启个数)和喷水模式，使卷取温度尽可能地接近工艺确定的目标卷取温度,获得理想的组织结构, 以提高和改善钢材的综合力学性能。层流冷却过程的控制量为:喷水阀门的开闭数量及位置、喷水模式等[1]。层流冷却区的控制目标是把终轧温度为800～900 ℃的钢板按一定冷却制度迅速冷却到500～700 ℃的卷取温度,控制精度要求为±20 ℃。

4 层流冷却控制系统的结构

层流冷却系统采用二级计算机控制。一级计算机是基础自动化级, 二级计算机是过程控制级。计算机将整个生产范围内的带钢按厚度、目标卷取温度(一般相差10℃为同一级)、带钢材质的冷却特性、冷却要求等分若干级别，将冷却速度相近的钢种归类，进行分档控制，对不同的级别使用不同的策略数据和模型数据。

5 层流冷却控制的数学模型

通常带钢从精轧机末机架出口到卷取机入口的冷却过程如图2所示。

图2 带钢轧后控冷过程示意图

图2中，T f 为终轧温度, Tc 为卷取温度, T f 和Tc 的温度范围由所生产带钢的钢

种和规格确定。过程自动化系统通过数学模型根据所轧带钢的钢种和规格要求可确定出打开第一组集管的位置(即A 点)、所需打开的冷却集管组数以及相应的冷却集管开启与关闭组合(即确定B 点),后者可由带钢冷却策略来确定。在带钢轧后冷却过程中,带钢经历了空冷、水冷、然后再空冷等热交换过程,故带钢轧后控冷过程中的基本数学模型为带钢空冷过程中的温度场计算模型(空冷温降模型)、带钢水冷过程中的温度场计算模型(水冷温降模型),并由此可导出实际使用的前馈和反馈等控制模型。数学模型直接影响到卷取温度的控制精度[2]。

5.1 空冷计算模型

空冷时带钢在长度和宽度方向上的传热条件均比较一致,故可认为这两个方向上

温度分布均匀,由于带钢较薄,在一定厚度范围内,可近似认为厚度方向上温度相同[3]。 空冷传热数学模型如下

式中, a t 为空冷后的温度C 0；ε为轧件热辐射系数,b h a +⨯=ε,a b 为空冷回归系数；σ为玻尔兹曼常数(42/k m w )；p c 为比定压热容,(kg kJ /C 0); h 为带钢(mm); t fd 为精轧出口温度C 0；τ∆为精轧出口到卷取机前带钢运行时间(s).

5.2 水冷计算模型

水冷传热模型与空冷相似,单个集管组水冷温降模型

h

C L t P s ⨯⨯⨯⨯=∆ρυ36001000 式中,h 为带钢厚度(mm)；ρ为密度(kg/ m 3);Cp 为比定压热容(kJ/ (kg C 0)；v 为带钢速度(m/ s )；Q 为热流密度 (KJ/Kg C 0)；L 为集管组长(m);s t ∆为层流冷却每组集管温降量(C 0)。

5.3 前馈控制模型 21})]()([)({a Q

hv T T T T T a v v R P N CAS CA FS FA s i i FF -∆+--+-+= FF N 为前馈控制的喷水数量；i P 预设定喷水数量；i R 带钢速度影响系数；v 为带钢速度(m/s)；s v 为带钢轧制基准速度(根据带钢厚度由插值法求出)(m/s)；1a 为终轧温度对卷取温度影响系数；2a 水温补偿系数；FA T 为精轧温度目标值C 0；FS T 为带钢精轧出口的标准温度值(根据带钢厚度由插值法求出)；CA T 为带钢卷取的目标温度C 0；CAS T 带钢卷取目标温度的标准值(根据带钢厚度由插值法求出) C 0；T ∆卷取目标温度的修正值C 0；Q 为综合传热系数；h 为带钢厚度(mm)。

5.4 反馈控制模型 2)(a Q

hv T T T N CA CD FB -+∆= FB N 为反馈控制的喷水数量；CD T 为实际带钢卷取温度的平均值C 0 (带钢头部到达卷取温度计后,在0.5s,1.0s,1.5s,2.0s 采集实际卷取温度,取平均值)[4]。

6 冷却模式

6.1 对于要求控制形变奥氏体的组织状态、阻止奥氏体晶粒长大、固化因形变而引起的位

错或降低相变温度的钢种,采用前部冷却策略,即先打开前主冷区的冷却集管,用微调区对卷取温度进行微调控制。

6.2 对于主要控制室温组织相变过程、控制铁素体的长大及轧制后二相粒子析出的钢种采

用后部冷却策略,先打开主冷却区后部分集管进行冷却,用微调区对卷取温度进行微调控制。

6.3 对于某些对高冷却速度敏感的钢种(尤其是在较厚规格时) ,可以采用在主冷却区的前

部分(或全部) 以一定的间隔开启冷却集管,用微调区对卷取温度进行微调控制。 7 层冷区轧件跟踪

7.1 跟踪计算

在带钢头部至尾部离开精轧机的期间,使用实测的轧制温度、厚度和带钢的速度

进行周期性的前馈控制计算，适时把阀门开闭设定值送到基础自动化,在带钢进入层流冷却区的运行中，计算机按固定的时间间隔，在逻辑上把带钢划分为数小段，计算机对每小段在层流冷却区进行推算和跟踪,对带钢的卷取温度控制正是以这些小段为最小单位进行，对每一小段计算所需增减的阀门数，当该小段运行到喷水区时，增减后的喷水正好对应此小段。为了使样本的组态喷到对应的样本上以及及时开闭阀门，必须实施层冷区的轧件跟踪。

7.2 头尾部跟踪

根据信号启动相应跟踪程序，分别计算带钢头尾部在热输出辊道的具体位置，以

板带运行的同步速度，并按过程控制计算机设定的喷水组态，由前向后依次开启集管，或依次关闭集管组态。

7.3 轧件样本跟踪