消除頭尾溫度偏差的中厚板軋后冷卻的水量動態(tài)調(diào)節(jié)模型

祝夫文，郭懷兵

(1.安徽工程大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.南京鋼鐵股份有限公司 寬厚板廠,江蘇 南京 210035)

中厚板的軋后冷卻系統(tǒng)是影響鋼板組織性能的重要因素，相關(guān)冷卻系統(tǒng)及工藝會對組織性能造成較大影響，甚至導(dǎo)致性能缺陷[1-2].因此，眾多科研工作者一直在進行板帶軋后冷卻系統(tǒng)的模型及控制系統(tǒng)的研究工作[3-5].

中厚板在軋制完成后，大部分鋼種需要進行軋后冷卻以改善鋼板的性能.如圖1所示為鋼板軋后冷卻示意圖，圖1中方框內(nèi)設(shè)為軋后冷卻區(qū)域.另外設(shè)鋼板前進方向端部為A，反向端部為B.設(shè)倆相鄰閥門間距離為S，目標冷卻溫度為Tt(為了避免記憶各種符號，方便理解，直接假設(shè)目標冷卻溫度為700 ℃進行說明).

傳統(tǒng)的軋后冷卻流量自動計算模型中，一般是根據(jù)測溫儀測量的鋼板A處的溫度(設(shè)為TA)，結(jié)合目標溫度700 ℃直接計算.假設(shè)計算結(jié)果為需要5組水開啟，則根據(jù)傳統(tǒng)計算模型，該鋼板從冷卻開始到冷卻結(jié)束，鋼板都是采用5組水冷卻的.但是上述設(shè)定中實際存在一個問題，即鋼板A端和B端(設(shè)其溫度為TB)進入軋后冷卻區(qū)域時的溫度并不相同.而且根據(jù)實際檢測，在鋼板較長情況下，兩者溫度相差可以達到80 ℃.這種情況下，如果頭A和尾B均采用5組水冷卻，容易導(dǎo)致頭尾性能不均，增加了出現(xiàn)質(zhì)量事故的可能性.

研究敘述的是在中厚板及寬厚板的軋后冷卻過程中，針對鋼板頭尾溫度偏差的既定存在而進行的有針對性的考慮頭尾溫度偏差的軋后冷卻的水量動態(tài)調(diào)節(jié)模型.

圖1 鋼板軋后冷卻示意圖

1 控制模型基本原理

軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)節(jié)示意圖如圖2所示.在軋后冷卻入口處一般要設(shè)置一個測溫儀，用于實時檢測鋼板的入水溫度.在鋼板達到測溫儀時，此時鋼板冷卻計算機控制系統(tǒng)可以從軋機控制計算機系統(tǒng)讀取到鋼板總長度(用L表示，單位m)和鋼板實時前進速度(用V表示，單位m/s).

圖2 軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)節(jié)示意圖

1.1 鋼板初始入水冷卻水流量的計算

當鋼板的端部A進入軋后冷卻區(qū)時，根據(jù)測溫儀檢測到初始溫度T及目標冷卻溫度Tt(目標冷卻溫度是鋼板冷卻希望達到的溫度，比如鋼板希望冷卻到700 ℃，則目標溫度為700 ℃)，計算初始流量VOL(A)，具體步驟如下.

(1)由于冷卻過程歸根到底為熱傳遞過程，而且鋼板基本被水全面覆蓋，因此熱輻射幾乎可以忽略.而且與軋輥的接觸傳熱，也可以以自學(xué)習(xí)系數(shù)的形式等價轉(zhuǎn)化為與水的熱交換，因此，由能量守恒，有式(1)成立(由于冷卻過程中水蒸氣會帶走一部分熱量，所以式(1)左側(cè)一般需要乘以0.9的自學(xué)習(xí)系數(shù)，由于重點討論基本模型，所以這里對于自學(xué)習(xí)不再詳述)，

C鋼m鋼ΔT鋼=C水m水ΔT水,

(1)

式中，C鋼是鋼的比熱；C水是水的比熱；m鋼是鋼板的質(zhì)量；ΔT鋼是鋼板的溫降，ΔT鋼=T-Tt；ΔT水是冷卻水的溫升，ΔT水=T2-T1，T2是冷卻水的終了溫度(通過溫度計測量)，T1是冷卻水的初始溫度(通過溫度計測量).由上述分析可知，式(1)中，除了m水外，其他各項均為已知或可求.因此，由式(1)可以求出將鋼板A點處由初始溫度T冷卻到目標溫度Tt所需要的冷卻水質(zhì)量m水.

(2)鋼板冷卻到目標溫度所需要的冷卻時間的計算，如式(2)所示，

(2)

式中，t為所需要的冷卻時間，單位s；Vt是操作員設(shè)定的目標冷卻速率，單位為℃/s.冷卻過程中，t保持A點的時間不變.

(3)VOL(A)的計算如式(3)所示，單位kg/s,

(3)

(4)冷卻水閥門開啟組數(shù)計算如式(4)所示，

VOL(A)=NFmax+KFmax,

(4)

(5)閥門開啟總長度(冷卻總距離S總)計算，如式(5)所示，

(5)

式中，S是相鄰兩個冷卻噴嘴之間的距離，單位m.

(6)鋼板前進速度的計算.根據(jù)A點的目標冷卻時間t，采用式(6)計算鋼板的前進速度，

(6)

直接將N、K及V傳遞給基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)，開啟相關(guān)閥門，開始放水冷卻.此處計算鋼板前進速度，一旦計算完成，鋼板直至冷卻完成，其前進速度將不再改變.后續(xù)調(diào)整，只調(diào)整閥門水流量，而不再調(diào)整鋼板前進速度.

此時完成的是鋼板初始冷卻水量的設(shè)定、鋼板運動速度的設(shè)定，計數(shù)器記錄調(diào)整次數(shù)m為0.

1.2 鋼板冷卻水流量的更新計算

1.1的計算完成后，鋼板即開始前進，入水冷卻.自此開始，每經(jīng)過一個時間周期C(本處可以理解為每前進1 m)，控制模型都將重新進行一次冷卻水流量的更新計算.具體過程為：測溫儀測量最新的溫度T新，根據(jù)T新及目標冷卻溫度Tt，計算N、K.相關(guān)計算與式(1)、式(3)、式(4)相同，只需要將相關(guān)的溫度T替換為T新即可.

在得到了最新的N和K之后，即根據(jù)式(5)計算S總，隨后根據(jù)式(6)，得到式(7)

(7)

值得注意的是，式(7)與式(6)有一些區(qū)別.因為此處鋼板的前進速度V是固定的.此時，需要保證當前檢測點(也即入水點，比如設(shè)為m點)在達到最后一組冷卻閥門時，N和K執(zhí)行的是當前根據(jù)m點計算的數(shù)值.需要將當前的計算數(shù)值N和K延遲Δt時間執(zhí)行，因為Δt時間之后，當前m點剛好達到最后一組閥門.因此，為了便于理解，將式(7)寫成如下形式，

(8)

式(8)的含義為，鋼板上任何一個更新點(m)，其根據(jù)入口測溫計計算的N和K，應(yīng)該在延遲Δt時間之后執(zhí)行，因為Δt時間之后，m點才剛好達到最后一組流量調(diào)節(jié)閥門，此時才可以利用K的調(diào)節(jié)來調(diào)整流量.因此，在實際執(zhí)行中，不用記錄具體的調(diào)節(jié)點，模型只需要不停地根據(jù)入口測溫計計算的N和K，由式(8)計算Δt，然后將相應(yīng)的N和K延遲Δt執(zhí)行即可.軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)整模型的控制流程圖如圖3所示.

圖3 軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)整模型流程圖

2 應(yīng)用實例

已知某鋼板重20 T，長20 m，鋼板頭部進入軋后冷卻初始溫度為970 ℃，目標溫度730 ℃，鋼板設(shè)定冷卻速率30 ℃/s，測溫儀顯示冷卻水塔里水溫32.7 ℃，冷卻后水溫53.2 ℃，每組水閥最大流量300 L/s，每相鄰兩組閥門之間距離為1.1 m.已知鋼板比熱容為0.46×103J/(kg·K),水的比熱容為4.2×103J/(kg·K),則根據(jù)式(1)計算可得，m水=25 645 kg．

根據(jù)式(2)計算可得，冷卻時間t為8 s；所以根據(jù)式(3)計算可得VOL(A)=3 205.6 L/s；根據(jù)式(4)計算可得，N為10，K為0.685；根據(jù)式(5)計算可得，S總為12.1 m；進而根據(jù)式(6)可得，設(shè)定鋼板前進速度為1.5 m/s.其動態(tài)調(diào)節(jié)過程不再詳述.

現(xiàn)場實際應(yīng)用表明，該模型可以大幅減少由于鋼板縱向入水時間差異導(dǎo)致的頭尾溫度偏差，進而減少鋼板頭尾性能差異，減少質(zhì)量改判的發(fā)生率，可以為相關(guān)同類生產(chǎn)線工藝改進提供參考.

3 結(jié)論

研究分析了考慮頭尾溫度偏差的中厚板軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)節(jié)模型.分析了目前大部分現(xiàn)場中厚板冷卻工藝容易導(dǎo)致的中厚板頭尾入水溫度偏差大，進而導(dǎo)致頭尾性能差的原因；通過設(shè)置一組動態(tài)調(diào)節(jié)水閥，通過檢測鋼板不同部位的入水溫度，控制動態(tài)調(diào)節(jié)水閥的水流量，進而建立了旨在消除中厚板頭尾溫度偏差的軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)節(jié)模型；實際應(yīng)用表明，該模型能夠顯著改善鋼板頭尾溫度偏差，可以為同類生產(chǎn)線的工藝改進提供參考，具有較強的實用價值.