熱軋帶鋼層流冷卻過程控制方法的應(yīng)用探討

何 鑫

（安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

1 層流冷卻工藝概述

強(qiáng)制噴水冷卻是把冷卻水噴向非常高溫度的帶鋼，兩者之間很大的溫差將引起快速的熱傳遞。可以說，噴水強(qiáng)制冷卻是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，正是較大的溫度差和熱傳遞導(dǎo)致“薄膜沸騰”現(xiàn)象出現(xiàn)。

在帶鋼表面冷卻水的氣化迅速增加，并且在加熱表面形成大量的蒸汽膜，這是因?yàn)樗鼈儧]有時(shí)間離開帶鋼的表面，導(dǎo)致帶鋼出現(xiàn)一段時(shí)間的低導(dǎo)熱率，當(dāng)水分不再穩(wěn)定地吸附在帶鋼的表面時(shí)，兩者之間會(huì)形成新的碰撞[1]。此時(shí)，它已經(jīng)達(dá)到“泡核沸騰”的階段，此時(shí)的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象將非常強(qiáng)烈，在這段時(shí)間之后，帶鋼的溫度將緩慢降低，為了更好地改善散熱效果，研究人員提出了多種散熱方式，例如風(fēng)冷、水冷、層流冷卻、空氣冷卻高壓噴嘴冷卻、物理化學(xué)冷卻和噴霧冷卻等。這些冷卻方法具有相同的優(yōu)點(diǎn)。首先，具有比較好的散熱效果，能夠滿足不同的厚度和不同類型的冷卻速度要求。其次具有快速響應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。最后，應(yīng)該確保在大量重復(fù)操作中可以達(dá)到相同的冷卻效果[2]。

2 溫度預(yù)測(cè)模型

層流冷卻是指對(duì)輸出輥道上的帶鋼進(jìn)行冷卻的過程。本文選取某市一熱軋廠的層冷設(shè)備為研究對(duì)象。資料顯示，該熱軋廠內(nèi)所使用的熱軋機(jī)組多用于生產(chǎn)中薄帶鋼，帶鋼的厚度在1.5mm～12mm之間，該熱軋廠層冷設(shè)備的冷卻區(qū)包含十二個(gè)集管組，按照上下對(duì)應(yīng)的位置分布，均勻布置在輸出輥道的上下側(cè)，每組集管均配有側(cè)噴水裝置，其中前9組是粗調(diào)部分，后3組是精調(diào)部分，精調(diào)部分主要用于反饋控制。

圖1 層流冷卻設(shè)備

2.1 空冷傳熱模型

研究表明，在帶鋼空冷期間其在長(zhǎng)度以及寬度方向內(nèi)的傳導(dǎo)條件相同，即帶鋼溫度在長(zhǎng)度以及寬度上的分布是均勻的。由于本熱軋廠所生產(chǎn)的帶鋼厚度較薄，故認(rèn)為帶鋼溫度在厚度上也表現(xiàn)一致，這樣就可以將帶鋼的整個(gè)空冷過程簡(jiǎn)單地認(rèn)定為零維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。由于在層流冷卻區(qū)，帶鋼的溫度一般為500℃～900℃，所以θg4遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于θh4，因此，對(duì)帶鋼在時(shí)間Δt范圍內(nèi)積分可得空冷傳熱的數(shù)學(xué)模型。

以上空冷溫降的計(jì)算公式是基于帶鋼較薄的假設(shè)，實(shí)際上，由于帶鋼在厚度方向上具有導(dǎo)熱性，因此使用該公式計(jì)算空冷溫降需要進(jìn)行厚度校正。模型根據(jù)帶材厚度的線性關(guān)系處理帶鋼表面的輻射率，并通過校正帶鋼的厚度來考慮沿帶鋼厚度方向的傳熱過程。

2.2 水冷傳熱模型

水冷式傳熱模型與空管冷式傳熱模型相似，同樣視為零維非穩(wěn)態(tài)問題，如果帶鋼兩個(gè)表面與冷卻水之間的熱傳遞的總熱通密度為Q，則帶鋼的微分熱傳遞方程可表示為：

在單個(gè)集管組的范圍內(nèi)，如果熱通量密度Q恒定，則在帶鋼在單個(gè)集管組中運(yùn)行期間對(duì)上述公式進(jìn)行積分，以獲得水冷后的軋制產(chǎn)品的溫降。由于熱流密度的計(jì)算比較復(fù)雜，它是熱流密度校正因子和實(shí)際打開的集管數(shù)量的函數(shù)，可以通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的回歸獲得熱流密度校正因子。

帶鋼層流冷卻是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)過程，該過程的關(guān)鍵是根據(jù)冷卻曲線確定集管的分布形式，并確定帶鋼進(jìn)入冷卻區(qū)之前控制量的大小。為此，必須建立帶鋼溫度變化的動(dòng)態(tài)模型，該模型應(yīng)該能夠反映出開放集管的數(shù)量、帶鋼最終軋制出口的溫度、速度和厚度以及帶鋼溫度之間的關(guān)系。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要首先獲得精軋機(jī)傳輸所輸入的信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而可求出要想達(dá)到目標(biāo)卷取溫度所需布置的割臺(tái)數(shù)量與位置，在實(shí)踐中，如果帶鋼達(dá)到精軋目標(biāo)值，則可以由測(cè)定得到的帶鋼的溫度、厚度等參數(shù)得出集管增加量。

研究表明，不同類型以及不同厚度的帶鋼，具有不同的冷卻能力，本文中所確定的前饋控制算法是通過帶鋼在冷卻過程中所具有的平均溫度而確定的，但在實(shí)踐中，由于不同厚度的帶鋼具有不同形式的溫度補(bǔ)償量，卷取溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度將會(huì)降低。本文為了解決這一問題，從根本上消除補(bǔ)償量不同而造成的不良影響，將帶鋼劃分為不同的類型，且不同組的對(duì)應(yīng)系數(shù)有所差異。

3 控制試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)論

作者描述的預(yù)測(cè)層流冷卻的數(shù)學(xué)模型使用線性公式描述層流冷卻的熱流密度，可以通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析來更新線性公式的系數(shù)，以提高模型的準(zhǔn)確性并更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際控制過程，采用前饋控制算法進(jìn)行優(yōu)化，以提高卷取溫度的控制精度。目前，層流冷卻系統(tǒng)已在現(xiàn)場(chǎng)使用的α機(jī)器上進(jìn)行了模擬，卷取溫度曲線的變化趨勢(shì)和集管的數(shù)量與現(xiàn)場(chǎng)控制的基本趨勢(shì)一致，可以消除帶鋼頭尾部的低溫，并減少帶鋼同板之間的溫差波動(dòng)。

4 結(jié)語

帶鋼的結(jié)構(gòu)性能直接受熱軋帶鋼卷取溫度的影響，卷取溫度是熱軋帶鋼生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵操作數(shù)據(jù)，對(duì)熱軋帶鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)影響較大，為了更好地確保卷取溫度滿足工藝要求，有必要提高熱軋帶鋼層流冷卻控制的精度。