九鋼中厚板冷卻控制系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試與功能優(yōu)化

摘要：本文介紹了九江3500 mm中厚板快速冷卻控制系統(tǒng)的升級改造和生產(chǎn)應(yīng)用，為了進(jìn)一步提高鋼板冷卻精度和自動化水平，根據(jù)中厚板廠軋后冷卻裝備的技術(shù)特點(diǎn)，開發(fā)了在線冷卻控制系統(tǒng)，開展系統(tǒng)在線調(diào)試和生產(chǎn)應(yīng)用。生產(chǎn)實(shí)踐表明：該快速冷卻系統(tǒng)在控制精度、溫度均勻性、板形等方面均得到較大的提升，能夠滿足九鋼中厚板生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：冷卻控制系統(tǒng)；返紅溫度命中率；溫度均勻性

0 引言

近年來，我國建筑、橋梁、工程機(jī)械、石油管線、壓力容器及造船等行業(yè)對高壽命、高強(qiáng)高韌性鋼板的需求與日俱增，鋼鐵企業(yè)不斷改進(jìn)工藝技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備。其中控制軋制和控制冷卻（TMCP）技術(shù)在高性能鋼鐵材料的開發(fā)和生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用和不斷的創(chuàng)新，作為TMCP工藝主要組成部分的軋后冷卻技術(shù)也取得了長足的發(fā)展。

近幾年我國鋼鐵企業(yè)或引進(jìn)國外先進(jìn)的軋后冷卻工藝生產(chǎn)線，或?qū)ΜF(xiàn)有軋后冷卻系統(tǒng)進(jìn)行升級改造；九江3500 mm中厚板廠目前的快速冷卻設(shè)備和控制系統(tǒng)已在線生產(chǎn)12年，經(jīng)過我廠技術(shù)人員的不懈努力，目前的溫度控制精度和板形得到一定改善，但隨著對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，目前的冷卻控制系統(tǒng)需要亟需更新。

1 中厚板快速冷卻裝置

九鋼軋后在線冷卻設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)為層流冷卻，主要技術(shù)參數(shù)見表1。該設(shè)備冷卻能力基本滿足目前產(chǎn)品的冷卻工藝要求，冷卻水壓力和流量控制相對穩(wěn)定，但目前的冷卻控制系統(tǒng)溫度控制精度較低，命中率較低，且波動較大。因此中厚板在線冷卻系統(tǒng)亟需技術(shù)升級。

（1）噴嘴結(jié)構(gòu)形式：鵝頸管噴嘴設(shè)計(jì)，流量控制穩(wěn)定，是一種功能完善穩(wěn)定的冷卻裝置；

（2）分組控制模式：實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確靈活的水量控制，冷卻水分布均勻，冷卻效果均勻；

（3）供水系統(tǒng)：滿足不同冷卻工藝要求、水壓穩(wěn)定、水質(zhì)可控；

（4）基礎(chǔ)自動化：控制完善、易調(diào)節(jié)、跟蹤和動作精準(zhǔn)；

（5）板形控制：各組冷卻水分布均勻，結(jié)合邊部遮蔽和微加速技術(shù)，保證鋼板軋向與橫向的冷卻均勻性。

2 中厚板冷卻控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)綜合了材料學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)和自動化控制等多個學(xué)科，基于傅立葉導(dǎo)熱微分方程和非穩(wěn)態(tài)隱式差分方法，建立快速冷卻控制系統(tǒng)的核心算法。開發(fā)了高精度、高效率、高適用性的中厚板在線冷卻控制系統(tǒng)，見圖2。該系統(tǒng)功能先進(jìn)和完善、計(jì)算準(zhǔn)確、易調(diào)整；通過相關(guān)試驗(yàn)，測得典型鋼種的熱物性參數(shù)，并根據(jù)FLUNT，ANSYS等有限元仿真軟件和生產(chǎn)實(shí)績驗(yàn)證、優(yōu)化模型的精度和功能。通過大量的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)優(yōu)化模型參數(shù)，保證了終冷溫度的控制精度和溫度均勻性。其關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾方面：

2.1 軋后冷卻系統(tǒng)溫度場模型

傳熱領(lǐng)域能量守恒定律有兩種表示方式，即導(dǎo)熱微分方程與導(dǎo)熱積分方程。從積分能量守恒定律形式出發(fā)所得到的差分格式稱為微元體能量平衡法，通過單元邊界的熱流量正比于相鄰兩單元的溫度差。本文基于傅立葉（Fourier）導(dǎo)熱微分方程，采用非穩(wěn)態(tài)隱式差分方法，建立快速冷卻過程高精度溫度場差分模型[1]。

（1）

由于中厚板長度和寬度遠(yuǎn)大于厚度，因此采用厚度方向一維溫度場差分模型，導(dǎo)熱微分方程中的溫度對位置二階導(dǎo)數(shù)是擴(kuò)散項(xiàng)，熱量總是從高溫流向低溫區(qū)。本文采用中心差分方法[2]，其誤差精度比向前差分或向后差分高一個數(shù)量級；邊界條件中溫度對位置一階導(dǎo)數(shù)是對流項(xiàng)，對流時流體有宏觀位移和方向性，宜采用向前差分或向后差分。即：

（2）

（3）

式中：T——鋼板的溫度，℃ ；

τ——鋼板冷卻時間，s；

x、y、z——鋼板內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，m；

λ——鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m.K）；

ρ——鋼板的密度，kg/m3；

Cp——鋼板的比熱，J/（kg.K）；

q’——相變或變形潛熱，J/kg。

2.2 快速冷卻系統(tǒng)換熱系數(shù)模型

針對換熱系數(shù)，傳熱特性理論入手尋求其表達(dá)方式，這樣能夠更接近實(shí)際。本文研究冷卻水和鋼板的換熱機(jī)理，建立了沖擊區(qū)和膜沸騰區(qū)冷卻換熱系數(shù)模型[2]。

（1）沖擊區(qū)的換熱系數(shù)：

（4）

式中：ai——沖擊區(qū)對流換熱系數(shù)，W/ （m2·K）；

λ——冷卻水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m.K）；

L——與噴嘴尺寸相關(guān)的沖擊區(qū)特征尺寸，m；

Re——雷諾數(shù)數(shù)；

Pr——普朗特常量， J·s；

C、m、n——模型系數(shù)。

（2）膜沸騰區(qū)換熱系數(shù)采用八田夏夫式子計(jì)算公式：

（5）

式中：αfu——膜沸騰區(qū)對流換熱系數(shù)，W/ （m2·K）；

Ts——鋼板表面的平均溫度，℃ ；

Tsw——滯留水溫度，℃ ；

Twsat——冷卻水的飽和溫度，℃ ；

C1、C2、C3——模型系數(shù)

（3）加權(quán)平均換熱系數(shù)：

（6）

式中：α——水冷綜合流換熱系數(shù)，W/ （m2·K）；

A——與流體接觸的壁面面積，m2；

Ai——與流體接觸的沖擊區(qū)面積，m2；

Afu——與流體接觸的膜沸騰區(qū)面積，m2。

2.3 材料的熱物性參數(shù)

材料的熱物性參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度等?；跍囟忍荻葘嵛镄詤?shù)的影響，目前應(yīng)用比較廣泛的是采用公式計(jì)算的方法，考慮鋼板溫度變化對熱物性參數(shù)的影響；但由于不同鋼種化學(xué)成分和合金元素的影響，實(shí)際測得的熱物性參數(shù)一般隨化學(xué)成分變化有較大的波動。本文根據(jù)卡里勞希法則[3]，采用熱力學(xué)試驗(yàn)獲取典型鋼種不同溫度下熱物性參數(shù)，提高了計(jì)算精度。對于新開發(fā)鋼種或未知鋼種，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，為新產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)。

2.4 冷卻均勻性控制策略

在冷卻均勻性方面，采用長度方向上的微加速和頭尾跟蹤遮蔽控制技術(shù)，以及全自動/手動上下水量比例調(diào)整等冷卻均勻化技術(shù)，保證鋼板在高強(qiáng)度冷卻條件下組織和性能均勻性。

●微加速控制策略：根據(jù)軋制方向上鋼板溫度變化，開發(fā)微加速設(shè)定模型，精確控制鋼板不同位置的冷卻水量和冷卻時間，提高鋼板軋制方向上溫度均勻性。

●頭尾遮蔽控制策略：根據(jù)鋼板的運(yùn)行速度和設(shè)定水量，采取頭尾遮蔽控制策略，在冷卻區(qū)域內(nèi)，精確控制流量控制閥的開度和閥門響應(yīng)時間。優(yōu)化鋼板頭部和尾部的遮蔽長度和水量，有效改善鋼板的黑頭和黑尾狀況[4]。

●上下水比控制技術(shù)：根據(jù)鋼板上下表面的水流狀態(tài)和冷卻面積不同，分別計(jì)算鋼板上下表面的溫度變化，保證上下表面終冷溫度一致性。

2.5 中厚板快速冷卻的控制策略

根據(jù)冷卻工藝要求，模型計(jì)算出能同時保證終冷溫度控制精度和冷卻速度控制精度的最優(yōu)規(guī)程，動態(tài)調(diào)整冷卻模式，集管組態(tài)、集管流量和輥道速度。同時與均勻性控制策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鋼板性能和板形的雙達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 目標(biāo)終冷溫度的控制精度

新一代中厚板冷卻控制系統(tǒng)在九江3 500 mm中厚板生產(chǎn)線投入使用后，對2021年6月份

1 500余塊不同厚度規(guī)格鋼板的終冷溫度控制精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見圖2和表2，終冷溫度誤差在±20℃范圍內(nèi)的平均命中率達(dá)到99.5%。

3.2 快速冷卻后鋼板的溫度均勻性

生產(chǎn)實(shí)際中，快速冷卻后鋼板的溫度均勻性良好。頭尾遮蔽功能將鋼板的黑頭和黑尾長度均控制在150 mm以下，大大減少了鋼板頭尾的切損，提高了成材率；通過微加速策略和微跟蹤功能，使鋼板全長方向上最大溫差在25℃之內(nèi)。圖3為中厚板廠快速冷卻后鋼板的溫度分布情況；冷卻后鋼板在軋制方向上的溫度分布均勻。

通過對6月份1 500余塊鋼板溫度均勻性的統(tǒng)計(jì)分析，溫度波動在25℃之內(nèi)的平均命中率達(dá)到98.4%。

3.3 快速冷卻后鋼板的板形

鋼板快速冷卻后，由于軋制形變應(yīng)力、熱應(yīng)力和相變應(yīng)力的影響，鋼板內(nèi)部累積一定殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力超過一定極限（屈服）時，鋼板會發(fā)生塑性形變，產(chǎn)生板形問題。鋼板軋制和冷卻過程工況極其復(fù)雜，控制冷卻后鋼板板形，首先要保證鋼板長度和寬度方向上溫度的均勻性，采用適當(dāng)水比控制、微加速控制和頭尾遮蔽等功能。新一代冷卻控制系統(tǒng)投入使用時候后，板形較改造前有了明顯改善，鋼板的橫向板形指標(biāo)均控制在±5U以下，消除了鋼板頭部和尾部的翹扣頭情況，提高了產(chǎn)品成材率。

4 結(jié)論

新一代中厚板冷卻控制系統(tǒng)在九江3 500 mm中厚板廠的生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的效果，對提高產(chǎn)品性能和成材率、降低生產(chǎn)成本發(fā)揮了重大作用。

（1）改造后的新系統(tǒng)是一套高精度、高效率、高適用性的軋后快速冷卻模型系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

（2）控制精度：冷卻鋼板終冷溫度的控制精度±20℃內(nèi)的命中率≥96%。

（3）溫度均勻性：鋼板軋制方向溫度波動±25℃內(nèi)的命中率≥96%。

（4）板形特征：鋼板整體板形良好，鋼板頭部和尾部的橫向瓢曲均在±5U內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社.

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［4］ 趙超，徐建東，高軍，等.寬厚板生產(chǎn)線鋼板頭部過冷問題的分析與控制［J］.包鋼科技，2017，43（05）：45-48