消除头尾温度偏差的中厚板轧后冷却的水量动态调节模型

祝夫文，郭怀兵

(1.安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000；2.南京钢铁股份有限公司 宽厚板厂,江苏 南京 210035)

中厚板的轧后冷却系统是影响钢板组织性能的重要因素，相关冷却系统及工艺会对组织性能造成较大影响，甚至导致性能缺陷[1-2].因此，众多科研工作者一直在进行板带轧后冷却系统的模型及控制系统的研究工作[3-5].

中厚板在轧制完成后，大部分钢种需要进行轧后冷却以改善钢板的性能.如图1所示为钢板轧后冷却示意图，图1中方框内设为轧后冷却区域.另外设钢板前进方向端部为A，反向端部为B.设俩相邻阀门间距离为S，目标冷却温度为Tt(为了避免记忆各种符号，方便理解，直接假设目标冷却温度为700 ℃进行说明).

传统的轧后冷却流量自动计算模型中，一般是根据测温仪测量的钢板A处的温度(设为TA)，结合目标温度700 ℃直接计算.假设计算结果为需要5组水开启，则根据传统计算模型，该钢板从冷却开始到冷却结束，钢板都是采用5组水冷却的.但是上述设定中实际存在一个问题，即钢板A端和B端(设其温度为TB)进入轧后冷却区域时的温度并不相同.而且根据实际检测，在钢板较长情况下，两者温度相差可以达到80 ℃.这种情况下，如果头A和尾B均采用5组水冷却，容易导致头尾性能不均，增加了出现质量事故的可能性.

研究叙述的是在中厚板及宽厚板的轧后冷却过程中，针对钢板头尾温度偏差的既定存在而进行的有针对性的考虑头尾温度偏差的轧后冷却的水量动态调节模型.

图1 钢板轧后冷却示意图

1 控制模型基本原理

轧后冷却水量动态调节示意图如图2所示.在轧后冷却入口处一般要设置一个测温仪，用于实时检测钢板的入水温度.在钢板达到测温仪时，此时钢板冷却计算机控制系统可以从轧机控制计算机系统读取到钢板总长度(用L表示，单位m)和钢板实时前进速度(用V表示，单位m/s).

图2 轧后冷却水量动态调节示意图

1.1 钢板初始入水冷却水流量的计算

当钢板的端部A进入轧后冷却区时，根据测温仪检测到初始温度T及目标冷却温度Tt(目标冷却温度是钢板冷却希望达到的温度，比如钢板希望冷却到700 ℃，则目标温度为700 ℃)，计算初始流量VOL(A)，具体步骤如下.

(1)由于冷却过程归根到底为热传递过程，而且钢板基本被水全面覆盖，因此热辐射几乎可以忽略.而且与轧辊的接触传热，也可以以自学习系数的形式等价转化为与水的热交换，因此，由能量守恒，有式(1)成立(由于冷却过程中水蒸气会带走一部分热量，所以式(1)左侧一般需要乘以0.9的自学习系数，由于重点讨论基本模型，所以这里对于自学习不再详述)，

C钢m钢ΔT钢=C水m水ΔT水,

(1)

式中，C钢是钢的比热；C水是水的比热；m钢是钢板的质量；ΔT钢是钢板的温降，ΔT钢=T-Tt；ΔT水是冷却水的温升，ΔT水=T2-T1，T2是冷却水的终了温度(通过温度计测量)，T1是冷却水的初始温度(通过温度计测量).由上述分析可知，式(1)中，除了m水外，其他各项均为已知或可求.因此，由式(1)可以求出将钢板A点处由初始温度T冷却到目标温度Tt所需要的冷却水质量m水.

(2)钢板冷却到目标温度所需要的冷却时间的计算，如式(2)所示，

(2)

式中，t为所需要的冷却时间，单位s；Vt是操作员设定的目标冷却速率，单位为℃/s.冷却过程中，t保持A点的时间不变.

(3)VOL(A)的计算如式(3)所示，单位kg/s,

(3)

(4)冷却水阀门开启组数计算如式(4)所示，

VOL(A)=NFmax+KFmax,

(4)

(5)阀门开启总长度(冷却总距离S总)计算，如式(5)所示，

(5)

式中，S是相邻两个冷却喷嘴之间的距离，单位m.

(6)钢板前进速度的计算.根据A点的目标冷却时间t，采用式(6)计算钢板的前进速度，

(6)

直接将N、K及V传递给基础自动化控制系统，开启相关阀门，开始放水冷却.此处计算钢板前进速度，一旦计算完成，钢板直至冷却完成，其前进速度将不再改变.后续调整，只调整阀门水流量，而不再调整钢板前进速度.

此时完成的是钢板初始冷却水量的设定、钢板运动速度的设定，计数器记录调整次数m为0.

1.2 钢板冷却水流量的更新计算

1.1的计算完成后，钢板即开始前进，入水冷却.自此开始，每经过一个时间周期C(本处可以理解为每前进1 m)，控制模型都将重新进行一次冷却水流量的更新计算.具体过程为：测温仪测量最新的温度T新，根据T新及目标冷却温度Tt，计算N、K.相关计算与式(1)、式(3)、式(4)相同，只需要将相关的温度T替换为T新即可.

在得到了最新的N和K之后，即根据式(5)计算S总，随后根据式(6)，得到式(7)

(7)

值得注意的是，式(7)与式(6)有一些区别.因为此处钢板的前进速度V是固定的.此时，需要保证当前检测点(也即入水点，比如设为m点)在达到最后一组冷却阀门时，N和K执行的是当前根据m点计算的数值.需要将当前的计算数值N和K延迟Δt时间执行，因为Δt时间之后，当前m点刚好达到最后一组阀门.因此，为了便于理解，将式(7)写成如下形式，

(8)

式(8)的含义为，钢板上任何一个更新点(m)，其根据入口测温计计算的N和K，应该在延迟Δt时间之后执行，因为Δt时间之后，m点才刚好达到最后一组流量调节阀门，此时才可以利用K的调节来调整流量.因此，在实际执行中，不用记录具体的调节点，模型只需要不停地根据入口测温计计算的N和K，由式(8)计算Δt，然后将相应的N和K延迟Δt执行即可.轧后冷却水量动态调整模型的控制流程图如图3所示.

图3 轧后冷却水量动态调整模型流程图

2 应用实例

已知某钢板重20 T，长20 m，钢板头部进入轧后冷却初始温度为970 ℃，目标温度730 ℃，钢板设定冷却速率30 ℃/s，测温仪显示冷却水塔里水温32.7 ℃，冷却后水温53.2 ℃，每组水阀最大流量300 L/s，每相邻两组阀门之间距离为1.1 m.已知钢板比热容为0.46×103J/(kg·K),水的比热容为4.2×103J/(kg·K),则根据式(1)计算可得，m水=25 645 kg．

根据式(2)计算可得，冷却时间t为8 s；所以根据式(3)计算可得VOL(A)=3 205.6 L/s；根据式(4)计算可得，N为10，K为0.685；根据式(5)计算可得，S总为12.1 m；进而根据式(6)可得，设定钢板前进速度为1.5 m/s.其动态调节过程不再详述.

现场实际应用表明，该模型可以大幅减少由于钢板纵向入水时间差异导致的头尾温度偏差，进而减少钢板头尾性能差异，减少质量改判的发生率，可以为相关同类生产线工艺改进提供参考.

3 结论

研究分析了考虑头尾温度偏差的中厚板轧后冷却水量动态调节模型.分析了目前大部分现场中厚板冷却工艺容易导致的中厚板头尾入水温度偏差大，进而导致头尾性能差的原因；通过设置一组动态调节水阀，通过检测钢板不同部位的入水温度，控制动态调节水阀的水流量，进而建立了旨在消除中厚板头尾温度偏差的轧后冷却水量动态调节模型；实际应用表明，该模型能够显著改善钢板头尾温度偏差，可以为同类生产线的工艺改进提供参考，具有较强的实用价值.