热轧带钢层流冷却过程控制方法的应用探讨

2019-03-04何鑫

世界有色金属 2019年22期

何鑫

（安徽工业大学能源与环境学院，安徽马鞍山 243002）

1 层流冷却工艺概述

强制喷水冷却是把冷却水喷向非常高温度的带钢，两者之间很大的温差将引起快速的热传递。可以说，喷水强制冷却是一个复杂的物理过程，正是较大的温度差和热传递导致“薄膜沸腾”现象出现。

在带钢表面冷却水的气化迅速增加，并且在加热表面形成大量的蒸汽膜，这是因为它们没有时间离开带钢的表面，导致带钢出现一段时间的低导热率，当水分不再稳定地吸附在带钢的表面时，两者之间会形成新的碰撞[1]。此时，它已经达到“泡核沸腾”的阶段，此时的热传导现象将非常强烈，在这段时间之后，带钢的温度将缓慢降低，为了更好地改善散热效果，研究人员提出了多种散热方式，例如风冷、水冷、层流冷却、空气冷却高压喷嘴冷却、物理化学冷却和喷雾冷却等。这些冷却方法具有相同的优点。首先，具有比较好的散热效果，能够满足不同的厚度和不同类型的冷却速度要求。其次具有快速响应的冷却系统。最后，应该确保在大量重复操作中可以达到相同的冷却效果[2]。

2 温度预测模型

层流冷却是指对输出辊道上的带钢进行冷却的过程。本文选取某市一热轧厂的层冷设备为研究对象。资料显示，该热轧厂内所使用的热轧机组多用于生产中薄带钢，带钢的厚度在1.5mm～12mm之间，该热轧厂层冷设备的冷却区包含十二个集管组，按照上下对应的位置分布，均匀布置在输出辊道的上下侧，每组集管均配有侧喷水装置，其中前9组是粗调部分，后3组是精调部分，精调部分主要用于反馈控制。

图1 层流冷却设备

2.1 空冷传热模型

研究表明，在带钢空冷期间其在长度以及宽度方向内的传导条件相同，即带钢温度在长度以及宽度上的分布是均匀的。由于本热轧厂所生产的带钢厚度较薄，故认为带钢温度在厚度上也表现一致，这样就可以将带钢的整个空冷过程简单地认定为零维非稳态热传导。由于在层流冷却区，带钢的温度一般为500℃～900℃，所以θg4远远大于θh4，因此，对带钢在时间Δt范围内积分可得空冷传热的数学模型。

以上空冷温降的计算公式是基于带钢较薄的假设，实际上，由于带钢在厚度方向上具有导热性，因此使用该公式计算空冷温降需要进行厚度校正。模型根据带材厚度的线性关系处理带钢表面的辐射率，并通过校正带钢的厚度来考虑沿带钢厚度方向的传热过程。

2.2 水冷传热模型

水冷式传热模型与空管冷式传热模型相似，同样视为零维非稳态问题，如果带钢两个表面与冷却水之间的热传递的总热通密度为Q，则带钢的微分热传递方程可表示为：

在单个集管组的范围内，如果热通量密度Q恒定，则在带钢在单个集管组中运行期间对上述公式进行积分，以获得水冷后的轧制产品的温降。由于热流密度的计算比较复杂，它是热流密度校正因子和实际打开的集管数量的函数，可以通过现场数据的回归获得热流密度校正因子。

带钢层流冷却是一个复杂的工业过程，该过程的关键是根据冷却曲线确定集管的分布形式，并确定带钢进入冷却区之前控制量的大小。为此，必须建立带钢温度变化的动态模型，该模型应该能够反映出开放集管的数量、带钢最终轧制出口的温度、速度和厚度以及带钢温度之间的关系。在进行系统设计的过程中，需要首先获得精轧机传输所输入的信息数据，进而可求出要想达到目标卷取温度所需布置的割台数量与位置，在实践中，如果带钢达到精轧目标值，则可以由测定得到的带钢的温度、厚度等参数得出集管增加量。

研究表明，不同类型以及不同厚度的带钢，具有不同的冷却能力，本文中所确定的前馈控制算法是通过带钢在冷却过程中所具有的平均温度而确定的，但在实践中，由于不同厚度的带钢具有不同形式的温度补偿量，卷取温度预测准确度将会降低。本文为了解决这一问题，从根本上消除补偿量不同而造成的不良影响，将带钢划分为不同的类型，且不同组的对应系数有所差异。

3 控制试验验证与结论

作者描述的预测层流冷却的数学模型使用线性公式描述层流冷却的热流密度，可以通过对生产数据进行回归分析来更新线性公式的系数，以提高模型的准确性并更好地满足现场需求。同时，结合实际控制过程，采用前馈控制算法进行优化，以提高卷取温度的控制精度。目前，层流冷却系统已在现场使用的α机器上进行了模拟，卷取温度曲线的变化趋势和集管的数量与现场控制的基本趋势一致，可以消除带钢头尾部的低温，并减少带钢同板之间的温差波动。