熱軋帶鋼層流冷卻過(guò)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?？梢哉f(shuō)，噴水強(qiáng)制冷卻是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)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](méi)有時(shí)間離開(kāi)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(mǎn)足不同的厚度和不同類(lèi)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(guò)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(guò)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(xiàn)性關(guān)系處理帶鋼表面的輻射率，并通過(guò)校正帶鋼的厚度來(lái)考慮沿帶鋼厚度方向的傳熱過(guò)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(wèn)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(kāi)的集管數(shù)量的函數(shù)，可以通過(guò)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(guò)程，該過(guò)程的關(guān)鍵是根據(jù)冷卻曲線(xiàn)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(kāi)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(guò)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(lèi)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(guò)帶鋼在冷卻過(guò)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(wèn)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(lèi)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(xiàn)性公式描述層流冷卻的熱流密度，可以通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析來(lái)更新線(xiàn)性公式的系數(shù)，以提高模型的準(zhǔn)確性并更好地滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際控制過(guò)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(xiàn)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(yǔ)

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(guò)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(mǎn)足工藝要求，有必要提高熱軋帶鋼層流冷卻控制的精度。