前置超快冷UFCT 值在冬季環(huán)境下的控制優(yōu)化

游加偉，張振衛(wèi)，曹 鵬，呂士迎

（日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照 276806）

1 背景介紹

隨著國內(nèi)熱軋產(chǎn)品多元化的發(fā)展，熱軋帶鋼產(chǎn)品需求朝著功能化、專業(yè)化的方向衍生，熱軋帶鋼產(chǎn)線的功能由之前的量產(chǎn)為主轉(zhuǎn)型為客戶個性化、產(chǎn)品精品化制造。2 150 mm 熱軋產(chǎn)線在積極適應(yīng)市場需求，探索市場的過程中，結(jié)合區(qū)位優(yōu)勢，逐步打造以高強鋼生產(chǎn)為主的精品鋼制造基地，服務(wù)于熱軋工程機械結(jié)構(gòu)鋼市場。

層流冷卻是熱軋帶鋼生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，其產(chǎn)品組織和性能對材料后續(xù)加工成型質(zhì)量有著關(guān)鍵性影響，通過引入超快冷新技術(shù)，綜合利用細(xì)晶強化、析出強化、相變強化等多種強化方式[1]實現(xiàn)更高質(zhì)量的高強結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)，其軋后冷卻原理圖如圖1 所示，相關(guān)符號及表達(dá)含義如表1 所示。經(jīng)過改造后的2 150 mm熱軋產(chǎn)線，采用了前段超快冷與常規(guī)層流冷卻組合的冷卻裝置，前置方式（見圖2）可以用于高屈服強度的熱軋帶鋼生產(chǎn)[3]。

圖1 軋后冷卻原理圖

表1 符號含義及單位

圖2 前置超快冷的工藝布置

2 前段超快冷出口溫度（UFCT）值波動原因分析

常規(guī)熱連軋線具有生產(chǎn)節(jié)奏快、連續(xù)性強、產(chǎn)品規(guī)格跨度較大等特點，不利于熱軋板帶鋼軋后冷卻過程對溫度的高精度控制[2]。

2.1 高精度的軋后冷卻溫度數(shù)學(xué)模型

超快冷條件下，建立的水冷等效對流換熱系數(shù)理論統(tǒng)計模型如下所示：

式中：d 為帶鋼厚度，m；Tw為水溫，K；T 為帶鋼表面溫度，K；FD為水流密度，用于表征單位面積水流量，m/h；v 為帶鋼速度，m/s；p 為冷卻水壓力，MPa；A1—A6為模型修正系數(shù)；Tw0為基準(zhǔn)水溫，K；vT為帶鋼穿帶速度，m/s；pB為冷卻水基準(zhǔn)壓力，MPa。

其中，F(xiàn)D可通過下式獲得：

式中：F 為冷卻單元集管總流量，m3/h；W 為冷卻單元寬度，m；L 為冷卻單元長度，m。

上述模型中，d、Tw0、vT、W、P、FD等參數(shù)在一塊鋼的生產(chǎn)時間內(nèi)，都屬于靜態(tài)數(shù)值，動態(tài)數(shù)值只有帶鋼表面實測溫度T。

2.2 溫度精度控制策略

軋后冷卻目標(biāo)溫度控制系統(tǒng)（見下頁圖3），可在精確控制超快冷出口溫度UFCT 的同時，精確控制卷取溫度CT。UFCT 是CT 上游工藝設(shè)定溫度，因此在閉環(huán)狀態(tài)下，UFCT 控制精度可直接影響到CT 的控制精度，系統(tǒng)需要同時對超快速冷卻設(shè)備和層流冷卻設(shè)備進(jìn)行控制。

圖3 軋后冷卻控制系統(tǒng)示意圖[3]

超快速冷卻與層流冷卻區(qū)別較大，在冷卻過程中，超快速冷卻系統(tǒng)壓力高、流量大，對帶鋼冷卻速率高，超快速冷卻設(shè)備位于層流冷卻設(shè)備上游，UFCT控制的精度、測量精度等均影響CT 的精度控制。冬季環(huán)境下，受室內(nèi)室外溫差大的影響，出口水汽大，UFCT 值異常數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)，精度控制性差。

3 影響UFCT 值的因素分析及改進(jìn)措施

熱軋帶鋼在冬季環(huán)境下正常生產(chǎn)時，水汽影響帶鋼表面溫度的檢測，穩(wěn)定性差，結(jié)合現(xiàn)場工況及生產(chǎn)經(jīng)驗，對水汽影響帶鋼表面溫度檢測的因素進(jìn)行分析，并提出解決方案。

3.1 產(chǎn)生水汽的影響

水在常溫下會持續(xù)蒸發(fā)，這個常溫包括了低溫和高溫。冬季北方氣溫變化大，熱軋帶鋼在正常生產(chǎn)中產(chǎn)生的冷卻換熱水，在室內(nèi)溫度低的情況下，水蒸氣蒸騰后，受空中冷空氣的影響會凝聚在半空中，聚集多了就會呈現(xiàn)白色霧狀，進(jìn)而產(chǎn)生水汽。而水汽在遇冷冷凝后呈小水滴狀態(tài)，現(xiàn)場UFCT 段高溫計采點受冷凝水滴的遮擋影響，帶鋼表面溫度未能進(jìn)行有效測量，易造成UFCT 段采點溫度失真問題。

3.2 原理分析

為證實前置超快冷出口影響UFCT 值采集的因素是氣液混合冷凝水滴，根據(jù)馬格拉斯公式（3）進(jìn)行分析。露點/露點溫度為td，即水汽在空氣中含量不變，氣壓在保持一定的情況下，使空氣冷卻并達(dá)到飽和時的溫度[5]，其計算公式為：

式中：td為露點溫度，℃；b 為常系數(shù)，取243.92；e 為水蒸氣壓，hPa；E0為飽和水蒸氣壓，hPa；a 為常系數(shù)，取7.69；t0為室溫，℃[4]。

空氣溫度t0與露點溫度td的關(guān)系圖如圖4 所示。

圖4 空氣溫度T0 與露點溫度Td 的關(guān)系圖

由公式（3）（4）可以看出，當(dāng)空氣中水蒸氣壓不變的情況下，含有可凝組分的氣體混合物在被冷卻到一定溫度時，達(dá)到氣液相平衡的臨界狀態(tài)，可凝組分在氣相中達(dá)到飽和而凝結(jié)成液體狀態(tài)[4]。

3.3 解決方案

通過分析，在冬季條件下，前置超快冷出口水汽中冷凝出現(xiàn)的水滴是造成UFCT 值采點溫度異常（命中率低）的重要影響因素。結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，采取抑制水汽源水汽擴散和加速逸散水汽吹掃的辦法，可以有效提升UFCT 值命中率。實際生產(chǎn)中，硬件設(shè)備改造現(xiàn)場如圖5 所示，改造后水汽的控制情況如圖6 所示。

圖5 硬件設(shè)備改造現(xiàn)場

圖6 改造后水汽的控制

3.3.1 抑制水汽源的水汽擴散

現(xiàn)場UFCT 值采用紅外高溫計，工作方式為非接觸式測溫，對層冷輥道中心線位置（默認(rèn)帶鋼中心線）進(jìn)行線掃描，前置超快冷出口與紅外高溫計間的距離僅為30 cm±5 cm，前置超快冷冷卻壓力高、流量大，相對帶鋼冷卻速率高，水汽量大且密集。前置超快冷出口為開口式布置，冷卻水產(chǎn)生的水汽直接向外擴散，增設(shè)出口水汽抑制板，將水汽擋在超快冷冷卻區(qū)域內(nèi)，從而減少水汽逸散。

3.3.2 加速逸散水汽的吹掃

增設(shè)出口水汽抑制板，將大部分水汽擋在超快冷冷卻區(qū)，部分水汽會在輥道與抑制板空檔段逸散。在現(xiàn)場UFCT 采溫的紅外高溫計處，利用單臺風(fēng)機對測溫點位置進(jìn)行水汽的水掃（傳動側(cè)高溫計口附近有單臺小功率風(fēng)機），夏季環(huán)境下可以滿足正常使用，而在冬季條件下，由于水汽量密集，增加測溫點水汽吹掃強度，將單臺風(fēng)機增加為2 臺，并將其布置在輥道操作側(cè)（傳動側(cè)高溫計口附近有單臺小功率風(fēng)機保留），而后進(jìn)行帶鋼表面測溫點的（輥道與抑制板空檔位置）集中吹掃。

4 方案效果檢驗

對產(chǎn)線定修設(shè)備按照方案中的可行性檢修計劃要求，對現(xiàn)場硬件進(jìn)行增設(shè)與位置調(diào)整校準(zhǔn)，同時層冷過程控制工程師對模型樣本采集頻率進(jìn)行針對性調(diào)整。優(yōu)化前后UFCT 值曲線情況如圖7 所示。從圖中可以看出，優(yōu)化方案執(zhí)行效果明顯，UFCT 值曲線達(dá)到生產(chǎn)工藝應(yīng)用要求，UFCT 溫度被控制在±20 ℃，控制精度可達(dá)到93%以上。

圖7 優(yōu)化前UFCT 值曲線

5 結(jié)論

1）室溫變化產(chǎn)生的水汽冷凝水滴影響高溫計對帶鋼表面實測溫度的正常測量。

2）通過增加水汽抑制板，大大減小水汽擴散；在北方冬季環(huán)境下，為實現(xiàn)熱軋帶鋼前置超快冷出口溫度控制策略的穩(wěn)定性提供了有力保障。