九鋼中厚板冷卻控制系統現場調試與功能優化

摘要：本文介紹了九江3500 mm中厚板快速冷卻控制系統的升級改造和生產應用，為了進一步提高鋼板冷卻精度和自動化水平，根據中厚板廠軋后冷卻裝備的技術特點，開發了在線冷卻控制系統，開展系統在線調試和生產應用。生產實踐表明：該快速冷卻系統在控制精度、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工藝和產品質量的技術要求。

關鍵詞：冷卻控制系統；返紅溫度命中率；溫度均勻性

0 引言

近年來，我國建筑、橋梁、工程機械、石油管線、壓力容器及造船等行業對高壽命、高強高韌性鋼板的需求與日俱增，鋼鐵企業不斷改進工藝技術和生產設備。其中控制軋制和控制冷卻（TMCP）技術在高性能鋼鐵材料的開發和生產中得到廣泛應用和不斷的創新，作為TMCP工藝主要組成部分的軋后冷卻技術也取得了長足的發展。

近幾年我國鋼鐵企業或引進國外先進的軋后冷卻工藝生產線，或對現有軋后冷卻系統進行升級改造；九江3500 mm中厚板廠目前的快速冷卻設備和控制系統已在線生產12年，經過我廠技術人員的不懈努力，目前的溫度控制精度和板形得到一定改善，但隨著對產品質量要求的不斷提高，目前的冷卻控制系統需要亟需更新。

1 中厚板快速冷卻裝置

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

（1）噴嘴結構形式：鵝頸管噴嘴設計，流量控制穩定，是一種功能完善穩定的冷卻裝置；

（2）分組控制模式：實現準確靈活的水量控制，冷卻水分布均勻，冷卻效果均勻；

（3）供水系統：滿足不同冷卻工藝要求、水壓穩定、水質可控；

（4）基礎自動化：控制完善、易調節、跟蹤和動作精準；

（5）板形控制：各組冷卻水分布均勻，結合邊部遮蔽和微加速技術，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

本系統綜合了材料學、流體力學、傳熱學和自動化控制等多個學科，基于傅立葉導熱微分方程和非穩態隱式差分方法，建立快速冷卻控制系統的核心算法。開發了高精度、高效率、高適用性的中厚板在線冷卻控制系統，見圖2。該系統功能先進和完善、計算準確、易調整；通過相關試驗，測得典型鋼種的熱物性參數，并根據FLUNT，ANSYS等有限元仿真軟件和生產實績驗證、優化模型的精度和功能。通過大量的現場生產數據優化模型參數，保證了終冷溫度的控制精度和溫度均勻性。其關鍵技術包括以下幾方面：

2.1 軋后冷卻系統溫度場模型

傳熱領域能量守恒定律有兩種表示方式，即導熱微分方程與導熱積分方程。從積分能量守恒定律形式出發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）導熱微分方程，采用非穩態隱式差分方法，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大于厚度，因此采用厚度方向一維溫度場差分模型，導熱微分方程中的溫度對位置二階導數是擴散項，熱量總是從高溫流向低溫區。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量級；邊界條件中溫度對位置一階導數是對流項，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——鋼板內部各節點坐標，m；

λ——鋼板的導熱系數，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 快速冷卻系統換熱系數模型

針對換熱系數，傳熱特性理論入手尋求其表達方式，這樣能夠更接近實際。本文研究冷卻水和鋼板的換熱機理，建立了沖擊區和膜沸騰區冷卻換熱系數模型[2]。

（1）沖擊區的換熱系數：

（4）

式中：ai——沖擊區對流換熱系數，W/ （m2·K）；

λ——冷卻水的導熱系數，W/（m.K）；

L——與噴嘴尺寸相關的沖擊區特征尺寸，m；

Re——雷諾數數；

Pr——普朗特常量， J·s；

C、m、n——模型系數。

（2）膜沸騰區換熱系數采用八田夏夫式子計算公式：

（5）

式中：αfu——膜沸騰區對流換熱系數，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

（3）加權平均換熱系數：

（6）

式中：α——水冷綜合流換熱系數，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面積，m2；

Afu——與流體接觸的膜沸騰區面積，m2。

2.3 材料的熱物性參數

材料的熱物性參數包括導熱系數、比熱和密度等?；跍囟忍荻葘嵛镄詤档挠绊?，目前應用比較廣泛的是采用公式計算的方法，考慮鋼板溫度變化對熱物性參數的影響；但由于不同鋼種化學成分和合金元素的影響，實際測得的熱物性參數一般隨化學成分變化有較大的波動。本文根據卡里勞希法則[3]，采用熱力學試驗獲取典型鋼種不同溫度下熱物性參數，提高了計算精度。對于新開發鋼種或未知鋼種，采用經驗公式計算，為新產品開發提供理論依據。

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，以及全自動/手動上下水量比例調整等冷卻均勻化技術，保證鋼板在高強度冷卻條件下組織和性能均勻性。

●微加速控制策略：根據軋制方向上鋼板溫度變化，開發微加速設定模型，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：根據鋼板的運行速度和設定水量，采取頭尾遮蔽控制策略，在冷卻區域內，精確控制流量控制閥的開度和閥門響應時間。優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：根據鋼板上下表面的水流狀態和冷卻面積不同，分別計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

根據冷卻工藝要求，模型計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規程，動態調整冷卻模式，集管組態、集管流量和輥道速度。同時與均勻性控制策略相結合，實現鋼板性能和板形的雙達標。

3 結果分析與討論

3.1 目標終冷溫度的控制精度

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

1 500余塊不同厚度規格鋼板的終冷溫度控制精度進行了統計分析，見圖2和表2，終冷溫度誤差在±20℃范圍內的平均命中率達到99.5%。

3.2 快速冷卻后鋼板的溫度均勻性

生產實際中，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。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計分析，溫度波動在25℃之內的平均命中率達到98.4%。

3.3 快速冷卻后鋼板的板形

鋼板快速冷卻后，由于軋制形變應力、熱應力和相變應力的影響，鋼板內部累積一定殘余應力，當殘余應力超過一定極限（屈服）時，鋼板會發生塑性形變，產生板形問題。鋼板軋制和冷卻過程工況極其復雜，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，提高了產品成材率。

4 結論

新一代中厚板冷卻控制系統在九江3 500 mm中厚板廠的生產實踐中取得了良好的效果，對提高產品性能和成材率、降低生產成本發揮了重大作用。

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

（2）控制精度：冷卻鋼板終冷溫度的控制精度±20℃內的命中率≥96%。

（3）溫度均勻性：鋼板軋制方向溫度波動±25℃內的命中率≥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。

參考文獻

［1］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社.

［2］ 韓毅，賈維維，張田，等.中厚板軋后冷卻圓形噴嘴射流沖擊行為分析［J］.軋鋼，2017，34（01）：9-12.

［3］ 梁皖倫，方金鳳，曹軍.金屬材料高溫導熱系數的測試分析［J］.理化檢驗（物理分冊），2001，（12）：521-523.

［4］ 趙超，徐建東，高軍，等.寬厚板生產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