中厚板轧后冷却的过程控制

1
10 !21 组 8 10 !21 组 12
22 !28 组 13 22 !28 组 16
8 000
侧喷 4组
吹扫 2组
层流冷却系统的控制目的是按照要求的冷却 速度，保证钢板在冷却后的返红温度在目标范围 之内，控制参量为集管开闭的数量、流量、边部遮 蔽量、上下水量比以及通板速度、辊道加速度等· 图1 是控制冷却系统结构图·根据工艺布置特点， 将钢板轧后的冷却过程分为三个阶段：钢板终轧 后到层流冷却设备前的空冷阶段；层流冷却阶段； 水冷后到矫直前的返红阶段·为了保证控冷过程 的及时性和可靠性，在钢板出炉时进行预设定计 算 ，终轧后根据实测终轧温度进行一 次修正 设定
式中，P cor ，n 表示同一规格的第n 块钢的换热系数 的修正系数，!［i ］为权重（i = 1 "10 ）·可以根据 轧制时间的先后为冷却的钢板取权重·式（10 ）相 当于对最近10 块钢的修正系数取加权平均得到 下一块钢的换热系数的修正系数·
3 应用效果
首钢层流冷却控制系统自2003 年3 月正式 投入生产后，钢板终冷温度可控制在目标终冷温
（Wang X B，Wang Z C，Chai T Y. The develop ment and current sit uati on of t he technology of controlled cooli ng f or plate［J ］. Steel rolling ，2000 ，17（3 ）：44 -47 . ） ［2 ］ Schutz W，Kirsch ~ J ，Fl uss P ，et al . extended propert y co mbi nati ons i n t her mo mechanically control processed steel plates by applicati on of advanced rolli ng and cooli ng technology［J ］. Iron making and Steel making ，2001 ，28 （2 ）：180 -184 . ［3 ］ Chen S J ，Tseng A A. Spray and j et cooli ng i n steel rolli ng ［J ］. I nternational Journal of Heat and fl uid flo u ，1992 ， 13（4 ）：358 -369 . ［4 ］ 王有铭· 钢材的控制轧制和控制冷却［M］· 北京：冶金工 业出版社，1995 .120 -125· （Wang Y M. Controlled rolling and controlled cooling for steel［M］. Beiji ng ：Metall urgy I ndustry Press ，1995 . 120 125 . ） ［5 ］ Bis was ，Chen S J ，Sat yanarayana A. Opti mal te mperat ure tracki ng f or accelerated cooli ng processes i n hot rolli ng of steel ［J ］. Dyna mics and Control ，1997 ，7（4 ）：327 -340 . ［6 ］ Packo ，Kusiak ，Pietrzyk ，et al . Modelli ng water cooli ng of steel stri p duri ng hot rolli ng［J ］. Steel research ，1993 ，64 （2 ）：128 -131 . ［7 ］ Takeshi ，Takahashi ，Tatsu waki . Mat he matical model and control syste m of cooli ng process［J ］. Su mito mo Search ， 1987 ，34（5 ）：79 -87 . ［8 ］ 杨世铭，陶文 铨· 传 热 学［M］· 北 京：高 等 教 育 出 版 社，
集管组数 28 组
表1 控制冷却系统设备参数表 Tabl e 1 ECui P ment Par a met er s of l a mi nar cool i n9 contr ol syst em
集管间距／m 上集管直径／mm 下集管直径／mm 最大水量／（m3·h -1 ）
1 !9 组 13 1 !9 组 16
中图分类号：TG 335
文献标识码：A
将控制轧制与控制冷却结合在一起的热机械
控制处理工艺（TMCP 技术）是目前正在大力推 广的轧制技术［1 !3 ］·中厚板在控制冷却的过程中
由于钢板比较短，而且要对集管水量、集管开闭状
态和辊道速度等进行在线控制［4 ］，因此，除了需
要设备及时响应外，还需要精确的控制冷却数学
（6 ）
式中，C 是热流密度； 是对流换热系数；T 是钢 板表面温度；T 是冷却介质温度·
如果知道对流换热系数 就可算出水冷后
的温度场，进而得到水冷后的钢板平均温度·对流 换热系数 很难精确描述，它与水流状态，钢板
表面温度，水温，钢板速度，集管排布形式和管径
等都有密切的关系·因此对流换热系数一般采用 经验公式·首钢中厚板厂的层流冷却对流换热系 数用式（7 ）计算：
用差分方 程 描 述 钢 板 厚 度 和 宽 度 方 向 上 的 温 度
场，用过程机对温度场进行数值解析·忽略长度方 向上的温差，由热平衡推导如下热传导方程：
（ ） !T
!t
=~c
!2 T !I 2
+
!2 T !$ 2
+
C c
r
·
（1 ）
式中，T 为钢板t 时刻的温度场； 为钢板的热导
率； 为钢板密度；c 为钢板比热容；C r 为单位体
模型，最大
可
能
地
发
挥
层
流
冷
却
系
统
的
功
能［5
］
·
本文结合首钢中厚板厂控制冷却系统的改造，从
系统架构和模型精度方面探讨了中厚板轧后冷却
的过程控制·
1 控制冷却系统
采用高密集管层流冷却方式对轧制后的钢板 进行控制冷却，此种冷却方式调节范围广，具有很 强的冷却能力，而且能保证钢板的上下表面及整 个冷却区域冷却均匀·表1 是层流冷却系统的设 备参数·
第26 卷 第2 期
东 北 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版 ）
Vol. 26 ，No .2
2005 年 2 月
Jour nal of Nort heaster n uni versit y（Nat ural science ）
Feb . 2 0 0 5
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
c ·"·L ·B ·H ·d T = 2 ·g ·dt ·（8 ）
式中，c 为钢板比热容；" 为钢板密度；L ，B ，H 分 别为钢板的长宽高；g 为热流密度·由式（8 ）可知， d T !g ·根据牛顿冷却定律，g !!·所以，d T !!·
设层 流 冷 却 过 程 中 的 钢 板 实 际 温 降 为
的设定计算，一次修正计算和二次修正计算·
（2 ）结合首钢中厚板厂控制冷却系统，推导
了控制冷却的空冷和水冷数学模型，并利用计算
机进行差分方程的求解·
（3 ）针对中厚板冷却时轧线上多块钢待冷，控
制冷却系统特性变化快的特点，提出了水冷换热系
数的求解方法和水冷换热系数的自学习算法·
参考文献：
［1 ］ 王笑波，王仲初，柴天佑· 中厚板轧后控制冷却技术的发 展及现状［J ］· 轧钢，2000 ，17（3 ）：44 -47·
!T mes ，计算的温降为 !Tcalc ，实际的换热系数为 P mes ，计算的换热系数为 P calc ，则有
P mes
=
P calc
>
!T mes !Tcalc
=
P calc
>
P cor ·
（9 ）
式中，P cor 为换热系数的修正系数·P cor 的取值采
用如下算法：
P cor （，n +1 ）= !［10 ］·P cor ，n + !［9 ］> P cor （，n -1 ）+ … + !［2 ］> P cor （，n -8 ）+ !［1 ］P cor （，n -9 ）·（10 ）
（4b ）
~
!T !$
=
C
， （$
=
B／2 ，t "0 ）；
（4c ）
!T !I
=
!T !$
=
0 （，t
"0 ，I = 0 ，$ = 0 ）·（4d ）
式中，（T ）为钢板断面初始温度分布；h 为钢板
厚度；B 为钢板半层宽度·
式（4a ）为钢板冷却的初始条件，式（4b ）和式
（4c ）为钢板厚度和宽度方向上的边界换热条件，
130
东北大学学报（自然科学版）
第26 卷
计算，根据进入水冷时的实际开冷温度进行二次 修正计算，钢板出水冷区后根据实测的终冷温度 对水冷模型进行自学习·
2 控制冷却设定模型
!"# 空冷模型 首钢控制冷却的空冷包括两个阶段：终轧后
到入层流冷却前的空冷过程和层流冷却后到矫直
前的空冷过程·准确计算层流冷却前的空冷温降 是对层流冷却过程进行控制的基础，因此空冷模
集管·小集管的流量调节范围比大集管小，其调节 的粒度也小，因此，大集管起主冷作用，小集管用
于精度控制·大小集管的搭配使用使冷却水得到 了更充分的利用，也扩大了钢板的冷却范围，同时