钢板超快速冷却过程温度均匀性控制.pdf

第22卷增刊
矿冶
Vol 22. Suppl
2013年1月
MINING &METAL LURGY
Novernber 2013
文章编号:1005-7854(2013)S0-0205-05
钢板超快速冷却过程温度均匀性控制
龚彩军国鹏2高雷何凌云1
1.北京首钢自动化信息技术有限公司,北京100041;
2.首钢秦皇岛金属材料有限公司,河北秦皇岛066326)
摘要:介绍了首秦4300m中厚板超快速冷却过程控制系统,采用有限元法构建钢板冷却过程温度
场模型,得到高精度的钢板温度场分布。在此基础上研究超快速冷却过程中温度均匀性控制策略和算
法,推导最优钢板速度计算模型,用于超快速冷却过程的动态控制。将上述模型用于首秦4300mm中
厚板超快速冷却过程控制系统,有效地提高了钢板全长方向的温度均匀性。实际控制结果表明模型具
有较高的精度,所有规格钢板冷后长度方向温度波动不超过±15℃,温度控制精度在±20℃以内。
关键词:中厚板;超快速冷却;温度均匀性;有限元法
中图分类号:TF703.7文献标志码:Adoi:10.3969/j.iss.1005-7854.2013.1z1.050
新一代以超快速冷却(UFC)为核心的TMCP工
艺技术是当前轧钢领域正在大力推广的新技术()。
表1轧后冷却系统设备参数表
新的TMCP工艺减少了合金元素加入量,不再要求
超快冷设备参数
层冷设备参数
低温大压,而是在常温连续大压下和其后立即超快
缝隙双联高压水空气层流
侧喷吹扫
喷嘴喷嘴侧喷吹扫集管
速冷却得到硬化奥氏体,然后再按照冷却路径控制。
2组7组5组2套15组4组1组
因而在保证产品质量的同时提高了生产效率,提高
0.6~0.6~
0.4
0.4
1. 6 Mpa
I bar 1.6 Mpa
了钢板的焊接性能,节约能源和合金资源。由于钢
0.8 Mpa 0.8 Mpa
0.6 Mpa
0.6 Mpa
板在进入冷却区前在长度方向上存在温度波动,如
何确保钢板按照既定路径冷却,同时使钢板通长方
超快速冷却控制系统包括一级基础自动化和二
向保持温度均匀是过程控制的重点。本文结合北京
级过程设定系统。基础自动化系统接受二级过程设
首钢自动化信息技术有限公司与东北大学联合开发定系统和操作员的设定信号,实现各集管精确定时
的首秦4300mm中厚板超快速冷却控制系统,对开闭、各集管水流量的闭环自动控制以及辊道速度
度均匀性控制方法进行详细介绍。
和加速度调整控制等。二级系统的主要功能是冷却
方式的确定、阀门开闭的数量和分布以及冷却过程
超快速冷却设备布置及控制系统
温度均匀性的控制。图1是超快速冷却过程控制系
针对首秦4300mm中厚板原层流冷却系统能
统的结构图。
中厚板超快速冷却过程控制系统主要由以下几
力不足,难以适应新工艺和新产品开发的情况。在
个模型组成:基本材料模型和边界换热模型;预计算
原层流冷却装置前面加装了超快速冷却设备,结合
设定模型;前馈补偿模型(在线修正模型);反馈控
超快速冷却技术及层流冷却技术,开发出中厚板轧
制模型;自适应模型以及带钢位置跟踪。这几个模
后超快速冷却系统。该系统既能实现常规的低冷速
块的有机结合,实现了对钢板冷却过程的温度和冷
层流冷却控制,也能实现快速冷却和层流冷却的联
却速度的精确控制。由于中厚板长度较短,不利于
动控制。表1是首秦4300mm中厚板轧后冷却系
反馈控制,因此过程控制系统以前馈为主,实现对钢
统设备参数表。
板全长方向的温度均匀性控制,前馈控制的准确性由
作者简介:彩军,博上,高级工稞师,材料加工工程专业。
精确的带钢微跟踪和温度均匀性控制算法来保证2)。
?206
矿冶
材料模型
边界条件
预计算设定
自适应
冷却信息
前馈控制
反馈控制
(在线模型
后计算型)
数据分
一级PLC控(冷却阀通断流量控制,钢板运行速度控制)
轧机
温度检测」高温计
位置检测
HMD
超快速冷却区
图1超快速冷却系统结构图
2超快速冷却过程温度均匀性控制
A1S-HCT-T)=p 6, 2 ar
一Asax
2.1冷却过程温度控制模型
r>0,x=10/2)
中厚板在冷却过程中的传热包括:钢板内部的
热传导,钢板表面和冷却介质的对流换热,钢板向环
h(T、-T。)=P.C?2r
(3)
境的热辐射,钢板和运送辊道接触热传导,钢板内部
r>0,y=d/2)
的相变放热。但传热的主要过程是钢板的内部热传
AT
0(r>0,x=0)
导和钢板表面的对流传热以及钢板内部的相变放
热,其它传热过程可以忽略不计的。将钢板的相变
=0(T>0,y=0)
放热考虑成钢板的比热变化,忽略钢板长度方向的
式中,0为板宽;d为板厚;h为层流冷却热交
热传导。建立无内热源的钢板厚度和宽度方向的热
换系数。
平衡方程,见式(1)
对热传导微分方程(1)的求解方法较多,采用
(1)数值差分和有限元都可以得到较为精确的计算结
果。在本系统中采用有限元计算方法,钢板内部区
式中,a,=A,/p,c、为导温系数;7、为轧件温
域节点离散化如图2所示。
度;A、为热传导率;p,为密度;c,为比热;t为时间;
利用 Euler- Lagrange方程,对含内热源的平面二
x、y分别为宽度、厚度方向坐标。
维非稳态温度场所对应的泛函求极小值,见式(4)。
初始条件为
J兀7(x,y)]=
(x,y,0)=q(T)(r=0,0≤x≤/2,0≤
AT
d/2)
4()-+()]-4
边界条件为