祝夫文，郭懷兵

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.南京鋼鐵股份有限公司 寬厚板廠,江蘇 南京 210035)

中厚板的軋后冷卻系統(tǒng)是影響鋼板組織性能的重要因素，相關(guān)冷卻系統(tǒng)及工藝會對組織性能造成較大影響，甚至導(dǎo)致性能缺陷[1-2].因此，眾多科研工作者一直在進(jìn)行板帶軋后冷卻系統(tǒng)的模型及控制系統(tǒng)的研究工作[3-5].

中厚板在軋制完成后，大部分鋼種需要進(jìn)行軋后冷卻以改善鋼板的性能.如圖1所示為鋼板軋后冷卻示意圖，圖1中方框內(nèi)設(shè)為軋后冷卻區(qū)域.另外設(shè)鋼板前進(jìn)方向端部為A，反向端部為B.設(shè)倆相鄰閥門間距離為S，目標(biāo)冷卻溫度為Tt(為了避免記憶各種符號，方便理解，直接假設(shè)目標(biāo)冷卻溫度為700 ℃進(jìn)行說明).

傳統(tǒng)的軋后冷卻流量自動計(jì)算模型中，一般是根據(jù)測溫儀測量的鋼板A處的溫度(設(shè)為TA)，結(jié)合目標(biāo)溫度700 ℃直接計(jì)算.假設(shè)計(jì)算結(jié)果為需要5組水開啟，則根據(jù)傳統(tǒng)計(jì)算模型，該鋼板從冷卻開始到冷卻結(jié)束，鋼板都是采用5組水冷卻的.但是上述設(shè)定中實(shí)際存在一個(gè)問題，即鋼板A端和B端(設(shè)其溫度為TB)進(jìn)入軋后冷卻區(qū)域時(shí)的溫度并不相同.而且根據(jù)實(shí)際檢測，在鋼板較長情況下，兩者溫度相差可以達(dá)到80 ℃.這種情況下，如果頭A和尾B均采用5組水冷卻，容易導(dǎo)致頭尾性能不均，增加了出現(xiàn)質(zhì)量事故的可能性.

研究敘述的是在中厚板及寬厚板的軋后冷卻過程中，針對鋼板頭尾溫度偏差的既定存在而進(jìn)行的有針對性的考慮頭尾溫度偏差的軋后冷卻的水量動態(tài)調(diào)節(jié)模型.

圖1 鋼板軋后冷卻示意圖

1 控制模型基本原理

軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)節(jié)示意圖如圖2所示.在軋后冷卻入口處一般要設(shè)置一個(gè)測溫儀，用于實(shí)時(shí)檢測鋼板的入水溫度.在鋼板達(dá)到測溫儀時(shí)，此時(shí)鋼板冷卻計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以從軋機(jī)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)讀取到鋼板總長度(用L表示，單位m)和鋼板實(shí)時(shí)前進(jìn)速度(用V表示，單位m/s).

圖2 軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)節(jié)示意圖

1.1 鋼板初始入水冷卻水流量的計(jì)算

當(dāng)鋼板的端部A進(jìn)入軋后冷卻區(qū)時(shí)，根據(jù)測溫儀檢測到初始溫度T及目標(biāo)冷卻溫度Tt(目標(biāo)冷卻溫度是鋼板冷卻希望達(dá)到的溫度，比如鋼板希望冷卻到700 ℃，則目標(biāo)溫度為700 ℃)，計(jì)算初始流量VOL(A)，具體步驟如下.

(1)由于冷卻過程歸根到底為熱傳遞過程，而且鋼板基本被水全面覆蓋，因此熱輻射幾乎可以忽略.而且與軋輥的接觸傳熱，也可以以自學(xué)習(xí)系數(shù)的形式等價(jià)轉(zhuǎn)化為與水的熱交換，因此，由能量守恒，有式(1)成立(由于冷卻過程中水蒸氣會帶走一部分熱量，所以式(1)左側(cè)一般需要乘以0.9的自學(xué)習(xí)系數(shù)，由于重點(diǎn)討論基本模型，所以這里對于自學(xué)習(xí)不再詳述)，

C鋼m鋼ΔT鋼=C水m水ΔT水,

(1)

式中，C鋼是鋼的比熱；C水是水的比熱；m鋼是鋼板的質(zhì)量；ΔT鋼是鋼板的溫降，ΔT鋼=T-Tt；ΔT水是冷卻水的溫升，ΔT水=T2-T1，T2是冷卻水的終了溫度(通過溫度計(jì)測量)，T1是冷卻水的初始溫度(通過溫度計(jì)測量).由上述分析可知，式(1)中，除了m水外，其他各項(xiàng)均為已知或可求.因此，由式(1)可以求出將鋼板A點(diǎn)處由初始溫度T冷卻到目標(biāo)溫度Tt所需要的冷卻水質(zhì)量m水.

(2)鋼板冷卻到目標(biāo)溫度所需要的冷卻時(shí)間的計(jì)算，如式(2)所示，

(2)

式中，t為所需要的冷卻時(shí)間，單位s；Vt是操作員設(shè)定的目標(biāo)冷卻速率，單位為℃/s.冷卻過程中，t保持A點(diǎn)的時(shí)間不變.

(3)VOL(A)的計(jì)算如式(3)所示，單位kg/s,

(3)

(4)冷卻水閥門開啟組數(shù)計(jì)算如式(4)所示，

VOL(A)=NFmax+KFmax,

(4)

(5)閥門開啟總長度(冷卻總距離S總)計(jì)算，如式(5)所示，

(5)

式中，S是相鄰兩個(gè)冷卻噴嘴之間的距離，單位m.

(6)鋼板前進(jìn)速度的計(jì)算.根據(jù)A點(diǎn)的目標(biāo)冷卻時(shí)間t，采用式(6)計(jì)算鋼板的前進(jìn)速度，

(6)

直接將N、K及V傳遞給基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)，開啟相關(guān)閥門，開始放水冷卻.此處計(jì)算鋼板前進(jìn)速度，一旦計(jì)算完成，鋼板直至冷卻完成，其前進(jìn)速度將不再改變.后續(xù)調(diào)整，只調(diào)整閥門水流量，而不再調(diào)整鋼板前進(jìn)速度.

此時(shí)完成的是鋼板初始冷卻水量的設(shè)定、鋼板運(yùn)動速度的設(shè)定，計(jì)數(shù)器記錄調(diào)整次數(shù)m為0.

1.2 鋼板冷卻水流量的更新計(jì)算

1.1的計(jì)算完成后，鋼板即開始前進(jìn)，入水冷卻.自此開始，每經(jīng)過一個(gè)時(shí)間周期C(本處可以理解為每前進(jìn)1 m)，控制模型都將重新進(jìn)行一次冷卻水流量的更新計(jì)算.具體過程為：測溫儀測量最新的溫度T新，根據(jù)T新及目標(biāo)冷卻溫度Tt，計(jì)算N、K.相關(guān)計(jì)算與式(1)、式(3)、式(4)相同，只需要將相關(guān)的溫度T替換為T新即可.

在得到了最新的N和K之后，即根據(jù)式(5)計(jì)算S總，隨后根據(jù)式(6)，得到式(7)

(7)

值得注意的是，式(7)與式(6)有一些區(qū)別.因?yàn)榇颂庝摪宓那斑M(jìn)速度V是固定的.此時(shí)，需要保證當(dāng)前檢測點(diǎn)(也即入水點(diǎn)，比如設(shè)為m點(diǎn))在達(dá)到最后一組冷卻閥門時(shí)，N和K執(zhí)行的是當(dāng)前根據(jù)m點(diǎn)計(jì)算的數(shù)值.需要將當(dāng)前的計(jì)算數(shù)值N和K延遲Δt時(shí)間執(zhí)行，因?yàn)棣時(shí)間之后，當(dāng)前m點(diǎn)剛好達(dá)到最后一組閥門.因此，為了便于理解，將式(7)寫成如下形式，

(8)

式(8)的含義為，鋼板上任何一個(gè)更新點(diǎn)(m)，其根據(jù)入口測溫計(jì)計(jì)算的N和K，應(yīng)該在延遲Δt時(shí)間之后執(zhí)行，因?yàn)棣時(shí)間之后，m點(diǎn)才剛好達(dá)到最后一組流量調(diào)節(jié)閥門，此時(shí)才可以利用K的調(diào)節(jié)來調(diào)整流量.因此，在實(shí)際執(zhí)行中，不用記錄具體的調(diào)節(jié)點(diǎn)，模型只需要不停地根據(jù)入口測溫計(jì)計(jì)算的N和K，由式(8)計(jì)算Δt，然后將相應(yīng)的N和K延遲Δt執(zhí)行即可.軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)整模型的控制流程圖如圖3所示.

圖3 軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)整模型流程圖

2 應(yīng)用實(shí)例

已知某鋼板重20 T，長20 m，鋼板頭部進(jìn)入軋后冷卻初始溫度為970 ℃，目標(biāo)溫度730 ℃，鋼板設(shè)定冷卻速率30 ℃/s，測溫儀顯示冷卻水塔里水溫32.7 ℃，冷卻后水溫53.2 ℃，每組水閥最大流量300 L/s，每相鄰兩組閥門之間距離為1.1 m.已知鋼板比熱容為0.46×103J/(kg·K),水的比熱容為4.2×103J/(kg·K),則根據(jù)式(1)計(jì)算可得，m水=25 645 kg．

根據(jù)式(2)計(jì)算可得，冷卻時(shí)間t為8 s；所以根據(jù)式(3)計(jì)算可得VOL(A)=3 205.6 L/s；根據(jù)式(4)計(jì)算可得，N為10，K為0.685；根據(jù)式(5)計(jì)算可得，S總為12.1 m；進(jìn)而根據(jù)式(6)可得，設(shè)定鋼板前進(jìn)速度為1.5 m/s.其動態(tài)調(diào)節(jié)過程不再詳述.

現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明，該模型可以大幅減少由于鋼板縱向入水時(shí)間差異導(dǎo)致的頭尾溫度偏差，進(jìn)而減少鋼板頭尾性能差異，減少質(zhì)量改判的發(fā)生率，可以為相關(guān)同類生產(chǎn)線工藝改進(jìn)提供參考.

3 結(jié)論

研究分析了考慮頭尾溫度偏差的中厚板軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)節(jié)模型.分析了目前大部分現(xiàn)場中厚板冷卻工藝容易導(dǎo)致的中厚板頭尾入水溫度偏差大，進(jìn)而導(dǎo)致頭尾性能差的原因；通過設(shè)置一組動態(tài)調(diào)節(jié)水閥，通過檢測鋼板不同部位的入水溫度，控制動態(tài)調(diào)節(jié)水閥的水流量，進(jìn)而建立了旨在消除中厚板頭尾溫度偏差的軋后冷卻水量動態(tài)調(diào)節(jié)模型；實(shí)際應(yīng)用表明，該模型能夠顯著改善鋼板頭尾溫度偏差，可以為同類生產(chǎn)線的工藝改進(jìn)提供參考，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值.