快速冷卻系統(tǒng)(ACC)模型策略設(shè)計與分析

1、快速冷卻系統(tǒng)（ACC）模型策略設(shè)計與分析【摘 要】本文介紹了快速冷卻系統(tǒng)（ACC）的模型策略思路，對于模型的設(shè)計給出詳細(xì)的分析，在較關(guān)鍵的冷卻速度與冷卻率的關(guān)系運算方面給出了計算公式，得出了較好的冷卻效果模型。并對于特殊的薄長的鋼板以及空氣冷卻率的關(guān)系進(jìn)行了必要的說明，有較好的實踐效果?！娟P(guān)鍵詞】快速冷卻 模型 策略 冷卻率0.前言快速冷卻工藝是一項節(jié)約合金、簡化工序、節(jié)約能源消耗的先進(jìn)軋鋼技術(shù)。熱軋鋼材軋后控制冷卻能改善鋼材組織，提高鋼材性能，縮短熱軋鋼材的冷卻時間，提高軋機(jī)的生產(chǎn)能力，還可以防止鋼材在冷卻過程中由于不均勻而產(chǎn)生的扭曲和彎曲，產(chǎn)生較高的效益1。1.鋼板冷卻策略快速冷卻系統(tǒng)(A

2、CC)是用來冷卻鋼板的一套自動化控制系統(tǒng)。當(dāng)鋼板離開每一個冷卻區(qū)域時，鋼板的長度方向和寬度方向的溫度是一致的，也就是說鋼板的溫度是均衡的。鋼板的終冷溫度是由技術(shù)人員設(shè)定的，為了能夠控制終冷溫度必須對溫度的冷卻速率進(jìn)行控制。為了控制冷卻速率必須控制住鋼板通過冷卻系統(tǒng)區(qū)域的時間，這個時間是由鋼板的運行速度決定的。假設(shè)，鋼板的溫度均衡沒有變化，鋼板運行到冷卻系統(tǒng)裝置的入口。見下圖1（a)所示。圖1 鋼板進(jìn)行冷卻系統(tǒng)示意圖當(dāng)頭部進(jìn)入到冷卻系統(tǒng)中，經(jīng)過一段時間后尾部才能進(jìn)入到冷卻系統(tǒng)中，如圖1（b)所描術(shù)的鋼板的位置，設(shè)長度為L的一張鋼板正在冷卻，它的頭部剛好要從冷卻系統(tǒng)中出來，在頭部穿過冷卻系統(tǒng)的這個

3、時間中，鋼板出現(xiàn)熱損失，而且隨著運行鋼板熱量會繼續(xù)損失。如圖1（c)所示，鋼板的頭部己距離冷卻系統(tǒng)L米，與冷卻系統(tǒng)裝置的長度相等。如果冷卻后鋼板的終冷溫度和冷卻速率是常數(shù)，那就必須調(diào)整鋼板通過冷卻系統(tǒng)裝置的運行速度2。下面就講述一下在維持一個恒定的冷卻速率和終冷溫度以及冷卻水流速率的情況下，如何調(diào)整運行速度的改變。 初始和運行冷卻速度的設(shè)計與計算如上文中指出的，當(dāng)鋼板的頭部進(jìn)行冷卻系統(tǒng)中。假設(shè)鋼板的縱向溫度是均衡的。設(shè)這個溫度是TS 。當(dāng)鋼板的頭部進(jìn)行入冷卻區(qū)域，但還有尾部在冷卻系統(tǒng)外面沒有進(jìn)入時，鋼板與環(huán)境進(jìn)行熱交換。這種熱損失主要是輻射和自然的熱交換。設(shè)鋼板在空氣中的冷卻速率為CA（/s）

4、。這是假設(shè)鋼板在冷卻系統(tǒng)中的冷卻速率CM是一個常數(shù)。設(shè)終冷目標(biāo)溫度為TE，則得出鋼板頭部在冷卻系統(tǒng)中沒有與環(huán)境產(chǎn)生熱交換形成熱損失的時間B，見公式（1）：.在上式中t是時間，下標(biāo)y表示鋼板頭部從開始位置到冷卻系統(tǒng)的距離，也就是鋼板頭部經(jīng)過的水冷卻區(qū)域的距離。當(dāng)鋼板頭部從冷卻系統(tǒng)中出來時，鋼板的溫度比進(jìn)入時下降了T，表示如公式（2）：.在上式中下標(biāo)y表示鋼板頭部己從初始位置移動了一個距離L。當(dāng)鋼板的頭部從冷卻系統(tǒng)中出來時，冷卻的長度因此是L?，F(xiàn)在假設(shè)鋼板的頭部離冷卻系統(tǒng)的開始位置是y=2L，如果冷卻速率和終冷溫度仍是常數(shù)，則得出公式（3）：.合并同類項得：.由公式（1）得出：.可得：.如果有三張

5、相同長度的鋼板進(jìn)行冷卻區(qū)，上圖1中可重復(fù)三次這樣的過程。當(dāng)前的鋼板距離冷卻區(qū)域的距離為2L時，鋼板的下降溫度為：.再一次要維持期望的冷卻速率和終冷溫度，可得：.合并同類項可得：.由公式（1）可推出：.這個過程可以推論到鋼板頭部距離冷卻區(qū)為y=nL的情況：.根據(jù)序列求和的標(biāo)準(zhǔn)公式可得：.上式可應(yīng)用于鋼板所有點的計算。當(dāng)設(shè)n=y/L,y表示鋼板頭部的當(dāng)前位置到進(jìn)入冷卻系統(tǒng)入口的距離，則可得到下列公式：.變換可得：.上式定義了鋼板頭部到冷卻系統(tǒng)入口的距離，在時間t秒后鋼板進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，鋼板速度也隨之變化，根據(jù)微分方程可得出在時間t時的鋼板速度：.下面給出一個重要的關(guān)系。首先，如果鋼板的長度是LP,，

6、則鋼板的整個冷卻時間為：.整個冷卻時間是指：從鋼板頭部進(jìn)入冷卻區(qū)域到鋼板尾部離開冷卻區(qū)域的時間。其次，從等式.可得出鋼板頭部進(jìn)入冷卻區(qū)域的速度為：.所以，在時間t 之后開始冷卻的速度是：.最終的鋼板運行速度和初始的速度比率為：. 冷卻率的修正計算要達(dá)到最終冷卻率目標(biāo)時可能會出現(xiàn)一些情況，如開始冷卻時的線速度低于允許的速度而結(jié)束冷卻的時卻又大于允許的線速度了。這種情況下就必須修改冷卻率，重新設(shè)置線速度達(dá)到適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)。鋼板頭部進(jìn)入冷卻區(qū)后其運行速度己經(jīng)改變，就有必要重新計算一個新的冷卻率，從公式和A的定義可以得出：.現(xiàn)在定義冷卻系統(tǒng)中冷卻率CM如下：.（21）上文中我們定義了T是鋼板開始冷卻時

7、的溫度和終冷時溫度的差。這樣可得出公式（22）和公式（23）：.（22）.（23）從而得出冷卻率的計算公式：.（24）這樣，我們可以從鋼板開始進(jìn)入冷卻系統(tǒng)時就能夠算出冷卻率了。2.速度修正策略控制冷卻系統(tǒng)可以通過操作人員進(jìn)行管理和監(jiān)督。操作工根據(jù)紅外測溫儀測得的鋼板溫度可以快速有效的診斷出初始設(shè)置的問題。這樣，根據(jù)分析冷卻一批鋼板后的信息來優(yōu)化設(shè)置用于后續(xù)的鋼板冷卻中。有三個速度修正模型用于操作工設(shè)置。 這三個速度修正模型分別是速度修正、初始速度修正、最終速度修正。 速度修正在實際運行中可能會出現(xiàn)實際溫度與操作工設(shè)置的目標(biāo)溫度之間出現(xiàn)了偏差。如果鋼板的實際溫度低于目標(biāo)溫度，操作工則要增加輥道運

8、行速度來降低冷卻時間。相反的，如果鋼板溫度太高，操作工則要降低輥道運行速度來增加冷卻時間。如何設(shè)置實際的線速度時必須考慮到不在操作工修改模型中的水流量速率和速度定理的應(yīng)用。這個線速度是通過操作工修正調(diào)整如下：.（25）上式中是一個修正速度，決定了初始速度和最終速度偏差。AO是初始速度偏差。 初始速度修正當(dāng)鋼板的頭部溫度過熱或過冷，但鋼板尾部溫度卻在允許的范圍內(nèi)時， 則用初始速度修正功能來調(diào)整。再者，如果頭部溫度比目標(biāo)溫度大很多時，則要降低進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的速度，如果溫度過低則要增加進(jìn)入速度。如果操作工要修改頭部速度，但要保持尾部的相同速度，計算公式如下：.（26）在上式中，MH是操作工可以設(shè)定的頭

9、部修正數(shù)。是修正的冷卻率。則得出：.（27）明顯的，如果操作工改變了頭部的速度，則尾部經(jīng)過冷卻裝置的時間也會改變。則得出：.（28） 和分別表示新的速度規(guī)則決定的最大和最小速度，并控制在允許的范圍之內(nèi)。如果超出了限制范圍，MH會不斷的調(diào)整直到速度達(dá)到可接受的范圍內(nèi)。 最終速度修正由于初始溫度修正只是針對鋼板頭部溫度控制在允許的范圍內(nèi)。而當(dāng)鋼板顯現(xiàn)的溫度不是升高就是降低時就需要最終速度修正設(shè)置。見公式：.（29）在上式中，MH是操作工可以設(shè)定的頭部修正數(shù)。是修正的冷卻率。則得出：.（30）明顯的，如果操作工改變了頭部的速度則尾部經(jīng)過冷卻裝置的時間也會改變。則得出：.（31）和分別表示新的速度規(guī)則

10、決定的最大和最小速度，并檢查控制在允許的范圍之內(nèi)。如果超出了限制范圍，MH會不斷的調(diào)整直到速度達(dá)到可接受的范圍內(nèi)。 初始和最終速度聯(lián)合修正從上文中公式可得：.（32）合并同類項得：.（33）用上式可以決定鋼板頭部的冷卻時間。3.冷卻速度策略實現(xiàn)的幾個難點問題上面提到的速度定理是基于假設(shè)冷卻區(qū)域長度是L的情況下提出的.那么問題是如何決定L的長度呢? 最大生產(chǎn)能力與運行速度的關(guān)系L2中根據(jù)最大生產(chǎn)能力來設(shè)置線速度。越長的鋼板冷卻時其線速度越大。當(dāng)鋼板頭部進(jìn)入，尾部離開時鋼板的速度冷卻的長度就確定了。這時需檢查最大允許速度，如果超出了冷卻水區(qū)域的長度時，最大允許速度就減小，并且重復(fù)這個過程。通過關(guān)閉

11、距離軋機(jī)最遠(yuǎn)的一組冷卻水來減小水冷卻區(qū)域的長度。 薄規(guī)格、長尺寸鋼板要十分注重的問題鋼板從進(jìn)入到離開冷卻區(qū)域時的速度是變化的，而冷卻水區(qū)域的長度也是減小的。以10m長的鋼板為例，通過冷卻區(qū)域時是240的溫降。能夠注意到減小鋼板進(jìn)入和離開的速度時，進(jìn)入和離開時的速度偏差也變小。見下圖2所示。圖2 一般鋼板的冷卻速度與冷卻區(qū)域長度的關(guān)系在冷卻長且薄的鋼板時應(yīng)用速度原理技術(shù)就要十分小心。當(dāng)鋼板長度增加時，溫度偏差T減小，在頭部進(jìn)入冷卻區(qū)域的速度與尾部離開的速度之間的偏差太大，超出允許范圍。因此，減小尾部離開速度無法減小水冷卻區(qū)域的長度。因此在低的冷卻率并且溫差T很小的情況下冷卻長且薄的鋼板時要十分小

12、心。見圖3所示：圖3 薄長鋼板的冷卻速度與冷卻區(qū)域長度的關(guān)系 空氣冷卻率的修正速度原理揭示出鋼板頭部進(jìn)入冷卻區(qū)域和尾部離開時的速度是不同的，并且與空氣冷卻率有相當(dāng)密切的關(guān)系。空氣冷卻率越大則這兩個速度偏差越大3。冷卻率的定義是鋼板表面溫度在一定時間內(nèi)的改變率。空氣中的冷卻速率依賴于鋼板的厚度。越薄的鋼板冷卻速度越快?？諝饫鋮s率的計算是依據(jù)流量模型乘以一個修改系數(shù)。這個修改系數(shù)是根據(jù)鋼板的厚度來定義的。下見表1。表1 空氣冷卻率修改系數(shù)表最小厚度范圍（mm)最大厚度范圍（mm)修改系數(shù)（-）15151818212125253030404050506060707080804.小結(jié)快速冷卻系統(tǒng)在現(xiàn)代冶金中厚板、中板產(chǎn)線上應(yīng)用越來越廣泛，成為生產(chǎn)品種板、高強(qiáng)度鋼板不可缺少的工藝設(shè)備。鋼板高溫冷卻變形會造成金相組織上的應(yīng)變，對于鋼板外形控制不當(dāng)會造成更大的損失。而關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)直接影響到鋼板的質(zhì)量與性能，因此控制系統(tǒng)的設(shè)計和正確的計算，以及豐富的實踐經(jīng)驗都具有