軋制自動控制8-板帶鋼冷卻技術(shù)

1、RAL 板帶鋼冷卻技術(shù)講義板帶鋼冷卻技術(shù)講義板帶鋼冷卻技術(shù)講義板帶鋼冷卻技術(shù)講義2001120011年年1212月月主講教師：胡賢磊RAL 對于熱軋：加熱溫度、開軋溫度、終軋溫度和卷對于熱軋：加熱溫度、開軋溫度、終軋溫度和卷曲溫度直接影響產(chǎn)品性能；曲溫度直接影響產(chǎn)品性能； 對于中厚板來說：加熱溫度、開軋溫度、控溫溫對于中厚板來說：加熱溫度、開軋溫度、控溫溫度、終軋溫度和終冷溫度直接影響產(chǎn)品性能；度、終軋溫度和終冷溫度直接影響產(chǎn)品性能； 溫度對成品的金相組織、晶粒度、機械性能、焊溫度對成品的金相組織、晶粒度、機械性能、焊接性能以及表面狀態(tài)都有直接影響。（舉例：表接性能以及表面狀態(tài)都有直接影響。（

2、舉例：表面紅色鐵皮現(xiàn)象、冷卻造成的翹曲等現(xiàn)象）面紅色鐵皮現(xiàn)象、冷卻造成的翹曲等現(xiàn)象） 溫度是軋制過程最活躍的工藝參數(shù)，軋制力與溫溫度是軋制過程最活躍的工藝參數(shù)，軋制力與溫度之間關(guān)系非常密切。度之間關(guān)系非常密切。溫度控制的目的的意義RAL 軋制過程溫度變化的基本規(guī)律 鋼板在加熱爐中進行加熱（推鋼式加熱爐容易產(chǎn)生水?。?。 軋制過程溫度不斷下降，對于中厚板產(chǎn)品，為了控制產(chǎn)品性能，常采取控溫軋制；而熱連軋通過機架間冷卻水控制鋼板終軋溫度。 加速冷卻：為了得到良好的晶相組織，需要控制產(chǎn)品的相變過程，層流冷卻系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。（層流介紹） 自然冷卻或卷?。壕砣∠喈斢谝环N熱處理，可改善鋼板性能。 熱軋過程的

3、溫度變化范圍比較大，其開軋溫度一般在11001200之間，而終軋溫度根據(jù)鋼種不同有很大差別。帶鋼一般在800870之間，中厚板6501000之間。與帶鋼熱連軋過程的溫度變化不同的是：中厚板軋制過程由于軋件比較厚，軋件表面和中心溫度差別比較大，但是其頭尾的溫度差異不太明顯。RAL 溫度模型介紹o 熱輻射和對流 44100273100273asrTTqHHHH/8 . 058. 01/00asnnTThqanrrudhPGN4/154. 0anrrudhPGN3/115. 07510210rrPG107103102rrPG23vdTTgGasrKmWdPGharrn23/193/1/48. 924

4、/20052. 01004. 115. 015. 0層流 紊流 asrrTTqhRAL 薄板空冷溫度變化RAL o高壓水除鱗 高壓水與鋼板之間接觸后會在鋼板表面形成一個很薄的蒸汽膜，這種傳熱方式近似于半無限大平板的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)。 coffwswktHtTTT2/12tTTxTqwsxw0wwstwTcHtTTdq2/102o 與軋輥接觸產(chǎn)生的熱傳導(dǎo) 鋼板與軋輥的接觸弧長與軋輥的半徑相比很小，則這兩者之間的熱傳導(dǎo)問題可以簡化成兩個半無限體之間的熱傳導(dǎo)過程。 o 塑性功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃恳鸬臏厣?1014mmRHTTtTEkksTcHHKdsKE10lncHHKkTkkcoffE1/ln溫度模型介紹RAL

5、 實測表面溫度與平均溫度 圖 4.5 不同厚度軋件平均溫度與表面溫度的差值隨時間的變化 RAL 中厚板軋后冷卻技術(shù)交流中厚板軋后冷卻技術(shù)交流1、軋后冷卻工藝簡介、軋后冷卻工藝簡介2、軋后冷卻技術(shù)的發(fā)展、軋后冷卻技術(shù)的發(fā)展3、高效均勻的冷卻技術(shù)、高效均勻的冷卻技術(shù)4、控制系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型5、層流冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)冷卻均勻性控制、層流冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)冷卻均勻性控制6、控制策略、控制策略RAL 1 1、軋后冷卻工藝對最終組織的影響、軋后冷卻工藝對最終組織的影響初始奧氏體硬化奧氏體力學(xué)性能可以通過控制成分、軋制壓下量和奧氏體晶粒尺寸改變冷卻模式可以通過水流量控制和鋼板厚度改變水冷空

6、冷鐵素體回火貝氏體通過控制組織控制性能優(yōu)化品種板坯加熱控制軋制回火馬氏體（包括沉淀硬化）溫度時間RAL 控制軋制控制軋制軋制參數(shù)的控制與優(yōu)化軋制參數(shù)的控制與優(yōu)化（奧氏體狀態(tài)的控制）（奧氏體狀態(tài)的控制）加熱溫度加熱溫度各個道次的軋制溫度各個道次的軋制溫度壓下量壓下量 控制冷卻控制冷卻冷卻參數(shù)的控制與優(yōu)化冷卻參數(shù)的控制與優(yōu)化（相變過程的控制）（相變過程的控制）需要需要的組的組織和織和性能性能開始冷卻溫度開始冷卻溫度終止冷卻溫度終止冷卻溫度冷卻速度冷卻速度冷卻模式冷卻模式控制軋制與控制冷卻的功能控制軋制與控制冷卻的功能RAL 控制軋制與控制冷卻的關(guān)鍵點控制軋制與控制冷卻的關(guān)鍵點關(guān)鍵點：關(guān)鍵點：“奧氏

7、體狀態(tài)的控制奧氏體狀態(tài)的控制”和進一步的和進一步的“由這種狀由這種狀態(tài)受到控制的奧氏體發(fā)生的相變的控制態(tài)受到控制的奧氏體發(fā)生的相變的控制”控軋：奧氏體狀態(tài)的控制：晶粒尺寸、硬化狀態(tài)；控軋：奧氏體狀態(tài)的控制：晶粒尺寸、硬化狀態(tài)；控冷：奧氏體相變條件的控制：開始溫度（過冷度）、控冷：奧氏體相變條件的控制：開始溫度（過冷度）、冷卻速率、終止溫度；冷卻速率、終止溫度；強化機制：傳統(tǒng)的控制冷卻是以卷取溫度作為控制目標，強化機制：傳統(tǒng)的控制冷卻是以卷取溫度作為控制目標，通過冷卻速度控制實現(xiàn)細晶強化，配合微合金化技術(shù)實通過冷卻速度控制實現(xiàn)細晶強化，配合微合金化技術(shù)實現(xiàn)析出強化?，F(xiàn)析出強化。 RAL 2. 軋

8、后冷卻技術(shù)的發(fā)展軋后冷卻技術(shù)的發(fā)展新一代鋼鐵材料開發(fā)：超級鋼、超細晶粒鋼、相變強化新一代鋼鐵材料開發(fā)：超級鋼、超細晶粒鋼、相變強化機制機制社會發(fā)展要求：社會發(fā)展要求：4R原則，即減量化、再循環(huán)、再利用、原則，即減量化、再循環(huán)、再利用、再制造。再制造。TMCP技術(shù)發(fā)展：采用節(jié)約型的成分設(shè)計和減量化生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展：采用節(jié)約型的成分設(shè)計和減量化生產(chǎn)方法，獲得高附加值、可循環(huán)的鋼鐵產(chǎn)品。這種方法，獲得高附加值、可循環(huán)的鋼鐵產(chǎn)品。這種TMCP技術(shù)就是以快冷技術(shù)為核心的新一代技術(shù)就是以快冷技術(shù)為核心的新一代TMCP技術(shù)。技術(shù)。強化機制：超細晶強化、相變強化、析出強化等綜合強強化機制：超細晶強化、相變強化、析

9、出強化等綜合強化手段化手段 RAL q 控制冷卻系統(tǒng)小結(jié)：1)可以實現(xiàn)直接淬火的冷卻裝置有：2）控冷工藝和鋼種永遠是相互關(guān)聯(lián)的RAL 高密集管層流冷卻系統(tǒng)高密集管層流冷卻系統(tǒng)RAL 管層流冷卻設(shè)備的關(guān)鍵點（管層流冷卻設(shè)備的關(guān)鍵點（1） 水流的性質(zhì)：穩(wěn)定的均勻的層流。這一點已經(jīng)在實驗室得到證實。現(xiàn)場是與輥道 平行布置的高位水箱（實際是粗管道），保證了每一個層流集管的狀況與實驗室是一樣的。RAL 適當?shù)淖銐虻乃畨海?壓力過高，水流噴濺，不沿板面流動，降低傳熱效果； 壓力過低，擊不破水膜，降低傳熱效果； 壓力過低，降低閥門的響應(yīng)特性；管層流冷卻設(shè)備的關(guān)鍵點（管層流冷卻設(shè)備的關(guān)鍵點（2）RAL 足夠的

10、水量： 水系統(tǒng)的能力； 高位水箱的儲水能力； 輥道運動速度可以部分補償水冷能力的不足。管層流冷卻設(shè)備的關(guān)鍵點（管層流冷卻設(shè)備的關(guān)鍵點（3）RAL 水幕裝置水幕裝置RAL U形管噴頭的結(jié)構(gòu)形管噴頭的結(jié)構(gòu)RAL JFE Super-OLAC技術(shù)技術(shù)OLAC：1980年年NKK（現(xiàn)（現(xiàn)JFE）軋后冷卻技術(shù)工業(yè)化；）軋后冷卻技術(shù)工業(yè)化； NKK控制冷卻技術(shù)的開發(fā)歷程：控制冷卻技術(shù)的開發(fā)歷程：Super-OLAC推廣：推廣：1998年福山厚板廠年福山厚板廠 ；2003年年5月月倉敷厚板廠；倉敷厚板廠；2004年年6月京浜廠月京浜廠 RAL 可以以近似理論極限冷卻速度，世界最高可以以近似理論極限冷卻速度，

11、世界最高冷卻速度（冷卻速度（700/秒秒-板厚板厚3mm）對鋼板實）對鋼板實行全面、均勻的冷卻行全面、均勻的冷卻 該設(shè)備可以大幅度提高該設(shè)備可以大幅度提高冷卻溫度控制精度，冷卻溫度控制精度，從而提高鋼材的質(zhì)量（通過晶粒細化、均從而提高鋼材的質(zhì)量（通過晶粒細化、均勻化達到高強高韌化、焊接性穩(wěn)定、加工勻化達到高強高韌化、焊接性穩(wěn)定、加工性能提高）性能提高）JFE Super-OLAC技術(shù)優(yōu)勢技術(shù)優(yōu)勢RAL Super-OLAC與在線回火與在線回火HOPRAL JFE Super-OLAC技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用與在線回火（感應(yīng)加熱）技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一系列具與在線回火（感應(yīng)加熱）技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一系列具

12、有優(yōu)異性能的高品質(zhì)中厚板材：有優(yōu)異性能的高品質(zhì)中厚板材： 造船用鋼：大熱量輸入焊接用鋼造船用鋼：大熱量輸入焊接用鋼 ； 橋梁用鋼：海岸耐侯性鋼；橋梁用鋼：海岸耐侯性鋼； 高層建筑用鋼：建筑用高層建筑用鋼：建筑用590N/mm2級鋼板、級鋼板、385N/mm2 高層建筑用鋼；高層建筑用鋼； 壓力容器用鋼：壓力容器用鋼： 610N/mm2級鋼板；級鋼板；管線用鋼：例如世界強度最高的管線鋼管線用鋼：例如世界強度最高的管線鋼CSA級級690（相（相當于當于X100級管線鋼）級管線鋼）RAL 中厚板軋后冷卻技術(shù)發(fā)展趨勢中厚板軋后冷卻技術(shù)發(fā)展趨勢在國內(nèi)中厚板企業(yè)冶煉裝備和軋機裝備及技術(shù)日益提高，在國內(nèi)中厚

13、板企業(yè)冶煉裝備和軋機裝備及技術(shù)日益提高，基本與鋼鐵技術(shù)發(fā)達國家如日本等基本無差距的背景下，基本與鋼鐵技術(shù)發(fā)達國家如日本等基本無差距的背景下，鋼板軋后輔助工序及技術(shù)，尤其是控制鋼板組織性能演鋼板軋后輔助工序及技術(shù)，尤其是控制鋼板組織性能演變的軋后冷卻工序所需的高效冷卻技術(shù)，已成為制約國變的軋后冷卻工序所需的高效冷卻技術(shù)，已成為制約國內(nèi)中厚板企業(yè)生產(chǎn)高附加值高性能中厚板產(chǎn)品的問題關(guān)內(nèi)中厚板企業(yè)生產(chǎn)高附加值高性能中厚板產(chǎn)品的問題關(guān)鍵所在鍵所在。軋后冷卻技術(shù)發(fā)展：高冷卻速率；冷卻均勻性好軋后冷卻技術(shù)發(fā)展：高冷卻速率；冷卻均勻性好RAL JFE Super-OLAC技術(shù)核心技術(shù)核心高冷卻能力：比傳統(tǒng)加速

14、冷卻方法快高冷卻能力：比傳統(tǒng)加速冷卻方法快25倍；倍；冷卻均勻性：在中厚鋼板冷卻過程的全溫度區(qū)域?qū)崿F(xiàn)板冷卻均勻性：在中厚鋼板冷卻過程的全溫度區(qū)域?qū)崿F(xiàn)板材的高效均勻冷卻材的高效均勻冷卻 ；冷卻能力：冷卻能力：RAL JFE Super-OLAC核心高冷速、均勻核心高冷速、均勻過渡沸騰區(qū)過渡沸騰區(qū)膜沸騰，低熱交換核沸騰，高熱交換RAL 3 均勻、高效冷卻的基本原理均勻、高效冷卻的基本原理 傾斜噴射；壓力；較近距離；消除膜態(tài)沸騰，實現(xiàn)核傾斜噴射；壓力；較近距離；消除膜態(tài)沸騰，實現(xiàn)核態(tài)沸騰；態(tài)沸騰；2 25 5倍的冷卻效率倍的冷卻效率RAL 局部換熱區(qū)域描述1.射流沖擊區(qū) 在水流下方和在水流下方和2

15、23 3倍水倍水流寬度的擴展區(qū)域內(nèi)，形成流寬度的擴展區(qū)域內(nèi)，形成具有層流流動特性的單相強具有層流流動特性的單相強制對流區(qū)域（區(qū)域制對流區(qū)域（區(qū)域）。）。流體直接沖擊換熱表面，使流體直接沖擊換熱表面，使流動邊界層和熱邊界層大大流動邊界層和熱邊界層大大減薄，從而大大提高熱減薄，從而大大提高熱/ /質(zhì)傳遞效率，因此換熱強度很高。質(zhì)傳遞效率，因此換熱強度很高。 表面形態(tài) 單相強制對流 核狀/過渡沸騰區(qū) 膜狀沸騰區(qū) 小液態(tài)聚集區(qū) 向環(huán)境輻射和對流散熱 水柱 軋件 鋼板表面局部換熱區(qū)描述鋼板表面局部換熱區(qū)描述中厚板加速冷卻過程的換熱分析中厚板加速冷卻過程的換熱分析RAL 2.2.核態(tài)沸騰換熱區(qū)核態(tài)沸騰換熱

16、區(qū) 核態(tài)沸騰由于汽泡（沸騰）核態(tài)沸騰由于汽泡（沸騰）擾動劇烈，換熱系數(shù)和熱流密擾動劇烈，換熱系數(shù)和熱流密度急劇增大，換熱能力很強。度急劇增大，換熱能力很強。3.3.膜態(tài)沸騰換熱區(qū)膜態(tài)沸騰換熱區(qū) 沸騰強制對流區(qū)（區(qū)域沸騰強制對流區(qū)（區(qū)域），），熱量傳遞須穿過熱阻較大的汽熱量傳遞須穿過熱阻較大的汽膜導(dǎo)熱，換熱強度低。膜導(dǎo)熱，換熱強度低。 沸騰曲線示意圖沸騰曲線示意圖中厚板加速冷卻過程的換熱分析中厚板加速冷卻過程的換熱分析RAL 中厚板中厚板DQ的問題的問題作為控制冷卻的極限結(jié)果，作為控制冷卻的極限結(jié)果，DQ的作用早已為人們所認識。的作用早已為人們所認識。但是，其潛在的能力一直未得到發(fā)揮，原因在于直

17、接淬但是，其潛在的能力一直未得到發(fā)揮，原因在于直接淬火條件下冷卻均勻性的問題一直沒有的到解決，火條件下冷卻均勻性的問題一直沒有的到解決，DQ情況情況下板形控制一直困擾人們。下板形控制一直困擾人們。國內(nèi)：寶鋼國內(nèi)：寶鋼5mDQ、酒鋼、酒鋼ADCODQ采用的技術(shù)：采用的技術(shù)：日本厚板廠日本厚板廠DQ采用的冷卻技術(shù)：采用的冷卻技術(shù)： 噴射冷卻層流冷卻：新日鐵噴射冷卻層流冷卻：新日鐵-CLC;住友住友DAC; JFE-Super-OLACRAL 中厚板控冷設(shè)備冷卻能力及效果與其所基于的換中厚板控冷設(shè)備冷卻能力及效果與其所基于的換熱機理有關(guān)。熱機理有關(guān)。 冷卻設(shè)備提高冷卻效率、實現(xiàn)均勻冷卻的關(guān)鍵：冷卻設(shè)

18、備提高冷卻效率、實現(xiàn)均勻冷卻的關(guān)鍵： 集管噴嘴的合理設(shè)計及排布；集管噴嘴的合理設(shè)計及排布； 射流沖擊換熱區(qū)的合理配置；射流沖擊換熱區(qū)的合理配置； 沖擊換熱區(qū)面積的最大化；沖擊換熱區(qū)面積的最大化； 泡核沸騰換熱。泡核沸騰換熱。 提高中厚板換熱能力的途徑提高中厚板換熱能力的途徑RAL 新型控制冷卻系統(tǒng)基本配置新型控制冷卻系統(tǒng)基本配置？ m20 m？mNEW-ACC矯直機軋機方案方案1：水泵供水：水泵供水水量：水量：6000m3/h壓力：壓力：0.30.5MPa方案方案1：高位水箱供水：高位水箱供水水量：水量：40006000m3/h壓力：壓力：0.10.2MPaDQ+ACC均勻性均勻性高效率，高冷

19、速高效率，高冷速儀表和閥門儀表和閥門RAL 4.中厚板控制冷卻系統(tǒng)中厚板控制冷卻系統(tǒng)RAL 儀表配置儀表配置RAL 觸發(fā)邏輯觸發(fā)邏輯控冷過程機根據(jù)軋線上鋼板的檢測信息，根據(jù)宏跟蹤數(shù)據(jù)區(qū)控冷過程機根據(jù)軋線上鋼板的檢測信息，根據(jù)宏跟蹤數(shù)據(jù)區(qū)軋件的身份信息，結(jié)合鋼板微跟蹤段的信息觸發(fā)相應(yīng)的計算軋件的身份信息，結(jié)合鋼板微跟蹤段的信息觸發(fā)相應(yīng)的計算預(yù)設(shè)定計算、修正設(shè)定計算、模型自學(xué)習(xí)。預(yù)設(shè)定計算、修正設(shè)定計算、模型自學(xué)習(xí)。RAL 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)組成第第2級過程控制級：級過程控制級：通過數(shù)學(xué)模型進行設(shè)定計算，板坯跟蹤，數(shù)據(jù)采集，模型自學(xué)習(xí)，打印報表，人機接口，歷史數(shù)據(jù)存儲，報警等；第第1級基礎(chǔ)自動化

20、級：級基礎(chǔ)自動化級：順序控制，設(shè)備控制和質(zhì)量控制，執(zhí)行過程機的設(shè)定，保證板坯頭部、尾部、邊部與中間部分的溫度一致。通過控制，使產(chǎn)品冷卻速度及全長的溫度達到要求的精度；第第0級數(shù)字級數(shù)字DC傳動控制級：傳動控制級：軌道的速度及加速度控制。 儀表：儀表：HMD、測溫儀、流量計RAL 常規(guī)層流設(shè)備性能保證值常規(guī)層流設(shè)備性能保證值同板溫度差220；異板溫度差225； 控制冷卻鋼板厚度范圍：660mm；控制冷卻鋼板寬度范圍：15002600mm；控制冷卻鋼板最大長度：30000 mm；控制冷卻開始溫度范圍：7001000；控制冷卻終冷溫度范圍：450750；輥道速度調(diào)整范圍：0.22 .0m/s； 注：

21、控冷區(qū)輥道速度應(yīng)與控冷區(qū)前后輥道速度匹配。板形：矯直后成品板形滿足或優(yōu)于國家標準的1/2；一次性能合格率：99.5；冷卻速率范圍：1.550/s （視水溫和板厚而定），對于20mm厚鋼板，冷卻速度最大為20/s；系統(tǒng)的計算機、PLC投入運行率99.5。 RAL 控制目標控制目標 終冷溫度終冷溫度冷卻速度冷卻速度各向冷卻均各向冷卻均勻勻控制參量控制參量集管流量集管流量集管開啟數(shù)集管開啟數(shù)目及位置目及位置輥道速度輥道速度輥道加速速輥道加速速邊部遮蔽量邊部遮蔽量及遮蔽位置及遮蔽位置水量比水量比冷卻過程控制模型結(jié)構(gòu)圖冷卻過程控制模型結(jié)構(gòu)圖RAL 冷卻策略制定初始的冷卻計劃，為前饋控制模型提供初始化數(shù)據(jù)

22、。冷卻策略制定初始的冷卻計劃，為前饋控制模型提供初始化數(shù)據(jù)。模型在其提供的初始值基礎(chǔ)上進行計算，減少了計算量。模型在其提供的初始值基礎(chǔ)上進行計算，減少了計算量。冷卻數(shù)學(xué)模型是前饋控制模型的核心，通過反復(fù)調(diào)用冷卻數(shù)學(xué)模冷卻數(shù)學(xué)模型是前饋控制模型的核心，通過反復(fù)調(diào)用冷卻數(shù)學(xué)模型進行溫降計算，給出實現(xiàn)目標的冷卻規(guī)程。型進行溫降計算，給出實現(xiàn)目標的冷卻規(guī)程。 數(shù)學(xué)模型及冷卻策略的作用數(shù)學(xué)模型及冷卻策略的作用前饋控制模型前饋控制模型預(yù)設(shè)定預(yù)設(shè)定修正設(shè)定修正設(shè)定確定層別參數(shù)確定層別參數(shù)層別層別冷卻策略冷卻策略冷卻數(shù)學(xué)模型冷卻數(shù)學(xué)模型冷卻數(shù)學(xué)模型冷卻數(shù)學(xué)模型（控制參量初始值）（控制參量初始值）（空冷、水冷溫

23、降計算）（空冷、水冷溫降計算）（空冷、水冷溫降計算）（空冷、水冷溫降計算）RAL 交替方向隱式差分數(shù)學(xué)模型交替方向隱式差分數(shù)學(xué)模型二維偏微分方程二維偏微分方程2222tttQaxyc(導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù))簡化形式簡化形式2222tttaxy(相變潛熱計入比熱中相變潛熱計入比熱中)11111,1,1,1,22111222211,1,1,1,22221221kkkkkkkkiji jiji ji ji ji ji jkkkkkkkkiji jiji ji ji ji ji jttttttttaxyttttttttaxy交替方向隱式差分形式：交替方向隱式差分形式：（無條件穩(wěn)定、求解方便）（

24、無條件穩(wěn)定、求解方便）RAL 初始條件、邊界條件和物性參量的確定初始條件、邊界條件和物性參量的確定(0,/2)2(0,/2)20(0,0)0(0,0)wwtdxtttcxwxtdytttcyhytxxtyy邊界條件：邊界條件： ( , ,0)( )(0, 0, 0)t i jf tinjm 初始條件：初始條件：111,22,22,1,221,2221222212kknjnjknjwkki mi mki mwaattxxcxttcxaattyycyttcy差分差分形式形式求解差分方程需確定的量求解差分方程需確定的量:初始條件：初始條件： 終軋時刻作為冷卻的開始時刻，此時鋼板斷面溫度作為初始溫度場

25、終軋時刻作為冷卻的開始時刻，此時鋼板斷面溫度作為初始溫度場邊界條件：邊界條件： 確定不同時刻對應(yīng)的表面對流換熱系數(shù)確定不同時刻對應(yīng)的表面對流換熱系數(shù)(空冷空冷、水冷、水冷)三個物性參量：三個物性參量： 鋼板密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱鋼板密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱RAL 空冷表面對流換熱系數(shù)的確定空冷表面對流換熱系數(shù)的確定 44()aqTT22()()aaaATTT T +根據(jù)斯蒂芬波爾茨曼定律：根據(jù)斯蒂芬波爾茨曼定律：a空冷換熱系數(shù)；空冷換熱系數(shù)； 式中，式中，A自學(xué)習(xí)系數(shù)；自學(xué)習(xí)系數(shù)；1鋼板的黑度，鋼板的黑度， ；斯蒂芬波爾茨曼常數(shù)；斯蒂芬波爾茨曼常數(shù)；T鋼板表面溫度；鋼板表面溫度；aT空氣介質(zhì)的溫度。

26、空氣介質(zhì)的溫度。確定空冷換熱系數(shù)主要依賴于確定空冷換熱系數(shù)主要依賴于 值的確定值的確定 參考牛頓冷卻公式形式給出：參考牛頓冷卻公式形式給出：RAL 水冷表面對流換熱系數(shù)的確定水冷表面對流換熱系數(shù)的確定 bc TwwvwAafqe(1)(1)該模型主要考慮了水流密度和鋼板表面溫度的影響該模型主要考慮了水流密度和鋼板表面溫度的影響; ;(2)(2)根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)用回歸試湊法確定根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)用回歸試湊法確定a、b、c、fv 。式中，式中，Aw 自學(xué)習(xí)系數(shù)；自學(xué)習(xí)系數(shù)；qw水流密度；水流密度；T鋼板表面溫度；鋼板表面溫度；fv 速度修正系數(shù)；速度修正系數(shù)；a 按鋼板規(guī)格確定的系數(shù)；按鋼板規(guī)格確定

27、的系數(shù)；b、c模型常數(shù)系數(shù)。模型常數(shù)系數(shù)。采用回歸模型：采用回歸模型：RAL 導(dǎo)導(dǎo) 熱熱 系系 數(shù)數(shù) 的的 確確 定定 4005006007008009001000202224262830323436384042heat conductivity (kcal/m h )steel plate temperature ( ) 0.06% C 0.08% C 0.23% C 0.4% C Si-Mn用線性插值方法可求得對應(yīng)含碳量和任一時刻溫度的導(dǎo)熱系數(shù)用線性插值方法可求得對應(yīng)含碳量和任一時刻溫度的導(dǎo)熱系數(shù)特點：在差分某一節(jié)點范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)是常數(shù)特點：在差分某一節(jié)點范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)是常數(shù)(滿足差分形式

28、成立的條件滿足差分形式成立的條件)典型鋼種的導(dǎo)熱系數(shù)值曲線典型鋼種的導(dǎo)熱系數(shù)值曲線RAL 比比 熱熱 的的 確確 定定 300400500600700800900100011000.100.120.140.160.180.200.220.240.260.280.300.320.340.360.380.40specific heat (kcal/kg )steel plate temperature ( ) 0.06% C 0.08% C 0.23% C 0.4% C Si-Mn400500600700800900100011000.100.120.140.160.180.200.220.240

29、.260.280.300.320.340.360.380.40specific heat (kcal/kg )steel plate temperature ( ) 0.06% C 0.08% C 0.23% C 0.4% C Si-Mn 典型鋼種的比熱值曲線典型鋼種的比熱值曲線（取溫度上限值連線）（取溫度上限值連線）碳碳 鋼：在鋼：在700-750700-750區(qū)間比熱值變大，對應(yīng)相變過程區(qū)間比熱值變大，對應(yīng)相變過程Si-MnSi-Mn鋼：在鋼：在750-800750-800區(qū)間比熱值變大，對應(yīng)相變過程區(qū)間比熱值變大，對應(yīng)相變過程同樣是用線性插值方法求得對應(yīng)含碳量和任一時刻溫度的比熱值同樣是

30、用線性插值方法求得對應(yīng)含碳量和任一時刻溫度的比熱值特點：將相變潛熱考慮到平均比熱中特點：將相變潛熱考慮到平均比熱中(可以對熱傳導(dǎo)偏微分方程簡化可以對熱傳導(dǎo)偏微分方程簡化)RAL 冷卻均勻性控制冷卻均勻性控制 終冷溫度終冷溫度 冷卻數(shù)學(xué)模型的精度冷卻數(shù)學(xué)模型的精度 冷卻設(shè)備的冷卻能力冷卻設(shè)備的冷卻能力冷卻速度冷卻速度控制策略控制策略 調(diào)整集管排布組合方式、噴水流量、鋼板運行速度調(diào)整集管排布組合方式、噴水流量、鋼板運行速度成品的各向冷卻均勻成品的各向冷卻均勻控制策略控制策略 縱縱 向：頭尾特殊控制向：頭尾特殊控制/ /分段跟蹤控制分段跟蹤控制/ /加速度控制加速度控制 橫橫 向：改變邊部遮蔽量及位

31、置向：改變邊部遮蔽量及位置 上下面：改變水量比上下面：改變水量比 制定初始的冷卻控制策略，給出相應(yīng)控制參量合理初制定初始的冷卻控制策略，給出相應(yīng)控制參量合理初始值，始值，模型在此初始值基礎(chǔ)上進行計算給出合適的冷卻規(guī)模型在此初始值基礎(chǔ)上進行計算給出合適的冷卻規(guī)程，可減少迭代次數(shù)，從而減少計算時間。程，可減少迭代次數(shù)，從而減少計算時間。RAL -10123456789101112131415680690700710720730740750760770780790800810820830840850860870880temperature()the length of the plate(m) af

32、tercooling up-surface temperature Lognitudinal temperature grads beforecooling temperature Lognitudinal temperature grads048121620242832364044660680700720740760780800820840860880900920 temperature()the length of the plate(m) aftercooling up-surface temperature Lognitudinal temperature grads beforeco

33、oling temperature Lognitudinal temperature grads采用策略前的實測曲線采用策略前的實測曲線(40mm)采用策略前的實測曲線采用策略前的實測曲線(12mm)縱向非均勻性特點縱向非均勻性特點 RAL 橫向橫向 邊部遮蔽示意圖邊部遮蔽示意圖 (a) 理想的遮蔽形式理想的遮蔽形式 (b) 局部使用集管的遮蔽形式局部使用集管的遮蔽形式 (c) 實際采用的遮蔽形式（連續(xù)使用集管時）實際采用的遮蔽形式（連續(xù)使用集管時） (d) 實際采用的遮蔽形式（間隔使用集管時）實際采用的遮蔽形式（間隔使用集管時） RAL 上下面上下面 調(diào)節(jié)水量比調(diào)節(jié)水量比 單根集管冷卻區(qū)域上

34、下表面溫降示意圖單根集管冷卻區(qū)域上下表面溫降示意圖 下集管比上集管的水量要大下集管比上集管的水量要大水量變化，水量比值也變化水量變化，水量比值也變化RAL 溫度場模型提高計算精度翹曲分析合理上下?lián)Q熱系數(shù)系統(tǒng)設(shè)計前饋控制系統(tǒng)模型設(shè)定自適應(yīng)控制裝置優(yōu)化設(shè)計供水平衡流量均勻穩(wěn)定合理控制策略制訂溫度均勻性控制分析溫度均勻性控制分析RAL 冷卻過程翹曲簡要分析 分析認為，在冷卻初始階段鋼板大部分未發(fā)生相變，因此鋼板產(chǎn)生翹曲的主要影響因素是熱應(yīng)力的作用，鋼板朝強冷側(cè)產(chǎn)生收縮；相變發(fā)生后，強冷側(cè)相變膨脹的影響逐漸增大，鋼板翹曲量減小，最終向反方向產(chǎn)生了翹曲，反向翹曲的極值為；相變結(jié)束后，熱應(yīng)力成為影響鋼板翹

35、曲的主要因素，隨著鋼板上下部分的溫差增大翹曲量也不斷增大；隨著冷卻過程的進行，鋼板上下部分的溫差逐漸縮小，鋼板的翹曲也逐漸減小。RAL 應(yīng)力失穩(wěn)分析基于彈塑性理論，當熱應(yīng)力和組織應(yīng)力之和大于臨界屈曲應(yīng)力，鋼板發(fā)生變形，產(chǎn)生板形缺陷。從應(yīng)力曲線可以看出，只有將熱應(yīng)力和組織應(yīng)力之和控制在屈曲臨界以內(nèi)，才能避免翹曲現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)熱應(yīng)力和彈性不穩(wěn)定理論，計算出了厚度、寬度和長度方向的臨界屈服應(yīng)力，如表3.2所示。分析可知鋼板是否產(chǎn)生變形取決于以下因素：（1）溫差，即冷卻過程中鋼板冷卻越不均勻，鋼板內(nèi)部溫度梯度越大，就越容易產(chǎn)生板形缺陷；（2）厚寬比，即越薄的鋼板，厚度和寬度的比值越小，越容易產(chǎn)生板形

36、缺陷；（3）屈曲壓力系數(shù)，通常鋼板頭尾以及鋼板邊部屈曲壓力系數(shù)遠小于中心部分，所以鋼板邊部比中心更容易產(chǎn)生板形缺陷。RAL 層流系統(tǒng)參數(shù)對控冷均勻性的影響層流系統(tǒng)參數(shù)對控冷均勻性的影響控冷均勻性水循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定集管噴水均勻水循環(huán)平衡數(shù)學(xué)模型泵流量優(yōu)化水力數(shù)學(xué)模型RAL 冷卻過程溫度均勻性控制冷卻過程溫度均勻性控制溫度均勻性控制策略長度方向?qū)挾确较蚝穸确较颥F(xiàn)象溫度異常波動整體溫度梯度措施措施微跟蹤控制輥道微加速控制現(xiàn)象邊部過冷措施邊部遮蔽控制現(xiàn)象中心和表面的溫度梯度上下表面冷卻不對稱措施措施稀疏冷卻控制上下水量比控制RAL 鋼板長度方向溫度均勻性控制鋼板長度方向溫度均勻性控制微跟蹤控制 溫 度 異 常 波 動 1 2 3 4 5 6 鋼 板 物 理 分 段 微跟蹤控制思路：微跟蹤控制思路：(A) 普通控制(B) 微跟蹤控制RAL