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        CSP生產(chǎn)線精軋區(qū)帶鋼溫度設(shè)定模型研究

        2012-01-23 05:29:42熊文濤李立新何亞元
        武漢科技大學學報 2012年2期
        關(guān)鍵詞:溫降水冷設(shè)定值

        熊文濤,李立新,范 進,何亞元

        (武漢科技大學材料與冶金學院,湖北武漢,430081)

        某鋼廠CSP生產(chǎn)線是近年從國外引進的具有國際先進水平的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線,投產(chǎn)后生產(chǎn)運行狀況良好。但由于該生產(chǎn)線的各種設(shè)定和控制模型均為封裝形式,其系統(tǒng)備份只給出了相應(yīng)的設(shè)定值,因此,如何根據(jù)這些設(shè)定值建立滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求的相應(yīng)模型,是優(yōu)化該生產(chǎn)線工藝、開發(fā)新產(chǎn)品亟需研究的課題。帶鋼溫度模型是該生產(chǎn)線模型中的重要模型之一,因為帶鋼溫度預(yù)報精度不僅直接影響軋制力和軋輥熱凸度的預(yù)報精度,而且還將影響產(chǎn)品的最終組織和性能。為此,本文擬對某鋼廠CSP軋制區(qū)生產(chǎn)工藝特點進行分析,得出帶鋼溫度下降的主要因素,由此建立帶鋼溫度模型,并將其預(yù)測值與設(shè)定值進行比較,確定帶鋼溫度模型的生產(chǎn)適用性。

        1 CSP生產(chǎn)線的軋制工藝

        圖1為CSP生產(chǎn)線軋制工藝示意圖。由圖1可看出,連鑄坯從均熱爐出來,經(jīng)過一段極短距離的中間輥道輸送后,用高壓水除去表面氧化鐵皮,然后以一定的初速度進入精軋機組進行連續(xù)軋制。在均熱爐出口處和精軋機組出口處均裝有高溫測溫計,以便在線測定帶鋼溫度。機架間設(shè)有冷卻水噴頭,根據(jù)在線測得的帶鋼溫度值,調(diào)節(jié)噴頭水量對帶鋼進行噴水冷卻,以控制帶鋼溫度。在均熱爐出口處的鋼坯溫度均勻,表面溫度和芯部溫度相差很小,此處測溫計的測量值較為準確,在實際生產(chǎn)中,一般將它作為全線溫度設(shè)定的基準值。

        圖1 CSP生產(chǎn)線軋制工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of the CSP rolling process

        2 CSP溫度模型的建立

        帶鋼在軋制線上的溫度變化是由輻射、對流、傳導等傳熱形式引起的,常見的幾個基本環(huán)節(jié)有:①帶鋼在輥道上或機架間傳送時,在空氣中輻射的溫降;②高壓水除鱗時的溫降;③機架間噴水或?qū)恿骼鋮s時的溫降;④在機架中軋制時,塑性變形引起的溫升;⑤與軋輥接觸時傳熱所引起的溫降。

        為了計算上述不同環(huán)節(jié)的溫度變化值,可假設(shè)在每個環(huán)節(jié)中以某一種或兩種形式的傳熱為主,忽略其他形式的傳熱,并運用相應(yīng)的模型計算其溫度變化值。由圖1還可看出,從出爐測溫點到F1入口的L0段,帶鋼先在輥道上傳送,然后經(jīng)高壓水除鱗,雖先后經(jīng)歷了輻射、對流兩種溫度變化形式,但由于采用了緊湊式布置,輥道長度不足3 m,帶鋼在空氣中停留時間很短,所以輻射以及與空氣的對流傳熱量很少,只需考慮在高壓水除鱗時強迫對流所引起的溫降;在L1~L7各段中,帶鋼交叉經(jīng)歷了軋制變形、與軋輥接觸、低壓水冷卻等環(huán)節(jié),所以同時具有上述3種溫度變化形式。熱軋帶鋼精軋過程中的塑性變形熱和接觸導熱可假設(shè)互相抵消[1-2],軋制過程中的塑性變形熱和接觸導熱損失所引起的溫度變化大致上相互抵消,所以帶鋼的溫度變化主要發(fā)生在變形區(qū)外的水冷和空冷區(qū)[3-4]。

        由此可見,CSP生產(chǎn)線軋制區(qū)帶鋼溫度的變化是由高壓水除鱗和機架間噴水引起的,而兩者具有相同形式的溫降公式,因此,可將其看作一個當量冷卻系統(tǒng)。根據(jù)傳熱學理論,經(jīng)過推導后給出了以下模型[1]:

        式中:tS為冷卻前軋件的溫度,℃;tM為冷卻后軋件的溫度,℃;tW為冷卻水水溫,℃;α為強迫對流交換系數(shù),W/(m2·℃);lr為冷卻水段長度,m;γ為帶鋼密度,kg/m3;C為比熱容,J/(kg·℃);h7為F7機架軋件厚度,mm;v7為F7機架軋件速度,m/s。

        若令綜合水冷系數(shù)k=-2α/γC,則式(1)可化為

        由式(2)可知,欲確定水冷溫降模型,必須先確定綜合水冷系數(shù)k。考慮到各段的冷卻工藝不同,各段應(yīng)具有不同的k值,于是將式(2)改為式(3),以確定各段水冷的溫降模型。即:

        式中:i=1~8,其中i=1時,t0為均熱爐出口處帶鋼溫度的測定值;i=8時,t8為精軋出口處帶鋼溫度測定值。

        3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

        若令式(3)中y=ti,x1=ti-1,x2=li-1/h7v7,則式(3)可化為

        運用Origin軟件中自定義函數(shù)的回歸功能,根據(jù)各段溫度設(shè)定值、機架間距離值、末架產(chǎn)品厚度和速度值,即可回歸計算得到各段相應(yīng)的ki-1值,從而確定水冷模型中的相關(guān)綜合水冷系數(shù)。在實際生產(chǎn)中,鋼坯的加熱溫度依據(jù)鋼種的不同而有所不同[5],為了確保開軋溫度和終軋溫度,軋制線上應(yīng)施用冷卻水的水量是不同的。本文為了簡化計算和增加現(xiàn)場的適用性,假定一定化學成分的帶鋼軋制工藝是相對穩(wěn)定的,對不同出爐溫度范圍的鋼坯各段水冷系數(shù)進行了回歸。對于w(C)=0.039 6%~0.043 7%的低碳鋼,根據(jù)43組現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸得到各段ki-1值、相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)平方值R2和顯著性檢驗F值(見表1)。

        取信度α=0.05時,F(xiàn)2,400.05=3.23。由此可見,表1中各道次的F值均通過了顯著性檢驗,所以以水冷為基礎(chǔ)推導的溫降模型基本上反映了實際生產(chǎn)情況。同時還注意到,各段對應(yīng)的k值波動很大,表明各段的綜合冷卻條件是不相同的,而回歸的相關(guān)系數(shù)平方值R2也表明前面的假設(shè)是成立的,即冷卻水對軋件溫度變化的作用在各種因素中占首要地位,軋制過程中的塑性變形熱和接觸導熱損失所引起的溫度變化大致上相互抵消,所以帶鋼的溫度變化主要是由冷卻水(包括高壓和低壓冷卻水)水冷引起的。

        圖2 各機架帶鋼設(shè)定溫度值與預(yù)測值的對比Fig.2 Comparison between the set-up and predicted strip temperature values

        表1 各段綜合冷卻系數(shù)值、相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)平方值Table 1 Comprehensive cooling coefficient,COD and F value for each zone

        利用已回歸出的水冷模型各段綜合水冷系數(shù),另選取合適的帶鋼,將其相應(yīng)的軋制工藝參數(shù)代入到水冷模型中,即可對所確立的模型進行檢驗并對所選帶鋼溫度進行預(yù)報。圖2為帶鋼沿各機架設(shè)定溫度值與水冷模型預(yù)測值的對比,圖中1、2、3、4、5、6、7分別表示w(C)為0.040%的不同帶鋼沿各機架溫度設(shè)定值曲線,1′、2′、3′、4′、5′、6′、7′則分別為對應(yīng)的帶鋼溫度預(yù)報值曲線。圖3為各機架溫度預(yù)報值的誤差。結(jié)合圖2、圖3可看出,帶鋼溫度預(yù)報值和原設(shè)定值之間的差別很小,均為±10℃,所以水冷模型和回歸計算得到的k值可用于實際生產(chǎn)帶鋼溫度值的設(shè)定。

        圖3 各機架帶鋼溫度預(yù)報值的誤差Fig.3 Errors of the strip temperature prediction value for each mill

        4 結(jié)論

        (1)水冷是影響CSP生產(chǎn)帶鋼溫度的主要因素,其帶鋼溫度的設(shè)定可以建立以水冷為基礎(chǔ)的溫降模型。

        (2)水冷模型的預(yù)報精度主要取決于各段綜合水冷系數(shù),準確地確定各段綜合水冷系數(shù)是保證設(shè)定精度的重要措施。

        [1] 孫一康.帶鋼熱連軋的模型與控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:106-121.

        [2] 宋勇,唐獲,趙志毅,等.熱連軋精軋機組溫度模型的改進[J].北京科技大學學報,2002,24(5):548.

        [3] 陳水宣.熱軋帶鋼溫度建模和數(shù)值模擬[D].杭州:浙江大學,2008:56-60.

        [4] 呂長寶.熱連軋帶鋼的溫度模型與模擬應(yīng)用[J].鋼鐵,2008,25(6):16.

        [5] 王廷溥,齊克敏.金屬塑性加工學[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007:110.

        [6] 日本鋼鐵協(xié)會.板帶軋制理論與實踐[M].王國棟,吳國良,譯.北京:中國鐵道出版社,1990:191.

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