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1、2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 194 中厚板控冷过程的板形问题分析与控制中厚板控冷过程的板形问题分析与控制 周 娜，薛军安，吴 迪，张殿华 ( 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 沈阳 110004 ) 摘摘 要：要：分析了控冷过程由于温度不均匀造成的热应力的变化产生的板形缺陷问题；研究了冷却过程中为保持板形 良好在厚度、宽度及长度上的温度控制方法。 关键词：关键词：中厚板 控冷 板形缺陷 Shape Analyzes and Control of Plate in Control cooling Zhou Na, Xue Jun-an,
2、Wu Di, Zhang Dian-hua (The State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004 ) Abstract: This paper analyzed the shape defects of the plate in the process of cooling because of the thermal-stress caused by the uneven cooling and studied the methods for longitud
3、inally and transversely control on the plate shape. Keywords: plate; control cooling; shape defect 1 前言 中厚板生产中，为了对产品组织性能进行控制，一般都采用控轧控冷的方法1。采用控制冷却 技术的主要目的是：改善钢板组织、提高钢板的力学性能；保证同一块钢板的力学性能均匀，同一 批、同钢种的钢板力学性能波动小；控冷过程中保持钢板板形平直。不合理的冷却制度会造成钢板 沿纵向、横向和厚度方向的冷却不均匀，引起复杂的热应力变化，容易造成板形缺陷问题2。 2 板形缺陷分析 2.1 控冷设备介绍 某厂中厚
4、板轧后控制冷却装置（图 1）由上下集管、侧喷装置、前后吹扫等基本设备组成。冷 却区入口和出口处及矫直前装有红外测温仪，计算机系统可以采集到开冷温度、终冷温度和返红温 度。过程机控制系统根据不同钢种、厚度及冷却工艺，采取不同的冷却制度对钢板进行冷却。 轧 向 高密直集管 T T 热金属检测仪 红外测温仪 T T T T T 图 1 控冷装置示意图 2.2 板形缺陷 图 2 示意性的表示了控冷过程中常见的钢板板形缺陷。控制冷却过程中，控制钢板的横向冷却 均匀性和厚度方向以及长度方向冷却的对称性，是保持钢板板形良好、控制钢板平直度的主要途径 3。 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 20
5、07 年 5 月 沈阳 195 不均匀冷却方向 板形缺陷 厚度方向 宽度方向 长度方向 图 2 控冷钢板的板形缺陷示意图 3 板形控制方法 3.1 宽度方向温度均匀性的控制 由于钢板宽度方向冷却前的温度分布一般略成中凸型，边部较凉，控制冷却时冷却水又从边部 流出，下喷冷却水回落到钢板两边，加重了钢板宽度方向温度的不均匀。钢板宽度方向冷却前的温 度分布一般略成中凸型，边部较凉，冷却时，冷却水从边部流出，使得钢板边部水流量增加，再加 上侧喷的冷却作用，下喷冷却水回落到钢板的两边，加重了钢板宽度方向温度的不均匀。 为保证钢板宽向上温度均匀分布，从控冷工艺和设备上考虑，目前主要采用的方法是采用冷却 器
6、边部遮蔽技术和设计钢板上下表面冷却器合理的流量分布曲线。边部遮蔽技术是在两侧设置喷水 量可随板宽调节的边部遮蔽挡板，使水流不直接冲击两侧，实现边部均匀冷却的技术；采用边部遮 蔽技术，减轻宽度方向滞留水对钢板传热的影响，使钢板上表面的横向传热均匀一致，克服钢板上 表面的中部滞留水流造成的中间传热慢、边部传热快、传热系数差距大的不均匀冷却问题4。考虑 宽度、厚度、水量对钢板横向温度分布的影响，为了使方便模型的在线设定和自学习计算，建立如 下的边部遮蔽量模型： cba hhQQBB B B bfB)()()()int( 000 0 0 = (1) 式中，f修正系数； 0 b基本遮蔽量，mm； 0 B
7、、 0 Q、 0 h钢板基本宽度（mm） 、基本冷却水量（m3/h）和钢板基本厚度（mm） ； B、Q、h钢板宽度（mm） 、冷却水量、m3/h 和钢板厚度（mm） 。 该模型的含义是：钢板宽度小于一定值时，即可以忽略边部的温度陡降区间，认为钢板横向上 温度近似均匀分布，不使用边部遮蔽；随着厚度的增加，钢板横向上温度差增大，遮蔽量增加；随 着冷却水量的增加，钢板边部温差增大，遮蔽量增加。 如果边部遮蔽过大，边部的温度会比中心的温度高，当在边部的压缩热应力超过临界弯曲应力 时，会产生边浪。若边部过冷，压缩热应力会在钢板芯部产生，当压缩热应力超过相应的临界弯曲 2007 年全国塑性加工理论与新技术
8、学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 196 应力时，将导致中浪。 流量分布曲线的设计和边部遮蔽装置目的一样，为了减少钢板宽度方向上的温差，克服滞留水 的负面影响，采用钢板宽度方向两侧比中部水流量略小的拱形水流分布控制方式，钢板宽度方向冷 却的换热系数趋于一致，有利于钢板横向冷却的均匀。 3.2 厚度方向温度均匀性的控制 厚度方向温度的不均匀性在钢板板形缺陷上表现为两个方面：一是水量比设置不合理，上下表 面冷却不对称，两表面存在温差，其严重后果是钢板发生上翘或下扣，钢板无法正常输送；二是表 层和芯部的温度差，使钢板表面产生过度冷却，影响钢板的组织和力学性能。 由于厚度方向的不均匀冷却造成的翘
9、曲对钢板的性能危害最大，应该首先予以消除。钢板上下 表面的冷却水流量和比例，是保证对钢板厚度方向对称冷却使钢板平直的关键。如果上表面的换热 比下表面大，上表面温度下降快，钢板上下表面不对称的热收缩会引起上表面的拉伸应力和塑性应 变，下表面受压应力，该应力超过临界弯曲应力时，会导致钢板上翘，当钢板完成终冷、在厚度方 向上有返红过程，会导致钢板翘曲反向从上到下。 水量比将视总水量而定，在高流量的区域，水比应该增加去补偿在上表面水的聚积引起的较大 的冷却效果；在低流量区域，上表面水量越小，由于重力作用，减小了下集管的喷射冷却效果，需 要去实现钢板上下表面对称冷却所需要的水比越高。确定水量比时，应综合
10、考虑系统的供水能力和 工艺要求，如上、下集管所能达到的最大、最小流量和允许的上、下流量比等，从而在一合理的范 围内确定出水量比值。 水量比值随喷流形态不同而不同，喷射冷却的水量比较小，而层流冷却较大，可达 1: 23。考 虑集管水量、钢板厚度、冷却方式（间歇冷却或连续冷却）等诸多因素，结合现场实际冷却效果， 按照下述水量比模型回归模型参数。 cb 0 a 0 ) z 1 () y y () x x (obasic_ratiratio=A （2） 式中，x冷却水量，m3/h； y钢板厚度，mm； z为开启集管密度，连续开启时密度为 1；开一组关一组时密度为 1/2；开两组关一组时密 度为 2/3
11、； A自学习系数； basic_ratio基本水量比系数，小管对应 2.2，大管对应 2.5； a水量系数，小管对应 0.22，大管对应 0.15； x0基本水量，大小管分别对应 60、90m3/h； b厚度系数，取值为 0.01； y0基本厚度，取值为 10mm； c集管排布方式系数，取值为 0.035。 该模型设定的原则是： 在某一范围内， 水量比随水量增加而增加； 超出该范围， 水量比不变； 在 某一范围内，水量比随厚度增加而增加；超出该范围，水量比不变；水量比随间歇方式不同而不同， 越稀疏水量比越大。 水量比规律是大集管水量比比小集管大，间歇冷却比连续冷却大，水量增加水量比增加，钢板
12、厚度增加水量比增加。一般说来，大集管的水量比在 2.42.7 之间，小集管的水量比在 2.02.3 之间。 表面和芯部的温度差在控制冷却过程中是不可避免的，关键在于它对钢板的组织和性能是否产 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 197 生了不良影响。对淬透性强、要求快速冷却的钢板，应该尽量减少表面和芯部的温度差，采用间断 冷却、降低水量等控制策略，可以降低冷却速度，有效减小厚度方向的温度梯度，控制温差。 3.3 长度方向上温度均匀性的控制 板坯在推钢式加热炉滑道内加热不均匀造成的黑印以及轧制过程中轧辊冷却水流到钢板表面造 成的温度波动容易造成钢板在长度方
13、向上的温度不均匀；在冷却过程中，下部的冷却水会回落到钢 板头部的上表面上，加剧了钢板头部的温度不均匀分布；并且钢板纵向上各部分进入冷却区的时间 有先有后， 根据钢板的长度和速度不同可能相差 1020s， 因而进入冷却区时钢板纵向上即由于空冷 时间不同而存在一定的温度梯度。 为保证钢板纵向温度均匀，主要是对钢板的头尾部低温区、中部温度梯度区和异常温度波动区 实施特殊控制5。钢板长度方向上，头尾温度不均匀的现象更为严重：1)终轧钢板的头尾通常会出现 折弯和翘曲现象，对上下表面的冷却系数有重大影响，导致在长度方向的冷却不均匀；2)通过冷却 系统的速度太快，大量的上表面的冷却水会流到钢板尾部，导致钢板
14、尾部过冷；3)如果集管开启的 时间比钢板头部到达的时间早，关闭时间比尾部离开时间晚，过量冷却水就会喷溅和回击在钢板上 表面，在钢板头尾导致过冷现象，在相反条件下，会导致钢板下表面冷却不足。 在长度方向上的温度分布不均匀，将导致在宽度和长度方向更复杂的应力状态。如果应力比临 界屈服应力大时，钢板会发生变形。因为长度方向的冷却不均匀主要集中在钢板头尾，通常会在头 尾处发生明显变形。 为了纠正钢板温度波动，实现钢板长度方向上的温度均匀性，从控冷区入口开始对钢板实施分 段微跟踪控制。即把钢板从头部到尾部进行物理分段，各段依据测温仪测定的温度分布信号和跟踪 信号进行单独控制，根据目标温度偏差进行模型计算
15、，控制变量为冷却水的水量或集管开启数目， 然后对各段实施前馈控制。 对无规律状态下的温度偏差常常采用微调末端集管水量方法来加以调整。 对头尾部的低温情况，通常对头部采取延迟开启喷水集管和对尾部提前关闭喷水集管的策略。 头尾特殊控制时开闭集管顺序为：对前几组集管，采取与冷却辊道速度方向逆向开，顺向关的顺序。 钢板纵向温度呈梯度下降，为保证纵向温度均匀，我们采取对控冷辊道施加一相应的加速度来纠正 纵向 温度梯度。该加速度的大小与温度梯度、辊道初始速度、辊道速度允许范围、冷却区前后辊道 速度允许范围等因素有关，因此在加速度模型中充分考虑了辊道速度、设备允许能力等影响因素。 4 结论 (1) 采用边部
16、遮蔽技术，建立边部遮蔽模型，更好控制钢板的横向板形； (2) 采用间歇冷却方式，可以降低钢板厚度方向的温度梯度，建立了水量比的模型，保证上下水量 比的准确选择，确保钢板在厚度方向上的板形平直； (3) 采取与冷却辊道速度方向逆向开、顺向关的顺序，实现钢板头尾部的均匀冷却；采用加速度控 制，提高钢板冷却的纵向均匀性。 参考文献 1 陈瑛. 中厚钢板板形控制技术综述J. 宽厚板. 1999, 5(5): 1-6. 2 吉原直武. 厚钢板制御冷却时座屈解析J.铁钢,1990, 76(6):886. 3 皮昕宇. 中厚板控制冷却的板型控制探讨J. 宽厚板. 2006, 12(4): 5-8. 4 蔡晓辉，等中厚板控制冷却数学模型J东北大学学报（自然科学版） ，2003,24(10):923-926. 5 龚彩军，等中厚板轧后冷却的过程控制J东北大学学报（自然科学版） ，2005,26(2):129-132.