CN101879530A - 热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法 - Google Patents

Abstract

一种热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法，属于轧钢技术领域，该测量方法建立厚度软测量模型，通过与热连轧过程机建立实时通讯，从过程机数据库中在线调用合金成分、工艺参数、实时温度参数及时间参数，作为参数输入，可实时的进行热连轧过程氧化铁皮厚度预测，根据测量结果修改各个阶段工艺参数，进而调整热轧工艺，以达到降低氧化铁皮厚度，改善带钢表面质量的目的。

Description

热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，特别涉及一种热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法。

背景技术

板带热连轧过程中，氧化铁皮厚度控制是表面质量控制关键技术之一，实现表面氧化铁皮厚度变化过程的跟踪是实现氧化铁皮结构控制的基础，然而，由于热连轧过程中表面温度变化复杂、轧制线取样点有限，因此对热轧过程氧化铁皮演变进程实现跟踪是十分困难。

目前关于氧化铁皮的研究多集中在清理钢板表面氧化铁皮措施和氧化铁皮结构控制方面，如中国专利申请号200710010183.5《中薄板坯连铸连轧带钢表面氧化铁皮控制方法》给出了针对中薄板坯热轧带钢包括成分设计、除鳞工艺、轧制和冷却工艺在内的氧化铁皮的控制方法，但主要针对的是中薄板坯短流程生产线，主要解决的是如何除去表面红锈，而对氧化铁皮厚度并未有提及；如中国专利申请号200610147265.X《测定热轧氧化铁皮及其中氧化物相面密度的方法和用途》给出了测定热轧氧化铁皮及其中氧化物面密度的方法，根据表面待测定的热轧氧化铁皮面积，计算氧化铁皮的面密度数值，根据氧化铁皮的面密度数值可用于得到热轧氧化铁皮的平均厚度，但对氧化铁皮厚度具体计算方法并未有提及，另外现阶段关于氧化铁皮厚度检测多集中在成品钢板取样的检测，这时检测的结果为氧化铁皮铁最终厚度，而对热连轧过程中的氧化铁皮厚度演变缺乏必要的描述，在热连轧过程中，氧化铁皮厚度演变与钢板温度、轧制条件等因素有密切关系，而且轧制过程中无法直接测量全过程氧化铁皮厚度变化，很难满足人们对轧制全线氧化铁皮厚度实时监测的需要，不利于工艺优化降低氧化铁皮厚度改善带钢表面质量。

发明内容

为克服上述方法之不足，本发明提出一种热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法，通过建立变温条件下厚度软测量模型，以达到降低氧化铁皮厚度，改善带钢表面质量的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法包括以下步骤：

步骤1：通过热重分析仪进行氧化增重实验，确定在恒定温度条件下氧化增重与时间的关系曲线；

步骤2：计算氧化激活能；

建立氧化动力学模型，公式如下；

ΔW²＝K_T·t                  (1)

式中，ΔW为氧化铁皮的增重，mg/mm²；K_T为恒温T条件下抛物线氧化速率常数，mg²/(m⁴·s)；t为在T温度下的氧化时间，s；

$K_T=\exp (A-\frac{Q}{\mathrm{RT}})---\left(2\right)$

式中，Q为钢种的激活能，J/mol；T为氧化温度，K；R为气体常数8.314，J/(mol·K)；A为模型常数；

$\ln K_T=\ln K_0+\left(\frac{-Q}{R}\right)\·\frac{1}{T}---\left(2\right)$

式中，K₀为初始模型参数；

根据公式(1)和步骤1得到的氧化增重实验数据计算出钢种在不同温度下的抛物线氧化速率常数K_T；对公式(2)两边进行对数变换得到公式(3)，得到不同温度下的1n K_T与

的关系曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率

确定氧化激活能Q；

步骤3：建立与热连轧过程机的实时通讯，从热连轧过程机的数据库中在线调用实时温度参数；所述的实时温度参数包括由基础自动化测得的加热炉、粗轧机、精轧机、控冷和卷取阶段的实时温度；

步骤4：建立热连轧过程连续变温条件下厚度软测量模型，确定表面氧化铁皮厚度；

利用步骤1所述的氧化动力学模型模型，推导变温条件下厚度软测量模型：连续变化的温度可看成是由若干个微小的温度梯度叠加而成，假定在一定的温度段内温度的变化以同等的微小单元来进行递增或递减；恒温条件下，氧化铁皮的增重符合抛物线规律，变温条件下，氧化铁皮增重可以分解为若干个微小的等温单元来计算其生成总和：

变温条件下厚度软测量模型公式为：

$\mathrm{\Δ}{W}_i^2=\mathrm{\Δ}{W}_{i-1}^2+K_T^i\·\mathrm{\δ}{t}_i---\left(4\right)$

$K_T^i=\exp (A-\frac{Q}{R{T}_i})---\left(5\right)$

式中，ΔW_i表示i时刻氧化铁皮的增重，mg/mm²；ΔW_i表示i-1时刻氧化铁皮的增重，mg/mm²；表示i时刻、恒温T条件下抛物线氧化速率常数，mg²/(mm⁴·s)，其中i＝1，2，3，.....N；δt_i是时间步长，s；T_i表示i时刻的氧化温度，K；

$\mathrm{\Δ}{W}_i^2=\mathrm{\Δ}{W}_0^2+K_T^1\·\mathrm{\δ}{t}_1+......+K_T^i\·\mathrm{\δ}{t}_i=\mathrm{\Δ}{W}_0^2+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_T^i\·\mathrm{\δ}{t}_i---\left(6\right)$

其中，ΔW₀＝0；

氧化铁皮厚度计算公式为：

h_i＝W_i/(ρ·S)                    (7)

其中，ρ为氧化铁皮密度，S为带钢表面积；

本发明优点：建立厚度软测量模型，通过与热连轧过程机建立实时通讯，从过程机数据库中在线调用合金成分、工艺参数、实时温度参数及时间参数，作为参数输入，可实时的进行热连轧过程氧化铁皮厚度预测，根据测量结果修改各个阶段工艺参数，进而调整热轧工艺，以达到降低氧化铁皮厚度，改善带钢表面质量的目的。

附图说明

图1是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法氧化增重实验方案示意图；

图2是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法氧化增重与时间关系曲线图；

图3是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法不同温度下1n K_T与

的拟合曲线示意图；

图4是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法两种工艺条件下的温度趋势曲线图；

图5是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法工艺1条件下的加热炉内氧化铁皮厚度演变曲线图；

图6是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法工艺1条件下的轧制和冷却过程中氧化铁皮厚度演变曲线图；

图7是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法工艺1条件下的卷取后氧化铁皮厚度演变曲线图；

图8是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法工艺2条件下的加热炉内氧化铁皮厚度演变曲线图；

图9是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法工艺2条件下的轧制和冷却过程中氧化铁皮厚度演变曲线图；

图10是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法工艺2条件下的卷取后氧化铁皮厚度演变曲线图；

图11是本发明热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例采用汽车大梁钢510L，其成分如表1所示：

表1化学成分

热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法包括以下步骤：

步骤1：采用热重分析仪进行氧化增重实验：将线切割好的样品用丙酮进行超声波清洗，洗掉试样表面的乳化液，之后用砂纸打磨，酒精清洗，吹干，制备成大小为10×15×(1.5～2)mm的试样，采用同步差热分析仪进行氧化增重试验，同步热分析仪每隔0.3秒采集一次质量增重信号，炉内气氛为混合空气，等温氧化温度为500、600、700、800、900、1000、1100℃，氧化时间为60min，如图1所示；

步骤2：计算氧化激活能Q：

图2为测定的在恒定温度条件下氧化增重与时间的关系曲线，图3为拟合曲线，计算得到氧化激活能，具体参数如下：

表2模型参数

步骤3：建立于热连轧过程机的实时通讯，从过程机数据库中在线调用工艺参数和实时温度测量数据，作为参数输入：

选择以下两种工艺参数作为输入参数：

表3工艺参数

上述两个工艺实测温度趋势如图3所示，图3为上述两种工艺从过程机数据库中在线调用的实时温度测量数据绘制的温度趋势曲线，横坐标为时间参数，纵坐标为温度值；

步骤4：利用变温条件下厚度软测量模型，实现表面氧化铁皮厚度监测；

图4为工艺1条件下的加热炉内氧化铁皮厚度演变曲线，横坐标为时间参数，纵坐标为模型计算的氧化铁皮厚度值，出炉时氧化铁皮厚度为1159.91um；图5为工艺1条件下的轧制和冷却过程中氧化铁皮厚度演变曲线，横坐标为时间参数，纵坐标为模型计算的氧化铁皮厚度值；图6为工艺1条件下的卷取后氧化铁皮厚度演变曲线，横坐标为时间参数，纵坐标为模型计算的氧化铁皮厚度值，卷取2400min后氧化铁皮厚度为13.0119um；图7为工艺2条件下的加热炉内氧化铁皮厚度演变曲线，横坐标为时间参数，纵坐标为模型计算的氧化铁皮厚度值，出炉时氧化铁皮厚度为1064.83um；图8为工艺2条件下的轧制和冷却过程中氧化铁皮厚度演变曲线，横坐标为时间参数，纵坐标为模型计算的氧化铁皮厚度值，出冷却后的氧化铁皮厚度为7.89685um；图9为工艺2条件下的卷取后氧化铁皮厚度演变曲线，横坐标为时间参数，纵坐标为模型计算的氧化铁皮厚度值，卷取2400min后氧化铁皮厚度为12.2028um；从图4和图7对比可知，由于工艺1较工艺2出炉温度高，工艺1出炉时刻氧化铁皮厚度比工艺2出炉时刻氧化铁皮厚度厚了大约100um，同时对比图5和图8，图6和图9可知，由于工艺1的各个关键点的温度较工艺2高，且工艺1中的轧制速度较工艺2慢，使得带钢表面总体的氧化铁皮的厚度较工艺2均相对较大；

利用步骤3的氧化铁皮厚度公式，实时的进行热连轧过程氧化铁皮厚度监测，根据测量结果，修改各个阶段工艺参数来调整热轧工艺，达到降低氧化铁皮厚度，改善带钢表面质量的目的；其中，所述的工艺参数包括开炉温度、开轧温度、中轧温度、卷取温度和轧制速度；

对本发明方法的精确性验证

上述实验卷冷却到室温后进行开卷取样，取样位置为带长1/2之一处，在板宽方向上的中心和边部位置分别取样，中心位置由于位于钢卷心部与空气接触极少，在卷取后其氧化铁皮厚度基本不变，所以可以用其厚度表征卷取前的氧化铁皮厚度；由于带钢轧制凸度问题，带钢边部位置可以与空气充分接触，所以其厚度较中心部分厚；将预测结果与现场实际检测结果对比如表4所示：

表4预测值与实测值比较

表4中看出，卷取前后模拟值与实测值有较高的精度：在工艺1条件下，由于出炉温度和开轧温度较高，轧制速度较慢，使得带钢表面总体的氧化铁皮的厚度相对较大，其中带钢边部氧化铁皮的厚度为13.01μm，而带钢心部的氧化铁皮的厚度9.83μm；工艺2条件下，精轧开轧温度已经下降到1030℃左右，并且轧制速度提高较快，所以氧化铁皮的厚度较小。

Claims (1)

1.一种热连轧带钢表面氧化铁皮厚度软测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过氧化增重实验，确定在恒定温度条件下氧化增重与时间的关系曲线；

步骤2：计算氧化激活能；

建立氧化动力学模型，公式如下；

ΔW²＝K_T·t    (1)

式中，ΔW为氧化铁皮的增重，mg/mm²；K_T为恒温T条件下抛物线氧化速率常数，mg²/(mm⁴·s)；t为在T温度下的氧化时间，s；

$K_T=\exp (A-\frac{Q}{\mathrm{RT}})---\left(2\right)$

式中，Q为钢种的激活能，J/mol；T为氧化温度，K；R为气体常数8.314，J/(mol·K)；A为模型常数；

$\ln K_T=\ln K_0+\left(\frac{-Q}{R}\right)\·\frac{1}{T}---\left(3\right)$

式中，K₀为初始模型参数；

根据公式(1)和步骤1得到的氧化增重实验数据计算出钢种在不同温度下的抛物线氧化速率常数K_T；对公式(2)两边进行对数变换得到公式(3)，得到不同温度下的1nK_T与

的关系曲线，进行线性拟合，得到直线的斜率

确定氧化激活能Q；

步骤3：建立与热连轧过程机的实时通讯，从热连轧过程机的数据库中在线调用实时温度参数；所述的实时温度参数包括由基础自动化测得的加热炉、粗轧机、精轧机、控冷和卷取阶段的实时温度；

步骤4：建立热连轧过程连续变温条件下厚度软测量模型，确定表面氧化铁皮厚度；

利用步骤1所述的氧化动力学模型模型，推导变温条件下厚度软测量模型：连续变化的温度可看成是由若干个微小的温度梯度叠加而成，假定在一定的温度段内温度的变化以同等的微小单元来进行递增或递减；恒温条件下，氧化铁皮的增重符合抛物线规律，变温条件下，氧化铁皮增重可以分解为若干个微小的等温单元来计算其生成总和，

变温条件下厚度软测量模型公式为：

$\mathrm{\Δ}{W}_i^2=\mathrm{\Δ}{W}_{i-1}^2+K_T^i\·\mathrm{\δ}{t}_i---\left(4\right)$

$K_T^i=\exp (A-\frac{Q}{R{T}_i})---\left(5\right)$

式中，ΔW_i表示i时刻氧化铁皮的增重，mg/mm²；ΔW_i表示i-1时刻氧化铁皮的增重，mg/mm²；

表示i时刻、恒温T条件下抛物线氧化速率常数，mg²/(mm⁴·s)，其中i＝1，2，3，.....N；δt_i是时间步长，s；T_i表示i时刻的氧化温度，K；

$\mathrm{\Δ}{W}_i^2=\mathrm{\Δ}{W}_0^2+K_T^1\·\mathrm{\δ}{t}_1+......+K_T^i\·\mathrm{\δ}{t}_i=\mathrm{\Δ}{W}_0^2+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_T^i\·\mathrm{\δ}{t}_i---\left(6\right)$

其中，ΔW₀＝0；

氧化铁皮厚度计算公式为：

h_i＝W_i/(ρ·S)                (7)

其中，ρ为氧化铁皮密度，S为带钢表面积。

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