CN105234194A - 一种热连轧窄带钢超快速冷却装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热连轧窄带钢超快速冷却装置及其控制方法，该装置包括：冷却控制器、冷却装置本体、冷却单元以及供水管路；流量计的输出端、压力传感器的输出端、测温仪的输出端、轧机控制系统的输出端分别连接超快冷PLC的输入端，超快冷PLC的输出端连接快冷过程控制级的输入端，快冷过程控制级的输出端分别连接喷嘴单元、气动控制单元。方法包括：获取冷却水流量和冷却水压力；获得PDI数据；获得终轧速度、终轧温度、终轧实际厚度；确定让头长度；计算冷却区域所需的冷却总温降，确定开启冷却单元的组数；打开气动控制单元进行超快速冷却。在保证窄带钢冷却速率的前提下，通过本发明实现了窄带钢轧后冷却的高效换热以及钢板宽度方向的冷却均匀性。

Description

一种热连轧窄带钢超快速冷却装置及其控制方法

技术领域

本发明属于热连轧技术领域，具体涉及一种热连轧窄带钢超快速冷却装置及其控制方法。

背景技术

窄带钢热轧产品在焊管、螺旋焊管等行业有着广泛的应用，窄带钢热连轧生产线轧后布置情况为“水平+立式”两部分组成，从最末机架出来的带钢经扭转导槽翻转90°，变成垂直方向后进入平板运输链至卷取机。由于前段水平段距离短，冷却能力低，且会影响到测厚仪测宽仪等仪表的测量精度，因此国内外的窄带钢生产线均无冷却装置，窄带钢的冷却过程仅依靠空冷中完成，冷却效率低，并且达不到提高组织性能的目的。

随着高品质高品种的研究开发，对于轧后冷却过程更加严格。更高的冷却速率有利于提高钢板的力学性能，但同时在冷却过程中容易出现冷却不均的问题。

传统超快速冷却沿轧制方向在带钢上下表面呈不对称冷却，并且下集管还会受到运输辊道的阻挡，上集管的冷却水还会容易堆积在轧件表面，势必会造成冷却不均匀。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种热连轧窄带钢超快速冷却装置及其控制方法，能够完成窄带钢的轧后冷却过程，并能实现温度的高精度控制，提升产品的物理性能。

本发明的技术方案是：

一种热连轧窄带钢超快速冷却装置，包括：冷却控制器、冷却装置本体、冷却单元以及供水管路；

冷却装置本体安装在热连轧精轧机后的每两组垂直安装的夹送辊之间，与窄带钢平行；

冷却单元有多组，均匀分布安装在冷却装置本体上，同时对窄带钢两侧进行冷却；

每组冷却单元包括两个冷却装置，每个冷却装置包括1个喷嘴单元和1个气动控制单元；喷嘴单元安装在冷却装置本体上，气动控制单元连接在喷嘴单元连接的供水管路上；

在各冷却单元外的总的供水管路上安装有总手动阀、流量计和压力传感器；

最末冷却单元出口分别安装有测温仪，垂直于窄带钢且与喷嘴单元方向一致；

在最末冷却单元与最末冷却单元出口安装的测温仪之间安装有压缩空气吹扫装置；

冷却控制器包括超快冷过程控制级和超快冷PLC；

流量计的输出端、压力传感器的输出端、测温仪的输出端、轧机控制系统的输出端分别连接超快冷PLC的输入端，超快冷PLC的输出端连接快冷过程控制级的输入端，快冷过程控制级的输出端分别连接喷嘴单元、气动控制单元。

所述气动控制单元包括1个的手动阀和1个的气动开闭阀；在每个冷却装置内喷嘴单元连接的供水管路上连接手动阀，手动阀与喷嘴单元之间连接气动开闭阀。

所述的热连轧窄带钢超快速冷却装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过供水管路上的流量计得到冷却水流量，通过供水管路上的压力传感器得到冷却水压力；

步骤2：冷却控制器从轧机控制系统获得PDI数据：钢种名称、成分、卷取目标温度；

步骤3：获得终轧速度、终轧温度、终轧实际厚度：由最末机架处的出口测温仪测量得到终轧温度，由最末机架处的出口测厚仪测量得到终轧实际厚度，由最末机架处的出口测宽仪测量得到终轧实际宽度；根据从轧机控制系统得到最末机架的轧辊线速度计算得到前滑值，进而计算轧件在冷却区域的运行速度，即终轧速度；

步骤4：确定让头长度；

步骤5：计算冷却区域所需的冷却总温降，确定开启冷却单元的组数；冷却总温降包括冷却区空冷总温降和各组冷却单元的水冷总温降；

步骤5.1：根据终轧速度计算窄带钢通过每组冷却单元的时间；

步骤5.2：确定冷却区域的空冷总温降；

步骤5.3：确定水冷对流换热系数，计算每组冷却单元的水冷温降；

步骤5.4：根据冷却区域所需的冷却总温降，确定开启冷却单元的组数；

步骤6：将开启冷却单元的组数传递给超快冷PLC，打开相应数目的气动控制单元，进而对窄带钢两侧进行超快速冷却；

步骤7：根据最末冷却单元出口安装的测温仪测量的卷取温度实测值，采用PID反馈控制算法进行反馈控制：将卷取目标温度与卷取温度实测值的偏差的比例P、积分D和微分I通过组合构成控制量，对冷却单元开闭状态进行控制；

步骤8：窄带钢通过冷却区域，完成冷却过程。

有益效果：

在保证窄带钢冷却速率的前提下，通过合理设计超快速冷却装置，保证轧件宽度方向的换热区域对称分布，实现了窄带钢轧后冷却的高效换热以及钢板宽度方向的冷却均匀性。超快速冷却装置排布在带钢两侧的立式夹送辊之间且对称排布，使冷却均匀，表面的组织性能一致。

附图说明

图1是本发明具体实施方式窄带钢轧后(三叉区)设备仪表布置示意图，其中，1-测厚仪，2-测宽仪，3-测温仪，4-夹送辊，5-冷却装置，6-最末机架，7-扭转导槽，8-平板运输链，9-卷取机；

图2是本发明具体实施方式热连轧窄带钢超快速冷却装置结构示意图，其中，10-冷却装置本体，11-冷却单元，12-供水管路，13-喷嘴单元，14-气动控制单元，15-侧挡板，16-手动阀，17-气动开闭阀，18-总手动阀，19-流量计，20-压力传感器；

图3是本发明具体实施方式冷却控制器与轧机控制系统通信示意图；

图4是本发明具体实施方式热连轧窄带钢超快速冷却装置的控制方法的具体流程图；

图5是本发明具体实施方式步骤7的具体流程图；

图6是本发明具体实施方式Q235B板坯轧后实际温度控制效果曲线，a-终轧温度，b-超快冷出口温度；

图7是本发明具体实施方式Q235B板坯在不同工艺下的带钢的力学性能；

图8是本发明具体实施方式Q235B板坯在宽度方向抗拉强度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

窄带钢热连轧生产线轧后布置情况为“水平+立式”两部分组成，本实施方式中窄带钢轧后(三叉区)设备仪表布置如图1所示，最末机架6出口处安装有测厚仪1、测宽仪2、测温仪3，从最末机架6出来的窄带钢经扭转导槽7翻转90°，变成垂直方向后，经夹送辊4进入平板运输链8至卷取机9。在两组夹送辊4之间布置有超快速冷却装置(共布置2×2组)，超快速冷却装置安装区域形成冷却区域，单组超快速冷却装置结构如图2所示。以Q235板坯为例实施本发明装置及方法。热连轧窄带钢超快速冷却装置，包括：冷却控制器、冷却装置本体10、冷却单元11以及供水管路12。

冷却装置本体10安装在热连轧精轧机后的每两组垂直安装的夹送辊4之间，与窄带钢平行。

冷却单元11有多组，均匀分布安装在冷却装置本体10上，同时对窄带钢两侧进行冷却。每组冷却单元11包括两个冷却装置5，每个冷却装置5包括1个喷嘴单元13和1个气动控制单元14；喷嘴单元采用扇形喷嘴，喷嘴单元13安装在冷却装置本体10上，气动控制单元14连接在喷嘴单元13连接的供水管路12上。气动控制单元14包括1个的手动阀16和1个的气动开闭阀17；在每个冷却装置5内喷嘴单元13连接的供水管路12上连接手动阀16，手动阀16与喷嘴单元13之间连接气动开闭阀17。每组冷却单元11中的两个喷嘴单元13之间错开一定的角度，可以保证两侧喷嘴单元13具有相同的冷却能力，保证窄带钢冷却均匀。

在各冷却单元11外的总的供水管路12上安装有总手动阀18、流量计19和压力传感器20，以对供水系统的参数进行检测；最末冷却单元出口分别安装有测温仪3，垂直于窄带钢且与喷嘴单元13方向一致，实现对温度的检测；在最末冷却单元与最末冷却单元出口安装的测温仪3之间安装有压缩空气吹扫装置，保证冷却水能尽可能封堵在冷却区域之内，保证测温仪的测量精度。

冷却装置本体10还设置有侧挡板15，防止窄带钢在轧制过程中偏向喷嘴单元13的一侧，从而导致窄带钢的冷却不均匀；同时侧挡板15还起挡水的作用。侧挡板15通过螺栓安装在冷却装置本体10上。冷却装置本体10位于两组夹送辊4之间，两侧的冷却单元11均安装在冷却装置本体10上，该冷却装置本体10采用焊接成形，侧挡板15为20mm厚的钢板，间距为200mm；底部为具有开口的钢板，厚度也为20mm，在喷嘴单元13对应位置开有出水口，利于冷却水快速流出。

如图3所示，冷却控制器包括超快冷过程控制级和超快冷PLC；轧制现场的轧机控制系统包括轧机过程控制级和轧机PLC，轧机过程控制级的输出端分别连接超快冷过程控制级的输入端和轧机PLC的输入端，轧机PLC的输出端分别连接轧机设备和超快冷PLC的输入端。流量计的输出端、压力传感器的输出端、测温仪的输出端、轧机控制系统的输出端分别连接超快冷PLC的输入端，超快冷PLC的输出端连接快冷过程控制级的输入端，快冷过程控制级的输出端分别连接喷嘴单元、气动控制单元。

PDI数据由轧机控制系统传递，实际最末机架速度由轧机PLC传递给冷却PLC。根据PDI数据和轧机速度以及冷却PLC传递而来的实测温度等数据，计算不同的轧制规程，PLC还可以完成反馈控制功能，从而达到温度控制的目的。

热连轧窄带钢超快速冷却装置的控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1：通过供水管路上的流量计得到冷却水流量，通过供水管路上的压力传感器得到冷却水压力；

步骤2：冷却控制器从轧机控制系统获得PDI数据：钢种名称、成分、卷取目标温度，见表1；

表1实测数据及PDI数据

终轧厚度(mm)	5.0	卷芯直径(mm)	40
				终轧宽度(mm)	450.0	前滑值	0.02
终轧温度FDT(℃)	889	最末机架的轧辊线速度(mm)	7.0
				卷取目标温度CT(℃)	680	冷却单元间距(mm)	0.7
冷却水压力(m3/h)	1000	冷却水流量(MPa)	0.78

步骤3：获得终轧速度、终轧温度、终轧实际厚度：

由最末机架处的出口测温仪测量得到终轧温度；

由最末机架处的出口测厚仪测量得到终轧实际厚度；

由最末机架处的出口测宽仪测量得到终轧实际宽度；

根据从轧机控制系统得到最末机架的轧辊线速度v^*及前滑值f，进而计算轧件在冷却区域的运行速度，即终轧速度v＝v^*·(1+f)＝7·(1+0.02)＝7.14m/s。

步骤4：确定让头长度；

为保证窄带钢在冷却区域顺利通过以及保证卷取的顺利进行，需要进行让头处理，探沟长度为钢卷内径一周的长度，让头长度L为；

L＝πD

式中：D为钢卷内经；L＝πD＝3.14×0.4＝1.26m。

步骤5：计算冷却区域所需的冷却总温降，确定开启冷却单元的组数；冷却总温降包括冷却区空冷总温降和各组冷却单元的水冷总温降；

步骤5.1：根据终轧速度计算窄带钢通过每组冷却单元的时间t；

$t=\frac{l}{v}$

式中，l为相邻冷却单元间距；t＝0.7/7.14＝0.098s。

步骤5.2：确定冷却区域的空冷总温降T_a；

$T_a=\frac{2\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\γ}ch}{\left(\frac{T_S+273}{100}\right)}^4\frac{L_C}{v}$

式中，T_s为窄带钢温度；γ为窄带钢密度，c为窄带钢比热，h为窄带钢厚度；ε为窄带钢的黑度；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数；冷却区域总长度L_C＝16.8m；

$T_a=\frac{2\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}}{\mathrm{\γ}ch}{\left(\frac{T_S+273}{100}\right)}^4\frac{L_C}{v}=\frac{2\×0.75\×5.67}{7850\×660\×5\×{10}^{-3}}{(889+273)}^4\frac{16.8}{7.14}=35.3$

步骤5.3：确定水冷对流换热系数a_w，计算每组冷却单元的水冷温降T_w；

$a_w=k_1{\left(\frac{Q}{Q_0}\right)}^{k_2}{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{k_3}$

式中：k₁～k₃为拟合系数；Q、P分别为轧制过程中实际冷却水流量和冷却水压力；Q₀、P₀分别为冷却水流量基准值和冷却水压力基准值；

$T_w=\frac{2a_w}{\mathrm{\γ}ch}(T_s-T_0)t$

式中，T_s为冷却水温度；T₀为冷却水温度；γ为窄带钢密度，c为窄带钢比热，h为窄带钢厚度；

水冷对流换热系数 $a_w=k_1{\left(\frac{Q}{Q_0}\right)}^{k_2}{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{k_3}=2940\×{\left(\frac{1000}{1000}\right)}^{1.05}{\left(\frac{0.78}{0.8}\right)}^{1.2}=2852W/(m^2\·K)$

$1111111$

步骤5.4：根据冷却区域所需的冷却总温降，确定开启冷却单元的组数n；

开启冷却单元的组数 $n=\mathrm{int}\left(\frac{FDT-CT-T_a}{T_w}\right)=\mathrm{int}\left(\frac{889-680-35.3}{18.5}\right)=\mathrm{int}\left(\frac{173.7}{18.5}\right)=9$

步骤6：将开启冷却单元的组数传递给超快冷PLC，打开相应数目的气动控制单元的的手动阀和气动开闭阀，喷嘴单元开始喷洒冷却水，进而对窄带钢两侧进行超快速冷却；

步骤7：根据最末冷却单元出口安装的测温仪测量的卷取温度实测值，采用PID反馈控制算法进行反馈控制：将卷取目标温度与卷取温度实测值的偏差的比例P、积分D和微分I通过组合构成控制量，对冷却单元开闭状态进行控制；如图5所示；

采用PID反馈控制算法将目标温度与实际温度偏差的比例(P)、积分(D)和微分(I)通过组合构成控制量，对冷却单元开闭状态进行控制，应用于现场的反馈控制模型为：

$\mathrm{\Δ}n\left(i\right)=\frac{k_P\mathrm{\Δ}T\left(i\right)+k_I\underset{j=1}{\overset{i-1}{\Σ}}\mathrm{\Δ}T\left(j\right)+k_D\mathrm{\β}\[\mathrm{\Δ}T\left(i\right)-\mathrm{\Δ}T(i-1)\]}{K}$

式中，Δn(i)为当前控制率，即第i次反馈控制需要调节的冷却单元数目；k_P、k_I和k_D分别为比例系数、积分系数和微分系数；K为每组冷却单元的水冷温降，℃；ΔT(i)为第i个采样周期卷取温度实测值与目标值的偏差，℃；β为微分投入系数，可以根据实际效果选择投用与否。

步骤8：窄带钢通过冷却区域，完成冷却过程。

以Q235板坯为例，轧后温度控制效果如图6所示；

在工业试验中，对Q235B板坯使用两种工艺：一种是使用常规冷却，另一种是使用超快速冷却方式，然后对其开卷取样。取样位置在距带钢尾部10m，100m，200m和400m处分别取5个样(操作侧和传动侧边部，1/4位置和中心位置)，两种工艺下的力学性能如图7所示，包括长度方向每个采样点的平均屈服强度和抗拉强度。可以看出，在窄带钢长度方向上，使用超快速冷却工艺的窄带钢的力学性能较均匀，相对于传统层流冷却工艺的带钢，其屈服强度和抗拉强度约提高70MPa左右。图8表示了10m处宽度方向带钢操作侧和传动侧的强度偏差。从图8中可以看出，使用超快速冷却工艺的带钢宽度方向上的屈服强度和抗拉强度偏差都在20MPa以内，说明超快速冷却装置在窄带钢宽度方向冷却强度是均匀的。

Claims (6)

1.一种热连轧窄带钢超快速冷却装置，其特征在于，包括：冷却控制器、冷却装置本体、冷却单元以及供水管路；

冷却装置本体安装在热连轧精轧机后的每两组垂直安装的夹送辊之间，与窄带钢平行；

冷却单元有多组，均匀分布安装在冷却装置本体上，同时对窄带钢两侧进行冷却；

每组冷却单元包括两个冷却装置，每个冷却装置包括1个喷嘴单元和1个气动控制单元；喷嘴单元安装在冷却装置本体上，气动控制单元连接在喷嘴单元连接的供水管路上；

在各冷却单元外的总的供水管路上安装有总手动阀、流量计和压力传感器；

最末冷却单元出口分别安装有测温仪，垂直于窄带钢且与喷嘴单元方向一致；

冷却控制器包括超快冷过程控制级和超快冷PLC；

流量计的输出端、压力传感器的输出端、测温仪的输出端、轧机控制系统的输出端分别连接超快冷PLC的输入端，超快冷PLC的输出端连接快冷过程控制级的输入端，快冷过程控制级的输出端分别连接喷嘴单元、气动控制单元。

2.根据权利要求1所述的热连轧窄带钢超快速冷却装置，其特征在于，所述冷却装置本体采用焊接成形。

3.根据权利要求1所述的热连轧窄带钢超快速冷却装置，其特征在于，所述喷嘴单元采用扇形喷嘴。

4.根据权利要求1所述的热连轧窄带钢超快速冷却装置，其特征在于，所述气动控制单元包括1个的手动阀和1个的气动开闭阀；在每个冷却装置内喷嘴单元连接的供水管路上连接手动阀，手动阀与喷嘴单元之间连接气动开闭阀。

5.根据权利要求1所述的热连轧窄带钢超快速冷却装置，其特征在于，在所述最末冷却单元与最末冷却单元出口安装的测温仪之间安装有压缩空气吹扫装置。

6.权利要求1所述的热连轧窄带钢超快速冷却装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过供水管路上的流量计得到冷却水流量，通过供水管路上的压力传感器得到冷却水压力；

步骤2：冷却控制器从轧机控制系统获得PDI数据：钢种名称、成分、卷取目标温度；

步骤3：获得终轧速度、终轧温度、终轧实际厚度：由最末机架处的出口测温仪测量得到终轧温度，由最末机架处的出口测厚仪测量得到终轧实际厚度，由最末机架处的出口测宽仪测量得到终轧实际宽度；根据从轧机控制系统得到最末机架的轧辊线速度及前滑值，进而计算轧件在冷却区域的运行速度，即终轧速度；

步骤4：确定让头长度；

步骤5：计算冷却区域所需的冷却总温降，确定开启冷却单元的组数；冷却总温降包括冷却区空冷总温降和各组冷却单元的水冷总温降；

步骤5.1：根据终轧速度计算窄带钢通过每组冷却单元的时间；

步骤5.2：确定冷却区域的空冷总温降；

步骤5.3：确定水冷对流换热系数，计算每组冷却单元的水冷温降；

步骤5.4：根据冷却区域所需的冷却总温降，确定开启冷却单元的组数；

步骤6：将开启冷却单元的组数传递给超快冷PLC，打开相应数目的气动控制单元，进而对窄带钢两侧进行超快速冷却；

步骤7：根据最末冷却单元出口安装的测温仪测量的卷取温度实测值，采用PID反馈控制算法进行反馈控制：将卷取目标温度与卷取温度实测值的偏差的比例P、积分D和微分I通过组合构成控制量，对冷却单元开闭状态进行控制；

步骤8：窄带钢通过冷却区域，完成冷却过程。