CN105537284A - 一种热连轧精轧入口温度预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热连轧精轧入口温度预报方法，获取中间运输辊道参数和PDI数据；获取粗轧出口实测轧件表面温度平均值和实测轧件厚度平均值；求得轧件的实际运行速度、轧件在中间运输辊道上运行的总时间；分别计算轧件经过通过投用保温罩内的时间、轧件在保温罩外经历的时间、轧件下表面与中间运输辊道接触的时间和与外界环境接触的时间；求得到达精轧入口时轧件上表面温度和上表面温度；计算轧件到达热连轧精轧入口时的温度。本发明根据轧件在中间运输辊道上运行过程中的换热情况，能够通过粗轧出口高温计测量得到的表面温度及保温罩的投用情况、轧件的厚度以及运行速度准确得到精轧入口的轧件温度。

Description

一种热连轧精轧入口温度预报方法

技术领域

本发明属于轧钢自动控制技术领域，具体涉及一种热连轧精轧入口温度预报方法。

背景技术

在热带轧制过程中，精轧机入口的温度准确预报是实现热连轧过程控制的重要前提。精轧入口温度的预报精度直接影响变形抗力模型的预报精度，进一步影响到轧制力模型和弹跳模型的预报，对成品厚度控制起着决定性的影响。

由于在轧件由粗轧与精轧入口之间的辊道运输过程中会产生氧化铁皮，会直接影响到精轧入口测温仪对轧件表面温度的测量精度；而使用热电偶对运行中的轧件进行温度测量也难以实现；同时由于受运输辊道的影响，轧件上下表面在进行辐射换热的同时，轧件的下表面会与运输辊道之间发生热传导；同时由于辊道辊的影响，轧件上下表面的对流换热系数也不相同，导致轧件上下表面温降不同，在实际生产过程中单纯使用上表面温度计算平均温度的方法存在一定的误差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种热连轧精轧入口温度预报方法。

本发明的技术方案是：

一种热连轧精轧入口温度预报方法，包括以下步骤：

步骤1：获取中间运输辊道参数和粗轧过程控制系统发送的PDI数据；

步骤2：获取粗轧出口实测轧件表面温度平均值和粗轧出口实测轧件厚度平均值；

步骤3：分别计算粗轧末机架的轧辊线速度和粗轧末道次前滑值，进而求得轧件的实际运行速度、轧件在中间运输辊道上运行的总时间；

步骤4：分别计算轧件经过通过投用保温罩内的时间、轧件在保温罩外经历的时间、轧件下表面与中间运输辊道接触的时间和轧件下表面与外界环境接触的时间；

步骤5：根据轧件在中间运输辊道上运行过程中的换热情况，计算轧件上表面总温降和轧件下表面总温降，进而求得到达精轧入口时轧件上表面温度和上表面温度；

步骤6：计算轧件到达热连轧精轧入口时的温度。

所述粗轧出口实测轧件表面温度平均值为满足设定粗轧出口温度范围的采样点的温度平均值。

所述粗轧出口实测轧件厚度平均值为满足设定粗轧出口厚度范围的采样点的厚度平均值。

所述轧件上表面总温降为轧件在投用保温罩内通过时的上表面热辐射温降、轧件在投用保温罩外通过时的上表面热辐射温降、轧件上表面的对流温降之和；

所述轧件下表面总温降为轧件在投用保温罩内通过时的下表面热辐射温降、轧件在投用保温罩外通过时的下表面热辐射温降、轧件下表面的对流温降、轧件下表面的热传导温降之和。

有益效果：

本发明根据轧件在中间运输辊道上运行过程中的换热情况，通过边界条件分析分别计算得到了轧件上下表面的温度，根据两个温度计算轧件平均温度，准确计算得到轧件在精轧入口温度，能够替代精轧入口高温计的测量功能，在精轧入口高温计故障时，能够通过粗轧出口高温计测量得到的表面温度及保温罩的投用情况、轧件的厚度以及运行速度准确得到精轧入口的轧件温度；同时有效地解决了由于轧件表面氧化铁皮存在情况下，精轧入口温度测量不准确的问题，有效的提高精轧入口温度的预报精度，为高精度的成品厚度的控制准备了良好条件。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的热连轧现场设备布置示意图；

图2是本发明具体实施方式的中间运输辊道辊的参数示意图；

图3是本发明具体实施方式的轧件换热方式示意图；

图4是本发明具体实施方式的上下表面对流换热系数随表面温度的变化示意图；

图5是本发明具体实施方式的精轧入口温度计算流程图。

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。

本实施方式中热连轧现场设备布置如图1所示：轧件⑥经过粗轧机末机架①后，进入中间运输辊道(中间运输辊道上有若干辊道辊⑨)，轧件头部首先经过粗轧机后测温仪②和测厚仪③，经过保温罩(投用的保温罩④和未投用的保温罩⑤)，到达精轧入口测温仪⑦，最后进去精轧第一机架⑧，开始精轧区轧制过程。

热连轧过程中轧件换热方式如图3所示，轧件在中间运输辊道的运行过程中，换热情况分为热辐射、对流和热传导三种：

(1)高温轧件的热辐射换热。

轧件高温表面以热辐射的形式向外界散失热量,造成轧件温度的降低；当保温罩投用时，热辐射效率较低；

(2)高温轧件与空气的对流换热

空气与轧件之间存在相对运动，当空气经过轧件表面后，二者发生对流换热,造成轧件温度的降低；本发明具体实施方式的上下表面对流换热系数随表面温度的变化如图4所示。

(3)轧件下表面与低温中间运输辊道接触传热,造成轧件温度的降低。

一种热连轧精轧入口温度预报方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：获取中间运输辊道参数和粗轧过程控制系统发送的PDI数据；

步骤1.1：获取中间运输辊道参数，包括中间运输辊道总长度、单个保温罩长度、投用保温罩数目、辊道辊直径、相邻辊道辊之间的距离，相应参数见表1，中间运输辊道参数示意如图2所示。

表1中间运输辊道参数

内容	数值	符号
			中间运输辊道总长度/mm	99.5×103	L
单个保温罩长度/mm	10×103	lhtb
			投用保温罩数目/个	3	N
辊道辊直径/mm	300	D
			相邻辊道辊之间的距离/mm	900	d

步骤1.2：轧件头部到达粗轧最后道次时，精轧过程控制系统收到粗轧过程控制系统发送的PDI数据；主要包括钢卷号、钢种及化学成分、板坯数据(长×宽×厚)、板坯重量、中间坯轧件数据(宽×厚)、成品数据(宽×厚)；粗轧过程控制系统发送的部分PDI数据见表2：

表2部分PDI数据

内容	数值	内容	数值
				钢卷号	12p7-5090062	化学元素碳(％)	0.15
钢种	Q235B	化学元素硅(％)	0.20
				加热炉号	1	化学元素锰(％)	0.31
板坯数据(mm×mm×mm)	7000×1200×220	化学元素铬(％)	0.10
				板坯重量(kg)	14500	化学元素镍(％)	0.12
中间坯数据(mm×mm)	1250×45.0	化学元素磷(％)	0.03
				成品数据(mm×mm)	1250×5.00	化学元素硫(％)	0.03

步骤2：获取粗轧出口实测轧件表面温度平均值和粗轧出口实测轧件厚度平均值；所述粗轧出口实测轧件表面温度平均值为满足设定粗轧出口温度范围的采样点的温度平均值。所述粗轧出口实测轧件厚度平均值为满足设定粗轧出口厚度范围的采样点的厚度平均值。

步骤2.1：极值校验：设定粗轧出口温度范围，若测温仪采集到的热连轧粗轧出口温度采样点的实时温度超出粗轧出口温度范围，则剔除，否则进行步骤2.2；

步骤2.2：对极值校验得到的有效粗轧出口温度采样点的温度值进行均值处理，计算粗轧出口实测轧件表面温度平均值；

粗轧出口实测轧件表面温度平均值T₁：

式中，T_i为有效粗轧出口温度采样点的温度值，i＝1,2,3,……,n，n为有效粗轧出口温度采样点个数；

步骤2.3：极值校验：设定粗轧出口厚度范围，若测温仪采集到的热连轧粗轧出口厚度采样点的实时厚度超出热连轧粗轧出口厚度范围，则剔除，否则进行步骤2.4；

步骤2.4：对极值校验得到的有效粗轧出口厚度采样点的厚度值进行均值处理，计算粗轧出口实测轧件厚度平均值；

粗轧出口实测轧件厚度平均值h：

$h=\frac{\underset{1}{\overset{m}{\Σ}}{h}_j}{m}=45.2mm$

式中，h_j为有效粗轧出口厚度采样点的厚度值，j＝1,2,3,……,m，m为有效粗轧出口厚度采样点个数；

步骤3：分别计算粗轧末机架的轧辊线速度和粗轧末道次前滑值，进而求得轧件的实际运行速度和轧件在中间运输辊道上运行的总时间；

步骤3.1：根据粗轧末机架的电机转速n_R，计算粗轧机架轧辊线速度v_r；

$v_r=\frac{{\mathrm{\πD}}_R{n}_R}{60I_R}$

式中，I_R为减速机减速比；D_R为粗轧机轧辊直径，

步骤3.2：计算粗轧末道次前滑值f；

$f=a_1+a_{2}e+(a_3+a_{4}e)\sqrt{\frac{h}{R}}$

式中，a₁～a₄为系数；e为末道次压下率；R为粗轧机轧辊半径；h为粗轧出口实测轧件厚度平均值；

步骤3.3：计算轧件实际运行速度v_s：

v_s＝v_r(1+f)

步骤3.4：计算轧件在中间运输辊道上运行的总时间；

$t_{total}=\frac{L}{v_s}=\frac{L}{v_r(1+f)}=\frac{99.5}{3.2(1+0.08)}=28.55s$

式中，L为中间运输辊道的总长度；

步骤4：分别计算轧件经过通过投用保温罩内的时间、轧件在保温罩外经历的时间、轧件下表面与中间运输辊道接触的时间和轧件下表面与外界环境接触的时间；

步骤4.1：计算保温罩覆盖长度L_htb：

L_htb＝N·l_htb

式中，N为投用保温罩的数目；l_htb为单个保温罩的长度；

步骤4.2：计算轧件通过投用保温罩的时间

$t_{up,L_{htb}}=\frac{L_{htb}}{v_s}=\frac{3\×10}{3.2(1+0.08)}=8.68s$

步骤4.3：计算轧件在保温罩外经历的时间t_up,air：

$t_{up,air}=t_{total}-t_{up,L_{htb}}=\frac{L}{v_s}-\frac{L_{htb}}{v_s}=28.55-8.68=19.87s$

步骤4.4：计算轧件与单个辊道辊的接触弧长度l_r：

$l_r={\left(32D\mathrm{\γ}dhg\frac{1-{\mathrm{\ν}}^2}{\mathrm{\π}E}\right)}^{1/3}$

式中：D为辊道辊直径，m；γ为轧件密度，kg·m^-3；d为辊道辊间距，m；h为粗轧出口实测轧件厚度平均值，m；g为重力加速度；ν为泊松比；E为弹性模量，N·m^-2；

步骤4.5：计算轧件与中间运输辊道接触的总时间：

$t_{dn,l_r}=\frac{n\·l_r}{v_s}$

步骤4.6：计算轧件下表面与外界环境(空气)的时间：

$t_{dn,air}=t_{total}-t_{dn,l_r}=\frac{L}{v_s}-\frac{n\·l_r}{v_s}$

步骤5：根据轧件在中间运输辊道上运行过程中的换热情况，计算轧件上表面总温降和轧件下表面总温降，进而求得到达精轧入口时轧件上表面温度和上表面温度；

轧件上表面总温降为轧件在投用保温罩内通过时的上表面热辐射温降、轧件在投用保温罩外通过时的上表面热辐射温降、轧件上表面的对流温降之和。

轧件下表面总温降为轧件在投用保温罩内通过时的下表面热辐射温降、轧件在投用保温罩外通过时的下表面热辐射温降、轧件下表面的对流温降、轧件下表面的热传导温降之和。

步骤5.1：T₁为τ时间内轧件初始温度，忽略计算τ时间内轧件表面的热辐射温降ΔT_rad；

${\mathrm{\ΔT}}_{rad}=T_1-{({T_1}^{-3}+\frac{6\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}\mathrm{\τ}}{c_p\mathrm{\γ}h})}^{-1/3}$

式中：ε为热辐射率；σ为玻尔兹曼常数，σ＝5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；h为粗轧出口实测轧件厚度平均值，mm；c_p为轧件比热，J/kg·℃；γ为轧件密度，kg/m³；

计算热辐射率ε：

$\mathrm{\ϵ}=k\{\frac{(T_s-273)}{1000}\×\[0.125\×\frac{(T_s-273)}{1000}-0.38\]+1.1\}$

式中：k热辐射效率，若不使用保温罩，k＝1，使用保温罩，k＝0.8。

步骤5.2：计算τ时间内轧件表面的对流温降ΔT_conv；

${\mathrm{\ΔT}}_{conv}=-\frac{2h_c}{c_p\mathrm{\γ}h}(T_1-T_a)\mathrm{\τ}$

式中，T_a为空气温度，h_c为对流换热系数；

计算对流换热系数h_c：

$h_c=\left\{\begin{array}{c}0.664\frac{{\mathrm{\λ}}_a}{x}{\mathrm{Re}}_x^{1/2}{\mathrm{Pr}}^{1/3}\\ \frac{{\mathrm{\λ}}_a}{x}\[0.664{\mathrm{Re}}_c^{1/2}+0.037({\mathrm{Re}}^{4/5}-{\mathrm{Re}}_c^{4/5})\]{\mathrm{Pr}}^{1/3}\end{array}\right.$

式中：λ_a为空气的热导率，W/(m·K)；x为特征长度，m，对于轧件上表面，特征长度为轧件的长度；对于轧件下表面，特征长度为相邻辊道辊之间的距离；Re_c为临界雷诺数，Re_c＝5×10⁵；Re_x是以x为特征长度的雷诺数，Re_x＝u_∞x/μ，u_∞为流体速度，μ为运动粘度；Pr称为普朗特数，Pr＝μ/a，a为热扩散系数。对流换热系数随轧件表面温度的变化如图5所示；

步骤5.3：计算轧件下表面的热传导温降

${\mathrm{\ΔT}}_c=-\frac{2h_R}{c_p\mathrm{\γ}h}(T_s-T_a)\mathrm{\τ}$

式中：h_R为接触传热系数，W/(m²·K)；

$h_R=2{\mathrm{\λ}}_s\sqrt{\frac{t}{{\mathrm{\α}}_s\mathrm{\π}}}$

式中：λ_s为轧件导热系数，W/(m·K)；α_s为轧件热扩散系数，m²/s。

步骤5.4：计算轧件表面总温降；

步骤5.4.1：计算轧件上表面总温降；

ΔT_up＝ΔT_rad,up1+ΔT_rad,up2+ΔT_conv,up

式中：ΔT_rad,up1为在保温罩内通过时的轧件上表面热辐射温降；ΔT_rad,up2为在保温罩外通过时的轧件上表面热辐射温降；ΔT_conv,up为轧件上表面的对流温降；

保温罩内通过时的轧件上表面热辐射温降ΔT_rad,up1：

${\mathrm{\ΔT}}_{rad,up1}=T_1-{({T_1}^{-3}+\frac{6\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}\mathrm{\τ}}{c_p\mathrm{\γ}h})}^{-1/3}=1360.25-{({1360.25}^{-3}+\frac{6\×0.672\×5.67\×{10}^{-8}\×8.68}{7850\×460\×45.2\×{10}^{-3}})}^{-1/3}=13.0K$

因此轧件在经过保温罩后，出口处初始温度为(1360.25-13.0)，因此轧件上表面热辐射温降ΔT_rad,up2

${\mathrm{\ΔT}}_{rad,up2}=(1360.25-13.0)-{({(1360.25-13.0)}^{-3}+\frac{6\×0.84\×5.67\×{10}^{-8}\×19.87}{7850\×460\×45.2\×{10}^{-3}})}^{-1/3}=30.1K$

在此过程中，轧件上表面的对流温降ΔT_conv,up为：

${\mathrm{\ΔT}}_{conv,up}=\frac{2h_c}{c_p\mathrm{\γ}h}(T_1-T_a)\mathrm{\τ}=\frac{2\×3.5}{7850\×460\×45.2\×{10}^{-3}}(1360.25-298.15)\×28.55=1.3K$

因此，轧件上表面总温降ΔT_up为：

ΔT_up＝ΔT_rad,up1+ΔT_rad,up2+ΔT_conv,up＝13.0+30.1+1.3＝44.3K。

步骤5.4.2：计算轧件下表面总温降；

ΔT_dn＝ΔT_rad,dn1+ΔT_rad,dn2+ΔT_conv,dn+ΔT_c,dn

式中：ΔT_rad,dn1为在保温罩内通过时的轧件下表面热辐射温降；ΔT_rad,dn2为在保温罩外通过时的轧件下表面热辐射温降；ΔT_conv,dn为轧件下表面的对流温降；ΔT_c,dn为轧件下表面的热传导温降；

保温罩内通过时的轧件上表面热辐射温降ΔT_rad,dn1：

${\mathrm{\ΔT}}_{rad,dn1}=T_1-{({T_1}^{-3}+\frac{6\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}\mathrm{\τ}}{c_p\mathrm{\γ}h})}^{-1/3}=1360.25-{({1360.25}^{-3}+\frac{6\×0.672\×5.67\×{10}^{-8}\×8.68}{7850\×460\×45.2\×{10}^{-3}})}^{-1/3}=13.0K$

保温罩内通过时的轧件上表面热辐射温降ΔT_rad,dn2：

${\mathrm{\ΔT}}_{rad,dn2}=(1360.25-17.8)-{({(1360.25-17.8)}^{-3}+\frac{6\×0.84\×5.67\×{10}^{-8}\×19.87}{7850\×460\×45.2\×{10}^{-3}})}^{-1/3}=30.1K$

轧件下表面的对流温降ΔT_conv,dn：

${\mathrm{\ΔT}}_{conv,up}=\frac{2h_c}{c_p\mathrm{\γ}h}(T_1-T_a)\mathrm{\τ}=\frac{2\×13.6}{7850\×460\×45.2\×{10}^{-3}}(1360.25-298.15)\×28.55=5.1K$

轧件下表面的热传导温降ΔT_c,dn：

${\mathrm{\ΔT}}_{c,dn}=\frac{2h_R}{c_p\mathrm{\γ}h}(T_s-T_a)\mathrm{\τ}=\frac{2\×508}{7850\×460\×45.2\×{10}^{-3}}(1360.25-298.15)\×(100\×3.7\×{10}^{-3})=2.4K$

因此，轧件下表面总温降ΔT_dn为：

ΔT_dn＝ΔT_rad,dn1+ΔT_rad,dn2+ΔT_conv,dn+ΔT_c,dn＝13.0+30.1+5.1+2.4＝50.6K

步骤5.5：计算到达精轧入口时轧件上表面温度和上表面温度；

到达精轧入口时轧件上表面温度：

T_up＝T₁-ΔT_up＝1360.25-44.3＝1316.0K

到达精轧入口时轧件下表面温度：

T_dn＝T₁-ΔT_dn＝1360.25-50.6＝1309.7K。

步骤6：计算轧件到达热连轧精轧入口时的温度。

轧件经中间运输辊道上运行后到达精轧入口时的平均温度和轧件表面温度T_s之间关系如下：

$\stackrel{\‾}{T}=T_s+\mathrm{\δ}\frac{r_i}{r_s}(T_s-T_a)$

式中：T_a为环境温度，K；r_i为轧件内部热阻，m²·s·K/kJ；r_s为轧件表面热阻，m²·s·K/kJ；δ为修正系数；

轧件表面温度T_s由下式进行计算：

$T_s=\frac{1}{2}(T_{up}+T_{dn})$

式中：T_up为轧件上表面的温度，K，T_dn为轧件下表面的温度，K；

轧件的内部热阻由下式进行计算：

$r_i=\frac{h}{6{\mathrm{\λ}}_s}$

式中：h为粗轧出口实测轧件厚度平均值，mm；λ_s为轧件热传导率，W/m·K；

轧件的外部热阻由下式进行计算：

$r_s=\frac{1}{2\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}}(\frac{T_{up}-T_a}{{T_{up}}^4+{T_a}^4}+\frac{T_{dn}-T_a}{{T_{dn}}^4+{T_a}^4}).$

$\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{T}=T_s+\mathrm{\δ}\frac{r_i}{r_s}\left(T_s-T_a\right)=\frac{1}{2}\left(1316.0+1309.7\right)\\ +1.0\×\frac{\frac{0.0451}{6\×60}}{\frac{1}{2\×0.84\×5.67\×{10}^{-8}}\left(\frac{1316.0-298.15}{{1316.0}^4-{298.15}^4}+\frac{1309.7-298.15}{{1309.7}^4-{298.15}^4}\right)}\[\frac{1}{2}\left(1316.0+1309.7\right)-298.15\]\\ =1312.9+\frac{1.25\×{10}^{-4}}{0.36\×{10}^{-2}}\×1014.7=1312.9+35.5=1348.4K\end{array}.$

Claims (4)

1.一种热连轧精轧入口温度预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取中间辊道参数和粗轧过程控制系统发送的PDI数据；

步骤2：获取粗轧出口实测轧件表面温度平均值和粗轧出口实测轧件厚度平均值；

步骤3：分别计算粗轧末机架的轧辊线速度和粗轧末道次前滑值，进而求得轧件的实际运行速度、轧件在中间辊道上运行的总时间；

步骤4：分别计算轧件经过通过投用保温罩的时间、轧件在保温罩外经历的时间、轧件下表面与中间辊道接触的时间和轧件下表面与外界环境接触的时间；

步骤5：根据轧件在中间辊道上运行过程中的换热情况，计算轧件上表面总温降和轧件下表面总温降，进而求得到达精轧入口时轧件上表面温度和上表面温度；

步骤6：计算轧件在中间辊道上运行过程中的平均温度，即热连轧精轧入口温度。

2.根据权利要求1所述的热连轧精轧入口温度预报方法，其特征在于，所述粗轧出口实测轧件表面温度平均值为满足设定粗轧出口温度范围的采样点的温度平均值。

3.根据权利要求1所述的热连轧精轧入口温度预报方法，其特征在于，所述粗轧出口实测轧件厚度平均值为满足设定粗轧出口厚度范围的采样点的厚度平均值。

4.根据权利要求1所述的热连轧精轧入口温度预报方法，其特征在于，

所述轧件上表面总温降为轧件在投用保温罩内通过时的上表面热辐射温降、轧件在投用保温罩外通过时的上表面热辐射温降、轧件上表面的对流温降之和；

所述轧件下表面总温降为轧件在投用保温罩内通过时的下表面热辐射温降、轧件在投用保温罩外通过时的下表面热辐射温降、轧件下表面的对流温降、轧件下表面的热传导温降之和。