CSP生產(chǎn)線精軋區(qū)帶鋼溫度設(shè)定模型研究

熊文濤，李立新，范 進(jìn)，何亞元

（武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北武漢，430081）

某鋼廠CSP生產(chǎn)線是近年從國外引進(jìn)的具有國際先進(jìn)水平的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線，投產(chǎn)后生產(chǎn)運(yùn)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(diǎn)進(jìn)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(jìn)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(jìn)入精軋機(jī)組進(jìn)行連續(xù)軋制。在均熱爐出口處和精軋機(jī)組出口處均裝有高溫測溫計，以便在線測定帶鋼溫度。機(jī)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(jìn)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(zhǔn)確，在實際生產(chǎn)中，一般將它作為全線溫度設(shè)定的基準(zhǔn)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(dǎo)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(jī)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(jī)架間噴水或?qū)恿骼鋮s時的溫降；④在機(jī)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(yùn)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(diǎn)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(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)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(dāng)量冷卻系統(tǒng)。根據(jù)傳熱學(xué)理論，經(jīng)過推導(dǎo)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(qiáng)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(jī)架軋件厚度，mm；v7為F7機(jī)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(yùn)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(jī)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(xué)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(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)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(jìn)行檢驗并對所選帶鋼溫度進(jìn)行預(yù)報。圖2為帶鋼沿各機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(zhǔn)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。

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