前置超快冷UFCT 值在冬季環境下的控制優化

游加偉，張振衛，曹 鵬，呂士迎

（日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276806）

1 背景介紹

隨著國內熱軋產品多元化的發展，熱軋帶鋼產品需求朝著功能化、專業化的方向衍生，熱軋帶鋼產線的功能由之前的量產為主轉型為客戶個性化、產品精品化制造。2 150 mm 熱軋產線在積極適應市場需求，探索市場的過程中，結合區位優勢，逐步打造以高強鋼生產為主的精品鋼制造基地，服務于熱軋工程機械結構鋼市場。

層流冷卻是熱軋帶鋼生產中的重要環節，其產品組織和性能對材料后續加工成型質量有著關鍵性影響，通過引入超快冷新技術，綜合利用細晶強化、析出強化、相變強化等多種強化方式[1]實現更高質量的高強結構鋼生產，其軋后冷卻原理圖如圖1 所示，相關符號及表達含義如表1 所示。經過改造后的2 150 mm熱軋產線，采用了前段超快冷與常規層流冷卻組合的冷卻裝置，前置方式（見圖2）可以用于高屈服強度的熱軋帶鋼生產[3]。

圖1 軋后冷卻原理圖

表1 符號含義及單位

圖2 前置超快冷的工藝布置

2 前段超快冷出口溫度（UFCT）值波動原因分析

常規熱連軋線具有生產節奏快、連續性強、產品規格跨度較大等特點，不利于熱軋板帶鋼軋后冷卻過程對溫度的高精度控制[2]。

2.1 高精度的軋后冷卻溫度數學模型

超快冷條件下，建立的水冷等效對流換熱系數理論統計模型如下所示：

式中：d 為帶鋼厚度，m；Tw為水溫，K；T 為帶鋼表面溫度，K；FD為水流密度，用于表征單位面積水流量，m/h；v 為帶鋼速度，m/s；p 為冷卻水壓力，MPa；A1—A6為模型修正系數；Tw0為基準水溫，K；vT為帶鋼穿帶速度，m/s；pB為冷卻水基準壓力，MPa。

其中，FD可通過下式獲得：

式中：F 為冷卻單元集管總流量，m3/h；W 為冷卻單元寬度，m；L 為冷卻單元長度，m。

上述模型中，d、Tw0、vT、W、P、FD等參數在一塊鋼的生產時間內，都屬于靜態數值，動態數值只有帶鋼表面實測溫度T。

2.2 溫度精度控制策略

軋后冷卻目標溫度控制系統（見下頁圖3），可在精確控制超快冷出口溫度UFCT 的同時，精確控制卷取溫度CT。UFCT 是CT 上游工藝設定溫度，因此在閉環狀態下，UFCT 控制精度可直接影響到CT 的控制精度，系統需要同時對超快速冷卻設備和層流冷卻設備進行控制。

圖3 軋后冷卻控制系統示意圖[3]

超快速冷卻與層流冷卻區別較大，在冷卻過程中，超快速冷卻系統壓力高、流量大，對帶鋼冷卻速率高，超快速冷卻設備位于層流冷卻設備上游，UFCT控制的精度、測量精度等均影響CT 的精度控制。冬季環境下，受室內室外溫差大的影響，出口水汽大，UFCT 值異常數據頻繁出現，精度控制性差。

3 影響UFCT 值的因素分析及改進措施

熱軋帶鋼在冬季環境下正常生產時，水汽影響帶鋼表面溫度的檢測，穩定性差，結合現場工況及生產經驗，對水汽影響帶鋼表面溫度檢測的因素進行分析，并提出解決方案。

3.1 產生水汽的影響

水在常溫下會持續蒸發，這個常溫包括了低溫和高溫。冬季北方氣溫變化大，熱軋帶鋼在正常生產中產生的冷卻換熱水，在室內溫度低的情況下，水蒸氣蒸騰后，受空中冷空氣的影響會凝聚在半空中，聚集多了就會呈現白色霧狀，進而產生水汽。而水汽在遇冷冷凝后呈小水滴狀態，現場UFCT 段高溫計采點受冷凝水滴的遮擋影響，帶鋼表面溫度未能進行有效測量，易造成UFCT 段采點溫度失真問題。

3.2 原理分析

為證實前置超快冷出口影響UFCT 值采集的因素是氣液混合冷凝水滴，根據馬格拉斯公式（3）進行分析。露點/露點溫度為td，即水汽在空氣中含量不變，氣壓在保持一定的情況下，使空氣冷卻并達到飽和時的溫度[5]，其計算公式為：

式中：td為露點溫度，℃；b 為常系數，取243.92；e 為水蒸氣壓，hPa；E0為飽和水蒸氣壓，hPa；a 為常系數，取7.69；t0為室溫，℃[4]。

空氣溫度t0與露點溫度td的關系圖如圖4 所示。

圖4 空氣溫度T0 與露點溫度Td 的關系圖

由公式（3）（4）可以看出，當空氣中水蒸氣壓不變的情況下，含有可凝組分的氣體混合物在被冷卻到一定溫度時，達到氣液相平衡的臨界狀態，可凝組分在氣相中達到飽和而凝結成液體狀態[4]。

3.3 解決方案

通過分析，在冬季條件下，前置超快冷出口水汽中冷凝出現的水滴是造成UFCT 值采點溫度異常（命中率低）的重要影響因素。結合現場經驗，采取抑制水汽源水汽擴散和加速逸散水汽吹掃的辦法，可以有效提升UFCT 值命中率。實際生產中，硬件設備改造現場如圖5 所示，改造后水汽的控制情況如圖6 所示。

圖5 硬件設備改造現場

圖6 改造后水汽的控制

3.3.1 抑制水汽源的水汽擴散

現場UFCT 值采用紅外高溫計，工作方式為非接觸式測溫，對層冷輥道中心線位置（默認帶鋼中心線）進行線掃描，前置超快冷出口與紅外高溫計間的距離僅為30 cm±5 cm，前置超快冷冷卻壓力高、流量大，相對帶鋼冷卻速率高，水汽量大且密集。前置超快冷出口為開口式布置，冷卻水產生的水汽直接向外擴散，增設出口水汽抑制板，將水汽擋在超快冷冷卻區域內，從而減少水汽逸散。

3.3.2 加速逸散水汽的吹掃

增設出口水汽抑制板，將大部分水汽擋在超快冷冷卻區，部分水汽會在輥道與抑制板空檔段逸散。在現場UFCT 采溫的紅外高溫計處，利用單臺風機對測溫點位置進行水汽的水掃（傳動側高溫計口附近有單臺小功率風機），夏季環境下可以滿足正常使用，而在冬季條件下，由于水汽量密集，增加測溫點水汽吹掃強度，將單臺風機增加為2 臺，并將其布置在輥道操作側（傳動側高溫計口附近有單臺小功率風機保留），而后進行帶鋼表面測溫點的（輥道與抑制板空檔位置）集中吹掃。

4 方案效果檢驗

對產線定修設備按照方案中的可行性檢修計劃要求，對現場硬件進行增設與位置調整校準，同時層冷過程控制工程師對模型樣本采集頻率進行針對性調整。優化前后UFCT 值曲線情況如圖7 所示。從圖中可以看出，優化方案執行效果明顯，UFCT 值曲線達到生產工藝應用要求，UFCT 溫度被控制在±20 ℃，控制精度可達到93%以上。

圖7 優化前UFCT 值曲線

5 結論

1）室溫變化產生的水汽冷凝水滴影響高溫計對帶鋼表面實測溫度的正常測量。

2）通過增加水汽抑制板，大大減小水汽擴散；在北方冬季環境下，為實現熱軋帶鋼前置超快冷出口溫度控制策略的穩定性提供了有力保障。