热轧带钢层流冷却过程模型概述

首钢1580热轧层流冷却区功能说明轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）目录1 层流冷却区概述 (4)2 层流冷却系统设计工艺技术参数 (7)3 层流冷却区域设备组成与技术参数 (9)3.1 层流冷却集管装置 (9)3.1.1 层流冷却集管装置的功能 (9)3.1.2 层流冷却集管装置的技术参数 (9)3.1.3 层流冷却集管装置的开闭控制 (11)3.1.4 层流冷却区域带钢微跟踪控制 (14)3.1.5 层流冷却区域出口温度反馈控制 (15)3.1.6 层流冷却区域精轧机抛钢后的冷却水前馈控制 (20)3.1.7 层流冷却集管装置的操作 (22)3.1.8 层流冷却集管装置的状态显示 (24)3.2 层流冷却侧喷装置 (25)3.2.1 层流冷却侧喷装置的功能 (25)3.2.2 层流冷却侧喷装置的技术参数 (25)3.2.3 层流冷却侧喷装置的开闭控制 (25)3.2.4 层流冷却侧喷装置的操作 (26)3.2.5 层流冷却侧喷装置的状态显示 (26)3.3 层流冷却压缩空气吹扫装置 (26)3.3.1 层流冷却压缩空气吹扫装置的功能 (26)3.3.2 层流冷却压缩空气吹扫装置的技术参数 (26)3.3.3 层流冷却压缩空气吹扫装置的开闭控制 (27)3.3.4 层流冷却压缩空气吹扫装置的操作 (27)3.3.5 层流冷却压缩空气吹扫装置的状态显示 (27)3.4 层流冷却上集管倾翻装置 (27)3.4.1 层流冷却上集管倾翻装置的功能 (27)3.4.2 层流冷却上集管倾翻装置的技术参数 (27)3.4.3 层流冷却上集管倾翻装置的控制 (27)3.4.4 层流冷却上集管倾翻装置的操作 (28)3.5 层流冷却边部遮蔽装置 (28)3.5.1 层流冷却边部遮蔽装置的功能 (28)3.5.2 层流冷却边部遮蔽装置的技术参数 (29)3.5.3 层流冷却边部遮蔽装置的控制 (29)3.5.4 层流冷却边部遮蔽装置的操作 (29)3.5.5 层流冷却边部遮蔽装置的状态显示 (29)3.6 热输入辊道冷却装置 (29)3.6.1 热输入辊道冷却装置的功能 (29)3.6.2 热输入辊道冷却装置的技术参数 (29)3.6.3 热输入辊道冷却装置的开闭控制 (30)3.6.4 热输入辊道冷却装置的操作 (30)3.7 层流冷却区域仿真功能 (30)3.8 层流冷却过程计算机控制 (30)3.8.1 层流冷却过程计算机控制功能 (30)3.8.2 层流冷却过程计算机控制设定参数 (31)3.8.3 层流冷却过程计算机控制投入方法 (31)3.8.4 层流冷却过程计算机控制的操作 (31)3.8.5 层流冷却过程计算机控制的状态显示 (31)1层流冷却区概述层流冷却设备安装在精轧机F7机架出口至1号地下卷取机之间，主要由层流冷却集管装置（包括层流冷却精冷上集管装置、层流冷却精冷下集管装置、层流冷却微冷上集管装置及层流冷却微冷下集管装置）、层流冷却侧喷装置、层流冷却压缩空气吹扫装置、层流冷却上集管倾翻装置、层流冷却边部遮蔽装置及热输入辊道冷却装置组成。

层流冷却是热轧车间不可或缺的重要设备之一,在轧钢过程中它能把带钢的温度从终轧温度冷却到卷取温度。

如果对层流冷却的控制失败,会造成财产安全等重大事故。

所以说对层流冷却的自动化控制必须做到精确、及时、安全可靠。

1 调节区温度控制调节区温度控制分为微调区控制、精调区控制和侧喷控制,冷却水通过气动阀门实现打开和关闭。

这些阀门的动作是电磁阀驱动的。

开关时序都是根据带钢跟踪系统自动打开和关闭的。

每个微调区和精调区上下喷头的水量由流量传感器监控。

如图1所示。

1.1 微调区控制1-20号冷却段为微调区控制,每组由四排上喷嘴和四个下喷嘴组成,每组下微调区喷水量为每小时108立方米,每组上微调区喷水量为每小时89立方米。

微调区根据带钢跟踪系统通过二级温度控制模型来打开和关闭冷却水喷嘴,基本将带钢温度控制在理想范围内。

1.2 精调区控制21-22号冷却段为精调区控制,每组由八排上喷嘴和把牌下喷组区组成。

每组下精调区喷水量为每小时54立方米,每组上精调区喷水量为每小时46立方米。

微调区根据带钢跟踪系统通过二级温度控制模型来打开和关闭冷却水喷嘴将带钢温度精确控制在设定范围内。

1.3 侧喷控制在层流冷却每个冷却段的后边都有侧喷单元,它由两个喷嘴组成。

最后一个冷却段的后面有四个侧喷喷嘴组成,侧喷在与轧制线相交的方向上冲走残留在带钢上部的冷却水。

其打开关闭时序也是根据带钢跟踪系统来设定的。

2 旋转梁翻转控制上冷却梁旋转是为了热轧线出现堆钢时方便把废钢从辊道上移走或者需要检修时方便更换维护层流冷却上的设备。

上冷却梁旋转共有22个旋转梁,每个冷却段的上梁能够单独旋转。

上喷射梁可以通过液压缸向上旋转。

如果在生产过程中发生堆钢,PL C 会触发急停信号,旋转梁会自动上翻并保持知道操作工手动放下。

操作工也可以点动操作旋转梁实现上翻和下翻。

检修时维护人员可以插入安全销防止事故发生。

3 边部遮挡精轧后带钢宽度方向上温度分布不均,并且在冷却段会更加分布不均,这导致带钢表面不平整,会起边浪。

热轧带钢冷却过程中的相变模拟热轧带钢是一种经过高温轧制的金属带材，其冷却过程中会发生相变。

相变是物质由一种状态转变为另一种状态的过程，它在材料的性质和微观结构上产生显著的变化。

热轧带钢冷却过程中的相变模拟可以帮助我们了解相变过程中的温度分布、组织演变以及力学性能的变化，从而优化制备工艺，提高产品质量。

热轧带钢冷却过程中的相变主要包括固溶相变、铁素体相变和贝氏体相变等。

固溶相变是指在固体内部发生的原子或分子的位置重新排列，使得固溶体的晶格结构发生改变。

固溶相变温度与合金成分、冷却速度等因素密切相关。

铁素体相变是指钢中的铁素体晶格结构在一定条件下发生转变，形成不同的铁素体类型。

贝氏体相变是钢中的铁素体通过高温下的变形和固溶处理引起的一种非等温相变。

为了模拟热轧带钢冷却过程中的相变，可以采用热力学模型和相变动力学模型结合的方法。

热力学模型可以用来预测固相和液相的存在区域，通过计算各相的浓度分布，可以确定相变过程中的温度和成分变化。

相变动力学模型可以用来描述相变的速率和机制，通过求解相变动力学方程组，可以得到相变过程中的组织演变和界面移动速度。

热力学模型常用的方法有相图预测法和计算热力学平衡法。

相图预测法通过构建合金相图，根据温度、成分和压力等参数，预测淬火过程中的固溶相变和铁素体相变。

计算热力学平衡法基于热力学平衡条件，利用计算热力学软件（如Thermo-Calc）进行计算，得到相变温度和相变前后的成分分布。

相变动力学模型常用的方法有相场模型和相变动力学模型。

相场模型是一种连续的描述相变界面演变的方法，通过求解相场方程，可以得到相变过程中的界面形貌和移动速度。

相变动力学模型基于相变的体积应变、扩散和表面扩散等物理机制，利用动力学方程描述相变过程，通过求解相变动力学方程组，可以得到相变过程中的组织演变和界面移动速度。

为了进行热轧带钢冷却过程中的相变模拟，需进行以下步骤：1.构建材料模型，确定材料的物理性质和热力学参数，如材料的热导率、比热容等。

热轧带钢的层流冷却热轧带钢一部分是以钢卷状态提供给冷轧带钢的生产作为原料，其余则是以横切钢板或钢卷状态，提供给机械制造、建筑、造船工业、汽车制造业、压力容器、输油气管道、冷弯型钢等行业使用。

由于产品用途的差异，对热轧带钢机械性能的要求也不同。

带钢轧后冷却过程是调整产品性能的重要手段，其中卷取温度控制是影响成品带钢性能的关键工艺参数之一。

卷取温度控制的目的，就是通过层流冷却段长度的动态调节，将不同工况(温度、厚度、速度)的带钢从比较高的终轧温度迅速冷却到所要求的卷取温度，使带钢获得良好的组织性能和力学性能。

控制带钢最终的卷取温度和冷却过程中的降温速度是卷取温度控制的主要内容。

热轧带钢的实际卷取温度是否能控制在要求的范围内，主要取决于带钢冷却系统的控制精度。

当实际卷取温度超出要求的范围，钢卷的组织性能会变差，所以卷取温度控制系统必须能够满足多品种带来的多种冷却模式及控制要求的需要。

目前在生产中所采用的控制冷却方式主要有三种：气水混合冷却，幕状层流冷却和柱状层流冷却。

当控制冷却中使用的冷却介质为气水时为气水混合冷却。

当以水为冷却介质时依据其冲击钢板的流态方式不同，可分为两大类：一类是层流冷却，另一类是紊流冷却。

由于层流水冲击钢板后围绕冲击区形成层流扩展区，冷却水飞溅少，冷却能力高，与非层流冷却相比，可节省水30%。

所以，现代生产线上都采用层流控制冷却方式，层流又分为柱状层流和幕状层流。

柱状层流又分为直管式和U型管式两种。

一个喷头上可设一排、两排、四排或更多的喷嘴。

喷嘴数量的增加使柱状层流的冷却能力得到提高，也可改善钢板的冷却均匀程度。

实践证明，层流冷却的冷却效果比较好。

幕状层流冷却方式是从喷嘴喷出一种幕墙式水流，水流在钢板表面上形成一细条冲击区，冲击区前后为层流扩展区。

冷却介质与钢板间的热交换主要发生在冲击区和层流扩展区。

理论和实践都证明对于热轧带钢而言，层流冷却的效果最佳。

冷却水从集管中连续而稳定的流出，形成平滑、连贯的水流，呈层流状直接落到带钢表面，并在带钢表面也形成层流，流速稳定，控制简单，便于维护。

热轧层流冷却热轧层流冷却是一种常用的金属材料冷却技术，主要应用于热轧钢板的生产过程中。

它通过高速气流对热轧钢板进行冷却，以达到快速降温的目的，从而使钢板具备所需的力学性能和表面质量。

本文将从层流冷却的原理、优势以及应用方面进行探讨。

层流冷却是指气体在冷却过程中保持流动的状态，且气流流速均匀，呈现分层流动的状态。

层流冷却技术在热轧钢板生产中得到了广泛应用，其原理是通过高速气流与热轧钢板表面的热量交换，将钢板迅速冷却。

在这个过程中，气流要求具备一定的流速和流量，以确保钢板表面的温度快速下降。

同时，层流冷却还可以有效地控制钢板的冷却速度，避免产生不均匀的温度分布和应力集中现象，提高钢板的机械性能。

层流冷却相对于传统的冷却方法具有许多优势。

首先，由于层流冷却采用气体作为冷却介质，相比于水冷却可以避免钢板表面的氧化反应，从而减少了钢板表面的氧化层，提高了表面质量。

其次，层流冷却具备较高的冷却速度，可以迅速降低钢板的温度，减少晶粒长大和相变的时间，从而提高了钢板的强度和硬度。

此外，层流冷却还可以减少钢板的变形和残余应力，提高了钢板的平直度和形状精度。

因此，层流冷却技术在提高产品质量、降低生产成本方面具有显著的优势。

在实际应用中，层流冷却主要应用于热轧钢板的生产过程中。

热轧钢板是指通过高温轧制工艺将钢坯轧制成所需厚度的金属板材。

在热轧过程中，钢板需要经历高温轧制后的迅速冷却，以获得所需的力学性能和表面质量。

层流冷却技术在这个过程中起到了关键的作用。

层流冷却在热轧钢板生产中的应用主要分为两个阶段：初冷和终冷。

初冷阶段是在钢板经过初轧后，通过层流冷却设备进行快速冷却，以降低钢板的温度。

终冷阶段是在钢板经过中间轧制后，再次进行层流冷却，使钢板的温度进一步降低，并保持在适宜的范围内。

通过层流冷却的双重作用，可以使热轧钢板达到理想的力学性能和表面质量要求。

热轧层流冷却作为一种高效的钢板冷却技术，在热轧钢板生产中具有重要的应用价值。

热轧带钢层流冷却技术研究【摘要】通过焓法模型和相变热力学和相变动力学模型来研究分析热轧带钢在层流冷却过程中的能量变化，利用层流冷却过程中带钢的温度场和热焓场的计算结果来预测带钢冷却后的温度，并验证热轧带钢层流冷却过程并非带钢温度下降的过程，而是带钢能量传递给了周围的环境。

【关键词】热轧带钢；层流冷却；温度；相变引言近年来随着经济社会的飞速发展，热轧带钢的需求量与日俱增，它被广泛应用于汽车、电机、化工、机械制造、建筑、造船等部门的重要的工业原料。

随着需求量的增长，对热轧带钢的质量也提出了更高的要求。

由于冷却温度对热轧带钢的质量性能起到极其关键的作用，所以，需对温度范围进行精准的掌握。

热轧带钢的层流冷却是使低水头的水从水箱或集水管中通过U型弯曲管的作用形成一无旋和无脉动的流股，这样的层流态的水从一定高度降落到钢板表面会平稳地向四周流去，从而扩大了冷却水同板材的有效接触，大大提高了冷却效率。

热轧带钢经过层流冷却，当温度低于Ar3时，带钢中奥氏体将会转变为自由能更低的相，如铁素体、珠光体等。

基于此，笔者认为热轧带钢层流冷却过程可以理解为存在相变的传热过程。

存在相变的传热问题可以采用固定区域法来研究，但考虑到相变的角度，本文应用焓法模型，来求解热轧带钢层流冷却过程中的温度场。

1温度场模型的建立热轧带钢在层流冷却过程中，因带钢能量流入周围环境而使得带钢能量不断减少。

但由于层流冷却过程是存在相变的传热过程，相变具有一定的潜热作用，这种潜热功能会使带钢的温度出现上升的现象，这势必导致不同的能量状态却对应相同的温度。

因此对于目前仅能测得卷取温度的层流控制系统来说，就无法确定这个温度下带钢对应的物理状态，也就无法精确做出阀门开闭的指令。

鉴于此，我们必须通过能量方程计算出带钢的能量，通过能量状态来实现对带钢的高精准温度控制。

于是，我们引入显热容量和潜热之和的热焓，将其作为待求函数引入到能量方程之中：（KT）=ρ*φH/φ，根据热力学理论，将定压热容、相变潜热L 引入到能量方程之中，则热焓和温度将共同作为焓法模型的函数，能够通过求解得出带钢的温度场和热焓场分布。

安徽工业大学毕业设计(论文)任务书课题名称层流冷却的策略和控制模型学院电气信息学院专业班级电子信息工程081班姓名刘林学号毕业设计（论文）的主要内容:（1）根据课题内容，查阅搜索相关文献资料，并翻译不少于5000字的相关英文文献资料。

（2）了解带钢热连轧的生产工艺，理解层流冷却系统的整体架构。

（3）掌握层流冷却中用到的控制模型的原理。

（4）掌握层流冷却中用到的控制策略的原理。

（5）对完成的工作进行总结，按格式撰写毕业设计论文，准时参加答辩。

起止时间：2012年2月25日至2012年6月5日共16周指导教师签字系主任签字院长签字摘要在带钢热连轧工艺中，卷取温度对带钢的金相组织影响很大，是决定成品带钢加工性能、力学性能和物理性能的重要工艺参数之一。

为了保证带钢成品性能指标，同时使带钢顺利卷取并保持良好卷形，必须使带钢卷取温度控制在合理范围内。

而热连轧带钢的实际卷取温度能否控制在要求的范围内 ,则主要取决于精轧机架后层流冷却控制系统。

本文以某大型钢铁集团的带钢热连轧生产线为基础，设计了一套具有实际应用意义的层流冷却控制策略和控制模型。

同时，设计并绘制了基于西门子WinCC的层流冷却控制画面。

所有这些实现了对整个系统的全自动控制。

模拟测试结果表明，这些控制策略和控制模型功能完善、性能稳定、控制精度高。

关键字：带钢热连轧层流冷却卷取温度控制控制策略控制模型AbstractBeing one of the important craft parameters, coiling temperature decides the machining performance, the mechanical performance and the physical performance of finished strip product, and has influence on strip’s metallographic phase. In order to get high-quality product and good coil shape, the strip coiling temperature must be controlled at a proper the actual coiling temperature of hot rolling strip can be controlled within the required range mainly depends on the laminar cooling control system after the finishing stands.In the paper, a set of control strategies and control models of the laminar cooling control system with practical application significance for a hot strip rolling production line of a large iron and steel enterprise is designed. At the same time, the control pictures for laminar cooling are designed and drawn with the software WinCC of Siemens. All of these achieve the automatic control of the whole system. Simulation test results show that the control strategies and control models have perfect function, stable performance and high control accuracy.Key Words: strip steel hot strip laminar cooling coiling temperature control control strategy control model目录1 绪论钢铁是现代社会最重要的原材料，其产量和质量是一个国家发达程度和经济实力的重要标志。

热轧带钢的成品冷却1、前言近年来，由于汽车制造业、建筑业、大口径管线钢生产的蓬勃发展，使得用户对原料带钢最终产品的组织性能提出更高的要求。

对于热轧带钢而言，轧后控制冷却对组织性能起着关键性作用，因为冷却速度的快慢直接影响带钢内部的晶相转变及卷取温度的高低。

国内外一些钢铁公司都先后在自己的生产线上装备了冷却线，如日本的新日铁热带车间、德国的戴维公司、我国的武钢、鞍钢、邯钢等都有自己的冷却设备，取得了不错的效果和很好的经验。

2.冷却机理钢的强度和晶粒直径的关系为δs＝δ0＋R1d-21，式中δ0－铁素体单晶体的屈服强度（抵抗品格位错运动的应力）；d－晶粒直径；k1－晶格强度常数。

对于低合金钢而言，R1d-21项对强度起主要作用。

就是说铁素体晶粒越细，钢材的强度越高，韧性越好。

从冷却曲线上看，对带钢进行快速冷却可以获得铁素体晶粒多而且细。

但冷却速度快，奥氏体晶粒来不及完成转变，而形成不稳定的贝氏体组织，冷却速度慢则形成粗大的珠光体，这两者都会对带铜的性能产生不利影响。

冷却速度的快慢还直接影响卷取温度。

因为卷取温度对带钢的性能也有着必然的联系。

所以选择何种冷却方式，控制好冷却速度是获得令人满意结果的关键。

3.冷却方式冷却方式可分为三种：（1）喷水冷却（传统的冷却方式）（2）层流冷却（3）雾化冷却3.1 喷水冷却（传统的冷却方式）喷水冷却是把水加压后从喷嘴喷出，形成液滴群冲击钢板表面对带钢进行冷却。

由于水粒的动能小，不能冲破带钢表面形成的蒸气膜，因而不能有效的带走带钢的热量。

针对这一点，有的采用高压水冷却（压力达到1.76MPa），高压水动能虽大，但水和带钢接触时间极短，飞溅十分严重，水的利用率低。

喷水冷却这种方式尽管简单，但效果差，经冷却后的热轧带钢机械性能不均匀，而且这种方式很难实现卷取温度的自动控制。

所以在宽带钢的冷却上，现在已很少应用，即使用也是配合其它冷却方式使用。

3.2 层流冷却所谓层流冷却，就是把水加压后从喷嘴以较低的速度喷射，从而形成平滑的层流。

科技成果——热连轧层流冷却系统成果简介卷取温度控制系统是热连轧系统的重要组成部分，直接关系到最终产品质量，特别是带钢的组织结构和力学性能的好坏，进而影响其产品在市场上的竞争力。

层冷控制系统由L2过程控制系统和L1基础自动化控制体统组成。

L2级系统完成数学模型计算、自适应控制、动态设定、冷却策略的选择和冷却速率控制等功能；L1级系统完成头尾跟踪、故障阀设定、开关阀控制和头尾微冷控制等功能。

工作模式有三种：全自动模式、手动模式、测试模式。

控制冷却系统设备：上高密度集管、下高密度集管、集管控制阀组、倾翻机构和阀组、车间高位水箱、高压侧喷装置、压缩空气吹扫装置等组成。

层流冷却下带钢的传热过程十分复杂。

首先，整个冷却过程中温降大，钢板的对流换热系数及其热物性参数必然随温度产生显著的变化。

其次，高温钢板的层流冷却，较其他冷却方式更为复杂。

高密度管层流喷出的水流在一定压力下冲击到钢板表面，在冲击区钢板表面不形成水蒸气膜，因此，产生强烈冷却效果。

沿钢板长度方向，在近冲击区一定范围内，冷却水呈层流区，在较远处呈紊流区，在层流区和紊流区之间形成过渡区。

在垂直板面方向，除了水流冲击区以外的其它区域，从板面向上，同样出现层流区、过渡区和紊流区。

因此，就整体层流冷却来看，经历了膜态沸腾、过渡沸腾和核沸腾冷却阶段，钢板传热过程是非稳态的。

根据层流冷却实际生产工艺情况，应用传热学原理，对带钢在时间和厚度方向差分，建立有限差分模型，计算带钢在整个冷却区的开阀和关阀状况，确定带钢在每个集管下是空冷还是水冷，从而控制带钢在冷却区的温度。

由于模型的建立是基于机理性的，所以模型计算具有比较高的精度，包括：预设定模型、动态设定模型、钢种物性参数模型，包括导热系数和比热容计算模型、水冷时对流换热系数计算模型、自适应模型等。

根据不同钢种的工艺要求，系统提供多种冷却方式供选择，包括：全长冷却、头部不冷、尾部不冷、前向冷却、后向冷却、头部微冷、尾部微冷、稀疏冷却、非对称冷却等。