林立伟，王海，郝思佳，吴玉权
北京首钢股权投资管理有限公司，北京市 100043
摘要：近年来，我国行业对高寿命、高强高韧性钢板的需求与日俱增，钢铁企业不断改进工艺技术和生产设备。其中控制轧制和控制冷却技术在高性能钢铁材料的开发和生产中得到广泛应用和不断的创新，作为TMCP工艺主要组成部分的轧后冷却技术也取得了长足的发展;传统的管层流冷却技术由于冷却能力不足、冷却均匀性较差，已无法满足现阶段中厚板生产工艺和成材率等方面的要求，近几年我国钢铁企业或引进国外先进的轧后冷却工艺生产线，或对现有轧后冷却系统进行升级改造。
关键词：快速冷却，智能精准，温度
1快速冷却装置
本冷却系统结合了Super-OLAC和Mupic技术优势，设计出一套新型喷箱结构，该系统冷却能力强、冷却水压力和流量控制稳定、冷却水分布更加均匀，经有限元流体软件(FLUNT)仿真分析和优化，形成一套全新的中厚板在线冷却系统。主要技术特征包括:(1)采用新型喷箱结构:结合缝隙式+高密喷嘴设计，水量大、冷却能力强、调节范围宽、流量控制稳定，是一种功能完善的在线强力冷却装置;(2)分段升降框架+喷箱分组控制模式:实现准确灵活的水量控制，冷却水分布均匀，冷效果均匀;(3)供水系统:满足不同冷却工艺要求、水压稳定、水质可控;(4)基础自动化系统:控制完善、易调节、跟踪和动作精准;(5)均匀板形综合控制技术:每组冷却单元之间设置顶喷，各组冷却水分布均匀，结合水凸度、边部遮蔽技术，保证钢板轧向与横向的冷却均匀性;(6)矫冷一体综合控制技术:保证不因轧制板形问题造成冷却水分布不均，结合高精度温度模型为基础的均匀板形综合控制技术，保证冷却均匀性。
2智能精准冷却控制系统
本套系统综合了材料学、流体力学、传热学和自动化控制等多个学科，基于傅立叶导热微分方程和非稳态隐式差分方法，建立快速冷却控制系统的核心算法。开发了高精度、高效率、高适用性的中厚板在线冷却控制系统，该系统功能先进和完善、计算准确、易调整;通过相关试验，测得典型钢种的热物性参数，并根据FLUNT，ANSYS等有限元仿真软件和生产实绩验证、优化模型的精度和功能。通过大量的现场生产数据优化模型参数，保证了终冷温度的控制精度和温度均匀性。
2.1温度场模型
传热领域能量守恒定律有两种表示方式，即导热微分方程与导热积分方程。从积分能量守恒定律形式出发所得到的差分格式称为微元体能量平衡法，通过单元边界热流量正比于相邻两单元的温度差。本文基于傅立叶导热微分方程，采用非稳态隐式差分方法，建立快速冷却过程高精度温度场模型。由于中厚板长度和宽度远大于厚度，因此采用厚度方向一维温度场差分模型，导热微分方程中的温度对位置二阶导数是扩散项，热量总是从高温流向低温区。本文采用中心差分方法，其误差精度比向前差分或向后差分高一个数量级;边界条件中温度对位置一阶导数是对流项，对流时流体有宏观位移和方向性，宜采用向前差分或
向后差分。
2.2材料热物性参数
材料的热物性参数包括导热系数、比热和密度等。基于温度梯度对热物性参数的影响，目前应用比较广泛的是采用公式计算的方法，考虑钢板温度变化对热物性参数的影响;但由于不同钢种化学成分和合金元素的影响，实际测得的热物性参数一般随化学成分变化有较大的波动。本文根据卡里劳希法则，采用热力学试验获取典型钢种不同温度下热物性参数，提高了计算精度。对于新开发钢种或未知钢种，采用经验公式计算，为新产品开发提供理论依据。
2.3冷却均匀性控制策略
在高强度冷却条件下冷却均匀性方面，采用宽度方向上的水凸度和边部遮蔽控制技术，长度确控制边腔与中腔水比，保证钢板宽度方向上温度的均匀性。边部遮蔽模型:开发边部遮蔽设定模型，精确控制边部遮蔽位置，提高钢板边部位置温度均匀性。微加速控制策略:根据轧制方向上钢板温度变化，开发微加速设定模型，精确控制钢板不同位置的冷却水量和冷却时间，提高钢板轧制方向上温度均匀性。
头尾遮蔽控制策略:根据钢板的运行速度和设定水量，采取头尾遮蔽控制策略，在冷却区域内，精确控制流量控制阀的开度和阀门响应时间。优化钢板头部和尾部的遮蔽长度和水量，有效改善钢板的黑头和黑尾状况。上下水比控制技术:根据钢板上下表面的水流状态和冷却面积不同，分别计算钢板上下表面的温度变化，保证上下表面终冷温度一致性。
2.4中厚板快速冷却的控制策略
根据冷却工艺要求，缝隙式喷嘴与高密集管两种冷却模式的选择和匹配方式，建立冷却工艺设定模型。根据不同的冷却工艺要求，智能调整冷却模式，集管组态、集管流量和辊道速度等。
3.分析与讨论
3.1温度控制精度
本文开发的中厚板轧后冷却系统目前已应用在中厚板生产线上，并针对普碳钢、低合金钢、高强船板等多个钢种的终冷温度控制精度进行系统调试，通过对1362块钢板终冷温度的控制精度进行统计分析。其中终冷温度误差≤±15℃的钢板1079块，终冷温度误差≤±20℃的钢板1226块，终冷温度误差≤±25℃的钢板1308块。终冷温度(精度误差≤±25℃)命中率达到96%。
3.2温度均匀性
生产实际中，快速冷却后钢板的温度均匀性良好。头尾遮蔽功能将钢板的黑头和黑尾长度均控制在100mm以下，大大减少了钢板头尾的切损，提高成材率;通过微加速策略和水凸度功能，使钢板全长方向上最大温差≤±15℃，宽度方向温差≤±5℃。3800中厚板厂快速冷却后钢板的温度分布情况;冷却后钢板的温度分布均匀性。
3.3钢板板形
钢板快速冷却后，由于轧制形变应力、热应力和相变应力的影响，钢板内部累积一定残余应力，当残余应力超过一定极限(屈服)时，钢板会发生塑性形变，产生板形问题。钢板轧制和冷却过程工况极其复杂，控制冷却后钢板板形，首先要保证钢板长度和宽度方向上温度的均匀性，采用适当水比控制、微加速控制、水凸度和头尾遮蔽等功能，获得良好板形。在快速冷却后，为均获得良好的板形，本文在板形控制方面做了大量的研究和生产试验工作，开发多个功能模块;在厚板厂经过相关调试后，钢板的整体板形得到明显改善，钢板头部和尾部的横向板形指标均控制在±5U以下，消除了钢板头部和尾部的翘扣头情况，大幅提高产品成材率。
3.4讨论
为解决我国中厚板生产中冷却能力不足，控制精度低、温度均匀性差等问题，打破国外技术垄断，实现中厚板重大设备和技术国产化。本文开发新一代快速冷却装备和过程控制系统，以TMCP技术为基础，针对原有冷却设备和控制系统进行重大升级。采用新型缝隙式喷嘴+高密喷嘴设计，结合自主开发的智能和精准的冷却控制系统，冷却能力更强、冷速范围更大、温度控制精度更高、冷却均匀性更好、适用范围更广。该系统在五矿中厚板厂生产实绩中取得了良好的效果，对淘汰现有落后冷却工艺和装备、提高产品性能、降低生产成本发挥了重大作用。
4结论
新一代轧后快速冷却系统即可用于现有设备的改造项目，可结合新设备，匹配使用层流、MULPIC、DQ等相关设备;也能够针对现有设备升级控制系统，增加冷却模式、提高控制精度和冷却均匀性，帮助用户拓宽品种规格及范围、改善成品板形、降低生产成本。将为我国中厚板的产品升级和工艺创新提供新的技术支撑。
参考文献
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