胡賢磊  趙 忠  丁敬國(guó)   劉相華

摘 要: 基于中厚板軋制過程的溫度變化特點(diǎn), 以熱輻射和對(duì)流為主要影響因素, 對(duì)熱輻射模型和對(duì)流模型進(jìn)行分析和處理, 解析黑度系數(shù)、厚度對(duì)溫度變化規(guī)律的影響可知: 終軋厚度大于30mm 時(shí), 黑度系數(shù)的變化對(duì)終軋溫度的影響很小; 終軋溫度在10mm 左右時(shí), 必須根據(jù)后幾道次實(shí)測(cè)溫度調(diào)整黑度系數(shù); 軋件越厚, 起始溫度越高, 溫降速度越快。分析得到不同厚度下, 平均溫度和表面溫度差的關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用表明, 終軋溫度預(yù)測(cè)誤差基本不超過15 e 。

關(guān)鍵詞: 中厚板; 軋制; 溫度; 黑度系數(shù)

中厚板軋制過程的設(shè)定計(jì)算需要精確計(jì)算鋼板溫度, 因?yàn)闇囟饶Ｐ偷钠�差�?duì)變形抗力模型的設(shè)定精度和最終的溫度控制起著至關(guān)重要的作用。熱連軋精軋過程和層流冷卻過程鋼板較薄, 其厚度方向上溫度分布基本上均勻。而中厚板軋制過程鋼板厚度較厚, 溫度沿鋼板厚度方向的分布不均勻, 近似于1個(gè)2次曲線^[1] 。所以常用的熱連軋溫降模型自學(xué)習(xí)方法不能直接套用在中厚板溫降模型上。本文針對(duì)中厚板溫度變化的特點(diǎn), 分析黑度系數(shù)、厚度等因素對(duì)溫度的影響規(guī)律。

1 溫度模型的分析

中厚板軋制過程溫度變化受到下面幾個(gè)主要因素的共同作用^{[ 2- 3]} : 1) 熱輻射和對(duì)流; 2) 高壓水除鱗; 3) 與軋輥接觸產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)和摩擦熱; 4) 塑性功。理論分析和大量實(shí)踐都反映出軋制過程的熱輻射和對(duì)流是中厚板溫度變化的主要影響因素。對(duì)一塊鋼而言, 高壓水除鱗使用次數(shù)較少, 一般在鋼板較厚時(shí)使用, 所以其產(chǎn)生的溫度變化對(duì)總體溫降計(jì)算精度影響較小。后兩項(xiàng)影響基本可以抵消。綜合上述, 將中厚板溫降模型的自學(xué)習(xí)鎖定為熱輻射和對(duì)流產(chǎn)生的溫度變化, 這樣可以抓住主要矛盾, 降低控制的難度, 而且不損失控制精度。鋼板表面熱輻射產(chǎn)生的熱流密度q_r 與換熱系數(shù)h_r 分別為:

式中: E為鋼板的黑度, R為熱輻射常數(shù), ts 為鋼板表面溫度, ta 為空氣溫度。鋼板黑度的準(zhǔn)確設(shè)定對(duì)熱

輻射造成的溫度變化起著決定性作用。

由圖1 可以看出不同黑度系數(shù)下鋼板表面熱輻射傳熱系數(shù)qr 與鋼板溫度的關(guān)系。軋件的黑度與氧化鐵皮、表面溫度及表面的粗糙度有關(guān)。根據(jù)在熱軋線上測(cè)定的結(jié)果, 可得到鋼板黑度E考慮成鋼板厚度的關(guān)系:

式中: H0 是鋼板出爐厚度, H 是鋼板當(dāng)前厚度。

鋼板表面對(duì)流產(chǎn)生的熱流密度可表示為:

q_n= h_n # ( t_s - t_a)     ( 4)

其中hn 為對(duì)流換熱系數(shù)。由于中厚板精軋過程軋制速度不是很高, 這樣可以將鋼板表面的對(duì)流換熱簡(jiǎn)化為水平平板表面自然對(duì)流換熱。根據(jù)計(jì)算, 其對(duì)流換熱為紊流狀態(tài), 這樣有:

中: Nu 是鋼板表面的努賽特?cái)?shù), P_r 是普朗特?cái)?shù),G_r 是葛拉曉夫數(shù), g 是重力加速度, B是空氣的體積膨脹系數(shù), d 是鋼板尺寸特征數(shù)( 它等于鋼板表面除以鋼板周長(zhǎng)) , v 是空氣動(dòng)粘性系數(shù), Ka 是空氣的熱傳導(dǎo)率。

如果2m 寬、10m 長(zhǎng)的鋼板, 其表面溫度ts =1000 e , 空氣溫度ta = 25 e , P_r 、B 及v 取溫度500 e 對(duì)應(yīng)的數(shù)值, 代入式( 5) , 得到Gr = 141 6 @108 , 進(jìn)而得到:

Gr # P r= 141 6@10⁸ @01 71= 11 04@10⁹    ( 7)

其對(duì)流狀態(tài)屬于紊流, 將式( 7) 代入式( 5) , 取Ka= 01 052, 鋼板尺寸特征數(shù)d= 20/ 24, 有:

將該計(jì)算結(jié)果與圖1 熱輻射換熱系數(shù)進(jìn)行比較, 可以看出對(duì)流換熱基本上為1 000 e 時(shí)熱輻射換熱的7% ~ 10%。為了簡(jiǎn)化計(jì)算, 可將對(duì)流換熱系數(shù)折合成鋼板的熱輻射換熱系數(shù)后進(jìn)行有限差分法的計(jì)算。由于中厚板軋制過程鋼板厚度較厚, 其厚度方向存在溫度梯度。因?yàn)楹穸扰c長(zhǎng)度和寬度相比又很小, 所以其熱輻射和對(duì)流傳熱過程可用一維熱傳導(dǎo)方程表示, 并用有限差分法求解。

2 溫度模型解析

2. 1 黑度系數(shù)對(duì)溫降的影響

一般認(rèn)為, 軋件黑度的范圍對(duì)計(jì)算結(jié)果非常重要。軋件的黑度即輻射率與氧化鐵皮、表面溫度及表面的粗糙度有關(guān)。中厚板軋制過程成形展寬軋制類似于熱連軋的初軋, 而伸長(zhǎng)階段( 開軋溫度970~1020 e , 終軋溫度830~ 870 e ) 類似于熱連軋精軋機(jī)組( 開軋溫度基本上為950 e , 終軋溫度為840 e左右) , 所以其黑度系數(shù)的計(jì)算可采用式( 3) 。

軋件黑度在軋件厚度大于30mm 時(shí), 黑度系數(shù)的變化對(duì)熱輻射溫降的計(jì)算結(jié)果的影響較小, 一個(gè)道次的溫度計(jì)算最大偏差小于4e , 如果厚度大于50mm, 則溫度計(jì)算偏差小于2 e 。所以如果終軋產(chǎn)品的厚度大于30mm, 在不同黑度值下, 根據(jù)溫度模型計(jì)算得出的累計(jì)誤差一般不會(huì)超過20 e , 如果計(jì)算過程黑度系數(shù)取平均值01 7, 則溫度模型計(jì)算的累計(jì)偏差會(huì)相應(yīng)減少一半, 不超過10 e , 這對(duì)軋制力模型的自學(xué)習(xí)過程不會(huì)產(chǎn)生大的影響, 不用對(duì)溫度模型相關(guān)系數(shù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)。但當(dāng)終軋產(chǎn)品厚度較小, 只有10mm 左右, 則黑度系數(shù)的變化對(duì)熱輻射溫降的計(jì)算結(jié)果的影響較大, 一個(gè)道次的溫度計(jì)算最大偏差在10 e 左右, 多個(gè)道次的溫度累計(jì)偏差很可觀, 所以對(duì)薄鋼板的軋制過程需要根據(jù)最后幾個(gè)道次的實(shí)測(cè)溫度變化調(diào)整黑度自學(xué)習(xí)系數(shù), 提高薄鋼板的溫度計(jì)算精度。

2. 2 溫度變化與厚度、時(shí)間之間的關(guān)系

由圖2 (b)可看出, 軋件厚度大于等于60mm時(shí), 軋件的平均溫度隨待溫時(shí)間的延長(zhǎng)而線性變化。當(dāng)軋件厚度小于60mm時(shí), 隨著厚度的減少, 軋件的溫度隨待溫時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)拋物線變化, 見圖2( a) 。在同一厚度時(shí), 不同初始溫度條件下, 不同曲線的開口隨著時(shí)間的變化逐漸減小。不同厚度, 不同初始溫度條件下的溫降速度如圖3所示, 軋件越厚, 起始溫度越高, 溫降越快。

2. 3 表面溫度與平均溫度之間的關(guān)系

軋件在軋線上實(shí)測(cè)的溫度都是表面溫度, 而中厚板軋件厚度方向的溫度梯度不能忽略, 如軋制力的計(jì)算一般采用平均溫度, 這樣必須研究表面溫度和平均溫度之間的關(guān)系。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和相關(guān)的資料可以知道, 軋件厚度方向的溫度梯度在表面處最大, 其溫度曲線基本上呈拋物線分布。圖4是不同厚度的軋件在空冷狀態(tài)下平均溫度與表面溫度差隨時(shí)間的計(jì)算結(jié)果, 根據(jù)計(jì)算結(jié)合圖4可以得出以下規(guī)律:

1) 同一厚度, 隨著軋件溫度的降低, 軋件厚度方向的溫度均勻性得到很好的改善;

2) 中厚板由出爐到厚度小于70mm 時(shí), 一般不會(huì)超過60 s, 雖然軋制過程中軋件的厚度是不斷變化的, 但可以近似將平均溫度和表面溫度的差值看成不受厚度變化的影響。為簡(jiǎn)化考慮, 軋件厚度在80mm以上時(shí), 溫度差值可以定為50e , 軋件厚度大于60mm并小于80mm時(shí), 溫度差值可以定為40 e 。

3) 當(dāng)軋件厚度小于等于60mm 時(shí), 在經(jīng)過一段時(shí)間后( 圖中顯示為30s) 溫度差基本不隨時(shí)間變化�？梢詫�溫度差和厚度之間的關(guān)系回歸成一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 應(yīng)用

將上述溫度模型的分析結(jié)果應(yīng)用于某中厚板廠2800mm 精軋機(jī)在線過程機(jī)設(shè)定系統(tǒng)。為有效利用第2 部分的計(jì)算結(jié)果, 采用措施: 1) 在前推床和牌坊之間安裝側(cè)噴吹掃裝置, 有效清除鋼板表面的殘留水, 提高測(cè)量精度。2) 第1道次鋼板有氧化鐵皮, 需要利用機(jī)架高壓水清除, 所以采用第2 或第3 道次的測(cè)量溫度作為開軋溫度, 保證初始溫度的測(cè)量精度。3) 對(duì)于需要控軋控冷的品種, 待溫輥道上測(cè)量環(huán)境較好, 在該位置上安裝測(cè)溫儀, 精確測(cè)量2 次開軋溫度。4) 針對(duì)30mm以上的軋制道次, 選取不同鋼種, 綜合分析多個(gè)道次累計(jì)的效果, 得知黑度系數(shù)選取017比較合理。5) 對(duì)于20mm以下的軋制道次,采集連續(xù)2 個(gè)道次的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 基于起始溫度和厚度對(duì)道次終了溫度變化影響較大, 結(jié)合上塊鋼的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)本塊鋼的黑度系數(shù)進(jìn)行放大或縮小調(diào)整。6) 由于機(jī)前和機(jī)后測(cè)溫儀安裝位置不同, 經(jīng)常造成前后測(cè)溫儀測(cè)量值互相矛盾, 應(yīng)該選取其中1個(gè)作為基準(zhǔn)。將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際終軋溫度和預(yù)測(cè)終軋溫度相比較( 圖5) , 可以看出該溫度模型的預(yù)測(cè)精度比較高, 終軋溫度預(yù)測(cè)誤差基本不超過15 e 。

4 結(jié)論

1) 如果終軋產(chǎn)品的厚度大于30mm, 黑度系數(shù)對(duì)終軋溫度計(jì)算精度的影響較小, 一般不超過10 e , 這對(duì)軋制力模型的自學(xué)習(xí)不會(huì)產(chǎn)生大的影響,不用對(duì)溫度模型相關(guān)系數(shù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)。如果終軋產(chǎn)品厚度只有10mm左右, 必須根據(jù)最后幾個(gè)道次的實(shí)測(cè)溫度變化調(diào)整黑度自學(xué)習(xí)系數(shù), 提高薄鋼板的溫度計(jì)算精度。

2) 軋件厚度大于等于60mm 時(shí), 軋件平均溫度隨待溫時(shí)間的延長(zhǎng)而線性變化; 軋件厚度小于60mm 時(shí), 軋件溫度隨待溫時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)拋物線變化。軋件越厚, 起始溫度越高, 溫降速度越快。

3) 中厚板由出爐到厚度小于70mm 時(shí), 一般不會(huì)超過60 s, 雖然軋制過程中軋件的厚度是不斷變化的, 但可以近似將平均溫度和表面溫度的差值看成不受厚度變化的影響。為簡(jiǎn)化考慮, 軋件厚度大于80mm以上時(shí), 溫度差值可以定為50e , 軋件厚度大于60mm小于80mm 時(shí), 溫度差值可以定為40 e 。

4) 當(dāng)軋件厚度小于等于60mm時(shí), 在經(jīng)過一段時(shí)間后, 溫度差基本不隨時(shí)間變化。

參考文獻(xiàn):

[ 1] Kok ado J. A Foun dament al Study on th e Predict ive Calculationof Temperature of Sheet St eel During Cont inuous H ot Rolling[ J] . J ournal of JST P, 1970, 11( 11) : 816.

[ 2] 徐申. 中厚板軋制過程中的溫度模型[ J ] . 甘肅冶金, 2000( 2) :13.

[ 3] 胡賢磊. 中厚板軋機(jī)過程模型的研究[ D] . 沈陽(yáng): 東北大學(xué),2003.