（机械电子工程专业论文）热轧带钢温度建模和数值模拟.pdf

浙江大学博上学位论文摘要 摘要 在热连轧生产与控制中，带钢的温度是直接影响产品尺寸精度及组织性能的 重要因素之一。高精度的温度控制不仅可以提高轧制稳定性，也可改变成品带钢 的晶相组织，细化带钢晶粒，提高产品力学性能、物理性能和加工性能。 结合某钢厂热轧生产线的热连轧工艺，对带钢轧制过程和层流冷却过程的传 热现象和冶金行为进行了建模和实验研究。建立了热轧带钢精轧混合式温度模 型，准确预测了带钢温度的厚度分布，用于实际生产中的终轧温度预测；开发了 热轧冷却过程中的温度和相变耦合数值模型，充分考虑了带钢冷却过程中的物理 冶金变化行为和温度对热物性参数的影响，模型用于新带钢产品的研发。本文的 主要研究工作和创新如下： 1 ) 采用有限差分法计算轧制区的温度变化，替换了传统温度设定系统中计算误 差较大的轧制温升和接触热传导模型；采用解析式建立了空冷模型和指数形 式水冷模型，并对模型参数进行了钢种和厚度的修正；通过对带钢表面温度 和平均温度的换算，建立了差分和解析式并存的混合温度模型，在兼顾效率 的同时提高了温度模型的预测精度。生产应用中，采用短时、长时自学习方 法对换热系数进行在线修正，进一步提高模型的预测精度和稳定性。 2 ) 建立以相变潜热为内热源的温度耦合计算模型，并采用变分法对模型中的非 稳态热传导方程进行离散化；考虑层流冷却过程中的相变对带钢温度的影响， 建立空冷区和水冷区的奥氏体冷却相变动力学模型，并利用迭代法实现温度 和相变的非线性耦合计算；耦合模型中考虑了换热系数与带钢运行速度之间 的关系，并引入了变热物性参数的计算。对双相高强钢特殊冷却条件下的温 度进行模拟计算和试验，结果表明模型精度达到生产工艺要求。 3 ) 以某钢厂热轧线的三种碳钢为实验样本，采用实验手段测定不同温度下的热 物性参数，研究了带钢的热导率、比热、热膨胀系数和密度与带钢温度的关 系，并采用最小二乘法建立了热物性参数的分段函数，用于温度场定量计算， 消除了传统模型中对热物性参数进行常值处理所带来的计算误差。 4 ) 建立的热轧带钢精轧混合式温度模型通过某钢厂热轧线的终轧温度设定系统 进行验证。仿真和实验结果表明，终轧温度预测误差小于7 5 ，能够满足现 场生产应用的需要。 塑垩奎兰堡主兰垡笙苎 摘要 一一- ： 关键词 热连轧；带钢；温度模型；传热现象；冶金行为；冷却过程；终轧温度； 数值计算 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r o d u c t i o na n dc o n t r o lo fc o n t i n u o u sh o ts l a br o i l i n g ，t e m p e r a t u r ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sc o n t r o l l i n gt h ek i n e t i c so fm e t a l l u r g i c a lt r a n s f o r m a t i o n s a n dt h ef l o ws t r e s so ft h er o l l e dm e t a l t e m p e r a t u r es e t t i n gm o d e l sa n dc o o l i n gc o n t r o l o fs t e e l sw i t hh i g l la c c u r a c yn o to n l yi m p r o v et h er o l l i n gs t a b i l i t yb u tc h a n g et h e m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eo fs t e e lp r o d u c t sa n dr e f i n et h ec r y s t a lg r a i na n df i n a l l yi n c r e a s e t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp h y s i c a lp r o p e r t ya sw e l la sw o r k a b i l i t y ，i nt e r m so f d u c t i l i t y , d r a w a b i l i t ya n df o r m a b i l i t y c o m b i n e dw i t hr o l l i n gt e c h n o l o g yo ft h en e wb u i l th o ts l a pr o l l i n gm i l la t b a o s t e e l ，t h eh e a tt r a n s f e rp h e n o m e n aa n dm e t a l l u r g i c a lb e h a v i o r so c c u r r i n gd u r i n g t h er o l l i n ga n dl a m i n a rc o o l i n gp r o c e s sw e r ee x p e r i m e n t a l l ys t u d i e da n dm o d e l e d h y b r i dt e m p e r a t u r em o d e l si nt h ef i n i s hs t a n d sw e r eb u i l tt oc a l c u l a t et h et h e r m a l p r o f i l ea l o n gt h es t r i pt h i c k n e s sd i r e c t i o na n dp r e c i s e l yp r e d i c tt h ef i n i s h i n ga n d c o i l i n gt e m p e r a t u r e s t h e nt h eo n 1 i n et e m p e r a t u r em o d e l sh a db e e ne v a l u a t e da n d t e s t e di nh o ts t r i pp r o d u c t i o n i na d d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h et h e r m a li n f l u e n c eo n v a r i a t i o no fs t e e lm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dm e t a l l u r g i c a lb e h a v i o r s ，n u m e r i c a lm o d e l st o d e s c r i b en o n l i n e a r l yc o u p l e da s p e c t so ft e m p e r a t u r ea n dp h a s et r a n s f o r m a t i o nh a d b e e np r o p o s e df o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e ws t e e lp r o d u c t s t h em a i nw o r k a n di n n o v a t i o na r eb r i e f l ys t a t e da sf o l l o w i n g 11ad i f f e r e n t i a lm o d e lw a sp r o p o s e dt or e p l a c et h ef o r m e rt h e r m a lm o d e lo fr o l l i n g c o n d u c t i o na n da l lo f f - l i n ea d a p t i o nt e c h n i q u eb a s e do ns t e e lg r a d ea n dt h i c k n e s s c l a s sw a sa d o p t e dt oc o r r e c tt h er a d i a t i o nf a c t o ro fa i rc o o l i n gm o d e l f u r t h e r m o r e ， t h eo r i g i n a lw a t e rc o o l i n gm o d e lw a sr e p l a c e db yan e we x p o n e n t i a lm o d e lw i t h o n 1 i n e a d j u s t m e n t t h r o u g ht h ec o n v e r s i o n m o d e lo fs u r f a c ea n da v e r a g e t e m p e r a t u r e ，t h ee n h a n c e dh y b r i dt e m p e r a t u r em o d e lp r e s e n t e dh i g h e rp r e d i c t i o n a c c u r a c ya sw e l la sa c c e p t a b l er e s p o n s es p e e d i na d d i t i o n t i l es h o r t - t e r ma n d l o n g t e r ma d a p t i o nm o d e l si ne x p o n e n t i a lf o r m ，a sw e l la s an e u r a ln e t w o r k a d a p t i o ns y s t e mc h a r a c t e r i z e db y r e l a y i n i t i a l i z a t i o nl e a r n i n g ，w e r ep u tf o r w a r d t oa d j u s t i n gt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so fm o d e l s 2 ) t h et h e r m a la n dm e t a l l u r g i c a lb e h a v i o r so ft h es t r i po c c u r r i n gd u r i n gt h ec o o l i n g p r o c e s si nh o ts t r i pr a i l lw e r ea n a l y s e da n dc o u p l e dm a t h e m a t i c a lm o d e l so f t e m p e r a t u r ea n dp h a s et r a n s f o r m a t i o nh a db e e nb u i l t t h ev a r i a t i o n a lm e t h o di s u t i l i z e df o rt i l ed i s c r e t i z a t i o no ft h eg o v e r n i n gt r a n s i e n tc o n d u c t i o n c o n v e c t i o n e q u a t i o n w i t hh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa d a p t i v e l yd e t e r m i n e db yt h ea c t u a lm i i j 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t 3 ) 4 ) d a m t oc o n s i d e rt h et h e r m a le f f e c to fp h a s et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gc o o l i n g ，a c o n s t i t u t i v ee q u a t i o nf o rd e s c r i b i n ga u s t e n i t ed e c o m p o s i t i o nk i n e t i c so fs t e e l i na i r a n dw a t e rc o o l i n gz o n e si sc o u p l e dw i t ht h eh e a tt r a n s f e rm o d e lb yi t e r a t i v e p r o c e d u r e i na d d i t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e di nt h es p e c i a lc o o l i n g c o n d i t i o no fd u a lp h a s es t e e l ，谢t hr e s u l t sc o n f i r m i n gt h a tt h es e t u pa c c u r a c yo f t e m p e r a t u r ep r e d i c t i o ns y s t e mw a ss a t i s f a c t o r y i ts h o u l db en o t e dt h a tt e m p e r a t u r em o d e l sr e l i e dh e a v i l yo nt h e r m o p h r 7 s i c a l p a r a m e t e r ss u c ha ss p e c i f i ch e a t ，c o n d u c t i v i t ya n dd e n s i t yo ft h em e t a lb e i n gr o l l e d t h e s ep r o p e r t i e sw e r ev e r yl i m i t e di nt h el i t e r a t u r ea n dw h e na v a i l a b l et h e yw e r e o f t e nq u o t e da tas i n g l et e m p e r a t u r es u c ha sr o o mt e m p e r a t u r e 1 1 1 i si m m e d i a t e l y c o m p r o m i s e dt h ea c c u r a c ya n dr e l e v a n c eo ft h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n s t h u s ，t h r e e e x a m p l ec a r b o ns t e e l sw e r ec h o s e nf o re x p e r i m e n t sa n da n a l y s e s e x p e r i m e n t sa re p e r f o r m e do nt h ee l e c t r o - t h e r m o m e c h a n i c a lt e s ts y s t e ma n dt h em e t h o do fl e a s t s q u a r e sh a sb e e nu s e dt os t a t i s t i c a l l ym o d e lt h ep r o p e r t i e sa sf u n c t i o n so f t e m p e r a t u r e 1 1 1 et e m p e r a t u r ep r o p o s e dh a db e e na p p l i e di nt h en e wb u i l th o t t r i pm i l la t b a o s h a ni r o n & s t e e lc o l t d ( b a o s t e e l ) ，嘶t l lr e s u l t ss h o w i n gt h a tt h ef i n i s h i n g t e m p e r a t u r ep r e d i c t i o na c c u r a c yo fh y b r i dt e m p e r a t u r em o d e l si nf i n i s hs t a n d sa n d t h ec o i l i n gt e m p e r a t u r ep r e d i c t i o na c c u r a c yo ff i n i t ed i f f e r e n t i a lm o d e l si nl a m i n a r c o o l i n gz o n e sw e r e7 5 ca n d9 0 c s e p a r a t e l y n ec o m p a r i s o na m o n gt h en e w t e m p e r a t u r em o d e l sa n dt h a to f2 0 5 0 m ma n d15 8 0 m m h o ts t r i pm i l la tb a o s t e e la s w e l la so t h e rm i l l si nd o m e s t i ca n da b r o a di n d i c a t e dt h a tt h en e wt e m p e r a t u r e m o d e l sh a da c h i e v e dt h ei n t e m a t i o n a la d v a n c e dl e v e l k e y w o r d s c o n t i n u o u sh o ts l a br o l l i n g ；s t r i ps t e e l ；t e m p e r a t u r em o d e l ；h e a tt r a n s f e r p h e n o m e n a l ；m e t a l l u r g i c a lb e h a v i o r ；c o o l i n gp r o c e s s ；f i n i s h i n gt e m p e r a t u r e ；n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n 浙江大学博十学位论文图目录 图目录 图1 2 轧辊冷却水分布5 图1 3 层冷区水冷示意图。6 图1 - 4 测温装置的测量环境7 图2 1 水流冲击带钢的传热形式1 4 图2 2 带钢轧制过程的传热1 4 图2 3 带钢轧后冷却过程的传热15 图2 4 差分法节点划分2 8 图2 5 温度场的三角形单元3 5 图3 1 水量与对流换热水冷系数的关系4 2 图3 2 带钢在辊缝中轧制时的速度4 4 图3 3 精轧混合温度模型应用框图4 6 图3 4 变长网格划分4 7 图3 5 自学习模型结构图5 1 图3 6 短时自学习流程框图5 2 图3 7 对流热交换系数的神经网络学习5 4 图3 8 神经网络的“接力式”初始化。5 5 图3 - 9 精轧过程的带钢温降曲线5 7 图3 1 0 精轧过程的变形区、空冷、水冷温度变化5 8 图3 1 l 多条带钢的精轧温度计算5 9 图3 1 25 0 0 条带钢的终轧温度预测结果5 9 图3 1 3 带钢从粗轧入口到精轧终轧的温降曲线6 0 图4 1 微元体导热示意图6 3 图4 2 层冷区的温度模型及控制图6 4 图4 31 6 m n 钢的奥氏体连续冷却转换曲线6 9 图4 - 4 带钢传热计算流程图6 9 图4 5 热轧冷却过程温度与相变的耦合关系7 2 图4 6 温度与相变耦合计算流程图7 2 图4 7 带钢热轧冷却过程的温度变化7 3 图4 8 热轧带钢喷水冷却7 4 图4 9 冷却各个阶段的温度分布图7 5 图4 1 0 带钢冷却温度曲线7 6 图4 1 1 层冷过程的平均温度、相变率和相变潜热图7 6 图4 1 2 带钢全长方向的温度实测值。7 7 图4 1 3 带钢全长方向的温度计算值7 7 图4 1 4 双相钢冷却工艺一7 8 图4 1 6 双相钢温度模拟计算7 9 i v 浙江大学博士学位论文 图目录 图5 1 带钢热传导率与温度关系曲线8 7 图5 2 带钢比热与温度关系曲线8 7 图5 3 带钢热膨胀系数与温度关系曲线8 8 图6 1 温度模型应用策略框图。9 2 图6 2 精轧终轧温度预报值与实测值比较9 3 图6 31 5 范围内的预报精度9 4 图6 4 计算流程9 6 图6 5 优化工具的实现框架9 7 图6 - 6 按实际轧制日期建立的数据库9 8 图6 7 数据库建立方法9 9 图6 8 软件主界面10 0 图6 - 9 计算及优化界面10 1 图6 1 0 模型参数和设备参数输入界面1 0 2 图6 1 l 后处理界面1 0 3 图6 1 2 卷取温度参数优化结果1 0 6 图6 一1 3 卷取温度优化前1 0 7 图6 1 4 卷取温度优化后10 7 v 浙江大学博士学位论文表目录 表目录 表1 1 机架间冷却水上集管水量分布5 表1 2 不同冷却类型的水流量7 表2 1 带钢传热方式对应的物理定律1 9 表2 2 轧制区温度模型及主要变量2 5 表3 1 w 的取值。4 2 表3 2 带钢基本数据5 6 表3 3 精轧工艺制定5 6 表3 4 冷却水换热系数5 6 表3 5 冷却水控制参数5 6 表5 1 三种碳钢试样的化学成分( 质量分数) 8 1 表5 2 带钢热导率( w m k ) 。8 4 表5 3 带钢比热( j ( k g k ) ) 8 5 表5 - 4 带钢热膨胀系数( k ) 8 6 表5 5 密度对终轧温度的影响9 0 表5 - 6 热膨胀系数对终轧温度的影响9 0 表5 7 热导率对终轧温度的影响工9 0 表5 8 比热对终轧温度的影响9 1 表6 1 终轧温度仿真精度指标对比9 3 表6 2 优化样本信息1 0 5 表6 3 优化精度统计1 0 7 v i 学号一j 0 5 0 8 0 6 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：陈列碹签字日期： 姗年莎月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：陈式己宣 导师签名： 签字日期：z ( 刀髟年莎月f 二日 签字日期：炒辟月，孑日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学博十学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 近年来随着能源的紧缺和国际铁矿石基准价的大幅上调，钢铁行业面临十分 严峻的考验，促使国内外各大钢铁生产厂加大高附加值产品的研发力度。低合金 高强钢、硅钢、i f 钢等高品质热轧带钢产品的组织和性能控制越来越受到重视。 为了开发具有自主知识产权的热轧带钢产品、工艺及装备技术，提高钢铁企业的 竞争力，在热轧板带理论与生产技术、轧制过程数学模型的开发与应用方面亟待 加强。 在热轧带钢生产与控制中，带钢的温度是直接影响轧机负荷合理分配，最终 产品尺寸精度及组织性能的重要因素之一n 1 。研究热轧过程中轧件的温度变化规 律，构建能够满足生产精度需要的温度计算模型具有十分重要的现实意义。利用 数学模型精确地计算热轧生产中带钢的温度是保证厚度、板形、宽度及组织性能 控制数学模型准确的重要前提瞳1 。对于轧制过程，带钢温度的预测与控制是影响 轧制速度、轧制力、辊缝等的关键因素，也是提高轧制稳定性的核心；对于轧后 层流冷却过程，其目的是通过冷却过程控制带钢的温度，使带钢温度从终轧温度 冷却到接近工艺所确定的目标卷曲温度，并通过层冷控制来改变带钢的晶相组 织，细化带钢晶粒，提高加工性能、力学性能和物理性能口儿制。 国内外热轧线的模型自主研发的计划中，针对带钢在热轧过程中传热现象和 计算模型的研究一直是提高轧制过程中温度预报精度的重要课题之一。以国内的 某钢厂为例，原有的两套进口热连轧线：从日本三菱引进的1 5 8 0 m m 热轧线和从 德国西门子引进的2 0 5 0 m m 热轧线，前者采用指数类型平均温度计算模型，后者 采用更简单的平均温度线性计算模型n 们。这样的模型有它的优点，也有缺点。优 点是线性、简单的温度模型将减少计算的时间，以适应快速的带钢生产，缺点是 建立模型的过程中忽略热在带钢厚度方向上的传导，对于厚板的温度控制将产生 明显的偏差。 随着未来市场对汽车用结构钢需求量的增加，具有高屈服和抗拉强度的低合 金高强钢产品近年来越来越受到重视。这些新产品的出现对热轧带钢冷却工艺和 温度控制提出了更高的要求。现有的代数温度模型或是指数温度模型，已经满足 不了新带钢产品生产的要求，迫切要求研究带钢从s l n 过程到轧后层流冷却过程 的温度在线计算模型及其学习方法。随着计算机及轧制理论的飞速发展，数值模 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 拟技术成为了解析带钢热轧过程中温度分布的强有力工具晦1 。与传统的温度解析 方法或经验相比，数值模拟方法不仅能够预测带钢在某种生产工艺处理下所得到 的最终结果，而且还能模拟并显示出工艺的全过程，方便人们深入了解掌握其中 的规律，并可以在计算机上随心所欲地对工艺方案和工艺参数进行调整、修改和 优化设置，使过去一些无法完成的研究成为可能，改变了人们长期以来从实践中 摸索经验的单一方法，并能大大减少中间试验环节的工作量，缩短产品开发周期 啼1 。与全物理或半物理轧制工艺实验相比，轧制过程数值模拟具有速度快、低风 险、低成本、结果观测直观等特点，数值模拟能为轧制工艺的研究提供技术支持， 提高常规钢种的成品质量，并且有利于高端带钢产品，如硅钢、低合金高强钢的 开发，使工艺研究向更精确化、理论化、科学化方向发展。随着理论和实验研究 的深入，数值模拟的可靠性逐渐得到了保证n3 1 。因此，数值模拟技术已经得到国 内外钢铁企业的重视，在提高企业的市场竞争力上发挥着巨大的作用。 1 1 1 热轧线轧制技术的发展 自1 9 2 4 年美国在阿斯兰建设1 4 7 0 m m 带钢热连轧机、1 9 2 6 年在巴特勒建设 1 0 7 0 m m 带钢热连轧机，带钢热连轧技术已经有8 0 多年的发展历史【。由于带钢 热连轧的生产效率高、经济效益大，促使热轧带钢生产迅速发展，从而成为各种 新技术应用最为广泛的一个领域。从某种意义上来说，带钢热连轧机的设备和工 艺水平已经成为一个国家钢铁工业发展水平的一项重要标志。 带钢热连轧计算机控制系统的产生和完善，大大地促进带钢热连轧机自动化 控制技术的发展，进而促进了带钢热连轧生产的发展。二十世纪6 0 年代以前， 带钢热连轧机自动化发展主要集中在调速系统、压下机构辊缝调节系统、活套调 节系统和闭环厚度控制系统。白第一套厚度自动控制系统于1 9 5 8 年前投入使用 以后，到1 9 6 2 年已经有4 0 多套轧机上装备了厚度控制系统心1 。 早期的热连轧自动化控制系统的研究主要集中在日本、德国、美国和意大利 n ，这些技术往往经过多年的研究和积累而后应用于现场轧线，并不断优化和创 新。美国于二十世纪6 0 年代初，在麦克劳思钢铁( m c l o u t hs t e e l ) 公司的1 5 2 5 m m 带钢热连轧机上，采用计算机进行精轧机组的辊缝和速度设定和控制，这是最早 出现的带钢热连轧计算机控制系统；二十世纪6 0 年代未，英国一个钢厂采用计 算机控制实现了从加热炉到卷取机的整个带钢热连轧生产过程；日本热连轧机组 计算机控制虽然起步于二十世纪6 0 年代中期，但发展速度很快，1 9 6 4 年新r 铁 公司的1 4 2 0 m m 带钢热连轧机部分采用计算机控制。1 9 7 1 年1 1 月投产的新同铁公 2 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 司大分厂2 2 3 5 m m 带钢热连轧机全部采用计算机控制，成为一项先进设计的典型。 二十世纪8 0 年代，带钢热连轧计算机控制系统发展得日臻成熟，实现了高 精度轧制、控制轧制、热装热送轧制( t t c r ) 、直接轧制( h d r ) 和节能型的低温轧制。 控制范围从热轧生产线向两侧扩展，包括对板坯库、钢卷库、成品库的控制和管 理。国外新建的带钢热连轧机都配备计算机控制系统，而且在对旧轧机改造工程 中，最重要的一项内容就是采用计算机控制。在冶金工业中，带钢热连轧计算机 控制系统是发展最迅速、成熟和效果最明显的计算机系统，不仅提高了生产效率， 而且大大改进了尺寸精度和性能，给生产厂家带来了巨大的经济效益。 我国第一套板带热连轧机建于1 9 5 7 年，即鞍钢从原苏联引进的1 7 0 0m i l l 热 连轧机。此后2 0 多年热轧板带生产一直处于低水平阶段。1 9 7 8 年武钢1 7 0 0m m 热连轧机和2 0 世纪8 0 年代宝钢2 0 5 0m m 热连轧机的建成使我国的热轧板带生产 向前迈了一大步。2 0 世纪9 0 年代，具有世界先进水平的宝钢1 5 8 0i i l m 、鞍钢1 7 8 0 m m 、珠钢1 5 0 0i n t o 热连轧机及邯钢1 9 0 0i l l m 薄板坯连铸连轧机建成投产，标志着 我国热轧板带生产进入了一个高速发展时期。 宝钢是中国最具竞争力的钢铁企业。1 9 8 9 年宝钢2 0 5 0 m m 、1 9 9 6 年1 5 8 0 m m 热 连轧厂分别完成热连轧计算机控制系统的引进并投产。2 0 5 0 m m 热轧线由 s i e n m e n s 引进，为3 4 连续式热带轧机，采用c v c 板形控制、立辊大测压、全液 压a g c 、最佳化剪切等先进技术。年设计产量4 0 9 万吨，目前5 1 0 万吨。带钢厚 度1 2 - - 2 5 4 m m ；宽度范围6 0 0 - - - 1 9 0 0 m m 。1 5 8 0 m m 热轧线由日本三菱引进，采用 了热装、热送和直接轧制、粗轧大侧压、边部加热器、交叉轧机( p c ) 及板形控 制、在线磨辊装置( o r g ) 、轧线电气传动全数字化等技术。年设计产量2 7 9 3 6 万吨，目前3 2 0 万吨。产品厚度：1 5 1 2 7 m m ；宽度：7 0 0 - 1 4 3 0 m m 。 板带材的生产技术水平代表着一个国家钢铁工业的总体技术水平。提高板带 材的生产技术水平是满足国家经济建设和适应国际市场竞争需要。自能源危机以 来，热轧过程控制技术向节能高效和高精度方向发展，新工艺新技术的研究往往 与提高t c l n 产品的组织性能指标相结合。a s p 、c s p 、f r t 和i s p 技术得到发展和 应用。我国宝钢、包钢、珠钢、涟钢、邯钢和本钢等引进和新建c s p 生产线，本 钢1 8 8 0 b s p 生产线引进三菱技术并调试成功。这些新工艺的开发和引进对传统热 带轧制提出严峻的挑战，提高热轧控制精度与工艺水平已经成为现实而严峻的课 题刳。 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 1 1 2 热轧设备及工艺流程 典型热轧线设备布置如下图所示，主要包括加热炉、除磷机、粗轧机组、精 轧前飞剪机、精轧机组、层流冷却组和卷取机等。 板坯从加热炉出来经过粗轧高压水除鳞机除去氧化铁皮后进入粗轧机组进 行c l $ l j 。粗轧机组包括一台大立辊轧机( e 1 ) 、一台二辊可逆轧机( r 1 ) 、一台四 辊可逆万能轧机( e 2 ，r 2 ) 和两台四辊不可逆万能轧机( e 3 、e 4 、r 3 、r 4 ) ，最后 两台轧机串列布置形成连轧。每架水平机架前均设有立辊可以进行宽度自动压下 ( a w c ) 。板坯在粗轧机组中被轧成精轧机所需宽度及厚度的租轧坯。 用设在粗轧机组和精轧机组之间的中间辊道把粗轧坯送往精轧机组进行轧 制。中间辊道两侧设有废品推出机和废品台架，用来处理废品。保温罩骑跨在中 间辊道上，对粗轧坯保温。 粗轧坯进入精轧机前先进入切头飞剪并在其行进中剪去头尾，之后进入精轧 除鳞机去除二次氧化铁皮，然后进入7 机架串列式布置的四辊不可逆精轧机( f 1 f 7 ) 中c l $ i j 成要求厚度的带钢。f 1 和f 2 之间设微张力控制装置，f 2 - - f 7 之间设 活套支持器用以调整轧制带钢的张力。机前设工作辊快速更换装置，在十几分钟 内可以把7 架精轧机工作辊全部更换完毕。 精轧机后带钢用输出辊道送往卷取机进行卷取。输出辊道上方设有带钢层流 冷却装置，下方设有喷水装置，对带钢进行冷却，把带钢温度控制到卷取温度。 卷取机前设有夹送辊帮助带钢咬入卷取机并在带钢头尾于卷取机间形成张力，以 提高卷取质量。在正常c l $ l j 时带钢在精轧机和卷取机之间将形成张力。为提高生 产率，带钢在精轧机和卷取机同时升速的情况下进行s l $ l j 。带钢在卷取机上卷取 完成后，卷筒收缩形成钢卷，用卸卷小车把钢卷送到翻卷机上并倾翻到高速链式 运输机上。在卷取机及翻卷机之间设卧式打捆机，在钢卷圆周方向进行打捆。钢 卷在运输机上立卷运输。高速链式运输机后面设打印机对钢卷进行编号打印，然 后钢卷被步进梁式运输机和链式运输机交替地运送到各个钢卷库存放。 在运输机- - t 受i j 设有钢卷检查线对钢卷进行抽查，详细检查钢卷表面质量，并 切取试样检验理化性能。 钢卷在钢卷库内冷却后，一部分钢卷直接发货或经平整机组平整后包装发 货，一部分钢卷送到横剪切线和纵剪切线被切成钢板或窄钢卷后包装发货。大部 分低碳钢热轧钢卷被送到冷轧厂的钢卷库存放，作为冷轧钢卷的原料，钢卷库布 置在冷轧酸洗线的前面。其余钢卷直接在热轧钢卷库冷却存放。 4 浙江人学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 3 带钢冷却及测温装置 1 1 3 1 冷却装置 热轧线在粗、精轧过程布置轧辊及带钢冷却装置。轧辊冷却水布置在入口侧 和出口侧的导卫架上，在换辊时和导卫装置同时移出、推入。 入； 0 口 事耻，一 出 j 堪1 ：3 静 ! 一，i 融，一力i 川 i 图l - 1 轧辊冷却水分布 带钢冷却水通过一根上集管和一根下集管喷射到轧辊及带钢上，每根集管上 装有4 5 个喷嘴，分三排，每排1 5 个喷嘴，喷嘴间距为1 3 2 r a m 。冷却水压力为0 6 m p a ， 每根集管设计水量为2 2 5 m 3 h 。某钢厂现有的带钢连轧机均采用国际先进的废水 再循环技术，用水的循环率可达9 7 。 表1 1 机架间冷却水上集管水量分布 机架间冷却水下集管水量分布与上集管水量分布相同，机架前冷却水量比机 架后冷却水量少。 除机架间冷却水之外，精轧除鳞箱中的高压除鳞水对温度变化影响很大。除 鳞箱内上、下各装有两排集水管。当钢坯在除鳞辊道上运行时，上、下高压喷嘴 可同时喷射高压水进行除鳞。喷嘴可以根据板坯厚度的变化调整喷嘴位置。高压 除鳞水每根集管各装2 0 个喷嘴，喷嘴问距1 0 0 m m ，喷嘴高度2 0 0 m m ，喷嘴工作压 5 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 力为1 6 0 x1 0 5 p a 。喷嘴总用水量为4 7 0 m 3 h ，喷嘴耗喷嘴喷角为1 5 0 ，以使喷射水 产生一个水平分力，将氧化铁皮冲出钢板边缘之外。 机架间的喷嘴分为连续可调水量和不可调水量两种形式，不可调水量形式的 喷嘴只有开、闭或开、半开和闭状态。连续可调水量喷嘴试图通过调节水量的方 法来改变机架间水冷能力，但是喷嘴流量和压力是密切相关的量，改变喷嘴流量 必然改变喷嘴压力，这样就增加了水冷传热计算的复杂性。 层流冷却是以大量虹吸管从水箱中吸出冷却水，在无压力情况下流向带钢， 使大流量的低压水与带钢平稳接触，冷却水不反溅，并紧贴在带钢表面上按一定 方向做宏观运动，因它具有某些层流特点，所以称为层流冷却方式。由于虹吸管的 数量很多，排列又很密，带钢表面上的水层时刻可以更新，并且，沿输出辊道每隔 一段距离设置一定数量的侧喷头，将滞留在带钢表面上的水冲掉，所以冷却效果 很好。 冷却区由安装在精轧机与卷取机之间的输送辊道与上下喷水装置组成。喷水 阀门使用电磁阀控制开闭。冷却区由主冷区的1 3 6 个阀门与精冷区的2 4 个阀门 构成。 图1 2 层冷区水冷示意图 上图为冷却区基本结构示意图。冷却区域的范围定义为从精轧后的测量小房 ( = 入口测量位置e m p ) 开始到卷取机前的测量小房( = 卷取测量位置删p ) 为止。 冷却区划分为主冷区( h k s ) 与精冷区( f k s ) 。主冷区与精冷区的分界点为精冷区基 准点( f b p ) 。除了入口测量小房与卷取前测量小房中的两个测温仪外层流冷却辊 道上还有两个测温仪。一个安装在第7 、8 倾翻架之间( f m i p ) ；另一个安装在第 1 5 、j 6 倾翻架之间( f m 2 p ) 。在主冷区前面、主冷区的第1 5 、1 6 倾翻架间以及精 冷区后面各有一个无喷水阀门的空冷区。各倾翻架的流量( m 3 h ) 如下表所示： 6 * 大# f 学也论史 表1 2 币耐抟却娄础的水流城 带钢冷却区域上下层个配有7 6 个喷水阀门( 开关量，不可控制水量大小) ， 上层冷却水以自山落体喷到带钢l ，f 层冷却水以4 b r 的水压向带钢喷射。带 铡冷却区域设有2 6 个侧喷( ”关量，不町控制水量_ 火小) ，用以扫除滞留在带钢 表血的水，防止次冷却的产生。 1132 温度测量装置 菜钢厂热轧线配备了新型的密集冷却装置，该装置f f 密集柑孔和水j k 增 大，使下冲冷却水和红钢的直接对流热交换面积远大于常规冷却条件下的直接接 触面积，囚而使密集冷却的冷却速度可以达到常规冷却的几倍。另外，山于高强 钢等特殊铡种将