河北遵化 064200
摘要：热轧带钢冷却技术关系到成品带钢的力学性能、物力性质等，其作用不仅仅是控制卷取温度，还能实现全方位地控制带钢冷却过程。热轧带钢轧后冷却技术一方面是冷却技术和冷却装置的发展，还有一方面是控制模型和策略上的发展。
关键词：热轧带钢；冷却技术；发展；应用
1、前言
控制冷却和控制轧制技术是当前轧钢技术的重要加工工艺，热轧带钢的市场需求量不断增加，对钢材表面质量、内部力学性能都有了越来越高的要求，奥氏体再结晶、晶粒细化、控冷过程中的相变强化、沉淀析出等都与热轧带钢的结构和力学性能有关，冷却水的分布和强度决定带钢最终的微观结构，冷却工艺的相关参数对带钢的机械性能影响较大。控制制冷技术的发展大致可以分为三个方面，一方面是系统研究冷却工艺和相关理论，另一方面是控制冷却系统，还有一方面是控制冷却装置。
2.控制带钢冷却系统方面的先进技术
20世纪60年代，应用在生产热轧带钢中的第一套层流冷却系统诞生了，近年来，经过各国研究工作者的共同努力，在原有冷却形式的基础上增添了相关设备，实现了对冷却效率和冷却能力的控制，拓展了层流范围，有效提升了带钢卷取温度控制的精准度，冷却速度得到了很大提高，能够满足不同要求的钢种生产，尤其是对多相钢、超细晶粒钢生产加工过程的冷却效果十分显著。随着带钢轧后冷却设备的发展，冷却方法逐渐丰富起来，如喷淋冷却、水幕冷却等，其中层流冷却装置使用的产品范围较为广泛，可调整的流量范围较宽。随着系统的不断成熟，冷却水的温度调节、压力控制等技术都取得了很大进步。
A）新型带钢冷却技术能够满足一般钢种的控制冷却需要，并且能够很好的适应不同产品品种的生产、开发要求，尤其是超细晶粒钢、热轧多相钢等新品种的冷却需要。
B）为了稳定层流冷却装置喷嘴处的压力，提高冷却效率和冷却效果，新型的带钢层流冷却系统采用了水塔供水+机旁水箱的结构方式。水塔供水可以用较小的水泵供水能力来获得短期的大水量，从而达到节能目的，水塔的容积由带钢冷却的最大耗水量和水泵供水能力之差来决定；机旁水箱可在层流冷却喷嘴频繁开闭和供水水源压力波动的情况下用来稳定喷嘴压力。
C）目前广泛采用细化层流冷却后部精调段的方法，可以获取更精确的卷取温度。其最小独立控制单元为一排鹅颈管，理论上，对温度的控制精度可以达±2 ℃。
D）带钢冷却过程的控制方法是由基于冷却模型的静态开环控制发展到基于冷却模型的动态闭环控制。
E）由于影响带钢卷取温度的因素较多，传统成熟的预测控制算法和自适应控制难以实现。因此，为了解决层流冷却过程中高度复杂的非线性控制问题，开发了更先进的神经网络对冷却过程进行建模和控制。
3、带钢冷却装置采用的新技术
由于控制冷却技术提高产品的力学性能和加工性能，因此，近年来，在热轧带钢生产线中的推广和应用被提到越来越重要的位置，如热轧多相钢、超细晶粒钢等产品需求增加，在此基础上提出了层流冷却带式新型冷却装置结构。几种新型结构带钢冷却装置投入生产，具体介绍如下：
3.1普通层流冷却（LC）+强化层流冷却（ILC）
典型的LC+ILC组成图如图1所示，其中LC和ILC段的数量和长度根据不同轧机参数进行调整。图2显示了单级ILC和LC的换热热流密度。它们与LC的主要区别在于，同样长度的情况下，其下部冷却水量增大，水量约为LC的1.2倍；上部冷却水集管加密，水量约为LC的2倍，冷却强度达170m3/（m2×h）。以冷却段长度为17m、水量为6910m3/h、带钢厚度3mm、带钢速度9.5m/s为例，带钢冷却速率可达200℃/s。
图2 Super-O LA C 换热热流密度
3.2普通层流冷却（LC）+快速冷却装置（UFC）
典型的LC+UFC组成图中LC段的数量和长度以及UFC设置的位置根据不同的生产产品和轧机参数进行调整。采用密集的喷嘴设计，冷却水压力为0.35MPa，冷却强度220m3/（m2×h），并实现高压大流量冷却，根据不同长度的冷却，钢带最大冷却速度可以达到超过500℃/s（以冷却段长度10.5米，冷却水9000m3/h，带钢厚度2毫米、11.4m/s的速度为例）。这里需要说明的是：从LC+UFC组合的实际生产来看，主要有两种布局方法，一种是LC前面的UFC布局，另一种是LC后面的UFC布局。
4、控制策略的发展
目前采用前馈、反馈和自适应控制系统对轧制后的带钢进行冷却。卷取温度精度基本可以控制在96%左右，但不能保证板材的良好形状，尤其是宽带钢冷却时。因此，要对边冷却控制、带钢头尾冷却控制和带钢厚度自适应冷却控制进行三维均匀冷却控制。为提高带钢头部卷取温度控制精度，研究了带钢头部卷取温度的自学习方法，以及在保证最终轧制温度稳定的前提下，采用高速轧制与机架间冷却系统相结合的方法。带钢边缘冷却控制一般有凸水分布和边缘遮阳两种形式。凸水分布是通过改变收集箱的直径或间距，形成凸水分布来补偿带材边缘的温度。边缘遮阳是将联箱两端的水流通过挡板引导到储罐内，间接获得凸水分布。该方法操作简单，投资少，效果明显。
从性能保证的角度来看，不仅实现简单轧制后冷却的卷取温度控制，而且实现多目标控制卷取温度，中间目标温度和CCT 曲线制定的冷却速度进行多目标控制，优化集管排布方式实现前段主冷、后段主冷、稀疏冷却等多种冷却方式。
5、冷却质量控制思想的发展
目前来讲，生产TMCP技术得到了不断的发展，这就需要不断的加强性能的优化，以满足用户的需求。冷却控制为了提升热轧带钢质量，也从单纯的目标卷取温度控制发展到冷却速度控制、冷却路径控制和组织性能控制。
带钢在冷却区经历复杂的相变过程。如果不考虑温度-时间历程，且卷取温度恒定，则带钢性能不均匀。越来越多的热连轧系统在热输出辊上安装了中间温度计和相变检测器，以监测整个冷却过程中的温度和相变行为。新的带钢冷却模型采用西门子微分数学模型不仅计算最终的冷却温度，而且还根据实际卷取温度和模型计算的卷取温度之间的差值来更新全程预报温度。西门子冷却自动化系统的创新，可以实时显示带钢在复杂物理变化过程中的机械状态，真正实现对冷却路径的控制。
目前轧后带钢组织性能预报已取得重大进展，它通过精确计算带钢从加热炉到粗轧、精轧、层流冷却、钢卷冷却全过程的温度场来再现组织的演变过程，实现最终产品组织性能的精确预报，从而满足根据用户的要求来组织生产和过程控制，它是基于整个轧制过程的详细物理冶金模型，根据在线数据收集过程，准确地确定热轧产品的微观结构，在此基础上计算如屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率等力学性能，预测整个组织的演变。通过调节工艺温度和卷取温度来控制带钢的机械性能。
总的来说，在成品钢材的加工性能、物理性能以及力学性能等多个方面，热轧带钢轧后冷却技术都起到了重要的功效，不仅能够控制卷取温度，还能加强带钢冷却过程的控制，在这样的大背景下，需要对热轧带钢轧后冷却模型进行优化，加强热轧带钢轧后冷却技术的研究，促进冷却装置的不断发展。
参考文献：
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[2]范晓明，张利，蔡晓辉，等.模糊自整定PID参数控制器用于控制热轧带钢卷取温度[J].钢铁研究学报，2001，13（2）：59-61.
论文作者:席连超
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/20
标签：带钢论文; 层流论文; 温度论文; 技术论文; 装置论文; 多相论文; 过程论文; 《防护工程》2018年第33期论文;