中厚板控制冷卻數(shù)學(xué)模型的研究及應(yīng)用.pdf

1、本文依托于國(guó)家經(jīng)貿(mào)委“十五”國(guó)家重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目“首鋼3500mm中厚板軋機(jī)核心軋制技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備研制”，以首鋼3500mm中厚板軋機(jī)的建設(shè)為背景，以中厚板廠的控制冷卻過(guò)程系統(tǒng)為研究對(duì)象，在比較和分析國(guó)內(nèi)外控制冷卻模型的基礎(chǔ)上，建立了以有限差分法為基礎(chǔ)的控制冷卻數(shù)學(xué)模型，分析了熱物性系數(shù)的變化規(guī)律，提出鋼板溫度的均勻控制策略，并結(jié)合首鋼中厚板廠控制冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)了控制冷卻系統(tǒng)過(guò)程機(jī)程序。上述控制冷卻理論、策略和控制系統(tǒng)

2、已經(jīng)成功應(yīng)用于首鋼3500mm中厚板軋機(jī)和南鋼2500中板軋機(jī)上，投入運(yùn)行后，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。本文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的主要成果如下：(1)以隱式有限差分法為基礎(chǔ)構(gòu)建了中厚板控制冷卻過(guò)程的數(shù)學(xué)模型框架。該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)中厚板控制冷卻領(lǐng)域完全依靠自己力量建立的比較完整的控冷過(guò)程模型設(shè)定系統(tǒng)，可以在實(shí)時(shí)狀態(tài)下完成模型設(shè)定計(jì)算、修正計(jì)算、自學(xué)習(xí)計(jì)算、過(guò)程跟蹤等重要功能，為我國(guó)中厚板廠控制冷卻系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 (2)建立空冷和水

3、冷換熱系數(shù)模型。通過(guò)實(shí)測(cè)空冷溫降數(shù)據(jù)反推出黑度系數(shù)在0.7～0.85之間，由差分方法和Stefen-boltzman定律計(jì)算得到的鋼板平均空冷溫降偏差小于5℃，說(shuō)明空冷換熱系數(shù)模型的選取具有較高的精度。差分模擬結(jié)果表明空冷時(shí)鋼板厚度方向上的溫度梯度隨厚度的增加而變大；返紅時(shí)，鋼板越薄，返紅時(shí)間越短，表面溫度上升的速率越大，中心和厚度上平均冷卻速率越大。水冷換熱系數(shù)對(duì)換熱過(guò)程有重要的影響。水流量增加，水冷換熱系數(shù)增大，但不成線形關(guān)系，而是

4、有一極限值；鋼板溫度增加，水冷換熱系數(shù)減小，但在不同的溫度區(qū)間其值大小相差甚遠(yuǎn)；換熱系數(shù)隨水溫升高而變小，但水溫的變化對(duì)換熱系數(shù)的影響很小。 (3)針對(duì)模型中重要的熱物性參數(shù)比熱和熱傳導(dǎo)率隨溫度和含碳量變化而變化的規(guī)律和不同厚度規(guī)格鋼板的熱傳導(dǎo)規(guī)律，以插值法建立了以溫度和含碳量為自變量的權(quán)重系數(shù)模型，在此基礎(chǔ)上分析了比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、換熱系數(shù)、水量、軋件溫度對(duì)厚度上溫度分布的影響。有限差分法模擬結(jié)果顯示，含碳量越高，熱量越易于傳

5、遞，厚度上溫度溫度梯度越大；導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱量越容易傳導(dǎo)，軋件內(nèi)部的溫度差別較小；比熱系數(shù)越小，軋件內(nèi)部熱量傳遞得越容易；水量越大，厚度上溫度梯度越大；換熱系數(shù)越大，軋件表面和內(nèi)部的溫差越大。該分析結(jié)果為不同鋼種軋件厚度上的溫度均勻控制提供理論依據(jù)。 (4)軋件溫度的均勻性控制是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在，本文提出了針對(duì)中厚板冷卻過(guò)程中寬度上溫度分布不均，建立邊部遮蔽模型，并于國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了邊部凸度遮蔽的在線應(yīng)用；針對(duì)中厚板冷卻過(guò)程

6、中厚度上的溫度分布特點(diǎn)，于國(guó)內(nèi)首次提出并實(shí)現(xiàn)了大集管—小集管—大集管的排列方式，以此實(shí)現(xiàn)冷卻過(guò)程對(duì)冷卻速度的要求，并降低厚度上的溫度梯度；針對(duì)中厚板冷卻過(guò)程中長(zhǎng)度方向上存在局部溫度波動(dòng)和頭尾低溫段，在控制上實(shí)施分段微跟蹤方法；針對(duì)鋼板縱向上的溫度梯度，建立加速度模型。 (5)結(jié)合首鋼中厚板廠的實(shí)際工況，開(kāi)發(fā)出完整的中厚板控制冷卻過(guò)程機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了冷卻過(guò)程的在線全自動(dòng)控制。上述工作成功地完成了國(guó)家經(jīng)貿(mào)委“十五”國(guó)家重大技術(shù)裝備研制