[摘要]本文伸縮介紹了控制冷卻工藝的特點(diǎn)及性能分析。著重分析了水流量模型的設(shè)計(jì)思路及方法，并給出了具體的計(jì)算實(shí)現(xiàn)。
[關(guān)鍵詞]ACC 流量 流動(dòng)速率 流量密度
前言
控制冷卻是中厚板軋機(jī)提高產(chǎn)品質(zhì)量、開(kāi)發(fā)高附加值產(chǎn)品的重要手段?？剀埮c控冷工藝是一項(xiàng)節(jié)約合金、簡(jiǎn)化工序、節(jié)約能耗的先進(jìn)軋鋼技術(shù)。控制冷卻是指控制軋后鋼材的冷卻速度以達(dá)到改善鋼材組織和性能的目的。軋后快速冷卻可使厚板強(qiáng)度提高而不減弱韌性，并因含碳量或合金元素的減少而改善鋼的塑性和焊接性能。所謂加速冷卻(Accelerate Cooling Control, ACC)，是將熱軋后的厚鋼板立即進(jìn)行水冷，通過(guò)控制相變組織來(lái)提高機(jī)械性能的技術(shù)控制冷卻方法?，F(xiàn)今的加速冷卻已成為船板、管板和其它低合金高強(qiáng)度鋼、低脆變溫度和良好的焊接性能鋼板現(xiàn)代化大生產(chǎn)所必需的加工工藝。
1、影響水流量模型的主要因素分析
一般而言，鋼板溫度分布的不均勻，極易導(dǎo)致鋼板的不均勻冷卻。板溫的分布不均有如下諸多情況：
（1）鋼板的頭尾溫度要比板身溫度低，鋼板的邊部溫度要低于中部；
（2）加熱造成的溫度分布不均和水印溫度差；
（3）軋制過(guò)程中軋輥冷卻水和除鱗水也可能造成鋼板溫度分布不均；
（4） 加熱時(shí)上下供熱不匹配和上下除鱗水不匹配，造成鋼板上下表面溫度的不對(duì)稱(chēng)。
對(duì)于板形而言，無(wú)論采用什么樣的厚度和板形控制技術(shù)，所軋制產(chǎn)品總是要存在同板差和板凸度的。同板差的存在要引起板長(zhǎng)方向和板厚方向的不均勻冷卻；板凸度的存在要引起板寬方同和板厚方向的不均勻冷卻。如果鋼板存在著浪形和翹曲，那將會(huì)嚴(yán)重地破壞鋼板的均勻冷卻，因?yàn)殇摪宓牟黄奖厝粫?huì)引起冷卻水的分布不均勻。如果鋼板表面存在氧化鐵皮，由于其與鋼的導(dǎo)熱系數(shù)不同，將降低水的冷卻效果；氧化鐵皮的不均勻分布，會(huì)導(dǎo)致鋼板不均勻冷卻。一般來(lái)說(shuō)，鋼板邊部存在有壓應(yīng)力，再加上冷卻不均勻引起的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，就會(huì)誘發(fā)鋼板變形。
2、ACC水流量模型的建立
本模型采用設(shè)置冷卻控制點(diǎn)的方法來(lái)全線跟蹤運(yùn)輸輥道上的需冷卻的鋼板的頭尾。當(dāng)鋼板的頭部從軋機(jī)出口出來(lái)，通過(guò)運(yùn)輸輥道運(yùn)送到冷卻系統(tǒng)箱體內(nèi)的時(shí)間由鋼板頭部由一個(gè)參考位置點(diǎn)到達(dá)下一個(gè)參考位置點(diǎn)的速度來(lái)決定。對(duì)大多數(shù)的冷卻鋼板來(lái)講這個(gè)時(shí)間是由速度模型控制的。
(1) 無(wú)冷卻:鋼板無(wú)需水冷
(2) ACC模式：快速冷卻
(3) ACC&DQ模式：快速冷卻和淬火
(4)擺動(dòng)冷卻：鋼板在冷卻箱體內(nèi)的輥道上游動(dòng)冷卻
圖1：水流量冷卻模型
⑴水流量的計(jì)算
首先要設(shè)置鋼板冷卻的水流量流動(dòng)速率，這需要給出期望的冷卻速度和最終溫度來(lái)決定使用相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。要完成這些還需要考慮在這個(gè)水流動(dòng)速率下的熱量損失。這是個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，根據(jù)試驗(yàn)室數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)熱鋼板的上表面層水流冷卻帶來(lái)的熱損失率由以下四個(gè)因素決定：
鋼板的表面溫度、水流的流動(dòng)速率、 冷卻水的溫度、 鋼板上表面距冷卻噴嘴的距離
⑵鋼板表面溫度熱交換系統(tǒng)的變化
鋼板表面的熱交換系數(shù)變化如表1所示。這是在固定的水流速率、冷卻水溫度以及噴嘴高度下的測(cè)量結(jié)果。這個(gè)結(jié)果表明熱交換系數(shù)十分依賴(lài)鋼板200℃時(shí)的表面溫度，這時(shí)核沸騰需要增加水的攪拌流量。
這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系作為模型的設(shè)置點(diǎn)的，存儲(chǔ)在冷卻系統(tǒng)匯總數(shù)據(jù)表中。
表1:鋼板表面的熱交換系數(shù)變化
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表面溫度(℃) |
熱交換系數(shù)(kW/m2.K) |
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0 |
7.000 |
|
100 |
21.000 |
|
200 |
28.000 |
|
300 |
15.000 |
|
400 |
9.573 |
|
500 |
6.153 |
|
600 |
4.228 |
|
700 |
3.223 |
|
800 |
2.386 |
|
900 |
1.423 |
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1000 |
0.502 |
|
1100 |
0.251 |
|
1200 |
0.251 |
⑶水流動(dòng)速率與熱效率的關(guān)系
－－－－－－－－－－－－－－－－⑴
上式中
圖2：水流動(dòng)速率與熱效率關(guān)系圖
⑷水流量與溫度的關(guān)系
實(shí)際冷卻水溫度T與參考水溫度25℃之間的差距可使用線性公式⑶ 修正，等式⑶ 如下所示：
在等式⑶中A是一個(gè)常數(shù)，值為0.0216(l/(m2.s)/℃)。這就是說(shuō)如果冷卻水的溫度降到25℃以下就必須減少水的流量。例如：如果用10℃的冷卻水來(lái)達(dá)到同樣的目標(biāo)溫度就必須將水流量密度下降25℃水溫密度的30%左右。
⑸噴嘴箱體高度的設(shè)計(jì)與計(jì)算
前面講過(guò)熱量的損失率依賴(lài)于鋼板上表面噴嘴箱體的高度。在參考的高度有對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)對(duì)應(yīng)流量的計(jì)算。修正系數(shù)如下表2所示：
表2：修正系數(shù)
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噴嘴高度值（mm） |
修正值系數(shù) |
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300 |
1.00 |
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500 |
1.00 |
|
750 |
0.90 |
|
1000 |
0.85 |
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1200 |
0.84 |
|
1500 |
0.84 |
需要注意的是水流動(dòng)速率
在上式⑷中，
表示假設(shè)箱體低于參考高度時(shí)計(jì)算的水流動(dòng)速率， CF是上表2中列出的噴嘴高度修正系數(shù)。這樣，如果上面的噴嘴高度超過(guò)500mm時(shí)就必須增加流量。
在等式⑸中，
項(xiàng)目 A0 、 A1 是模型參數(shù)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)表中， A0=40.0 ， A1=0.10。項(xiàng)目 qc25 是表面在25℃水溫時(shí)的水流密度。
3、小結(jié)
當(dāng)冷卻一張鋼板時(shí)，要達(dá)到預(yù)定的冷卻速率和目標(biāo)溫度，必須做好以下幾點(diǎn)：
⑴假設(shè)在厚度方向溫度分布是均勻的且水流量效率只考慮鋼板的上半部分。
⑵這個(gè)效率是基于25℃水溫，箱體高度低于500mm;
⑶上下噴嘴的水流量密度修正是根據(jù)實(shí)際和參考的水溫偏差來(lái)計(jì)算。
⑷上噴嘴水流量密度的修正是根據(jù)假設(shè)和實(shí)際鋼板上的噴嘴高度來(lái)定的。
水流量模型的設(shè)計(jì)和計(jì)算是在ACC控制系統(tǒng)中十分重要的一個(gè)模塊,它決定了鋼板冷卻的質(zhì)量。當(dāng)然在二級(jí)的計(jì)算機(jī)模型控制中還增加了人工修改流量模型參數(shù)的功能，使水流量模型更加完善和符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。
是上噴嘴的實(shí)際水溫與參考值偏差的水流量密度修正值。這不包括箱體高度和凸輪控制閥的設(shè)置。 FC常指水流動(dòng)速重新分配的系數(shù)，由等式⑹導(dǎo)出：
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－⑹⑹上噴嘴到下噴嘴的流動(dòng)速率
上面講到水流量是如何根據(jù)鋼板上表面噴嘴高度位置進(jìn)行調(diào)整的，這些方法都是建立在假設(shè)鋼板縱向的厚度溫度分配是對(duì)稱(chēng)的情形下。但問(wèn)題是假設(shè)溫度均勻分布的情況下，如果設(shè)定下噴嘴的流量呢？下噴嘴的流量根據(jù)上噴嘴的使用流量和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行如下設(shè)定：（見(jiàn)等式⑸）
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－-⑸
，在噴嘴高度的實(shí)際值與參考值之間進(jìn)行修正時(shí)使用等式⑷，等式4如下所示：
－－－－－－－－－－-⑷
－－－－－－－－－－－－－－－－-⑶ 
－－－－－－－－-⑵在等式⑴中，" αΑ"是在參考流量“A”和鋼板表面溫度“T”下的熱交換。項(xiàng)目“ξ”就是熱效率。ξ不隨著鋼板表面溫度的變化而變化，卻隨著流量密度而變化。根據(jù)熱效率概念可以導(dǎo)出來(lái)以下結(jié)果:
(1) 假設(shè)冷卻水的溫度在25℃，并且交換系數(shù)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的水流量和噴嘴高度來(lái)定義的。（見(jiàn)上表1）
(2) 基于等式中的溫度與目標(biāo)溫度相比較
(3)估計(jì)值和目標(biāo)溫度之間的差值可以通過(guò)調(diào)整效率來(lái)修正
(4) 流量可以從那些標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下假設(shè)的值上可以追溯調(diào)整到實(shí)際的冷卻水溫度和噴嘴高度。
水流動(dòng)速率和熱效率之間的關(guān)系見(jiàn)下列多項(xiàng)式：
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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