控冷工艺（精选4篇）
控冷工艺 篇1
引言
轧后控制冷却的主要目的是细化钢的组织, 从而提高材料强度和韧性。与传统轧制相比, 控冷工艺减少甚至取消了变形后的热处理, 大大节约了钢铁生产的能源消耗, 并且提高了优质钢材的生产能力。此外, 由于采用控冷工艺提高了钢材强度, 还降低了相同级别钢的合金元素添加总量, 节约了资源, 降低了成本[1]。
1试验研究
1.1试验方案
1.1.1 试验材料
试验材料取自江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司冶炼、轧制的微铌处理的HRB400Ø25 mm钢筋, 其化学成分见表1, 并加工成Ø8 mm×15 mm的圆柱形试样。
1.1.2 试验方案
热模拟实验在Gleeble 1500热模拟实验机进行, 组织观察在ZEISS金相显微镜上进行。
拟定进行5个试验方案, 试验方案1、方案2、方案3参数见表2;试验方案4参数见表3;试验方案5参数见表4。
1.2热模拟实验结果
1.2.1 变形温度对组织的影响
图1为变形量相同时不同变形温度对组织影响的模拟实验结果, 从图中可看出当变形温度为950°C时, 显微组织为大量贝氏体、针状铁素体和少量珠光体。变形温度为900°C, 铁素体有一定细化, 主要是在晶界上呈等轴状析出, 奥氏体呈饼状发生了变形。变形温度降到800°C, 贝氏体量有所增加。
1.2.2 变形后不同的冷却速度对组织的影响
图2是变形后不同的冷却速度对组织影响的实验结果, 冷却速率为1°C/s时, 组织为铁素体加珠光体, 铁素体有等轴状的先共析铁素体也有低温析出的针状铁素体;冷速提高到5°C/s时, 铁素体有了明显变化, 出现了贝氏体, 珠光体量比较少;冷速进一步提高时, 铁素体又有所细化, 贝氏体量增多, 珠光体几乎没有。
1.2.3 不同的变形量对组织的影响
图3是不同变形量对组织影响的实验结果, 从图上来看, 变形量对于组织组成有很大的影响。变形量为0.3时, 组织中可看到在奥氏体晶界析出等轴铁素体, 奥氏体晶粒非常大, 基本没有发生变形;当变形量增加到0.7时, 铁素体比率增加且有所细化, 出现少量珠光体, 奥氏体晶粒较小呈饼状;变形量进一步增加到1.2时, 组织为均匀分布的细小铁素体、珠光体和贝氏体。
1.2.4 精轧之前不同待温冷速对组织的影响
图4为以不同待温冷却速度待温轧制后的金相组织, 组织中主要为铁素体和少量珠光体。可以看出粗轧之后的待温冷却速度, 或者说待温时间, 对于轧后钢材的铁素体晶粒有一定影响。轧后冷却速度为10°C/s和1.5°C/s相比, 铁素体晶粒有一定减少, 但差别不大, 而当冷却速度为20°C/s时, 铁素体晶粒有一定的细化。
1.2.5 终轧温度对组织的影响
图5为模拟不同终轧温度对组织影响的实验结果, 由图中看出, 终轧温度在850°C时, 铁素体均匀细小, 比950°C有了明显的细化, 但是降到750°C时, 铁素体出现冷变形特征, 晶粒大小不均, 个别晶粒粗大。这是由于终轧温度较低进入两相区轧制, 在终轧前的冷却过程中有铁素体析出或在变形过程中有形变诱导铁素体析出[2], 而在变形过程中铁素体发生了变形的缘故。
2分析与讨论
(1) 试验方案1中, 变形温度比较高时在奥氏体再结晶区变形后直接冷却, 使先共析铁素体析出比较少, 形成大量贝氏体。变形温度降低, 接近相变温度, 变形和冷却过程中析出等轴状先共析铁素体。并且在奥氏体未再结晶区变形, 奥氏体晶粒比较大, 变形后冷速较快时, 使得铁素体只有在晶界有少量析出, 在奥氏体晶粒内部主要是大量的贝氏体。同时未再结晶大压下使奥氏体被拉长, 并且出现了形变带, 铁素体形核点增加, 使得铁素体晶粒细化[3]。
(2) 试验方案2中, 冷却速度是热轧控冷工艺中的重要参数, 通过对未溶再结晶奥氏体加速冷却可以防止铁素体晶粒长大从而细化铁素体晶粒, 加快并可以获得贝氏体组织, 特别是粒状贝氏体组织, 从而大大提高材料强度。铁素体的晶粒细化引起的韧脆性转变温度降低可与贝氏体比率上升引起的转变温度升高相抵消, 因此在强度提高的同时韧性不会恶化。
(3) 试验方案3中, 在奥氏体未再结晶区变形, 可有效地增加形变奥氏体的晶界、形变带和位错孪晶等晶体缺陷, 从而提高铁素体形核的有效晶界面积, 进而提高铁素体的形核率, 细化铁素体晶粒[4]。由图3中可以看到, 变形量比较大时铁素体含量增加, 贝氏体量减少。这是由于变形提高了相变驱动力, 有利于扩散型相变的发生。
(4) 试验方案4中, 粗轧和精轧之间的待温过程在含铌钢的生产过程中是一个重要的环节, 因为含铌钢的轧制需要较低的轧制温度, 这就需要在粗轧之后进行待温冷却。低碳钢在高温待温冷却过程中将发生奥氏体的再结晶以及晶粒长大过程, 这样缩短待温冷却时间, 不仅可以抑制奥氏体晶粒长大, 有利于轧后铁素体晶粒细化, 而且可以缩短了轧制时间, 提高了生产效率。从模拟不同待温冷却速度对轧后组织影响的实验来看, 从1 180°C粗轧后降温到1 000°C开轧, 当冷却速度为1.5°C/s时, 待温时间需要120 s, 即2 min;冷却速度为10°C/s时, 待温时间需要18 s, 而当冷却速度为20°C/s时, 则只要9 s的时间。从实践结果来看, 待温时间从2 min缩短为18 s, 铁素体晶粒细化并不明显。所以, 增加待温冷却速度主要是为解决低温轧制带来的轧制生产节奏减慢的问题。
(5) 试验方案5中, 精轧的终轧温度是细化晶粒提高强度的关键工艺参数。从图5所示的实验结果来看, 终轧温度从950°C降到850°C, 铁素体晶粒有一定精度的细化, 但是当进一步将到750°C时, 铁素体呈现严重的冷变形特征, 这是由于铁素体在变形过程中参与变形, 铁素体没有发生再结晶, 将会产生不均匀组织。所以实际轧制过程要适当控制轧制温度。为了通过在未再结晶区变形, 得到均匀细小的铁素体晶粒, 终轧温度定在850～950°C较为合适。
3结论
(1) 变形温度低, 铁素体晶粒有所细化, 并增加贝氏体量。
(2) 变形后冷却速度在1～12.5°C/s范围内提高, 铁素体晶粒细化, 珠光体量减少, 贝氏体量增加。
(3) 900°C变形时变形率从0.3增加到0.7、1.2铁素体晶粒明显细化。
(4) 较为合适的工艺为:热轧控冷工艺。
参考文献
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[3]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社, 1997, 179-181.
[4]翁宇庆, 董瀚.新一代超细晶粒钢及其力学性能特征[J].钢铁, 2000, 35 (增刊) , 40-46.
控冷工艺 篇2
高速铁路是资源节约型和环境友好型的绿色交通运输方式, 中国高度重视高速铁路的发展。瑞典、日本、德国等国家在制造高速铁路列车轴承用钢中表现突出, 这些国家的轴承钢生产状况体现了当今世界轴承钢的质量水平和发展方向。由于我国缺乏制造高速铁路列车轴承用钢的先进冶炼工艺、热加工及热处理技术, 运行速度200km/h以上的高速列车均采用进口轴承, 使得我国高速铁路整体装备水平受限。
为使得国产优质材料应用到高速铁路客车轴承上, 提高客车轴承的使用寿命和可靠性, 自主研究适应运行速度200km/h以上的高速列车轴承用钢生产工艺已迫在眉睫[1,2]。参照日本新干线使用经过表面渗碳的合金结构钢作为轴承套圈的技术思路, 提出采用合金元素配比良好的20Cr Ni2M o钢, 经过表面渗碳后作为高铁轴承套圈。因此对20Cr Ni2Mo钢控轧控冷工艺参数的深入研究十分必要, 对于设计合理的热加工工艺, 更大的发挥20Cr Ni2Mo钢潜力, 使其成功应用到高速铁路列车轴承中具有重大意义。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料
本实验用钢是由抚顺特钢通过真空熔炼+电渣重熔冶炼工艺生产的20Cr Ni2Mo钢, 具体化学成分如表1所示。
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1.2 实验方法
为研究不同终轧温度对20Cr Ni2Mo钢显微组织的影响, 利用热模拟机进行热模拟试验, 测定不同冷却速度对钢显微组织的影响。
注:a=30℃/s;b=10℃/s;c=5℃/s;d=2℃/s;e=1℃/s;f=0.5℃/s;g=0.2℃/s;h=0.1℃/s;i=0.05℃/s。
控轧控冷热模拟实验在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室MMS-300热力模拟实验机上进行, 压缩试样加工成尺寸为8mm×15mm的圆柱形试样。
实验工艺如图2所示。开轧温度为1100℃, 终轧温度为800~950℃, 冷却速度分别为1℃/s、5℃/s、10℃/s、20℃/s、40℃/s, 终冷温度为630℃、650℃、680℃将实验后的试样沿热电偶处轴向切开, 磨制成金相试样, 利用Image-Pro-Plus图像分析软件进行铁素体体积分数、铁素体平均晶粒尺寸分析, 通过对实验所得曲线分析, 同时结合金相组织观察, 研究不同工艺参数对试验用钢微观组织演变的影响规律[3]。
2 实验结果及讨论
2.1 冷却速度的影响
终轧温度850℃、不同冷却速度 (1、5、10、20、40℃/s) 下的显微组织形貌如图3所示。相同终轧温度不同冷却速度铁素体体积分数如图4所示。结合图3和图4可以看出, 随着相变区冷却速度的提高, 铁素体的体积分数减小, 平均晶粒尺寸减小, 带状组织改善。
由于终轧后冷却速度小, 可以有充足的时间使奥氏体向铁素体转变, 冷速大使奥氏体向铁素体转变的时间减少, 抑制了奥氏体向铁素体转变, 并在随后形成了贝氏体, 控轧控冷工艺参数对各相体积分数和晶粒尺寸的控制主要通过对形核率和长大速率的控制而实现。当形核率的影响占主要作用时, 铁素体平均晶粒尺寸减小;当长大速率的影响占主要作用时, 平均晶粒尺寸增大[4]。相变区冷却速度提高时铁素体晶粒尺寸没有明显改变, 可见相变区冷却速度对铁素体平均晶粒尺寸影响不大, 对铁素体体积分数影响较明显。故在相变区冷却速度低时, 形核率和长大速率对铁素体晶粒尺寸影响作用抵消, 对晶粒的尺寸影响不大。当冷却速度增加时, 奥氏体相变的过冷度增加, 相变的形核驱动力增加, 铁素体形核点增多, 在晶粒尺寸不变的情况下, 铁素体的体积分数增加[5]。相变过程中, 贫溶质区形成铁素体时所排出的碳在珠光体产生之前所扩散的距离是影响带状程度的决定因素。随着冷却速度的增大, 贫溶质区碳扩散的距离减少, 因此珠光体的形核点分布均匀, 带状组织改善[6]。
2.2 终轧温度的影响
相同冷却速度20℃/s, 不同终轧温度 (800℃、850℃、900℃、950℃) 下的光学组织形貌如图5所示。由图5可以看出随着终轧温度的升高, 铁素体的体积分数降低, 铁素体平均晶粒尺寸呈现增大的趋势。不同终轧温度下, 组织都不均匀, 有明显带状组织。
终轧温度的提高, 一方面是奥氏体尺寸增大, 减小了晶界面积, 形核位置减少, 奥氏体晶粒边界的铁素体形核率降低, 铁素体体积分数降低[7];另一方面, 终轧温度的提高降低了变形晶粒内部位错密度, 降低变形储存能, 铁素体内部形核率降低, 同时降低了奥氏体发生相变的自由能, 抑制铁素体相变[8,9]。
因此, 终轧温度的提高将降低铁素体的体积分数, 由图6可以看出, 终轧温度每提高50℃, 铁素体体积分数约降低9%。
3 结语
1) 20Cr Ni2Mo轴承钢在相同终轧温度、不同冷却速度下, 随着相变区冷却速度的提高, 铁素体的体积分数减小, 平均晶粒尺寸减小, 带状组织改善。
2) 相同冷却速度时, 随着终轧温度的升高, 铁素体的体积分数减小, 终轧温度每提高50℃, 铁素体体积分数约降低9%。
3) 在相变区随着冷却速度提高, 终轧温度的升高, 可有效控制减小铁素体体积分数。
参考文献
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[2]尤绍军.我国轴承钢及热加工技术的现状和研究方向[J].金属热处理, 2012, 37 (1) :119-125.
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[7]王占学.控制轧制与控制冷却[M].北京:冶金工业出版社, 1988.
[8]崔忠圻, 覃耀春.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社, 1989.
高速线材生产中的控轧控冷技术 篇3
关键词：高速线材,控制轧制,控制冷却,工艺改进
随着我国新型工业化的发展, 钢铁材料产业充当着非常重要的地位, 线材生产是钢铁轧制生产的一项重要内容, 线材产品的质量和性能与其生产设备和生产工艺有着密切的关系, 其中控制轧制和控制冷却技术对高速线材生产有着较大的影响。轧机的设备组成不同, 生产工艺的不同, 其产出的线材性能也就不同。
线材在轻重工业产业中占有重要的地位, 高速线材是轧钢中的一类, 对高速线材的生产设备及生产工艺进行研究和设计, 对现代钢铁工业的发展和需求有着战略性意义。
1 控轧控冷技术的研究现状
在线材生产过程中, 控轧控冷技术有着非常重要的作用, 钢材强度、韧度等性能是通过添加一些添加剂在一定温度下控制得到的。将钢材中奥氏体向铁素体发生转变, 使钢材的组织发生大规模的相变, 从而使强度发生大幅度的变化。而控制轧制就是通过控制热轧钢材时的温度和压力等条件达到最佳值, 从而热轧钢材省略热处理的过程并且能达到与正火相同的组织结构。因此轧制钢材可以通过强化压下和控制冷却等技术来提高钢材的性能, 达到或超过有热处理钢材的性能。
控制冷却就是指在控制轧制后, 为了弥补单一控制技术不能使相变组织细微化的不足, 在奥氏体向铁素体相变的温度区域进行某种程度快速冷却, 以此获得更高的强度。为了获得所需要的组织和性能, 可以利用控制轧制过程中线材热轧后的余热, 用一定的生产工艺控制线材的冷却速度。
实践证明, 钢材利用控制轧制方法生产能够提高其强度和韧性等, 同时也能简化生产工艺过程, 扩大钢材的使用范围、延长使用寿命。
1960年前后, 在欧美和澳大利亚等国家和地区, 利用在单纯轧制钢材的过程中添加微量元素提高钢材的强度技术生产大直径管线钢材。1970年初, 随着社会生产对低碳化钢铁的需求, 同时要求线材组织微细化, 因此需要控制轧制后通过冷却来控制相变本身以获得最佳效果。二十世纪八十年代左右, 世界上最初的控冷设备和技术研发成功。
1920年到1960年左右, 英国的控轧控冷技术主要是为了制造厚板, 随后这些技术在欧洲、美国和日本得到了发展。我国的轧制工艺也有很大进步和发展, 但是高速线材生产中控轧控冷技术的改进、完善、提高、更专业提出了更高的要求。当今的高线厂生产中设备及工艺存在着很多问题, 钢材的产量低, 钢材性能差, 合格率不到95%。
2 高速线材控轧控冷设备及方法
高线生产设备及工艺方面存在着不同的问题, 影响线材的生产, 导致钢材产量低, 性能差等问题, 最后浪费材料, 造成成本高。因此对于研究高线生产设备及工艺有很重要的意义。高线轧后生产线主要分为五个区:水冷区、成圈区、散卷控冷区、散卷收集区、PF线及精整区。
水冷区主要是由精轧机组前、后水冷装置构成的, 也就是水冷箱和水冷段。精轧机组前的水冷箱主要是用来恒温轧制, 用来预先调节线材精轧形变引起的温升, 精轧后的水冷段可以将线材控制在30~60℃。此次冷却主要是为了控制线材组织转变, 改进线材的性能。
不同的钢材种类, 钢材的规格决定着精轧机组进口温度, 钢材的性能和轧制速度则是由于出口温度决定。出口设置高温计连接控制阀, 主动控制出水温度。线材水冷工艺程序要求冷却幅度大、精度高, 调整操作方便。
1) 成圈区。成圈区的主要设备主要包括夹送辊、成圈器和现场操作箱等。处于水冷段和吐丝机之间夹送辊主要是用来夹送水冷后的线材。对于不同的线材, 选用不同的夹送方式以及合理的夹送长度。吐丝机则是为了线圈运送到运输机。
2) 散卷控冷区。散卷控冷输送区主要是由风冷辊道、冷却风机、保温罩盖等组成。将吐丝机处形成的线卷运到集卷筒入口的传动装置止, 并且使线材以散卷状态连续通风进行控制冷却是风冷段的主要功能。
控制轧制的主要方法:
1) 两阶段控制轧制。两阶段控制轧制就是完全再结晶型与未再结晶型配合的轧制工艺, 在完全再结晶区轧制时, 钢材一般要在1000℃以上才能发生变形, 为了完全奥氏体化, 再结晶钢材温度必须大于950℃;也就是要在没有完全结晶时进行一定的轧制, 并在未再结晶区进行快速冷却, 继续进行轧制。此方法轧制的钢材可以使铁素体相变形核创造条件, 使韧性提高, 脆性转变温度下降。
2) 三阶段控制轧制。三阶段控制轧制是一种完全再结晶型、未再结晶型及奥氏体与铁素体两相区轧制相配合的轧制工艺。
3) 低温精轧技术。低温轧制技术就是轧出产品前最后几道次的形变发生在正火轧制工艺或热机轧制工艺对应的温度范围内。
控制轧制后的控制冷却过程主要分为一次冷却、二次冷却、三次冷却等阶段。其主要冷却方式有1) 喷水冷却:水以一定压力连续从喷嘴喷出水流, 水流稳定不间断的连续喷流的冷却方法就是喷流冷却。这种冷却方式的不足之处在于冷却范围不大, 水压要求高。2) 雾化冷却:水和加压的空气一起从喷嘴中喷出形成雾状流, 利用雾状流冷却的方法就是雾化冷却。这种冷却范围大, 可以解决喷水冷却方式的不足, 但是这种方式需要特殊的设备。3) 层流冷却:喷流出的水若流速较低时可以保持平滑的层流状态, 这样的冷却能力比喷流冷却高。4) 浸水冷却:将钢材直接浸入在冷却水中冷却, 但是这种冷却方式不易控制, 造成钢材质量问题。5) 管内流水冷却:水在水冷器的管内平行板之间流动可以进行冷却钢材。
线材的控轧控冷生产工艺流程:一方面热连铸坯到热坯输送提升, 另一方面是冷连铸坯到冷坯上料, 二者可以通过轨道输送放到加热炉中加热, 利用高压水降磷, 之后用粗轧机轧制, 转换1#飞剪切头到中轧机轧制后, 转换2#飞剪切头后用预精轧轧机轧制, 预水冷后转换3#飞剪切头后用无扭精轧机轧制, 最后水冷, 线材初步成型, 进行后续的生产施工。
3 结论
线材产品的质量和性能与其生产设备和生产工艺有着密切的关系, 高速线材是轧钢中的一类, 对高速线材的生产设备及生产工艺进行研究和设计, 能够很好利用控轧控冷技术提高线材的质量, 降低线材成本, 提高成材率, 对现代钢铁工业的发展和需求有着战略性意义。
参考文献
[1]周红德, 温东, 贺小波等.高速线材生产中的控轧控冷技术[J].第二届钢材质量控制技术——形状, 性能, 尺寸精度, 表面质量控制与改善学术研讨会文集, 2012.
[2]李龙, 丁桦, 杨春征等.控轧控冷工艺对低碳铌微合金钢组织和性能的影响[J].钢铁研究学报, 2006.
控冷工艺 篇4
近几年来,随着铁矿石、稀有金属等原材料价格的不断攀升,棒材轧后控冷工艺的使用越来越广泛。棒材轧后控冷工艺可以提高钢材强度和韧性,降低合金用量,有效降低钢材生产成本,但同时也对控制系统的精度提出了较高要求。莱芜钢铁股份有限公司棒材厂(以下简称莱钢棒材厂)针对实际生产中暴露出来的钢材温度控制不均匀、控制系统反应不及时等问题进行研究,建立了开始冷却(简称开冷)温度预测模型,于2007年投入使用,收到较好效果。
1轧后控冷工艺
棒材轧后控冷又被称为棒材轧后余热处理,
即将终轧温度为900～1 100 ℃的钢材经过水冷器冷却,使其表面温度快速降至200～300 ℃,然后在空气中通过由轧件心部传出的余热使表面进行自回火,以提高钢材强度和塑性,改善韧性,使钢材具有良好的综合性能。
莱钢棒材厂轧后控冷设备主要由穿水湍流管、红外线测温仪、进水开关阀和进水电动调节阀等构成,如图1所示。其中,穿水湍流管是棒材轧后控冷工艺的关键设备;红外线测温仪有3个,分别位于精轧机组前、穿水湍流管前和穿水湍流管后,用于测量轧线上不同位置的棒材温度;进水开关阀和进水电动调节阀主要用于冷却水量的调节。
采用轧后控冷工艺生产棒材时,冷却水通过喷嘴进入一连串的湍流管, 对棒材进行冷却。这时,通过调节进水总管上电动调节阀开度和进水开关阀开启数量控制冷却水流量,最终达到控制棒材温度的目的。
棒材轧后控冷自动控制是根据棒材自回火目标温度、开冷温度和进水温度计算并控制所需的冷却水量,对精轧机组后棒材进行冷却,以达到规定的自回火温度范围,提高棒材的机械性能。
2存在问题及解决方法
在棒材轧后控冷过程中,涉及到钢材内部复杂的铁素体、贝氏体和奥氏体晶粒的细化、转化和重新结晶的过程,要求温度控制要精确,波动范围小,否则将影响钢材性能指标,甚至产生废品。从控制原理可以看出,对冷却水量的控制是生产中的关键,冷却水量主要由钢材开冷温度决定,从理论上讲,利用穿水湍流管之前的2#红外线测温仪检测的温度作为开冷温度是最接近实际的。但在实际生产中,棒材出精轧机后速度为15～20 m/s,因此使用2#测温仪得到的温度对冷却水量进行控制在时间上来不及。
根据生产工艺,我们将棒材冷却后的表面自回火温度作为控制目标值,冷却水量作为控制量,冷却时间由冷却器长度决定(因为终轧速度固定)。采用的轧后控冷的主要控制思路如下:根据精轧入口1#红外线测温仪实测值,用温度预报模型计算开冷温度预报值,并以此进行水量计算;再利用终轧后2#测温仪测量的结果,自学习修正开冷温度预报模型相关系数。通过不断修正,使模型预报精度更高,从而设定的冷却水量更合适,使轧后棒材温度波动减小,达到工艺要求。最后,利用位于冷床入口处3#红外线测温仪的测量结果,对自回火温度控制效果进行检验。
轧后控冷控制流程图如图2所示。
3开冷温度预报模型及自学习
3.1模型建立
棒材在冷却前,要进入精轧机组进行轧制,从预报点到穿水冷却装置,棒材的热交换包括:
(1)棒材在空气中的辐射和对流;
(2)运行和轧制时与辊道和轧辊的冷却水接触而产生的热对流交换;
(3)轧制过程中产生的形变热。
棒材在终轧前,温度高达1 000 ℃,主要以辐射换热为主。在此阶段,轧件与空气的对流换热以及与冷却水接触而产生的对流换热很少,且棒材在轧制时产生的形变热是增热过程,这样可以认为第(2)项和第(3)项相互抵消,而将预报模型以辐射换热为主进行推导。
根据斯忒藩-玻耳兹曼定理,轧件在单位时间内因辐射而产生的热量损失与轧件绝对温度的4次方成正比,即热量损失
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式中,S为棒材的辐射面积,m2;ε为棒材的辐射系数;σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数,σ=20.43 kJ/(m2·h·K4);T为钢的绝对温度,K;τ为辐射时间,即棒材从精轧机入口至开冷的时间,h。
由此热量损失造成的轧件温降dt与dQ的关系为:
dQ=-cρπR2Ldt (2)
式中,c为棒材比热容,kJ/(kg·℃);ρ为棒材密度,kg/m3;R为棒材半径,m;L为棒材轴向长度,m。在轧制过程中,R从精轧第1道次到最后道次m逐道次变化,但每一道次的R可以看成是一定值,为简化模型,可将R用当量计算,即:
R=(R1+R2+…+Rm)/m
由式(1)和(2)可知,热平衡方程为:
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对式(3)进行积分运算,积分时间是棒材从精轧机入口处一直到穿水冷却装置入口处的时间:
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其中,S=2πRL
式中,ts1为精轧机入口处棒材温度计算值,℃;ts2为棒材开冷预报温度计算值,℃。
对式(4)做进一步计算得:
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考虑到ε,σ,R,ρ,τ,c均为常数,因此可将式(5)进一步简化为:
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其中,undefined,为常数。
由式(6)可见,在钢种、规格一定的条件下,开冷前棒材温度是进入精轧机组时棒材温度的函数,即ts2=f(ts1),用泰勒公式将式(6)展开,考虑到f″(0)=t″s2|ts1=0,近似取前两项为:
ts2=a+bts1+Δ (7)
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式中,Δ为误差项。
式(7)是由理论推导并加以简化的公式,存在一定误差,在实际应用时,我们根据现场实测数据进行线性回归,得到可以实用于现场的a1和b1,建立实用于现场的开冷温度预报模型:
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式中,undefineds1为精轧机入口处棒材温度实测值,℃;undefineds2为根据undefineds1计算出的开冷温度预报值,℃;a1和b1为常数,因钢种和规格而异。
由以上公式便建立了轧件开冷温度预报模型。
在实际生产中,我们从现场测得50组数据,并将这些数据分为两部分,见表1。
对第1部分的25组数据进行线性回归,回归出式(10)中的系数a1和b1:
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根据式(11)进行开冷温度预报值的计算,并与第2部分的25组实测值进行比较,以检验公式的可行性,如图3所示。
从图3可以看出,利用式(11)计算的开冷温度与实测开冷温度(穿水管入口温度)相近,较好地反映了实测开冷温度变化规律,说明本文所述的开冷温度预报模型可靠,具有一定的实际应用能力。但是,开冷温度预报值相对开冷温度实测值来说,变化相对比较平稳,对实测值的跟随性稍差。这是因为现场情况变化比较复杂,生产工艺条件易受多种情况影响而发生变化,导致现场实测温度波动较大,另外预报模型对外界条件进行了简化,导致误差较大,因此需要对其进行自学习修正。
3.2模型自学习
虽然我们已经建立了开冷温度预报模型,但是在实际的工业生产中,ε,σ,R,ρ,τ,c等参数受温度的影响都有可能发生变化,同时还有一部分热量并不是以辐射散发出去的,因此很难找到准确的A值。
数学模型的参数有两种,一种是在一个时期内可以认为是不变的静态参数;另一种是随着过程的进行会有变动的动态参数。对模型进行自学习的一种简单有效的方法就是对模型中的动态参数实行自学习。开冷温度预报模型中的系数A就是一个受到许多因素的影响的动态参数,因此对不同规格的棒材取同一参数A显然不合理。为了提高开冷温度预报模型的预报精度,我们对系数A进行了自学习。
自学习的方法采用指数平滑法,即:
Af(n+1)=Af(n)+α1[A*f(n)-Af(n)] (12)
式中,α1为平滑指数,是[0,1]内的一个实数;Af(n)为通过自学习得到的与第n次棒材温度检测值对应的参数A值,其中Af(0)=0;A*f(n)是根据第n次棒材实测温度得出的相应参数A值。
将式(12)展开:
可见第n+1次估计值的主要部分是对第n次以前的测量值进行指数加权,采用的是一种增长记忆的自适应算法。其中α1反映了近期实测偏差对修正强度的影响程度,α1越大,对模型修正的程度越大,减小模型计算值与实测值之间偏差的速度越快,但同时也会使模型参数发生较大范围的波动,甚至产生振荡。因此,一般取较小的α1以保证模型规律,使计算趋于稳定。但取值过小,又会使预报模型对环境因素的变化影响反应迟钝,影响预报精度,因此应根据现场环境因素变化波动的程度来确定α1的取值。
由式(8)和式(9)可以看出,b值很小可以忽略,因此根据式(13)自学习的结果,我们对式(10)中的a1用指数平滑法进行自学习,并对下一根棒材的温度预报值进行修正。具体方法是:由第n次棒材温度实测值undefineds1(n)计算出预测值undefineds2(n),当实测到第n次棒材的实际开冷温度为undefineds2(n)时,判断undefined,其中ε为预先设定的精度。若该不等式成立,则不用自学习,若该不等式不成立,则求出:
undefined
式中,undefined1(n)为根据第n次棒材实测值计算得出的参数;α为加权系数,一般取0.3～0.8;a1(n)为自学习前第n次棒材参数项估计值。
式(14)和式(15)即为开冷温度预报模型的自学习公式。
然后,我们取α=0.6,在Matlab中编程进行自学习,并与表1中第2部分的25组开冷温度实测值进行比较,观察自学习效果,得到的温度曲线如图4所示。
从图4可以看出,经过自学习后,开冷温度的自学习值能够更好地跟随开冷温度实测值,而且总体趋势是收敛的,曲线变化比较平稳,且误差更小,一般不超过±10 ℃。因此,说明自学习具有可行性,达到了预先要求。
4应用效果
根据以上数学模型的研究成果,莱钢棒材厂于2007年进行了实际使用,利用PLC编程实现对棒材轧后控冷的自动控制。在使用20MnSi钢坯生产Ⅲ级螺纹钢筋时,轧后控冷实际生产中各种规格的钢筋在不同水压、不同水温(环境温度)和不同钢温等条件下的实际性能参数对比见表2。
从表2数据可以看出,相同钢种的螺纹钢筋虽然规格、钢温和环境温度均不同,但通过轧后控冷工艺后,自回火温度基本上都能控制在570～590 ℃,控制比较精确,对提高钢材强度、改善钢材综合力学性能作用明显,效果比较理想,较好地满足了生产工艺要求,再次验证了模型的可靠性。
参考文献
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