一种热轧带钢层流冷却过程控制装置与方法制造方法及图纸

提供一种热轧带钢层流冷却过程控制装置与方法，其特征是：层流冷却过程控制方法包括：参数设置、组织性能预报、目标工艺优化、网络数据传输、现场控制模块；该装置主要包括：精轧机组、测温装置、温度采集装置、层流冷却装置、边部遮挡装置、卷取机；由测温和温度采集装置测量和采集带钢钢板在出精轧机组时宽度方向的温度分布，并通过数据传输到计算机模拟模块中进行分析处理，来确定采用合适的冷却模式并通过现场设置的执行机构来控制冷却集管的开闭数量和边部遮挡装置的边部遮挡量，以调控卷取机入口带钢的温度小于50℃，该装置和方法解决了带钢沿宽度方向的组织性能不均匀问题，确保带钢的质量优良和组织性能均匀分布。

【技术实现步骤摘要】

: 本专利技术涉及轧钢辅助设备及计算机工业控制
，特别是涉及。
技术介绍
: 在现有技术中，热轧带钢层流冷却过程控制已经成为高强度钢板生产过程控制的重要环节之一。为了确保热轧带钢的产品性能和产品质量的优良，精确的冷却工艺控制是基本保证。在热轧带钢层流冷却过程中，冷却速度控制、冷却均匀性控制以及卷取目标温度控制是最重要的参数，影响着板带产品最终的金相组织和性能。为此，建立层流冷却控制模型，分析板带的冷却速度和组织性能演变规律以及改进控制卷曲温度的数学模型和策略已成为热轧带钢产品的重要研究内容，国内外对此都有相应的研究工作。在层流冷却温度控制模型方面，国外的研究大致经历了以下几个阶段:初期研究、数学模型的研究、温度预报模型的研究、模型集成研究、开发专家系统和智能控制自动化等阶段。目前在国内层流冷却设备中常用的控制模型主要是温度控制模型，包括意大利ANSALDO INDUSTRIA公司基于传热学中的常物性、无内热源的一维非稳态导热微分方程模型、德国SIMENS公司基于牛顿冷却公式模型、美国GE公司采用有限差分法模型、日本新日铁公司基于在冷却水水阀数与带钢厚度、带钢速度、终轧温度、卷取温度之间构建非线性函数模型以及日本三菱公司基于史蒂芬-玻尔兹曼定律、傅立叶定律分别建立的空冷模型和水冷模型。但是上述的在线模型只是考虑了层流冷却过程中的温度变化，并不能预报在层流冷却过程中的组织演变规律以及最终产品的组织性能。目前在对于层流冷却过程的组织演变规律和组织性能预报，主要是通过相关的组织性能模型和经验公式进行离线预报。例如，东北大学的许云波和王国栋等人通过二维有限元方式分析计算了热轧过程控制轧制和控制冷却的温度和组织变化、赵刚等人专利技术的“一种预测热轧含Nb带钢组织及力学性能的方法”(CN200710052007.8)以及王利明等专利技术的“一种热轧过程带钢组织演变与性能预测的方法”(02109026.2)等等，都是通过经验模型或者有限元计算来对轧制和冷却过程的组织性能进行分析预报。但是所有这些模型都没有针对带钢沿板宽方向的温度和组织性能的不均匀性进行的分析计算，因此也就不能为生产带钢过程中合理采用边部遮挡工艺提供必要的依据；而且所有这些模型都是离线模型，没有与生产过程相结合，不能实时为生产过程的工艺设定和优化提供在线服务。
技术实现思路
: 本专利技术的目的是针对带钢生产过程中沿板宽方向的温度分布和组织性能分布不均匀的问题，提出了利用有限元分析方法分析计算层流冷却过程中沿板宽方向的温度时间变化规律及温度分布和组织性能分布的均匀性问题，并通过定量分析设定边部遮挡工艺来改善带钢中心至边部的组织性能均匀性问题，同时在系统中利用网络传输技术将现场需求与预报系统相连接，能实现目标温度和目标性能的在线工艺设定和优化的热轧带钢层流冷却过程控制装置与方法。 本专利技术的技术解决方案是提供一种热轧带钢层流冷却过程控制方法，其特征是:该方法主要由热轧带钢层流冷却控制装置工艺方法与计算机模拟模块流程及方法两部分组成，热轧带钢层流冷却控制装置工艺方法为:带钢经过精轧机组轧制后，由测温装置测量带钢钢板在出精轧机组时宽度方向的温度分布，然后由温度采集装置采集其测量结果，将温度测量的结果通过数据传输到计算机模拟模块中进行分析处理，计算机模拟模块中的处理程序分两部分，一部分程序根据采集的温度来确定采用合适的冷却模式并通过现场设置的执行机构来控制集管的开闭数量，以调控卷取机入口带钢的温度；另一部分程序根据采集的温度来判断是否需要采用边部遮挡工艺及装置，如果需要采用边部遮挡工艺及装置，则在带钢出层流冷却装置后设置测温装置和设置温度采集装置，用于采集层流冷却后带钢板沿宽度方向的温度分布，如果温度采集结果为带钢板沿宽度方向中心和边部的温差超过50°C，则需要采用边部遮挡工艺及装置，来确保带钢在卷取机入口处沿带钢宽度方向中心和边部的温差小于50°C ;计算机模拟模块主要由软件系统和数据库构成,其中软件系统的主运行文件为CLLQ.exe，文献的格式为Microsoft Excel文件，当系统启动后，所有系统的功能可以在主菜单上实现，计算机模拟模块流程及方法主要包括:1)、参数设置功能模块、2)、组织性能预报、3)、目标工艺优化、4)、网络数据传输、5)、现场控制模块；1)、参数设置:在软件系统中，参数设置功能模块主要包括参数输入、调用参数、不保存退出、保存及退出、重置、输出结果和退出系统等功能；参数输入用于输入实际的材料常数和工艺参数以及模型所要用到的计算参数，当选择输入参数后，系统将输入的参数划分成4个不同的参数组，包括:a.钢的基本成分和基本物理性能参数；b.层流冷却工艺参数；c.终轧温度和终轧完成时材料的微观结构参数；d.冷却过程组织性能模型预报参数；a.在钢的基本成分和基本物理性能输入模块中，主要让用户输入有关材料的主要化学成分、热传导系数、材料的比热和换热系数，并画出相关曲线，钢的基本成分和基本物性参数设置可以根据需要，在系统中对材料的化学成分和各种物性参数进行修改，修改时双击所需要修改的参数的单元格，然后输入对应的参数即可，对于材料的化学成分输入显示界面，双击右侧的CCT曲线则可以调用新的CCT曲线的相应图形文件，对于材料的物理性能参数输入和显示界面，数据修改完成后双击右侧的图形可以按照输入修改的数据更新曲线，在材料换热系数显示界面中，单击右侧的图形曲线可以更换曲线所显示的内容；b.层流冷却工艺参数的设置:层流冷却工艺参数的设定主要用于用户输入层流冷却的冷却方式、边部遮挡量以及板带的规格，根据生产现场的工艺布置，层流冷却共分为三段式冷却，即强冷区、缓冷区、精冷区，可以通过开启和关闭冷却水管集管的数量来调整冷却强度，根据生产要求，系统已经将所有的冷却方式编写在程序中，用户可以通过下拉菜单来进行选择，当选择完成后，屏幕上会通过图形直观地显示各冷却段水管的开闭状态；边部遮挡量根据用户要求，设定了无遮挡和四个不同的边部遮挡量，用户可以根据需要进行选择，一般而言，系统所确定的4个边部遮挡量已经可以满足生产的要求，继续增大边部遮挡量对产品的影响不大；c.终轧温度和终轧完成时材料的微观结构参数:由于终轧温度直接影响到后续冷却过程的温度分布，终轧后奥氏体的晶粒尺寸和应变积累状态直接影响相变的动力学，因此需要对层流冷却开始前的原始状态进行设定，原始状态的设定包括从板带的中心至边部的温度分布状况，终轧时奥氏体的晶粒尺寸以及奥氏体中的残余应变，其中终轧温度的设定可以根据现场的工艺条件和经验进行输入，而终轧时奥氏体的晶粒尺寸和残余应变需要根据有关的材料学模型进行简单计算得到；d.冷却过程组织性能模型预报参数:层流冷却过程中，微观组织的演变规律的预报以及最终产品力学性能的预报，是根据材料学原理所建立的模型，并针对材料的特性所设定的相关模型参数而实现预报的，预报的准确性与模型设定的参数密切相关，因此在实际使用时，必须根据现场的情况和工艺装备以及工艺参数对模型的参数进行适当的调整，本系统将层流冷却过程中奥氏体的组织演变分成了不同阶段来进行参数的设定，包括相变前过冷奥氏体的冷却过程，主要是奥氏体晶粒的长大和奥氏体的再结晶，随着温度的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热轧带钢层流冷却过程控制方法，其特征是：该方法主要由热轧带钢层流冷却控制装置工艺方法与计算机模拟模块流程及方法两部分组成，热轧带钢层流冷却控制装置工艺方法为：带钢经过精轧机组轧制后，由测温装置测量带钢钢板在出精轧机组时宽度方向的温度分布，然后由温度采集装置采集其测量结果，将温度测量的结果通过数据传输到计算机模拟模块中进行分析处理，计算机模拟模块中的处理程序分两部分，一部分程序根据采集的温度来确定采用合适的冷却模式并通过现场设置的执行机构来控制集管的开闭数量，以调控卷取机入口带钢的温度；另一部分程序根据采集的温度来判断是否需要采用边部遮挡工艺及装置，如果需要采用边部遮挡工艺及装置，则在带钢出层流冷却装置后设置测温装置和设置温度采集装置，用于采集层流冷却后带钢板沿宽度方向的温度分布，如果温度采集结果为带钢板沿宽度方向中心和边部的温差超过50℃，则需要采用边部遮挡工艺及装置，来确保带钢在卷取机入口处沿带钢宽度方向中心和边部的温差小于50℃；计算机模拟模块主要由软件系统和数据库构成，其中软件系统的主运行文件为CLLQ.exe，文献的格式为Microsoft Excel文件，当系统启动后，所有系统的功能可以在主菜单上实现，计算机模拟模块流程及方法主要包括：1)、参数设置功能模块、2)、组织性能预报、3)、目标工艺优化、4)、网络数据传输、5)、现场控制模块；1)参数设置：在软件系统中，参数设置功能模块主要包括参数输入、调用参数、不保存退出、保存及退出、重置、输出结果和退出系统等功能；参数输入用于输入实际的材料常数和工艺参数以及模型所要用到的计算参数，当选择输入参数后，系统将输入的参数划分成4个不同的参数组，包括：a.钢的基本成分和基本物理性能参数；b.层流冷却工艺参数；c.终轧温度和终轧完成时材料的微观结构参数；d.冷却过程组织性能模型预报参数；a.在钢的基本成分和基本物理性能输入模块中，主要让用户输入有关材料的主要化学成分、热传导系数、材料的比热和换热系数，并画出相关曲线，钢的基本成分和基本物性参数设置可以根据需要，在系统中对材料的化学成分和各种物性参数进行修改，修改时双击所需要修改的参数的单元格，然后输入对应的参数即可，对于材料的化学成分输入显示界面，双击右侧的CCT曲线则可以调用新的CCT曲线的相应图形文件，对于材料的物理性能参数输入和显示界面，数据修改完成后双击右侧的图形可以按照输入修改的数据更新曲线，在材料换热系数显示界面中，单击右侧的图形曲线可以更换曲线所显示的内容；b.层流冷却工艺参数的设置：层流冷却工艺参数的设定主要用于用户输入层流冷却的冷却方式、边部遮挡量以及板带的规格，根据生产现场的工艺布置，层流冷却共分为三段式冷却，即强冷区、缓冷区、精冷区，可以通过开启和关闭冷却水管集管的数量来调整冷却强度，根据生产要求，系统已经将所有的冷却方式编写在程序中，用户可以通过下拉菜单来进行选择，当选择完成后，屏幕上会通过图形直观地显示各冷却段水管的开闭状态；边部遮挡量根据用户要求，设定了无遮挡和四个不同的边部遮挡量，用户可以根据需要进行选择，一般而言，系统所确定的4个边部遮挡量已经可以满足生产的要求，继续增大边部遮挡量对产品的影响不大；c.终轧温度和终轧完成时材料的微观结构参数：由于终轧温度直接影响到后续冷却过程的温度分布，终轧后奥氏体的晶粒尺寸和应变积累状态直接影响相变的动力学，因此需要对层流冷却开始前的原始状态进行设定，原始状态的设定包括从板带的中心至边部的温度分布状况，终轧时奥氏体的晶粒尺寸以及奥氏体中的残余应变，其中终轧温度的设定可以根据现场的工艺条件和经验进行输入，而终轧时奥氏体的晶粒尺寸和残余应变需要根据有关的材料学模型进行简单计算得到；d.冷却过程组织性能模型预报参数：层流冷却过程中，微观组织的演变规律的预报以及最终产品力学性能的预报，是根据材料学原理所建立的模型，并针对材料的特性所设定的相关模型参数而实现预报的，预报的准确性与模型设定的参数密切相关，因此在实际使用时，必须根据现场的情况和工艺装备以及工艺参数对模型的参数进行适当的调整，本系统将层流冷却过程中奥氏体的组织演变分成了不同阶段来进行参数的设定，包括相变前过冷奥氏体的冷却过程，主要是奥氏体晶粒的长大和奥氏体的再结晶，随着温度的降低，取决于相变温度和临界冷却速度，奥氏体会向铁素体转变，珠光体转变，贝氏体转变以及马氏体转变，模型对各转变都设定了相应的转变动力学参数，对组织性能关系，系统按照混合定律，分别计算各个相的体积分数和强度，然后合并计算材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率，其中有关奥氏体晶粒长大和再结晶的模型描述如下：等温奥氏体晶粒长大的动力学公式可以表达为：Dtn-D0n=Aexp(-QRT)t]]>式中，D0为恒定温度下初始晶粒尺寸；Dt为t时刻的晶粒尺寸...

【技术特征摘要】
1.一种热轧带钢层流冷却过程控制方法，其特征是:该方法主要由热轧带钢层流冷却控制装置工艺方法与计算机模拟模块流程及方法两部分组成，热轧带钢层流冷却控制装置工艺方法为:带钢经过精轧机组轧制后，由测温装置测量带钢钢板在出精轧机组时宽度方向的温度分布，然后由温度采集装置采集其测量结果，将温度测量的结果通过数据传输到计算机模拟模块中进行分析处理，计算机模拟模块中的处理程序分两部分，一部分程序根据采集的温度来确定采用合适的冷却模式并通过现场设置的执行机构来控制集管的开闭数量，以调控卷取机入口带钢的温度；另一部分程序根据采集的温度来判断是否需要采用边部遮挡工艺及装置，如果需要采用边部遮挡工艺及装置，则在带钢出层流冷却装置后设置测温装置和设置温度采集装置，用于采集层流冷却后带钢板沿宽度方向的温度分布，如果温度采集结果为带钢板沿宽度方向中心和边部的温差超过50°c，则需要采用边部遮挡工艺及装置，来确保带钢在卷取机入口处沿带钢宽度方向中心和边部的温差小于50°C ;计算机模拟模块主要由软件系统和数据库构成，其中软件系统的主运行文件为CLLQ.exe，文献的格式为Microsoft Excel文件，当系统启动后,所有系统的功能可以在主菜单上实现,计算机模拟模块流程及方法主要包括:1)、参数设置功能模块、2)、组织性能预报、3)、目标工艺优化、4)、网络数据传输、5)、现场控制模块；1)参数设置:在软件系统中，参数设置功能模块主要包括参数输入、调用参数、不保存退出、保存及退出、重置、输出结果和退出系统等功能；参数输入用于输入实际的材料常数和工艺参数以及模型所要用到的计算参数，当选择输入参数后，系统将输入的参数划分成4个不同的参数组，包括:a.钢的基本成分和基本物理性能参数；b.层流冷却工艺参数；c.终轧温度和终轧完成时材料的微观结构参数；d.冷却过程组织性能模型预报参数；a.在钢的基本成分和基本物理性能输入模块中，主要让用户输入有关材料的主要化学成分、热传导系数、材料的比热和换热系数，并画出相关曲线，钢的基本成分和基本物性参数设置可以根据需要，在系统中对材料的化学成分和各种物性参数进行修改，修改时双击所需要修改的参数的单元格，然后输入对应的参数即可，对于材料的化学成分输 入显示界面，双击右侧的CCT曲线则可以调用新的CCT曲线的相应图形文件，对于材料的物理性能参数输入和显示界面，数据修改完成后双击右侧的图形可以按照输入修改的数据更新曲线，在材料换热系数显示界面中，单击右侧的图形曲线可以更换曲线所显示的内容；b.层流冷却工艺参数的设置:层流冷却工艺参数的设定主要用于用户输入层流冷却的冷却方式、边部遮挡量以及板带的规格，根据生产现场的工艺布置，层流冷却共分为三段式冷却，即强冷区、缓冷区、精冷区，可以通过开启和关闭冷却水管集管的数量来调整冷却强度，根据生产要求，系统已经将所有的冷却方式编写在程序中，用户可以通过下拉菜单来进行选择，当选择完成后，屏幕上会通过图形直观地显示各冷却段水管的开闭状态；边部遮挡量根据用户要求，设定了无遮挡和四个不同的边部遮挡量，用户可以根据需要进行选择，一般而言，系统所确定的4个边部遮挡量已经可以满足生产的要求，继续增大边部遮挡量对产品的影响不大；c.终轧温度和终轧完成时材料的微观结构参数:由于终轧温度直接影响到后续冷却过程的温度分布，终轧后奥氏体的晶粒尺寸和应变积累状态直接影响相变的动力学，因此需要对层流冷却开始前的原始状态进行设定，原始状态的设定包括从板带的中心至边部的温度分布状况，终轧时奥氏体的晶粒尺寸以及奥氏体中的残余应变，其中终轧温度的设定可以根据现场的工艺条件和经验进行输入，而终轧时奥氏体的晶粒尺寸和残余应变需要根据有关的材料学模型进行简单计算得到；d.冷却过程组织性能模型预报参数:层流冷却过程中，微观组织的演变规律的预报以及最终产品力学性能的预报，是根据材料学原理所建立的模型，并针对材料的特性所设定的相关模型参数而实现预报的，预报的准确性与模型设定的参数密切相关，因此在实际使用时，必须根据现场的情况和工艺装备以及工艺参数对模型的参数进行适当的调整，本系统将层流冷却过程中奥氏体的组织演变分成了不同阶段来进行参数的设定，包括相变前过冷奥氏体的冷却过程，主要是奥氏体晶粒的长大和奥氏体的再结晶，随着温度的降低，取决于相变温度和临界冷却速度，奥氏体会向铁素体转变，珠光体转变，贝氏体转变以及马氏体转变，模型对各转变都设定了相应的转变动力学参数，对组织性能关系，系统按照混合定律，分别计算各个相的体积分数和强度，然后合并计算材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率，其中有关奥氏体晶粒长大和再结晶的模型描述如下:等温奥氏体晶粒长大的动力学公式可以表达为:式中，D0为恒定温度下初始晶粒尺寸；Dt为t时刻的晶粒尺寸；Q为晶界迁移激活能；η和A均为常数，其中的参数可以利用实验方法来确定，并根据实际工业过程的工艺装备和工艺参数进行调整，在实际加热过程中，温度的变化是一个连续的过程，也就是说奥氏体晶粒的长大不是在一个确定的温度下进行，而是在连续的升温过程中长大，这时可以利用微小区间的等温长大进行积分来实现连续加热过程中奥氏体晶粒长大的计算，在终轧出口到达层流冷却前的冷却过程中，奥氏体会由于积累应变的存在而发生再结晶过程，根据材料学原理，奥氏体的静态再结晶动力学可以表达为:X = 1-exp (-a(t/t0 5)b) 其中需要注意的是，上述的计算模型仍然是等温条件下，奥氏体的静态再结晶行为，对于变温过程中奥氏体的再结晶动力学，需要利用微分的方法求解，或者是通过时间区间的方式求解,表达为:X1-X1-1 = exp (-a (ti^/10 5)b) -exp (-a t0 5)b) 其中模型中所用的参数可以根据实验和现场调试确定，根据所计算的奥氏体再结晶动力学，残余积累应变在冷却过程中的减少可以表达为: ￡ Ai = ￡ A0(1-Xi) 有关铁素体转变所用模型的描述如下:根据实验所得到的结果，对冷却速度X与铁素体开始转变温度y之间的关系进行数据处理，得到如下关系方程:y = B+B1X+B2X2+B3X3在冷却过程中，如果过冷奥氏体达到了铁素体转变的开始温度，而且冷却速度小于铁素体转变的临界冷却速度，则铁素体转变开始，铁素体转变的动力学按如下方程计算:X = 1-exp (~kta)其中：根据实验工作和CCT曲线的分析，可以预先确定方程中的各个参数，然后根据现场的实际情况进行调试，需要注意的是，上述的方程仍然是等温转变的动力学方程，在实际进行计算式，需要分割成不同的时间区间来进行降温过程的动力学计算， 在进行相变动力学分析计算的同时，由于对于铁素体组织，其力学性能是铁素体晶粒尺寸的函数，因此需要计算在冷却过程中铁素体晶粒的长大动力学随冷却速度的变化规律，其采用的基本模型为:其中具体的参数，根据文献和实验的分析，当碳当量小于等于0.5时:a =(-0.4+6.4Ceq), b = (24.2-59.0Ceq), c = 0.5，d = 22.0，e = -0.015 ;而当碳当量大于 0.5时:a = (-22.6-57.0Ceq)，b = 3，c = 0.5，d = 22.0，e = -0.015，实际使用过程中，参数需要根据现场的情况进行调试修正， 有关珠光体转变的模型表述如下: 在冷却过程中，当冷却速度小于珠光体临界冷却速度同时温度低于珠光体开始转变温度时，珠光体转变开始，珠光体开始转变温度I仍然是冷却速度X的函数，根据实验测量的结果，微合金钢的珠光体转变开始温度与冷却速度的关系可以表达为:y = B+BiX 具体参数根据实验和现场调试确定，由于珠光体转变仍然是扩散型相变，所以可以利用Avrami动力学公式进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：李军，朱国辉，王科，陈其伟，肖湖福，杨树宝，葛国军，胡敏燕，朱恒，杨玉芳，林红，
申请(专利权)人：北京中冶设备研究设计总院有限公司，安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11