热轧板带钢冷却新概念——组织目标冷却

新材料的成功研发必然伴随着比传统材料性能高的要求。许多研发团队都从更强并且能量吸收更多方面对产品进行了重大改善，例如双相钢（DP）、孪生诱导塑性钢（TWIP）和相变诱导塑性钢（TRIP）。通过大量使用更薄更强的钢材部件，汽车行业已经在车辆效率和环境兼容方面获得了显著的成效。在过去的二十年里，应用于汽车行业的钢材经历了屈服强度3倍、能量吸收能力2倍的增长，而且汽车车体超过40%都是由这些材料组建成的。其他工业行业，也从这些新发展的钢材中受益匪浅，尤其是对于要求高强度的领域。现代的自动化系统以始终如一的高产品质量保证了材料的稳定生产。除了生产工序的控制和热轧厂中的物流管理，工艺模型的持久发展和技术控制对于钢材生产者来说也是至关重要的，其中也包含合金元素的作用。冷却段对钢材性能的保证起着决定性的作用。因此，精确、高灵活性的控制冷却段就显得非常重要。西门子研发中心研发了一种在热动力学模型基础上，使用所谓的吉布斯自由能焓来计算钢相变的控冷段系统。通过模型-预测控制函数的方式，可以获得一定范围内，整个轧制过程中最佳拟合冷却时间曲线。对于已存在的受阀门数量或者水流能力控制的工厂条件，可以制造与和控制能力相适合的新的冷却装置，并且生产这些高等级钢。同样也建立新工厂，使从机械和液压方面都实行与这些材料要求与生产相一致的冷却工艺。

　　1 建立相控制模型

　　现代钢材，尤其是多相钢，都要求在热轧板带车间和冷却段有始终如一、重复生产的条件。如果冷却温度控制偏差较大，时间-焓抛物线公差只增加几个百分点，最终产品的力学性能就会发生巨大的变化，以致于只能生产废料和低质量的板带。双相钢的生产要求尤其严格。在控冷段，当温度几乎保持不变的几秒钟后，钢在这段时间内从900℃冷至660℃。当残余奥氏体含量达到20%时，将钢淬火，相状态就被固定了，于是奥氏体就转变为了马氏体。如果保温时间仅仅延长10%，残余奥氏体含量就能减少10%。这时就不会形成双相钢，而是结构钢；例如ST37，其强度和其他性能比期望差很远。如果发生相反的情况，由于冷速过快导致残余奥氏体含量太高，那么这样不仅会导致材料性能很差，而且会导致脆性，在卷曲时发生困难。

　　(1)  传统控冷段系统限制双相钢生产

　　传统控冷段系统将冷却区域分成一个主冷区和一个位于冷段末端的细冷区。主冷区首先用来预算和送料控制。细冷区根据当时卷曲温度（反馈控制）控制阀门。在加速的情况下，所需要的额外的水量要根据严格设定工序来进行供应，也就是所谓的冷却模式。如果需要另外的冷却策略，例如当生产双相钢时，就采用相似的方法。这种方法已经被证实是不利并且复杂的，因为通常控冷段中的不同冷却位置必须与变化的板带速度和最终轧制温度相匹配。

　　(2)  建立在Gibbs相模型基础上的模型-预测控制器

　　主要目标就是建立一个能沿着整个板带对控冷部分进行实时设置温度曲线和相组成的系统，它能够探测出任何偏离和并且对这种偏离做出适当的反应。控冷系统的力学限制元素必须考虑，但是控制系统一定不能再添加任何额外的限制。西门子控制系统已经可以实时跟踪板带每一点的温度和相组成，并且把每一点的确切结果转换成模型-预测控制器。将以后的温度曲线和相组成的变化的预报与提前设定好的时间曲线对比，通过在正确的时间对适当的冷却控制元素进行调整，就可以使偏离最小化。通过这种方法，能避免质量偏差，而且其余软件方面相关的限制，例如固定的冷却方式等也能消除。

　　2 相变跟踪系统加强质量控制

　　建立在物理基础上的转变过程模型，使得控制系统可以计算出特殊相组成的温度曲线。例如，双相钢在淬火前有30%的残余奥氏体含量，控制系统能够计算出温度的改变，并且非常准确的改变阀门设置。它也能够在线跟踪板带上每一点的转变过程，并且能够准确的控制淬火位置，使得可以期望淬火发生在残余奥氏体含量为30%的位置。当完成这些的时候，系统已经能够考虑到所有可能发生的问题。在现有的板带速度基础上，当板带进入冷却系统时所测得的温度、阀门设置、目前水压和水温，系统可以沿整个板带上实时地计算出冷却的影响和奥氏体、铁素体、渗碳体和珠光体的相组成。德国HoeschHohenlimburg的生产实践都已经检验，并且用一个同时能测量水冷区板带温度的移动式温度测量装置，验证了结果的正确性。

　　（1）在线计算相变和温度控制

　　通过使用吉布斯的方法得到的线性参数化模型，可以用现有的服务器系统将试样在100～200ms之间完成计算。当板带从终轧出来时，相变和控制计算都可以进行实时计算。

　　用这个系统不仅可以正确计算出板带进入轧机一瞬间下的时间-温度轨迹，而且可以在线检验每一试样的相组成和性能，也能在每个试样的时间内完成对时间-温度轨迹的控制调整，以达到期望结果。

　　（2）冷却阶段时间-焓曲线控制

　　为了确保材料性能保持与目标性能尽量接近，冷却段包含一个以200ms为周期运转的控制器。在每一个周期控制器都会在整个冷却部分沿着长度方向重新计算每一点温度模型（包括相变模型），使在任何时间下，板带上每一点的时间-焓变曲线都是已知并且可控。

　　控制器的一个很重要特征是，不仅是作为一个保持一定卷曲温度或者冷却梯度的反馈控制器而工作。

　　3 具有预测复杂多相钢的冷却系统

　　生产复杂多相钢的能力，在很大程度上决定于冷却系统的设置和阀门的布置。

　　如前所述，许多比较老的冷却系统的阀门安排是通过开关控制水量，从初始的一个阀门开关放很大的水量（主阀）；最后，一个阀门只能放出仅为初始阀门水量的一个分数值的水量。因此，这个部分每单位长度上可控制的水量逐渐减少。这对于轧制双相钢不利，对于双相钢的轧制重要的是精确地维持保温时间。这就意味着沿着冷床冷却的大部分区域可控阀门的间隔要很均匀，并且有足够多的水流，这样才是有利的。

　　4 总结

　　热轧厂的自动化还在不停的进行着发展和革新。新钢种要求更复杂的工艺模型、控制和技术装备。生产多相钢时，在控冷段采用转变模型和模型—预测冷却段控制系统不仅有决定性的优势，而且当生产其他产品，如高碳钢、工具钢、变压器板带和许多其他材料，质量也得到了提高。许多有限制条件的老工厂，也能从可以生产各种钢种的新控冷自动化系统中获利。