热轧带钢厚规格层流冷却控制策略优化

热轧带钢厚规格层流冷却控制策略优化

迟大军 霍战杰

山西晋城钢铁控股集团有限公司，048026

摘要：热轧带钢的厚规格产品具有较高的市场需求，其质量和性能直接影响到下游加工和终端使用。在生产过程中，层流冷却作为关键环节，对钢材的组织和性能起决定性作用。然而，传统层流冷却策略难以充分满足厚规格带钢的冷却需求。本文基于热轧带钢厚规格产品的生产特点，提出并优化了一种层流冷却控制策略，重点研究冷却路径、温度控制及冷却速率对钢材性能的影响。通过模型计算和生产实测数据验证，该策略有效提升了带钢产品的力学性能和质量稳定性。

关键词：热轧带钢；厚规格；层流冷却；控制策略；性能优化

引言：

热轧带钢是钢铁行业中的重要产品之一，广泛应用于汽车、建筑和机械制造等领域。随着市场对高强度、高性能厚规格带钢需求的增加，生产过程中如何确保其质量和性能成为企业竞争力的关键。层流冷却技术在热轧工艺中起着至关重要的作用，通过控制冷却路径和冷却速率，可以有效改善带钢的显微组织和机械性能。然而，传统的层流冷却策略在厚规格带钢生产中存在一些不足，如冷却不均匀、温度梯度大，导致产品性能波动。近年来，随着计算机技术和控制技术的发展，基于模型预测的控制方法被逐步应用于层流冷却过程中。然而，针对厚规格带钢的冷却策略研究仍较为有限。因此，本文结合厚规格带钢的实际生产需求，优化层流冷却控制策略，以期为相关生产企业提供理论支持和实践参考。

一、厚规格热轧带钢层流冷却的工艺分析

1.1 厚规格热轧带钢的特点及质量要求

厚规格热轧带钢是指厚度在10毫米以上的带钢产品，其主要应用于结构制造、船舶、桥梁等高强度需求领域。该类产品的力学性能要求较高，特别是屈服强度和抗拉强度必须满足使用环境的苛刻条件，同时要求具有良好的韧性和抗疲劳性能。由于厚规格带钢厚度较大，其内部温度梯度明显，冷却过程中若控制不当，容易产生显微组织不均，甚至影响最终产品的使用寿命。因此，为了满足高质量要求，需严格控制轧后冷却工艺，尤其是层流冷却阶段，以确保产品性能的均匀性和稳定性。

1.2 层流冷却技术在热轧中的应用现状

层流冷却技术是现代热轧带钢生产中广泛应用的一种冷却方式，通过调节喷淋水流量和流速来实现不同冷却速率。相比传统空冷方式，层流冷却具有高效和可控的特点，可以满足不同钢种的组织控制需求。目前，多数钢铁企业已将层流冷却技术应用于从薄规格到厚规格热轧带钢的生产过程。然而，针对厚规格带钢，由于其高热容量和导热性差的特性，现有的层流冷却设备和工艺参数难以完全满足厚规格产品的冷却需求。此外，许多企业已开始在层流冷却过程中引入自动化和智能化控制，以进一步提升冷却效率和产品质量。

1.3 厚规格带钢冷却过程中存在的问题

尽管层流冷却技术已在热轧带钢生产中取得显著成效，但在厚规格带钢的冷却过程中仍存在一些问题。首先，由于厚规格带钢内部的传热速率较慢，外层与内层的冷却速率差异较大，容易导致表面硬化或内部组织偏析。其次，冷却均匀性难以保证，尤其在宽幅产品中，不同位置的冷却速度存在显著差异。此外，冷却过程中温度的实时控制和调节难度较高，传统的控制策略往往无法及时响应实际温度变化，导致产品性能波动。这些问题使得厚规格带钢的生产质量稳定性受到影响，对冷却控制策略的优化提出了更高要求。

二、层流冷却控制策略优化方法

2.1 控制策略优化的理论基础与模型建立

优化厚规格热轧带钢层流冷却控制策略的核心在于准确建立冷却过程的数学模型。基于传热学理论，冷却过程可以被描述为非稳态导热问题，其中考虑到带钢厚度方向的温度梯度变化及其对冷却速率的响应。通过建立二维或三维的温度场模型，可以实现对冷却过程中不同位置温度变化的精准预测。此外，引入相变动力学模型，有助于预测不同冷却速率下钢材组织的演变情况，为优化控制策略提供理论支持。模型的准确性依赖于大量实测数据的校准，通过对实验数据与模型计算结果的对比分析，可以逐步修正模型参数，提高预测精度。

2.2 冷却路径和速率优化方法

冷却路径和冷却速率是影响厚规格带钢性能的关键参数。针对不同钢种和厚度的带钢产品，通过优化冷却路径，可以在满足目标性能的前提下实现最优的温度分布。在实际操作中，可通过调整层流冷却区的喷淋强度和冷却段长度来实现对冷却速率的精细化控制。基于优化的冷却路径，可以有效减小冷却过程中温度梯度，从而降低组织不均风险。此外，为进一步提升冷却效果，可采用分区控制策略，根据带钢实际温度分布动态调整各区域的冷却强度，确保冷却速率与预定目标一致。

2.3 模型预测与在线控制系统集成

为了将优化的冷却策略应用于实际生产，需要将模型预测与在线控制系统相结合。通过实时监测带钢在冷却过程中的温度变化，并将其与模型预测结果进行对比，可以快速调整冷却参数，实现动态控制。目前，多数先进的冷却系统已配备温度传感器和数据采集设备，能够在生产过程中实时获取关键数据。基于这些数据，控制系统可以对模型进行在线校正，从而提高预测准确性。同时，结合自动化控制技术，可以显著提升生产线的冷却控制能力，提高生产效率和产品质量的稳定性。

三、优化策略的实验证明与工业应用

3.1 优化策略的实验设计与模拟分析

为了验证优化的冷却策略的有效性，需要在实验室环境下进行模拟实验。通过选取具有代表性的厚规格带钢样品，采用不同冷却路径和速率进行实验研究，并对比其显微组织和力学性能的变化趋势。此外，利用有限元模拟技术，可以对冷却过程中温度场和应力场进行详细分析。实验结果表明，优化策略能够显著改善冷却均匀性，并有效控制显微组织分布，为工业应用奠定了坚实基础。

3.2 工业实测数据分析与结果验证

在工业生产环境中，通过实测数据进一步验证优化策略的适用性和可靠性。选取典型生产线，在优化冷却策略的指导下，对实际生产的厚规格带钢进行冷却过程监测。结果显示，冷却均匀性和温度控制精度显著提高，产品的力学性能更加稳定。此外，通过对比传统工艺与优化策略下的生产数据，发现优化策略能够有效降低不合格品率，提高生产线的整体运行效率。

3.3 优化策略在实际生产中的应用效果

将优化策略应用于实际生产后，不仅提升了厚规格带钢的产品质量，还显著改善了生产过程的稳定性。在冷却均匀性和性能稳定性得到提升的同时，生产线的自动化水平也有所提高，操作人员的工作负担减轻，生产效率得到进一步提升。综合来看，优化的冷却控制策略为企业在提升产品竞争力方面提供了强有力的技术支持，对行业整体技术进步也具有积极推动作用。未来，随着智能制造技术的进一步发展，优化策略在实际应用中将发挥更大的潜力。

四、结语

综上所述，本文针对热轧带钢厚规格产品冷却过程中的关键问题，提出了一种优化的层流冷却控制策略。通过模型预测与在线控制相结合，有效改善了冷却均匀性和温度控制精度，提高了产品的力学性能和质量稳定性。实验证明，该策略不仅适用于实验室模拟环境，还能在工业生产中得到良好的应用效果，为厚规格带钢的高质量生产提供了有力保障。未来的研究可以进一步结合智能化控制技术，提升控制策略的适应性和智能化水平。

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