CN102517430A - 一种中厚板热处理强风冷却*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中厚板热处理强风冷却***，包括冷却供风***和控制***，钢板在一个沿输送辊道设置的冷却室内完成强风冷却，冷却室内容纳多个冷却段，每个冷却段配置一套供风***和一套换热器，由一套过程控制***控制该冷却段钢板温降和冷却风循环；输送辊道的控制方式为单独传动、成组变频；控制***由传动仪表***、PLC***和过程控制***三部分组成，过程控制***根据生产计划调用模型参数数据库，利用构建的强风冷却数学模型制定强风冷却策略，计算强风冷却规程，并将冷却规程发送至PLC***中执行和界面上显示；过程控制***由入口金属检测器信号触发PLC作业，PLC***分别执行供风***和辊道***的作业规程。本发明提高了生产效率，简化了操作步骤。

Description

一种中厚板热处理强风冷却***

技术领域

本发明属于热处理设备和工艺控制技术领域，尤其涉及一种中厚板热处理强风冷却***。

背景技术

目前，在中厚板热处理领域风冷的作用有限，一方面由于现有风冷设备冷却能力较小，待处理中厚板的钢种和规格受到很大限制，另一方面由于钢板风冷过程控制难度较大，大部分时候只能做到“一冷到底”，不能够实现冷却路径控制。强风冷却是冷却风在压差作用下流过高温换热面时产生的对流换热过程，由于产生的局部换热系数较大，该冷却形式已广泛应用于电力、化工和制冷行业中。将强风冷却引入中厚板热处理领域，对冷却过程进行精确控制是当前中厚板热处理技术发展的新趋势。

专利CN101979675A，公开了一种热处理炉用喷流冷却装置，装置喷风强度自进料端向着出料端方向依次递减，用以增大工件前段的冷却速度，特别适合管状工件的冷却。该专利喷箱形式、换热器形式、冷却目的和冷却工件类型与本发明差别较大。同时，该专利涉及的冷却装置并未配备控制***，对工件冷却过程的工艺控制缺乏必要的手段。

专利CN101571355A，公开了一种强循环快速冷却室，利用上下风管对吹工件表面，形成强对流，达到快速降温的目的。该专利采用的风管结构较简单，易产生冷却不均问题。同时，各风管相互连接，不能够实现分区域冷却，冷却过程控制灵活性较小。此外，该专利并未配备过程控制***，不能提供较精确的冷却策略和冷却规程，对冷却过程整体控制程度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种中厚板热处理强风冷却***，该***适用于较薄规格中厚板淬火（固溶）处理以及正火板进入矫直机前快速冷却处理。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种中厚板热处理强风冷却***，包括冷却供风***和控制***，其特征在于，钢板在一个沿输送辊道设置的冷却室内完成强风冷却，冷却室内容纳多个冷却段，每个冷却段配置一套供风***和一套换热器，由一套过程控制***控制该冷却段钢板温降和冷却风循环；每套供风***由一台变频离心风机、一根主供风管、一根分流集气管和多根分供风管组成，每根分供风管与一个喷箱连接；一套供风***内变频离心风机入口与位于冷却室本体顶部的换热器出风口连接，风机出口依次与主、分供风管连接，分供风管与安置在输送辊道之间的上、下喷箱对应连接，冷却室本体设排风通道与换热器入风口连接，冷却水***与冷却室本体、换热器相伴设置；输送辊道的控制方式为单独传动、成组变频；控制***由传动仪表***、PLC***和过程控制***三部分组成，过程控制***根据生产计划调用模型参数数据库，利用构建的强风冷却数学模型制定强风冷却策略，计算强风冷却规程，并将冷却规程发送至PLC***中执行和界面上显示，在线修正余下冷却段的冷却策略，从而控制钢板温降速率和冷却路径；过程控制***由入口金属检测器信号触发PLC作业，PLC***分别执行供风***和辊道***的作业规程。

根据上述中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，喷箱由内腔、阻尼装置和喷孔三部分组成，喷箱内腔进风侧过风截面积大，封闭侧过风截面积小，垂直辊道沿钢板前进方向看喷箱呈直角梯形，进风侧面和封闭侧面与喷孔面垂直。

根据上述中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，喷箱内腔设阻尼装置，阻尼装置为两层多孔筛板，进风侧筛板孔径大，出风侧筛板孔径小，冷却风由喷箱进风侧进入内腔，经阻尼装置由喷孔喷出，喷孔安装在喷孔面上，为多排圆形喷孔，上喷箱喷孔面在下侧，下喷箱喷孔面在上侧，上下两侧喷孔面与辊面距离均为100mm。

根据上述中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，换热器采用翅片管式水-气换热器，管内通冷却水，与钢板换热后的热风由冷却室顶部抽入换热器翅片间，与冷却水发生热交换，通过控制换热器进水量，控制换热效果，进而控制冷却风喷射温度，换热器出口水温上限为55℃。

根据上述中厚板热处理强风冷却***，其特征在于各冷却段过程控制***调用强风冷却数学模型制定冷却策略和各冷却段冷却规程，冷却规程下发到PLC***和传动仪表***；PLC***根据实时采集的各冷却段风量、风压和板温实测值，采用风量-风压双闭环控制使风量、风压实际值与设定值之差在允许范围内，控制对象为各冷却段风机变频器。 

根据上述中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，强风冷却策略包括各冷却段目标冷却温度、冷却速率和辊道控制逻辑，强风冷却规程包括各喷箱供气量、风压、喷射温度和钢板行进速度。

根据上述中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，强风冷却***控制两种换热形式：冷却室内钢板-冷却风换热和换热器水-气换热；制定冷却规程时，将每一套供风***所针对的冷却段内钢板-冷却风换热过程离散为若干等温降过程，利用钢板-冷却风换热模型和换热器水-气换热模型计算每个等温降段内喷风参数和换热器参数；在线修正计算时，根据PLC实时传递的喷风参数、钢板位置及换热器参数，利用上述换热模型修正计算每个等温降段内板温和风温，根据计算值与各冷却段热电偶实测板温的差值调整冷却规程。

根据上述中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，PLC***分别执行供风***和辊道***的作业规程：冷却风经主供风管、分流集气管和分供风管，以一定速度和压力由上、下喷箱喷出，气体射流冲击钢板表面，产生强化换热效果，与钢板换热后的热风由冷却室顶部抽出，经换热器冷却后重新被送入喷箱；冷却室前金属检测器检测到钢板头部时，过程控制***制定冷却策略、计算冷却规程并由PLC***执行规程，此时冷却室内辊道按设定辊速转动，同时冷却室前辊道按相同辊速运送钢板进冷却室；钢板即将出冷却室时，冷却室后辊道按冷却室内辊速转动，运送钢板出冷却室；当冷却室后金属检测器检测到钢板尾部时，冷却室内辊道停止转动。

根据上述中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，所述强风冷却数学模型，包括供风参数初始化模型、冷却风喷射温度计算模型、钢板表面综合换热系数计算模型和钢板温降模型；供风参数初始化模型包括供风管路沿程压力损失计算、供风管路局部压力损失计算和喷孔喷射参数计算，计算结果为喷孔喷风速度、单喷孔喷风量和单喷孔喷风压力；冷却风喷射温度计算模型根据翅片管换热器结构尺寸、冷却水进水-回水温度、冷却水流量和换热器入口热风温度计算换热器热效率，进而计算换热器出口冷风温度；钢板表面综合换热系数计算模型根据钢板表面多喷孔射流冲击换热情况下局部换热系数与雷诺数、喷射距离、喷孔直径和喷气温度的关系，利用集总参数法计算各冷却段钢板上下表面综合换热系数；钢板温降模型采用沿厚度和宽度方向的二维非稳态导热方程，热物性参数随板温变化而变化，利用有限元法求解得到各温降段内钢板宽向和厚向的温度分布。

本发明的中厚板强风冷却***与现有技术相比，具有如下特点：

1、喷箱采用纵向变截面技术和阻尼均流技术，使沿喷箱长度方向各喷孔出风量、风压一致，有效的减少了供风波动，提高了冷却均匀性。

2、通过合理设计喷孔间距、喷孔直径和喷射距离，使喷箱多喷孔射流冲击换热更均匀，减小喷射回流和射流干涉，增强了换热效果。

3、上下喷箱沿辊道对称布置，喷射距离相等，使钢板上下表面产生均匀的强化换热效果，消除了盲点和涡流，较好的控制了冷后板形，提高了产品成材率和成品质量。

4、通过合理设计换热器结构参数，提高了换热器热效率，结合所建立的数学模型和PLC实时控制，实现风温精确控制，为钢板冷却过程精确控制打下基础。

5、采用风量-风压双闭环控制，实现冷却风恒定、可控供给，为强风冷却规程的精确执行创造条件，提高了***的控制精度。

6、过程控制***采用触发机制，紧密结合辊道控制和生产连锁，利用构建的数学模型，科学、合理制定强风冷却策略和冷却规程，并自动下发到PLC中执行和界面上显示，实现了钢板强风冷却过程精确、自动控制以及冷却路径控制，有效的提高了生产效率，简化了操作步骤。

附图说明

图1是本发明中的强风冷却***设备主视图；

图2是本发明中的强风冷却***设备俯视图；

图3是本发明中的强风冷却***设备左视图；

图4是本发明中的强风冷却***PLC***示意图；

图5是本发明中的强风冷却***过程控制***示意图；

图6是本发明中的强风冷却***等级控制及模型控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。

下面首先描述本发明的强风冷却设备的实施方案。

强风冷却***冷却室被分成多个冷却段，每个冷却段包含若干支上下喷箱和若干根辊道，钢板在上下喷箱间的辊面上按工艺速度运动，辊道控制方式为单独传动、成组变频。每个冷却段配备一套供风***、一套换热器和一套控制***。冷却室侧壁和顶壁内安装有由冷却水管构成的水墙，其作用为提高钢板冷却速度和防止钢板热量向外传递，在冷却水出水口安装流量开关，监测冷却水流量变化。

强风冷却***中，每套供风***具备一组变频离心风机、一根主供风管、一根分流集气管和若干根分供风管，分供风管与上下喷箱对应连接，风机入口与换热器连接，供风***为各冷却段喷箱提供恒定、可控的冷却风。

如图1~3所示，强风冷却***设备的变频离心风机1入口与换热器2出风口连接，风机1出口依次与主供风管6、分流集气管7和分供风管8连接，分供风管8与上喷箱9和下喷箱10对应连接，冷却室3顶部设排风通道，与换热器2入风口连接，换热器2安置在冷却室本体3顶部，冷却水***4与冷却室本体3、换热器2相伴设置，喷箱沿输送辊道上下对称布置，上喷箱9、下喷箱10安置在输送辊道5之间，分别置于冷却过程中的钢板11的上、下方，喷箱喷孔面向钢板喷风，上下喷箱与辊面垂直距离均为100mm，这样设计可使钢板上下表面产生均匀的强化对流效果，消除盲区和涡流。换热器2采用翅片管式水-气换热器，冷却水***4连接工厂水网。

强风冷却***喷箱由内腔、阻尼装置和喷孔三部分组成。喷箱内腔进风侧过风截面积大，封闭侧过风截面积小，垂直辊道沿钢板前进方向看喷箱呈直角梯形，进风侧面和封闭侧面与喷孔面垂直，这样设计可使沿喷箱长度方向的各喷孔喷风量趋于一致，提高冷却均匀性。喷箱内腔设阻尼装置，该装置为两层多孔筛板，进风侧筛板孔径大，出风侧筛板孔径小，冷却风由喷箱进风侧进入内腔，经阻尼装置由喷孔喷出。阻尼装置一方面起到缓冲作用，减小供风波动，提供稳定冷却风，另一方面起到均流作用，减少各喷孔喷风量和喷风压力的差异。纵向变截面和阻尼均流设计方案实现了喷箱长度方向流量均匀性控制。多排圆形喷孔安装在喷孔面上，通过合理设计喷孔间距、喷孔直径和喷射距离，使多喷孔射流冲击换热更均匀，减小喷射回流和射流干涉，增强换热效果。

强风冷却***换热器采用翅片管式水-气换热器，包括翅片、冷却水管、外壳和检测仪表四部分。多层翅片平行于气流方向排列，多根冷却水管垂直穿过翅片，与外界水网连接，总进水管上安装流量开关，用于检测进水量，总出水管上安装水温仪，用于检测出水温度。热风由冷却室顶部抽入换热器翅片间，与冷却水发生热交换，通过增加换热面积达到增强冷却能力的效果。

利用冷却水管间距、冷却水管直径、翅片间距、翅片厚度、气流方向翅片长度、冷却水量和换热器换热面积等已知量，计算出换热器冷却水管束外表面空气侧换热系数，进而利用两侧流体均不混合的叉流式换热器换热单元数与热效率的关系得出换热器热效率，最后根据热效率与冷却风温度和冷却水温度的关系，由根据换热模型计算出的换热器入口热风温度、根据外界水网提供的换热器入口水温和根据换热器出口水温仪测得的出口水温计算出换热器出口冷却风温度，该温度经过适当处理即可作为下一循环冷却风喷射温度参与钢板-冷却风换热计算。

当强风冷却***PLC接收到工作指令时，见图4，指定冷却段风机1按给定频率工作，冷却风由冷却室3经换热器2抽至风机1入口，此处设置风压、风流量检测点P、Qf、风机变频控制点C。带有一定压力和速度的冷却风由风机1出口喷出后，经各冷却段主供风管6汇入分流集气管7中。分流集气管7与主供风管6相对的另一侧连接若干分供风管8，冷却风沿分供风管8进入冷却室本体3内的上、下喷箱9、10中。根据设备参数和风机频率可计算出喷箱9、10入口端供风量、风压和风温。由于喷箱9、10采用纵向变截面和阻尼均流设计方案，冷却风均匀、稳定的通过阻尼装置两层多孔筛板，由安装在喷孔面上的多排圆形喷孔喷出。强风冷却过程控制***结合喷箱入口端进风量、风压、风温和喷箱结构尺寸可计算出喷孔喷射速度、喷风量、喷风温度、喷射角和喷射方式。冷却风由上下喷箱9、10喷出后，射流冲击钢板11表面，产生强化换热效果。冷却室3出口设置测温点T3、测辊速点V。与钢板换热后的热风由冷却室3顶部抽出，经换热器2入风口进入翅片间，翅片与冷却水***4垂直安装。热风与冷却水充分换热后，由换热器2出风口（测温点T1）重新回到风机1中，继续下一轮循环。根据换热器2入风口风温、入水口水温、入水口流量（测水流量点QS）、出水口水温（测温点T2）和换热器2结构尺寸可得到换热器2热效率，进而计算出换热器2出风口风温。冷却水***4的管路一部分连接到各冷却段换热器2入水口，根据强风冷却***控制指令调节水量；另一部分连接到冷却室3侧壁和顶壁的水墙中，在提高冷却室冷却效率的同时，阻止钢板热量向外传播。只要冷却室工作，冷却水***一直投入使用。

下面描述本发明的强风冷却***控制***实施方案。

如图5~6所示，强风冷却***控制***具备二级控制体系，包括传动仪表***、PLC***12和过程控制***13三部分。结合厂级MES或计划管理***，控制***能够实现过程参数的实时反馈、风量-风压双闭环控制、风温闭环控制、钢板跟踪及辊道连锁控制、强风冷却策略和冷却规程的预计算、强风冷却策略和冷却规程的在线修正等功能。强风冷却***控制两种换热形式：冷却室内钢板-冷却风换热和换热器水-气换热。计算冷却规程时，将每一套供风***所针对的冷却段内钢板-冷却风换热过程离散为若干等温降过程，利用钢板-冷却风换热模型和换热器水-气换热模型计算每个等温降段内喷风参数和换热器参数。每个等温降段内参数计算流程为：首先根据供风参数初始化模型16完成供风管路沿程压力损失计算、供风管路局部压力损失计算和喷孔喷射参数计算，计算结果为喷孔喷风速度、单喷孔喷风量和单喷孔喷风压力；然后结合钢板表面综合换热系数模型18，根据钢板表面多喷孔射流冲击换热情况下局部换热系数与雷诺数、喷射距离、喷孔直径和喷气温度的关系，利用集总参数法计算各冷却段钢板上下表面综合换热系数；进而根据钢板温降模型19，采用沿厚度和宽度方向的二维非稳态导热方程，利用有限元法求解得到各温降段内钢板宽向和厚向的温度分布；最后，利用冷却风喷射温度计算模型17，根据翅片管换热器结构尺寸、冷却水进水-回水温度、冷却水流量和换热器入口热风温度计算换热器热效率，进而计算换热器出口冷风温度。如此往复循环，直至钢板冷却到目标温度，从而计算出钢板冷却过程中的温度参数和换热器换热参数。在线修正计算时，根据PLC***12实时传递的喷风参数、钢板位置及换热器参数，利用上述换热模型修正计算每个等温降段内板温和风温，根据计算值与各冷却段热电偶实测板温的差值调整冷却规程。

作业流程：当冷却室入口金属检测器检测到钢板11头部位置时，强风冷却***PLC***12将反馈的触发信号通过过程控制***13发送给厂级MES或计划管理***，后者将待冷却钢板11计划信息发送给过程控制***13，这些信息包括钢种、板号、钢板规格、目标开冷温度、目标终冷温度、目标冷速、冷却模式和钢板合金成分。过程控制***13制定冷却策略、计算冷却规程并由PLC***12执行规程。PLC***12分别执行供风***和辊道***的作业规程：冷却风经主供风管、分流集气管和分供风管，以一定速度和压力由上、下喷箱10喷出，气体射流冲击钢板11表面，产生强化换热效果，与钢板11换热后的热风由冷却室顶部抽出，经换热器冷却后重新被送入喷箱；同时冷却室前辊道14按相同辊速运送钢板进冷却室；钢板即将出冷却室时，冷却室后辊道15按冷却室内辊辊速转动，运送钢板出冷却室；当冷却室后金属检测器检测到钢板尾部时，冷却室内辊道5停止转动。

Claims (9)

1.一种中厚板热处理强风冷却***，包括冷却供风***和控制***，其特征在于，钢板在一个沿输送辊道设置的冷却室内完成强风冷却，冷却室内容纳多个冷却段，每个冷却段配置一套供风***和一套换热器，由一套过程控制***控制该冷却段钢板温降和冷却风循环；每套供风***由一台变频离心风机、一根主供风管、一根分流集气管和多根分供风管组成，每根分供风管与一个喷箱连接；一套供风***内变频离心风机入口与位于冷却室本体顶部的换热器出风口连接，风机出口依次与主、分供风管连接，分供风管与安置在输送辊道之间的上、下喷箱对应连接，冷却室本体设排风通道与换热器入风口连接，冷却水***与冷却室本体、换热器相伴设置；输送辊道的控制方式为单独传动、成组变频；控制***由传动仪表***、PLC***和过程控制***三部分组成，过程控制***根据生产计划调用模型参数数据库，利用构建的强风冷却数学模型制定强风冷却策略，计算强风冷却规程，并将冷却规程发送至PLC***中执行和界面上显示，在线修正余下冷却段的冷却策略，从而控制钢板温降速率和冷却路径；过程控制***由入口金属检测器信号触发PLC作业，PLC***分别执行供风***和辊道***的作业规程。

2.根据权利要求1所述的一种中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，喷箱由内腔、阻尼装置和喷孔三部分组成，喷箱内腔进风侧过风截面积大，封闭侧过风截面积小，垂直辊道沿钢板前进方向看喷箱呈直角梯形，进风侧面和封闭侧面与喷孔面垂直。

3.根据权利要求2所述的一种中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，喷箱内腔设阻尼装置，阻尼装置为两层多孔筛板，进风侧筛板孔径大，出风侧筛板孔径小，冷却风由喷箱进风侧进入内腔，经阻尼装置由喷孔喷出，喷孔安装在喷孔面上，为多排圆形喷孔，上喷箱喷孔面在下侧，下喷箱喷孔面在上侧，上下两侧喷孔面与辊面距离均为100mm。

4.根据权利要求1所述的一种中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，换热器采用翅片管式水-气换热器，管内通冷却水，与钢板换热后的热风由冷却室顶部抽入换热器翅片间，与冷却水发生热交换，通过控制换热器进水量，控制换热效果，进而控制冷却风喷射温度，换热器出口水温上限为55℃。

5.根据权利要求1所述的一种中厚板热处理强风冷却***，其特征在于各冷却段过程控制***调用强风冷却数学模型制定冷却策略和各冷却段冷却规程，冷却规程下发到PLC***和传动仪表***；PLC***根据实时采集的各冷却段风量、风压和板温实测值，采用风量-风压双闭环控制使风量、风压实际值与设定值之差在允许范围内，控制对象为各冷却段风机变频器。

6.根据权利要求5所述的一种中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，强风冷却策略包括各冷却段目标冷却温度、冷却速率和辊道控制逻辑，强风冷却规程包括各喷箱供气量、风压、喷射温度和钢板行进速度。

7.根据权利要求5所述的一种中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，强风冷却***控制两种换热形式：冷却室内钢板-冷却风换热和换热器水-气换热；制定冷却规程时，将每一套供风***所针对的冷却段内钢板-冷却风换热过程离散为若干等温降过程，利用钢板-冷却风换热模型和换热器水-气换热模型计算每个等温降段内喷风参数和换热器参数；在线修正计算时，根据PLC实时传递的喷风参数、钢板位置及换热器参数，利用上述换热模型修正计算每个等温降段内板温和风温，根据计算值与各冷却段热电偶实测板温的差值调整冷却规程。

8.根据权利要求5所述的一种中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，PLC***分别执行供风***和辊道***的作业规程：冷却风经主供风管、分流集气管和分供风管，以一定速度和压力由上、下喷箱喷出，气体射流冲击钢板表面，产生强化换热效果，与钢板换热后的热风由冷却室顶部抽出，经换热器冷却后重新被送入喷箱；冷却室前金属检测器检测到钢板头部时，过程控制***制定冷却策略、计算冷却规程并由PLC***执行规程，此时冷却室内辊道按设定辊速转动，同时冷却室前辊道按相同辊速运送钢板进冷却室；钢板即将出冷却室时，冷却室后辊道按冷却室内辊速转动，运送钢板出冷却室；当冷却室后金属检测器检测到钢板尾部时，冷却室内辊道停止转动。

9.根据权利要求5所述的一种中厚板热处理强风冷却***，其特征在于，所述强风冷却数学模型，包括供风参数初始化模型、冷却风喷射温度计算模型、钢板表面综合换热系数计算模型和钢板温降模型；供风参数初始化模型包括供风管路沿程压力损失计算、供风管路局部压力损失计算和喷孔喷射参数计算，计算结果为喷孔喷风速度、单喷孔喷风量和单喷孔喷风压力；冷却风喷射温度计算模型根据翅片管换热器结构尺寸、冷却水进水-回水温度、冷却水流量和换热器入口热风温度计算换热器热效率，进而计算换热器出口冷风温度；钢板表面综合换热系数计算模型根据钢板表面多喷孔射流冲击换热情况下局部换热系数与雷诺数、喷射距离、喷孔直径和喷气温度的关系，利用集总参数法计算各冷却段钢板上下表面综合换热系数；钢板温降模型采用沿厚度和宽度方向的二维非稳态导热方程，热物性参数随板温变化而变化，利用有限元法求解得到各温降段内钢板宽向和厚向的温度分布。

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