RU2783688C1 - Method for controlling the cooling device in the rolling mill line - Google Patents

Abstract

FIELD: mill products.

SUBSTANCE: invention relates to the control of a cooling device made with the possibility of regulating the temperature of the rolled material passing through the cooling device. The total enthalpy of the system formed by the rolled material is determined. A scale formation degree is determined, preferably containing a scale formation coefficient depending on the chemical composition and surface temperature of the rolled material. Calculation of the temperature distribution and/or average temperature in the rolled material is provided based on a model for calculating the temperature, which includes a certain total enthalpy and a degree of scale formation. The cooling capacity of the cooling device is set taking into account the calculated temperature distribution and/or average temperature in the rolled material.

EFFECT: as a result, accurate prediction and regulation of the temperature of the rolled material is provided.

14 cl, 8 dwg, 1 tbl

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к способу и управляющему устройству для управления охлаждающим устройством, выполненным с возможностью регулирования температуры прокатываемого материала, предпочтительно металлической полосы, проходящего через охлаждающее устройство вдоль направления подачи. Охлаждающее устройство предпочтительно расположено перед линией прокатного стана, в частности между черновой прокатной линией и чистовой прокатной линией.The present invention relates to a method and a control device for controlling a cooling device adapted to control the temperature of a rolled material, preferably a metal strip, passing through the cooling device along the feed direction. The cooling device is preferably located before the rolling line, in particular between the rough rolling line and the finishing rolling line.

Уровень техникиState of the art

Для прокатки в линии прокатного стана, особенно на полосовом стане горячей прокатки, очень важно иметь возможность отслеживать и целенаправленно регулировать распределение температуры в прокатываемом материале. Так, слишком высокая или слишком низкая температура в прокатываемом материале во время прокатки может неблагоприятно повлиять на механические свойства начисто прокатанного продукта. При этом при пластическом деформировании различные металлические материалы, как правило, требуют различных тепловых и механических условий. Соответствующие температурно-временные характеристики могут значительно отличаться в зависимости от материала и пластического деформирования.For rolling in a rolling mill line, especially in a hot strip mill, it is very important to be able to monitor and purposefully control the temperature distribution in the rolled material. Thus, too high or too low a temperature in the rolled material during rolling can adversely affect the mechanical properties of the finished rolled product. At the same time, during plastic deformation, various metallic materials, as a rule, require different thermal and mechanical conditions. The corresponding temperature-time characteristics can differ significantly depending on the material and plastic deformation.

Идеальным является случай, когда требуемые температуры прокатываемого материала могут быть установлены уже в печи, расположенной перед линией прокатного стана, с учетом специфической для материала температуры, времени выдержки и т.п., так что затем прокатываемый материал может быть пластически деформирован в линии прокатного стана и доведен до конечного размера при оптимальном распределении температуры. Однако из-за инерционности таких печей это вряд ли возможно. Температура в печи должна быть адаптирована для каждого прокатываемого материала в соответствии с предусмотренным процессом пластического деформирования. Поэтому в таких печах в общем случае поддерживают высокую температуру, позволяющую осуществить все процессы пластического деформирования, требуемые в рамках процесса производства или производственного цикла. Однако температура, установленная таким образом, для многих прокатываемых материалов, в частности для металлических полос, является слишком высокой или по меньшей мере излишне высокой. К тому же металлические полосы различной толщины охлаждаются с разной скоростью. Поэтому целенаправленная установка температуры прокатываемых металлических полос или, соответственно, в общем случае, прокатываемых материалов связана с трудностями.Ideally, the desired temperatures of the rolled material can already be set in the furnace upstream of the rolling line, taking into account material-specific temperatures, holding times, etc., so that the rolled material can then be plastically deformed in the rolling line and brought to the final size with optimal temperature distribution. However, due to the inertia of such furnaces, this is hardly possible. The furnace temperature must be adapted to each rolled material according to the intended plastic deformation process. Therefore, such furnaces are generally maintained at a high temperature to enable all plastic deformation processes required within the manufacturing process or production cycle. However, the temperature set in this way is too high, or at least unnecessarily high, for many rolled materials, in particular for metal strips. In addition, metal strips of different thicknesses are cooled at different rates. It is therefore difficult to purposefully set the temperature of the rolled metal strips or, in general, the rolled materials.

Известно, что металлическую полосу после прокатки можно остановить в черновой прокатной линии или продолжать перемещать ее с пониженной скоростью прокатки или подачи, так что металлическая полоса охлаждается на воздухе, прежде чем она поступает на чистовую прокатную линию. Другая возможность установки или адаптации температуры состоит в том, что после поступления на чистовую прокатную линию металлическую полосу транспортируют с пониженной скоростью, т.е. прокатывают с пониженной скоростью прокатки. Однако такие меры приводят к ограничению программы прокатки и снижению производительности линии прокатного стана. Кроме того, вследствие остановки или замедления металлической полосы возникают паузы, во время которых на поверхности металлической полосы могут возникнуть проблемы с окалиной.It is known that the metal strip after rolling can be stopped in the rough rolling line or continued to be moved at a reduced rolling or feed speed so that the metal strip is air-cooled before it enters the finishing rolling line. Another possibility of setting or adapting the temperature is that, after entering the finishing rolling line, the metal strip is transported at a reduced speed, i.e. rolled at a reduced rolling speed. However, such measures lead to a limitation of the rolling program and a decrease in the productivity of the rolling line. In addition, pauses occur due to stopping or slowing down of the metal strip, during which dross problems can occur on the surface of the metal strip.

Дальнейшим развитием рассматриваемого процесса прокатки стала установка системы охлаждения с так называемым охладителем черновой полосы, расположенным между прокатными клетями черновой прокатной линии и чистовой прокатной линией. Охладитель черновой полосы определяет участок охлаждения, на котором на прокатываемый материал подают жидкую охлаждающую среду, обычно воду с добавками или без добавок. При этом охладитель черновой полосы выполнен с возможностью установки температуры прокатываемого материала, желательной для чистовой прокатки, в зависимости от прокатываемого материала, в частности от подлежащего прокату материала, и при необходимости от параметров процесса. Такой охладитель черновой полосы позволяет целенаправленно снижать температуру на входе чистовой прокатной линии. В случае стальной полосы температуры, достигаемые при помощи такого охладителя черновой полосы, лежат в диапазоне от 1050°С до 1150°С. При этом температура прокатываемого материала может быть равномерно снижена по его длине, или в качестве альтернативы может быть установлено клинообразное снижение температуры. В последнем случае головная часть металлической полосы, т.е. та ее часть, которая поступает на чистовую прокатную линию прежде всего, охлаждается сильнее, чем конец полосы. Это позволяет предотвратить слишком сильное охлаждение конца полосы, в частности в случае медленного управления процессом.A further development of the rolling process under consideration was the installation of a cooling system with a so-called rough strip cooler located between the rolling stands of the rough rolling line and the finishing rolling line. The pre-strip cooler defines a cooling section in which a liquid cooling medium, typically water with or without additives, is applied to the rolled material. At the same time, the rough strip cooler is configured to set the temperature of the rolled material, which is desirable for finishing rolling, depending on the rolled material, in particular on the material to be rolled, and, if necessary, on the process parameters. Such a roughing strip cooler makes it possible to purposefully reduce the inlet temperature of the finishing line. In the case of steel strip, the temperatures achieved with such a pre-strip cooler are in the range of 1050°C to 1150°C. In this case, the temperature of the rolled material can be evenly reduced along its length, or alternatively, a wedge-shaped temperature decrease can be established. In the latter case, the head of the metal strip, i.e. that part of it, which enters the finishing rolling line first of all, is cooled more strongly than the end of the strip. This makes it possible to prevent too much cooling of the end of the strip, in particular in the case of slow process control.

Перед таким охладителем черновой полосы и/или после него может быть измерена температура поверхности металлической полосы. Однако измерение распределения температуры или средней температуры вдоль толщины металлической полосы может быть осуществлено не без труда.Before and/or after such a pre-strip cooler, the surface temperature of the metal strip can be measured. However, the measurement of the temperature distribution or the average temperature along the thickness of the metal strip cannot be carried out without difficulty.

Одна возможность по меньшей мере приблизительного определения распределения температуры или средней температуры в прокатываемом материале состоит в применении математической модели. Так, в DE 10 2012 224 502 А1 описывается способ прокатки, при котором распределение температуры, имеющееся в прокатываемом материале, рассчитывают с помощью модели для расчета температуры, причем в модели для расчета температуры используют полную энтальпию прокатываемого материала. Затем выходную величину модели для расчета температуры применяют для управления процессом прокатки.One possibility to at least approximately determine the temperature distribution or average temperature in the rolled material is to use a mathematical model. For example, DE 10 2012 224 502 A1 describes a rolling process in which the temperature distribution existing in the rolled material is calculated using a temperature calculation model, the temperature calculation model using the total enthalpy of the rolled material. The output of the temperature calculation model is then used to control the rolling process.

Для регулирования охладителя черновой полосы, в частности для определения расхода воды, требуемого для установки желательного распределения температуры в металлической полосе, требуются как можно более точные методы расчета. Если линия прокатного стана и температура металлической полосы, поступающей на линию прокатного стана, согласованы друг с другом в недостаточной мере, то это может привести к снижению производительности и/или качества.To control the pre-strip cooler, in particular to determine the water flow required to establish the desired temperature distribution in the metal strip, calculation methods that are as accurate as possible are required. If the rolling line and the temperature of the metal strip entering the rolling line are insufficiently coordinated with each other, this may lead to a decrease in productivity and/or quality.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Задача изобретения состоит в дальнейшем улучшении расчета распределения температуры в прокатываемом материале, в частности для обеспечения как можно более точного прогнозирования и регулирования температуры прокатываемого материала на входе в линию прокатного стана.The object of the invention is to further improve the calculation of the temperature distribution in the rolled material, in particular to ensure that the temperature of the rolled material entering the rolling line is predicted and controlled as accurately as possible.

Эта задача решается благодаря способу с признаками пункта 1 и управляющему устройству с признаками пункта 14 формулы изобретения. Выгодные усовершенствованные варианты осуществления следуют из зависимых пунктов, последующего описания изобретения и описания предпочтительных примеров осуществления.This problem is solved thanks to the method with the characteristics of paragraph 1 and the control device with the characteristics of paragraph 14 of the claims. Advantageous improved embodiments follow from the dependent claims, the following description of the invention and the description of preferred embodiments.

Предлагаемый изобретением способ служит для управления охлаждающим устройством, выполненным с возможностью регулирования температуры прокатываемого материала. Прокатываемый материал предпочтительно представляет собой металлическую полосу. Хотя особенно подходят металлические полосы из стали, способ применим для всех или по меньшей мере для многих других материалов, например, из алюминиевого, никелевого или медного сплава, в форме полосы, листа, трубы или в другой форме. Прокатываемый материал транспортируют в направлении подачи через охлаждающее устройство. Охлаждающее устройство особенно предпочтительно является частью прокатного стана. Так, оно может быть расположено перед линией прокатного стана, чтобы доводить прокатываемый материал до подходящей для прокатки температуры. Предпочтительно охлаждающее устройство расположено между черновой прокатной линией и чистовой прокатной линией, каждая из которых содержит одну или множество прокатных клетей для прокатки прокатываемого материала.The method according to the invention serves to control a cooling device capable of controlling the temperature of the rolled material. The rolled material is preferably a metal strip. Although steel strips are particularly suitable, the method is applicable to all or at least many other materials, such as aluminum, nickel or copper alloy, in the form of a strip, sheet, pipe or other form. The rolled material is transported in the feed direction through a cooling device. The cooling device is particularly preferably part of the rolling mill. Thus, it may be located upstream of the rolling mill line in order to bring the material to be rolled to a temperature suitable for rolling. Preferably, the cooling device is located between the rough rolling line and the finishing rolling line, each of which contains one or a plurality of rolling stands for rolling the material to be rolled.

Согласно изобретению определяют полную энтальпию системы, образованной прокатываемым материалом. При высоких температурах на поверхности прокатываемого материала образуется окалина. Слой окалины уменьшает теплоотдачу путем излучения и влияет на теплопроводность. Поэтому также определяют меру окалинообразования. Указанная мера предпочтительно содержит коэффициент окалинообразования, зависящий от химического состава и температуры поверхности прокатываемого материала. Итак, распределение температуры и/или среднюю температуру в прокатываемом материале рассчитывают на основе модели для расчета температуры, в которую входит определенная полная энтальпия и мера окалинообразования. После того, как распределение температуры в прокатываемом материале стало известно, с учетом расчетного распределения температуры и/или средней температуры устанавливают холодопроизводительность охлаждающего устройства.According to the invention, the total enthalpy of the system formed by the rolled material is determined. At high temperatures, scale forms on the surface of the rolled material. The scale layer reduces heat transfer by radiation and affects the thermal conductivity. Therefore, the measure of scale formation is also determined. Said measure preferably contains a scaling factor depending on the chemical composition and the surface temperature of the rolled material. So, the temperature distribution and/or the average temperature in the rolled material is calculated based on the temperature calculation model, which includes a certain total enthalpy and a measure of scaling. After the temperature distribution in the rolled material has become known, the cooling capacity of the cooling device is set taking into account the calculated temperature distribution and/or average temperature.

Предлагаемый способ улучшает расчет температуры прокатываемого материала. В частности в результате учета окалинообразования повышается точность распределения температуры и/или средней температуры. В результате этого охлаждающее устройство могут регулировать таким образом, что прокатываемый материал при выходе из охлаждающего устройства имеет желательную среднюю температуру или, соответственно, желательное распределение температуры. Если к охлаждающему устройству примыкает линия прокатного стана, например, чистовая прокатная линия, то, таким образом, в результате регулирования охлаждающего устройства во время прокатки без пауз могут установить оптимальную температуру прокатываемого материала на входе линии прокатного стана. Таким образом, посредством расчета распределения температуры или, соответственно, средней температуры в прокатываемом материале, основанного на модели для расчета температуры, предпочтительно рассчитывают температуру прокатываемого материала на входе расположенной за охлаждающим устройством линии прокатного стана, предпочтительно чистовой прокатной линии. В зависимости от применения, т.е. в зависимости от протекающего процесса пластического деформирования, это означает предотвращение ненужного снижения производительности и/или качества. К тому же с помощью охлаждающего устройства, в частности в качестве охладителя черновой полосы, уменьшают поверхностные дефекты из-за окалинообразования. Кроме того, предлагаемый способ делает возможной гомогенизацию неравномерностей температуры в прокатываемом материале посредством определенно устанавливаемой холодопроизводительности охлаждающего устройства.The proposed method improves the calculation of the temperature of the rolled material. In particular, as a result of taking into account scale formation, the accuracy of the temperature distribution and/or the average temperature is improved. As a result of this, the cooling device can be adjusted in such a way that the rolled material has the desired average temperature or the desired temperature distribution as it exits the cooling device. If the cooling device is adjacent to a rolling mill line, for example a finishing rolling line, then by adjusting the cooling device during rolling without pauses, an optimum temperature of the rolled material at the inlet of the rolling mill line can be established. Thus, by calculating the temperature distribution or, respectively, the average temperature in the rolled material, based on the temperature calculation model, the temperature of the rolled material at the inlet of the downstream rolling line, preferably the finishing rolling line, is preferably calculated. Depending on the application, i.e. depending on the ongoing plastic deformation process, this means preventing an unnecessary reduction in productivity and/or quality. In addition, by using a cooling device, in particular as a pre-strip cooler, surface defects due to scaling are reduced. In addition, the proposed method makes it possible to homogenize temperature irregularities in the rolled material by means of a specifically adjustable cooling capacity of the cooling device.

Предпочтительно полную энтальпию прокатываемого материала рассчитывают по сумме свободных молярных энтальпий всех имеющихся в прокатываемом материале чистых фаз и/или долей фаз. Благодаря такому разложению с помощью одной и той же модели для расчета температуры может быть рассчитана полная энтальпия для множества различных металлических материалов.Preferably, the total enthalpy of the rolled material is calculated from the sum of the free molar enthalpies of all pure phases and/or phase fractions present in the rolled material. With this decomposition, the total enthalpy for many different metallic materials can be calculated using the same temperature model.

Предпочтительно модель для расчета температуры основана на уравнении неустановившегося теплового баланса, например, на дифференциальном уравнении в частных производных, связывающем пространственное распределение температуры в прокатываемом материале с временным развитием полной энтальпии. Уравнение теплового баланса, например, уравнение теплового баланса Фурье, может быть решено посредством обычного численного метода, например, путем моделирования, для соответствующих краевых условий, заданных технологической средой на участке охлаждения. Благодаря этому с желательной точностью могут определить распределение температуры в прокатываемом материале.Preferably, the temperature calculation model is based on a transient heat balance equation, such as a partial differential equation relating the spatial distribution of temperature in the rolled material to the time evolution of the total enthalpy. The heat balance equation, eg the Fourier heat balance equation, can be solved by a conventional numerical method, eg by simulation, for appropriate boundary conditions given by the process fluid in the cooling section. As a result, the temperature distribution in the rolled material can be determined with the desired accuracy.

Предпочтительно последовательность, включающую определение полной энтальпии, при необходимости определение меры окалинообразования, расчет распределения температуры, а также установку холодопроизводительности, выполняют итеративно или, соответственно, циклически, так что осуществляют приближение к желательному распределению температуры или, соответственно, к средней температуре в прокатываемом материале. Таким образом, в начале итерации определяют начальные условия: например, температуру прокатываемого материала устанавливают на начальное значение Т0, представляющее собой температуру поверхности перед поступлением на участок охлаждения; толщину окалины устанавливают, например, на 0 мм, а среднюю скорость охлаждения, например, на 5 К/с в качестве значения по умолчанию. Исходя их этого, начинают итерацию, в результате чего расчетный температурный профиль постепенно приближается к квазистационарному температурному профилю. При этом "квазистационарный" означает то, что температурный профиль посредством регулирования охлаждающего устройства может быть изменен, и его также изменяют для регулировки температуры на входе в возможную линию прокатного стана.Preferably, the sequence including the determination of the total enthalpy, if necessary the determination of the scaling measure, the calculation of the temperature distribution and also the setting of the cooling capacity, is carried out iteratively or cyclically, so that the desired temperature distribution or, respectively, the average temperature in the rolled material is approached. Thus, at the beginning of the iteration, the initial conditions are determined: for example, the temperature of the rolled material is set to the initial value T0, which is the surface temperature before entering the cooling section; the dross thickness is set to, for example, 0 mm, and the average cooling rate is set to, for example, 5 K/s as a default value. Based on this, an iteration is started, as a result of which the calculated temperature profile gradually approaches the quasi-stationary temperature profile. Here "quasi-stationary" means that the temperature profile can be changed by adjusting the cooling device, and it is also changed to control the temperature at the entrance to the possible rolling line.

Предпочтительно установку холодопроизводительностиPreferably cooling capacity setting

охлаждающего устройства осуществляют путем сравнения с пороговым значением или, соответственно, допуском. Это означает, что если отклонение расчетного распределения температуры от заданного распределения температуры превышает заданный допуск, выполняют согласование холодопроизводительности. В противном случае изменений холодопроизводительности не требуется. Для принятия указанного решения применять все расчетное распределение температуры необязательно, для простоты с соответствующим заданным значением могут сравнить одно или множество значений температуры или среднюю температуру. Так, например, друг с другом можно сравнить заданное значение и фактическое значение температуры поверхности на выходе охлаждающего устройства. Если соответствующая разность лежит за пределами заданного допуска, например, ±2°С, то осуществляют согласование холодопроизводительности.cooling device is carried out by comparison with a threshold value or, respectively, tolerance. This means that if the deviation of the calculated temperature distribution from the specified temperature distribution exceeds the specified tolerance, the cooling capacity is matched. Otherwise no change in cooling capacity is required. To make this decision, it is not necessary to apply the entire calculated temperature distribution, for simplicity, one or more temperature values or an average temperature can be compared with the corresponding setpoint. Thus, for example, the set value and the actual value of the surface temperature at the outlet of the cooling device can be compared with each other. If the corresponding difference lies outside the specified tolerance, for example, ±2°C, then the cooling capacity is matched.

Предпочтительно охлаждающее устройство содержит узел сопел с множеством сопел, выполненный с возможностью снабжения сопел текучей охлаждающей средой, предпочтительно водой или водной смесью, причем в этом случае холодопроизводительность охлаждающего устройства устанавливают посредством расхода охлаждающей среды, выпускаемой из сопел. Благодаря этому холодопроизводительность охлаждающего устройства могут установить простым и непосредственным образом.Preferably, the cooling device comprises a multi-nozzle nozzle assembly configured to supply the nozzles with a cooling fluid, preferably water or an aqueous mixture, in which case the cooling capacity of the cooling device is set by the flow rate of the cooling medium discharged from the nozzles. As a result, the cooling capacity of the cooling device can be set in a simple and direct manner.

Предпочтительно предусмотрено одно или множество устройств для измерения температуры, данные измерений которых входят в определение полной энтальпии и/или определение меры окалинообразования, и/или входят в модель для расчета температуры другим образом. Так, первое устройство для измерения температуры может быть расположено непосредственно за черновой прокатной линией, а второе устройство для измерения температуры непосредственно перед чистовой прокатной линией. Разумеется, на участке охлаждения, в черновой прокатной линии и/или в чистовой прокатной линии могут быть предусмотрены альтернативные или дополнительные устройства для измерения температуры, а также возможные датчики для определения других физических величин, таких, как например, скорость подачи прокатываемого материала. Устройства для измерения температуры предпочтительно работают бесконтактно и, как правило, выполнены таким образом, что они по существу обнаруживают температуру поверхности прокатываемого материала. Данные измерений устройств для измерения температуры и возможных дополнительных датчиков с использованием проводов или беспроводной связи передают в управляющее устройство, где их продолжают обрабатывать с помощью модели для расчета температуры, чтобы в результате этого получить регулируемые величины для управления охлаждающим устройством и возможными другими компонентами прокатного стана, такими, как например черновая и/или чистовая прокатная линия. Команды управления также с использованием проводов или беспроводной связи передают в соответствующие исполнительные устройства, такие, как например, насосы и/или клапаны, охлаждающего устройства, благодаря чему холодопроизводительность охлаждающего устройства может быть изменена во времени и/или пространстве вдоль участка охлаждения.Preferably, one or a plurality of temperature measuring devices are provided, the measurement data of which is included in the determination of the total enthalpy and/or the determination of the scale formation measure, and/or is included in the model for calculating the temperature in another way. Thus, the first temperature measuring device may be located immediately after the rough rolling line, and the second temperature measuring device directly before the finishing rolling line. Of course, in the cooling section, in the rough rolling line and/or in the finishing rolling line, alternative or additional devices for measuring temperature can be provided, as well as possible sensors for determining other physical quantities, such as, for example, the feed rate of the rolled material. The temperature measuring devices preferably operate non-contactly and are generally designed such that they substantially detect the surface temperature of the material being rolled. The measurement data of the temperature measuring devices and possible additional sensors are transmitted by wire or wireless communication to the control device, where they continue to be processed by means of a temperature calculation model, in order to obtain controlled values for controlling the cooling device and possible other components of the rolling mill, such as, for example, a roughing and/or finishing rolling line. Control commands are also transmitted via wires or wireless communication to the appropriate actuators, such as pumps and/or valves, of the cooling device, whereby the cooling capacity of the cooling device can be changed in time and/or space along the cooling section.

Предпочтительно при расчете полной энтальпии температуры фазового превращения определяют методом регрессии, в котором используются коэффициенты регрессии, предпочтительно получаемые из расчетной или эмпирически полученной диаграммы время - температура - превращение. Поскольку с помощью расчетных диаграмм время - температура - превращение температуры фазового превращения могут быть определены очень точно, расчет температур может быть выполнен особенно точно и с максимально возможной достоверностью входных данных.Preferably, when calculating the total enthalpy, the phase transformation temperatures are determined by a regression method, which uses regression coefficients, preferably obtained from a calculated or empirically derived time-temperature-transformation diagram. Since the phase transformation temperatures can be determined very precisely by means of the time-temperature-transformation calculation diagrams, the temperature calculation can be carried out particularly accurately and with the greatest possible reliability of the input data.

Предпочтительно в рамках модели для расчета температуры полную энтальпию рассчитывают в виде свободной молярной полной энтальпии Н прокатываемого материала посредством энергии G Гиббса при постоянном давлении р по уравнениюPreferably, within the framework of the temperature calculation model, the total enthalpy is calculated as the free molar total enthalpy H of the rolled material by means of the Gibbs energy G at constant pressure p according to the equation

где Т обозначает абсолютную температуру в градусах Кельвина.where T is the absolute temperature in degrees Kelvin.

Для смеси фаз энергию G Гиббса совокупной системы предпочтительно определяют как сумму энергий Гиббса чистых фаз и долей фаз по уравнениюFor a mixture of phases, the Gibbs energy G of the total system is preferably defined as the sum of the Gibbs energies of the pure phases and the fractions of the phases according to the equation

где f обозначает долю энергии Гиббса соответствующей фазы или соответствующей доли фазы в совокупной системе, a Gⁱ - энергию Гиббса соответствующей чистой фазы или соответствующей фазовой доли системы.where f denotes the Gibbs energy fraction of the respective phase or the respective phase fraction in the overall system, and G ⁱ is the Gibbs energy of the respective pure phase or the respective phase fraction of the system.

Поскольку полная энтальпия с помощью энергий Гиббса может быть определена как входная величина при расчете температуры для почти всех металлических материалов, производимых в настоящее время во всем мире, а температуры фазового превращения могут быть определены очень точно, например, с помощью расчетных диаграмм время - температура - превращение, расчет температур может быть выполнен особенно точно и с максимально возможной достоверностью входных данных.Because the total enthalpy can be determined using Gibbs energies as an input in temperature calculations for almost all metallic materials currently produced worldwide, and phase transformation temperatures can be determined very precisely, for example, using calculated time - temperature - transformation, the calculation of temperatures can be carried out particularly accurately and with the highest possible reliability of the input data.

Предпочтительно прокатываемый материал состоит из стали с долями аустенитной, ферритной и жидкой фазы, причем в случае металлических полос жидкая фаза во время процесса прокатки, как правило, уже не существует. В этом случае энергию Гиббса соответствующих фаз предпочтительно определяют по следующему уравнениюPreferably, the material to be rolled consists of steel with austenitic, ferritic and liquid phases, whereby in the case of metal strips, the liquid phase generally no longer exists during the rolling process. In this case, the Gibbs energy of the respective phases is preferably determined by the following equation

где

- энергия Гиббса соответствующей фазы φ,

- мольная доля i-го компонента соответствующей фазы φ,

- энергия Гиббса i-го компонента соответствующей фазы φ, R - общая газовая постоянная, Т - абсолютная температура в градусах Кельвина,

- энергия Гиббса для неидеальной смеси, а

- магнитная энергия системы.where

- Gibbs energy of the corresponding phase φ,

- molar fraction of the i-th component of the corresponding phase φ,

is the Gibbs energy of the i-th component of the corresponding phase φ, R is the total gas constant, T is the absolute temperature in degrees Kelvin,

is the Gibbs energy for a non-ideal mixture, and

- magnetic energy of the system.

При этом энергию Гиббса

для неидеальной смеси предпочтительно определяют по уравнениюAt the same time, the Gibbs energy

for a non-ideal mixture, it is preferably determined by the equation

где x_i - мольная доля, x_j i-го компонента, x_j - мольная доля j-го компонента, x_k - мольная доля k-го компонента, а - поправочный член,

и

- параметры взаимодействия различного порядка совокупной системы, образованной прокатываемым материалом.where x _i is the mole fraction, x _j of the i-th component, x _j is the mole fraction of the j-th component, x _k is the mole fraction of the k-th component, a is the correction term,

and

- parameters of interaction of various orders of the total system formed by the rolled material.

Долю магнитной энергии

предпочтительно определяют по уравнениюShare of magnetic energy

preferably determined by the equation

где R - общая газовая постоянная, Т - абсолютная температура в градусах Кельвина, β - магнитный момент, а f(τ) - доля в совокупной системе в зависимости от нормированной температуры Кюри т совокупной системы, образованной прокатываемым материалом.where R is the total gas constant, T is the absolute temperature in degrees Kelvin, β is the magnetic moment, and f(τ) is the proportion in the total system as a function of the normalized Curie temperature t of the total system formed by the rolled material.

Предпочтительно кинетику превращения фаз определяют, применяя диффузионно-контролируемый подход согласно уравнению Эномото, точнее говоря, с помощью следующего уравнения:Preferably, the phase transformation kinetics are determined using a diffusion-controlled approach according to the Enomoto equation, more precisely using the following equation:

Здесь

обозначает концентрации углерода в объеме,

концентрации углерода на границе раздела фаз с ферритной стороны, а

- концентрации углерода на границе раздела фаз с аустенитной стороны. Концентрации углерода рассчитывают по равновесным концентрациям, которые в свою очередь получаются из равновесия химических потенциалов на границах раздела фаз.

обозначает начальную температуру фазового превращения, Т - текущую температуру прокатываемого материала, а

скорость охлаждения. Начальную температуру фазового превращения предпочтительно определяют по уравнениям регрессии диаграмм время - температура - превращение.

обозначает коэффициент диффузии углерода в аустените согласноHere

denotes the concentration of carbon in the volume,

concentration of carbon at the interface on the ferrite side, and

- concentration of carbon at the interface on the austenitic side. Carbon concentrations are calculated from equilibrium concentrations, which in turn are obtained from the equilibrium of chemical potentials at the interfaces.

denotes the initial temperature of the phase transformation, T is the current temperature of the rolled material, and

cooling rate. The initial phase transformation temperature is preferably determined from the regression equations of time-temperature-transformation diagrams.

denotes the diffusion coefficient of carbon in austenite according to

где d - размер аустенитного зерна.where d is the size of the austenite grain.

С помощью полученных таким образом температур границ раздела фаз и долей структурных составляющих с большой точностью может быть определена полная энтальпия.With the help of the temperatures of the phase boundaries and the proportions of structural components obtained in this way, the total enthalpy can be determined with great accuracy.

Предпочтительно в рамках модели для расчета температуры толщину окалины, образованной на прокатываемом материале по истечении временного интервала, рассчитывают по следующей расчетной формулеPreferably, within the framework of the model for calculating the temperature, the thickness of the scale formed on the rolled material after the time interval has elapsed is calculated by the following calculation formula

сWith

гдеwhere

D_z(t) обозначает толщину окалины, t - время, dt - временной интервал, F_z - коэффициент окалинообразования, υ - скорость подачи прокатываемого материала, a d_z - длину пути, пройденного за временной интервал dt со скоростью υ.D _z (t) denotes the thickness of the scale, t is the time, dt is the time interval, F _z is the coefficient of scale formation, υ is the feed rate of the rolled material, ad _z is the length of the path traveled during the time interval dt with the speed υ.

Предпочтительно коэффициент F_z окалинообразования рассчитывают в зависимости от температуры поверхности прокатываемого материала и его химического состава согласно уравнениюPreferably, the scaling factor F _z is calculated depending on the surface temperature of the rolled material and its chemical composition according to the equation

где

- температура поверхности прокатываемого материала, а С% - безразмерная концентрация углерода в материале прокатываемого материала, a, b и с представляют собой коэффициенты, известные из литературы; см., например, R. Viscorova, Untersuchung des

bei der

unter besonderer

des Einflusses der Verzunderung, TU Clausthal, Dissertation, 2007 (Исследование теплопередачи при охлаждении разбрызгиваемой водой с особым учетом влияния окалинообразования). Приведенное выше уравнение для определения коэффициента окалинообразования дает особенно хорошие результаты для металла, в частности стали, с небольшим содержанием кремния, в частности менее 2% масс. В этом случае коэффициенты, составляют, например: а=9,8*10⁷, b=2,08, с=17780.where

is the surface temperature of the rolled material, and C% is the dimensionless concentration of carbon in the material of the rolled material, a, b and c are coefficients known from the literature; see, for example, R. Viscorova, Untersuchung des

bei der

unter besonderer

des Einflusses der Verzunderung, TU Clausthal, Dissertation, 2007 (Investigation of heat transfer in spray water cooling with particular regard to the effect of scaling). The above equation for determining the scaling factor gives particularly good results for metal, in particular steel, with a low silicon content, in particular less than 2% by weight. In this case, the coefficients are, for example: a=9.8*10 ⁷ , b=2.08, c=17780.

Коэффициент теплопередачи окалины предпочтительно учитывают согласно уравнениюThe scale heat transfer coefficient is preferably taken into account according to the equation

где

коэффициент теплопередачи окалины,

- толщина окалины, а

- коэффициент теплопроводности окалины.where

scale heat transfer coefficient,

- dross thickness, and

- coefficient of thermal conductivity of scale.

Указанная выше задача решается также благодаря управляющему устройству для управления охлаждающим устройством, выполненным с возможностью регулирования температуры прокатываемого материала, предпочтительно металлической полосы, проходящего через охлаждающее устройство вдоль направления подачи. Управляющее устройство выполнено с возможностью осуществления способа согласно приведенному выше описанию.The above object is also achieved by a control device for controlling the cooling device, adapted to control the temperature of the rolled material, preferably the metal strip, passing through the cooling device along the feed direction. The control device is configured to carry out the method as described above.

С этой целью управляющее устройство может быть выполнено локально или децентрализовано. Например, управляющее устройство может содержать множество вычислительных устройств, осуществляющих связь друг с другом посредством сети. Управляющее устройство поддается гибкой и не требующей больших затрат адаптации, например, посредством соответствующего программирования.To this end, the control device may be implemented locally or decentralized. For example, the control device may include a plurality of computing devices communicating with each other via a network. The control unit can be adapted flexibly and inexpensively, for example by appropriate programming.

Признаки, технические эффекты, преимущества и примеры осуществления, описанные в отношении способа, аналогичным образом действуют в отношении управляющего устройства.The features, technical effects, advantages and exemplary embodiments described with respect to the method apply similarly to the control device.

Несмотря на то, что приведенные выше конкретные примеры исходят из металлической полосы из стали, изобретение также применимо ко многим другим видам металлических материалов, например, к алюминиевым, никелевым или медным сплавам, а также к прокатываемым материалам других геометрий.Although the above specific examples are based on a metal strip of steel, the invention is also applicable to many other types of metal materials, such as aluminum, nickel or copper alloys, as well as to rolled materials of other geometries.

Дополнительные преимущества и признаки настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания предпочтительных вариантов осуществления. Описанные в нем признаки могут быть осуществлены отдельно или в сочетании с одним или множеством вышеизложенных признаков, поскольку указанные признаки не противоречат друг другу. Ниже приводится описание предпочтительных примеров осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи.Additional advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments. The features described therein can be implemented separately or in combination with one or more of the above features, as long as these features do not contradict each other. The following is a description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 представляет собой схематическое представление охлаждающего устройства, расположенного между черновой прокатной линией и чистовой прокатной линией.Fig. 1 is a schematic representation of a cooling device located between the rough rolling line and the finishing rolling line.

Фиг. 2 представляет собой диаграмму, показывающую для чистого железа энергию Гиббса как функцию температуры.Fig. 2 is a diagram showing the Gibbs energy for pure iron as a function of temperature.

Фиг. 3 представляет собой диаграмму, показывающую кривую полной энтальпии по Гиббсу для низкоуглеродистой стали при известных границах раздела фаз.Fig. 3 is a graph showing the Gibbs total enthalpy curve for mild steel at known interfaces.

Фиг. 4 представляет собой диаграмму время - температура -превращение, определенную с помощью уравнений регрессии.Fig. 4 is a time-temperature-transformation plot determined using regression equations.

Фиг. 5 представляет собой диаграмму, показывающую толщину окалины как функцию продолжительности окалинообразования при различной температуре поверхности.Fig. 5 is a graph showing dross thickness as a function of dross time at various surface temperatures.

Фиг. 6 представляет собой диаграмму, показывающую для различного содержания углерода толщину окалины как функцию длины прокатного стана.Fig. 6 is a graph showing, for various carbon contents, dross thickness as a function of mill length.

Фиг. 7а представляет собой диаграмму, в качестве примера показывающую изменение расчетной и измеренной температуры как функцию времени без учета влияния окалины.Fig. 7a is a graph showing, as an example, the change in calculated and measured temperature as a function of time without considering the influence of scale.

Фиг. 7b представляет собой диаграмму, в качестве примера показывающую изменение расчетной и измеренной температуры как функцию времени с учетом влияния окалины.Fig. 7b is a graph showing, as an example, the change in calculated and measured temperature as a function of time, taking into account the influence of scale.

Фиг. 8 представляет собой схему последовательности операций, в качестве примера показывающую ход процесса регулирования охлаждающего устройства согласно фиг.1.Fig. 8 is a flow chart showing, as an example, the progress of the control process of the cooling device according to FIG.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Ниже при помощи чертежей описываются предпочтительные примеры осуществления. При этом одинаковые, аналогичные или одинаково функционирующие элементы обозначены идентичными ссылочными знаками и, чтобы избежать избыточности, подробное описание этих элементов частично опущено.The preferred embodiments are described below with the aid of the drawings. Here, identical, similar, or identically functioning elements are designated by identical reference characters, and in order to avoid redundancy, the detailed description of these elements is partially omitted.

Фиг. 1 представляет собой схематическое представление охлаждающего устройства 10, в данном примере осуществления выполненного в виде так называемого охладителя черновой полосы и расположенного между черновой прокатной линией 1 и чистовой прокатной линией 2.Fig. 1 is a schematic representation of a cooling device 10, in this embodiment, made in the form of a so-called rough strip cooler and located between the rough rolling line 1 and the finishing rolling line 2.

Черновая прокатная линия 1 и чистовая прокатная линия 2 каждая имеет одну или множество прокатных клетей 1а, 2а для прокатки прокатываемого материала, транспортируемого через прокатный стан вдоль направления F подачи. Ниже в описании в качестве прокатываемого материала используется металлическая полоса В. Черновая прокатная линия 1 предпочтительно служит для прокатки сляба, например, поступающего из установки для непрерывного литья заготовок, в раскат. После прохождения через охлаждающее устройство 10 раскат посредством чистовой прокатной линии 2 начисто прокатывается до желательной конечной толщины.The rough rolling line 1 and the finishing rolling line 2 each have one or a plurality of rolling stands 1a, 2a for rolling the rolled material conveyed through the rolling mill along the feeding direction F. In the following description, metal strip B is used as the material to be rolled. The rough rolling line 1 is preferably used to roll a slab, for example from a continuous casting machine, into strip. After passing through the cooling device 10, the strip is finished-rolled by means of the finishing rolling line 2 to the desired final thickness.

Готовый лист, раскат и все промежуточные продукты подпадают под название "металлическая полоса". Название "металлическая полоса" также охватывает все подходящие для прокатки металлы и сплавы в листовой форме, в частности сталь и цветные металлы, такие, как например, алюминиевые и никелевые сплавы.The finished sheet, roll and all intermediate products fall under the name "metal strip". The term "metal strip" also covers all metals and alloys suitable for rolling in sheet form, in particular steel and non-ferrous metals such as, for example, aluminum and nickel alloys.

На фиг. 1 в качестве примера показана последняя прокатная клеть 1а черновой прокатной линии 1 и первая прокатная клеть 2а чистовой прокатной линии 2. При этом все пространственные соотношения, такие как "перед", "за", "первый", "последний" и т.д., указаны по отношению к направлению F подачи.In FIG. 1 shows the last rolling stand 1a of the rough rolling line 1 and the first rolling stand 2a of the finishing rolling line 2 by way of example. ., are indicated in relation to the feed direction F.

Охлаждающее устройство 10 содержит узел 11 сопел с множеством сопел 11а. Узел 11 сопел определяет участок охлаждения, на котором целенаправленно охлаждают металлическую полосу В, и который предпочтительно начинается непосредственно за черновой прокатной линией 1 и заканчивается непосредственно перед чистовой прокатной линией 2. Однако следует отметить, что в области между черновой прокатной линией 1 и чистовой прокатной линией 2 вполне могут быть установлены и другие агрегаты, такие, как например, окалиноломатель, ножницы и т.п.The cooling device 10 includes a nozzle assembly 11 with a plurality of nozzles 11a. The nozzle assembly 11 defines a cooling section in which the metal strip B is purposefully cooled, and which preferably starts immediately after the rough rolling line 1 and ends immediately before the finishing line 2. However, it should be noted that in the area between the rough rolling line 1 and the finishing line 2, other units may well be installed, such as, for example, scale breakers, shears, etc.

Узел 11 сопел содержит гидравлическую систему с насосом (насосами), распределительной линией (распределительными линиями), клапаном (клапанами) и т.п., на фиг. 1 подробно не показанными, выполненную с возможностью снабжения сопел 11а текучей охлаждающей средой, предпочтительно водой или водной смесью. Сопла 11а выполнены с возможностью разбрызгивания охлаждающей среды на металлическую полосу В, в частности на обе поверхности полосы. С этой целью сопла 11а расположены и ориентированы соответствующим образом, чтобы подавать на металлическую полосу В изменяющееся количество охлаждающей среды, предпочтительно на участках вдоль участка охлаждения.Nozzle assembly 11 comprises a hydraulic system with pump(s), distribution line(s), valve(s) and the like, in FIG. 1, not shown in detail, configured to supply the nozzles 11a with a fluid cooling medium, preferably water or an aqueous mixture. The nozzles 11a are adapted to spray the cooling medium onto the metal strip B, in particular onto both surfaces of the strip. To this end, the nozzles 11a are suitably positioned and oriented so as to supply the metal strip B with a varying amount of cooling medium, preferably in sections along the cooling section.

Для обеспечения возможности целенаправленного регулирования холодопроизводительности на участке охлаждения, как подробно объясняется ниже, между черновой прокатной линией 1 и чистовой прокатной линией 2 предпочтительно расположено одно или множество устройств 20, 21 для измерения температуры. В данном примере первое устройство 20 для измерения температуры находится непосредственно за черновой прокатной линией 1, а второе устройство 21 для измерения температуры - непосредственно перед чистовой прокатной линией 2. Разумеется, на участке охлаждения, в черновой прокатной линии 1 и/или в чистовой прокатной линии 2 могут быть предусмотрены альтернативные или дополнительные устройства для измерения температуры, а также возможные датчики для определения других физических величин, таких, как например, скорость подачи металлической полосы В. Устройства 20 для измерения температуры предпочтительно работают бесконтактно и, как правило, выполнены таким образом, что они по существу определяют температуру поверхности металлической полосы В. Поскольку температура поверхности в одной или множестве точек между черновой прокатной линией 1 и чистовой прокатной линией 2 известна, при необходимости от устройств 20, 21 для измерения температуры можно отказаться.In order to enable targeted control of the cooling capacity in the cooling section, as explained in detail below, between the rough rolling line 1 and the finishing rolling line 2, one or a plurality of temperature measuring devices 20, 21 are preferably arranged. In this example, the first temperature measuring device 20 is located immediately after the rough rolling line 1, and the second temperature measuring device 21 is located immediately before the finishing rolling line 2. Of course, in the cooling section, in the roughing rolling line 1 and/or in the finishing rolling line 2, alternative or additional temperature measuring devices can be provided, as well as possible sensors for determining other physical quantities, such as, for example, the feed rate of the metal strip B. The temperature measuring devices 20 preferably operate non-contactly and are generally designed in such a way that they essentially determine the surface temperature of the metal strip B. Since the surface temperature at one or more points between the rough rolling line 1 and the finishing rolling line 2 is known, the temperature measuring devices 20, 21 can be omitted if necessary.

Данные измерений устройств 20, 21 для измерения температуры и возможных дополнительных датчиков с использованием проводов или беспроводной связи передают в управляющее устройство 30, где их продолжают обрабатывать с помощью физической модели, чтобы в результате этого получить регулируемые величины для управления охлаждающим устройством 10. Команды управления также с использованием проводов или беспроводной связи передают в соответствующие исполнительные устройства охлаждающего устройства 10, такие, как например, насосы и/или клапаны, благодаря чему холодопроизводительность охлаждающего устройства 10 может быть изменена во времени и/или пространстве вдоль участка охлаждения, чтобы с максимально возможной точностью довести металлическую полосу В до температуры, необходимой для чистовой прокатной линии 2.The measurement data of the temperature measuring devices 20, 21 and possible additional sensors are transmitted by wire or wireless communication to the control device 30, where they continue to be processed with the physical model, in order to obtain controlled values for controlling the cooling device 10 as a result. transmitted via wires or wireless communication to the appropriate actuators of the cooling device 10, such as pumps and/or valves, whereby the cooling capacity of the cooling device 10 can be varied in time and/or space along the cooling section, so that with the greatest possible accuracy bring the metal strip B to the temperature required for the finishing rolling line 2.

Следует заметить, что показанная выше конструкция прокатного стана приведена только в качестве примера. Так, описанное здесь регулирование процесса может быть применено для охлаждающих устройств любого типа, задача которых состоит в целенаправленном охлаждении металлического продукта, в частности прокатываемого материала, до желательной конечной температуры. Таким образом, расположение охлаждающего устройства 10 не ограничено тем случаем, когда оно расположено после черновой прокатной линии 1 с прокатными клетями 1а или в частности между черновой прокатной клетью 1 и чистовой прокатной линией 2. Охлаждающее устройство 10 также может быть расположено, например, между двумя прокатными клетями 1а черновой прокатной линии 1 или между двумя прокатными клетями 2а чистовой прокатной линии 2.It should be noted that the structure of the rolling mill shown above is only an example. Thus, the process control described here can be applied to any type of cooling device, the task of which is to purposefully cool the metal product, in particular the rolled material, to the desired final temperature. Thus, the location of the cooling device 10 is not limited to the case when it is located after the rough rolling line 1 with the rolling stands 1a, or in particular between the roughing rolling stand 1 and the finishing rolling line 2. The cooling device 10 can also be located, for example, between two rolling stands 1a of the rough rolling line 1 or between two rolling stands 2a of the finishing rolling line 2.

Поскольку температуры внутри металлической полосы В измерены быть не могут, для определения указанных температур применяют физическую модель. С помощью указанной модели посредством программы для расчета температуры может быть определено распределение температуры в металлической полосе B в зависимости от условий процесса.Since the temperatures within the metal strip B cannot be measured, a physical model is used to determine these temperatures. With this model, the temperature distribution in the metal strip B depending on the process conditions can be determined by means of a temperature calculation program.

Сначала задают модель и основные положения программы для расчета температуры. Затем представляют примерный ход процесса регулирования охлаждающего устройства 10.First, the model and the main provisions of the program for calculating the temperature are set. An exemplary flow of the cooling device 10 regulation process is then presented.

Основная задача программы для расчета температуры относится к расчету температуры раската, т.е. распределению температуры в металлической полосе B в момент поступления в охлаждающее устройство 10, которая перед этим могла пройти через черновую прокатную линию 1. Расчет осуществляют предпочтительно методом конечных разностей. С этой целью металлическую полосу В математически разлагают на тонкие полосы. Краевые условия формулируют с учетом размеров зон охлаждения охлаждающего устройства 10, расхода и температуры охлаждающей среды и температуры окружающей среды.The main task of the program for calculating the temperature relates to the calculation of the temperature of the roll, i.e. temperature distribution in the metal strip B at the time of entry into the cooling device 10, which may have previously passed through the rough rolling line 1. The calculation is preferably carried out by the finite difference method. To this end, the metal strip B is mathematically decomposed into thin strips. The boundary conditions are formulated taking into account the dimensions of the cooling zones of the cooling device 10, the flow rate and temperature of the cooling medium and the ambient temperature.

Кроме того, в расчет распределения температуры также включают параметры процесса, такие, как например, скорость движения полосы и температура поверхности полосы, а также толщина и/или химический состав металлической полосы В, и поэтому при изменении их непосредственно и немедленно включают в расчет. Результатом является распределение температуры в металлической полосе В.In addition, process parameters such as, for example, strip speed and strip surface temperature, as well as the thickness and/or chemical composition of the metal strip B are also included in the calculation of the temperature distribution, and are therefore directly and immediately included in the calculation when changed. The result is the temperature distribution in the metal strip B.

Основой расчета температуры является уравнение нестационарного теплового баланса, см. приведенное ниже уравнение (1), в котором учитываются тепловые краевые условия и закон Фурье, согласно которому тепловой поток устанавливается в направлении температурного градиента в зависимости от теплопроводности λ. В уравнение входит плотность ρ и энтальпия Н материала. Энергия, выделяющаяся при превращении, может быть объединена с теплоемкостью для получения полной энтальпии Н. Пусть s обозначает координату положения вдоль направления толщины, Т - расчетную температуру. В таком случае справедливо следующее (см. Miettinen, S. Louhenkilpi; 1994; "Calculation of Thermophysical Properties of Carbon and Low Alloyed Steels for Modeling of Solidifaction Processes" - Расчет теплофизических свойств углеродистых и низколегированных сталей для моделирования процессов твердения):The temperature calculation is based on the non-stationary heat balance equation, see equation (1) below, which takes into account the thermal boundary conditions and the Fourier law, according to which the heat flow is established in the direction of the temperature gradient depending on the thermal conductivity λ. The equation includes the density ρ and the enthalpy H of the material. The energy released during the transformation can be combined with the heat capacity to obtain the total enthalpy H. Let s denote the position coordinate along the thickness direction, T the design temperature. In this case, the following is true (see Miettinen, S. Louhenkilpi; 1994; "Calculation of Thermophysical Properties of Carbon and Low Alloyed Steels for Modeling of Solidifaction Processes" - Calculation of the thermophysical properties of carbon and low alloy steels for modeling hardening processes):

В качестве входных величин, необходимых для расчета распределения температуры, особенно важны теплопроводность λ и полная энтальпия Н, поскольку указанные величины в значительной мере влияют на результат расчета температуры. Теплопроводность λ является функцией температуры, химического состава и доли фазы, для чистых фаз она может быть определена экспериментально. Однако энтальпию Н измерить невозможно, и она может быть только неточно описана посредством приближенных уравнений для определенных химических составов металлической полосы В. Поэтому возможное численное решение указанного выше дифференциального уравнения (1) может привести только к неточным результатам расчета температуры. Энергию, поступающую снаружи или выделяющуюся (теплопередача путем конвекции), учитывают в тепловых краевых условиях.The thermal conductivity λ and the total enthalpy H are especially important as input quantities necessary for calculating the temperature distribution, since these quantities significantly affect the result of the temperature calculation. Thermal conductivity λ is a function of temperature, chemical composition and phase fraction, for pure phases it can be determined experimentally. However, the enthalpy H cannot be measured, and it can only be inaccurately described by approximate equations for certain chemical compositions of the metal strip B. Therefore, a possible numerical solution of the above differential equation (1) can only lead to inaccurate temperature calculation results. Energy supplied from outside or released (heat transfer by convection) is taken into account in thermal boundary conditions.

Для повышения точности расчета стремятся определить кривую полной энтальпии с максимально точными границами раздела фаз. Для этого по энергии Гиббса согласно следующему уравнению рассчитывают молярную энтальпию системы, в данном случае металлической полосы В.To improve the accuracy of the calculation, they seek to determine the total enthalpy curve with the most accurate phase boundaries. To do this, the molar enthalpy of the system, in this case the metal strip B, is calculated from the Gibbs energy according to the following equation.

Здесь Н обозначает молярную энтальпию системы, G - молярную энергию Гиббса совокупной системы, а Т - абсолютную температуру в градусах Кельвина. Для смеси фаз энергия Гиббса совокупной системы может быть рассчитана по энергиям Гиббса чистых фаз и их долей фаз согласно следующему уравнению:Here, H is the molar enthalpy of the system, G is the molar Gibbs energy of the total system, and T is the absolute temperature in Kelvin. For a mixture of phases, the Gibbs energy of the total system can be calculated from the Gibbs energies of the pure phases and their phase fractions according to the following equation:

Здесь

обозначает долю фазы φ, а

- молярную энергию Гиббса указанной фазы φ. Для аустенитной, ферритной и жидкой фазы энергия Гиббса рассчитывают по следующим уравнениям:Here

denotes the phase fraction φ, and

- molar Gibbs energy of the specified phase φ. For the austenitic, ferritic and liquid phase, the Gibbs energy is calculated using the following equations:

В уравнении (4) члены соответствуют энергии отдельного элемента, доле для идеальной смеси, а также доле для неидеальной смеси (уравнение (5), и магнитной энергии (уравнение (6).In equation (4), the terms correspond to the energy of an individual element, the proportion for an ideal mixture, as well as the proportion for a non-ideal mixture (equation (5), and magnetic energy (equation (6).

Вдаваясь в подробности,

обозначает энергию Гиббса фазы φ,

- мольную долю i-го компонента соответствующей фазы φ,

- энергию Гиббса i-го компонента соответствующей фазы φ, R - общую газовую постоянную, Т - абсолютную температуру в градусах Кельвина,

энергию Гиббса для неидеальной смеси,

- магнитную энергию системы, а - поправочный член, а

и

- параметры взаимодействия различного порядка совокупной системы, образованной металлической полосой В. Кроме того, β обозначает магнитный момент, а f(τ) - долю в совокупной системе в зависимости от нормированной температуры Кюри т совокупной системы, образованной металлической полосой В.Going into details,

denotes the Gibbs energy of phase φ,

- molar fraction of the i-th component of the corresponding phase φ,

is the Gibbs energy of the i-th component of the corresponding phase φ, R is the total gas constant, T is the absolute temperature in degrees Kelvin,

Gibbs energy for a non-ideal mixture,

is the magnetic energy of the system, and is a correction term, and

and

are the interaction parameters of various orders of the total system formed by the metal strip B. In addition, β denotes the magnetic moment, and f(τ) is the fraction in the total system depending on the normalized Curie temperature t of the total system formed by the metal strip B.

Параметры членов уравнений (6) - (8) могут получить, например, из банка данных и использовать для определения энергий Гиббса, например, состава стали металлической полосы В. С помощью математического вывода отсюда получают полную энтальпию указанного состава стали.The parameters of the terms of equations (6) - (8) can be obtained, for example, from a data bank and used to determine the Gibbs energies, for example, the steel composition of the metal strip B. Using mathematical derivation, the total enthalpy of the indicated steel composition is obtained from this.

Фиг. 2 представляет собой диаграмму, показывающую энергию Гиббса как функцию температуры для чистого железа. Из фиг. 2 видно, что отдельные фазы - феррит, аустенит и жидкая фаза - в характеристической области температур принимают минимальное значение, при котором указанные фазы стабильны.Fig. 2 is a diagram showing the Gibbs energy as a function of temperature for pure iron. From FIG. 2 shows that the individual phases - ferrite, austenite and the liquid phase - in the characteristic temperature range take the minimum value at which these phases are stable.

Таким образом, в принципе фазовая диаграмма может быть составлена для каждого состава стали. С помощью энергий Гиббса точно определяют соответствующие фазовые переходы и показывают стабильные доли фаз.Thus, in principle, a phase diagram can be drawn up for each steel composition. With the help of Gibbs energies, the corresponding phase transitions are precisely determined and the stable phase fractions are shown.

Такая фазовая диаграмма верна для равновесного состояния. Однако поскольку процесс прокатки в сочетании с процессом охлаждения представляет собой не равновесное состояние, а динамический процесс, температуры фазового превращения должны быть рассчитаны и в динамическом случае. В охлаждающем устройстве 10, например, достигается скорость охлаждения, составляющая от 5 до 20°С/с, в случае стали - от 5 до 10°С/с. Для таких и более сильных охлаждений температуры фазового перехода уже не могут быть получены из соответствующей равновесной диаграммы. Поэтому используют так называемые диаграммы время - температура превращение.Such a phase diagram is correct for the equilibrium state. However, since the rolling process in combination with the cooling process is not an equilibrium state, but a dynamic process, the phase transformation temperatures must also be calculated in the dynamic case. In the cooling device 10, for example, a cooling rate of 5 to 20°C/s is achieved, in the case of steel, 5 to 10°C/s. For such and stronger coolings, the phase transition temperatures can no longer be obtained from the corresponding equilibrium diagram. Therefore, so-called time-temperature transformation diagrams are used.

На фиг. 3 показана кривая полной энтальпии по Гиббсу для низкоуглеродистой стали при известных границах раздела фаз.In FIG. 3 shows the Gibbs total enthalpy curve for mild steel at known interfaces.

Температуры фазового превращения определяют методом регрессии. При этом коэффициенты регрессии предпочтительно берут из множества различных диаграмм время - температура - превращение. Для металлической полосы В из стали уравнения имеют следующий вид:The phase transformation temperatures are determined by the regression method. Here, the regression coefficients are preferably taken from a plurality of different time-temperature-conversion diagrams. For a metal strip B made of steel, the equations are as follows:

точнее:more precisely:

Здесь

обозначает температуры превращения, при которых образуются структуры феррита, перлита, бейнита или мартенсита, илиHere

denotes the transformation temperatures at which ferrite, pearlite, bainite or martensite structures are formed, or

прекращается образование перлита.

и

обозначают максимальную скорость охлаждения, при которой происходит образование феррита или перлита, независимо от того, содержит ли структура 100% феррита и перлита, или же происходит образование 20, 80 или 100% мартенсита. В уравнениях (9) и (10) a_i, b_ij и c_i обозначают постоянные регрессии, а C_i, C_j - концентрации отдельных элементов в массовых процентах. n обозначает число учитываемых составляющих химического состава металлической полосы В. М обозначает размер зерен по шкале ASTM (American Society of Testing Materials - Американское общество по испытанию материалов) и может принимать значения в пределах от 1 до 10. С помощью указанных параметров может быть построена диаграмма время - температура - превращение.the formation of perlite stops.

and

denote the maximum cooling rate at which ferrite or pearlite formation occurs, regardless of whether the structure contains 100% ferrite and pearlite, or whether 20%, 80% or 100% martensite is formed. In equations (9) and (10) a _i , b _ij and c _i designate regression constants, and C _i , C _j - concentrations of individual elements in mass percent. n denotes the number of components of the chemical composition of the metal strip B. M denotes the grain size according to the ASTM scale (American Society of Testing Materials - American Society for Testing Materials) and can take values in the range from 1 to 10. Using these parameters, a diagram can be built time - temperature - transformation.

На фиг. 4 показана примерная диаграмма время - температура -превращение для низкоуглеродистого материала, определенная посредством указанных уравнений регрессии.In FIG. 4 shows an exemplary time-temperature-transformation plot for a low carbon material determined by these regression equations.

Кинетика превращения между отдельными фазами может быть описана путем диффузионно-контролируемого подхода с помощью уравнения Эномото следующим образом:The kinetics of transformation between the individual phases can be described by a diffusion controlled approach using the Enomoto equation as follows:

Здесь

обозначает концентрации углерода в объеме,

концентрации углерода на границе раздела фаз с ферритной стороны, а

- концентрации углерода на границе раздела фаз с аустенитной стороны. Концентрации углерода рассчитывают по равновесным концентрациям, которые в свою очередь получаются из равновесия химических потенциалов на границах раздела фаз.

обозначает начальную температуру фазового превращения, Т - текущую температуру металлической полосы В, в данном случае раската из стали, а

- скорость охлаждения. Начальную температуру фазового превращения определяют по уравнению регрессии диаграммы время -температура - превращение.

обозначает коэффициент диффузии углерода в аустените согласноHere

denotes the concentration of carbon in the volume,

concentration of carbon at the interface on the ferrite side, and

- carbon concentration at the phase boundary from the austenitic side. Carbon concentrations are calculated from equilibrium concentrations, which in turn are obtained from the equilibrium of chemical potentials at the interfaces.

denotes the initial temperature of the phase transformation, T is the current temperature of the metal strip B, in this case rolled steel, and

- cooling rate. The initial phase transformation temperature is determined by the regression equation of the time-temperature-transformation diagram.

denotes the diffusion coefficient of carbon in austenite according to

где d - размер аустенитного зерна.where d is the size of the austenite grain.

С помощью полученных таким образом температур границ раздела фаз и долей структурных составляющих может быть определена полная энтальпия. Уравнение теплопроводности Фурье наряду с энтальпией включает в себя теплопроводность, зависящую от температуры и фазы, и плотность. Указанные значения, зависящие от материала, определяют посредством уравнений регрессии для каждой структурной фазы металлической полосы В.The total enthalpy can be determined from the thus obtained interface temperatures and fractions of structural constituents. The Fourier heat equation, along with enthalpy, includes thermal conductivity, which depends on temperature and phase, and density. These material-dependent values are determined by means of regression equations for each structural phase of the metal strip B.

Знание указанных параметров материала является важным для точного расчета температуры и регулирования количеств охлаждающей среды, применяемых, т.е. разбрызгиваемых, в охлаждающем устройстве 10.Knowledge of these material parameters is essential for accurate temperature calculation and control of the amounts of coolant used, i.e. sprayed, in the cooling device 10.

При высоких температурах на поверхности металлической полосы В происходит окалинообразование, усиливающееся вследствие длительных выдержек и пауз во время процесса пластического деформирования металлической полосы В. Образующийся слой окалины уменьшает теплоотдачу металлической полосы В путем излучения. При расчете распределения температуры в металлической полосе В учитывают указанную уменьшенную теплоотдачу в окружающую среду, получающуюся из-за слоя окалины. Для этого необходимо определение образующегося слоя окалины, которое может быть осуществлено следующим образом.At high temperatures, scale formation occurs on the surface of the metal strip B, which increases due to long exposures and pauses during the process of plastic deformation of the metal strip B. The resulting scale layer reduces the heat transfer of the metal strip B by radiation. When calculating the temperature distribution in the metal strip B, the indicated reduced heat transfer to the environment, resulting from the scale layer, is taken into account. This requires the determination of the resulting scale layer, which can be carried out as follows.

Прирост толщины D_z во временном интервале dt рассчитывают согласно следующему уравнениюThe increase in thickness D _z in the time interval dt is calculated according to the following equation

где D_z(t) - обозначает толщину окалины в момент времени t, F_z -коэффициент окалинообразования, a dt - продолжительность окалинообразования. При этом "продолжительность окалинообразования" обозначает временной интервал между двумя расчетными точками в продольном направлении металлической полосы В. Таким образом, продолжительность окалинообразования может быть задана в виде

, где v - скорость подачи металлической полосы В, которая известна и/или может быть измерена. Переменная d_z обозначает путь, пройденный за время dt. Коэффициент F_z окалинообразования в зависимости от температуры поверхности металлической полосы В и химического состава ее материала (сталь) рассчитывают с помощью уравненияwhere D _z (t) denotes the scale thickness at time t, F _z is the scale factor, and dt is the scale duration. In this case, "scaling time" means the time interval between two calculated points in the longitudinal direction of the metal strip B. Thus, the time of scale formation can be given as

where v is the feed rate of the metal strip B, which is known and/or can be measured. The variable d _z denotes the path traveled during the time dt. The coefficient F _z of scale formation depending on the surface temperature of the metal strip B and the chemical composition of its material (steel) is calculated using the equation

где

обозначает температуру поверхности металлической полосы В, а С% - безразмерную концентрацию углерода в материале, a, b и с представляют собой коэффициенты, известные из литературы; см., например, R. Viscorova, Untersuchung des

bei der

unter besonderer

des Einflusses der Verzunderung, TU Clausthal, Dissertation, 2007 (Исследование теплопередачи при охлаждении разбрызгиваемой водой с особым учетом влияния окалинообразования).where

denotes the surface temperature of the metal strip B, and C% is the dimensionless concentration of carbon in the material, a, b and c are coefficients known from the literature; see, for example, R. Viscorova, Untersuchung des

bei der

unter besonderer

des Einflusses der Verzunderung, TU Clausthal, Dissertation, 2007 (Investigation of heat transfer in spray water cooling with particular regard to the effect of scaling).

Приведенное выше уравнение (14) дает особенно хорошие результаты для металла, в частности стали, с небольшим содержанием кремния, в частности менее 2% масс. В этом случае коэффициенты, составляют, например: а=9,8*10⁷, b=2,08, с=17780.The above equation (14) gives particularly good results for metal, in particular steel, with a low content of silicon, in particular less than 2 wt%. In this case, the coefficients are, for example: a=9.8*10 ⁷ , b=2.08, c=17780.

Фиг. 5 представляет собой диаграмму, показывающую толщину окалины как функцию продолжительности окалинообразования при различной температуре поверхности. Фиг. 6 представляет собой диаграмму, показывающую толщину окалины как функцию длины прокатного стана для различного содержания углерода.Fig. 5 is a graph showing dross thickness as a function of dross time at various surface temperatures. Fig. 6 is a graph showing dross thickness as a function of mill length for various carbon contents.

Таким образом, окалинообразование сильно зависит от химического состава, в частности от содержания углерода в материале. При низком содержании углерода образуется больше окалины, чем при более высоком содержании углерода. Так, чистое железо покрывается окалиной сильнее, чем сталь с более высоким содержанием углерода. Кроме того, рост окалины наряду с зависимостью от продолжительности окалинообразования также сильно зависит от температуры поверхности металлической полосы В. Слой окалины препятствует теплоотдаче металлической полосы В.Thus, scale formation is highly dependent on the chemical composition, in particular on the carbon content of the material. At a low carbon content, more scale is formed than at a higher carbon content. So, pure iron is covered with scale more than steel with a higher carbon content. In addition, scale growth, along with the dependence on the duration of scale formation, also strongly depends on the surface temperature of the metal strip B. The scale layer prevents the heat transfer of the metal strip B.

Коэффициент теплопроводности окалины зависит от температуры. Таблица 1 содержит примерные значения коэффициента теплопроводности лямбда (λ) при различных температурах, во-первых, для слоя окалины, а во-вторых, для материала из стали:The thermal conductivity coefficient of scale depends on temperature. Table 1 contains approximate values of the thermal conductivity coefficient lambda (λ) at various temperatures, firstly for the scale layer, and secondly for the steel material:

Коэффициент теплопроводности слоя окалины значительно меньше коэффициента теплопроводности стального материала. Коэффициент теплопередачи окалины определен следующим образом:The coefficient of thermal conductivity of the scale layer is much less than the coefficient of thermal conductivity of the steel material. The scale heat transfer coefficient is defined as follows:

Здесь

обозначает коэффициент теплопередачи окалины,

- толщину окалины, а

- коэффициент теплопроводности окалины.Here

denotes the heat transfer coefficient of scale,

- dross thickness, and

- coefficient of thermal conductivity of scale.

С помощью коэффициента теплопередачи окалины посредством теплового баланса могут рассчитать температуру

поверхности слоя окалины, а по ней определить тепловое излучение металлической полосы B в окружающую среду. Таким образом, слой окалины уменьшает охлаждение металлической полосы В.Using the scale heat transfer coefficient, the temperature can be calculated using the heat balance

the surface of the scale layer, and from it to determine the thermal radiation of the metal strip B into the environment. Thus, the scale layer reduces the cooling of the metal strip B.

Точное знание поведения слоя окалины важно для правильного расчета изменения температуры в охлаждающем устройстве 10.An accurate knowledge of the behavior of the scale layer is important for the correct calculation of the temperature change in the cooling device 10.

Фиг. 7а представляет собой диаграмму, в качестве примера показывающую изменение расчетной и измеренной температуры как функцию времени без учета влияния окалины. На указанной диаграмме видно большое отклонение между измерением и расчетом. В отличие от этого фиг. 7b показывает изменение расчетной и измеренной температуры как функцию времени с учетом влияния окалины. Здесь видно хорошее соответствие между расчетом и экспериментом.Fig. 7a is a graph showing, as an example, the change in calculated and measured temperature as a function of time without considering the influence of scale. In the above diagram, there is a large deviation between measurement and calculation. In contrast to this, FIG. 7b shows the change in calculated and measured temperature as a function of time, taking into account the influence of scale. Here one can see a good agreement between calculation and experiment.

Ниже при помощи схемы последовательности операций по фиг. 8 описывается приведенный в качестве примера ход процесса для применения модели, т.е. для определения распределения температуры в металлической полосе В и для регулирования или, соответственно, управления охлаждающим устройством 10.Below, using the flowchart of FIG. 8 describes an exemplary process flow for applying the model, i. to determine the temperature distribution in the metal strip B and to control or, respectively, control the cooling device 10.

Входные или регулируемые величины модели представляют собой температуры поверхности металлической полосы В, определяемые посредством устройств 20, 21 для измерения температуры. При задании температуры поверхности в качестве заданного значения на выходе охлаждающего устройства 10 модель для расчета температуры рассчитывает в управляющем устройстве 30 расход охлаждающей воды, необходимый для достижения желательной температуры поверхности металлической полосы В, проходящей через охлаждающее устройство 10. Расчетные значения распределения температуры в металлической полосе В видны немедленно и могут быть использованы для управления и/или регулирования охлаждающего устройства 10 и, при необходимости, расположенной за ними чистовой прокатной линии 2 прокатного стана. Значения для температурного распределения актуализируются при каждом новом или, соответственно, итеративном вычислении.The input or controlled values of the model are the surface temperatures of the metal strip B, determined by means of the temperature measuring devices 20, 21 . By specifying the surface temperature as the setpoint at the outlet of the cooler 10, the temperature calculation model calculates in the control device 30 the cooling water flow required to achieve the desired surface temperature of the metal strip B passing through the cooler 10. Calculated values of the temperature distribution in the metal strip B are immediately visible and can be used to control and/or regulate the cooling device 10 and, if necessary, located behind them, the finishing line 2 of the rolling mill. The values for the temperature distribution are updated with each new or iterative calculation.

Вначале на первом этапе А1 осуществляют подготовку процесса, включающую: расчет энергии Гиббса и кривой энтальпии для каждой фазы и каждой температуры; определение коэффициента окалинообразования; составление диаграммы время - температура -превращение; и определение по уравнениям регрессии коэффициента теплопроводности и плотности для всех чистых фаз как функции температуры.First, in the first step A1, the preparation of the process is carried out, including: calculation of the Gibbs energy and the enthalpy curve for each phase and each temperature; determination of scale formation coefficient; charting time - temperature - transformation; and determining from the regression equations the thermal conductivity and density for all pure phases as a function of temperature.

Затем на этапе А2 создают сеть расчета для текущей геометрии полосы (ширина полосы и толщина полосы).Then, in step A2, a calculation network is created for the current strip geometry (strip width and strip thickness).

На следующем этапе A3 определяют начальные условия для последующей итерации. Так, температуру Т заготовки или, соответственно, прокатываемого материала за черновой прокатной линией 1 для всех узловых точек расчета устанавливают на начальное значение Т0. Толщину окалины устанавливают на 0 мм, а среднюю скорость охлаждения, например, на 5 К/с в качестве значения по умолчанию.In the next step A3 determine the initial conditions for the next iteration. So, the temperature T of the workpiece or, respectively, the rolled material behind the rough rolling line 1 for all nodal points of the calculation is set to the initial value T0. The dross thickness is set to 0 mm and the average cooling rate is set to, for example, 5 K/s as the default value.

На этапе А4 начинается итерация, включающая в себя: определение по диаграмме время - температура - превращение границ раздела фаз и долей структурных составляющих для текущей средней скорости охлаждения; расчет энтальпии как функции температуры по энтальпиям чистых фаз и распределению фаз; и расчет коэффициентов теплопроводности и плотностей по чистым фазам и распределению фаз.At step A4, an iteration begins, including: determining from the diagram time - temperature - transformation of the phase boundaries and proportions of structural components for the current average cooling rate; calculation of enthalpy as a function of temperature from enthalpies of pure phases and phase distribution; and calculation of thermal conductivity coefficients and densities from pure phases and phase distribution.

На этапе А5 по текущей температуре Т в узловой точке определяют энтальпию Н для всех узловых точек расчета.At step A5, the enthalpy H is determined from the current temperature T at the nodal point for all nodal points of the calculation.

На этапе А6 численно решают уравнение (1) для расчета изменения во времени общей кривой энтальпии и температуры.In step A6, Equation (1) is numerically solved to calculate the change in time of the overall enthalpy and temperature curve.

Затем на этапе F1 определяют отклонение заданного значения от фактического значения температуры поверхности и сравнивают его с пороговым значением или, соответственно, допуском (например, ±2°С). Если отклонение лежит в пределах допуска ("да"), то на этапе А8 осуществляют следующий шаг итерации. Если отклонение лежит вне допуска ("нет"), перед следующим шагом итерации согласно А8 осуществляют согласование/изменение режима работы охлаждающего устройства 10, предпочтительно согласования расхода охлаждающей среды через сопла 11а.Then, in step F1, the deviation of the setpoint from the actual value of the surface temperature is determined and compared with a threshold value or, respectively, a tolerance (eg ±2°C). If the deviation lies within the tolerance ("yes"), then at step A8, the next iteration step is performed. If the deviation is out of tolerance ("no"), before the next iteration step according to A8, the operation mode of the cooling device 10 is adjusted/changed, preferably the cooling medium flow rate through the nozzles 11a is adjusted.

Благодаря описанному здесь способу посредством регулирования охлаждающего устройства 10 во время прокатки без пауз могут устанавливать оптимальную температуру металлической полосы В на входе в чистовую прокатную линию 2. В зависимости от применения, т.е. в зависимости от протекающего процесса пластического деформирования, это означает предотвращение ненужного снижения производительности. С помощью охлаждающего устройства 10, в частности в качестве охладителя черновой полосы, уменьшаются поверхностные дефекты из-за окалинообразования.Thanks to the method described here, by adjusting the cooling device 10 during rolling without pauses, it is possible to set the optimum temperature of the metal strip B at the inlet to the finishing rolling line 2. Depending on the application, i.e. depending on the ongoing plastic deformation process, this means preventing an unnecessary reduction in productivity. By means of the cooling device 10, in particular as a pre-strip cooler, surface defects due to scaling are reduced.

Модель для расчета температуры и его реализация в качестве способа или в управляющем устройстве 30 делает возможным расчет с более высокой точностью распределения температуры внутри металлической полосы B в охлаждающем устройстве 10, благодаря чему в охлаждающем устройстве 10 может быть установлен и контролироваться зависящий от материала оптимальный расход охлаждающей среды, предпочтительно воды. Поскольку полная энтальпия с помощью энергий Гиббса может быть определена как входная величина при расчете температуры для почти всех материалов, производимых в настоящее время во всем мире, а температуры фазового превращения могут быть определены очень точно с помощью расчетных диаграмм время - температура - превращение, расчет температур может быть выполнен особенно точно и с максимально возможной достоверностью входных данных.The model for calculating the temperature and its implementation as a method or in the control device 30 makes it possible to calculate with a higher accuracy the temperature distribution within the metal strip B in the cooling device 10, whereby in the cooling device 10 an optimum flow rate of the cooling water depending on the material can be set and controlled. medium, preferably water. Because total enthalpy can be determined with Gibbs energies as an input to temperature calculations for almost all materials currently produced worldwide, and phase transformation temperatures can be determined very accurately using time-temperature-transformation calculation diagrams, temperature calculations can be performed particularly accurately and with the highest possible reliability of the input data.

Кроме того, предлагаемый способ делает возможной гомогенизацию неравномерностей температуры в металлической полосе В (раскате) по длине и/или ширине посредством определенно устанавливаемой холодопроизводительности охлаждающего устройства 10.In addition, the proposed method makes it possible to homogenize temperature irregularities in the metal strip B (reel) along the length and / or width by means of a specifically set cooling capacity of the cooling device 10.

Способ также принимает во внимание окалинообразование и содержит расчет толщины слоя окалины на металлической полосе В, благодаря чему оптимизируют расчет теплоотдачи металлической полосы В перед охлаждением и после охлаждения.The method also takes scale formation into account and includes calculating the thickness of the scale layer on the metal strip B, thereby optimizing the heat transfer calculation of the metal strip B before and after cooling.

Данные, рассчитанные для регулирования охлаждающего устройства 10 (например, средняя объемная температура, размер зерен и т.п.) могут быть переданы в предварительно заданную модель возможной последующей чистовой прокатной линии 2.The data calculated for the control of the cooling device 10 (for example, average bulk temperature, grain size, etc.) can be transferred to a predetermined model of a possible subsequent finishing line 2.

Посредством описанного здесь способа необходимый для охлаждения расход охлаждающей среды в охлаждающем устройстве 10 определяют и регулируют таким образом, что точно достигают температуры продукта на входе, необходимой на входе чистовой прокатной линии 2. Кроме того, для увеличения скорости прокатки и, следовательно, повышения производительности могут целенаправленно применить низкие температуры продукта на входе.By means of the method described here, the flow rate of the cooling medium required for cooling in the cooling device 10 is determined and controlled in such a way that the inlet product temperature required at the inlet of the finishing line 2 is exactly reached. purposefully apply low product inlet temperatures.

Несмотря на то, что многие из указанных в настоящем описании признаков и численных примеров относятся к металлической полосе В из стали, они охватывают все виды соответствующих металлических полос В, например, из алюминиевого, никелевого или медного сплава. К металлическим полосам В, выполненным из таких материалов, также применима описанная в настоящем описании модель, а также ее применение в качестве способа и в управляющем устройстве 30.Although many of the features and numerical examples mentioned in the present specification refer to steel strip B, they cover all kinds of corresponding metal strips B, such as aluminum, nickel or copper alloy. For metal strips B made from such materials, the model described herein is also applicable, as well as its application as a method and in the control device 30.

Там, где это применимо, все отдельные признаки, показанные в примерах осуществления, могут комбинироваться друг с другом и/или взаимозаменяться без выхода за рамки объема изобретения.Where applicable, all individual features shown in the exemplary embodiments may be combined with each other and/or interchanged without departing from the scope of the invention.

Перечень условных обозначенийList of symbols

1 черновая прокатная линия1 rough rolling line

1а прокатная клеть1a rolling stand

2 чистовая прокатная линия2 finishing rolling line

2а прокатная клеть2a rolling stand

10 охлаждающее устройство10 cooling device

11 узел сопел11 nozzle assembly

11а сопло11a nozzle

20 устройство для измерения температуры20 temperature measuring device

21 устройство для измерения температуры21 temperature measuring devices

30 управляющее устройство30 control device

В металлическая полосаIn metal strip

F направление подачи.F feed direction.

Claims (42)

1. Способ управления охлаждающим устройством (10), выполненным с возможностью регулирования температуры прокатываемого материала, предпочтительно металлической полосы (В), проходящего через охлаждающее устройство (10) вдоль направления (F) подачи, причем охлаждающее устройство (10) предпочтительно расположено перед линией прокатного стана, включающий:1. A method for controlling a cooling device (10) configured to control the temperature of the rolled material, preferably a metal strip (B), passing through the cooling device (10) along the feed direction (F), with the cooling device (10) preferably located before the rolling line mill, including: определение полной энтальпии системы, образованной прокатываемым материалом;determination of the total enthalpy of the system formed by the rolled material; определение меры окалинообразования, предпочтительно содержащей коэффициент окалинообразования, зависящий от химического состава и температуры поверхности прокатываемого материала;determining a measure of scaling, preferably containing a scaling factor depending on the chemical composition and surface temperature of the rolled material; расчет распределения температуры и/или средней температуры в прокатываемом материале на основе модели для расчета температуры, в которую входит определенная полная энтальпия и мера окалинообразования; иcalculating a temperature distribution and/or an average temperature in the rolled material based on the temperature calculation model, which includes the determined total enthalpy and the measure of scaling; and установку холодопроизводительности охлаждающего устройства (10) с учетом расчетного распределения температуры и/или средней температуры в прокатываемом материале.setting the cooling capacity of the cooling device (10) taking into account the calculated temperature distribution and/or average temperature in the rolled material. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полную энтальпию прокатываемого материала рассчитывают по сумме свободных молярных энтальпий всех имеющихся в прокатываемом материале чистых фаз и/или долей фаз.2. The method according to claim 1, characterized in that the total enthalpy of the rolled material is calculated from the sum of the free molar enthalpies of all pure phases and/or phase fractions present in the rolled material. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что модель для расчета температуры основана на уравнении неустановившегося теплового баланса, предпочтительно на дифференциальном уравнении в частных производных, связывающем пространственное распределение температуры в прокатываемом материале с временным развитием полной энтальпии.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the model for calculating the temperature is based on the transient heat balance equation, preferably on a partial differential equation relating the spatial distribution of temperature in the rolled material with the temporal development of the total enthalpy. 4. Способ по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что последовательность, включающую определение полной энтальпии, расчет распределения температуры и/или средней температуры, а также установку холодопроизводительности, выполняют итеративно, так что осуществляют приближение к желательному распределению температуры и/или средней температуре в прокатываемом материале.4. The method according to one of paragraphs. 1-3, characterized in that the sequence including the determination of the total enthalpy, the calculation of the temperature distribution and/or average temperature, as well as the setting of the cooling capacity, is performed iteratively, so that the desired temperature distribution and/or average temperature in the rolled material is approached. 5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что установку холодопроизводительности охлаждающего устройства (10) осуществляют таким образом, что холодопроизводительность изменяют при условии, что расчетное распределение температуры или его значение температуры, предпочтительно средняя температура или температура поверхности, отклоняется от соответствующего заданного значения на величину допуска или более, а в противном случае холодопроизводительность не изменяют.5. The method according to one of paragraphs. 1-4, characterized in that the setting of the cooling capacity of the cooling device (10) is carried out in such a way that the cooling capacity is changed, provided that the calculated temperature distribution or its temperature value, preferably the average temperature or surface temperature, deviates from the corresponding set value by a tolerance value or more, otherwise the cooling capacity does not change. 6. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что охлаждающее устройство (10) содержит узел (11) сопел с множеством сопел (11а), выполненный с возможностью снабжения сопел (11а) текучей охлаждающей средой, предпочтительно водой или водной смесью, причем холодопроизводительность охлаждающего устройства (10) устанавливают посредством расхода охлаждающей среды, выпускаемой из сопел (11а).6. The method according to one of paragraphs. 1-5, characterized in that the cooling device (10) contains a nozzle assembly (11) with a plurality of nozzles (11a), configured to supply the nozzles (11a) with a fluid cooling medium, preferably water or an aqueous mixture, and the cooling capacity of the cooling device (10 ) is set by the flow rate of the cooling medium discharged from the nozzles (11a). 7. Способ по одному из пп. 1-6, отличающийся тем, что предусмотрено одно или множество устройств (20, 21) для измерения температуры, данные измерений которых входят в определение полной энтальпии и/или определение меры окалинообразования, и/или другим образом они входят в модель для расчета температуры.7. The method according to one of paragraphs. 1-6, characterized in that one or a plurality of devices (20, 21) are provided for measuring temperature, the measurement data of which are included in the determination of the total enthalpy and / or the determination of the measure of scale formation, and / or otherwise they are included in the model for calculating the temperature. 8. Способ по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что охлаждающее устройство (10) расположено между черновой прокатной линией (1) и чистовой прокатной линией (2), каждая из которых содержит одну или множество прокатных клетей для прокатки прокатываемого материала.8. The method according to one of paragraphs. 1-7, characterized in that the cooling device (10) is located between the rough rolling line (1) and the finishing rolling line (2), each of which contains one or a plurality of rolling stands for rolling the rolled material. 9. Способ по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что посредством расчета распределения температуры и/или средней температуры в прокатываемом материале, основанного на модели для расчета температуры, рассчитывают температуру прокатываемого материала на входе расположенной за охлаждающим устройством (10) линии прокатного стана, предпочтительно чистовой прокатной линии (2).9. The method according to one of paragraphs. 1-8, characterized in that by calculating the temperature distribution and/or the average temperature in the rolled material, based on the temperature calculation model, the temperature of the rolled material is calculated at the inlet of the rolling mill line located behind the cooling device (10), preferably the finishing rolling line ( 2). 10. Способ по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что при расчете полной энтальпии температуры фазового превращения определяют методом регрессии, в котором используют коэффициенты регрессии, предпочтительно получаемые из расчетной или эмпирически полученной диаграммы время - температура - превращение.10. The method according to one of paragraphs. 1-9, characterized in that when calculating the total enthalpy, the phase transformation temperatures are determined by the regression method, in which regression coefficients are used, preferably obtained from the calculated or empirically obtained diagram time - temperature - transformation. 11. Способ по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что в рамках модели для расчета температуры полную энтальпию рассчитывают в виде свободной молярной полной энтальпии Н прокатываемого материала посредством энергии G Гиббса при постоянном давлении р по уравнению11. The method according to one of paragraphs. 1-10, characterized in that, within the framework of the model for calculating the temperature, the total enthalpy is calculated as the free molar total enthalpy H of the rolled material using the Gibbs energy G at constant pressure p according to the equation

где Т обозначает абсолютную температуру в градусах Кельвина.where T is the absolute temperature in degrees Kelvin. 12. Способ по одному из пп. 1-11, отличающийся тем, что в рамках модели для расчета температуры энергию G Гиббса совокупной системы рассчитывают как сумму энергий Гиббса чистых фаз, а также их долей фаз по уравнению12. The method according to one of paragraphs. 1-11, characterized in that, within the framework of the model for calculating the temperature, the Gibbs energy G of the total system is calculated as the sum of the Gibbs energies of the pure phases, as well as their phase fractions according to the equation

где fⁱ обозначает долю энергии Гиббса соответствующей фазы или соответствующей доли фазы в совокупной системе, a Gⁱ - энергию Гиббса соответствующей чистой фазы или соответствующей фазовой доли системы, причемwhere f ⁱ denotes the proportion of the Gibbs energy of the corresponding phase or the corresponding proportion of the phase in the total system, and G ⁱ is the Gibbs energy of the corresponding pure phase or the corresponding phase fraction of the system, and прокатываемый материал предпочтительно состоит из стали с долями аустенитной, ферритной и жидкой фазы, а энергию Гиббса соответствующих фаз в этом случае определяют по следующему уравнениюthe rolled material preferably consists of steel with austenitic, ferritic and liquid phases, and the Gibbs energy of the respective phases in this case is determined by the following equation

где

обозначает энергию Гиббса соответствующей фазы φ,

мольную долю i-го компонента соответствующей фазы φ,

- энергию Гиббса i-го компонента соответствующей фазы φ, R - общую газовую постоянную, Т - абсолютную температуру в градусах Кельвина,

- энергию Гиббса для неидеальной смеси, а

- магнитную энергию системы,where

denotes the Gibbs energy of the corresponding phase φ,

the mole fraction of the i-th component of the corresponding phase φ,

is the Gibbs energy of the i-th component of the corresponding phase φ, R is the total gas constant, T is the absolute temperature in degrees Kelvin,

is the Gibbs energy for a non-ideal mixture, and

- magnetic energy of the system, причем энергию Гиббса

для неидеальной смеси предпочтительно определяют по уравнениюand the Gibbs energy

for a non-ideal mixture, it is preferably determined by the equation

где x_i - мольная доля i-го компонента, x_j - мольная доля j-го компонента, x_k - мольная доля k-го компонента, а - поправочный член,

и

- параметры взаимодействия различного порядка совокупной системы, образованной прокатываемым материалом, причем долю магнитной энергии

предпочтительно определяют по уравнениюwhere x _i is the mole fraction of the i-th component, x _j is the mole fraction of the j-th component, x _k is the mole fraction of the k-th component, a is the correction term,

and

- parameters of interaction of various orders of the total system formed by the rolled material, and the share of magnetic energy

preferably determined by the equation

где R - общая газовая постоянная, Т - абсолютная температура в градусах Кельвина, β - магнитный момент, а f(τ) - доля в совокупной системе в зависимости от нормированной температуры Кюри τ совокупной системы, образованной прокатываемым материалом, иwhere R is the total gas constant, T is the absolute temperature in degrees Kelvin, β is the magnetic moment, and f(τ) is the proportion in the total system as a function of the normalized Curie temperature τ of the total system formed by the rolled material, and предпочтительно кинетику превращения фаз определяют, применяя диффузионно-контролируемый подход согласно уравнению Эномото.preferably, the phase transformation kinetics are determined using a diffusion controlled approach according to the Enomoto equation. 13. Способ по одному из пп. 1-12, отличающийся тем, что в рамках модели для расчета температуры толщину окалины, образованной на прокатываемом материале по истечении временного интервала, рассчитывают согласно следующей расчетной формуле13. The method according to one of paragraphs. 1-12, characterized in that, within the framework of the model for calculating the temperature, the thickness of the scale formed on the rolled material after the expiration of the time interval is calculated according to the following calculation formula

сWith

гдеwhere D_Z(t) обозначает толщину окалины, t - время, dt - временной интервал, F_Z - коэффициент окалинообразования, υ - скорость подачи прокатываемого материала, a d_Z - длину пути, пройденного за временной интервал dt со скоростью υ, причемD _Z (t) denotes the thickness of the dross, t is the time, dt is the time interval, F _Z is the scale factor, υ is the feed rate of the rolled material, ad _Z is the length of the path traveled during the time interval dt with the speed υ, and коэффициент F_Z окалинообразования рассчитывают в зависимости от температуры поверхности прокатываемого материала и его химического состава, предпочтительно согласно уравнениюthe scaling factor F _Z is calculated as a function of the surface temperature of the rolled material and its chemical composition, preferably according to the equation

где Т_О - температура поверхности прокатываемого материала, С% - безразмерная концентрация углерода в материале прокатываемого материала, a, b и с - коэффициенты, предпочтительно а=9,8*10⁷, b=2,08, с=17780, аwhere T _O is the surface temperature of the rolled material, C% is the dimensionless carbon concentration in the material of the rolled material, a, b and c are coefficients, preferably a=9.8*10 ⁷ , b=2.08, c=17780, a коэффициент теплопередачи окалины предпочтительно учитывают согласно уравнениюthe scale heat transfer coefficient is preferably taken into account according to the equation

где

- коэффициент теплопередачи окалины, D_z - толщина окалины, а λ_z - коэффициент теплопроводности окалины.where

is the heat transfer coefficient of the scale, D _z is the thickness of the scale, and λ _z is the thermal conductivity of the scale. 14. Управляющее устройство (30) для управления охлаждающим устройством (10), выполненным с возможностью регулирования температуры прокатываемого материала, предпочтительно металлической полосы (В), проходящего через охлаждающее устройство (10) вдоль направления (F) подачи, причем управляющее устройство (30) выполнено с возможностью осуществления способа по одному из пп. 1-13.14. A control device (30) for controlling a cooling device (10) configured to control the temperature of the rolled material, preferably a metal strip (B), passing through the cooling device (10) along the feed direction (F), with the control device (30) made with the possibility of implementing the method according to one of paragraphs. 1-13.

Images