中厚板轧后先进冷却系统换热机理研究及应用

摘要

控制冷却技术是TMCP技术的重要组成部分，它通过改变轧后冷却条件来控制钢的固态相变和碳化物的析出行为，改善钢板组织和性能。中厚板在线冷却系统是实现控制冷却技术的重要载体。由于中厚板冷却过程工艺复杂，涉及到流体水冷沸腾机理、内部热传导等基础理论，实现高效换热、均匀换热、冷却工艺高精度控制有很大难度。因此需针对射流冲击冷却机理进行深入研究，开发冷却过程热流密度数学模型，建立自动化控制系统，实现中厚板在线冷却过程的精确控制，满足产品冷却工艺控制需求。本文依托国家十二五科技支撑项目“热轧板带钢新一代TMCP装备及工艺技术开发与应用”和国家自然科学基金项目“倾斜射流条件下的热轧板带钢高强度均匀化冷却换热机理和模型研究，No.51404058”。结合中厚板轧后先进冷却系统研制，对射流冲击换热机理及自动控制系统进行了较为系统的研究。本文主要工作和成果如下: 1.高温壁面水冷沸腾换热基础理论研究。针对池沸腾条件下沸腾状态的变化过程，进行了沸腾换热理论基础研究。在此基础上，分析射流冲击壁面流体特征，对沸腾状态变化过程、沸腾气泡生存周期进行总结。射流冲击冷却过程中，基本沸腾状态与池沸腾相类似但其历程与池沸腾顺序相反。结合上述理论分析，对稳态和瞬态条件下的冷却机理进行了对比研究。 2.开发冷却实验平台，对单束水流射流冲击基本换热特征和主要影响因素开展研究。反复实验优化实验平台结构，保证了实验数据的可靠性。针对冷却水射流冲击高温钢板时基本换热特征开展研究，获得换热区域分布、再润湿规律、热流密度上升速度、热流密度峰值等基本换热数据;对工艺影响因素如流量、水温、倾斜角度等参数进行了系统研究。以面积权重热流密度表征不同条件下射流冲击的整体能力，为优化数学模型、调整生产工艺、优化冷却系统提供参考。 3.对多束射流冲击高温钢板表面条件下流体和换热特征进行实验研究和数值分析。以轧后先进冷却系统为原型建立实验和仿真模型。结合流速分布矢量和紊流动能等流体特征和换热实验数据，对多束射流的冷却特征，特别是冲击区域间的上升流进行研究。结果表明，多束喷嘴的润湿行为是由冲击点处逐渐扩大，上升流位置处润湿速度和热流密度大于平行流位置处，但远小于冲击点位置。在此基础上，进行工业实验研究并建立仿真模型，针对射流速度、辊速等参数对换热能力的影响进行研究。获得高密快冷喷嘴冲击钢板表面时，流场及压力的分布状态，掌握了平均换热系数和换热效率系数的变化规律。 4.针对空气增压气雾冷却喷嘴的流体状态和换热机理进行研究。基于空气增压气雾冷却单位体积的冷却水具备更大的表面接触面积和冲击动能的特征，对空气增压气雾冷却喷嘴与射流冲击喷嘴的换热特性进行对比研究。结果证明，空气增压气雾冷却方式能够实现与射流冲击相当的冷却能力，同时具有冷却均匀性好、换热效率高的优点，为开发低耗能新型冷却系统提供了参考数据。 5.轧后先进冷却系统核心装备优化，以及冷却工艺和自动化控制系统调优。对供水系统结构和喷嘴集管流体均匀性进行分析，获得优化的管路设计及喷嘴集管参数。建立并优化中厚板在线冷却过程控制系统，实现高精度温度控制和换热系数自学习功能。在此基础上，建立稳定的通讯系统、精确的跟踪系统、完善的数据存储查询系统，实现自动冷却功能，进而满足了中厚板在线冷却精确化控制需求。所开发冷却控制系统已成功应用于国内多条生产线。

目录

声明

摘要

1．1前言

1．2中厚板在线冷却系统研究现状

1．3国内外关于射流冲击换热理论的研究现状

1．3．1单束射流冲击换热原理的研究现状

1．3．2多束射流冲击换热原理的研究现状

1．3．3热轧中厚板轧后冷却换热原理研究现状

1．4中厚板在线冷却系统存在的问题

1．4．1如何提高冷却能力

1．4．2如何改善冷却均匀性

1．4．3如何实现灵活精确的冷却工艺路径控制

1．4．4如何提高冷却水换热效率

1．5本文研究主要内容

1．5．1单束射流冲击换热基础规律研究

1．5．2多束射流冲击换热基础规律研究

1．5．3空气增压气雾冷却换热基础规律研究

1．5．4中厚板轧后先进冷却系统的开发和应用

第2章高温钢板冷却基础机理研究

2．1射流冲击换热关键物性参数

2．1．1热流密度

2．1．2雷诺数

2．1．3努赛尔数

2．1．4雷利数

2．2射流冲击高温表面沸腾机理

2．2．1基础沸腾规律研究

2．2．2射流冲击钢板表面冷却区域研究

2．2．3射流冲击流体状态研究

2．2．4沸腾气泡特征的研究

2．2．5射流冲击稳态换热研究

2．2．6射流冲击瞬态换热研究

2．3本章小结

第3章单束射流换热规律研究

3．1实验装置设计

3．2反传热计算模型的建立

3．2．1热物性参数的计算方法

3．2．2 INTEMP计算方法

3．2．3有限差分计算方法

3．3单束射流冷却过程状态分析

3．4工艺参数对射流冲击换热规律的影响

3．4．1射流速度对换热规律的影响

3．4．2倾斜角度对换热规律的影响

3．4．3射流高度对换热规律的影响

3．4．4冷却水温对换热规律的影响

3．4．5钢板表面温度对换热规律的影响

3．5钢板厚度方向温度场分布

3．6本章小结

第4章多束射流冲击换热规律研究

4．1多束射流流体特征

4．2不同流速下多束射流冲击规律研究

4．2．1实验条件

4．2．2均流喷射装置设计

4．2．3数值分析模型研究

4．2．4实验数据分析

4．3在工业现场条件下的多束射流冷却规律研究

4．3．1实验条件

4．3．2现场冷却状态数值分析

4．3．3换热系数计算方法

4．3．4实验数据分析

4．4本章小结

第5章空气增压气雾冷却换热规律研究

5．1空气增压气雾冷却表面冷却状态

5．2空气增压气雾冷却换热模型研究

5．3临界液滴尺寸模型研究

5．4空气增压喷嘴结构研究

5．5实验参数设计

5．6实验分析

5．6．1不同冷却方式下流量对热流密度曲线的影响

5．6．2流量对不同时刻表面温度与热流密度的影响

5．6．3面积权重热流密度和表面温度研究

5．6．4 单位流量换热效率对比

5．7本章小结

第6章中厚板先进冷却系统的应用

6．1国内某钢厂5000 mm先进冷却系统特征

6．1．1狭缝喷嘴特性

6．1．2高密度喷嘴特性

6．1．3扫描式高温计

6．2供水管路和喷嘴集管优化设计

6．2．1流体计算模型

6．2．2数值分析实验条件设计

6．2．3数据分析

6．3自动化控制系统的优化

6．3．1先进冷却控制系统的构成

6．3．2工业过程控制系统与基础自动化系统的建立

6．3．3温度场计算模型开发

6．3．4自学习系统开发

6．4数据分析技术在过程控制系统中的应用

6．4．1水温和钢板厚度对换热系数的影响

6．4．2水温和钢板厚度对上下集管流量比的影响

6．5系统主要控制指标分析

6．5．1模型及控制系统稳定性分析

6．5．2纵向冷却均匀性分析

6．5．3横向冷却均匀性分析

6．5．4平均冷却速率分析

6．5．5钢板冷后平直度分析

6．6典型钢种的性能分析

6．6．1低成本Q345钢板

6．6．2低成本Q690D

6．6．3 X80管线钢

6．6．4储油容器板

6．7本章小结

第7章结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的工作

作者从事科学研究和学习经历的简介

致谢