D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.s2.070 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 Suppl.2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 热轧带钢横向温度研究方法及测量分析 张杰)李娜)曹建国)李洪波) 司小明)王强) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)马鞍山钢铁股份有限公司，马鞍山243003 摘要对目前带钢横向温度分布的研究方法和结论进行了分析：对1800热连轧机精轧出口带钢的横向温度进行测量，针对 典型的分布规律，提出了描述参数，并用该参数就其分布规律以及分布与带钢宽度，纵向温度的关系进行了讨论，为建立热连 轧带钢横向温度控制模型提供了依据. 关键词热轧带钢：横向温度：分布规律：影响因素 分类号TG333.71 带钢热连轧中的带钢温度控制对于产品的质量 结果进行修正[们.从以上的情况看出，关于带钢横 十分重要。长期以来，带钢的温度控制主要是长度 向温度分布的研究可以分为两类：①研究轧件在不 方向（纵向），忽略了带钢横向温度差的存在及影响， 同阶段的横向温度变化及规律，如加热炉至粗轧、粗 随着对产品性能、几何质量要求的提高以及控制水 轧出口至精轧入口、精轧过程中以及精轧出口至卷 平的提高，带钢横向温差的影响以及控制越来越受 取，一般采用仿真方法；②对带钢的横向温度分布进 到重视，无论是目前已被人们认识的带钢边部加热 行实际测量和分析，发现其规律，这些研究的主要 装置山还是近年来轧机上安装的带钢横向温度测 结果有： 量装置]都说明了带钢横向温度控制的实用价值. ①从带钢出炉后到卷取为止的过程中，在约4/ 与纵向温度相比，带钢横向温度的研究更为复 5的板宽范围内温度分布基本均匀，此范围外，温度 杂，对带钢质量的影响目前仍在探索中，但其对带 梯度甚大，可达到100℃[山 钢机械性能横向均匀性以及平坦度的影响已为人们 ②在粗轧出口和精轧入口位置，表面温度最高 所认识[3] 值在距带钢边部100mm位置处，温度降低主要集 1 带钢横向温度分布的研究 中在边部约100mm处-2. ③精轧出口位置，宽度方向的温差较大，中心与 目前对热轧带钢横向温度分布的研究方法主要 边部的温度相差70℃，边部较低]. 集中在两个方面，一是数值模拟，即采用有限元法模 ④从精轧末机架经由层流冷却到卷取机入口的 拟带钢温度场的分布，研究边部加热对带钢板形精 过程中，由中部到边部的温度差最高可达60~80 度的影响)，研究轧制过程中横断面上表面及中 ℃，通常中间温度高，两边温度低]. 心的温度变化闺以及当带钢横向温度分布曲线分 以上研究多为仿真结果，缺少实际生产数据的 别为折线、抛物线、双曲线并且温度最高点位置变化 验证，这主要是因为横向温度的测量比较困难以及 时，带钢板形的变化]；还有学者利用有限差分法 缺乏有效的装置，即使有很少的带钢横向温度分布 建立了带钢三维温度场的数值计算模型，简单分析 的测量，结果也有很大的差异，说明目前关于横向温 了轧制速度对带钢边部宽度方向上的温度梯度影 度分布的规律还缺少深入的研究与分析· 响门；二是现场测量分析，即利用红外热像仪测量 横向温度分布的测量主要采用红外线测量 精轧后带钢横向温度场，采用最小二乘法拟合得到 仪[町，近年来热连轧机的精轧入口和出口安装的在 带钢横向温度场的分布规律并建立平坦度控制目标 线横向温度扫描测量仪，可在线实时测量，尽管由 设定的温差补偿模型]：还有学者利用精轧第一机 于横向温度控制模型还不完善，这些测量结果还不 架入口前的横向温度测量结果作为仿真计算的初始 能投入控制，但通过对这些测量结果进行分析，可以 条件)或者利用现场实测的带钢横向温度对仿真 发现横向温度分布规律，一方面可以与仿真结果结 收稿日期：2007-10-17 合，另一方面为横向温度的控制提供依据 作者简介：张杰(1960一)男，教授，博士
热轧带钢横向温度研究方法及测量分析 张 杰1） 李 娜1） 曹建国1） 李洪波1） 司小明2） 王 强2） 1） 北京科技大学机械工程学院北京100083 2） 马鞍山钢铁股份有限公司马鞍山243003 摘 要 对目前带钢横向温度分布的研究方法和结论进行了分析；对1800热连轧机精轧出口带钢的横向温度进行测量针对 典型的分布规律提出了描述参数并用该参数就其分布规律以及分布与带钢宽度、纵向温度的关系进行了讨论为建立热连 轧带钢横向温度控制模型提供了依据． 关键词 热轧带钢；横向温度；分布规律；影响因素 分类号 TG333∙71 收稿日期：2007-10-17 作者简介：张 杰（1960—）男教授博士 带钢热连轧中的带钢温度控制对于产品的质量 十分重要．长期以来带钢的温度控制主要是长度 方向（纵向）忽略了带钢横向温度差的存在及影响． 随着对产品性能、几何质量要求的提高以及控制水 平的提高带钢横向温差的影响以及控制越来越受 到重视．无论是目前已被人们认识的带钢边部加热 装置［1］还是近年来轧机上安装的带钢横向温度测 量装置［2］都说明了带钢横向温度控制的实用价值． 与纵向温度相比带钢横向温度的研究更为复 杂对带钢质量的影响目前仍在探索中．但其对带 钢机械性能横向均匀性以及平坦度的影响已为人们 所认识［3—5］． 1 带钢横向温度分布的研究 目前对热轧带钢横向温度分布的研究方法主要 集中在两个方面一是数值模拟即采用有限元法模 拟带钢温度场的分布研究边部加热对带钢板形精 度的影响［1—2］研究轧制过程中横断面上表面及中 心的温度变化［4］ 以及当带钢横向温度分布曲线分 别为折线、抛物线、双曲线并且温度最高点位置变化 时带钢板形的变化［6］；还有学者利用有限差分法 建立了带钢三维温度场的数值计算模型简单分析 了轧制速度对带钢边部宽度方向上的温度梯度影 响［7］；二是现场测量分析即利用红外热像仪测量 精轧后带钢横向温度场采用最小二乘法拟合得到 带钢横向温度场的分布规律并建立平坦度控制目标 设定的温差补偿模型［5］；还有学者利用精轧第一机 架入口前的横向温度测量结果作为仿真计算的初始 条件［2］或者利用现场实测的带钢横向温度对仿真 结果进行修正［6］．从以上的情况看出关于带钢横 向温度分布的研究可以分为两类：①研究轧件在不 同阶段的横向温度变化及规律如加热炉至粗轧、粗 轧出口至精轧入口、精轧过程中以及精轧出口至卷 取一般采用仿真方法；②对带钢的横向温度分布进 行实际测量和分析发现其规律．这些研究的主要 结果有： ①从带钢出炉后到卷取为止的过程中在约4／ 5的板宽范围内温度分布基本均匀此范围外温度 梯度甚大可达到100℃［4］． ②在粗轧出口和精轧入口位置表面温度最高 值在距带钢边部100mm 位置处温度降低主要集 中在边部约100mm 处［1—2］． ③精轧出口位置宽度方向的温差较大中心与 边部的温度相差70℃边部较低［7—8］． ④从精轧末机架经由层流冷却到卷取机入口的 过程中由中部到边部的温度差最高可达60～80 ℃通常中间温度高两边温度低［5］． 以上研究多为仿真结果缺少实际生产数据的 验证这主要是因为横向温度的测量比较困难以及 缺乏有效的装置．即使有很少的带钢横向温度分布 的测量结果也有很大的差异说明目前关于横向温 度分布的规律还缺少深入的研究与分析． 横向温度分布的测量主要采用红外线测量 仪［9］近年来热连轧机的精轧入口和出口安装的在 线横向温度扫描测量仪可在线实时测量．尽管由 于横向温度控制模型还不完善这些测量结果还不 能投入控制但通过对这些测量结果进行分析可以 发现横向温度分布规律一方面可以与仿真结果结 合另一方面为横向温度的控制提供依据． 第29卷 增刊2 2007年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29Suppl．2 Dec．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．s2．070
Vol.29 Suppl.2 张杰等：热轧带钢横向温度研究方法及测量分析 141. 2 带钢横向温度分布的测量与特征描 s、s、△T。和△T。可以很方便地对带钢横向温度分 布规律进行分析 述 某厂1800热连轧机精轧机架出口处装有温度 扫描仪，测量范围是600~1200℃，测量精度在5℃ 之内，可以实现对带钢出口横向温度进行连续的测 量.为了研究热轧带钢横向温度分布规律，在该轧 带钢中心 机上对228块带钢进行了横向温度的测量，规格、参 带钢宽度方向 数如表1所示. 图1带钢横向温度分布示意 表1测量带钢的规格 参量 数值 3横向温度分布的分析 轧制品种 SPHC-1.SS400-3 带钢厚度/mm 1.57 3.1带钢中部的横向温度分布 1023~1542 利用前面给出的参数对228块带钢的横向温度 带钢宽度/mm 精轧出口带钢温度/℃ 846-923 分布进行了分析，结果发现，带钢中部的温差△T。 的范围为5.2~46.5℃，e的范围为0~588.8mm 对测量结果进行分析后发现，带钢的横向温度 58%左右带钢的△T。在20℃范围内，如图2(a)所 分布大都呈中间低、边部高的特征，如图1所示，该 示.42%左右的△T。超过了20℃，其中又可以分为 特征可以用一组参数进行描述，将带钢横向温度分 三种情况：①局部有温度高峰点，如图2(b)所示：② 布分为两个部分：中部和边部，在距带钢边部$。处 在带钢边部温度尖峰较为明显，如图2（©）所示：③ 温度最高，自此点向边部温度迅速下降，温差记为 带钢中部温度低于边部但变化较平缓（如图2(d)所 △T。,该点向中部温度降低，温差记为△T。,中部温 示)，还有的带钢在中部出现局部温度降低较剧烈的 度最低点的位置距中心的距离为s·利用这些参数 情况（如图2(e)所示） 920 920r 920m (a) (b) (c) 2880 880 880 别840 明840 840 80050 -2600260 520 800%50-390-130130390650 809%50-390-130130390 650 距带钢中心的位置/mm 距带钢中心的位置/mm 距带钢中心的位置mm 920d 920 (e) 880 880 期840H 809%50-390-30130390630 809630-30-3010390650 距带钢中心的位置/mm 距带钢中心的位置mm 图2横向温度分布曲线.(a)△T.在20℃范围内：(b)局部有温度高峰点：(c)边部温度尖峰较明显：(d)变化较平缓；(e)局部温度降低 较剧烈 有资料表明，1℃的温差可以产生2.205MPa 3.2带钢边部的横向温度分布 的应力差10，该应力差在轧机出口表现为平坦度的 带钢边部的横向温度变化比较大，其温差△T。 变化，所以在平坦度目标的设置上要进行补偿，但 最小为53℃，最大为130℃，s的范围为40~405.6 是，本文发现的温度分布规律与文献[5]不同，这可 mm,其中79%左右的带钢s.<200mm,即大部分带 能是由于研究的轧机不同导致，可见，关于平坦度目 钢边部温降发生在距边部200mm范围内.其中边 标的补偿要根据具体的轧机及工艺情况确定， 部有温度尖峰情况（如图2（©）所示)的带钢厚度规
2 带钢横向温度分布的测量与特征描 述 某厂1800热连轧机精轧机架出口处装有温度 扫描仪测量范围是600～1200℃测量精度在5℃ 之内可以实现对带钢出口横向温度进行连续的测 量．为了研究热轧带钢横向温度分布规律在该轧 机上对228块带钢进行了横向温度的测量规格、参 数如表1所示． 表1 测量带钢的规格 参量 数值 轧制品种 SPHC—1SS400—3 带钢厚度／mm 1．5～7 带钢宽度／mm 1023～1542 精轧出口带钢温度／℃ 846～923 对测量结果进行分析后发现带钢的横向温度 分布大都呈中间低、边部高的特征如图1所示．该 特征可以用一组参数进行描述将带钢横向温度分 布分为两个部分：中部和边部在距带钢边部 se 处 温度最高自此点向边部温度迅速下降温差记为 ΔTe该点向中部温度降低温差记为ΔTc中部温 度最低点的位置距中心的距离为 sc．利用这些参数 se、sc、ΔTe 和ΔTc 可以很方便地对带钢横向温度分 布规律进行分析． 图1 带钢横向温度分布示意 3 横向温度分布的分析 3∙1 带钢中部的横向温度分布 利用前面给出的参数对228块带钢的横向温度 分布进行了分析结果发现带钢中部的温差 ΔTc 的范围为5∙2～46∙5℃sc 的范围为0～588∙8mm． 58％左右带钢的ΔTc 在20℃范围内如图2（a）所 示．42％左右的ΔTc 超过了20℃其中又可以分为 三种情况：①局部有温度高峰点如图2（b）所示；② 在带钢边部温度尖峰较为明显如图2（c）所示；③ 带钢中部温度低于边部但变化较平缓（如图2（d）所 示）还有的带钢在中部出现局部温度降低较剧烈的 情况（如图2（e）所示）． 图2 横向温度分布曲线．（a） ΔTc 在20℃范围内；（b） 局部有温度高峰点；（c） 边部温度尖峰较明显；（d）变化较平缓；（e） 局部温度降低 较剧烈 有资料表明1℃的温差可以产生2∙205MPa 的应力差［10］该应力差在轧机出口表现为平坦度的 变化所以在平坦度目标的设置上要进行补偿．但 是本文发现的温度分布规律与文献［5］不同这可 能是由于研究的轧机不同导致可见关于平坦度目 标的补偿要根据具体的轧机及工艺情况确定． 3∙2 带钢边部的横向温度分布 带钢边部的横向温度变化比较大其温差ΔTe 最小为53℃最大为130℃se 的范围为40～405∙6 mm其中79％左右的带钢 se＜200mm即大部分带 钢边部温降发生在距边部200mm 范围内．其中边 部有温度尖峰情况（如图2（c）所示）的带钢厚度规 Vol．29Suppl．2 张 杰等： 热轧带钢横向温度研究方法及测量分析 ·141·
.142 北京科技大学学报 2007年增刊2 格为2.5~3.5mm,宽度规格为1275和1525mm, 50 其他横向温度分布情况在所测量的带钢厚度与宽度 40 足 规格中均有发生，进一步分析发现，se、s。与带钢厚 响 度、宽度及纵向温度之间没有明显的对应关系 20 3,3横向温度分布与带钢宽度的关系 对同样厚度不同宽度的带钢横向温差进行统计 850 860 870 880 890 分析，由于轧制计划编排的原因，所测的228块带钢 带钢纵向温度/℃ 宽度主要集中在三个值(1035、1285和1540mm)附 图+不同纵向温度带钢的横向温差变化 近，结果如图3所示.图3为终轧厚度2.7mm的不 同宽度带钢横向温差的变化，由图可见带钢宽度越 了测量和分析，提出了表达分布规律的描述参数，并 大，横向温差也越大，当宽度增加约200mm时，横 用描述参数就其分布规律以及分布与带钢宽度、纵 向温差约增大7℃左右 向温度的关系进行了讨论，本文关于带钢横向温度 40 分布的结果对热连轧带钢横向温度控制以及带钢平 30 坦度目标补偿具有重要意义， 架 20 参考文献 [1】陈少杰，张亚，边部加热对热轧带钢板形的影响。上海金属， 2000,22(5):28 1.0 1.11.21.31.41.51.6 [2]Sun C G.Prediction of three dimensional strip temperatures 带钢宽度m through the entire finishing mill in hot strip rolling by finite ele- 图3不同宽度带钢横向温差变化 ment method.ISIJ Inter.2002.42(6):629 [3】戚向东，李俊洪，连家创，等。热轧带钢局部硬度对冷轧带钢板 3.4,横向温度分布与带钢纵向温度的关系 形的影响.钢铁，2005,40(3)：40 对于同样厚度的带钢，横向温差与其带钢纵向 [4]孙卫华，王国栋，吴国良·带钢热轧过程中轧件横断面上温度 温度之间的关系如图4所示。带钢的终轧厚度为 场的解析.山东冶金，1994,16(4)：30 [5]孙克文，何安瑞，杨荃，等，热带钢轧机平坦度控制补偿策略. 2.0mm,可见，带钢纵向温度越低，其横向温差越 北京科技大学学报，2004,26(5)：545 高，该结果表明，轧机纵向温度冷却强度提高的同 [6]Biggs DL.Finite clement modelling of camber development dur- 时，横向冷却强度差异的影响也在加大，控制带钢横 ing hot rolling of strip steel.Ironmaking Steelmaking.1998.25 向温度分布的关键在于横向冷却强度差异的控制， (1):81 如机架间带钢冷却分布的控制等， [7]周进，沈丙振，韩志强，等.精轧区带钢温度场的数值模拟·钢 铁研究学报，2003,15(2)：14 4结论 [8]沈丙振，周进，韩志强，等，热轧带钢温度场数值模拟研究现 状.钢铁研究，2003(1)：48 对带钢横向温度分布的研究内容、方法进行了 [9]Devadas C.Heat transfer during hot rolling of steel strip.Iron- 分析，指出关于带钢横向温度的分布有不同的结果， making Steelmaking.1986(13):311 需要进行以现场测量为基础的横向温度分布规律的 [10】日本钢铁协会，板带轧制理论与实践，北京：中国铁道出版 社，1990 研究 在热连轧机生产现场对带钢横向温度分布进行
格为2∙5～3∙5mm宽度规格为1275和1525mm 其他横向温度分布情况在所测量的带钢厚度与宽度 规格中均有发生．进一步分析发现se、sc 与带钢厚 度、宽度及纵向温度之间没有明显的对应关系． 3∙3 横向温度分布与带钢宽度的关系 对同样厚度不同宽度的带钢横向温差进行统计 分析由于轧制计划编排的原因所测的228块带钢 宽度主要集中在三个值（1035、1285和1540mm）附 近结果如图3所示．图3为终轧厚度2∙7mm 的不 同宽度带钢横向温差的变化．由图可见带钢宽度越 大横向温差也越大当宽度增加约200mm 时横 向温差约增大7℃左右． 图3 不同宽度带钢横向温差变化 3∙4 横向温度分布与带钢纵向温度的关系 对于同样厚度的带钢横向温差与其带钢纵向 温度之间的关系如图4所示．带钢的终轧厚度为 2∙0mm．可见带钢纵向温度越低其横向温差越 高．该结果表明轧机纵向温度冷却强度提高的同 时横向冷却强度差异的影响也在加大控制带钢横 向温度分布的关键在于横向冷却强度差异的控制 如机架间带钢冷却分布的控制等． 4 结论 对带钢横向温度分布的研究内容、方法进行了 分析指出关于带钢横向温度的分布有不同的结果 需要进行以现场测量为基础的横向温度分布规律的 研究． 在热连轧机生产现场对带钢横向温度分布进行 图4 不同纵向温度带钢的横向温差变化 了测量和分析提出了表达分布规律的描述参数并 用描述参数就其分布规律以及分布与带钢宽度、纵 向温度的关系进行了讨论．本文关于带钢横向温度 分布的结果对热连轧带钢横向温度控制以及带钢平 坦度目标补偿具有重要意义． 参 考 文 献 ［1］ 陈少杰张亚．边部加热对热轧带钢板形的影响．上海金属 200022（5）：28 ［2］ Sun C G．Prediction of three dimensional strip temperatures through the entire finishing mill in hot strip rolling by finite element method．ISIJ Inter200242（6）：629 ［3］ 戚向东李俊洪连家创等．热轧带钢局部硬度对冷轧带钢板 形的影响．钢铁200540（3）：40 ［4］ 孙卫华王国栋吴国良．带钢热轧过程中轧件横断面上温度 场的解析．山东冶金199416（4）：30 ［5］ 孙克文何安瑞杨荃等．热带钢轧机平坦度控制补偿策略． 北京科技大学学报200426（5）：545 ［6］ Biggs D L．Finite element modelling of camber development during hot rolling of strip steel．Ironmaking Steelmaking199825 （1）：81 ［7］ 周进沈丙振韩志强等．精轧区带钢温度场的数值模拟．钢 铁研究学报200315（2）：14 ［8］ 沈丙振周进韩志强等．热轧带钢温度场数值模拟研究现 状．钢铁研究2003（1）：48 ［9］ Devadas C．Heat transfer during hot rolling of steel strip．Ironmaking Steelmaking．1986（13）：311 ［10］ 日本钢铁协会．板带轧制理论与实践．北京：中国铁道出版 社1990 ·142· 北 京 科 技 大 学 学 报 2007年 增刊2
Vol.29 Suppl.2 张杰等：热轧带钢横向温度研究方法及测量分析 .143. Research method and measure analysis of transverse temperature in hot rolling strip ZHA NG Jie,LI Na,CAO Jianguo),LI Hongbo),SI Xiaoming2),WANG Qiang2) 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 10083,China 2)Maanshan Iron and Steel Co.Ltd.,Maanshan 243003.China ABSTRACI The research methods and distributions of strip transverse temperature were analyzed.The strip transverse temperature was measured on the outer of the No.7 stand of 1800mm finishing rolling group.To at- tain the typical distribution of the transverse temperature,the described parameters were proposed.The distri- bution characteristic and the relationship among temperature distribution,strip width and longitudinal tempera ture were studied with these parameters,and these provided the reference for building the control model of hot strip transverse temperature. KEY WORDS hot rolling strip;transverse temperature;distribution characteristic;influence factors
Research method and measure analysis of transverse temperature in hot rolling strip ZHA NG Jie 1）LI Na 1）CAO Jianguo 1）LI Hongbo 1）SI Xiaoming 2）WA NG Qiang 2） 1）Mechanical Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing10083China 2）Maanshan Iron and Steel Co．Ltd．Maanshan243003China ABSTRACT The research methods and distributions of strip transverse temperature were analyzed．The strip transverse temperature was measured on the outer of the No．7stand of1800mm finishing rolling group．To attain the typical distribution of the transverse temperaturethe described parameters were proposed．The distribution characteristic and the relationship among temperature distributionstrip width and longitudinal temperature were studied with these parametersand these provided the reference for building the control model of hot strip transverse temperature． KEY WORDS hot rolling strip；transverse temperature；distribution characteristic；influence factors Vol．29Suppl．2 张 杰等： 热轧带钢横向温度研究方法及测量分析 ·143·