用于改善中厚板轧后超快速冷却均匀性的方法

摘要

用于改善中厚板轧后超快速冷却均匀性的方法，合理调整射流集管位置，其特征在于一是上集管位置设置：超快冷上集管框架竖直方向上、下调整，满足此公式的条件：Hu×tg(θ)＝Hd×tg(θ)+D；二是钢板上表面冲刷水区域“软水封”的设定满足本公式条件：1/2×本区域内所有正向集管流量之和＜“软水封”水量＜2×本区域内所有正向集管流量之和；三是增加下集管流量对下表面换热能力进行补偿，最优上下水比设定在1∶1.1～1∶2.5的范围之内；四是上表面残余冷却水的清除措施，在超快冷辊道两侧上设侧喷、上集管框架设中喷装置、超快冷装置两端设强吹装置；五是辊道速度的头尾遮蔽控制：超快冷控制系统按速度曲线变换控制钢板头、尾部低温区的辊道速度；实现中厚板轧后超快速冷却条件下的钢板冷却均匀性。

说明书

技术领域

本发明涉及轧钢的冷却工艺，具体是一种中厚板轧后超快速冷却均匀性的改善方法。 

背景技术

近年来，中厚板轧后控制冷却技术受到了人们越来越多的重视。与此同时，随着冷却温度向低温区发展，冷却速率提高，由于冷却不均带来的残余应力及板形问题尤为突出。可以说，高冷却速率情况下的板形控制，已经成为利用TMCP技术进行高强钢开发的瓶颈问题。如果不采用有效的冷却均匀性改善措施，在中厚板轧后超快速冷却条件下，将产生严重的冷却不均匀问题，甚至造成较为严重的板形问题。原因在于在超快速冷却条件下，中厚板以0.5～2.0m/s的运行速度运行，冷却水按一定角度以约6～20m/s的速度顺着钢板运行的方向对钢板表面进行喷射换热。在此条件下，下集管冷却水被辊道阻挡，并在重力的作用下流入排水沟。与此同时，上集管冷却水不能被及时清除出钢板上表面，它将以很快速度沿钢板上表面迅速向钢板运行方向流动，与钢板表面形成较为强烈的换热。此时，离开超快冷区域的钢板下表面以空冷和与辊道的热传导换热为主，而钢板上表面处于高速冲刷水和残余水的二次换热状态之下，导致钢板上下表面换热不均。此外，轧后钢板的头部和尾部往往存在低温段，传统的层流冷却方式采用流量变化或集管开闭实现钢板头尾低温段的特殊控制，减小冷却水对钢板头尾的过度冷却。而对于超快速冷却系统而言，供水方式通常采用泵直接供水，如采用流量变化或集管开闭将对水系统的稳定性造成较大冲击，影响冷却系统的稳定性。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于改善中厚板轧后超快速冷却均匀性的方法，通过合理调整射流集管位置，增设“软水封”，优化上下水比，利用侧喷、中喷和吹扫装置清除表面残水以及优化辊道速度控制，实现中厚板轧后超快速冷却条件下的钢板冷却均匀性。 

本发明用于改善中厚板轧后超快速冷却均匀性的方法，超快速冷却装置采用射流冲击换热，其特征在于一是上集管位置设置：超快冷上集管框架被设计成水 平方向相对静止，竖直方向通过机械丝杠和液压系统上、下调整；上框架设定位置按此公式计算：D为上集管和下集管在竖直方向的中心线沿轧向的距离，H_d为下集管喷射出口距离辊道上表面的距离，H_u为上集管喷射出口距离辊道上表面的距离，θ为射流冲击与竖直方向的角度，上述参数满足此公式所示的条件：H_u×tg(θ)＝H_d×tg(θ)+D。 

二是钢板上表面冲刷水区域“软水封”的设定原则：(1)“软水封”的措施是在超快速冷却区内将集管沿水平与正向集管朝向相反布置；(2)“软水封”作用区域确定原则：1～3组正向集管+1组“软水封”；(3)“软水封”流量确定原则：“软水封”的流量根据具体冷却工艺进行单独设定，满足本公式条件：1/2×本区域内所有正向集管流量之和＜“软水封”水量＜2×本区域内所有正向集管流量之和； 

三是增加下集管流量对下表面换热能力进行补偿，上下水比的设定与集管流量、辊道速度以及钢板厚度密切相关，最优上下水比设定在1∶1.1～1∶2.5的范围之内； 

四是上表面残余冷却水的清除措施：(1)侧喷装置共计4套，每套装置由3个喷嘴组成，其中2套侧喷装置对称布置于超快冷入口辊道两侧的挡水护板上，另2套侧喷装置对称布置于超快冷出口辊道两侧的挡水护板上；侧喷装置通过调整喷嘴角度实现侧喷水的交错，使侧喷水沿钢板宽度方向冲击对侧三分之二钢板上表面区域内残余冷却水，将残余冷却水从对侧钢板边部清除出钢板上表面；(2)中喷装置共计4套，每套装置由2个喷嘴组成。每2套中喷装置以间隔3～4组集管沿轧制中心线交错布置于超快速冷却装置的上框架上，中喷水出口高度距离辊道表面约300～500mm，每套中喷装置喷出的中喷水沿宽度方向以一定角度冲击二分之一钢板上表面残余冷却水，将其清除出钢板上表面；侧喷水和中喷水压力为1.2MPa、流速约为40m/s；(3)强力吹扫装置为2组分别布置于超快冷装置入口和超快冷装置出口外侧，垂直于轧制方向横跨于辊道之上，距离辊道的垂直距离为800mm～1200mm，每组强力吹扫装置由多个小喷嘴组成，压缩空气以一定倾角沿吹向钢板上表面残余冷却水，强力吹扫装置的清除效果覆盖于整个钢板表面，对于少量残余冷却水能够起到彻底清除的效果； 

五是辊道速度的头尾遮蔽控制：超快冷控制系统采用所设计的速度曲线控制钢板在冷却区内的运行速度，对钢板头部和尾部低温区进行辊道速度的变换控制，提高钢板头部进入冷却区，尾部离开冷却区的辊道运行速度以减小钢板头尾 的过冷度，同时在板身通过冷却区时采用辊道微加速以消除钢板长度方向的整体温度梯度。 

进入21世纪以来，国内外轧钢工作者将对产品最终组织和性能有重要影响的中厚板轧后超快速冷却技术进行深入研究。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室在新一代TMCP技术思想的指导下，不懈进行超快速冷却装置和工艺的研究和探索。2010年，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室开发出冷却强度高、冷却均匀性好的先进超快速冷却系统(Advanced Cooling System，ADCOS-PM)。它的基本原理是采用高压射流冲击换热，实现钢板瞬时冷却强度的提高和钢板各向冷却均匀性的改善。本发明中通过合理调整超快速冷却装置上集管位置，增设“软水封”，优化上下水比，采用侧喷、中喷、吹扫等设施清除表面残水以及超快冷控制系统采用辊道微加速控制，消除长度方向的整体温度梯度，实现了中厚板轧后超快速冷却条件下的钢板各向冷却均匀性。 

合理布置“软水封”数量和位置，还能够有效地避免超快冷区域内钢板上表面冷却水形成“大水槽”，“大水槽”中残留水较厚，它将阻碍上集管射流水对钢板上表面的冲击作用。同时，“大水槽”内的冷却水将对钢板上表面浸泡，与钢板表面发生膜态沸腾和过渡沸腾，产生冷却不均匀。而“软水封”技术将“大水槽”分割成若干个水层较薄的区域，这样从集管流出的冲击水能够有效的将其打破，与钢板表面形成冷却强度高和冷却均匀性好的冲击换热。 

附图说明

图1a是上框架位置零点调整示意图； 

图1b是针对厚度规格为h的钢板进行上框架位置设定示意图； 

图2是采用“软水封”方法设置的喷水集管示意图； 

图3是上下表面换热区域对比示意图； 

图4是残余冷却水清理措施示意图； 

图5轧后冷却钢板辊道速度控制趋势图； 

图6为钢板轧后的辊道速度曲线示意图； 

图7钢板长度方向温度分布曲线图。 

具体实施方式

本发明用于改善中厚板轧后超快速冷却均匀性的方法，超快速冷却装置采用射流冲击换热，其特征在于1.上集管位置控制：超快冷上集管框架被设计成水平方向相对静止，竖直方向可通过机械丝杠和液压系统进行上、下调整。上 框架调零及位置设定的计算方法及调整步骤如下： 

(1)固定上集管中心线与下集管中心线沿轧制方向的距离D； 

(2)固定下喷嘴顶端距离辊道表面的距离H_d； 

(3)下集管以θ的倾角冲击钢板下表面，则下集管射流冲击点距离下集管中心线沿轧向的距离H_d*tg(θ)，如图1a所示。 

(4)同样上集管以θ的倾角冲击钢板上表面，则上集管射流冲击点距离上集管中心线沿轧向的距离H_u*tg(θ)； 

(5)为保证钢板上下表面的冲击换热区域对称，则必须满足H_u×tg(θ)＝H_d×tg(θ)+D； 

(6)当对厚度为h的钢板进行冷却时，上集管高度H设定为：H＝H_d+h，如图1b所示。 

2.钢板上表面冲刷水区域控制 

如图2所示，为解决冷却区出口钢板上下表面严重的冷却不均问题，本发明将超快速冷却区用“软水封”技术进行分割，使得高速流动的冷却水固定在一定的区域之内，避免钢板离开超快冷出口后冷却水对钢板上表面的二次冷却作用。 

“软水封”技术的设定原则如下： 

(1)“软水封”即在超快速冷却区内设置反向集管，沿水平与正向集管朝向相反地布置集管； 

(2)“软水封”作用区域确定原则：1～3组正向集管+1组“软水封”； 

(3)“软水封”流量确定原则：“软水封”集管的流量根据具体冷却工艺进行单独设定，通常情况下设定为1/2×本区域内所有正向集管流量之和＜“软水封”水量＜2×本区域内所有正向集管流量之和。 

如图2所示，在正向集管及“软水封”反向集管的共同作用下，冷却区内钢板上表面与冷却水之间的换热被分为以下几个区域，A区和E区为正向集管及“软水封”反向集管所形成的冷却区域；B区为射流冲击换热和冲刷换热区域；C区为射流冲击换热、冲刷水换热以及“小水槽”共同作用的换热区域；D区为“软水封”反向集管之后残余水换热区域；F区为超快冷装置后的空冷区域。 

3.上下水比控制 

当钢板通过冷却区时，钢板上表面反复经历由正向集管与“软水封”共同形 成的冷却区域，即射流冲击换热区域A以及由冲刷水作用区域B和冲击换热、冲刷换热及残留水引起的混合换热区域C，如图3所示。而钢板下表面则反复经历射流冲击换热区域D、冲刷水换热区域E、残留水换热区域F、辊道与钢板接触的热传导换热区域G以及空冷换热区域H。钢板上下表面所经历的换热方式不尽相同，在同等条件下钢板上表面的换热远远大于钢板下表面的换热。 

为实现钢板上下表面的对称换热，需要增加下集管流量以对下表面换热能力进行补偿。而上下集管流量的比例与集管射流水流量、辊道运行速度等工艺规程参数以及钢板厚度、宽度等尺寸规格密切相关，合理的下集管与上集管水量比通常控制在1∶1.1～1∶2.5的范围之内。 

4.上表面残余冷却水的清除措施 

上述措施的实施保障了钢板在冷却区内部的冷却均匀性，但仍然有少量冷却水流出到冷却区以外，残余冷却水在钢板表面进行无序的流动，与钢板表面发生不稳定的换热，造成钢板表面冷却不均匀。本发明采用侧喷、中喷以及强力吹扫的组合方式清除残余冷却水。如图4所示，图中B和E为侧喷装置。侧喷装置共计4套，每套装置由3个喷嘴组成。其中2套入口侧喷装置B对称布置于超快冷入口辊道两侧的挡水护板上，另2套出口侧喷装置E对称布置于超快冷出口辊道两侧的挡水护板上。侧喷装置B和E通过调整喷嘴角度实现侧喷水的交错，使侧喷水沿钢板宽度方向冲击对侧三分之二钢板上表面区域内残余冷却水，将残余冷却水从对侧钢板边部清除出钢板上表面；侧喷水压力为1.2MPa、流速约为40m/s。 

如图4所示，图中C和D为中喷装置。中喷装置共计4套，每套装置由2个喷嘴组成。2套中喷装置C和2套中喷装置D沿轧制中心线交错布置于超快速冷却装置的上框架上，两套中喷装置中间以3～4组集管间隔，中喷水出口高度距离辊道表面约300～500mm，每套中喷装置喷出的中喷水沿宽度方向以一定角度冲击二分之一钢板上表面残余冷却水，将其清除出钢板上表面；中喷水压力为1.2MPa、流速约为40m/s。图4中A和F为强力吹扫装置。强力吹扫装置为2组分别布置于超快冷装置入口和超快冷装置出口外侧，垂直于轧制方向横跨于辊道之上，距离辊道的垂直距离为800mm～1200mm，每组强力吹扫装置由多个小喷嘴组成，压缩空气以一定倾角沿吹向钢板上表面残余冷却水，强力吹扫装置的清除效果覆盖于整个钢板表面，对于少量残余冷却水能够起到彻底清除的效果。 

5.调整辊道速度的头尾遮蔽控制 

本发明以控制更为灵活的辊道速度作为控制对象，超快冷控制系统对钢板头尾低温区域的辊道实施加速控制，而针对钢板板身进入冷却区时沿长度方向存在“头高尾低”温度分布，采用辊道微加速控制有利于消除长度方向的整体温度梯度，防止出现冷后温度控制结果的波动。 

图5所示为钢板在整个轧后冷却过程中的辊道速度曲线设计，钢板在轧后抛钢及冷却过程速度经历如下几个区域。A区为轧后抛钢过程的速度变化趋势，在轧钢板以2～5m/s的抛钢速度从精轧机中运行到轧后输出辊道，在输出辊道上钢板运行速度由抛钢速度降低到冷却工艺辊道运行速度，约为0.5～2m/s。B区为钢板头部过冷段速度避让区域，在B区中钢板头部进入到开启集管的超快速冷却区域内。此时，适当提高钢板运行速度到正常冷却工艺设定的辊道运行速度的1.3～1.7倍并保持3～5s左右的时间(视钢板头尾过冷度可进行调整)。此后，钢板运行速度降低到常规运行速度0.5～2.0m/s，并在板身冷却过程进行持续微变速控制，+0.02～-0.02m/s2，以消除钢板纵向的温度梯度，如图5中C区所示；当钢板尾部离开开启集管的区域时，和钢板头部的速度控制过程相似，正常冷却工艺设定的辊道运行速度0.5～2.0m/s的1.3～1.7倍并保持3～5s的时间，增加辊道速度以减小钢板尾部的过冷度，如图5中D区所示。当钢板尾部离开超快冷区域后，钢板以较快速度输送到矫直区域，如图5中E区所示。 

实施例 

以国内某钢厂生产的炉号为0313400000管线钢为例，其具体规格为17.2mm×3403mm×39750mm，冷却过程的目标工艺参数如表1所示。 

表1 

根据冷却工艺要求，控制模型将上集管框架高度应设定为H₀+h＝348.5+17.5＝366mm，同时其相应的冷却规程设定如表2所示。为了实现钢板纵向温度均匀一致，钢板运行速度设定值如图6所示。 

表2 

将上述冷却规程由基础自动化控制系统执行，钢板实际平直度远小于8mm/m的目标要求。如图7所示，长度方向95％以上温度被控制在距离目标返红温度±25℃的温度范围之内。