用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法

2023-05-15 05:05:56

專利名稱：用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法
技術領域：
本發明涉及軋鋼的冷卻工藝，具體是一種中厚板軋後超快速冷卻均勻性的改善方法。
背景技術：
近年來，中厚板軋後控制冷卻技術受到了人們越來越多的重視。與此同時，隨著冷卻溫度向低溫區發展，冷卻速率提高，由於冷卻不均帶來的殘餘應力及板形問題尤為突出。 可以說，高冷卻速率情況下的板形控制，已經成為利用TMCP技術進行高強鋼開發的瓶頸問題。如果不採用有效的冷卻均勻性改善措施，在中厚板軋後超快速冷卻條件下，將產生嚴重的冷卻不均勻問題，甚至造成較為嚴重的板形問題。原因在於在超快速冷卻條件下，中厚板以0. 5 2. Om/s的運行速度運行，冷卻水按一定角度以約6 20m/s的速度順著鋼板運行的方向對鋼板表面進行噴射換熱。在此條件下，下集管冷卻水被輥道阻擋，並在重力的作用下流入排水溝。與此同時，上集管冷卻水不能被及時清除出鋼板上表面，它將以很快速度沿鋼板上表面迅速向鋼板運行方向流動，與鋼板表面形成較為強烈的換熱。此時，離開超快冷區域的鋼板下表面以空冷和與輥道的熱傳導換熱為主，而鋼板上表面處於高速衝刷水和殘餘水的二次換熱狀態之下，導致鋼板上下表面換熱不均。此外，軋後鋼板的頭部和尾部往往存在低溫段，傳統的層流冷卻方式採用流量變化或集管開閉實現鋼板頭尾低溫段的特殊控制，減小冷卻水對鋼板頭尾的過度冷卻。而對於超快速冷卻系統而言，供水方式通常採用泵直接供水，如採用流量變化或集管開閉將對水系統的穩定性造成較大衝擊，影響冷卻系統的穩定性。

發明內容
本發明的目的是提供一種用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，通過合理調整射流集管位置，增設「軟水封」，優化上下水比，利用側噴、中噴和吹掃裝置清除表面殘水以及優化輥道速度控制，實現中厚板軋後超快速冷卻條件下的鋼板冷卻均勻性。本發明用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，超快速冷卻裝置採用射流衝擊換熱，其特徵在於一是上集管位置設置超快冷上集管框架被設計成水平方向相對靜止，豎直方向通過機械絲槓和液壓系統上、下調整；上框架設定位置按此公式計算D為上集管和下集管在豎直方向的中心線沿軋向的距離，Hd為下集管噴射出口距離輥道上表面的距離，Hu為上集管噴射出口距離輥道上表面的距離，θ為射流衝擊與豎直方向的角度，上述參數滿足此公式所示的條件=HuXtg( θ ) = HdXtg( θ )+D。二是鋼板上表面衝刷水區域「軟水封」的設定原則(1) 「軟水封」的措施是在超快速冷卻區內將集管沿水平與正向集管朝向相反布置；(2) 「軟水封」作用區域確定原則 1 3組正向集管+1組「軟水封」;(3) 「軟水封」流量確定原則「軟水封」的流量根據具體冷卻工藝進行單獨設定，滿足本公式條件1/2X本區域內所有正向集管流量之和< 「軟水封」水量< 2X本區域內所有正向集管流量之和；
三是增加下集管流量對下表面換熱能力進行補償，上下水比的設定與集管流量、 輥道速度以及鋼板厚度密切相關，最優上下水比設定在1 1. 1 1 2. 5的範圍之內；四是上表面殘餘冷卻水的清除措施(1)側噴裝置共計4套，每套裝置由3個噴嘴組成，其中2套側噴裝置對稱布置於超快冷入口輥道兩側的擋水護板上，另2套側噴裝置對稱布置於超快冷出口輥道兩側的擋水護板上；側噴裝置通過調整噴嘴角度實現側噴水的交錯，使側噴水沿鋼板寬度方向衝擊對側三分之二鋼板上表面區域內殘餘冷卻水，將殘餘冷卻水從對側鋼板邊部清除出鋼板上表面；( 中噴裝置共計4套，每套裝置由2個噴嘴組成。每2套中噴裝置以間隔3 4組集管沿軋制中心線交錯布置於超快速冷卻裝置的上框架上，中噴水出口高度距離輥道表面約300 500mm，每套中噴裝置噴出的中噴水沿寬度方向以一定角度衝擊二分之一鋼板上表面殘餘冷卻水，將其清除出鋼板上表面；側噴水和中噴水壓力為1. 2MPa、流速約為40m/s ； (3)強力吹掃裝置為2組分別布置於超快冷裝置入口和超快冷裝置出口外側，垂直於軋制方向橫跨於輥道之上，距離輥道的垂直距離為 800mm 1200mm，每組強力吹掃裝置由多個小噴嘴組成，壓縮空氣以一定傾角沿吹向鋼板上表面殘餘冷卻水，強力吹掃裝置的清除效果覆蓋於整個鋼板表面，對於少量殘餘冷卻水能夠起到徹底清除的效果；五是輥道速度的頭尾遮蔽控制超快冷控制系統採用所設計的速度曲線控制鋼板在冷卻區內的運行速度，對鋼板頭部和尾部低溫區進行輥道速度的變換控制，提高鋼板頭部進入冷卻區，尾部離開冷卻區的輥道運行速度以減小鋼板頭尾的過冷度，同時在板身通過冷卻區時採用輥道微加速以消除鋼板長度方向的整體溫度梯度。進入21世紀以來，國內外軋鋼工作者將對產品最終組織和性能有重要影響的中厚板軋後超快速冷卻技術進行深入研究。東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室在新一代TMCP技術思想的指導下，不懈進行超快速冷卻裝置和工藝的研究和探索。2010 年，東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室開發出冷卻強度高、冷卻均勻性好的先進超快速冷卻系統(Advanced Cooling System，ADCOS-PM)。它的基本原理是採用高壓射流衝擊換熱，實現鋼板瞬時冷卻強度的提高和鋼板各向冷卻均勻性的改善。本發明中通過合理調整超快速冷卻裝置上集管位置，增設「軟水封」，優化上下水比，採用側噴、中噴、吹掃等設施清除表面殘水以及超快冷控制系統採用輥道微加速控制，消除長度方向的整體溫度梯度，實現了中厚板軋後超快速冷卻條件下的鋼板各向冷卻均勻性。合理布置「軟水封」數量和位置，還能夠有效地避免超快冷區域內鋼板上表面冷卻水形成「大水槽」，「大水槽」中殘留水較厚，它將阻礙上集管射流水對鋼板上表面的衝擊作用。同時，「大水槽」內的冷卻水將對鋼板上表面浸泡，與鋼板表面發生膜態沸騰和過渡沸騰，產生冷卻不均勻。而「軟水封」技術將「大水槽」分割成若干個水層較薄的區域，這樣從集管流出的衝擊水能夠有效的將其打破，與鋼板表面形成冷卻強度高和冷卻均勻性好的衝擊換熱。


圖Ia是上框架位置零點調整示意圖；圖Ib是針對厚度規格為h的鋼板進行上框架位置設定示意圖；圖2是採用「軟水封」方法設置的噴水集管示意圖3是上下表面換熱區域對比示意圖；圖4是殘餘冷卻水清理措施示意圖；圖5軋後冷卻鋼板輥道速度控制趨勢圖；圖6為鋼板軋後的輥道速度曲線示意圖；圖7鋼板長度方向溫度分布曲線圖。
具體實施例方式本發明用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，超快速冷卻裝置採用射流衝擊換熱，其特徵在於1.上集管位置控制超快冷上集管框架被設計成水平方向相對靜止，豎直方向可通過機械絲槓和液壓系統進行上、下調整。上框架調零及位置設定的計算方法及調整步驟如下(1)固定上集管中心線與下集管中心線沿軋制方向的距離D ；(2)固定下噴嘴頂端距離輥道表面的距離Hd ；(3)下集管以θ的傾角衝擊鋼板下表面，則下集管射流衝擊點距離下集管中心線沿軋向的距離Hd*tg( θ )，如圖Ia所示。(4)同樣上集管以θ的傾角衝擊鋼板上表面，則上集管射流衝擊點距離上集管中心線沿軋向的距離Hu*tg(e)；(5)為保證鋼板上下表面的衝擊換熱區域對稱，則必須滿足HuXtg(Q)= HdXtg(0)+D ；(6)當對厚度為h的鋼板進行冷卻時，上集管高度H設定為H = Hd+h，如圖Ib所
7J\ ο2.鋼板上表面衝刷水區域控制如圖2所示，為解決冷卻區出口鋼板上下表面嚴重的冷卻不均問題，本發明將超快速冷卻區用「軟水封」技術進行分割，使得高速流動的冷卻水固定在一定的區域之內，避免鋼板離開超快冷出口後冷卻水對鋼板上表面的二次冷卻作用。「軟水封」技術的設定原則如下(1) 「軟水封」即在超快速冷卻區內設置反向集管，沿水平與正向集管朝向相反地
布置集管；(2) 「軟水封」作用區域確定原則1 3組正向集管+1組「軟水封」；(3) 「軟水封」流量確定原則「軟水封」集管的流量根據具體冷卻工藝進行單獨設定，通常情況下設定為1/2X本區域內所有正向集管流量之和<「軟水封」水量< 2X本區域內所有正向集管流量之和。如圖2所示，在正向集管及「軟水封」反向集管的共同作用下，冷卻區內鋼板上表面與冷卻水之間的換熱被分為以下幾個區域，A區和E區為正向集管及「軟水封」反向集管所形成的冷卻區域；B區為射流衝擊換熱和衝刷換熱區域；C區為射流衝擊換熱、衝刷水換熱以及「小水槽」共同作用的換熱區域；D區為「軟水封」反向集管之後殘餘水換熱區域；F 區為超快冷裝置後的空冷區域。3.上下水比控制當鋼板通過冷卻區時，鋼板上表面反覆經歷由正向集管與「軟水封」共同形成的冷卻區域，即射流衝擊換熱區域A以及由衝刷水作用區域B和衝擊換熱、衝刷換熱及殘留水引起的混合換熱區域C，如圖3所示。而鋼板下表面則反覆經歷射流衝擊換熱區域D、衝刷水換熱區域E、殘留水換熱區域F、輥道與鋼板接觸的熱傳導換熱區域G以及空冷換熱區域 H。鋼板上下表面所經歷的換熱方式不盡相同，在同等條件下鋼板上表面的換熱遠遠大於鋼板下表面的換熱。為實現鋼板上下表面的對稱換熱，需要增加下集管流量以對下表面換熱能力進行補償。而上下集管流量的比例與集管射流水流量、輥道運行速度等工藝規程參數以及鋼板厚度、寬度等尺寸規格密切相關，合理的下集管與上集管水量比通常控制在1 1.1 1 2. 5的範圍之內。4.上表面殘餘冷卻水的清除措施上述措施的實施保障了鋼板在冷卻區內部的冷卻均勻性，但仍然有少量冷卻水流出到冷卻區以外，殘餘冷卻水在鋼板表面進行無序的流動，與鋼板表面發生不穩定的換熱， 造成鋼板表面冷卻不均勻。本發明採用側噴、中噴以及強力吹掃的組合方式清除殘餘冷卻水。如圖4所示，圖中B和E為側噴裝置。側噴裝置共計4套，每套裝置由3個噴嘴組成。 其中2套入口側噴裝置B對稱布置於超快冷入口輥道兩側的擋水護板上，另2套出口側噴裝置E對稱布置於超快冷出口輥道兩側的擋水護板上。側噴裝置B和E通過調整噴嘴角度實現側噴水的交錯，使側噴水沿鋼板寬度方向衝擊對側三分之二鋼板上表面區域內殘餘冷卻水，將殘餘冷卻水從對側鋼板邊部清除出鋼板上表面；側噴水壓力為1. 2MPa、流速約為 40m/sο如圖4所示，圖中C和D為中噴裝置。中噴裝置共計4套，每套裝置由2個噴嘴組成。2套中噴裝置C和2套中噴裝置D沿軋制中心線交錯布置於超快速冷卻裝置的上框架上，兩套中噴裝置中間以3 4組集管間隔，中噴水出口高度距離輥道表面約300 500mm， 每套中噴裝置噴出的中噴水沿寬度方向以一定角度衝擊二分之一鋼板上表面殘餘冷卻水， 將其清除出鋼板上表面衝噴水壓力為1.2MPa、流速約為40m/s。圖4中A和F為強力吹掃裝置。強力吹掃裝置為2組分別布置於超快冷裝置入口和超快冷裝置出口外側，垂直於軋制方向橫跨於輥道之上，距離輥道的垂直距離為800mm 1200mm，每組強力吹掃裝置由多個小噴嘴組成，壓縮空氣以一定傾角沿吹向鋼板上表面殘餘冷卻水，強力吹掃裝置的清除效果覆蓋於整個鋼板表面，對於少量殘餘冷卻水能夠起到徹底清除的效果。5.調整輥道速度的頭尾遮蔽控制本發明以控制更為靈活的輥道速度作為控制對象，超快冷控制系統對鋼板頭尾低溫區域的輥道實施加速控制，而針對鋼板板身進入冷卻區時沿長度方向存在「頭高尾低」溫度分布，採用輥道微加速控制有利於消除長度方向的整體溫度梯度，防止出現冷後溫度控制結果的波動。圖5所示為鋼板在整個軋後冷卻過程中的輥道速度曲線設計，鋼板在軋後拋鋼及冷卻過程速度經歷如下幾個區域。A區為軋後拋鋼過程的速度變化趨勢，在軋鋼板以2 5m/s的拋鋼速度從精軋機中運行到軋後輸出輥道，在輸出輥道上鋼板運行速度由拋鋼速度降低到冷卻工藝輥道運行速度，約為0. 5 2m/s。B區為鋼板頭部過冷段速度避讓區域，在 B區中鋼板頭部進入到開啟集管的超快速冷卻區域內。此時，適當提高鋼板運行速度到正常冷卻工藝設定的輥道運行速度的1. 3 1. 7倍並保持3 k左右的時間(視鋼板頭尾過冷度可進行調整)。此後，鋼板運行速度降低到常規運行速度0. 5 2. Om/s,並在板身冷卻過程進行持續微變速控制，+0. 02 -0. 02m/s2,以消除鋼板縱向的溫度梯度，如圖5中C 區所示；當鋼板尾部離開開啟集管的區域時，和鋼板頭部的速度控制過程相似，正常冷卻工藝設定的輥道運行速度0. 5 2. Om/s的1. 3 1. 7倍並保持3 k的時間，增加輥道速度以減小鋼板尾部的過冷度，如圖5中D區所示。當鋼板尾部離開超快冷區域後，鋼板以較快速度輸送到矯直區域，如圖5中E區所示。實施例以國內某鋼廠生產的爐號為0313400000管線鋼為例，其具體規格為 17. 2mm X 3403mm X 39750mm，冷卻過程的目標工藝參數如表1所示。
權利要求
1.一種用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，超快速冷卻裝置採用射流衝擊換熱，其特徵在於一是上集管位置設置超快冷上集管框架水平方向相對靜止，豎直方向上、下調整，上框架設定位置按此公式計算HuXtg( θ) =HdXtg(0)+D；二是鋼板上表面衝刷水區域「軟水封」的設定原則(1) 「軟水封」的措施是在超快速冷卻區內將集管沿水平與正向集管朝向相反地布置；(2) 「軟水封」作用區域確定原則1 3 組正向集管+1組「軟水封」;⑶「軟水封」流量確定原則「軟水封」的流量根據具體冷卻工藝進行單獨設定，滿足本公式條件1/2X本區域內所有正向集管流量之和< 「軟水封」水量< 2X本區域內所有正向集管流量之和；三是增加下集管流量對下表面換熱能力進行補償，上下水比的設定與集管流量、輥道速度以及鋼板厚度密切相關，最優上下水比設定在1 1. 1 1 2. 5的範圍之內；四是上表面殘餘冷卻水的清除措施(1)每兩組側噴裝置分別對稱布置於超快冷入口和出口輥道兩側的擋水護板上，每組側噴裝置沿寬度方向從鋼板對側邊部相向地衝擊上表面殘餘冷卻水；( 每兩組中噴裝置間隔3 4組集管沿軋制中心線布置於超快速冷卻裝置的上框架上，中噴水出口高度距離輥道表面約300 500mm，沿寬度方向從鋼板中心向兩側邊部衝擊鋼板上表面殘餘冷卻水；(3)2組強力吹掃裝置相向地分別布置於超快冷裝置入口和超快冷裝置出口外側，垂直於軋制方向橫跨於輥道之上，距離輥道的垂直距離為 800mm 1200mm，對於少量殘餘冷卻水能夠起到徹底清除的效果；五是輥道速度的頭尾遮蔽控制超快冷控制系統採用所設計的速度曲線控制鋼板在冷卻區內的運行速度，對鋼板頭部和尾部低溫區進行輥道速度的變換控制，提高鋼板頭部進入冷卻區，尾部離開冷卻區的輥道運行速度以減小鋼板頭尾的過冷度，同時在板身通過冷卻區時採用輥道微加速以消除鋼板長度方向的整體溫度梯度。
2.根據權利要求1所述的用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，其特徵在於上框架設定位置設定公式中D為上集管和下集管在豎直方向的中心線沿軋向的距離，Hd為下集管噴射出口距離輥道上表面的距離，Hu為上集管噴射出口距離輥道上表面的距離，θ 為射流衝擊與豎直方向的角度。
3.根據權利要求1所述的用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，其特徵在於側噴裝置共計4套，每套裝置由3個噴嘴組成，其中2套入口側噴裝置B對稱布置於超快冷入口輥道兩側的擋水護板上，另2套出口側噴裝置E對稱布置於超快冷出口輥道兩側的擋水護板上；側噴裝置B和E通過調整噴嘴角度實現側噴水的交錯，使側噴水沿鋼板寬度方向衝擊對側三分之二鋼板上表面區域內殘餘冷卻水，將殘餘冷卻水從對側鋼板邊部清除出鋼板上表面；側噴水壓力為1. 2MPa、流速約為40m/s。
4.根據權利要求1所述的用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，其特徵在於中噴裝置共計4套，每套中噴裝置由2個側噴嘴組成；2套中噴裝置C和2套中噴裝置D沿軋制中心線交錯布置於超快速冷卻裝置的上框架上，兩套中噴裝置中間以3 4組集管間隔，中噴裝置通過調整噴嘴角度，在1. 2ΜΙ^壓力作用下，中噴水流速約40m/s。
5.根據權利要求1所述的用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，其特徵在於每組強力吹掃裝置由多個小噴嘴組成，壓縮空氣以相向的傾角沿鋼板上表面吹向冷卻區內部，強力吹掃裝置的清除效果覆蓋於整個鋼板表面。
6.根據權利要求1所述的用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，其特徵在於鋼板頭部進入到開啟集管的超快速冷卻區域內，適當提高鋼板運行速度到正常冷卻工藝設定的輥道運行速度0. 5 2. Om/s的1. 3 1. 7倍並保持3 k的時間，視鋼板頭尾過冷度進行調整；此後，鋼板運行速度降低到常規運行速度0. 5 2. Om/s,並在板身冷卻過程進行持續微變速控制，+0. 02 -0. 02m/s2,以消除鋼板縱向的溫度梯度；當鋼板尾部離開開啟集管的區域時，和鋼板頭部的速度控制過程相似，正常冷卻工藝設定的輥道運行速度0.5 2. Om/s的1. 3 1. 7倍並保持3 k的時間，增加輥道速度以減小鋼板尾部的過冷度。
全文摘要
用於改善中厚板軋後超快速冷卻均勻性的方法，合理調整射流集管位置，其特徵在於一是上集管位置設置超快冷上集管框架豎直方向上、下調整，滿足此公式的條件Hu×tg(θ)＝Hd×tg(θ)+D；二是鋼板上表面衝刷水區域「軟水封」的設定滿足本公式條件1/2×本區域內所有正向集管流量之和＜「軟水封」水量＜2×本區域內所有正向集管流量之和；三是增加下集管流量對下表面換熱能力進行補償，最優上下水比設定在1∶1.1～1∶2.5的範圍之內；四是上表面殘餘冷卻水的清除措施，在超快冷輥道兩側上設側噴、上集管框架設中噴裝置、超快冷裝置兩端設強吹裝置；五是輥道速度的頭尾遮蔽控制超快冷控制系統按速度曲線變換控制鋼板頭、尾部低溫區的輥道速度；實現中厚板軋後超快速冷卻條件下的鋼板冷卻均勻性。
文檔編號B21B37/76GK102371283SQ20111031219
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者李勇, 王丙興, 王國棟, 王昭東, 田勇, 袁國, 韓毅 申請人:東北大學