CN102747213B - 一种高强钢连续热处理的冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强钢连续热处理的冷却方法，其包括下列步骤：(1)将经过连续退火炉均热段的带钢表面进行喷气缓冷；(2)采用一气雾冷却装置喷射冷却水气雾对带钢表面进行气雾冷却；(3)采用一冷却水喷射装置向带钢表面喷射层状水柱，所述层状水柱的喷射方向与带钢的行进方向呈锐角夹角；(4)采用一第一喷嘴装置向带钢表面喷射高速水流，所述高速水流的速度设置为将带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜吹离带钢表面；(5)将带钢浸没在冷却水中，并采用一设置于冷却水液面下的第二喷嘴装置向带钢表面喷射高速水流，所述高速水流的速度设置为将带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜吹离带钢表面；(6)将带钢表面的冷却水烘干。

Description

一种高强钢连续热处理的冷却方法

技术领域

本发明涉及冷轧带钢的冷却方法，尤其涉及一种高强度钢的冷却方法。

背景技术

随着工业技术的发展和现代冶金产品性能的提高，冷轧高强钢和超高强钢的市场需求越来越大。目前，为了减少高强度钢板合金元素的含量，降低高强钢的生产成本，同时提高钢板的焊接性能和可制造性能(包括易于连铸、热轧、酸洗、切边、冷轧、退火等工序生产)，通常需要在钢板退火后进行快速冷却处理。目前常用的快速冷却方法通常是钢板缓冷后采用高氢喷气冷却、气雾冷却或水淬冷却进行快速冷却。

高氢喷气冷却方法虽然冷却均匀带钢板形较好，但是高氢喷射冷却的冷却速度通常低于150℃/s(对1mm厚度的带钢而言)，冷却速度慢，无法满足先进高强度钢板，特别是超高强度钢板的热处理工艺要求。

传统的水淬方法要么冷却速度不够，要么冷却速度不受控，而且传统水淬方法的冷却均匀性都比较差，生产的带钢容易产生性能不均、板形不良问题。

公开号为US4330112，公开日为1982年5月18日，名称为“连续退火生产线的带钢冷却装置”(Apparatus for cooling a steel strip in a continuousannealing line)美国专利公开了一种水淬冷却方法，该方法采用图1所示的装置冷却带钢：先用水泵12从淬水槽11内抽出冷却水经管道送到喷射装置13喷射到带钢表面进行冷却，再将带钢浸入淬水槽11进行冷却。该方法比较适合于低温带钢的快速冷却，可以将400℃左右的带钢冷却到60～95℃以下，但存在以下不足：(1)适用范围较窄，仅适用于低温带钢的水淬生产，很难应用于高温水淬(在正常生产速度下将700℃左右的高温带钢冷却到90℃以下)；(2)冷却带钢所产生的水雾和水蒸气很容易进入前面的炉子内，使设备锈蚀严重；(3)开始喷射冷却处，喷射冷却水容易飞溅，造成带钢冷却不均和板形不良。

此外，当采用传统的沉浸式水淬方法冷却高温带钢时，由于水淬前带钢温度过高，水淬过程产生的大量的气泡和蒸汽膜会阻碍带钢的进一步快速冷却，另外带钢在水淬槽的高速运行将产生水花溅射和水淬槽液面的剧烈波动，这些都造成了开始水淬时高温带钢在宽度方向上接触冷却水的时间不同步，从而造成冷却速度存在差异，也引起带钢水淬冷却不均、性能不均和板形不良，且带钢的强度越高性能越不均匀，板形越差。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强钢连续热处理的冷却方法，该冷却方法既能实现带钢冷却时达到较大的而且可控的平均冷却速度，实现带钢的快速冷却，同时还能保证冷却均匀生产出的带钢具有优良的板形。该方法通过采用短时气体缓冷+气雾冷却+水淬冷却的方法，使得在钢板的基板中添加少量合金元素的情况下，能生产出强度等级更高的先进高强钢产品，而且通过灵活调节带钢热处理的冷却速度，生产出具有各种强度级别的相变强化高强钢产品，同时保证该高强钢产品具有更加均匀的性能、更加优良的板形。

本发明根据上述发明目的，提供了一种高强钢连续热处理的冷却方法，其包括下列步骤：

(1)将经过连续退火炉均热段的带钢表面进行喷气缓冷；

(2)采用一气雾冷却装置喷射冷却水气雾对带钢表面进行气雾冷却；

(3)采用一冷却水喷射装置向带钢表面喷射层状水柱，所述层状水柱的喷射方向与带钢的行进方向呈锐角夹角；

(4)采用一第一喷嘴装置向带钢表面喷射高速水流，所述高速水流的速度设置为将带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜吹离带钢表面；

(5)将带钢浸没在冷却水中，并采用一设置于冷却水液面下的第二喷嘴装置向带钢表面喷射高速水流，所述高速水流的速度设置为将带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜吹离带钢表面；

(6)将带钢表面的冷却水烘干。

本技术方案对经过连续退火炉均热段的带钢首先进行喷气缓冷，这是因为其能够根据不同强度级别和热处理工艺要求的高强度带钢灵活调节缓冷温度和范围，从而调节带钢开始快速冷却的温度，进而实现对带钢平均冷却速度和冷却曲线的大幅度调节。

气雾冷却是一种气体和水滴两相流冷却方法，其与单纯的水淬方法相比虽然有冷却速度偏低的缺点，但它也具有如下优点：

(1)其换热系数可达5000～10000kcal/m2.h.℃，远大于喷气冷却(即使是高浓度氢气冷却，也只能达到750kcal/m2.h.℃)；

(2)其可通过调节水量来控制冷却速度，可控性强，易实现带钢冷却终点温度的精确控制；

(3)气雾冷却在带钢宽度方向上可调可控，有利于带钢形成良好的板形。

因此，本技术方案在缓冷段(步骤1)和水淬冷却段(步骤3-5)之间设置气雾冷却段(气雾冷却装置)，实现带钢在冷却过程中冷却速率的逐渐提升，这样不仅可以大大缩短缓冷炉段的长度，提高带钢在整个冷却过程的平均冷却速率，还可以较好地解决传统水淬方法存在的因带钢入水温度较高而产生的冷却不均、性能不均和板形不良问题，从而可以较好地满足不同钢种不同强度级别的先进高强度钢板，特别是超高强度钢板对热处理冷却速度的工艺要求和质量要求，保证在钢板的基板中添加少量合金元素的条件下，生产出具有优良板形的各种强度级别的先进高强度钢板，提高其使用性能并降低高强钢生产成本。

此外，本技术方案为了保证带钢在水淬时均匀地接触冷却水，并且避免有飞溅的水滴在水淬开始前就接触到带钢表面，同时实现带钢的快速冷却，其将经过气雾冷却的带钢，先采用冷却水喷射装置向带钢上、下(左、右)表面喷射沿带钢宽度方向均匀的、稳定的层状水柱，并且该层状水柱的喷射方向与带钢运行方向所形成的夹角为锐角，层状水柱可以保证带钢在宽度方向上均可获得均匀冷却，层状水柱的喷射方向与带钢行进方向呈锐角夹角可以保证即使层状水柱下方有水滴飞溅，也会被水柱挡住，不会接触到开始水淬前的带钢。紧接着采用第一喷嘴装置向带钢表面喷射高速水流，是为了进一步地快速冷却带钢，同时其将带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜快速、均匀地吹离带钢，以确保带钢冷却均匀使带钢性能均匀并获得良好的板形。需要说明的是，本技术方案中的高速水流的速度需要根据具体生产情况具体调节，其最终速度应当达到能够将带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜(蒸汽气泡和蒸汽膜是在已经进行的水淬步骤中，由于低温的冷却水遇到高温的带钢而在带钢表面形成的)快速、均匀地吹离带钢，这些带钢表面的蒸汽气泡或蒸汽膜会影响带钢的冷却速度和冷却均匀性。最后，将带钢沉浸在冷却水内进行冷却，同时在冷却水的液面下方采用第二喷嘴装置向带钢喷射高速水流，是为了加强带钢附近冷却水的流动，从而增强带钢的冷却速度，同时将带钢表面水淬过程所产生的蒸汽气泡和蒸气膜迅速吹离带钢表面，提高水淬效果。

优选地，所述步骤(5)中的高速水流的喷射方向与带钢行进方向呈锐角夹角，这样可以减少冷却水液面的波动和水花溅射对带钢板形造成的不良影响。

可选地，所述步骤(4)中的高速水流的喷射方向与带钢的行进方向垂直。

优选地，所述步骤(4)中的高速水流的喷射方向与带钢的行进方向呈锐角夹角，其可以防止水滴飞溅对带钢冷却效果的不利影响。

优选地，所述步骤(2)-(5)中所采用的冷却水的温度在70℃以下。

进一步优选地，所述步骤(2)-(5)中所采用的冷却水的温度在50℃以下。

进一步优选地，所述步骤(2)-(5)中所采用的冷却水为冷冻水。当本技术方案采用冷冻水作为水淬冷却介质时，在带钢接触冷却水的初始阶段，虽然冷冻水的水温升高，但不会生成气泡，从而保证带钢均匀地冷却。

优选地，所述步骤(3)中采用的冷却水喷射装置为水刀。

优选地，所述步骤(2)中采用的气雾冷却装置具有喷气孔和与所述喷气孔垂直设置的出水口，所述喷气孔喷出的气体方向(也是气雾喷射方向)与带钢行进方向垂直，并与出水口喷出的水流方向垂直，在带钢表面附近气液两相形成所述冷却水气雾。

当上述气雾冷却装置工作时，由喷气孔喷出的空气射流垂直带钢，在气雾冷却装置的出口空气射流将由下向上的出水口喷出的水射流击碎形成气雾。由于气液夹角为90°，气体能量得到充分利用，使液束处于最佳的剪切状态，能有效地将液束破碎为液滴群。这种气雾冷却装置与现有的压力雾化型冷却装置相比较，结构简单，容易加工制作，而且水孔的直径大，不容易结垢堵塞，适应了连续热处理机组“零维护”的要求。同时雾化不需高压空气，普通风机就能实现雾化，如果停止供水，还能作为高速喷气喷嘴使用，因此该气雾冷却装置具有风冷和雾冷两种功能，能够大幅度地提高了带钢水淬前的冷却速度和冷却曲线调节范围。

本发明所述的高强钢连续热处理的冷却方法通过采用上述技术方案，能够获得适宜的平均冷却速率、从而根据不同高强钢产品热处理工艺要求的冷却曲线均匀地将不同温度的带钢快速冷却下来，可以在钢板的基板中添加少量合金元素的情况下，生产出具有更高强度、更加均匀的性能、更加优良板形的780MPa、980MPa、1180MPa、1280MPa和1470MPa多种品种、多种强度级别的先进高强钢产品。

此外，本发明所述的高强钢连续热处理的冷却方法通过气雾冷却步骤，实现了带钢冷却速率的逐渐提升，其通过各冷却段长度和冷却能力的灵活设计和灵活使用，可以实现带钢冷却曲线的灵活控制。一般传统水淬技术带钢缓冷终点温度，也就是水淬入水温度都低于700℃(例如680℃)，从800℃左右的均热温度缓冷到680℃左右如果需要12s的话，采用本技术方案采用的气雾冷却步骤可以把缓冷终点温度(即水淬入水温度)提高到760℃，相应的缓冷时间减少到4s，较传统的冷却方法减少了三分之二，也就是说，本发明所述的技术方案通过气雾冷却步骤只需要1s左右的时间就可以将760℃左右的带钢冷却到600℃以下，使水淬入水温度明显降低，从而改善冷却均匀性和带钢板形，同时平均冷却速度可提高到原来的两倍，由于增设气雾冷却步骤进一步提高了带钢的平均冷却速度，其使得在钢板的基板中添加更少量的合金元素也能生产出更高强度级别的先进高强钢产品，同时还能够提高高强钢产品的使用性能，如焊接性能等。

此外，本发明所述的高强钢连续热处理的冷却方法中的水淬冷却步骤可以实现带钢的快速、均匀冷却，保证喷射冷却飞溅的水滴不会接触到水淬前的带钢，从而进一步保证带钢均匀快速冷却，生产出强度更高性能更加均匀、板形更加优良的先进高强度带钢。

附图说明

图1是公开号为US4330112的美国专利所公开的技术方案的结构示意图。

图2是本发明所述的高强钢连续热处理的冷却方法流程图。

图3是本发明所述的高强钢连续热处理的冷却方法的步骤(2)在实施例中所采用的气雾冷却装置的结构示意图。

图4是图3所示的气雾冷却装置的侧面视图。

图5是本发明所述的高强钢连续热处理的冷却方法所采用的装置结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和实施例对本发明所述的高强钢连续热处理的冷却方法做进一步的详细说明。

如图2所示，按照下述步骤对带钢进行冷却：

(1)进行缓冷：将经过连续退火炉均热段的带钢表面进行喷气缓冷；

(2)进行气雾冷却：采用如图3和图4所示的气雾喷冷却装置喷射冷却水气雾对带钢表面进行进一步的气雾冷却，即在图5的40；

(3)采用如图5所示的水淬装置进行水淬冷却：

(3a)采用一对设置在带钢两表面两侧的水刀向带钢表面喷射层状水柱，该层状水柱的喷射方向与带钢的行进方向呈锐角夹角；

(3b)采用两组设置在带钢两表面两侧的喷嘴向带钢表面喷射高速水流，该高速水流将在带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜吹离带钢表面，且该高速水流与带钢行进方向呈锐角夹角；

(3c)将带钢浸没在冷却水中，并采用两组设置于冷却水液面下的、且分别设于带钢两表面两侧的喷嘴向带钢表面喷射高速水流，该高速水流将在带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜吹离带钢表面，且该高速水流与带钢行进方向呈锐角夹角；

(4)将带钢表面的冷却水烘干。

表1列出了本技术方案的实施例1-3中针对各强度级别的带钢所实施的具体冷却工艺以及相应的冷却效果。

表1.

本案的各实施例中均采用了如图3、图4所示的气雾冷却装置，从图中可以看出，气雾冷却装置具有喷气孔41和与喷气孔垂直设置的出水口42，出水口42通过水管43供水，喷气孔41喷出的气体方向与带钢行进方向垂直，并与出水口42喷出的水流方向垂直，由于气液夹角为90°，气体能量得到充分利用，使液束处于最佳的剪切状态，能有效地将液束破碎为液滴群，从而在带钢表面附近气液两相形成所述冷却水气雾。

本技术方案的各个实施例中所采用装置如图5所示，带钢21垂直向下运行，三组设置于带钢21两侧的气雾冷却装置33对带钢21首先进行气雾冷却。水刀22与带钢行进方向呈一锐角夹角，首先对带钢进行喷冷；然后采用同样与带钢行进方向呈锐角夹角设置的若干排第一喷嘴23向带钢喷射高速水流，喷嘴23的水流量由第一阀门25控制；然后使用水淬槽27和设于水淬槽27内液面下的若干排第二喷嘴24对带钢进行同时浸冷和喷冷，第二喷嘴24同样与带钢行进方向具有锐角夹角，第二喷嘴24的水量由第二阀门26控制。经过上述水淬冷却后，带钢经沿带钢行进方向依次设置的两对挤干辊28、边部带钢吹扫装置29以及热风烘干器30进行烘干。为了实现水淬槽27内的水量和水温可调，本实施例中还设置了补水管及其阀门31和排水管及其阀门32。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高强钢连续热处理的冷却方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）将经过连续退火炉均热段的带钢表面进行喷气缓冷；

（2）采用一气雾冷却装置喷射冷却水气雾对带钢表面进行气雾冷却；

（3）采用一冷却水喷射装置向带钢表面喷射层状水柱，所述层状水柱的喷射方向与带钢的行进方向呈锐角夹角；

（4）采用一第一喷嘴装置向带钢表面喷射高速水流，所述高速水流的速度设置为将带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜吹离带钢表面；

（5）将带钢浸没在冷却水中，并采用一设置于冷却水液面下的第二喷嘴装置向带钢表面喷射高速水流，所述高速水流的速度设置为将带钢表面的蒸汽气泡和蒸汽膜吹离带钢表面；

（6）将带钢表面的冷却水烘干。

2.如权利要求1所述的高强钢连续热处理的冷却方法，其特征在于，所述步骤（5）中的高速水流的喷射方向与带钢行进方向呈锐角夹角。

3.如权利要求2所述的高强钢连续热处理的冷却方法，其特征在于，所述步骤（4）中的高速水流的喷射方向与带钢的行进方向垂直。

4.如权利要求2所述的高强钢连续热处理的冷却方法，其特征在于，所述步骤（4）中的高速水流的喷射方向与带钢的行进方向呈锐角夹角。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的高强钢连续热处理的冷却方法，其特征在于，所述步骤（2）-（5）中所采用的冷却水的温度在70°以下。

6.如权利要求5所述的高强钢连续热处理的冷却方法，其特征在于，所述步骤（2）-（5）中所采用的冷却水的温度在50°以下。

7.如权利要求6所述的高强钢连续热处理的冷却方法，其特征在于，所述步骤（3）中采用的冷却水喷射装置为水刀。

8.如权利要求1-4中任意一项所述的高强钢连续热处理的冷却方法，其特征在于，所述步骤（2）中采用的气雾冷却装置具有喷气孔和与所述喷气孔垂直设置的出水口，所述喷气孔喷出的气体方向与带钢行进方向垂直，并与出水口喷出的水流方向垂直，在带钢表面附近气液两相形成所述冷却水气雾。

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