CN117862255A - 热轧带钢的层流冷却***及层流冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热轧带钢的层流冷却***及层流冷却控制方法，属于热轧生产领域。包括设置于精轧机和卷取机之间的第一冷却段和第二冷却段，第一冷却段和第二冷却段沿轧制方向依次布置，第一冷却段的上集管和下集管的数量比为1:2，每根上集管均配置一个上流量调节阀，每两根下集管共用一个下流量调节阀；第二冷却段的上集管和下集管的数量比为1:3，每根上集管均配置一个上流量调节阀，每三根下集管共用一个下流量调节阀。本发明通过控制各最小冷却单元中上集管和下集管的流量，使得上下水比无极可调、空冷段的长度灵活可调，以此提高了控冷精度，从而能够满足各类高端钢种的冷却需求，尤其是高强钢中低温卷曲高精度冷却需求。

Description

热轧带钢的层流冷却***及层流冷却控制方法

技术领域

本发明属于热轧生产领域，涉及一种热轧带钢的层流冷却***及层流冷却控制方法。

背景技术

在热轧带钢的生产过程中，需要对精轧机中轧制出的带钢进行冷却以获得合适的卷取温度，而带钢的最终力学性能取决于冷却过程中内部的金相组织变化，因此只有精确控制卷取温度，甚至是精确控制整个冷却过程中的冷却曲线，才能生产出性能优良的产品。

通常采用层流冷却技术对热轧带钢进行冷却，层流冷却是指通过在精轧机和卷取机之间布置若干上集管和下集管，通过控制上集管和下集管的开启数量和冷却水量来控制带钢进入卷取机前的冷却温度。

在层流冷却的过程中，带钢的温度从高至低发生变化时主要存在膜沸腾、过渡沸腾和核沸腾三个阶段。在膜沸腾阶段，当带钢表面温度降低到接近沸点温度时，液体与带钢表面形成膜状气泡层。这种气泡层会阻碍热量的传导，导致带钢表面的冷却速度减慢，而带钢内部的温度却继续下降，这种不均匀的冷却会导致带钢表面和内部温度差异较大，进而使得带钢表面出现黑斑。而当带钢表面温度进一步降低至核沸腾阶段时，液体与带钢表面形成大量微小气泡，这些气泡会迅速聚集并破裂从而产生大量蒸汽，使得带钢表面受到蒸汽冲击，不仅会加剧带钢表面的黑斑形成，还会进一步影响带钢品质。因此，精准控制控制带钢的冷却速率和冷却温度，对于控制带钢的性能至关重要。

然而，现有的层流冷却技术是通过结构改造的方式形成多种冷却段组合模式来适应不同钢种的冷却需求，例如包括第二冷却段、普通第二冷却段和精调冷却段的三段式冷却结构，或者包括加强冷却段、普通冷却段、加强冷却段和精调冷却段的四段式冷却结构。但由于现有的层流冷却技术对冷却单元的控制精度较低，特别是对于冷却组的流量调节精度不高，使得现有的层流冷却技术无法实现温度的精准控制。

普通钢材的卷取温度一般在500℃至700℃之间，但对于中低温卷取钢材而言，其卷取温度大多位于膜沸腾和核沸腾之间的过渡沸腾阶段(300℃至550℃)，现有的层流冷却技术的控制精度难以控制冷却温度精确且稳定地保持在300℃～550℃的范围内，温度控制失准则会造成带钢冷却不均匀，不仅易引起带钢表面出现黑斑，还严重影响钢材强度。

当今的超高强钢及高等级管线钢等高品质产品均需要采用中低温卷取温度进行卷取，采用现有的冷却技术无法精确控制钢材的冷却温度和冷却时间，从而无法控制钢材内部的金相组织变化情况，最终将影响钢材的力学性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热轧钢的层流冷却***和层流冷却控制方法，通过对集管配置和控制方法两方面的优化提高冷却单元的控制精度，从而能够精确控制钢材在冷却过程中的金相组织变化，满足各类高端钢种的冷却需求，尤其是满足高强钢中低温卷取的高精度冷却控制需求。

为达到上述目的，本发明提供一种热轧带钢的层流冷却***，包括设置于精轧机和卷取机之间的若干个冷却段，每个冷却段均包括若干根上集管和与上集管成倍数量的下集管。

具体地，精轧机和卷取机之间设置有辊道，热轧带钢置于辊道上，冷却***的上集管和下集管分别位于辊道的上方和下方以对热轧带钢的上、下表面进行冷却降温。

可选的，***包括沿轧制方向依次布置的第一冷却段和第二冷却段，第一冷却段的上集管和下集管的数量比为1:2，第二冷却段的上集管和下集管的数量比为1:3。

可选的，第一冷却段的每根上集管均配置一个上流量调节阀，每两根下集管共用一个下流量调节阀；第二冷却段的每根上集管均配置一个上流量调节阀，每三根下集管共用一个下流量调节阀。

可选的，第一冷却段按照上集管和下集管的数量比为1:2的方式划分为若干组冷却集管，第二冷却段按照上集管和下集管的数量比为1:3的方式划分为若干组冷却集管；第一冷却段包括10～15组冷却集管，第二冷却段包括11～16组冷却集管。

可选的，第一冷却段每组冷却集管包括4根上集管和8根下集管，第二冷却段的每组冷却集管包括4根上集管和12根下集管。

可选的，第一冷却段和第二冷却段的每根上集管上还设置一个手动蝶阀，与上集管对应的若干个下集管上共用一个手动蝶阀。

可选的，第一冷却段的上集管和下集管按照数量比为1:2的形式划分为若干个最小冷却单元，第二冷却段的上集管和下集管按照1:3的方式划分为若干个最小冷却单元。

可选的，冷却***还包括第一温度计和第二温度计，第一温度计设置于冷却***的入口、冷却***的中段和冷却***的出口且位于辊道上方，第二温度计设置于冷却***的出口且位于辊道下方。

可选的，冷却***的每个测温点附近均设置空气吹扫装置，空气吹扫装置优选为压缩空气吹扫，吹扫装置的喷嘴设置有用于控制启闭的气动阀。

可选的，在冷却段的每组冷却集管之间设置至少一组侧喷装置。

可选的，各冷却段的上集管和下集管均采用U形管路，各上集管均设置有两排鹅颈管。

可选的，每两组冷却集管或每两组以上的冷却集管的上集管共用一套液压倾翻装置。

可选的，层流冷却***采用大容量的高位水箱供水，水箱容量至少为200m³。

可选的，在冷却***的中段和出口处设置顶喷装置。

可选的，在冷却***的冷却区域内设置若干个流量计，尤其是设置在上集管和下集管处，以监控各处冷却水的流量。

本发明还提供一种热轧带钢的层流冷却控制方法，应用于上述的热轧带钢的层流冷却***，冷却***工作前，根据热轧带钢的终轧温度和钢材种类配置第一冷却段和第二冷却段的配置参数，配置参数包括第一冷却段和第二冷却段的长度、上集管和下集管的初始冷却水量以及空冷段的位置和数量；冷却***工作时，根据第一温度计和第二温度计的测量温度控制第一冷却段和第二冷却段的上流量调节阀和下流量调节阀的开度，以局部调整第一冷却段和第二冷却段的上集管的冷却水量和/或下集管的冷却水量和/或上下集管的流量比。

可选的，上流量调节阀和下流量调节阀的开度控制范围为20～100％。

可选的，以控制第一冷却段的一根上集管和与之对应的两根下集管同时开启或关闭的方式在第一冷却段上配置或取消空冷段；以控制第二冷却段的一根上集管和与之对应的三根下集管同时开启或关闭的方式在第二冷却段上配置或取消空冷段。

本发明的有益效果在于：

就冷却过程的控制精度而言，本发明通过缩小最小冷却单元来提高控制精度，具体地，第一冷却段的上集管和下集管按照数量比为1:2的形式划分为若干个最小冷却单元，第二冷却段的上集管和下集管按照1:3的方式划分为若干个最小冷却单元，每个最小冷却单元内的每根上集管配置一个自动调节出流量的流量调节阀，与上集管对应的若干个下集管共用一个流量调节阀，使得每个最小冷却单元的流量和上下流量比均可被独立控制。流量调节阀的调节范围为20～100％，进一步提高了上集管和下集管的流量、流量比的调节精度。基于此，本发明通过精细调节最小冷却单元即可精细控制带钢的冷却速率，从而精准控制冷却过程。钢材内部的金相组织的变化与冷却过程息息相关，而金相组织的变化又会直接影响钢材的各项性能。可见，本发明通过精准控制冷却过程就能够控制钢材性能，从而在不添加昂贵的合金元素的前提下实现钢材的强度优化，极大地节省了生产成本，改善了生产品质。

就冷却段的配置形式而言，本发明可通过控制各最小冷却单元的启闭来形成空冷段，空冷段的长度、数量和设置位置均可被灵活配置，以形成N段组合式冷却。在不改变冷却***于热轧产线上的配置结构的前提下，通过控制手段即可实现冷却段的多种配置模式，从而满足各类钢种的冷却需求，极大地节省了资源配置成本，提高了生产效率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明提供的热轧带钢的层流冷却***的结构示意图之一；

图2为本发明提供的热轧带钢的层流冷却***的结构示意图之二；

图3为本发明提供的热轧带钢的层流冷却***的第一冷却段的一组冷却集管示意图；

图4为本发明提供的热轧带钢的层流冷却***的第二冷却段的一组冷却集管示意图。

附图标记：1-精轧机1；2-卷取机2；3-辊道；4-第一冷却段；5-第二冷却段；6-第一温度计；7-第二温度计；8-侧喷装置；9-空气吹扫装置；10-最小冷却单元；11-上集管；12-下集管。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供的热轧带钢的层流冷却***用于对热轧产线上的带钢的上表面和下表面进行冷却降温，精轧机1和卷取机2之间设置有辊道3，带钢经精轧机1轧制后按照一定的运行速度由辊道3输送至卷取机2中。层流冷却***布置于精轧机1和卷取机2之间，包括若干个冷却段，每个冷却段均包括若干组由上集管11和下集管12组成的冷却集管，下集管12的数量与上集管11的数量成倍数关系。

进一步地，层流冷却***的冷却段按照上集管11和下集管12的数量比为1:2或1:3的方式划分为若干个最小冷却单元10。最小冷却单元10中的上集管11配备一个流量流量调节阀，最小冷却单元10中的若干个下集管12共用一个流量流量调节阀，以自动调节上集管11和下集管12的出流量。为进一步提高上集管11和下集管12的流量调节精度，流量流量调节阀对集管的流量调节范围为35～100％。通过控制流量流量调节阀启闭，即可改变最小冷却单元10的工作状态，以增加或取消空冷段。通过改变最小冷却单元10的上集管11和下集管12的流量比，能够保证冷却后的带钢表面的平直度。更进一步地，最小冷却单元10中的上集管11还设置一个手动蝶阀，最小冷却单元10中的若干个下集管12共用一个手动蝶阀，以为最小冷却单元10提供手动控制途径。

在本发明的一种实施方式下，层流冷却***包括沿轧制方向依次布置的若干个冷却强度不同的冷却段，尤其是沿轧制方向依次布置的第一冷却段4和第二冷却段5。第一冷却段4的单位冷却强度大于第二冷却段5，具体地，第一冷却段4包括10～15组冷却集管，第二冷却段5包括11～16冷却集管，每两组冷却集管或每三组冷却集管的上集管11共用一套液压倾翻装置。

进一步地，如图3、图4所示，第一冷却段4的每组冷却集管包括4根上集管11和8根下集管12，第二冷却段5的每组冷却集管包括4根上集管11和12根下集管12，上集管11和下集管12均采用U形管路，各上集管11均设置有两排鹅颈管。第一冷却段4和第二冷却段5均能够精细调节带钢的温度。

如图2所示，冷却***包括若干个分布于冷却***入口、中段和出口位置的测温点，在测温点处设置若干个探测带钢上表面和下表面温度的第一温度计6和第二温度计7。具体地，第一温度计6设置于冷却***的入口、中段和出口且位于辊道3上方，第二温度计7设置于冷却***的出口且位于辊道3下方。进一步地，在冷却段的每组冷却集管之间设置至少一组侧喷装置8，侧喷装置8的喷嘴按照与带钢上表面成一定角度的方式倾斜布置于辊道3上方，侧喷装置8喷射出带有压力射流能够吹扫上集管11喷出的冷却水在带钢表面形成的水膜，避免带钢表面和内部的换热不均，实现均匀冷却。在每个测温点附近设置空气吹扫装置9，空气吹扫装置9优选为压缩空气吹扫，吹扫装置的喷嘴设置有用于控制启闭的气动阀。空气吹扫装置9能够扫除带钢表面的滞留水，减少阴滞留水造成带钢表面的冷却不均。侧喷装置8和空气吹扫装置9能够很好地清楚带钢表面的残水，不仅提高了冷却均匀程度，还提高了第一温度计6和第二温度计7对带钢表面的温度测量结果的准确度。

可选的，层流冷却***采用大容量的高位水箱供水，水箱容量至少为200m³，并采用变频泵根据不同钢种的用水量灵活调节向高位水箱的补充供水量，提升节能效果。在冷却***的中段和出口处设置顶喷装置，以清除带钢表面的冷却水。在冷却***的冷却区域内设置若干个流量计，尤其是设置在上集管11和下集管12处，以监控各处冷却水的流量。

本发明还提供一种热轧带钢的层流冷却控制方法，应用于上述的热轧带钢的层流冷却***。在冷却***工作前，根据热轧带钢的终轧温度和钢材种类配置第一冷却段4和第二冷却段5的配置参数，配置参数包括第一冷却段4和第二冷却段5的长度、上集管11和下集管12的初始冷却水量以及空冷段的位置和数量。当冷却***工作时，根据第一温度计6和第二温度计7的测量温度控制第一冷却段4和第二冷却段5的上流量调节阀和下流量调节阀的开度，以局部调整第一冷却段4和第二冷却段5的上集管11的冷却水量和/或下集管12的冷却水量和/或上下集管的流量比。进一步地，上流量调节阀和下流量调节阀的开度控制范围为20～100％。本发明通过控制上集管11和下集管12的流量来控制带钢的冷却速率及带钢的冷却板形。

更进一步地，通过控制第一冷却段4的上集管11和与之对应的两根下集管12同时开启或关闭在第一冷却段4上配置或取消空冷段；通过控制第二冷却段12的上集管11和与之对应的三根下集管12同时开启或关闭在第二冷却段12上配置或取消空冷段。

本发明提供的层流冷却***能够不改造***结构的情况下，仅通过控制手段调整冷却***的各项配置参数就能够适用于多种钢种的生产，同时实现多种钢种在冷却过程中的精细调温，从而精确控制钢材内部的金相组织变化，保证冷却后的钢材性能。

例1：马氏体钢

马氏体钢的终轧温度为880℃，对其的冷却要求是将带钢直接从终轧温度880℃快速冷却到250℃以下，以使其内部形成马氏体组织。马氏体组织是一种具有典型针状或板状形态的组织，具有高强度和高硬度的特点，适用于军工、工程机械、压力容器等高强度应用场景。

马氏体钢在冷却过程中，其内部的金相组织经历了如下几个过程的变化：在终轧温度880℃时，金相组织主要由奥氏体组成；当温度快速降低至250℃以下时，奥氏体全部转变成马氏体。如果马氏体钢不能快速由880℃冷却至到250℃，则可能导致奥氏体不能全部转变成马氏体，从而影响钢材的硬度和强度。

因此，加工8mm厚度的马氏体钢时，将带钢按照输送速度6m/s的速度送入第一冷却段4和第二冷却段5中，第一冷却段4和第二冷却段5的长度分别为33.1m、9.9m。第一冷却段4和第二冷却段5按照预设的上集管11和下集管12流量对带钢进行急速降温，以将马氏体钢的温度直接从880℃降至250℃。通过设置于***出口的第一温度计6和第二温度计7的检测结果，可知带钢输送至卷取机2前的卷取温度为242℃。

例2：TRIP钢

TRIP钢的终轧温度为900℃，对其的冷却要求是直接从终轧温度900℃强冷至650℃，并添加数秒的空冷段，再急冷至400℃，才能得到包含下贝氏体、残余奥氏体及铁素体的混合金相组织。

在加工3.5mm厚度的TRIP钢时，钢带按照10m/s的速度被送入第一冷却段4中，第一冷却段4的长度为14.4m，经过第一冷却段4后的温度为650℃。而后经过7秒的空冷段后进入第二冷却段5中，第二冷却段5的长度为10.3m，并在第二冷却段5中降温至400℃。通过设置于***出口的第一温度计6和第二温度计7的检测结果，可知带钢输送至卷取机2前的卷取温度为403℃。

通过此种***配置获得的TRIP钢包含约40％的下贝氏体、10％残余奥氏体及50％铁素体，具有极高的强度和优秀的抗冲击性能，能够作为高档汽车前后保险杠等重要构件的抗冲击用钢。

例3：DP钢

DP钢主要由铁素体和马氏体这两种金相组织形成，铁素体相具有良好的延展性和韧性，而马氏体相则具有较高的强度和硬度。这种双相组织的结合使得DP钢具有优异的强度-延展性平衡，即在保持高强度的同时，仍具备良好的塑性和抗冲击性能。

DP钢的终轧温度为820℃，对其的冷却要求是直接从终轧温度820℃强冷至650℃，并添加数秒的空冷段，再急冷至250℃以下，得到包含下马氏体及铁素体的混合金相组织。基于此，在加工1.8mm厚度的DP钢时，钢带按照11m/s的输送速度被送入第一冷却段4中，第一冷却段4的长度为5.7m，在第一冷却段4中由820℃冷却至650℃。而后经过5秒的空冷段，再进入第二冷却段5中降温至250℃以下，第二冷却段5的长度为11.4m。通过设置于***出口的第一温度计6和第二温度计7的检测结果，可知带钢输送至卷取机前的卷取温度为225℃。

通过此种***配置，获得的DP钢包含约40％～50％的马氏体及约40％～50％铁素体，具有高强度、良好的延展性、优异的强韧性平衡和良好的抗变形能力，适用于承受高应力和高负荷场景，尤其适用于于汽车结构件、加强件和防撞件。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种热轧带钢的层流冷却***，包括设置于精轧机(1)和卷取机(2)之间的若干个冷却段，每个冷却段均包括若干根上集管(11)和与上集管(11)成倍数量的下集管(12)，其特征在于：

包括沿轧制方向依次布置的第一冷却段(4)和第二冷却段(5)，第一冷却段(4)的上集管(11)和下集管(12)的数量比为1:2，第二冷却段(5)的上集管(11)和下集管(12)的数量比为1:3；其中，

第一冷却段(4)的每根上集管(11)均配置一个上流量调节阀，每两根下集管(12)共用一个下流量调节阀；

第二冷却段(5)的每根上集管(11)均配置一个上流量调节阀，每三根下集管(12)共用一个下流量调节阀。

2.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于：第一冷却段按照上集管(11)和下集管(12)的数量比为1:2的方式划分为若干组冷却集管，第二冷却段按照上集管(11)和下集管(12)的数量比为1:3的方式划分为若干组冷却集管；其中，第一冷却段(4)包括10～15组冷却集管，第二冷却段(5)包括11～16组冷却集管。

3.根据权利要求3所述的冷却***，其特征在于：第一冷却段(4)每组冷却集管包括4根上集管(11)和8根下集管(12)，第二冷却段(5)的每组冷却集管包括4根上集管(11)和12根下集管(12)。

4.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于：还包括第一温度计(6)和第二温度计(7)，其中，第一温度计(6)设置于冷却***的入口、冷却***的中段和冷却***的出口且位于辊道(3)上方，第二温度计(7)设置于冷却***的出口且位于辊道(3)下方。

5.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于：在冷却段的每组冷却集管之间设置至少一组侧喷装置(8)。

6.根据权利要求5所述的冷却***，其特征在于：冷却***的每个测温点附近均设置空气吹扫装置(9)。

7.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于：各冷却段的上集管(11)和下集管(12)均采用U形管路，各上集管(11)均设置有两排鹅颈管。

8.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于：每两组冷却集管或每两组以上的冷却集管的上集管(11)共用一套液压倾翻装置。

9.一种热轧带钢的层流冷却控制方法，应用于上述任一权利要求所述的冷却***，其特征在于：

冷却***工作前，根据热轧带钢的终轧温度和钢材种类配置第一冷却段(4)和第二冷却段(5)的配置参数，配置参数包括第一冷却段(4)和第二冷却段(5)的长度、上集管(11)和下集管(12)的初始冷却水量以及空冷段的位置和数量；

冷却***工作时，根据第一温度计(6)和第二温度计(7)的测量温度控制第一冷却段(4)和第二冷却段(5)的上流量调节阀和下流量调节阀的开度，以局部调整第一冷却段(4)和第二冷却段(5)的上集管(11)的冷却水量和/或下集管(12)的冷却水量和/或上下集管的流量比；

其中，上流量调节阀和下流量调节阀的开度控制范围为20～100％。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：

以控制第一冷却段(4)的一根上集管(11)和与之对应的两根下集管(12)同时开启或关闭的方式在第一冷却段(4)上配置或取消空冷段；

以控制第二冷却段(5)的一根上集管(11)和与之对应的三根下集管(12)同时开启或关闭的方式在第二冷却段(5)上配置或取消空冷段。