一种热轧低碳带钢横向均匀冷却方法及冷却装置与流程

本发明涉及带钢冷却，尤其涉及一种热轧低碳带钢横向均匀冷却方法及冷却装置。

背景技术：

1、热轧带钢卷取温度是影响成品带钢性能的重要工艺参数之一。不同规格品种的热轧带钢终轧温度一般为800℃～900℃，为了使带钢获得良好的组织性能，带钢的卷取温度一般须控制在550～700℃。层流冷却的目的就是通过冷却过程控制带钢的温度，从而使带钢温度从精轧出口的终轧温度冷却到所要求的卷取温度，以获得优异组织性能的成品钢卷。

2、带钢在轧线辊道上的运行时间大概在10s左右，想要在精轧末机架到卷取机之前如此短的时间内使带钢温度降低100～350℃，仅仅依靠带钢在辊道上的热辐射以及带钢向辊道的热传导等自然冷却所产生的温降是远远不够的。因此，在输送辊道上下布置层流冷却装置，将数个层流集管安装在精轧机输出辊道的上下两侧，组成一个几十米到100多米长的冷却带，对板带钢的上表面进行冷却。整个冷却带划分为若干个冷却段，每个冷却段由阀门控制喷水管，通过控制水的流量、开启冷却段的数目来控制板带钢的冷却速度。大量冷却水与带钢表面接触，生一层类似于薄膜的物理形态，带钢将温度传递给冷却水以降温。

3、低碳钢的金相组织为铁素体+珠光体，珠光体的转变温度在680～700℃左右，但是传统的层流冷却上水集管安装在层流集管的单侧，且层流集管上安装的鹅颈管孔径、间距相同，从而导致靠近上水集管的一侧水压大，远离上水集管的一侧水压小，使得鹅颈管横向水流量大小不一，带钢横向温度不均，并呈现条带状，局部温差可达50～80℃，造成珠光体转变温度的不同，长大速率也不同，因此造成混晶现象，导致低碳钢的冲压性能产生较大差异，影响了机械性能的稳定性，成为亟需解决的一大问题。

4、同时，由于热轧带钢边部存在温降的横向温度分布致使带钢中间受到拉应力，边部受压应力，即冷却过程的温降造成的应力使得带钢的板形朝边浪方向发展。分析同时发现：在相同的设备条件或带钢横向温度分布下，冷却速率越高，板带内部应力越高；带钢宽度越宽，横向温差控制越困难，温度不均匀分布越严重。

5、带钢冷却过程中应变主要来自温度和相变。温度是引起相变的动力，相变过程会释放热量影响带钢温度。带钢各部分不均匀的应变将使带钢产生应力，当局部压应力超过临界屈曲应力时，带钢会出现浪形等板形缺陷。根据浪形判定理论，带钢波浪缺陷是内应力的外在表现：若带钢应力状态为边部压应力、中部拉应力，则带钢板形为边浪或者为边浪趋势；若为边部拉应力、中部压应力，则带钢板形为中浪或中浪趋势。而不管是中间浪形还是边部浪形，对制管、冷轧等工序均有着不可忽视的影响，造成成材率降低，甚至造成降级或轧废。

6、目前来看，解决上述问题的一个思路是改善带钢横向冷却的均匀性，例如，中国专利cn201220547168.0公开的一种层流冷却边部遮挡装置，生产过程中利用两侧集水槽遮挡边部层流上集管水幕，减少边部层流冷却的范围，同时根据卷取的温度检测仪器将带钢横断面温度反馈给控制程序，控制程序用带钢横断面实际温度值与设定的带钢横断面温度值进行比较，如果其差值超过设定范围，控制程序控制液压缸微量移动，调整边部遮挡装置的开口度，直至调整到设定范围内。通过调节冷却水在带钢宽度方向上的喷淋面积，解决层流冷却系统对带钢宽度方向上冷却分布不均的现象，减少带钢边部温降，减小带钢横断面温差。但是，这种装置在自动控制出现异常或试制新产品时，需要选择执行手动程序，手动程序是通过手动在控制程序画面中设定边部遮挡装置的开口度，调节带钢横向方向的温度精度，费时费力。中国专利cn201010282943.x公开的一种等效层流冷却方法与中国专利cn201510713274.x公开的一种用于控制热轧带钢双边浪的层流冷却系统及方法，通过改变出水口直径控制宽度方向上冷却效果的技术。这两份专利分别使出水口直径由中部向两侧呈正弦分布或线性规律变化，使水流密度由中部向两侧逐渐减少，冷却强度由中部向两侧逐渐降低，边部经过二次冷却，达到与中部相同的冷却强度，从而使带钢宽度方向上的温度保持一致。考虑到在实际生产中，由于管径为变化的非标准管径，将增加生产成本及加工难度。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术弊端，提供一种热轧低碳带钢横向均匀冷却方法及冷却装置。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种热轧低碳带钢横向均匀冷却方法，包括如下步骤：

4、s1、热轧后的低碳带钢经过层流冷却段，在层流冷却段内设置三级层流冷却机构，每级层流冷却机构中鹅颈管的冷却水流量随带钢横向的实际温度分布而调整，将带钢温度降至第一阶冷却温度，同时将带钢中部和边部的温差缩小至15℃以内；

5、s2、低碳带钢穿过气雾冷却段，冷却水以高压雾状形式喷出，对带钢表面进行充分接触和冷却，带钢温度降至第二阶冷却温度，同时将带钢中部和边部的温差进一步缩小至10℃以内；

6、s3、低碳带钢穿过补水冷却段，冷却水以喷淋形式喷出，将带钢温度降至适宜卷取温度后，送入卷取机进行卷取。

7、所述冷却方法适用于冷轧基料和普通碳素结构钢的轧后冷却；适用坯料的成分含量为：c＜0.08％，mn：0.15％～0.30％，s＜0.025％，p＜0.025％，si＜0.05％，als＜0.055％，ti＜0.025，余量为fe及不可避免的杂质。

8、所述低碳带钢的轧制厚度为2.75mm～13.75mm，轧制宽度为920mm～1035mm，轧制速度为3m/s～11m/s。

9、所述步骤s1中，第一阶冷却温度为铁素体转变终止温度；所述步骤s2中，当带钢的后续卷取温度低于670℃时，所述第二阶冷却温度选择670℃；当带钢的后续卷取温度高于670℃时，所述第二阶冷却温度选择带钢基体内aln完全析出的温度。

10、本发明的进一步改进在于：所述低碳带钢的轧后温度和铁素体转变终止温度之间的差值为△t；在层流冷却段内，第一级层流冷却机构的目标降幅为35％△t～45％△t，第二级层流冷却机构的目标降幅为30％△t～40％△t，第三级层流冷却机构的目标降幅为20％△t～30％△t，根据目标降幅来确定每级层流冷却机构的冷却目标温度。

11、本发明的进一步改进在于：每根所述鹅颈管均通过独立设置的电动阀门来控制其流量，所述鹅颈管的冷却水流量的计算公式为：

12、

13、式中，q——鹅颈管流量，m3/h；

14、h——带钢轧制厚度，mm；

15、v——轧制速度，m/s；

16、φ——鹅颈管直径，mm；

17、ρs——带钢密度，kg/m3

18、cs——带钢比热容，kj/kg·℃；

19、dt——带钢温降dt，℃；dt＝冷却前带钢温度t0-冷却目标温度t1；

20、ρw——水的密度，kg/m3；

21、cw——水的比热容，kj/kg·℃；

22、△t——水的温升，℃；

23、n——鹅颈管数量，个。

24、所述步骤s2中，气雾冷却段内依次设置有五组气雾冷却机构，每组气雾冷却机构设置有若干个气雾喷嘴，所述气雾喷嘴呈阵列设置，且其宽度覆盖带钢的横向宽度；位于中部的气雾喷嘴呈集中全部开启状态，位于两端的气雾喷嘴呈隔排开启状态，且相邻排开启的气雾喷嘴交错设置。

25、一种基于热轧低碳带钢横向均匀冷却方法的冷却装置，包括依次设置在精轧机组和卷取机之间的层流冷却段、气雾冷却段和补水冷却段；所述层流冷却段包括顺序设置的第一级层流冷却机构、第二级层流冷却机构和第三级层流冷却机构，在每级层流冷却机构的上游均设置用于实时监测带钢横向温度的红外成像仪。

26、本发明的进一步改进在于：所述层流冷却机构包括并排设置的四排冷却集管，冷却集管的一端连接冷却水供水管，另一端连接两列鹅颈管，鹅颈管沿低碳带钢的宽度方向均布，且相邻列的鹅颈管交错布置。

27、本发明的进一步改进在于：所述气雾冷却段内设置有五组气雾冷却机构，每组气雾冷却机构设置有若干个气雾喷嘴，所述气雾喷嘴呈阵列设置，其宽度覆盖带钢的横向宽度；所述气雾喷嘴通过气雾集管与冷却水供水管相连通，在气雾集管上安装有高压泵。

28、本发明的有益效果是：

29、本发明公开了一种热轧低碳带钢横向均匀冷却方法及冷却装置，改进了现有层流冷却方式的缺陷，通过冷却水流量的控制来消除带钢中部和边部的温差，使带钢横向温差逐步减小，最终达到均匀化，有效改善了带钢组织不均匀产生的浪形缺陷。根据低碳钢自身的相转变特点，通过依次设置的层流冷却段、气雾冷却段和补水冷却段进行渐进式冷却，通过层流冷却段实现带钢奥氏体向铁素体的转变、通过气雾冷却段实现带钢铁素体向珠光体的转变、再通过补水冷却段将带钢温度降低适合卷取的最佳温度，有效改善了带钢组织的均匀度，避免了混晶现象的发生，提高了带钢的力学性能。

30、本发明无需改变集管装置，在原有的层流冷却装置的基础上，只需要按照终轧温度、冷却设定温度及卷取温度，然后根据带钢横向温差的分布，就可精准的调整本发明各冷却阶段每个单元的鹅颈管流量，从而实现带钢中部和边部温度的有效控制。本发明无需对设备进行大改动，改造成本低，适宜工业化使用和推广。

31、本发明层流冷却段内设置有三级层流冷却机构，在每级层流冷却机构后均设置有红外成像仪来实时对不同温度目标节点的带钢横向温度分布进行检测，再利用公式算出不同冷却阶段所对应的鹅颈管冷却水流量，对各段带钢横向温度进行精确控制，同时将层流冷却装置鹅颈管设置成错位分布，可有效防止带钢横向温度呈条带状分布，提高了带钢横向温度的均匀性，降低了带钢横向温差，减小了因横向温差导致的应力突变，改善了带钢浪形。在层流冷却过程中，每级的预设温度都是根据不同低碳钢的相转变温度而针对性设定的阶梯式温度，能够有效确保低碳钢稳定地逐步冷却，避免局部应力过高而导致板形缺陷。

32、本发明在层流冷却后端设置了气雾冷却段，将冷却水以雾状高压喷出，与带钢表面充分接触，使得带钢表面各处的均匀冷却；同时，通过中部气雾喷嘴全开、两端气雾喷嘴隔排开启的设置，使得带钢中部的冷却效果高于带钢边部的冷却效果，带钢中部和边部的温差进一步缩小，增加组织均匀度。基本消除了带钢温差的带钢进入补水冷却段，此段内冷却水采用统一水量，带钢中部和边部行同步降温，使其达到适宜卷取的温度。