（机械制造及其自动化专业论文）高速线材穿水过程温度场分析及控冷参数的设计优化.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 l i ll l ii ( f ii l l li if l iil y 17 3 9 3 6 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：望坌望日期：圭垡坠三吝论文作者签名：型堑! ! 笙日期：约! ：兰：! d 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：重圭盗 指导教师签名：盔鹤叁 日 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 线材品质质量的控制绝大部分取决于控制冷却工艺设置的科学性和合理性，其生产线 中的水冷段是控制线材最终显微组织和机械力学性能的关键控冷工序。对水冷段控冷工艺 过程的研究，不仅能明确各个控冷工艺参数对终轧线材综合质量的影响规律，同时也为实 际的线材生产工艺的控制例如制订线材的温度控制策略提供理论依据和科学方法。 本文依托某钢二轧厂达涅利高速线材生产线的改造项目，通过研究分析某种型号线材 的冷却过程，建立线材控冷的温度场模型并对影响线材温度场变化的各种控制冷却工艺参 数进行了优化设计，为达涅利的水冷线的改造和合理布局提供可行的方案依据。采用有限 元法对线材穿水冷却的整个温度场变化过程进行了数学建模，通过a n s y s 软件对模型进 行仿真求解；运用正交试验( d o e ) 的方法对各个控冷工艺参数进行了主次分析，根据控冷 工艺参数对线材温度的影响规律研究了水冷线的改造方案并进行了讨论设计；同时，为了 使整个仿真设计的过程更直观和方便，采用v c + + 开发了集成a n s y s 的a p d l 语言和d o e 方法的友好用户界面。 通过对穿水控冷过程的深入研究，改进了原有控冷工艺的不足之处并找出了控冷的关 键因素，初步达到了匹配轧件的不同品种、控冷设备的利用率和控冷的工艺参数三方之间 的最佳组合关系的目的，保障了产品质量、丰富了多品种产品的生产能力以及预报产品的 品质性能：同时，满足了企业在发展中迫切希望提高生产技术的这一需求，促进了科研成 果向生产力的转化。 关键词：控制冷却；温度场；数值仿真；控冷参数；优化 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a e t t h eq u a l i t yc o n t r o lo ft h ew i r er o dc h a r a c t e rm o s t l yd e p e n d so nt h es c i e n t i f i ca n df e a s i b i l i t y o ft h ec o n t r o lo ft h ee o o l i n gp r o c e s s a n dt h ew a t e rc o o l i n gb l o c ki nt h ep r o d u c t i o nl i n ei st h e k e yd e v i c eo fc o o l i n gp r o c e s st oc o n t r o lt h eq u a l i t yo f t h er o d sm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e si ne v e n t u a l l y r e s e a r c ho n w a t e rc o o l i n gp r o c e s sn o to n l ym a k ec l e a ra b o u tt h er u l eo f t h es y n t h e s i sq u a l i t yo ff i n i s h e ds i z ew i r er o dt h a ti n f l u e n c eb ye a c hc o o l i n gp a r a m e t e r , b u ta l s o p r o v i d e st h et h e o r yb a s i sa n dt h es c i e n t i f i cm e t h o df o rt h ec o n t r o lo f t h ep r o c e s sw h e np r o d u c t w i r er o d ，s u c ha sf o r mt h ew i r er o dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ds t r a t e g y t h i sp a p e ri sb a s eo nt h er e f o r mp r o j e c to ft h ed a n i e l ih i 曲s p e e dp r o d u c t i o nl i n ei nt h e p l a n to fo n ei r o n s t e e lc o m p a n y i tp r o v i d e st h ef e a s i b l ep l a na b o u tt h er e c o n s t r u c t i o no ft h e w a t e rc o o l i n gl i n el a y o u tb ym e a n so fr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h ec o o l i n gp r o c e s so fo n et y p eo f w i r er o d ，e s t a b l i s ht e m p e r a t u r ef i e l dm o d e lo fw i r er o dc o n t r o l l e dc o o l i n ga n dc a r r yo u tt h e c o o l i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nt h a ti n f l u e n c et h et e m p e r a t u r ef i e l d u s e sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t os i m u l a t et h ec h a n g i n gt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ec o o l i n gp r o c e s sa n ds o l u t i o nt h em o d e lb y a n s y ss o f t w a r e a p p l yt h ed o em e t h o dt oa n a l y s i sp r i m a r ya n ds e c o n d a r yf a c t o ro ft h e c o o l i n gp r o c e s sa n dr e s e a r c h t h ef e a s i b i l i t yo fm o d i f i c a t i o ns c h e m eb yt h er u l eo fw i r e t e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo nc o n t r o l l e dc o o l i n gp a r a m e t e r s a n dt om a k et h es i m u l a t i o nd e s i g n p r o c e s sm o r ev i s u a la n dc o n v e n i e n t , i tu s e sv c 抖t od e v e l o pf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ew h i c h i n t e g r a t e st h ea p d ll a n g u a g ea n dd o e m e t h o d t h r o u g hd e e pr e s e a r c ho ft h ew a t e rc o o l i n gp r o c e s s ，i tc a ni m p r o v et h ei n a d e q u a c i e so f t h e o r i g i n a lc o n t r o lp r o c e s sa n df i n do u tt h ek e yf a c t o ro ft h ec o o l i n gp r o c e s sa n da c h i e v et h e p u r p o s eo fo p t i m a lc o m b i n a t i o nr e l a t i o n sb ym a t c ht h et h r e ep a r t i e si n c l u d i n gd i f f e r e n tv a r i e t i e s ， c o l de q u i p m e n tu t i l i z a t i o na n dp a r a m e t e r so fc o o l i n gp r o c e s s ；i n d e m n i f yt h ep r o d u c tq u a l i t y , i m p r o v ev a r i e t i e so fp r o d u c t sp r o d u c t i o na b i l i t ya n dp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o no ft h ep r o d u c t q u a l i t y m e a n w h i l e ，m e e tt h ed e v e l o p i n ge n t e r p r i s e sd e m a n dw h i c he a g e rt oi m p r o v ep r o d u c t i o n t e c h n o l o g y , a n dp r o m o t i n gt h et r a n s f o r m a t i o no fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha c h i e v e m e n t si n t op r o d u c t i v e f o r c e s k e y w o r d s ：c o n t r o l l e dc o o l i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o o l i n gp a r a m e t e r s ； o p t i m i z e 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 高速线材* l n 生产概述1 1 1 1 高速线材轧制技术的现状及发展l 1 1 2 高速线材轧制的主流技术和设备3 1 2 高速线材轧后控冷工艺5 1 3 达涅利冷却线的水冷段控冷工艺6 1 3 1d s c 在线测控系统6 1 3 2 控制冷却工艺和设备系统8 1 4 本文研究的内容与意义11 1 4 1 本文的研究内容及课题来源1 1 1 4 2 本文的研究意义1 2 第二章高线穿水控冷过程分析与温度场建模- 1 3 2 1 传热学基础理论1 3 2 1 1 热传递的三种方式1 3 2 1 2 导热的基本定律与微分方程1 5 2 1 3 定解条件的定义1 6 2 2 流场基本理论1 7 2 2 1 流体控制方程与数学描述：1 7 2 2 2 冷却水喷嘴的性能参数的仿真1 9 2 3 高线控冷过程中温度场模型的建立2 2 2 3 1 高线控冷的过程分析2 2 2 3 2 控冷过程的传热模型分析2 3 2 3 3 控冷过程中换热系数的研究2 3 2 4 本章小结2 4 第三章高线穿水控冷过程的数值解析与仿真2 6 3 1 数值计算法2 6 3 2 高线控冷过程温度场的有限元分析2 7 3 2 1 有限元法2 7 3 2 2 有限元法求解的基本过程2 7 3 2 3 热传导问题的有限元法2 8 3 3a n s y s 有限元软件3 1 3 3 1a n s y s 功能特点3 l 3 3 2a n s y s 的二次开发技术3 2 第页武汉科技大学硕士学位 3 4 高线穿水过程的温度场仿真 3 4 1 生产线的布局与工艺参数。 3 4 2 高线穿水仿真的相关假设定义。 3 4 3 高线穿水的有限元模型建立 3 4 4 高线穿水仿真的程序设计。 3 5 本章小结 第四章高线穿水过程控冷工艺参数的设计优化。 4 1 控冷参数优化方案设计3 7 4 1 1 正交试验设计3 7 4 1 2 试验方案设计3 7 4 1 3 试验结果数据分析3 8 4 2 控冷参数优化的仿真设计3 9 4 2 1 程序算法实现分析3 9 4 2 2 穿水控冷的试验方案设计4 0 4 2 3 穿水控冷的试验结果分析4 l 4 3a n s y s 仿真操作界面的开发4 3 4 3 1 功能模块介绍。4 3 4 3 2 操作控制界面。4 4 4 4 高线控冷参数的优化方案与仿真结果4 5 4 4 1 高线控冷优化的改造方案设计。4 6 4 4 2 高线控冷优化的改造方案仿真结果4 6 4 5 高线优化改造方案的仿真结果分析4 7 4 5 1 高线优化改造方案的可行性分析4 8 4 5 2 高线优化改造方案的进一步探讨4 8 4 6 本章小结4 9 第五章总结与展望5 0 5 1 全文总结5 0 5 2 工作展望5 0 附蜀之51 参考文献5 6 致谢5 8 攻读硕士学位期间发表的论文5 9 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 高速线材轧制生产概述 第一章绪论 线材是钢铁工业的重要产品之一，它广泛用于各项基础设施建设、建筑工程用材和金 属制品等各个行业。线材轧制生产技术是钢材成型的一项重要技术，不仅对世界经济发展 起着基础技术支持作用，同时也推进社会文明建设和提高。一直以来，线材轧制技术都面 临着更新换代、优胜劣汰的发展局面；同时在不断的激烈的竞争当中，线材轧制技术经历 了一次又一次地创新和提高。 1 1 1 高速线材轧制技术的现状及发展 通过高效的生产工艺来提高线材的c l n 速度和成品的精度，是轧制技术发展的必要手 段。在这一理念的引导下，线材轧机的发展历史充分地表明了轧制技术的发展水平历程和 趋势。2 0 世纪6 0 年代，世界上第一台高速线材轧机在加拿大投产了，它的投产宣告轧制 速度只能到4 0 m s 的早期轧制技术成为了历史，同时引起了各国生产研发厂家机构的广泛 重视。1 9 7 6 年以后，西德德马克型，意大利达涅利型，德英财团的阿希洛型等高速轧机相 继问世。在这一时期，高速线材生产的关键设备高速无扭精轧机组约占各国投产机组 总量的8 0 。随着对线材轧制技术的不断改造和开发，集中了当代高新的线材生产工艺和 先进设备的第五代轧制技术问世了。该阶段的轧制技术实现了高速单线、连续无扭和微张 * l n 的生产能力【l 】，具备高速拉拔的高效率，同时轧机的最大利用率和产品产量都有显著 提高，线材的综合品质也大大地改善。 1 ) 国外轧制技术 1 9 9 0 年8 月份，巴西圣保罗v i l l a r 懿设备公司为贝尔戈厂建造了标称终轧速度达到 1 2 0 m s ，最高终轧速度为1 4 0 m s 的线材轧机生产线。在此期间，多国的大型线材公司相继 完成了轧机的现代化改造。例如日本君滓厂和韩国浦项线材厂，通过逐步增加摩根轧机间 距改进精轧机结构来实现无扭机架间水冷状况的做法，成为轧后控冷生产线改造的技术典 范而一度享有良好的声誉。对于超重型轧机为使线材终轧温度在7 0 0 - 7 5 0 的轧制要求 内，一般采取架设机架之间的水冷导管系统的技术改进措施。同时，为降低精轧机开轧温 度，许多新建轧机厂家增设了预冷段即在中轧机组入口和出口处分别设置水冷段，被称之 为预穿水段，从而让精轧开轧温度降到9 0 0 左右。同时，轧制技术工艺设备有如下几方 面的改革： ( 1 ) 将无扭精轧机设备重心向底面基础接近，降低轧线标高以增大机体刚性来避免剧 烈振动，减少倾动力矩使运行稳定最终增加了轧制速度。 ( 2 ) 超重型轧机( v r i o ) 被重视，其轧机的承受能力逐步提高并达到普通型的1 8 倍，具 备生产高硬度合金钢产品的承载能力。 ( 3 ) 在轧后控冷的基础上提出了两项控温* l n 技术的轧制工艺：一是开轧温度低温化； 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 二是在精轧之前通过强迫水冷降低轧件的温度，这两大举措将线材的综合力学性能又进一 步地挖掘。 ( 4 ) 多线轧制方案在高轧制速度和逐步强大的单线生产的现状下，被大部分多线生产 厂家淘汰，这样有利于产品质量和效益最大化。 ( 5 ) 增设活套s l n 的预精轧机组以减小在精轧过程中的工艺缺陷，降低线材尺寸精度 受连轧张力影响的程度，增加了全线的活套数量，为无扭无张s l n 的实现打下了坚实的设 备基础。 2 ) 国内轧制技术 上个世纪六十年代初期，我国相关的技术人员对有关线材轧后控制冷却工艺展开实验 研究工作，在理论上和实践中都取得了一些相关的成果。但由于各种技术原因，在上个世 纪八十年代初以前，我国的线材冷却技术的研究开发还仅限于轧制后的穿水冷却控制阶 段。通过s l n 技术和轧制设备的引进并消化吸收以及面临着线材性能日益提高的趋势，在 最近十几年内，我国研究线材轧后控冷的技术得到长足的发展，也使得相关的研发工作在 科研院所、大专院校与线材生产厂家之间得到广泛的交流和合作。这一时期进行的实验研 究工作主要包括：冷却过程变形的控制、控冷工艺参数的优化设计、奥氏体的转变规律及 成品钢的力学性能的改善等方面。研究中采用了较为先进的计算机模拟实验技术，并在实 际生产中进行推广和应用，最终也逐步得到了线材生产厂的肯定和认刚引。 在改革开放以及经济快速发展的浪潮下，国内多个知名的线材生产厂家分别引进、消 化、移植和改造了多款国外先进的高速线材轧机。不仅改变了国内暂时落后的线材生产技 术之面貌，还为推动和加快线材生产技术的发展做出了贡献。目前，随着我国冶金设备制 造企业的研发创新能力的提高，以及一些大型成套热、冷连轧机的关键技术的自主创新， 最终形成了具有我国自主知识产权的一系列达到先进技术水平的成套冶金设备，包括最初 的炼焦n s l n 成型材及成品的后处理等设备【3 】。 新世纪的轧制技术又有新的要求，其轧制工艺将集中体现在连续化、紧凑化的生产过 程中。而生产过程的控制在现在计算机广泛应用的大背景下，对各种轧制型材的高品质多 品种多规格的控制和管理将采取计算机化和信息化的现代信息技术手段：同时，轧制生产 的高质量型和低成本型已成为各个生产厂家最终的追寻目标。这种技术手段的发展壮大和 成熟应用，衍生了更多的信息化、智能化的控制关系：人工智能控制在轧机控制中得到了 大量的运用，它替代了以往的计算机模型控制并随工业信息化技术日渐成熟，轧制控制技 术越发系统和科学；传统的轧制技术研究方法远不能满足信息化控制的要求，促生了计算 机数值模拟与传统的计算力学相融合的仿真技术，在虚拟各种轧制过程中经常采用刚塑性 有限元法进行三维数值模拟和数值解析；同时，计算机技术的融合使预报轧件产品的质量、 优化轧制工艺参数、设计轧机设备以及可行性方案的选择等控制优化的过程简单合理且有 效。特别是计算机数值模拟在冶金领域的成功应用，不仅取代了绝大多数的现场模拟试验， 同时更加注重模拟技术在轧件的微观金相组织的预报和控制方面的研究，而不仅仅满足于 对轧件宏观尺寸、形变的预报和各种机械力学性能的数值模拟【4 】。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 今后，轧钢技术的深入研究和轧制理论的改革创新将会随着冶金科技、计算机模拟技 术和人工智能技术的成功融合，成为冶金领域中信息化分析与控制的又- - n 高点。同时， 计算机轧制试验、轧机的最优化设计和工厂虚拟现实通过工业信息化技术的不断应用和实 践，使得轧制生产控制过程更加的科学、系统和可行【5 1 。 i i 2 高速线材轧制的主流技术和设备 2 1 世纪线材轧制技术在高新技术的影响下获得改造、革新和发展，即通过轧制工艺的 改进和控制优化等手段充分地提高和挖掘线材的力学性能和综合品质。以时代要求的高效 节能、产品质量改良、品种多样化及能源低耗为特点的线材轧制设备和技术成为发展的主 流趋势。立式无头轧机、高速无扭无张精轧和轧后控制冷却等新兴技术在这一时代背景下 将得到进一步的重视和发展。其主要轧制技术和成熟运行的轧制设备有如下几类： ( 1 ) 轧制工序改进 大多数厂家采取增加转炉容量加大力度来得到优质的钢水，以保证线材的出产质量。 因此一部分相关的工序将在钢坯进入加热炉前进行设置或预留，例如对线材表面抛丸后再 进行线材缺陷的超声波探伤，或经过磁粉探伤后进行缺陷的修复等工序。一些增设了3 0 0 m 3 容量的高炉企业通过热铁水与废钢的混合冶炼，不仅大大降低了电能消耗，还显著提高了 成材的纯净度【6 】。同时，采用连铸坯为原料辅以热送钢坯的工艺来降低能源消耗和提高金 属的收得率。 ( 2 ) v 型无扭精轧机组技术 在终轧速度不断的提高的要求下，新一代v 型无扭精轧机组在结构上进行了大胆的革 新和改造，包括降低传动轴的标高、减少机组的倾动力矩和减轻机组重量。这种新机型主 要优点表现为低重心、低噪音、终轧温度低、稳定性好、盘卷质量高以及低事故发生率等。 同时，此v 型结构轧机很快步入第五代以后的高速线材轧机的优秀机组之列并得到各国知 名线材生产厂家的青睐。 ( 3 ) 蓄热式燃烧技术 蓄热式燃烧技术是一种提高在单位蓄热体上的蓄热能力的广泛应用于高线生产线钢 坯加热过程中的新技术。蓄热室和换向装置为此技术系统关键组成部分，其作用主要将由 空气和煤气组成的可燃混合气体预热至上千摄氏度左右，这样有利于高炉煤气等低热值燃 料的充分燃烧利用。自2 0 世纪9 0 年代中期开始推广应用以来，我国主要的钢铁企业在大 型的步进炉中逐步地采用了蓄热式燃烧技术，使得改进工艺后的加热炉节约能源至少3 1 1 0 ， 同时也减少了高炉加热时间降低了高炉的烧损延长了设备的使用寿命【7 1 。 ( 4 ) 精密轧制技术 为配合顾客对产品外观尺寸、线材表面质量、轧后机械性能等的严格需求，提高产品 的轧制精度又成为各个冶金设备研发团队的新课题。2 0 世纪9 0 年代初，著名的钢铁工业 制造商美国摩根公司和意大利达涅利公司先后研发了减定径精密轧制机组。这种减径、定 径机架与变速箱传动系统组成的成组的轧制机组的突出精轧性能表现为：a ) 、通过减少轧 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 制的压下量，使得产品尺寸的高精度偏差在0 i m m + 0 i m m 之间；b ) 、能够运用低温轧制 技术，在相变过程中可以细化晶粒以改善线材的品质性能；c ) 、改进了相关装置，增加了 快速换辊机构，大大节约了换辊时间并提高了精轧机组的利用率达十成左右；d ) 、采用单 套精轧机组的孔型，即可适应多种规格的产品生产；0 、轧制后不需切除头尾余料，进一 步增加了钢材的收得率，节约资源【8 1 。 ( 5 ) 低温态开轧技术 将轧制温度控制在常化温度或热机轧制温度范围之内的轧制工艺称之为低温态开轧 技术。此技术一方面可以减少燃料的大量消耗，降低轧制过程中钢材表面的脱碳量保证了 表面质量，避免了不必要的烧损发生；另一方面被加工的轧件在低温状态下进行的物理形 变和延展使得金属的晶粒组织细化、致密形成更为均匀、连续的微观金相组织。最终，改 善了轧件的机械性能，简化了后续的热处理工序，增加了轧件的强度和韧性。 ( 6 ) 控制温度冷却轧制技术 控制温度冷却技术是高轧制速度( 1 0 0 m s ) 、大产量( 1 0 0 t h ) 的高速线材完成在线冷却 任务的支柱技术，再配合先进的盘卷成型技术就能获得线材优良的品质性能及良好的卷 形。控温冷却轧制技术的主要工艺过程的设置是在粗轧机机组后至精轧机组入口段布置水 冷箱来控制开轧和调节精轧的温度，而将水冷导卫放置在精轧机组内以控制线材的终轧温 度。这样就能实现整条轧制生产线上的温度分布处于可控可调的状态，完成控温冷轧的目 的获取满足线材综合性能条件下的最佳的晶粒组织结构。 ( 7 ) 无头轧制技术 无头轧制技术是主要为了达到提高线材的成材率降低消耗的目的而改造研发出来的。 同时，为了稳定的应用于高线生产，各大型冶金设备制造商研究了在无头轧制过程中最优 工艺参数的设计和选取。最终定型的无头轧制技术，其工艺特点是将加热炉出口的钢坯头 与在粗轧机入口处的上一根钢坯的尾部通过焊接连接起来，避免了钢材盘卷打捆时的切头 损失和减少轧废的几率，提高了轧制的线材出产率。 ( 8 ) 其他设备和技术 随着轧制技术的发展和学科的交叉融合，现代的冶金轧制设备集成了多学科的工程实 践的主要成果。 在运送传动控制方面，多数生产线上配备交流电机传动并采用数字控制装置实现电机 运行状态的闭环监测和控制；同时，为了防止热点过多、辊道传送延时等造成的线圈不能 均匀冷却的现象发生，控冷线改装了大风量延迟型的辊道，并按辊道的落差和加速度变化 进行分段衔接和控制。 实时在线故障分析监测方面，安装在线的热态测径仪和磁力涡流探伤器对线材外表面 的尺寸精度和线材整体质量进行全程监测。不仅能反映设备的运行状况同时也能及时发现 有缺陷的产品或对设备进行检修和维护【9 1 。 在轧后线材吐丝集卷方面，密实收集线圈系统保证了集卷的效率和质量；能自动调节 夹送压力和速度的高性能夹送辊保证了生产线不同位置处的加减速夹送的动作的实现；而 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 改进了的吐丝管结构的新型吐丝机不仅振动小、寿命久且检修更换快。同时，位于吐丝管 人口处的压缩空气喷嘴不仅能去除线材表面的氧化皮还能及时清理吐丝管。可视温度检测 仪和振动测试仪的实时监测是吐丝机正常良好运行的又- n 器。 1 2 高速线材轧后控冷工艺 目前，各国已经投入生产的各类高速线材控制冷却生产线有十余多种，其配套的工艺 装置也各有不同。其中所包含的工艺技术的改造和革新不仅很大程度上改善了各种型号的 线材产品性能；同时，也大大地促进了近2 0 多年来高速线材轧后控制冷却技术的蓬勃发 展。线材生产一般工艺流程如图1 1 所示： 窜图 口回匦口圃口困 南 i 逋，处 | 刹 i ；令| i 理| j 蚓 图i i 线材轧制流程图 上图轧制流程中的第四步工序直接影响线材的综合性能，在这一工序过程中经历了三 个必不可少的热处理阶段：第一阶段急速过冷，此阶段经过骤冷生成奥氏体同时要避免线 材的外表面因为急冷而变为马氏体，此时要求用有效的冷却技术使线材内外均匀冷却；第 二阶段高温相变，此热处理阶段为由马氏体转变为索氏体的相变过程；最后一阶段完成线 材余温的迅速冷却散热以便收集。 由图1 1 可知轧制流程可知高速线材控冷的基本技术方法。首先，将精轧后的线材在 某种有效且廉价的冷却介质下快速冷却，然后采用集卷和一定的布圈方式对线材进行控温 冷却来保证相变所需的温度区间以及冷却的速率和质量，最后快速冷却至可集卷打捆的温 度进行入库存储。其中，第一步的冷却一般采用由高压环形喷嘴组成的水冷系统完成，而 线材的集卷通过专用设备吐丝机完成，最后的收集包装也是自动完成。 根据在控制冷却阶段中所采用的不同工艺布置和设备特点，可将控制冷却生产工艺分 为表1 1 所示的三大类型【i o j ： 表1 1 轧后控冷工艺的三大类型 美国的斯太尔摩水冷线的主要特征：生产线水平布置，冷却过程分为一次水冷和一次 风冷加散卷布圈冷却，冷却速率具有较宽的调控范围。此水冷生产线具有产品机械性能高、 质量波动小、氧化铁皮生成量少等重要优点；但其设备多占用场地面积大，前期的投入资 国南面惰四丽一百捌摁倒 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 金高且冷却效果会受到环境的制约【】。意大利的达涅利冷却线也是一款较为出色的高线轧 制控冷生产线，其控冷段也是由水冷段和风冷段两部分构成。 根据厂家的实际生产规划和需求等多方面的要求，贵州某钢铁企业的二轧厂引进了意 大利的达涅利控制冷却技术并进行技术的消化吸收和部分的改造。本文正是基于此厂达涅 利冷却线的水冷段重组这一基础技改项目进行分析研究，因此，在下文将进一步介绍其相 关的控制冷却装备和工艺技术特点。 1 3 达涅利冷却线的水冷段控冷工艺 于1 9 1 4 年建立的具有近一百年悠久历史的致力于钢铁工业精品设备生产制造的意大 利d a n i e l i ( 达涅利) 集团公司，拥有实力超群的技术研究中心和一支具备高素质的“冶金 工业产品的研发团队及领先的物流管理理念。其产品的口碑和性能质量在国内外市场享 有很高的声誉，所生产的控冷线在各大钢铁企业的多种型号的线材生产中都有着重要的应 用。其控冷线生产线有较完备的温度监测和控制系统，且具有以下特点：( 1 ) 采用封闭绝 热罩保温，增加冷却时间；( 2 ) 风冷段采用标准冷却的方法；( 3 ) 各控冷区段的夹送辊的速 度可大范围调节同时集卷速度动态可控；( 4 ) 水冷箱个数增加、长度减少；( 5 ) 风机的出风 功率大，布局合理；( 6 ) 其温度控制系统能适应多品种钢材的轧制温度的需求。 达涅利控冷生产线中的控冷段是基于金属在温度变化过程中所遵循的金相组织转变 规律的一道轧后控冷的关键工序，图1 2 是达涅利控冷线中水冷段的设备布局示意图。 图1 2 生产线水冷段布局示意图 达涅利控制冷却生产线优秀、有效的控制冷却能力主要是由两大核心系统：d s c 在线 检测控制系统和控制冷却工艺和设备系统来保障的，以下分别给予介绍说明。 1 3 1d s c 在线测控系统 d a n i e l i 研发的用于在线完成监测轧制操作全过程的结构控制系统，简称d s c 系统。 此系统有较好的开放性，允许钢铁企业或厂家根据生产内容例如线材的不同形状或品种实 时地更改轧制工艺流程，不仅能得到特殊结构或机械特性的优质线材产品，还能满足不同 客户的不同要求甚至非标准要求。另外，d s c 系统在接受操作工人的干预下是构成开环控 制，当配备相应的一些专用仪器或通用设备之后就能构成具有自动化的闭环控制系统。 d s c 系统之所以具备精准的调控轧件加工温度的强大能力，主要在于此系统对全长的 轧制线上的控温战略的合理布局：首先在轧制区安装快速的水冷控温系统，特别是在精轧 区域所布置的水冷线对快速冷却的效果贡献较大；其次增加了精轧机组的机架间的冷却循 环系统，减少不必要的不可控的温升干扰；再次，在吐丝之前布设了具有适当参数的水冷 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 箱控温系统，以便集卷时获得合适的卷取温度：最后，在线材盘卷打捆之前通过可控的辊 式运输机保证了最终的控冷温度的可调性和稳定性。 1 ) h m i 控冷系统 h m i 控冷系统由温度闭环控制系统、机架问冷却控制系统、测温系统、监视系统以及 配套的仪表仪器和自动化控制设备组成。在整个水冷区域h m i 根据用户设定的初始值进行 在线调控全线的水冷段的工作状态，包括对各个水冷箱中水的流速、压力的控制，从而保 证线材在整个穿水过程中均匀冷却。其结构示意图见图1 3 所示，在穿水的整个轧制工艺 过程中h m i 控冷系统实现了全程的自动化，能够记录不同批次的轧件的最佳生产信息，确 保了不同批次生产的产品质量的稳定。 图1 3i t m i 自动控冷系统不意图 2 ) 穿水箱中的温度闭环控制 在h m i 控冷系统中对每个穿水箱的控制都可以再独立成为一个温度闭环控制系统，而 此闭环系统中的各种控冷初值包括穿水箱中进水阀门的通断状态、开度大小、水流水压和 轧件的生产信息包括线材的型号尺寸、轧速、终轧温度等参数均由h m i 系统中相应的功能 模块进行储存和处理。一个温度闭环控制系统控制着一个穿水箱冷却能力，当多个穿水箱 存在时通过此闭环控制就有多种控冷能力供用户选择使用。 图1 4 温度闭环控制 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 水箱中的温度闭环控制系统的基本原理如图1 4 所示，通过两端的高温计形成对轧件 温度的闭环控制。即轧件的温度变化经过微处理机中算法程序转换为对水箱中的水冷喷嘴 执行相应的开度动作，然后反馈轧件温度并进行比较后再触发相应的控制动作，如此循环， 直至穿过水冷箱后的轧件温度接近均匀状态。 3 1 精轧机组的温度控制系统 精轧机是保证线材外观尺寸精度最后一组的工艺设备，要满足不同钢种的精轧尺寸要 求并以一定的轧速生产，必须保证在进入精轧机组前轧件温度的分布均匀合理。于是，在 预精轧和精轧之间布置了一组预冷穿水箱来完成轧件的初步水冷；且在水箱与精轧机组之 间预留了一段空闲区即恢复区，以满足轧件进行精轧变形所需的均温条件。 同样，由各个穿水箱、多组高温计、精轧机组和计算机设备及相关的电子仪器就组成 了精轧温度控制的闭环系统，并具备自己独立的调控能力；能实时的完成均化在轧轧件温 度的冷却控制。如图1 5 所示为精轧机组的轧件均温控制系统示意图。 1 3 2 控制冷却工艺和设备系统 图1 5 精轧机组的温度控制 1 1 轧制工艺与温度控制 根据所加工材料的品种和最终所需的机械力学性能，结合金属材料的相变温度区间不 同而造成组织性能差异的金相理论，将轧制工艺分为普通轧制、正火轧制和热机轧制三大 类。各个阶段的轧制工艺与各自材料的金相组织相对应，如图1 6 所示。 在以上轧制工艺理论的指导下，采取相应的温度控制手段来保证在各自的轧制温度区 间内轧件的横截面及纵截面的受热均匀一致。同时，还要注意控制轧制过程中未控温升的 变化范围和强度，避免因受热不均而造成产品的形状尺寸失真、内部组织结构缺陷、机械 性能差等损失。 达涅利控冷系统中的控制工艺参数是根据有限元理论建立相应的控制模型进行数值 仿真计算来确定的，且有效、合理地应用在实际试验生产中。通过此控温技术实现了线材 在应力应变稳定、外形尺寸偏差小、冶金特性优异等方面的最优综合品质。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 图1 6 金相图与轧制工艺 2 ) 低温轧制工艺 低温轧制工艺是通过精轧机组的温度控制系统实现的，从金相图上看此轧制温度区间 位于正火轧制或热机械轧制的范围内。在低温状态下使金属材料的晶粒细化，改善了产品 的冷成型的技术性能。此工艺的显著特点有：( 1 ) 具有高水平的屈服强度值；( 2 ) 无需正火 热处理，同时缩减了退火的时间；( 3 ) 改善了产品的表面质量，组织结构更细密，纯度更 高；( 4 ) 提高了低温状态下产品的韧性。 3 ) 精轧温度控制工艺 精轧温度控制工艺是高线水冷工艺中的关键部分，在轧制过程中根据轧件的性能要求 必须合理地布局精轧区的冷却系统，以全面控制在精轧机中的轧件芯部和表面的温差，进 而控制晶粒组织的大小和分布，使精轧机组处于最佳的轧制性能最终提高轧机生产多种型 号钢材的灵活性和适应性。 为此，精轧机组控冷工艺有如下措施：( 1 ) 在精轧机前设置预穿水箱，以获取轧制的 最佳温度区间；( 2 ) 根据不同钢种的塑性变形规律，采用不同的压缩比来得到精确的尺寸 偏差同时限制线材的芯部的温升：( 3 ) 配备机架间的冷却系统，控制轧件在轧机中的不可 控的温升；( 4 ) 轧件在不同孔型中进行形变时，增加两中间孔型的间距，使轧件的温度有 机会均匀分布，解决了因轧件内外温差过大时在不同孔型中进行形变所出现的热应力分布 不均而造成的裂纹缺陷。 4 ) 轧后水冷工艺 轧后水冷线是指经精轧机轧制完成后到轧件以合适的温度集卷的这一段冷却区域。此 穿水控冷线是由若干个穿水箱相互串联构成，每一个穿水箱中安装有若干个管状喷嘴元 件，线材从喷嘴中穿过由冷却水冷却，见图1 7 所示；其中每个水箱中喷嘴元件的工作状 态、冷却水的冷却能力可根据轧件的轧制性质进行实时的调控。在两个穿水箱之间留有预 定的空间，称为均温区也称之为空冷段，是为了平衡轧件经水冷后形成的内外温差，控制 轧件从里到外进行及时的均匀冷却，保证最终的控冷效果。 叠习溷圈圜圈 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 7 穿水箱的结构示意图 穿水箱的布控位置由线材的轧制要求和冷却曲线来确定，最终通过水冷线在保证线材 品质性能的同时能够完成快速均匀的冷却。图1 8 为达涅利公司提供的在精轧之后经水冷 线控冷的某种线材直径( 巾5 5 6 m m ) 方向温度变化的示例曲线，其中标明了由水冷线控制 冷却后需满足的几种指标和要求。 图1 8 线材轧制后的控冷温度曲线 5 ) q t r 工艺 q t r 工艺分为三个阶段的热处理：首先在一定温度范围内以水为冷却介质采用淬火处 理，使轧件的的表面形成一定厚度的马氏体层；第二步，在恢复段由轧件芯部的余热对表 面形成的马氏体层进行回火处理，保证轧件具备足够的韧性；最后，轧件在运输辊上进行 最终的冷却。在此工艺中的要处理好精轧温度、淬火时间、空冷回火时间三者的变化关系， 它们决定了线材的最终工艺性能特性。 某钢二轧厂的主打产品s w r h 8 2 b 线材就是在达涅利生产线上采用q t r 工艺进行批 量生产的，其生产的轧制流程见图1 9 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第l l 页 图1 9 达涅利生产线的轧制流程图 1 4 本文研究的内容与意义 1 4 1 本文的研究内容及课题来源 某钢铁集团根据市场需求，在满足企业效益增长的同时又追求高附加值产品的投产。 在原有的5 0 万吨高速线材生产能力的基础上，又引进购买了一套世界一流的轧制设备一 一意大利达涅利高速线材生产线。目前，其二轧厂的主打产品s w r h 8 2 b 线材就在达涅利 生产线上投产，其穿水控制冷却线采用d s c 闭环控制系统，自动完成8 2 b 线材的穿水冷 却过程。其轧制速度已达1 0 5 州s ，为钢材产品的均衡发展、结构整合、高速高质地生产“两 高”产品等提供了有力的保障。 在轧制8 2 b 线材的过程中发现，线材在精轧