控轧控冷技术在带钢生产线上的应用

控轧控冷技术在带钢生产线上的应用

20世纪60年代，第一个使用该层冷热喷雾干燥系统的英国布林斯-奥思剧院在切割狭窄的钢热机输出辊上安装了冷喷射系统，但在80年代之前，其应用仅限于16mm以下的板带。80年代初,日本首次提出并研制成功第一套中厚板加速冷却装置,并在日本福山厚板厂投产。随后,有关热轧双相钢的控制轧制(CR)和控制冷却(CC)的基本理论研究在日本迅速开展。1985年,我国在鞍山钢铁公司(简称鞍钢)半连轧厂建成国内第一套水幕冷却装置。但由于此套装置的冷却区长度不够,冷却能力有限,冷却不均匀,达不到产品的质量要求,因此,该厂在1995年的改造过程中将水幕冷却装置改成柱状层流结构。90年代,重庆钢铁公司五厂(简称重钢五厂)的中厚板生产线采用了控制轧制+可控的水幕冷却装置。邯郸钢铁(集团)有限公司(简称邯钢)、柳州钢铁厂、新余钢铁有限责任公司(简称新余钢厂)等也装备了水幕冷却装置。控轧控冷技术已在我国的带钢生产线上得到了成功应用。上海宝钢有限公司(简称宝钢)2050mm(德国引进)和1580mm(日本引进)轧制生产线上采用柱状层流冷却方式后,设备运行稳定,卷取温度控制精度提高;武汉钢铁集团公司(简称武钢)1700mm轧机的层流冷却装置是80年代从日本引进的,武钢将控冷模型改进移植到新一代计算机中,不仅得到了本厂的实践验证,而且在太原钢铁(集团)有限公司(简称太钢)和梅山钢铁公司得到推广。1常用冷却方式冷却方式概括起来主要有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化冷却、喷淋冷却、板湍流冷却、水-气喷雾加速冷却以及直接淬火等几种。各种冷却方式有其各自的优点和缺点(详见表1)。采用哪种冷却方式应根据具体工艺环境和限定条件来确定。2控制冷却方法的开发和设备2.1喷射水量冷却能力喷射冷却的优点是穿透性好,可以喷射到需要冷却的部位。同时,通过改变喷嘴配置、喷嘴孔的尺寸、水压等可对喷射水量(冷却能力)进行控制。常采用的喷嘴有扇形喷嘴和带芯子的全圆锥喷嘴两种。当喷嘴孔小时,常发生堵塞。为防止喷嘴孔堵塞,已开发了无芯子的全圆锥喷嘴及喷雾喷嘴。因其用同一喷嘴可控制的冷却能力范围较窄,只有通过调整水的压力来控制冷却能力。2.2喷雾冷却冷却由于连铸的二次冷却带空间狭小,主要采用喷雾冷却。高速空气流使水滴与铸坯均匀接触,并能排除拉辊与铸坯间的滞留水,使铸坯的冷却不均得到改善。2.3碳素钢带钢冷却技术由于层流冷却的虹吸管数量很多,排列又很密,钢板表面上的水层随时可以更新,并且沿输出辊道每隔一段距离设置一定数量的侧喷头,可将滞留在钢板表面的水冲掉,所以层流冷却的冷却效果很好。图1是层流冷却设备布置简图。两集管间距约为300～500mm,因此钢板在横向上冷却不均匀。从图中也可以看出,该层流冷却系统设备庞大复杂,难于维护,而且冷却区较长,导致控制滞后现象严重(约为秒级)。1984年,日本专利报道了一种层流冷却装置,其喷嘴的流量可调,因而冷速可调。该装置对提高带钢的组织性能级别有很好的效果。不需添加或少添加合金元素即可达到提高钢板强度和韧性的目的,从而节省了合金元素,可用普通碳素钢代替某些低合金钢,有利于大幅度提高产品质量,得到优质、高韧性、低屈服强度比的钢板。高密度管层流冷却是在普通管层流冷却的基础上对其进行改造,利用其结构简单,易于形成稳定的层流状态等优点,增加U形管的密度,并结合生产特点,对其在宽度方向上的排列方式进行调整,使其能对各种宽度的产品进行均匀冷却。由于其单根上集管密度增加,使冷却能力提高;通过增加侧喷装置和控制集管组数可以使钢板在各集管间形成自回火区,从而控制钢板的组织性能及表面质量;喷嘴采用直径大于10mm的圆管,不易堵塞,便于维修和管理。通过对普通管层流、高密度管层流和水幕冷却进行比较得知,高密度管层流的冷却能力与水幕冷却相当,而其设备结构、设备维护及投资却比较低。2.4钢板水幕的管压设计由于热轧板带生产是连续的,因此水幕冷却设备应能满足连续生产的要求,并且装置要坚固耐用、易维护、反应敏捷、水量可调以及系统构成要适于计算机控制。水幕冷却设备如图2所示。当前,水幕的主要控制形式有两种:①出口缝隙保持不变,通过改变水的压力使水流量变化。从保持层流的观点来看,这种调节的幅度是很有限的;②保持水头不变,改变出水口的开口度和缝隙宽度,这种方式有利于形成稳定的层流。还有一种如图3所示的可调水幕。该水幕利用分段斜楔控制出水口的缝隙宽度,由提升或下降斜楔控制出水口的开口度。在控制上主要采取同时冷却和通过冷却两种方式。但同时冷却会造成局部积水,导致冷却不均匀,使钢板局部硬度增加。如图2所示,水流从一狭长缝状流道流出,由于表面张力、边端部的附流作用、速度分布变化等,水流易产生横向缩颈现象。解决的措施有:在出水口两端增加引流装置;按水流速度变化规律改变流水道截面;流水道入口加分流隔板,使水流流量分布和速度分布在出口处保持一致,形成等宽幕状水流。1979年,日本专利报道了一种热钢板的水幕冷却装置,见图4。该发明把接近热钢板的冷却喷嘴配置在与轧制方向平行的位置上,使冷却水沿热钢板的板宽方向流动,不滞留在钢板上,从而提高了冷却能力,使钢板上下表面的冷却效果相同,并且可以在冷却过程中控制冷却能力。2.5钢板水冷却厚的研究所谓加速冷却(简称KCL)是将热轧后的厚钢板立即水冷,通过控制相变组织来提高其力学性能,它是一种类似于控制轧制的形变热处理方法。过去用大容量的水冷却厚钢板时,要精确地控制钢板的整体温度是很困难的,日本神户钢铁公司借助新开发的加速冷却方法,确立了高精度、均匀控制水冷过程中钢板温度的技术,成功地把加速冷却工艺推向了实用化阶段。如今的加速冷却工艺已推广应用于船板、管板和其它低合金高强度钢、低脆变温度和优良焊接性能钢板的现代化大生产中。2.5.1水-气冷却u-b一般的冷却方式都力图使水穿透因汽化而形成的水膜,使水直接与热钢板接触或使热钢板浸泡在冷却水中,带走热量,提高冷却效果。而水-气加速冷却则是利用气流把水分散成液滴,并带到整个钢板表面。它不介意形成气流膜层,在“快速冷却”阶段,恰恰利用不断更新的气流膜层使钢板均匀冷却,以达到没有带压设施而冷矫直率小于1%～5%的板形控制效果。而且改变冷却模式在低温段冷却(<400℃),可推广用于直接淬火。目前有两套水-气冷却设备正在使用中,一套在法国CTS工业公司敦刻尔克厂,另一套在韩国的浦项钢铁公司,两套设备都投产于1989年。法国CTS工业公司敦刻尔克厂的冷却设备距精轧机座69m、热矫直机前方13m。设备实际长度为18m,有上下各5套组件,每套组件有4个喷雾器,可以处理宽5m的钢板。浦项钢铁公司投产的是一套7组件的加速冷却设备,位于精轧机座后方54m,热矫直机前方5m,其冷却长度为28m。该设备的每套组件也有4个喷雾器,能冷却最大宽度为4.5m的钢板。这两套设备在8周内开始运转,其中还包括在线工艺调试。水-气冷却喷射组件如图5所示。其上下喷雾器都有连续的窄缝,一个用于喷水,两个用于喷射空气。喷雾器喷出低压水和空气,空气将水雾化成许多小液滴,并在很大区域内将它们均匀地喷射到钢板上,从而避免了原来用其他方法所产生的局部最大水流。此外,水流速率可在很大范围内调节;喷水缝隙足够宽(6mm),可避免阻塞。下部喷雾器的工作原理与上部喷雾器相同。2.5.2加速冷却直接淬火是在加速冷却的基础上发展起来的另一种冷却方式,它比加速冷却方式的水流量密度高而且冷却温度区域宽。所谓直接淬火是通过在轧制线上快速冷却轧制后的热钢板使钢板生成淬火组织,其强度可超过600MPa。与离线淬火相比,这种工艺具有如下特点:①节省工序;②提高了淬透性,可减少得到同一强度的合金元素含量;③由于采取这种措施可降低碳当量以提高焊接性能,因此它和加速冷却一样,在高强度钢板的生产过程中,作为必要的生产工序而占有主要地位。由于冷却速度和冷却温度区域等条件的不同,加速冷却设备和直接淬火设备一般是分开设置的。其次,为了在冷却过程中控制钢板的变形,直接淬火设备需要和离线淬火设备一样设置与输送辊对应的上部约束辊。日本神户钢铁公司继1983年4月成功地应用加速冷却工艺之后,又于1985年12月对原有设备进行了改造,实现了从加速冷却到直接淬火的全面冷却。其设备设置概况如图6所示,直接淬火时采用1～4号冷却区,加速冷却时采用2～9号冷却区。该设备除在窄缝喷射喷嘴的前后设置分水辊之外,未设置确保钢板平直度的约束辊。至于冷却喷嘴,在设备最前端的上下部位采用窄缝喷射喷嘴;其次,在窄缝喷射喷嘴的后面分别在上下部设置适用于不同水流量密度范围的3种管式层流喷嘴和倾斜喷雾喷嘴。3其他冷却方式国内外的研究表明: