國內(nèi)某鋼廠新增軋后冷卻研究及應(yīng)用

俞 俊，朱鵬宇，羅立飛

（柳州鋼鐵股份有限公司，廣西 柳州 545000）

鋼廠在軋機后布置冷卻系統(tǒng)，通過控軋控冷工藝技術(shù)控制奧氏體組織狀態(tài)，相變和碳化物析出，進(jìn)而控制鋼的組織和性能。采用控制冷卻技術(shù)在不降低韌性的情況下，可提高鋼板的強度，明顯提高鋼板質(zhì)量[1]。該中板廠沒有軋后冷卻系統(tǒng)，利用大修期間，升級改造產(chǎn)線，新增軋后冷卻系統(tǒng)和配套的水系統(tǒng)，如圖1 軋后冷卻設(shè)備，提高了鋼板性能的穩(wěn)定性，并且降低Q355級別鋼板的Mn 含量，試制了管線鋼，提高了企業(yè)的競爭力。

圖1 軋后冷卻設(shè)備

1 軋后冷卻的發(fā)展

中厚鋼板軋后冷卻技術(shù)的研究起源于1970 年代。1980 年NKK（現(xiàn)已與川崎鋼鐵合并為JFE）通過開展控制冷卻設(shè)備的開發(fā)，開發(fā)出國際首套中厚板在線控冷設(shè)備－OLAC（On-line Accelerated Cooling）系統(tǒng)，并在其福山制鐵所的厚板生產(chǎn)線上投入大規(guī)模實際使用[2]。我國約從2000 年開始，在國內(nèi)相關(guān)科研單位如東北大學(xué)、北科大等努力下，依托相關(guān)鋼鐵企業(yè)中厚板軋線建設(shè)及技術(shù)改造，自主研發(fā)出具有當(dāng)時國際先進(jìn)水平的自主知識產(chǎn)權(quán)的系列控冷設(shè)備。此后，國內(nèi)中厚板企業(yè)或采用國產(chǎn)或通過軋線設(shè)備成套引進(jìn)，中厚板軋線相繼都配備了冷卻機理一致、但設(shè)備形式及功能有所差異的層流冷卻設(shè)備，并在此設(shè)備基礎(chǔ)上，開發(fā)出相關(guān)控制冷卻工藝技術(shù)，在各類中厚板品種及工藝開發(fā)過程中發(fā)揮了巨大作用。

縱觀中厚板軋后冷卻技術(shù)近三十余年的發(fā)展歷程，截至目前，大體可分為兩個階段，一是1980 年代開發(fā)并發(fā)展成熟的以層流冷卻為代表的傳統(tǒng)層流冷卻技術(shù)；二是1998 年后以日本JFE 鋼鐵公司開發(fā)的以超快速冷卻為特征的Super-OLAC 冷卻設(shè)備，即新一代軋后冷卻技術(shù)，也正是當(dāng)前及至未來中厚板軋后冷卻技術(shù)的趨勢[3]。

2 設(shè)備介紹

根據(jù)生產(chǎn)線和產(chǎn)品特點，新的工藝布置圖如圖2.將預(yù)矯直機布置于距離軋機中心線40m 的位置。預(yù)矯直機長度4m，預(yù)矯直機與超快冷入口3m。增設(shè)超快冷裝置，長度約為20m（有效長度18m）。冷卻區(qū)出口距離熱矯直機入口長度約為20m。

圖2 生產(chǎn)線工藝布置

ADCOS-PM 的設(shè)備參數(shù)如下：設(shè)備名稱：ADCOS-PM。設(shè)備功能：ACC、UFC、DQ。設(shè)備長度：20000mm（有效長度18m）。冷卻區(qū)寬度：2800mm。最大冷卻寬度：2800mm。輥縫高度：20mm ～300mm（工作位）。1000mm（檢修位）。噴嘴數(shù)量：18 組（縫隙噴嘴2 組＋高密快冷噴嘴16 組）。輸送輥道間距：1000mm。冷卻用水參數(shù)：0.5MPa，8400 m3/h（瞬時最大用水量）。0.2Mpa，5600 m3/h（瞬時最大用水量）。中噴用水參數(shù)：1.0MPa，450 m3/h。框架移動形式：整體可提升。冷卻方式：通過式冷卻、往復(fù)式冷卻。

2.1 穩(wěn)壓裝置

用途：DQ 或UFC 功能下的冷卻系統(tǒng)供水壓力快速調(diào)整并保持壓力穩(wěn)定。

穩(wěn)壓裝置設(shè)置在分流集水管上，用于保證UFC 和DQ 功能時的供水壓力穩(wěn)定。每套穩(wěn)壓裝置設(shè)計有穩(wěn)壓閥（DN200）、手閥（DN200）、減震裝置等。

2.2 側(cè)噴裝置

超快冷集管間布置高壓水側(cè)噴裝置，以清除鋼板上表面冷卻水，側(cè)噴裝置分別通過控制閥組進(jìn)行開關(guān)控制。結(jié)構(gòu)及組成：每套封水裝置主要由控制閥組、噴嘴及鋼結(jié)構(gòu)件等組成。

2.3 高壓水封水裝置

超快冷入口和出口各設(shè)置1 組高壓水封水裝置，A 段與B 段之間設(shè)一組高壓水封水裝置。水封裝置分別通過控制閥組進(jìn)行開關(guān)控制。結(jié)構(gòu)及組成：每套封水裝置主要由控制閥組、噴嘴及鋼結(jié)構(gòu)件等組成。

2.4 壓縮空氣吹掃裝置

在快速冷卻系統(tǒng)的入口和出口分別安裝壓縮空氣吹掃裝置，共3 套壓空吹掃裝置，以確保HMD 和紅外測溫儀的可靠工作。ADCOS-PM 的壓縮空氣吹掃裝置固定在ADCOS-PM 上噴嘴框架上，配置儲氣罐。

結(jié)構(gòu)及組成：主要由控制閥組（氣動閥門、手動球閥）、管道、支架、噴嘴管件等組成。由車間現(xiàn)有壓縮空氣管網(wǎng)，經(jīng)管道送到吹掃裝置上。

2.5 防撞檢測翹曲裝置

在快冷入口處布置防撞檢測翹曲裝置，防止鋼板翹頭撞擊快冷本體設(shè)備，保護本體設(shè)備。

安全距離：預(yù)矯直機不投入時，鋼板厚度+300mm。

2.6 擋水輥裝置

超快冷裝備BANK A 區(qū)布置擋水輥，改善冷卻過程中鋼板冷卻均勻性，同時約束冷卻過程中鋼板的變形。擋水輥單獨驅(qū)動，集中變頻控制。擋水輥下表面與上噴嘴出水點之間的距離為30mm～50mm。

3 自動化控制

ADCOS-PM 的控制系統(tǒng)包含L0 檢測儀表、L1 基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)、L2 過程自動化控制系統(tǒng)和HMI 等。圖3 為HMI 主界面。各級控制設(shè)備選型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循通用、開放、速度快、可靠性高、便于升級和擴展的原則，以適應(yīng)今后計算機技術(shù)不斷進(jìn)步和預(yù)留發(fā)展的需要。增設(shè)超快冷設(shè)備后，需要增加一套自動化控制系統(tǒng)，包括過程自動化、基礎(chǔ)自動化和HMI。系統(tǒng)采用層次結(jié)構(gòu)，過程控制計算機系統(tǒng)由高檔PC 服務(wù)器及終端構(gòu)成；操作員站由工作站及網(wǎng)絡(luò)打印機組成；基礎(chǔ)自動化級由若干臺PLC和通用控制器組成；L0 級由檢測儀表和傳感器等組成。

圖3 HMI 主界面

圖4 二級模型有限元算法

在自動控制模式下，軋后冷卻控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)冷卻速率和冷卻目標(biāo)溫度要求來對鋼板進(jìn)行過程冷卻控制，圖4 為二級模型有限元算法，具體的控制機制如下：

3.1 原始數(shù)據(jù)（PDI）輸入

主要功能：軋機二級控制系統(tǒng)將PDI 數(shù)據(jù)傳遞給控冷二級控制系統(tǒng)。

觸發(fā)位置：軋制第一道次。

工藝功能：數(shù)據(jù)交換并對原始輸入數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行檢測。

3.2 冷卻規(guī)程預(yù)計算

主要功能：接收實際軋機計算的終軋溫度，計算出鋼板冷卻過程溫降。

觸發(fā)位置：軋制末道次（機前方向）。

工藝功能：根據(jù)PDI 數(shù)據(jù)及軋機二級傳過來的終軋溫度設(shè)定冷卻規(guī)程。

3.3 冷卻規(guī)程修正計算

主要功能：冷卻規(guī)程輥道速度修正計算。觸發(fā)位置：軋后測溫儀。

工藝功能：根據(jù)實測溫度進(jìn)行冷卻過程中輥道速度的修正計算。

3.4 冷卻過程開始

主要功能：動態(tài)修正輥道運行速度，并進(jìn)行冷卻規(guī)程的執(zhí)行。觸發(fā)位置：冷前熱檢。

工藝功能：收集過程數(shù)據(jù)并實時觸發(fā)輥道控制系統(tǒng)進(jìn)行實時設(shè)定，觸發(fā)工藝控制系統(tǒng)進(jìn)行實時設(shè)定。

3.5 冷卻過程結(jié)束

主要功能：對鋼板冷前過程進(jìn)行微跟蹤的結(jié)束控制。

觸發(fā)位置：冷后熱檢。

工藝功能：觸發(fā)結(jié)束輥道控制系統(tǒng)，觸發(fā)結(jié)束工藝控制系統(tǒng)。

3.6 冷卻后計算

主要功能：存儲冷卻數(shù)據(jù)和結(jié)果，存儲冷卻歷史。

觸發(fā)位置：冷后測溫儀。

工藝功能：建立分布報表文件，進(jìn)行自適應(yīng)，結(jié)束時序。

4 實際應(yīng)用

該廠已經(jīng)正常投產(chǎn)，使用超快冷系統(tǒng)，降低Q355 級別鋼板中Mn 含量0.1%，實現(xiàn)批量供貨圖5 為Q355 出水板形。試制管線鋼X70，中心組織F+P，含有適當(dāng)?shù)腜 有助于DWTT 提高。圖6 為X70 的中心組織。

圖6 X70 中心組織

5 結(jié)論

通過新增軋后冷卻系統(tǒng)，對改系統(tǒng)的設(shè)備、自動化系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，在實際應(yīng)用中降低了Q355 級別鋼板的合金含量，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，開發(fā)試制了X70 管線鋼，提高了企業(yè)的競爭力。