中厚板轧后控制冷却系统

刘 涛  余 伟  张立杰  何春雨  李彦彬  徐言东

轧后控制冷却技术简称ACC，通过控制轧件的开冷温度、轧后冷却速率和终冷温度来控制钢材的高温奥氏体组织形态以及相变过程，最终控制钢材的组织类型、形态及分布，以达到提高钢材组织和力学性能的目的^[1-2]。ACC技术已成为近20年来中厚板生产的重要工艺技术，通过应用轧后控冷系统，可以细化晶粒^[3]；改善钢板的力学性能，在不降低韧性条件下提高钢板强度；在不降低强度条件下减少碳当量，从而改善钢板焊接性能^[4]；对微合金化低碳钢采用控冷技术可以生产出更高性能的产品或者同一级别而规格更厚的产品；轧后控冷系统可代替正火工艺、离线淬火–回火热处理工序。目前ACC技术已经广泛应用于生产船板、管线板、工程机械用钢板等^[5]，拓宽了企业的品种结构，为企业带来效益。

轧后控冷技术发展

国外控制冷却技术的发展

2 0世纪6 0年代第一套层流冷却系统应用于英国布林斯奥思432 mm窄带钢热轧机，后来其应用只限于厚度为16 mm以下的板带。直至20世纪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，在日本福山厚板厂正式投产。随后，轧后控制冷却的基本理论研究在日本开展得非常迅速。

随着加速冷却装置应用过程中问题的不断出现，如冷却能力不足、上下表面冷却不均匀、头尾温度控制效果差及冷却速度控制精度不高等，加速冷却技术一直在不断进行完善和发展。先后开发采用喷射、水幕层流、柱状层流、气水喷射等喷流形式^[6-7]，同时采用头尾水量控制、遮蔽技术、板速控制技术等配套技术解决控冷中的相关问题。代表性的控冷技术包括：新日铁CLC技术，川崎制铁MACS技术，住友金属DAC技术，日本JFE–OLAC技术，曼海姆–MACOS技术，蒂森ISC强冷却技术，克莱西姆ADCO技术。表1为国外控冷技术特点及应用情况。

我国应用控制冷却技术现状

轧后控冷技术趋势

随着ACC系统的广泛应用，企业对轧后控冷技术提出了更高的要求，主要包括：(1)设备冷却能力；(2)钢板温度均匀性；(3)钢板的平直度；(4)冷却完终止温度精度控制；(5)较高的冷却速度精度控制。以钢板的平直度为例，图1为中厚板生产中通过控制冷却后常出现的板形。

为了解决冷却装置应用过程中出现的各种问题并满足企业更高的要求，轧后控冷技术应在如下几方面进行改进完善：(1)开发具有超快速冷却能力的装置；(2)为了保证钢板的温度均匀性及平直度，开发新的边部遮蔽控制模型及头尾避让模型；(3)开发新一代的终止温度精度及冷却速度控制模型；(4)开发组织、性能预报系统。

北京科技大学高效轧制国家工程研究中心已开发出新一代快速冷却SUPIC(Super IntensiveCooling)技术，具有比以前更高的冷却速率、更好的冷却均匀性、更高的控制精度等优点。目前此项技术已经在国内部分中厚板厂应用，使用效果较好，并将根据企业的需求进一步进行完善。

轧后控冷工艺

制定控冷工艺的依据

首先，应根据变形奥氏体组织状态、晶粒大小和变形奥氏体的连续冷却转变曲线，确定开冷温度、终冷温度及冷却速度，以保证获得所需要的组织状态。其次，选用的冷却器和水量、水压及流速要具有高效热交换能力，同时又需避免表面冷却过大而出现不希望的组织如表面淬火组织。第三，保证钢板冷却均匀，获得均匀的组织和较好的平直度。第四，适用范围较大，控制调节方便，以适应企业产品大纲的品种及规格。最后， 工艺设计时应考虑环保节能、节省水量。

主要控冷工艺参数制定

根据控制冷却设备调节和钢板的组织性能要求，进一步选择和设计控冷工艺参数。主要控冷工艺参数包括：开始冷却温度，冷却速度，各冷却器的水压及水量，控冷辊道速度及冷却时间，开启冷却器组数及组合方式，终冷(返红)温度。其中可控制调节参数包括：开冷温度(终轧温度)，水流密度(各冷却器流量)，上下冷却器水量比， 辊道速度(冷却时间)，冷却器开启模式(开启组数、开启方式)。

工艺目标参数包括：钢板的冷却速度，钢板终冷温度，钢板的平直度，钢板纵向、横向及长度方向温度均匀性，钢板的屈服强度、抗拉强度、延伸率及冲击功等性能参数。

以邯钢3 5 0 0 mm中板厂为例，主要工艺参数设计为：开冷温度范围700～900℃，返红温度范围500～750℃，冷却速率最大25℃/s(厚度20 mm钢板)，辊道速度范围0.5～2.0 m/s，上水量范围160～220 m3/h，下水量范围150～450 m3/h，开启模式包括连续开启、间隔开启及两端开启模式。

辅助控冷工艺参数制定

辅助的控冷工艺参数包括：水系统用水量，用水水温范围，用水水压大小，水泵功率扬程大小，供水管路的管径大小等。

轧后控冷设备构成

轧后控制冷却设备主要包括车间外高位水箱、车间内水量分配器、上下集管、前后气吹扫、侧喷装置及遮蔽机构，其他辅助设备还包括防溅板、钢结构支架平台、压缩空气装置及配套、水处理系统、给排水系统，图2为轧后控冷设备现场应用照片。

控冷辊道

精轧末道次轧制完毕后，钢板向控冷辊道输送；进入控冷前，控冷辊道、精轧延伸辊道及矫直前辊道控冷系统占用，并按照控冷速度执行；钢板出控冷区域后，控冷系统依次释放精轧延伸辊道、控冷辊道及矫直前辊道。针对部分头尾温差较大的钢板，控冷系统采用辊道微加速技术进行控制。

高位水箱及水量分配器

高位水箱位于车间外，保证出水稳压、稳流、稳量、排气，通过连接管路与车间内水量分配器相连接。分配器的主要作用是将高位水箱的冷却用水均匀分配到各组冷却集管。

上、下冷却器

由外水箱、入水管和冷却器组成。通过入水管上开孔的合理设计，可使冷却器全长上水压均匀，从而保证冷却器的水流均匀。通过改变冷却器的横向间距及管或孔尺寸可以得到中凸形的横向水量分布，并通过冷却器横向位置上的交叉配置，保证钢板横向冷却均匀性。

前后吹扫装置

将钢板表面的水吹扫干净，主要目的有两个：首先，防止残留水对钢板的不均匀冷却； 其次，保证冷却区入口、出口测温仪的测温精度。

侧喷装置

对称分布在控冷装置两侧，采用中压水作为介质，主要目的是通过打破膜沸腾，实现核沸腾而实现较好的钢板冷却效果。

轧后控冷自控系统

自动化系统网络配置

轧后自动化系统实现3级控制：0级(L0)包括传动系统及仪表；1级(L1)包括PLC(S7-400)、操作台、ET200M就地柜及相应的应用程序；2级(L2)主要包括控冷过程计算机(工业PC)及相应的应用程序，包括控冷数学模型。图3为自动化系统网络配置图。

L1级控制系统

L1 基础自动化主要包括电气设备、电气仪表、控制程序及HMI(人机交互画面)。主要电气设备包括PLC(可编程逻辑控制)控制柜、远程控制柜、操作台等，电气仪表包括高温计、金属检测器、水温计、水压计、流量计、电动调节阀、接近开关等。

控制程序主要实现如下功能：电气仪表信号过滤采集，钢板头尾位置跟踪， 辊道速度控制，集管流量控制，集管开闭控制，前后气吹扫开闭控制，侧喷开闭控制，钢板时序控制，与L2通讯等；具备手动、半自动及自动控制功能。

HMI界面主要功能是生产过程监视、工艺参数设定、工艺参数维护及故障异常报警。

L2级控制系统

L2过程自动化硬件组成主要包括工业控制计算机、服务器及数据交换机。软件组成主要包括操作系统、高级语言编程工具、自动化组态软件、控冷数学模型及控冷程序。

控冷数学模型包括预设定模型、返红温度预报模型、再设定模型、返红温度修正模型及自学习自适应模型。钢板进入控冷前，进行预设定模型及返红温度预报模型计算； 进入控冷测温后，进行模型再设定并进行模型修正；钢板冷却完成后进行模型自学习自适应。

轧后控冷的应用效果

通过轧后控冷系统的应用，国内钢厂开发出了Q460C、Q550D、X70、E40、DB685等钢种，大幅提高了钢板性能及一次性能合格率，为企业带来较好的经济效益。

以武钢2800 mm轧板厂轧后控制冷却系统为例，控冷系统上线使用后，在钢种成分和轧制工艺不变的情况下，部分品种的力学性能大幅提升，一次性能合格率提高。例如：(1)热轧状态的低合金普通容器板的屈服强度提高了35 MPa以上，抗拉强度提高了23 MPa以上。(2)低碳贝氏体钢DB685国内大多采用淬火+回火工艺生产，生产周期长，能耗高，武钢通过采用控冷工艺生产后，部分规格可以热轧状态交货，部分只需回火即可交货。一次性能合格率提高25%，屈服强度平均增加42 MPa，抗拉强度平均增加65 MPa，而且经过回火热处理后，轧后控冷钢板的屈服强度还可增加10～50 MPa。(3)厚25 mm的DB685钢板在其他生产条件相同时，采用“轧后控冷及控冷材经回火热处理工艺”替代“轧后空冷+回火(即控冷系统投产前的工艺)”后的钢板力学性能得到明显提高[8]。

结束语

轧后控制冷却技术已成为中厚板生产应用必不可少的一项技术，对于开发新的品种、提高产品质量的作用尤为突出。

温度精度及冷却速度控制为轧后控制冷却的难点，因此轧后控制冷却系统数学模型及其自学习自适应能力决定系统应用的效果。

应用轧后控制冷却技术，钢板的温度均匀性最终影响到钢板的板形平直度和力学性能的均匀性。提高冷却速率范围和冷却钢板的温度均匀性是控制冷却技术的发展趋势。

参考文献

[1] 李曼云，孙本荣.钢的控制轧制和控制冷却技术手册.北京:冶金工业出版社，1989

[2]　唐荻.新形式下对轧钢技术发展方向和钢材深加工的探讨.中国冶金，2004(8):14-21

[3]　翁宇庆.超细晶钢——钢的组织细化理论与控制技术.北京:冶金工业出版社，2003

[4] 陈 瑛.中厚钢板控轧控冷技术综述.宽厚板，2004，10(5):1-9

[5] 邓晓凝.中厚板轧后控冷技术研究.重型机械科技，2005(3): 20-23

[6]　张辉宜，王小林，冯建晖，等.控制冷却技术在中板生产中的应用.钢铁研究学， 2004，16(2):67-71

[7]　三塚正志，福田敬尔.高温鋼材水冷时の冷却能力に及ぼす水温の影響.鉄と， 1989，75(7):86-93

[8] 詹胜利，张华，黄松.中厚板轧后控冷系统及其应用.轧钢，2005，22(4):33-35