带钢热连轧机组轧后控制冷却系统的配置及发展历史
15材控1班 20150603145
摘要：热轧带钢的卷取温度是影响热轧带钢性能的关键因素之一，而热轧带钢的实际卷取温度是否能控制在要求的范围内，则主要取决于对精轧机后带钢冷却系统的控制。
本文讲述了带钢热连轧轧后控制冷却系统的配置及发展历史。
关键词：控制冷却系统；层流冷却；发展历史
20世纪60年代以来所建的热轧带钢生产线，绝大部分已采用层流冷却方式冷却带钢。
层流冷却装置主要由上集管、下集管、侧喷、控制阀、供水系统及检测仪表和控制系统等组成。
层流冷却的水流为层流，其具有水压稳定，上、下表面冷却均匀，可控性好，故障率低，设备易于维护等优点，非常适合热轧带钢生产的要求。
对于热轧带钢而言，理论和实践都证明层流冷却的综合效果相对最佳。
一、层流冷却装置
层流冷却的基本工作原理以大量虹吸管从水中吸出冷却水，在低压力情况下流向带钢，使带钢表面上覆盖一层最佳厚度的水量，利用热交换原理使带钢冷却到卷取温度所采用的具体方式是:使低压力、大水量的冷却水平稳地流向带钢表面。
冲破热带钢表面的蒸汽膜，随后紧紧地贴附在带钢表面而不飞溅。
这些柱状水流接触带钢表面后有一定的方向性，当冷却水吸收一定热量而随带钢前进一段距离后，侧喷嘴喷出的高压水使冷却水不断更新，从而带走大量的热量，上集管的控制方式分为U形管有阀控制和直管无阀控制。
两种控制方式都能满足控制要求，主要区别在于冷却水的开闭速度、结构和投资不同。
U形管有阀控制冷却水的开闭速度比直管无阀控制冷却水的开闭速度慢，但其结构简单、投资少，所以U形管有阀控制应用较广。
图1层流冷却区设备布置
层流冷却用水特点是水压低、流量大、水压稳定、水流为层流，因此供水系统应根据层流冷却的特点来配置。
常用的层流冷却供水系统配置方式有:泵+机旁
水箱、泵+高位水箱+机旁水箱、泵+减压阀。
泵+机旁水箱的供水系统，通过水箱稳定水压和调节水量，系统配置简单，节能效果明显。
泵+高位水箱+机旁水箱的供水系统，通过高位水箱调节水量，机旁水箱稳压，水量不能调节，系统配置简单，但不节能。
层流冷却系统依据带钢钢种、规格、温度速度等工艺参数的变化，对冷却的物理模型进行预设定，并对适应模型更新，从而控制冷却集管的开闭，调节冷却水量，实现带钢冷却温度的精确控制通常层流冷却装置分为主冷区和精冷区。
典型的冷都方式有:前段冷却、后段冷却、均匀冷却和两段冷却。
其中，前段冷却主要对应于显微组织以铁素体和珠光体为主的普碳钢和优质合金钢;后段冷却主要对应于显微组织以铁素体和员氏体为主的双相钢;当产品在不同的冷却温度段需要不同的冷却强度和产品需要较为均匀的冷却强度时，采用均匀冷却和两段冷却方式。
层流冷却装置是热轧带钢生产的关键设备，其作用是为了获得合适的带钢卷取温度和控制带钢最终的力学性能。
层流冷却的能力、冷却强度、冷却速度、终冷温度的控制精度都直接影响到最终产品的质量和性能。
现代热轧带钢生产线基本上都采用由最后一架精轧机出口和卷取机入口之间的层流冷却装置（冷却区总长度约100m）来进行卷取温度控制。
因为层流冷却具有冷却能力强、冷却均匀、可控性好及设备易于维护等优点，已经成为热轧生产线上不可缺少的重要工艺环节。
图二层流冷却模型控制系统
二、国际带钢热连轧轧后控制冷却系统的发展
为了满足控制冷却的需求，荷兰Hoogovens-UGB厂开发出世界上第1套超快速冷却实验设备。
该设备冷却区段总长1.4m，由3组集管组成，冷却水量1000m3/h。
冷却效率高、效果好，水流密度60～70l/m2·s，1.5mm厚带钢冷却速度可达900℃/s。
20世纪80年代，为满足钢种开发需求，日本在工业化大生产过程中提出了OLAC(On-LineAcceleratedCooling)控冷方式，且日本JFE公司最先将该技术成功应用于厚板生产。
20世纪90年代初期,比利时CRM研究所开发出超快速冷却(UFC，ultrafastcooling)装置，在CRM中厚板厂应用成功。
水流密度60～70l/m2·s时，6.3mm厚带钢冷却速度可达250~500℃/s。
此后在世界范围内掀起超快速冷却技术的研发热潮。
至20世纪90年代中期，日本JFE公司在新产品带钢对轧后冷却速度要求越来越快的形势下开发出超级加速冷却Super-OLAC技术并成功应用于热带钢生产，3mm厚带钢冷却速度可达700℃/s。
超快速冷却研究在国内的起步较晚，与国外相比还存在一定差距。
近些年来，超快速冷却在国内的研发力度越来越大且已初见成效。
北京科技大学开发的快速冷却系统在武钢和舞钢的现场使用取得了良好效果，其局限性在于所采用的还是层流冷却原理；东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)开发的高冷速系统，与国外同类设备冷却效果相当，直径20mm棒材的冷却速度已达到200℃/s。
三、我国带钢热连轧轧后控制冷却系统的发展
20世纪70年代来，武钢1700mm热连轧机组引进了层流冷却技术，之后我国建设的常规热连轧和薄板坏连铸连轧生产线，大多采用了层流冷却装置作为带钢的轧后冷却控制手段。
常规层流冷却装置由粗调和精调冷却段构成，每组冷却段的水量相等:每组精调段上集管的数量是粗调段的2倍，而每根集管水量是粗调段的1/2,以此提高精调段的冷却精度。
规层流冷却装置可满足大部分钢种的生产需求，但其相对较小的冷却速率和较少的冷却策略，给开发厚规格管线钢(如X80等)和部分高强钢种带来了较大难度。
2005年以后，我国新建的部分热轧带钢生产线采用了加强型层流冷却ILC(IntensiveLaminarCooling)工艺或超快冷UFC(UltraFastCooling)工艺，配合LC构成新型的带钢冷却装置，如宝钢1800mm生产线采用了LC+ILC的模式，马钢CSP线采用了UFC+IC的模式，本钢2300mm生产线采用了LC+UFC的模式。
四、快速冷却装置形式
快速冷却装置形式很多，我国近年新建的中厚板厂主要使用的冷却装置有:(雾冷却系统(ADCO)、超快速冷却(VAI&CRM的MULPIC冷却系统、日本JFE的Super-OLAc系统、我国东北大学RAL开发的超快冷UFC系统等)、新型的ACC冷却系统、高密度管状层流冷却系统(国内开发)等形式。
(1)气雾冷却系统具备加速冷却和直接淬火功能，其水量可以在10:1~12:1范
围内调节，在加速冷却模式下，最大冷却速度达到15℃/s(30mm厚钢板，800~500C);在直接淬火模式下，最大冷却速度达到27℃/s(30mm厚钢800~500C)。
国内采用气雾冷却系统的有酒钢中厚板厂，国外采用的也为数不多。
该系统冷却能力较大、冷却均匀，但是设备高大、噪声也大，设备检修比较困难。
(2)MULPIC冷却系统也具备加速冷却和直接淬火功能，其水量可以在10:1~20:1大范围内调节，并且采用0.5MPa的高压水，冷却能力比气雾冷却系统大。
在加速冷却模式下，最大冷却速度达到20℃/s(30mm厚钢板，500~800℃);在直接淬火模式下，最大冷却速度达到25℃/s(30mm厚钢板，800~100℃)。
国内采用MULPIC冷却系统的有沙钢5000mm厚板厂、莱钢4300mm厚板厂和舞钢4100mm 厚板轧机，迪林根厚板厂、韩国浦项NO.2和NO.3厚板轧机后来改造的水冷装置也采用了此系统。
该系统冷却能力强大，但由于喷嘴数量多、水系统净化要求高，维护检修相对比较麻烦。
(3)新型的ACC冷却系统和传统热连轧使用的层流冷却系统有所不同，由高压喷射段(0.5MPa)和U形管的层流冷却系统组成。
使用的喷水量在3:1~4:1范围内调节，在加速冷却模式下最大冷却速度达到15℃/s(30mm厚钢板，800~500C℃)，在直接淬火模式下最大冷却速度达到25℃/s(30mm厚钢板，800~500℃)。
国内主要有宝钢和鞍钢5000mm宽厚板轧机、宝钢罗泾厚板厂和首钢4300mm厚板轧机等采用。
该系统分区组成建设灵活，投资可分期投入，并且设备检修简单、易于维护。
(4)高密度管状层流冷却系统是我国最近几年自行开发的冷却系统，在传统的层流冷却系统的基础上，加大U形管的密度以提高水量。
其水量的调节范围比传统的层流冷却要大，目前主要被我国已有的一些巾厚板轧机采用，新建的宽厚板轧机采用较少。
五、UFC装置的应用实例
控轧控冷是钢铁业发展史上的一个突破，特别是控冷工艺克服了轧制工艺的局限性，实现了钢铁加工制造技术的突进，超快速冷却技术就是其中最新的成就，超快冷技术成功应用于热轧带材生产线意义重大。
国外热轧带钢生产线上UFC技术的应用比较广泛，国内某厂薄板坯连铸连轧(CSP)生产线也采用了该技术（引进德国西马克-德马格公司），包钢、攀钢、涟钢等在部分生产线上也采用了UFC技术。
包钢CSP生产线在层流冷却出口与卷取机入口之间布置了超快速冷却装置，此装置是由东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)开发的国内首台套，成功生产出550、600MPa级双相钢。
攀钢
1450mm热连轧生产线在末架精轧机出口布置了超快速冷却装置，成功生产出Q235、Q345升级钢种和部分高强钢。
涟钢2250mm热连轧生产线采用“倾斜式超快速冷却+ACC”混合控制冷却方式，成功生产出碳锰钢、HSLA钢、高强钢和管线钢等。
比利时CRM厂在末架精轧机出口和层流冷却入口之间布置了超快速冷却装置，对化学成分含量几乎相同的带钢采用不同的冷却方式进行控制冷却实验，证明超快速冷却与常规层流冷却工艺相比可显著提高带钢屈服强度和极限抗拉强度
图三UFC装置在热轧带钢生产线上的布置位置
超快速冷却系统具有以下优点：
（1）提高产量、降低成本。
某些产品可以不必采用“低温大压下”轧制，只需在正常轧制温度下连续大变形轧制即可生产，这样可以降低轧制负荷、减少设备投资，避免轧钢事故（卡钢、堆钢等），延长轧辊、导卫等设备使用寿命。
（2）实现柔性化的轧制生产。
通过控制超快速冷却系统，可对热轧带钢进行冷却路径控制，得到需要的相变组织和材料性能。
改善热轧带钢的强度、塑性、韧性等综合性能。
（3）产品具有良好的机械性能。
采用超快速冷却系统可以避开过渡沸腾区，实现带钢全表面均匀、快速核沸腾冷却，带钢内部温度均匀，减少残余应力。
（4）产品具有良好的焊接性能。
采用超快速冷却系统，可以在降低带钢合金元素含量的同时而不降低带钢物理和机械性能，成品带钢碳当量低，裂纹敏感性也就低。
可以减少焊接过程中的预热过程或者降低预热温度，节约能源。
参考文献
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