CN100465303C - 用于对钢带进行冷却的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却装置，冷却装置，其用于在对金属带(2)形式的扁平制品执行连续退火处理的过程中完成淬火操作，其中的金属带优选为钢带，所述装置：被定位在基本上垂直的、上升或下降的通路上；包括一溢流堰(4)，多个管道(1)被完全浸入到该溢流堰中，这些管道基本垂直地、且沿着所述金属带(2)在其两侧对称地堆叠着，并且各条管道将冷却流体以基本水平的湍动射流的形式经一狭缝或多个孔洞喷射到金属带上；以及在其下部还设置有一密封部件(3)；其特征在于：位于所述金属带(2)同一侧的任意两相邻管道(1)都被分开一间隙(B)，该间隙对于所有的管道(1)都是相同的，所述间隙(B)被选定为使冷却流体具有给定的比流量值，该比流量值被表达为金属带表面每平方米内、每小时的立方米数，以此来减小与所述间隙(B)对应的排出通道的负载损失。

Description

用于对钢带进行冷却的方法和装置

技术领域

[01]本发明涉及一种装置，其用于在采用连续退火方法的条件下对钢带进行冷却。尤其是，该冷却操作是借助于暗潜的水射流完成的。可以在一第一冷却操作之后执行该冷却操作，其中的第一冷却操作是在沸水槽中进行的。

背景技术

[02]连续退火是一种热化学处理，在对钢带执行冷轧加工之后实施该处理。金属“带”是指这样的金属制品:当其被切割开时可形成金属薄板，这些金属薄板尤其被用来制造汽车的车体、家用电气设备的构架等。

[03]连续退火的方法在于:使钢带穿过一热处理炉，在炉中，钢带经受可控的加热和冷却。在连续退火炉中，钢带沿着一系列顺次上升和下降的通路垂直移动，因而，其可依次经过多个处理阶段。

[04]在炉中对钢带的处理一般包括如下几个相继的热处理阶段:

[05]-预加热及加热:在2到3分钟内，钢带的温度达到700℃到850℃之间；

[06]-在最高温度上保持约1分钟；

[07]-缓慢冷却，例如用沸水进行冷却；

[08]-快速冷却(所谓的“淬火”)，例如通过将液态水喷洒到钢带上来进行快速冷却，其中，此时钢带所处温度可以与水的沸点一样高；

[09]-过时效处理；

[10]-最后的冷却。

[11]需要利用这些不同的步骤来对钢材执行所希望的处理—即再结晶处理、碳化物析出处理、获得最终的结构或者甚至获得无时效的钢材等。

[12]特别是，在近些年来，尤其汽车行业对薄钢板的需求大增，其中的薄钢板同时具备改善的阻抗性能和可成形性能。

[13]在此条件下，冷却阶段具有至关重要的作用，原因在于:在某些情况下，冷却阶段能减小实现特定微观结构所需的昂贵合金元素的含量，其中的微观结构例如是“双相”、多相、“HEL”(高的弹性极限)等类型。因而，冷却方法对应着冶金学方面的事项和经济上的考虑，而这些因素并不是无关紧要的。

[14]工业中应用的主要冷却技术是:

[15]-用气体射流进行冷却；

[16]-浸入到水槽中，可能的话还进行“搅动”；

[17]-通过行经已被冷却的辊体而进行冷却；

[18]-利用水的射流进行冷却；

[19]-利用水雾进行冷却，其中的水雾是通过使用超声速气体进行雾化而形成的，这种技术被称为“雾化射流”。

[20]在过去，申请人已经开发了一种冷却方法，该方法在于:将钢带浸入到接近沸点的水槽中。尽管该方法具有如下的特征:不论生产线的状况如何，冷却效果都特别均匀、且具有恒定的传热系数，但该方法也存在一些局限。

[21]首先，所能达到的冷却率相对较低，也就是说，对于1mm厚的钢带，冷却率约为50℃/s。该局限性归因于这样的事实:当钢带被以高温状态浸入到沸水的水槽中时，在靠近其表面的位置处会形成一层稳定的蒸汽膜，此种状况被称为“薄膜状沸腾”，这会显著限制热交换。至于“薄膜状沸腾”一词，其意味着由于产生了高温沸腾而在高热的壁面与流体之间出现了蒸气薄膜，其中的流体或者是液体、或者是液体与蒸气的二相化合物，薄膜的存在导致壁面与流体之间的传热性差。

[22]其次，钢带在退出沸水槽时其温度必须要维持在高于约300℃的水平上。如果钢带的温度于该数值，则蒸气薄膜就会变得不稳定，并转为所谓“成核”沸腾的状态。在后一种状态下，钢带附近的各个区域具有不同的传热流量，这会带来很大的温差。这些温度梯度会使钢中产生机械约束作用，该作用具有造成塑性变形的风险，而塑性变形是永久性的，且将带来平直度方面的缺陷。

[23]人们已提出了一些方案来克服这些缺陷。例如可将钢带浸入到冷水的静流槽中。但这种方案也会导致在平直度方面的外观缺陷。

[24]人们还提出了其它一些方案，这些方案在于借助于暗潜的射流对钢带进行冷却，以防止在钢带的附近形成局部沸腾区。在这种冷却系统之前可以或不进行“气体射流冷却”型的缓慢冷却操作、或浸入到静流水槽中的操作。

[25]因而，在第JP-A-58 039 210号日本专利申请中，首先将钢带在温度高于60℃的水槽中进行冷却，直到钢带的温度达到200℃到500℃之间为止，也就是说，到达使薄膜沸腾与成核沸腾发生转换的温度区间为止。因而，推荐在即将出现转换之前或之后利用暗潜的水射流对钢带进行冷却，直到钢带达到水槽的温度为止。

[26]一种类似的方案(见文件JP-A-60 009 834)采用了一组冷却喷洒管(rampes)，它们被布置在钢带的两侧，并浸入到水罐中，水罐中水的温度在其沸点的60％到75％之间。对于给定结构的喷射喷洒管，形成了层流，这一效果能防止在钢带的附近形成蒸气薄膜。

[27]另一方案还在于，使水在两平行的平板之间且相对于所述钢带的行进方向的逆流方向循环(EP-A-210847，JP-A-63145722，JP-A-62238334)。

[28]另一文件提出了这样的方案:利用射流的冲击压力来抑止淬火过程中钢带的变形(参见文件JP-A-11 193418)。该文件的申请人推荐向钢带的两侧施加至少为500N/cm²的压力。

[29]最后，还可利用淬火槽中的添加剂来对冷却进行控制，以此方式来防止发生沸腾，进而限制淬火过程中钢带内部约束作用的程度(JP-A-57085923)。

[30]尽管目前已经提出了多种接近方案，但迄今为止，如何在利用液体装置执行快速冷却时获得高的热学性能且同时在冷却后具有良好平直度仍然是一个很大的挑战。

[31]专利文件EP-A-1 300 478描述了用于在连续退火处理的条件下对钢带进行连续冷却的方法，在该方法中，钢带至少经受如下的操作:

[32]-钢带经过“沸水”型的第一“缓慢”冷却操作以及水的第二“快速”冷却操作或淬火；

[33]-在两次冷却操作之间，使钢带行经一锁定或密封部件，以确保第一缓慢冷却与第二快速冷却之间的过渡是受控的，其中的转变过程优选地是针对于压力和温度而言的，同时，还抑止或减少了在从第一冷却操作到第二冷却操作的方向或反向上的水泄漏；

[34]可按照一定的方式来设计这三个操作步骤的依次进行，以使得任意两顺次操作步骤之间的时间都尽可能地短，优选地是等于零。

发明内容

[35]本发明致力于提出一种“淬火”操作，典型地具有高于1000℃/s的速度，该操作可被应用到冷轧带形式的扁平金属制品上，该金属制品优选地是由钢制成的。

[36]该淬火操作必须借助于冷水的射流来完成，所述冷水的温度优选地是处于0℃到50℃之间，所述射流是暗潜的。

[37]本发明致力于实现这样的目的:通过控制装置中的流动，确保钢带的整个宽度范围内尽可能地实现均匀的高功率冷却状况。

[38]因而，钢带在进入到装置中时的温度必须要在750℃到350℃之间，且在从装置中退出时其温度必须优选地是在0℃到150℃之间。

[39]本发明的一个目的涉及一种基础性的冷却装置，其用于在对金属带——优选为钢带形式的扁平制品执行连续退火处理的过程中完成淬火操作，所述装置被定位在基本上垂直的、上升或下降的通路上，该装置包括一溢流堰，一组管道被完全浸入到该溢流堰中，且这些管道在垂直方向上或多或少地堆叠着，且沿着钢带的两侧对称地分布着，各条管道将一冷却流体以紊流的形式经一狭缝或多个孔洞喷射到金属带上，其中的紊流或多或少处于水平方向上。该装置的下部还设置有一个密封部件。

[40]根据本发明，为了排出冷却流体，位于金属带同一侧的任意两相邻管道都被分开一定的间隙，该间隙对于所有的管道都是相同的。然后，所述间隙被选定为对冷却流体具有一定的比流量水平——该数值被表达为立方米/小时/金属带表面的平方米，以便于减小与所述间隙对应的排出通道的负载损失(各个间隙的负载损失与总负载损失是相同的)。

[41]根据本发明一优选实施方式，位于管道后方的溢流堰壁面的宽度至少等于管道的宽度，且该壁面相对于管道背面的水平距离被选定为这样:使得由溢流堰造成的负载损失小于由两相邻管道之间间隙造成的负载损失的5％，从而可以是忽略不计的。因而，流动是二维的。

[42]有利地是，本发明通过将金属带表面上冷却流体的比流量选定在250-1000m³/小时/m²之间可防止出现局部沸腾的现象。在由申请人测试的一种装置实例中，每个表面的最大比流量约为580m³/小时/m²。

[43]优选地是，由间隙造成的负载损失小于150mm水柱高。

[44]作为另一项优点，各管道端部与金属带之间的距离对于所有管道都是相同的，并在50mm到200mm之间。

[45]此外，根据本发明，喷射速度(V_JET)分别满足如下的判别式:

[46]-对于孔洞:

$V_{\mathrm{JET}}\≥\mathrm{0,1}\frac{A}{d}$

[47]-对于狭缝:

$V_{\mathrm{JET}}\≥\mathrm{0,25}{\left(\frac{A}{d}\right)}^{\frac{1}{2}}$

[48]式中，A代表管道与金属带之间的距离，d代表孔洞的直径或狭缝的厚度。A和d采用相同的长度单位，例如以米为单位。系数是无量纲的。V_JET的单位是m/s。

[49]这两个判别式是从紊流理论得出的，它们表示出了紊流最大速度在速度为0的环境中的衰减。基于2.5m/s的最小速度计算出上述判别式。在A＝50mm(金属带相对于射流孔隙的位置)的条件下，射流的最大速度为0.65m/s。因而，速度0.65m/s被当作射流到达金属带时的最小速度，以此来破坏薄膜沸腾层。

[50]优选地是，冷却流体是液态水，其温度被保持为低于50℃。

[51]优选地是，装置被布置在基本上垂直(相对于垂直方向的角差小于30°)的上升通路上，且其前方与一水罐直接相邻，该水罐中的水或多或少地被置于沸点。

[52]本发明还利于被应用到这样的机组设备中:该设备中待处理的金属制品的行进速度在0.25m/s与20m/s之间，且厚度在0.1mm到10mm之间。

[53]本发明一项重要的特征在于如下的事实:冷却管道的尺寸被设计成使得冷却流体的喷射速度在金属带的整个宽度范围内是均匀的。

[54]优选地是，管道的尺寸被设计成使得速度的分布是这样的:沿下部管道宽度的最大喷射速度(V_max)与最小喷射速度(V_min)的相对差小于5％，或者为下式:

$\frac{V_{\max }-V_{\min }}{V_{\max }}\≤\mathrm{0,05}$

[55]管道通流截面与管道自由喷射截面(即狭缝的面积或孔洞总面积)之间的比值大于1。

[56]根据本发明一优选的实施方式，所述管道的横截面为矩形。该矩形截面一边与相邻边的比值优选地是在0.1到10之间，且管道的厚度是孔洞直径或狭缝厚度的0.25-10倍，以此来控制射流的粘附性，此外，管道厚度与孔洞直径的比值优选地是等于2/3。

[57]根据本发明的另一个有利特征，上述的密封部件包括一带有两对辊体的锁定件，其既能允许金属带的通过，也能使所产生的负载损失将从溢流堰向下的泄漏限制为最小值。

[58]另外，根据本发明，该密封部件还包括用于将流体以可控的压力和/或温度从辊体之间注入的装置。

[59]作为一个优点，上部管道上设置有一个坝体，其高度至少等于溢流堰中水层的厚度与负载损失水柱高的总和，其中的负载损失水柱高对应于管道之间最大流量时的负载损失。

[60]本发明的第二个目的涉及一种淬火方法，其被应用在对金属带——优选为钢带形式的扁平制品执行连续退火的过程中，该方法应用了根据上述任一实施方式所述的装置，以使冷却的比功率达到金属制品的每个表面为1000-10000kW/m²。

[61]根据本发明的方法，金属带在进入到装置中时的温度在350℃到750℃之间，且在退出时的温度在50℃到450℃之间，优选地是位于50℃与100℃之间，或位于350℃与450℃之间。

附图说明

[62]图1示意性地表示了根据本发明的冷却装置的剖面结构；

[63]图2示意性地表示了本发明装置中的、用于向钢带喷洒水的孔洞的布局；

[64]图3中的图线表示了根据本发明的冷却装置的热性能；

[65]图4表示了所述装置在钢带平直度方面的性能；

[66]图5和图6表示了冷却的均匀性对钢带机械性能均匀性的影响。图5涉及的是“两相”族系钢材的情况，而图6涉及的是多相族系钢材的情况；

[67]图7示意性地表示了试样的不同部分，将这些部分作为钢带宽度的函数，以执行与图5和6所示图线相关的试验；

[68]图8表示出了能计算出平直度系数的参数，这些参数定义了与钢带纵向轮廓拼接拟合的正弦曲线。

具体实施方式

[69]如图1所示，冷却装置包括一组管道1，它们被称为“喷洒管”或“冷却喷洒管”，这些管道被对称地布置在待冷却钢带的两侧。这些喷洒管被浸入到冷却流体中，并在横向上被供给冷却流体。它们的截面优选地是矩形的。在对本发明作进一步描述的过程中，词语“管道”和“喷洒管”的使用是没有区别的。

[70]借助于一密封系统实现了将喷洒管浸入到流体中，该密封系统位于装置的下部，其既允许钢带2通过，又能形成最大的负载损失，以将冷却流体向壳体底部的泄漏限制为最小。在当前的申请中，该密封系统包括两对辊体3，它们抵压着钢带，并相对于钢带对称地定位。在辊体之间，以可控的压力和/或温度注入流体。

[71]冷却流体优选为水。冷却喷洒管被布置成相距钢带2穿行线的距离为A。首先是基于体积方面的原因，其次是为了限制系统中的总流量，对于同等的性能，将钢带与冷却喷洒管之间的最大距离设定为200mm。

[72]在两相邻喷洒管之间留有间隔B，以使得由喷洒管注入的水可从它们之间排出。这样就能确保流体的流动依赖于钢带的宽度而尽可能地均匀。距离B的选择值来源于对如下多方面因素的折衷考虑:最大的比冷却功率P，该比功率被定义为待冷却钢带每侧表面上单位表面积内的冷却功率；以及流经排出通道的最小负载损失，以此来确保钢带附近的冷却流体能被足够迅速地替代，由此可防止在金属带的附近形成局部沸腾区。距离B被选择为:对于所有的喷洒管，两对相邻喷洒管之间的距离是相同的，从而可确保各个喷射喷洒管前方的流动状况是相同的。因而，这样就能使流动在垂直方向上成为均匀的。按照这种方式，由某个给定喷洒管注入的冷却流体被紧邻该喷洒管的通道排出。这能防止形成特殊的流路，并能减少冷却流体在钢带周围所停留的时间，这仍然是为了防止在局部形成沸腾区。

[73]如图2所示，每个冷却喷洒管1敞露向钢带的表面上都设置有至少一个狭缝或一组孔洞，狭缝或孔洞用于将冷却流体喷射到钢带上。两相邻孔洞之间的距离必须为这样:使得紧邻钢带的流动可与狭缝中的流动相匹配。流体的喷射速度必须要足以防止在钢带的附近形成沸腾区。该喷射速度被选择成为相对于钢带的距离A的函数，其通常在0到10m/s之间。

[74]在排出通道的下游位置，冷却装置或壳体包括一溢流堰4，该溢流堰在壳体的整个宽度范围内，且其高度对应于最后一个喷洒管的射流高度，这就确保了在所有的工作条件下，最后一个喷洒管都能与其它喷洒管同等程度地浸入到流体中。

[75]为了确保各个喷洒管前方的流动状况是相同的，采用了如下措施:

[76]-上部冷却的喷洒管的上方设置有一坝体5，该坝体的高度至少等于溢流堰中水层的高度H与负载损失水柱高ΔH的总和，其中的负载损失水柱高对应于最大流量Q_max时流经排出通道的负载损失ΔP；

[77]-在最后一个喷洒管的下方设置了排出通道。

[78]这样，当系统工作时，在喷洒管的前表面或钢带侧与背面或溢流堰侧之间存在水位差。该差值等于给定流量条件下两喷洒管之间负载损失所对应的水柱高。

[79]利用热平衡方法，在工业条件下测量图3所示装置的冷却性能，该测量是基于如下的数值进行的:钢带在进入和退出装置时的温度；冷却截面的长度；以及钢带穿过装置时的行进速度。图3表示出了比冷却功率，其量纲为钢带每个表面的kW/m²，从图可见，该比功率是比流量的线性函数，其中，比流量的量纲是两表面的面积被加到一起后的每小时、每平方米的立方数。在此处所讨论的条件下，金属制品每个表面的比冷却功率在4000到6000kW/m²之间。

[80]图4表示了装置在钢带平直度方面的性能。图形表示出了冷却的均匀性，进而表示出了装置中对流动的控制。此处，对平直度的确定涉及的是钢带的长边缘。图中的每个点都代表装置的一个工作点，这些点是在一系列工业试验中、由给定时刻的相关比冷却功率定义的。单位为“I”的平直度系数与各个工作点关联起来。一个“I”单位对应于每100m长的钢带产生1mm的相对伸长。

[81]在存在“长边缘”型缺陷的情况下，钢带边缘的纵向轮廓可以类同于正弦曲线，该曲线的波长为L，幅度为X。基于对L和X的测量结果(见图8)，借助于如下的关系式计算出平直度系数:

$\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}\·{10}^5\left[I\right]={\left(\frac{X\left[\mathrm{mm}\right]}{2\·L\left[m\right]}\right)}^2$

[82]图4表示出了两个基准阈值—120个“I”单位和240个“I”单位，它们对应于两条电镀锌生产线所允许的平直度误差容限。从图可见，大部分工作点位于由更为明确的直线所划定的阈值之下。

[83]图5和图6表示了冷却的均匀性对机械性能均匀度的影响。图5与“两相”族系的钢材相关。图6涉及的是多相(铁素体、马氏体、贝氏体、珠光体)族系的钢材。在这两种情况下，都是利用牵引试验来确定机械特性的。按照图7所示的模型，在板材宽度方向的不同位置上进行采样，其中的各个位置为:

[84]1)末端边缘，

[85]2)边缘，

[86]3)四分之一处，

[87]4)中心处，

[88]5)中心处，

[89]6)四分之一处，

[90]7)边缘，

[91]8)末端边缘。

[92]图5和图6分别表示出了破断点载荷、弹性限度(只表示在图6中)、以及80％破断点载荷时的伸长量。从这些结果可以得出结论:机械特性沿金属带的宽度方向具有良好的均匀性。

Claims (13)

1.冷却装置，其用于在对金属带(2)形式的扁平制品执行连续退火处理的过程中完成淬火操作，所述装置：

-被定位在基本上垂直的、上升或下降的通路上；

-包括一溢流堰(4)，多个管道被完全浸入到该溢流堰中，这些管道基本垂直地、且沿着所述金属带(2)在其两侧对称地堆叠着，并且各条管道将冷却流体以基本水平的湍动射流的形式经一狭缝或多个孔洞喷射到所述金属带上；以及

-在其下部还设置有一密封部件(3)；

其特征在于：位于所述金属带(2)同一侧的任意两相邻管道(1)都被分开一间隙(B)，该间隙对于所有的管道(1)都是相同的，所述间隙被选定为使冷却流体具有给定的比流量值，该比流量值被表达为金属带表面每平方米内、每小时的立方米数，以此来减小与所述间隙(B)对应的排出通道的负载损失。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：位于所述管道(1)后方的溢流堰(4)壁面的宽度至少等于所述管道(1)的宽度，且该壁面相对于所述管道(1)背面的水平距离被选定为这样：使得由所述溢流堰(4)造成的负载损失小于由两相邻管道(1)之间间隙(B)造成的负载损失的5％。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述冷却流体的比流量为对于所述金属带的每一表面在每小时每平方米250m³至1000m³之间。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：由所述间隙(B)造成的负载损失小于150mm水柱高。

5.根据上述权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：各管道(1)端部与所述金属带(2)之间的距离(A)对于所有管道都是相同的，并在20mm到200mm之间。

6.根据上述权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述管道(1)的截面是矩形的。

7.根据上述权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述密封部件(3)包括一带有两对辊体的锁定件，其既能允许所述金属带(2)通过，也能产生一负载损失，该负载损失按一最小值限制从所述溢流堰(4)向下的泄漏，所述密封部件还包括用于将流体以可控的压力和/或温度从所述对辊体之间注入的装置。

8.根据上述权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于：所述管道(1)配设有一坝体(5)，其高度至少等于溢流堰中水层的厚度(H)与负载损失水柱高(ΔH)的总和，其中的负载损失水柱高对应于管道之间最大流量时的负载损失。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述金属带为钢带。

10.淬火方法，其被应用在对金属带形式的扁平制品执行连续退火的过程中，该方法应用根据上述权利要求1至9中任一项所述的装置，以使冷却的比功率达到金属制品的每个表面为1000-10000Kw/m²。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述金属带为钢带。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：金属带在装置的入口处的温度在350℃到750℃之间，且在出口处的温度在50℃到450℃之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：金属带在出口处的温度位于50℃与100℃之间，或位于350℃与450℃之间。

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