CN105618492A - 一种用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，属金属轧制领域。其利用钢板在轧制后的轧制余热，通过在热矫直机和冷床之间安装紧凑型上、下全斜喷式快速冷却装置，在线对钢板进行固溶处理，实现了钢板的均匀冷却和冷却过程的全自动精确控制。该快速冷却系统投资少，冷却装置紧凑节能，冷却速率高，可进行控制冷却的钢板的厚度规格范围大，自动控制精度高，冷却后板形良好，可节省离线热处理二次加热的碳排放和大量能耗。可广泛用于钢板轧制后的冷却工艺及生产控制领域。

Description

一种用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统

技术领域

本发明属于金属的轧制领域，尤其涉及一种用于钢板轧制后的冷却系统。

背景技术

固溶热处理，是指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。其主要是改善钢和合金的塑性和韧性，为沉淀硬化处理作好准备等；可以使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工或成型。适用于多种特殊钢，尤其是高锰钢和奥氏体不锈钢。

对于过饱和度低的合金，通常选择较快的冷却速度；对于过饱和度高的合金，通常选择较慢的冷却速度。

钢板的传统固溶热处理，是采用与轧机分开的热处理设备进行离线热处理，需要再加热后进行快速冷却。这种生产工艺不仅增加了设备投资，而且工序繁多，生产周期长，导致钢材成本增加，满足不了大批量的快节奏生产，极大地制约了经济效益的提高。

而在线固溶处理，则是利用钢材热轧后的余热，控制钢材轧制后的冷却速度，使温度变化过程更接近离线热处理的温降过程，达到相同或相近的钢材组织和性能，其冷却过程一般也称为钢板在线控制冷却或直接淬火。其特点如下：

(1)由于钢板经精轧机轧制后直接进入在线热处理设备，省去了常规工艺所需的钢板重新加热过程，可以节省大量能源；

(2)由于省去了重新加热工序故减少了热处理工艺时间，相应提高了热处理设备能力，同时由于热处理设备为在线布置，也减少了钢板传输时间；

(3)由于省去钢板冷却后重新加热过程,故减少了合金元素引起的硬化现象；

(4)保留了控制轧制过程中细小的再结晶晶粒和大量变形位错，较离线热处理晶粒更为细小均匀，力学性能更为优异。

钢板在线控制冷却及淬火是上世纪80年代以来发展迅速的一项冷却技术。它是通过在线控制相变组织，细化组织以及其他强化机理相结合，降低合金含量，提高材料的强韧性及焊接性能，从而实现减量化制造、节约有限资源和节能减排的目标。但由于存在钢板冷却均匀性和板形控制等问题，其潜在能力一直未得到充分发挥。为此，国内外许多学者和钢铁厂研发人员进行了大量的实验和应用研究，一些新技术相继应用到新型高强度冷却设备上。

例如：授权公告日为：2011年10月05日，授权公告号为：CN101500721B的中国发明专利中，公开了一种“钢板的控制冷却装置以及冷却方法”；授权公告日为：2011年09月14日，授权公告号为：CN101557886B的中国发明专利中，公开了一种“热钢板的冷却装置和冷却方法”；在上述技术方案中，提供了一种可连续地进行大范围的冷却能力控制的廉价的热钢板的冷却装置，从多列喷雾喷嘴向被热轧并在约束辊对(11)之间移送的热钢板(3)喷射冷却水进行冷却，在该冷却装置中，具有喷管形状不同的缓冷却喷雾喷嘴列(K)和强冷却喷雾喷嘴列(J)，并且由于缓冷却喷雾喷嘴列(K)的最大冷却水冲击压力积分值与强冷却喷雾喷嘴列(J)的最小冷却水冲击压力积分值连续，因此可连续地进行大范围的冷却能力控制。上述技术方案使用多个喷嘴孔、将空气和水这两种流体混合喷雾对钢板进行冷却，具有缓冷喷雾冷却和强冷却喷雾冷却两种可调节冷却能力，可对厚钢板进行全场无翘曲的均匀冷却。但是该装置结构复杂，维护工作量大，对水压的稳定性要求高，一旦水压不稳定，很容易造成“喘气”，使得喷雾不稳定，进而使得冷却不稳定。

又例如：授权公告日为：2012年08月08日，授权公告号为：CN101622083B的中国发明专利中，公开了一种“热轧钢带的冷却装置和方法”；授权公告日为：2014年03月19日，授权公告号为：CN101437631B的中国发明专利中，公开了一种“热轧钢带的冷却装置及冷却方法”；在上述技术方案中所提供的冷却装置，具有向钢带(10)上表面供给棒状冷却水的上集管单元(21)，该上集管单元(21)由第一上集管组和在其下游侧的第二上集管组构成，所述第一上集管组由设置在输送方向上的多个第一上集管(21A)构成，所述第二上集管组由设置在输送方向上的多个第二上集管(21B)构成，第一上集管组和第二上集管组的各上集管(21A、21B)形成各自独立地具有打开—关闭机构(30)的配管结构，该打开—关闭机构能进行棒状冷却水的喷射(注水)的打开—关闭控制。该技术方案采用两组带喷射角度的相向的喷水集管组合，上游集管向下游方向喷射，下游集管向上游方向喷射，并具有向宽度方向外侧喷射的倾角。该技术方案解决了层流水在带钢表面滞留的问题，但如果由于温度控制需要造成两组集管开水数量不同，加上带钢速度的影响，很容易达不到理想的效果，并且宽向倾角容易造成中部冷却不足，边部过冷，引起宽向冷却不均匀。

再例如，授权公告日为：2013年09月25日，授权公告号为：CN102274864B的中国发明专利中，公开了一种“基于超快冷技术的轧后冷却系统及该系统的应用方法”，其包括在轧线上沿钢板轧制运行方向依次排列不同结构冷却集管的冷却装置，上、下分流集管直接与主供水管相接，每根分流集水管控制1组喷嘴；其改进点在于采用轧后先布置超快冷装置，其次再布置层流冷却装置的组合方式，超快冷装置的超快冷却区中，喷嘴形式为倾斜喷射式缝隙喷嘴与高密管式喷嘴混合排列，上喷嘴与移动梁一起上下运动，来满足不同钢板的板型；层流冷却区每组上喷嘴由2组单边U型管组成，每组为3排单边U型管，每组上喷嘴与2组下喷嘴对应；本系统前、后均布置有吹扫装置，并且辊道两侧还设置侧吹装置，及时去除钢板表面的残留水。采用超快冷和层流冷却装置优化组合布置方式，达到较高的冷却速率，实现钢板的均匀冷却。该技术方案采用缝隙喷嘴斜喷与高密管式喷嘴混合排列的装置形式，喷嘴距离板面300～400mm，在线淬火需要结合后续的层流冷却装置一起完成。该装置为非约束型冷却方式，对于水冷过程钢板变形没有相应的控制手段；缝隙式喷嘴对装置的制造精度和水质要求高，容易造成堵塞和分叉，形成不均匀冷却。

再例如，公开日为2010年01月27日，公开号为CN101633976A的中国发明专利申请中，公开了一种“适合不同厚度高强韧钢板的直接淬火工艺”，该技术方案采用高密度层流冷却，由上层流集管和下喷射集管组成强冷段、粗冷段和精冷段，强冷段可调流量比为1：1.4～1：3.0，粗冷段和精冷段流量比固定为1：1.5。其将钢坯加热至1150℃-1280℃；分奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段轧制成钢板,终轧温度为800℃-880℃；采用高密度层流冷却实现钢板在线淬火，其层流冷却由上层流集管和下喷射集管组成的冷却区构成,，冷却区包括强冷段、粗冷段和精冷段三部分，粗冷段和精冷段的上、下部集管水流量比固定为1∶1.5，强冷段的上、下部集管水流量可在范围1∶3.0-1∶1.4自由调节。该技术方案解决了传统再加热淬火+回火的调质工艺生产高强钢带来投资大、成本高的技术瓶颈；具有节约能源、缩短工艺流程、提高生产效率的显著功效，适宜钢铁工业普及生产。但是由于层流冷却的最大缺陷是在大水量下表面水滞留，造成冷却不均匀；粗冷段和精冷段的水比固定和横向流量不可调也不利于板形控制。

综上所述，国内外针对轧后冷却存在的一些问题提出了很多很有特色的设计和研究成果，对于解决一些具体问题也取得了很好的效果，但也存在很多设计上的缺陷，比如大部分为无约束型冷却，在高冷速下很难保证冷却后的板形；一般都采用直接淬火及加速冷却装置(DQ+ACC)的布置形式，难以达到全冷却过程一致的冷却速度；为了达到大温降，大部分装置要求的水量大，资源浪费严重；对于冷却区的钢板没有检测和跟踪手段，难以实现精确摆钢和全自动控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其利用钢板在轧制后的轧制余热，在线对钢板进行固溶处理，以获得符合产品要求的特定的钢板金相组织和各项性能，通过在热矫直机和冷床之间安装紧凑型上、下全斜喷式快速冷却装置，实现均匀冷却，采用节能型供水系统实现低供水能力下的大温降，利用板形控制技术优化冷却后板形，利用钢板水中检测装置及位置控制方法，实现了钢板在水中的精确定位和跟踪，利用模型控制技术和基础自动化系统，实现了冷却过程的全自动精确控制。该冷却系统投资少，冷却装置紧凑节能，冷却速率高，可进行控制冷却的钢板的厚度规格范围大，自动控制精度高，冷却后板形良好，可节省离线热处理二次加热的碳排放和大量能耗，不仅可用于钢板的在线固溶处理，而且对于需要轧后快速冷却的工艺、甚至离线淬火工艺都可以应用。

本发明的技术方案是：提供一种用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是：在现有热矫直机和钢板冷床之间，设置一快速冷却装置；所述的快速冷却装置在位于运输钢板的辊道的上、下方，同时布置若干组带密排喷嘴的喷箱，构成上喷水系统和下喷水系统；所述的辊道由多根棍子组成，根据所述棍子位于被运输钢板的上方或下方，所述的多根棍子被分成上辊或下辊，所述的多根上辊构成上滚道，所述的多根下辊构成下滚道；所述的快速冷却装置在钢板运输线前进方向的辊道上，设置一个主框架结构，所述的主框架结构由一个浮动框架和一个门型框架组成；所述的浮动框架为可升降框架，固定在一个垂直导向架中；所述的上辊及上喷水系统，固定在所述的浮动框架上；当钢板不需要淬火处理时，连接在浮动框架上的提升机构将浮动框架提升至最高点，以防高温板材将上喷水系统烘烤变形；所述的门型框架为固定框架，所述的下辊及下喷水系统，位于所述固定门型框架的下方；所述的上、下喷水系统，在所述运输钢板辊道经过的路径上，构成一个快速冷却喷水区；在所述各个下辊之间的辊道梁上，安装设置有下排水系统；所述各喷箱之密排喷嘴的喷水形式为顺着钢板走向的斜喷形式，所述上喷水系统和下喷水系统各个位置对应的喷嘴的斜喷喷射点在钢板表面上、下对称设置；每组喷箱上的喷嘴，与和其相邻的喷箱上的喷嘴交错布置，以达到对钢板之板面的均匀冷却目的；当所述的钢板需要进行“快速冷却”工艺处理时，在所述热矫直机“抛钢”后，所述的快速冷却装置沿着钢板的前进方向，依次启动各组喷箱集水管路的二通快开阀，按设定的时间间隔，提前逐个开启各组喷箱的集水管路，以降低水锤效应对设备的冲击；在所述快速冷却装置的每组喷箱之间，均设置有压紧辊，以对斜喷水形成阻隔，使前一组喷箱密排喷嘴的斜喷水不会影响后一组喷箱密排喷嘴斜喷水的冷却效果，并对板面形成一定的约束，阻止钢板在水中冷却时的剧烈变形；在所述快速冷却装置的前、后方，设有气吹装置，并且沿着钢板前进方向上的最后一组喷箱之密排喷嘴的喷水形式，设置成与钢板走向逆向的斜喷形式，用以确保钢板表面无残留水；在所述快速冷却装置的入口处，设置有检测辊，如果来料钢板厚度大于设定的上辊道高度，检测辊与来料钢板相触，带动检测辊上移并输出信号，，激活浮动框架液压快速提升功能；在所述热矫直机出口，设置有板形检测器，用于检测需要冷却钢板的头部形状。

其所述的快速冷却装置设置于现有热矫直机和钢板冷床之间，经过热矫直机或初轧机控制轧制的钢板，在到达开冷温度时，由辊道送入本快速冷却装置所在的快速冷却喷水区域，进行在线喷水控制冷却固溶处理，钢板在保证板型和冷却均匀的状态下按照预定的冷却速率曲线达到所需的终冷温度。

其所述的轧后快速冷却系统在热矫直机和钢板冷床之间，设置紧凑型上下全斜喷式快速冷却装置，实现钢板的均匀冷却，采用节能型供水系统实现低供水能力下的大温降，利用板形控制技术优化冷却后板形，利用钢板水中检测装置及位置控制方法实现钢板在水中的精确定位和跟踪，利用模型控制技术和基础自动化系统实现冷却过程的全自动精确控制。

其所述的轧后快速冷却系统有三种工作模式可供选择，择一地工作，所述的工作模式为连续模式、摆动模式、空过模式；其中：

A、连续模式：钢板在快速冷却喷水区一次性直接通过，其通过速度由现场控制计算机给出和控制；

B、摆动模式：当钢板较厚时，采用一次性直接通过的连续冷却模式不能达到所要求的冷却温度时，则钢板在快速冷却喷水区内摆动冷却，其摆动速度和幅度固定，摆动时间由现场控制计算机给出和控制；

C、空过模式：

C1：对于某些钢种不需要快速冷却，工作模式设定为快速冷却不投入，则钢板通过所述的快速冷却喷水区域但不进行冷却，此时所述的浮动框架和位于其上的上辊及上喷水系统抬升到最高位置，以使上、下辊之间的辊缝处于间距最大位置，同时所述的下喷水系统使用溢流流量或最小保护流量进行供水，以对各个下喷头进行冷却保护；

C2：原计划采用快速冷却的钢板，在通过矫直机前，操作工根据板形、温度等情况进行判断，人为取消快速冷却，通过操作控制按钮来通知现场控制计算机，则现场控制计算机将轧后快速冷却系统的工作模式重设定成空过模式；

C3：当所述的板形检测器检测到需要冷却钢板的头部形状不好时，为了保护所述喷箱上的喷嘴，所述的轧后快速冷却系统通过所述的提升机构将所述的浮动框架紧急拉起，转入“空过”模式，钢板直接输送出快速冷却喷水区。

具体的，所述的提升机构由电动螺旋升降系统和液压快速提升系统组成；其所述的电动螺旋升降系统至少包括电动机、转向箱、万向接轴及螺旋丝杠升降机；其所述的液压快速提升系统至少包括安装在螺旋升降机丝杠末端的液压油缸，当钢板不需要淬火处理时，所述的液压油缸工作，通过所述的螺旋升降机丝杠带动所述的浮动框架快速提升，实现浮动框架的快提及保护上喷水系统功能。

其所述的电动螺旋升降系统采用2组共12套螺旋升降装置，每组螺旋升降装置间使用万向接轴连接，相邻各组间用2个转向箱及万向接轴连接，所述的电动机、转向箱安装于两组螺旋升降装置的中间位置，所述的电动机为交流电机。

其所述的快速冷却装置的每组喷箱内部，在宽度方向上分隔成三段，分别为中部及两侧，均设内外腔，分别为外壳腔及内部分流腔，确保分配水流均匀，以实现钢板宽度方向的水凸度控制。

其所述的每组喷箱设有4个进水口，所述的4个进水口分别经过二通快开阀与所述的集水管路连接，通过分别控制所述二通快开阀的开启或关闭，实现所述喷箱中部与两侧的水量分别可调。

其所述的检测辊与来料钢板相触，用于保护快速冷却装置喷嘴和辊道，当检测辊检测到钢板厚度大于设定的辊缝值，或者钢板上表面有碎片，或者出现大波浪时，将激活浮动框架液压快速提升装置，以防止钢板碰撞喷嘴或上辊道；同时，所述的检测辊还起到挡水作用，防止快速冷却装置冷却水的飞溅。

进一步的，在所述的快速冷却装置四个角安装有4个绝对值位移传感器，所述的浮动框架以及上辊的高度检测通过所述的位移传感器检测完成。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.本技术方案通过在热矫直机和冷床之间安装紧凑型上、下全斜喷式快速冷却装置，进行在线喷水控制冷却固溶处理，实现了钢板的均匀冷却和冷却过程的全自动精确控制，钢板可在保证板型和冷却均匀的状态下在被传送或行进的过程中，按照预定的冷却速率曲线达到所需的终冷温度；

2.采用检测辊来检测来料钢板的厚度，防止钢板碰撞喷嘴或上辊道，设置液压快速提升装置快速提升浮动框架，可保护快速冷却装置喷嘴和辊道的运行安全和使用寿命；

3.该冷却系统投资少，冷却装置紧凑节能，冷却速率高，可进行控制冷却的钢板的厚度规格范围大，自动控制精度高，冷却后板形良好，可节省离线热处理二次加热的碳排放和大量能耗。

附图说明

图1是本发明喷箱侧视结构示意图；

图2是本发明喷嘴斜喷示意图；

图3是本发明快冷装置整体布局示意图；

图4是本发明节能供水控制示意图；

图5是摆钢控制示意图。

图中，1为喷气装置，2为喷箱装置，3为上、下辊道装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1、图2和图3中，本发明的技术方案提供了一种用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其在现有热矫直机和钢板冷床之间，设置一快速冷却装置。

参见图3所示，所述的快速冷却装置在位于运输钢板的辊道的上、下方，同时布置若干组带密排喷嘴的喷箱，构成上喷水系统和下喷水系统。

所述的辊道由多根棍子组成，根据所述棍子位于被运输钢板的上方或下方，所述的多根棍子被分成上辊或下辊，所述的多根上辊构成上滚道，所述的多根下辊构成下滚道。

所述的快速冷却装置在钢板运输线前进方向的辊道上，设置一个主框架结构，所述的主框架结构由一个浮动框架和一个门型框架组成；所述的浮动框架为可升降框架，固定在一个垂直导向架中；所述的上辊及上喷水系统，固定在所述的浮动框架上；当钢板不需要淬火处理时，连接在浮动框架上的提升机构将浮动框架提升至最高点，以防高温板材将上喷水系统烘烤变形；所述的门型框架为固定框架，所述的下辊及下喷水系统，位于所述固定门型框架的下方；所述的上、下喷水系统，在所述运输钢板辊道经过的路径上，构成一个快速冷却喷水区；在所述各个下辊之间的辊道梁上，安装设置有下排水系统。

如图2中所示，所述各喷箱之密排喷嘴的喷水形式为顺着钢板走向的斜喷形式，所述上喷水系统和下喷水系统各个位置对应的喷嘴的斜喷喷射点在钢板表面上、下对称设置；每组喷箱上的喷嘴，与和其相邻的喷箱上的喷嘴交错布置，以达到对钢板之板面的均匀冷却目的。

当所述的钢板需要进行“快速冷却”工艺处理时，在所述热矫直机“抛钢”后，所述的快速冷却装置沿着钢板的前进方向，依次启动各组喷箱集水管路的二通快开阀，按设定的时间间隔，提前逐个开启各组喷箱的集水管路，以降低水锤效应对设备的冲击。

在所述快速冷却装置的每组喷箱之间，均设置有压紧辊，以对斜喷水形成阻隔，使前一组喷箱密排喷嘴的斜喷水不会影响后一组喷箱密排喷嘴斜喷水的冷却效果，并对板面形成一定的约束，阻止钢板在水中冷却时的剧烈变形；在所述快速冷却装置的前、后方，设有气吹装置，并且沿着钢板前进方向上的最后一组喷箱之密排喷嘴的喷水形式，设置成与钢板走向逆向的斜喷形式，用以确保钢板表面无残留水；在所述快速冷却装置的入口处，设置有检测辊，如果来料钢板厚度大于设定的上辊道高度，检测辊与来料钢板相触，带动检测辊上移并输出信号，，激活浮动框架液压快速提升功能；在所述热矫直机出口，设置有板形检测器，用于检测需要冷却钢板的头部形状。

其所述的轧后快速冷却系统有三种工作模式可供选择，择一地工作，所述的工作模式为连续模式、摆动模式、空过模式；其中：

A、连续模式：钢板在快速冷却喷水区一次性直接通过，其通过速度由现场控制计算机给出和控制；

B、摆动模式：当钢板较厚时，采用一次性直接通过的连续冷却模式不能达到所要求的冷却温度时，则钢板在快速冷却喷水区内摆动冷却，其摆动速度和幅度固定，摆动时间由现场控制计算机给出和控制；

C、空过模式：

C1：对于某些钢种不需要快速冷却，工作模式设定为快速冷却不投入，则钢板通过所述的快速冷却喷水区域但不进行冷却，此时所述的浮动框架和位于其上的上辊及上喷水系统抬升到最高位置，以使上、下辊之间的辊缝处于间距最大位置，同时所述的下喷水系统使用溢流流量或最小保护流量进行供水，以对各个下喷头进行冷却保护；

C2：原计划采用快速冷却的钢板，在通过矫直机前，操作工根据板形、温度等情况进行判断，人为取消快速冷却，通过操作控制按钮来通知现场控制计算机，则现场控制计算机将轧后快速冷却系统的工作模式重设定成空过模式；

C3：当所述的板形检测器检测到需要冷却钢板的头部形状不好时，为了保护所述喷箱上的喷嘴，所述的轧后快速冷却系统通过所述的提升机构将所述的浮动框架紧急拉起，转入“空过”模式，钢板直接输送出快速冷却喷水区。

具体的，对所述的快速冷却装置及控制方法详述如下：

一、装置结构：

(1)该快速冷却装置在辊道上下布置若干组带密排喷嘴的喷箱，喷水形式为顺着钢板走向的斜喷形式，斜喷喷射点在钢板表面上下对称，前后喷箱上的喷嘴交错布置，以达到板面均匀冷却的目的。

钢板需要在快冷装置处理时，钢板抛钢后依次启动集水管路的二通快开阀，按设定的时间间隔提前逐个开启喷箱，以降低水锤效应对设备的冲击。

(2)该快速冷却装置每个喷箱内部宽度方向分隔成三段，分别为中部及两侧，均设内外腔，分别为外壳腔及内部分流腔，确保分配水流均匀，喷箱设有4个进水口，中部与两侧的水量分别可调。

(3)该快速冷却装置前面几组喷箱的最大压力大于等于后面几组喷箱，以满足不同的冷却工艺需求。

(4)该快速冷却装置每组喷箱之间均设置有压紧辊，一是对斜喷水形成阻隔，使上一组斜喷水不会影响下一组斜喷水的冷却效果；二是可以对板面形成一定的约束，阻止钢板在水中冷却时的剧烈变形。

部分压紧辊设置为螺旋辊，分布在快冷装置头尾部，起导流作用。

(5)该快速冷却装置前后设有气吹装置，最后一组喷水装置设置成与钢板走向逆向的斜喷形式，用以确保钢板表面无残留水。

(6)该快速冷却装置入口处设置有检测辊，如果来料钢板厚度大于设定的上辊道高度，将激活上框架液压快速提升功能。检测辊道接触钢板表面主要有两个功能：第一个功能是保护快速冷却装置喷嘴和辊道，当检测辊道检测到钢板厚度大于设定的辊缝值，或者钢板上表面有碎片，或者出现大波浪，将激活上移动框架液压快速提升装置，使上框架快速提升300mm，以防止钢板碰撞喷嘴或上辊道。第二功能是挡水作用，防止快速冷却装置冷却水飞溅。

(7)快速冷却装置钢结构由安装在钢板运输线方向的主框架结构组成。主框架结构是由H型钢和板材焊接而成的，由浮动框架和门型框架组成。浮动框架为可升降框架，固定在垂直导向架中。上辊及上喷水系统固定在浮动框架上。当钢板不需要淬火处理时，连接在浮动框架上的提升机构将浮动框架提升至最高点，以防高温板材将上喷水系统烘烤变形。门型框架为固定框架，下辊及下喷水系统位于固定门型框架下方，下辊为利旧，下排水系统安装在下辊间的辊道梁上。

(8)快速冷却装置提升机构由电动螺旋升降系统和液压快速提升系统组成。电动螺旋升降系统主要由电动机、转向箱、万向接轴及螺旋丝杠升降机组成。电动螺旋调节采用2组共12套螺旋升降装置，每组螺旋升降装置间使用万向接轴连接，相邻各组间用2个转向箱及万向接轴连接。传动装置安装于两组螺旋升降装置的中间位置，电动机为交流电机。液压提升系统安装在螺旋升降机丝杠末端的液压油缸可以快速提升上框架，实现上框架快提及保护上喷水系统功能。在快速冷却装置四个角(升降机)安装有4个绝对值位移传感器，上框架高度检测通过位移传感器检测完成。

(9)在线快冷分成共3种模式，即连续模式、摆动模式、空过模式。

A、连续模式

钢板在喷水区一次性通过，通过速度由过程机给出。

B、摆动模式

钢板在喷水区摆动冷却，即当钢板较厚时，通过式冷却不能达到所要求的冷却温度，则钢板在冷却区内摆动。摆动速度和幅度L1固定、摆动时间由过程机给出。

C、空过模式

第一种情况，对于某些钢种不需要快冷，模型设定为快冷不投入，则钢板通过快冷区域但不进行冷却，辊缝抬到最大位置，下喷头使用最小保护流量(冷却)。

第二种情况，原计划采用快冷的钢板在矫直机前，操作工根据板形、温度等情况进行判断人为取消快冷，反馈给模型，则模型重设定成空过模式。

第三种情况，板形检测器检测到需要冷却的钢板头部形状不好，为了保护喷头，则自动将快冷台架紧急打开，转入空过状态，升降液压缸快速缩回，钢板直接输送出快冷区。

二、供水系统及方法：

其供水系统可以根据需要分为中压水系统、低压水系统，中压水通过增压泵直接供水，低压水为高位水箱供水。通过调整水量控制钢板冷却速率，达到工艺所要求的产品性能。同时具有上下喷嘴和辊道保护功能。(保护功能通过电气控制及供水阀路切换实现)

为了节约水资源，特别作了供水节能控制设计，如图3所示：

(1)工艺需要中压用水时，按照工艺需求和控制系统的设定要求，第一气动阀1打开，第二气动阀2关闭，满足中压工艺用水；

(2)每次中压工艺用水结束后，第一气动阀1关闭，第二气动阀2打开，快速向高位水箱中补水。

(3)当工艺在下一个时间间隔到来时，第一气动阀2关闭，第二气动阀1开启，继续满足中压工艺用水，如此循环。

该技术结合快速冷却的摆动模式，可以满足较厚钢板的在线固溶处理。

三、板形控制技术：

(1)装置设计

淬火冷却设备必须能够均匀控制钢板长、宽、厚方向的性能，同时不能产生缺陷，喷嘴和安装喷嘴的冷却集管是热轧产品快速冷却系统最重要的结构部件，其作用是合理分配由总管进来的冷却水，使各喷嘴出口冷却水能满足一定的冲击压力和流速要求。

由于钢板边部除受到喷嘴直喷水的冷却作用外，还受到钢板表面积水向两边流淌产生的二次冷却作用，因此边部温降较大，所以为了使钢板宽度方向冷却均匀，必须使钢板边部冷却水量小于中部冷却水量，为此本技术提供了一种新型的冷却集管，可实现宽度方向水量均匀分布，并且边部水量单独控制，保证了边部水量低于中部水量的控制效果。

钢板表面残余水是造成冷却不均匀的主要原因，为此，本技术方案设计了上下对称斜喷喷嘴、喷箱之间安装隔水辊道、头尾采用螺旋辊分水技术、出口侧反向斜喷扫水以及入口和出口的气吹扫水功能，都确保了钢板表面无残留水，达到钢板冷却均匀，出水板形良好的目的。

上下辊道对钢板冷却过程中的热应力和组织应力有一定的抵消作用，为此本技术设置了上压紧辊，并设计了辊道随动系统，可以在改善板形的同时确保辊道不会被撞坏。

(2)工艺设计

目前，世界中厚板轧机都采用终轧道次带压下的轧制方法，没有平整道次，最后道次压下率在5-15％。由于轧制道次较多，单道次压下率较小，钢板头部容易出现翘头、叩头、舌形、钢板边浪、中浪等板形问题。板形问题严重时，钢板无法进入预矫直机或者预矫直机无法完全矫平，如果强行进行在线冷却，容易撞坏冷却设备；如果全部采用空过模式，则有很大比例的钢板无法进行在线冷却，合同生产受到严重影响。

本发明采用反向抛钢技术，即在原道次计算的道次数的倒数第二个道次将钢板轧制到目标厚度，最后一个道次不对带钢进行压下，直接空过抛钢，带钢头部板形有很大改善，不仅保证了矫直机和冷却设备的安全，而且生产节奏和工作量完成都有保障。

(3)流量均匀分配技术

本发明所设计的所有的喷箱不仅上下水比可调，而且横向上中部和边部也实现了流量单独可调可控功能，有效确保了冷却后的钢板板形。

四、模型控制技术：

本发明设计了模型全自动控制系统。整个系统包括通讯、接口、监控、逻辑控制、核心模型。核心模型包括冷却策略、冷却模式、物理模型、控制模型(预计算模型、再计算模型、前馈模型、反馈模型)、自学习模型和自适应方法等等。实现从钢板信息接收后温降计算到水量和速度设定的模型全自动控制。

五、钢板水中检测装置及位置控制方法：

通常的轧后冷却系统采用高温计或热检信号进行钢板跟踪和位置修正，但钢板进入水中因失去位置校正跟踪，往往导致钢板在冷却区出口有一米多的位置跟踪偏差。

本发明采用的板坯跟踪修正信号主要有两个，一个是高温计或热检信号，一是快冷区内的材料检测传感器(水压式)信号。这两个信号用来修正板坯的头尾位置，同时也修正钢板的长度数据。

同时，利用水中检测装置还可以实现钢板高精度位置控制，从而确保钢板在水中摆动冷却时的精确和均匀，具体方法如图5所示：

钢板头部到达快冷区材料检测器(水压式)后，辊道以设定速度反转,反转持续一定时间后，辊道正向以设定速度前进至材料检测点，循环摆动。

六、基础自动化系统：

本发明设计的基础自动化系统主要功能包括：

(1)钢板头尾跟踪

PLC根据HMD及其它检测仪表和计算对钢板进行位置映射。映射跟踪结果一方面用于冷却喷头和辊道控制，另一方面送给控冷过程计算机进行数据映射。

(2)辊道速度控制

RTC模块分为两个部分，一个是手动子模块，另一个是自动子模块。在钢板不进行冷却时由手动模块完成辊道的手动控制；自动模块完成冷却情况下的辊道控制，同时可以进行人工干预。为了不影响轧机和热矫直机的作业，可按轧件长度和运行的位置，采取顺序联锁和顺序解脱的控制方式。

(3)冷却喷头流量控制

该功能模块控制相应冷却喷头电动调节阀的开口度以控制冷却喷头流量。

(4)冷却喷头开闭控制

根据模型设定和跟踪结果开启/关闭各组冷却喷头。控制冷却水系统中各组冷却喷头可自动单独ON/OFF(开闭)。

(5)时序控制

钢板头、尾通过冷却区时，各组冷却喷头、侧喷、前后气吹扫的开关时序控制。

(6)水处理系统

包括：供水需求，水泵起停状态，供水压力，供水流量，补充新水流量和累计量等。

(7)信号测量采集

PLC采集由传感器送来的信号，并进行有效性检查，用于过程控制。高位水箱液位自动监测；钢板入口、出口温度，环境温度、冷却水温度、辊道速度、冷却器喷水流量。

(8)与控冷二级的通讯

包括：预设定钢板数据，再设定钢板数据，钢板速度设定和反馈，生产报表所需数据等。

实施例：

本轧后冷却系统的一个具体实施例的主要参数如下：

1)总体技术参数

快冷装置总长度：13978mm

冷却水需求量：4360m³/h(应用本发明的供水技术，可以在供水能力只有2500m³/h的情况下满足冷却需求)

开冷温度：950℃

终冷温度：<200℃

厚度范围：10～100mm(应用本发明的供水技术、水中跟踪技术和摆动冷却模式，实现了低供水能力下厚规格钢板冷却过程中的持续供水)

2)检测辊道技术参数：

3)输送辊道技术参数：

4)中压水系统技术参数:

5)低压水系统技术参数

6)供水系统技术参数

本装置所需循环水系统分为低压供水和中压供水两个系统。

循环低压水需求量为3360m³/h，间断用水，用水间隔为170s/300s，本系统设置了中间水箱，在工艺用水间隙，循环低压水及中压水均向水箱中补水，以节约水资源。因此低压循环水系统只需提供1500m³/h流量的供水能力。

循环中压水需求量为1000m³/h，间断用水，用水间隔为170s/300s，其中990m³/h直接供给工艺需求，以下称为中压二；10m³/h通过水泵加压至2.0MPa后作为仪表跟踪水，以下称为中压一。

在循环水中压二管路上，设置快开气动球阀2台，用于工艺用水和水箱补水的快速切换，如图4所示，循环水从右侧过来，一直供水，在工艺用水管路上(水平管路)上和水箱补水管路上(垂直向上管路)分别安装DN400快开气动球阀各1台。

为方便说明，水平管路上快开气动球阀简称第一气动阀1，垂直管路上快开气动球阀简称第二气动阀2，具体控制要求如下：

(1)工艺需要用水时，按照工艺需求和控制系统的设定要求，第一气动阀1打开，第二气动阀2关闭，满足工艺用水；

(2)每次工艺用水结束后(按初步设计方案，用水间隔为170s/300s，也即是气动阀1开启170s以后)，气动阀1关闭，气动阀2打开，快速向水箱中补水。

(3)当工艺在下一个时间间隔到来时(也即是300s以后)，气动阀2关闭，气动阀1开启，继续满足工艺用水，如此循环。

本发明的技术方案，应用上述技术手段，来实现低供水能力下厚规格钢板冷却过程中的持续供水。

由于本发明利用钢板在轧制后的轧制余热，在线对钢板进行固溶处理，通过在热矫直机和冷床之间安装紧凑型上、下全斜喷式快速冷却装置，实现了钢板的均匀冷却，实现了冷却过程的全自动精确控制。该冷却系统紧凑节能，冷却速率高，可进行控制冷却的钢板的厚度规格范围大，自动控制精度高，冷却后板形良好，可节省离线热处理二次加热的碳排放和大量能耗，不仅可用于钢板的在线固溶处理，而且对于需要轧后快速冷却的工艺、甚至离线淬火工艺都可以应用。

本发明可广泛用于钢板轧制后的冷却工艺及生产控制领域。

Claims (10)

1.一种用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是：

在现有热矫直机和钢板冷床之间，设置一快速冷却装置；

所述的快速冷却装置在位于运输钢板的辊道的上、下方，同时布置若干组带密排喷嘴的喷箱，构成上喷水系统和下喷水系统；

所述的辊道由多根棍子组成，根据所述棍子位于被运输钢板的上方或下方，所述的多根棍子被分成上辊或下辊，所述的多根上辊构成上滚道，所述的多根下辊构成下滚道；

所述的快速冷却装置在钢板运输线前进方向的辊道上，设置一个主框架结构，所述的主框架结构由一个浮动框架和一个门型框架组成；

所述的浮动框架为可升降框架，固定在一个垂直导向架中；所述的上辊及上喷水系统，固定在所述的浮动框架上；当钢板不需要淬火处理时，连接在浮动框架上的提升机构将浮动框架提升至最高点，以防高温板材将上喷水系统烘烤变形；

所述的门型框架为固定框架，所述的下辊及下喷水系统，位于所述固定门型框架的下方；

所述的上、下喷水系统，在所述运输钢板辊道经过的路径上，构成一个快速冷却喷水区；

在所述各个下辊之间的辊道梁上，安装设置有下排水系统；

所述各喷箱之密排喷嘴的喷水形式为顺着钢板走向的斜喷形式，所述上喷水系统和下喷水系统各个位置对应的喷嘴的斜喷喷射点在钢板表面上、下对称设置；

每组喷箱上的喷嘴，与和其相邻的喷箱上的喷嘴交错布置，以达到对钢板之板面的均匀冷却目的；

当所述的钢板需要进行“快速冷却”工艺处理时，在所述热矫直机“抛钢”后，所述的快速冷却装置沿着钢板的前进方向，依次启动各组喷箱集水管路的二通快开阀，按设定的时间间隔，提前逐个开启各组喷箱的集水管路，以降低水锤效应对设备的冲击；

在所述快速冷却装置的每组喷箱之间，均设置有压紧辊，以对斜喷水形成阻隔，使前一组喷箱密排喷嘴的斜喷水不会影响后一组喷箱密排喷嘴斜喷水的冷却效果，并对板面形成一定的约束，阻止钢板在水中冷却时的剧烈变形；

在所述快速冷却装置的前、后方，设有气吹装置，并且沿着钢板前进方向上的最后一组喷箱之密排喷嘴的喷水形式，设置成与钢板走向逆向的斜喷形式，用以确保钢板表面无残留水；

在所述快速冷却装置的入口处，设置有检测辊，如果来料钢板厚度大于设定的上辊道高度，检测辊与来料钢板相触，带动检测辊上移并输出信号，，激活浮动框架液压快速提升功能；

在所述热矫直机出口，设置有板形检测器，用于检测需要冷却钢板的头部形状。

2.按照权利要求1所述的用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是所述的快速冷却装置设置于现有热矫直机和钢板冷床之间，经过热矫直机或初轧机控制轧制的钢板，在到达开冷温度时，由辊道送入本快速冷却装置所在的快速冷却喷水区域，进行在线喷水控制冷却固溶处理，钢板在保证板型和冷却均匀的状态下按照预定的冷却速率曲线达到所需的终冷温度。

3.按照权利要求1所述的用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是所述的轧后快速冷却系统在热矫直机和钢板冷床之间，设置紧凑型上下全斜喷式快速冷却装置，实现钢板的均匀冷却，采用节能型供水系统实现低供水能力下的大温降，利用板形控制技术优化冷却后板形，利用钢板水中检测装置及位置控制方法实现钢板在水中的精确定位和跟踪，利用模型控制技术和基础自动化系统实现冷却过程的全自动精确控制。

4.按照权利要求1所述的用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是所述的轧后快速冷却系统有三种工作模式可供选择，择一地工作，所述的工作模式为连续模式、摆动模式、空过模式；其中：

A、连续模式：钢板在快速冷却喷水区一次性直接通过，其通过速度由现场控制计算机给出和控制；

B、摆动模式：当钢板较厚时，采用一次性直接通过的连续冷却模式不能达到所要求的冷却温度时，则钢板在快速冷却喷水区内摆动冷却，其摆动速度和幅度固定，摆动时间由现场控制计算机给出和控制；

C、空过模式：

C1：对于某些钢种不需要快速冷却，工作模式设定为快速冷却不投入，则钢板通过所述的快速冷却喷水区域但不进行冷却，此时所述的浮动框架和位于其上的上辊及上喷水系统抬升到最高位置，以使上、下辊之间的辊缝处于间距最大位置，同时所述的下喷水系统使用溢流流量或最小保护流量进行供水，以对各个下喷头进行冷却保护；

C2：原计划采用快速冷却的钢板，在通过矫直机前，操作工根据板形、温度等情况进行判断，人为取消快速冷却，通过操作控制按钮来通知现场控制计算机，则现场控制计算机将轧后快速冷却系统的工作模式重设定成空过模式；

C3：当所述的板形检测器检测到需要冷却钢板的头部形状不好时，为了保护所述喷箱上的喷嘴，所述的轧后快速冷却系统通过所述的提升机构将所述的浮动框架紧急拉起，转入“空过”模式，钢板直接输送出快速冷却喷水区。

5.按照权利要求1所述的用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是所述的提升机构由电动螺旋升降系统和液压快速提升系统组成；

其所述的电动螺旋升降系统至少包括电动机、转向箱、万向接轴及螺旋丝杠升降机；

其所述的液压快速提升系统至少包括安装在螺旋升降机丝杠末端的液压油缸，当钢板不需要淬火处理时，所述的液压油缸工作，通过所述的螺旋升降机丝杠带动所述的浮动框架快速提升，实现浮动框架的快提及保护上喷水系统功能。

6.按照权利要求5所述的用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是所述的电动螺旋升降系统采用2组共12套螺旋升降装置，每组螺旋升降装置间使用万向接轴连接，相邻各组间用2个转向箱及万向接轴连接，所述的电动机、转向箱安装于两组螺旋升降装置的中间位置，所述的电动机为交流电机。

7.按照权利要求1所述的用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是所述的快速冷却装置的每组喷箱内部，在宽度方向上分隔成三段，分别为中部及两侧，均设内外腔，分别为外壳腔及内部分流腔，确保分配水流均匀，以实现钢板宽度方向的水凸度控制。

8.按照权利要求1或7所述的用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是所述的每组喷箱设有4个进水口，所述的4个进水口分别经过二通快开阀与所述的集水管路连接，通过分别控制所述二通快开阀的开启或关闭，实现所述喷箱中部与两侧的水量分别可调。

9.按照权利要求1所述的用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是所述的检测辊与来料钢板相触，用于保护快速冷却装置喷嘴和辊道，当检测辊检测到钢板厚度大于设定的辊缝值，或者钢板上表面有碎片，或者出现大波浪时，将激活浮动框架液压快速提升装置，以防止钢板碰撞喷嘴或上辊道；同时，所述的检测辊还起到挡水作用，防止快速冷却装置冷却水的飞溅。

10.按照权利要求1所述的用于钢板在线固溶的轧后快速冷却系统，其特征是在所述的快速冷却装置四个角安装有4个绝对值位移传感器，所述的浮动框架以及上辊的高度检测通过所述的位移传感器检测完成。