CN105695729A - 一种钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法 - Google Patents
一种钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，属控制领域。其所述的三维全流量控制方法针对在线固溶处理技术应用中钢板轧后冷却板形不良的瓶颈问题，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
Description
技术领域
本发明属于控制领域，尤其涉及一种用于涉及钢板轧后在线固溶处理中的冷却水流量控制。
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。
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。
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，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。
固溶热处理要求的终冷温度低，冷却速率高，钢板宽度方向、长度方向以及上下表面的冷却不均匀很容易造成钢板内部热应力和组织应力的分布不均匀，使得冷却后板形不良。而轧后钢板本身存在的板形缺陷和温度分布不均匀，使得在线固溶处理的板形控制更加困难，轧后钢板的翘扣头还很容易造成设备损坏，这些都是在线固溶处理技术应用的瓶颈问题。
因此，在线固溶处理过程中的板形控制方法，是必须在在线固溶装置设计过程中予以充分考虑的关键技术问题。
而影响钢板冷却后板形的一个重要因素就是冷却装置的流量控制，但并非上下、左右和前后的流量一样就是最佳的，由于钢板板面上下、左右和前后的冷却效果不同，需要设定不同的流量以达到相同的冷却效果，才能确保钢板全板面冷却均匀，得到良好的板形和均匀的性能。
专利CN101406902A公开了一种热轧钢板水冷板形控制方法。该专利设计由热轧钢板加速冷却过程中的换热特性和体积变化特征确定上下水比和头尾遮蔽参数，使钢板上下表面水冷均匀，可以有效解决钢板瓢曲问题。
专利CN101921907A公开了一种基于模型控制的钢板淬火时的板形修正方法。该专利根据实际淬火后的钢板板形的翘曲方向和翘曲量，利用建立的钢板表面组合分布模型和温度模型得到上下表面的冷却速度差异，再根据水量优化模型确定上下水比，可以有效解决钢板淬火后的翘曲问题。
综上所述，国内外针对轧后冷却的板形问题提出了很多很有特色的设计和应用成果，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，主要问题是只根据翘曲量进行水比调整，上下水比调节过程也只考虑了总流量，没有更加均匀分布的调节手段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，其针对在线固溶处理技术应用中钢板轧后冷却板形不良的瓶颈问题，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
本发明的技术方案是：提供一种钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，其特征是：
所述的三维全流量控制方法针对在线固溶处理技术应用中钢板轧后冷却板形不良的瓶颈问题，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
具体的，所述的三维全流量控制方法首先进行钢板冷却后板形和硬度的判定，将钢板全板面划分为若干区域，观察、测量和取样分析其板形和硬度，并分别进行标记；其中的硬度指标根据目标硬度划分为不足、合格和超标；板形指标划分为基本平直、上凸、下凹和波浪形；
对于波浪形的板形，可以对相应区域按照上述板形指标再进行区域细分，直至将各个区域的板形指标划分到基本平直、上凸和下凹三种形式，以利于进行流量调节。
具体的，所述的三维全流量控制方法将钢板全板面划分为第1冷速区、第2冷速区、第3冷速区和第4冷速区；
所述的三维全流量控制方法采用根据硬度调整流量的方法，将钢板冷速调整到第3冷速区内，以得到良好的硬度与板形；
当判定实际冷速落在第4区内时，就适当降低冷速，也就是减少冷却水流量；
当判定实际冷速落在第1区和第2区内时，就适当增加冷速，也就是要增加冷却水流量。
具体的，所述的三维全流量控制方法根据板形调整流量，当钢板板形发生上凸时，就加大上、下冷却水比值；当钢板板形发生下凹时，就要减小上、下冷却水比值。
具体的，所述的三维全流量控制方法根据硬度和板形综合调整流量，当钢板板形发生变化需要调整水比时，需要选择是改变上流量还是下流量；
对于需要加大水比时，可以增加下流量，也可以减少上流量；此时根据硬度检测情况来综合判定，当板形上凸而硬度不足时，就不仅要增加水比，而且上下部流量要同时增加，以加大冷速，提高钢板的硬度。
本发明技术方案所述的三维全流量控制方法，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
与现有技术比较，本发明的优点是：
首先进行钢板冷却后板形和硬度的判定，将钢板全板面划分为若干区域，观察、测量和取样分析其板形和硬度，并分别进行标记，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
附图说明
图1是板形划分示意图；
图2是本发明钢板全板面区域划分示意图；
图3是本发明划分流程示意图；
图4是冷速-硬度曲线图。
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。
本发明的技术方案提供了一种钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，其特征是：所述的三维全流量控制方法针对在线固溶处理技术应用中钢板轧后冷却板形不良的瓶颈问题，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
具体的，所述的三维全流量控制方法首先进行钢板冷却后板形和硬度的判定，将钢板全板面划分为若干区域，观察、测量和取样分析其板形和硬度，并分别进行标记；其中的硬度指标根据目标硬度划分为不足、合格和超标；板形指标划分为基本平直、上凸、下凹和波浪形；
对于波浪形的板形，可以对相应区域按照上述板形指标再进行区域细分，直至将各个区域的板形指标划分到基本平直、上凸和下凹三种形式，以利于进行流量调节。
具体的，所述的三维全流量控制方法将钢板全板面划分为第1冷速区、第2冷速区、第3冷速区和第4冷速区；
所述的三维全流量控制方法采用根据硬度调整流量的方法，将钢板冷速调整到第3冷速区内，以得到良好的硬度与板形；
当判定实际冷速落在第4区内时，就适当降低冷速，也就是减少冷却水流量；
当判定实际冷速落在第1区和第2区内时，就适当增加冷速，也就是要增加冷却水流量。
具体的，所述的三维全流量控制方法根据板形调整流量，当钢板板形发生上凸时，就加大上、下冷却水比值；当钢板板形发生下凹时，就要减小上、下冷却水比值。
具体的，所述的三维全流量控制方法根据硬度和板形综合调整流量，当钢板板形发生变化需要调整水比时，需要选择是改变上流量还是下流量；
对于需要加大水比时，可以增加下流量，也可以减少上流量；此时根据硬度检测情况来综合判定，当板形上凸而硬度不足时，就不仅要增加水比，而且上下部流量要同时增加，以加大冷速，提高钢板的硬度。
本发明技术方案所述的三维全流量控制方法，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
具体的，本技术方案的三维全流量控制方法叙述如下：
1)钢板冷却后板形和硬度的判定：
板形指标划分为基本平直、上凸、下凹和波浪形，如图1所示。
将钢板全板面划分为若干区域(如图2所示)，观察、测量和取样分析其板形和硬度，并分别进行标记。
其中的硬度指标根据目标硬度划分为不足、合格和超标。
对于波浪形的板形，可以对相应区域按照上述板形指标再进行区域细分，直至将各个区域的板形指标划分到基本平直、上凸和下凹三种形式，以利于进行流量调节。
整个划分流程参见图3。
2)根据硬度调整流量的方法：
冷速对合金硬度有着重要的影响，冷速越快，合金的硬度越高，如图3的冷速-硬度曲线所示。但在实际淬火过程中，高的冷速势必会导致钢板内部过大的热应力，大大增加钢板的变形倾向。此外，高的冷速可获得高的强度，但也会显著影响钢板其它的性能。
在第1冷速区，即过慢冷速区内淬火，钢板上可能参与淬火变形部位获得的冷速很低，各部位间温差小，加上各部位都远未淬硬，最终转变产物也基本相同，故变形小。
在第2冷速区内淬火，由于硬度-冷速曲线走势很陡，如图3所示，钢板上参与变形部位之间的较小冷速差都会引起相当大的硬度变化，也即转变产物相当大的组织差和比容差。因此，在第2冷速区淬火时，可能引起淬火变形的因素既有过程中的，也有最终的。这就是在此区淬火变形大的原因。总起来说，在此区淬火后变形大，硬度高低不均，且硬度不足。
在第3冷速区内淬火，冷却速度适当，钢板可以充分淬硬。硬度均匀说明可能参与淬火变形部位的淬火转变产物基本相同，因此，钢板淬火冷却中可能引起淬火变形的过程中的应力也不会很大。结果，最终的淬火变形也就相当小，通常能在允许的公差之内。
在第4冷速区内淬火，钢板可以完全淬硬，但因冷速过快，可能产生淬火变形，也可能伴有淬裂。
因此，应当尽量将钢板冷速调整到第3冷速区内，以得到良好的硬度与板形。当判定实际冷速落在第4区内时，就要适当降低冷速，也就是减少水流量；当判定实际冷速落在第1区和第2区内时，就要适当增加冷速，也就是要增加水流量。
3)根据板形调整流量的方法：
钢板瓢曲通常由上下表面冷却不均引起，造成板面上凸、下凹等板形问题。在同样流量情况下，上水量的冷却能力要大于下水量，因此，为保证钢板上下表面冷却强度均匀和保持良好的平直度，下水量通常要大于上水量。按照习惯，水比定义为下部水量与上部水量之比，由于下部冷却效果要差于上部冷却效果，所以水比一般大于1。
实际观察和理论模拟计算均表明，当钢板上表面的冷却强度大于下表面时，钢板上表面发生组织转变的体积百分数要大于下表面，水冷结束后钢板容易发生上凸；同理，当钢板下表面的冷却强度大于上表面时，水冷结束则会发生下凹。
因此，当钢板板形发生上凸时，就要加大水比；当钢板板形发生下凹时，就要减小水比。
4)根据硬度和板形综合调整流量的方法：
当钢板板形发生变化需要调整水比时，需要选择是改变上流量还是下流量。比如需要加大水比时，可以增加下流量，也可以减少上流量。这个时候就需要根据硬度检测情况来综合判定，当板形上凸而硬度不足时，就不仅要增加水比，而且上下部流量要同时增加，以加大冷速，提高钢板的硬度。
根据板形和硬度指标进行综合判定和流量调节方法见表2。
表2流量综合调整方法
实施例
本发明技术方案的一个具体实施例的主要参数如下：
以某个钢种的20mm厚钢板的固溶处理为例。
1)阀组设计
本实例根据实际冷却板形控制需要，将水冷区纵向划分8个水区，每个水区横向划分为左中右3个区域，上下分开，这样总共设计为6×8＝48个控制阀组，每组包括流量调节阀和开关阀等各一套，根据冷区需要分别设定水流量。
2)初始水比与流量设定
| 水比 | 水区1 | 水区2 | 水区3 | 水区4 | 水区5 | 水区6 | 水区7 | 水区8 |
| 中部 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 |
| 左边部 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| 右边部 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| 流量(m3/h) | 水区1 | 水区2 | 水区3 | 水区4 | 水区5 | 水区6 | 水区7 | 水区8 |
| 上中部 | 78 | 78 | 78 | 78 | 78 | 78 | 78 | 78 |
| 左上边部 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| 右上边部 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| 下中部 | 102 | 102 | 102 | 102 | 102 | 102 | 102 | 102 |
| 左下边部 | 91 | 91 | 91 | 91 | 91 | 91 | 91 | 91 |
| 右下边部 | 91 | 91 | 91 | 91 | 91 | 91 | 91 | 91 |
3)钢板硬度与板形实测
| 头中部 | 头左边 | 头右边 | 中中部 | 中左边 | 中右边 | 尾中部 | 尾左边 | 尾右边 | |
| 硬度 | 不足 | 不足 | 不足 | 合格 | 合格 | 合格 | 不足 | 不足 | 不足 |
| 板形 | 下凹 | 下凹 | 下凹 | 上凸 | 上凸 | 上凸 | 平直 | 平直 | 平直 |
4)头部水比与流量设定修正
| 水比 | 水区1 | 水区2 | 水区3 | 水区4 | 水区5 | 水区6 | 水区7 | 水区8 |
| 中部 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 |
| 左边部 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 |
| 右边部 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 |
| 流量(m3/h) | 水区1 | 水区2 | 水区3 | 水区4 | 水区5 | 水区6 | 水区7 | 水区8 |
| 上中部 | 88 | 88 | 88 | 88 | 88 | 88 | 88 | 88 |
| 左上边部 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 |
| 右上边部 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 |
| 下中部 | 101 | 101 | 101 | 101 | 101 | 101 | 101 | 101 |
| 左下边部 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 |
| 右下边部 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 |
5)中部水比与流量设定修正
| 水比 | 水区1 | 水区2 | 水区3 | 水区4 | 水区5 | 水区6 | 水区7 | 水区8 |
| 中部 | 1.36 | 1.36 | 1.36 | 1.36 | 1.36 | 1.36 | 1.36 | 1.36 |
| 左边部 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 |
| 右边部 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 | 1.35 |
| 流量(m3/h) | 水区1 | 水区2 | 水区3 | 水区4 | 水区5 | 水区6 | 水区7 | 水区8 |
| 上中部 | 78 | 78 | 78 | 78 | 78 | 78 | 78 | 78 |
| 左上边部 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| 右上边部 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| 下中部 | 106 | 106 | 106 | 106 | 106 | 106 | 106 | 106 |
| 左下边部 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 |
| 右下边部 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 |
6)尾部水比与流量设定修正
| 水比 | 水区1 | 水区2 | 水区3 | 水区4 | 水区5 | 水区6 | 水区7 | 水区8 |
| 中部 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 | 1.31 |
| 左边部 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| 右边部 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 | 1.3 |
| 流量(m3/h) | 水区1 | 水区2 | 水区3 | 水区4 | 水区5 | 水区6 | 水区7 | 水区8 |
| 上中部 | 81 | 81 | 81 | 81 | 81 | 81 | 81 | 81 |
| 左上边部 | 73 | 73 | 73 | 73 | 73 | 73 | 73 | 73 |
| 右上边部 | 73 | 73 | 73 | 73 | 73 | 73 | 73 | 73 |
| 下中部 | 106 | 106 | 106 | 106 | 106 | 106 | 106 | 106 |
| 左下边部 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 |
| 右下边部 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 | 95 |
7)修正设定后钢板硬度与板形实测
当钢板头部经过水冷区时按照头部修正后的流量进行设定，同理，对钢板中部和尾部按照修正后的流量进行设定，冷却后实物硬度合格，板形平直。
| 头中部 | 头左边 | 头右边 | 中中部 | 中左边 | 中右边 | 尾中部 | 尾左边 | 尾右边 | |
| 硬度 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 | 合格 |
| 板形 | 平直 | 平直 | 平直 | 平直 | 平直 | 平直 | 平直 | 平直 | 平直 |
本发明技术方案所提供的钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，针对在线固溶处理技术应用中钢板轧后冷却板形不良的瓶颈问题，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
Claims (6)
1.一种钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，其特征是：
所述的三维全流量控制方法针对在线固溶处理技术应用中钢板轧后冷却板形不良的瓶颈问题，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
2.按照权利要求1所述的钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，其特征是所述的三维全流量控制方法首先进行钢板冷却后板形和硬度的判定，将钢板全板面划分为若干区域，观察、测量和取样分析其板形和硬度，并分别进行标记；其中的硬度指标根据目标硬度划分为不足、合格和超标；板形指标划分为基本平直、上凸、下凹和波浪形；
对于波浪形的板形，可以对相应区域按照上述板形指标再进行区域细分，直至将各个区域的板形指标划分到基本平直、上凸和下凹三种形式，以利于进行流量调节。
3.按照权利要求1所述的钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，其特征是所述的三维全流量控制方法将钢板全板面划分为第1冷速区、第2冷速区、第3冷速区和第4冷速区；
所述的三维全流量控制方法采用根据硬度调整流量的方法，将钢板冷速调整到第3冷速区内，以得到良好的硬度与板形；
当判定实际冷速落在第4区内时，就适当降低冷速，也就是减少冷却水流量；
当判定实际冷速落在第1区和第2区内时，就适当增加冷速，也就是要增加冷却水流量。
4.按照权利要求1所述的钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，其特征是所述的三维全流量控制方法根据板形调整流量，当钢板板形发生上凸时，就加大上、下冷却水比值；当钢板板形发生下凹时，就要减小上、下冷却水比值。
5.按照权利要求1所述的钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，其特征是所述的三维全流量控制方法根据硬度和板形综合调整流量，当钢板板形发生变化需要调整水比时，需要选择是改变上流量还是下流量；
对于需要加大水比时，可以增加下流量，也可以减少上流量；此时根据硬度检测情况来综合判定，当板形上凸而硬度不足时，就不仅要增加水比，而且上下部流量要同时增加，以加大冷速，提高钢板的硬度。
6.按照权利要求1所述的钢板在线固溶处理的三维全流量控制方法，其特征是所述的三维全流量控制方法，利用纵向、横向和上下三维全流量可控的轧后冷却装置，根据冷却后钢板的硬度和板形，对冷却装置进行三维全流量控制，确保了在线固溶处理的钢板在轧后冷却后硬度和板形。
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