CN107971351A - 用于钢管在线冷却的生产装置和生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢管生产在线热处理技术，尤其涉及一种用于钢管在线冷却的生产装置和生产方法。本发明通过在定径机（7）后主输送辊道（1）线旁设置并行的在线冷却生产装置，该生产装置包括二套翻管机构（3、6）、一条在线冷却辊道（4）运输线和一套在线冷却设备（5），能实现对热轧无缝钢管（2）轧后在线均匀冷却。并通过在线冷却设备合理布置，实现了钢管径向温度梯度控制；通过钢管在线冷却的过程控制系统，实现钢管轧后在线冷却的全自动控制，满足钢管产品在终冷温度、冷却速率、管面温度均匀性以及冷却后管形等方面的工艺要求；通过钢管在线冷却的基础自动化控制系统，实现钢管在线冷却多变的工艺流程，确保生产稳定与顺行。

Description

用于钢管在线冷却的生产装置和生产方法

技术领域

本发明涉及钢管生产在线热处理技术，尤其涉及一种用于钢管在线冷却的生产装置和生产方法。

背景技术

对于热轧无缝钢管生产工艺，考虑到轧线稳定性及生产顺畅性，为降低金属材料在穿管及轧管变形过程中的变形抗力，目前管坯的加热和成形过程通常要求在较高的温度范围内进行。高温加热及高温变形将导致在钢管生产中难以利用控制轧制手段，即通过奥氏体再结晶与未再结晶区两阶段轧制变形实现细化晶粒的目的，导致奥氏体组织呈显著的粗化趋势。但由于缺乏轧后冷却手段，以往无缝钢管热轧工艺通常是在钢管定径后，采取在冷床上空冷的方式冷却至室温，基本达不到调控显微组织、改善综合力学性能等目的。

如需得到较高强度的钢管，或者需要改善钢管的综合力学性能，则需要对钢管进行离线热处理，即需要对钢管重新进行加热，则必然大大增加了钢管的生产成本，而且造成了能源浪费。由于热处理节奏较慢，能力有限，会直接影响产能的提高。虽然离线热处理已经可以实现外淋内喷的冷却方式，但其可处理的钢管长度受到极大限制，一般最长只能加工13m长的钢管。

目前国内外有部分研究机构及厂家开展了热轧无缝钢管轧后控冷的试验性研究，但目前主要集中在在线常化（加热）工艺和直接在线淬火工艺等方面，工艺较为单一，同时未在产品上大批量应用，仅仅用于少量产品的性能改善等方面。

专利CN1951589A 公开了一种无缝钢管的在线冷却方法，采用斜锥形辊道，辊道轴向与无缝钢管前进方向成5～85°角度，使得无缝钢管以螺旋方式前进，开通冷却区域的冷却水喷向钢管，对无缝钢管进行冷却。由于采用斜锥形辊道，使钢管螺旋式前进，即保证钢管向前运行，又使其沿周向转动，周向的转动有利于周向的均匀冷却，并且换热快，从而保证冷却后不发生弯曲变形。

CN101157096A 公开了一种热轧无缝钢管在线控制冷却的工艺方法，该方法是通过控制冷却系统实现的，包括步骤：启动风机、水泵；控制冷却装置开始工作；从三辊微张力定径机轧制的热轧无缝钢管，其轧后温度在950℃～980℃之间，当无缝钢管尾部未完全轧出定径机最末机架时，无缝钢管不发生旋转；当无缝钢管尾部完全脱离最末机架，并被热金属检测器检测到时，可变角度辊道同时在水平面上按设定角度倾斜，使无缝钢管以自身轴线沿轧制方向螺旋前进；直至整根无缝钢管完全通过；最终达到工艺要求的冷却速度；随后进入所述链式冷床实施空冷至室温。

专利CN101396695A 公开了一种热轧无缝钢管在线加速冷却装置及方法，其特征在于：将对椎形辊道组分为两套辊道组，在每套对椎形辊道组的下面装配有一套水平旋转机构和一套电气元件控制设备，使每套辊道组都成为可变角度辊道组，且每套可变角度辊道组的长度均至少等于生产钢管的长度。使用方法为：通过改变可变角度辊道组的角度，使热轧无缝钢管完全通过定径机后，运动方式由水平前进变为螺旋前进。

以上这些装置布置在钢管主运输辊道上，对生产节奏影响较大，一旦故障或者需要检修就必须停产。并且，这些装置和方法仅配备基础自动化控制系统，也没有有效的去除管内残余水的措施，对冷却后的钢管难以达到较高的控制精度和较好的冷却均匀性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于钢管在线冷却的生产装置和生产方法，本发明能实现钢管在线冷却及全自动控制，不仅可满足更多规格钢管在线冷却的各种工艺需求，而且不影响非冷却钢管的生产顺行。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于钢管在线冷却的生产装置，其特征是：

所述在线冷却生产装置并行设置于定径机后主输送辊道线旁；

所述在线冷却生产装置包括：前端翻管机构和后端翻管机构、一条在线冷却辊道线、在线冷却设备、钢管检测装置、钢管在线冷却基础自动化控制系统L1和钢管在线冷却的过程控制系统L2；

所述基础自动化控制系统L1是所述在线冷却生产装置的基础控制系统；所述过程控制系统L2包括预设定计算模块、前馈控制计算模块、反馈控制计算模块，反馈控制计算模块包括反馈控制模块和自适应学习计算模块；所述基础自动化控制系统L1接收过程控制系统L2对其提供的工艺和控制参数的设定值，并且在所述基础自动化控制系统L1执行后将其控制和检测的实际值上传给所述过程控制系统L2，同时，将钢管检测装置的检测信号和控制信号上传至所述基础自动化控制系统L1；

所述钢管检测装置包括热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、高温计T，若干个热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、高温计T分别设置于主输送辊道线和在线冷却辊道线上；

所述前端翻管机构和后端翻管机构位于在线冷却辊道线的前端和后端，在线冷却设备安装于在线冷却辊道线上。

进一步，所述在线冷却辊道线分为三段，以在线冷却辊道线上设置的每二个一组的高温计T来划分，该二个高温计相距较近，对同一点测温，互为后备；第一段为高温计T1/2之前的辊道称为冷前辊道；第二段为高温计T1/2和高温计T3/4之间的辊道称为冷却辊道；第三段为高温计T3/4之后的辊道称为冷后辊道；钢管在冷却辊道运行期间，在线冷却设备对钢管进行冷却处理。

更进一步，所述在线冷却生产装置还包括钢管内滞留水清除装置，钢管内滞留水清除装置为气吹装置，气吹装置本体为圆环，钢管能穿过圆环行进；所述气吹装置安装于在线冷却辊道线的冷后辊道上，所述冷后辊道有一定坡度，为斜坡辊道。

进一步，所述在线冷却设备包括多组喷环，多组喷环分段设置，喷环本体上沿圆环周边安装有若干个喷嘴，喷嘴设置不同的喷水角度能实现对钢管外壁周向和钢管内壁喷射冷却。

更进一步，所述在线冷却设备包括移动式内喷轴流冷却装置，移动式内喷轴流冷却装置设置在多组喷环中间空缺位置上，所述移动式内喷轴流冷却装置包括上下升降驱动装置、前后移动驱动装置、支架和移动式内喷轴流喷管，移动式内喷轴流喷管安装于支架上并向前伸出，支架被上下升降驱动装置驱动能上下移动，支架被前后移动驱动装置驱动能沿冷却辊道前后移动。

一种用于钢管在线冷却的生产方法，其特征是：

钢管在线冷却过程控制系统L2接收上位机系统下发的钢管原始数据和冷却目标工艺数据，根据前工序的钢管实测数据，经过模型运算，该模型包括预设定计算模块、前馈控制计算模块、反馈控制计算模块，向钢管在线冷却基础自动化系统L1设定在线冷却区钢管运行速度曲线、喷环组态、冷却水压力和流量，实现钢管在线冷却过程的自动控制；

钢管在线冷却基础自动化控制系统L1接收到轧线系统信息和在线冷却过程控制系统L2信息后，钢管被在定径机出口处的热金属检测器HMD1触发后，该热金属检测器HMD1安装于主输送辊道线，即表示冷却钢管跟踪开始：

第一步，所述基础自动化控制系统L1根据轧线系统发送的钢管规格，以及有利于钢管进入在线冷却生产装置的最佳位置，确定钢管在主输送辊道线停止位置；

第二步，翻管机构动作，所述基础自动化控制系统L1的翻管机构控制系统控制前端翻管机构回转臂将钢管翻转至在线冷却辊道，钢管在冷却辊道的位置是冷前辊道；

第三步，钢管在线冷却设备内控制，首先，所述基础自动化控制系统L1的在线冷却辊道控制系统根据所述过程控制系统L2下达的冷却速度曲线及钢管所处位置，及确定钢管在冷却区前后的速度曲线，确保在线冷却辊道按此速度曲线平稳、精准运行；其次，所述基础自动化控制系统L1的在线冷却设备控制系统根据泵站下达的冷却总水量、压力，以及所述过程控制系统L2下达的喷环组数、位置、各个喷环的流量，通过PLC各个控制模块，实现位置、流量的精准控制；同时，根据钢管规格及钢管位置实现钢管的内喷控制；

第四步，当钢管尾部离开冷却区域后，在钢管在线冷却设备后布置有一定落差的斜坡辊道，并在所述基础自动化控制系统L1的钢管内滞留水清除装置控制系统的控制下，通过加速急停和尾部气吹，清除钢管内部滞留的残余冷却水；

第五步，所述基础自动化控制系统L1按照钢管生产轧线冷床基础自动化系统下达的钢管停止位置，将钢管停止到位后，后端翻管机构动作，所述基础自动化控制系统L1的翻管机构控制系统控制后端翻管机构回转臂将钢管翻转至轧线主辊道；

第六步，将该钢管进行实际冷却效果喷号；

第七步，所述基础自动化控制系统L1将所有收集的实际数据上传给所述过程控制系统L2。

进一步，在钢管跟踪区间，为保证钢管位置准确，跟踪区间利用热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、高温计T所在位置作为修正点位，在钢管行进过程中将金属检测器及高温计触发时所对应的位置赋值给钢管每段跟踪的头部及尾部位置，并对其进行判断。

进一步，所述过程控制系统L2的模型运算为：当钢管出定径机后，位于定径机出口的热金属检测器HMD检测得到钢管，触发预设定计算模块；当钢管头部进入冷前高温计T1/2位置时，冷前高温计T1/2测得钢管实测温度后，启动前馈控制计算模块，当钢管尾部离开冷前高温计T1/2位置时，前馈控制计算结束；当钢管头部进入冷后高温计T3/4位置时，冷后高温计T3/4测得钢管实测温度后，启动反馈控制计算模块，当钢管尾部离开冷后高温计T3/4位置时，反馈控制计算结束；所述反馈控制计算模块包括反馈控制模块和自适应学习计算模块。

进一步，所述在线冷却辊道的控制方法是：

第一，当设置于主输送辊道线的热金属检测器HMD1检测到定径机出来的钢管时，该热金属检测器HMD1触发，主输送辊道线启动，钢管向前运行，当设置于主输送辊道线的热金属检测器HMDX检测到钢管时，其中X为自然数，且1 < X < 6，该热金属检测器HMDX触发，此时主输送辊道线停止，若冷前辊道无钢管，前端翻管机构的回转臂启动将钢管翻转至冷前辊道；

第二，待设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD6/7检测到钢管N秒后，前端翻管机构回转臂实际转角大于设定的放钢角度，冷前辊道按设定速度立即启动，并以设定的速度曲线运行；

第三，待钢管尾部出冷前辊道后，冷前辊道自动停止；冷前高温计T1/2触发后，冷却辊道自动启动，待钢管尾部出冷却辊道后，冷却辊道自动停止；冷后高温计T3/4触发，冷后辊道自动启动，后端翻管机构的回转臂处于零位；钢管在冷却辊道运行期间，在线冷却设备对钢管进行冷却处理；

第四，当钢管尾部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD8或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD1处时，或者当钢管头部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD12或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD5处时，钢管开始减速；当钢管尾部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD9或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD2时，或者当钢管头部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD13或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD6时，钢管停止运行；

第五，钢管在线冷却完成后，后端翻管机构的回转臂启动将钢管翻转至冷床前的主输送辊道线，再利用主输送辊道线旁与冷床间的翻管机构将该钢管翻至冷床上。

本发明用于钢管在线冷却的生产装置和生产方法通过在定径机后主输送辊道线旁设置并行的在线冷却生产装置，包括二套翻管机构、一条在线冷却辊道运输线和一套在线冷却设备，设计了完善的钢管检测装置和跟踪技术，实现对热轧无缝钢管轧后在线均匀冷却，并通过在线冷却设备合理布置，实现了钢管径向温度梯度控制；通过钢管在线冷却的过程控制系统，实现钢管轧后在线冷却的全自动控制，满足钢管产品在终冷温度、冷却速率、管面温度均匀性以及冷却后管形等方面的工艺要求；通过钢管在线冷却的基础自动化控制系统，包括辊道控制技术以及去除管内残余水等控制技术，实现钢管在线冷却多变的工艺流程，确保生产稳定与顺行。

本发明不仅可满足更多规格钢管在线冷却的各种工艺需求，而且不影响非冷却钢管的生产顺行，有效解决了无缝钢管产品生产过程中无法在线调控组织，过度依赖离线热处理而导致的高生产成本、较低生产效率以及可冷却钢管长度受限等问题。

本发明能实现钢管在线冷却及全自动控制，冷却后钢管终冷温度精确、性能及形状良好；在线冷却生产装置与主轧线的并行设置，可以对批量生产中的任意钢管进行在线冷却处理，并且在冷却装置检修维护时也不影响非冷却钢管的生产顺行。

附图说明

图1为本发明用于钢管在线冷却的生产装置布置示意图；

图2为钢管在线冷却过程控制方法示意图；

图3为钢管在线冷却过程控制系统启动时序示意图；

图4为钢管在线冷却基础自动化控制系统与其相关系统的信息通讯示意图；

图5为钢管在线冷却设备结构示意图；

图6为钢管内滞留冷却水清除装置示意图。

图中：1主辊道（主输送辊道），2钢管，3前端翻管机构，4冷却辊道（在线冷却辊道），5在线冷却设备，6后端翻管机构，7定径机，8冷床，9钢管检测装置；

11喷环，111喷环本体；12移动式内喷轴流冷却装置，121移动式内喷轴流喷管，122支架，123前后驱动装置，124上下驱动装置；31气喷装置，32辊道垫片。

图2和图3中的冷却区入口高温计SCT对应于图1中的高温计T1/2（冷前高温计T1/2），图2和图3中的冷却区出口高温计FCT对应于图1中的高温计T3/4（冷后高温计T3/4）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，一种用于钢管在线冷却的生产装置，并行设置于定径机后主输送辊道1线旁；所述在线冷却生产装置包括：前端翻管机构3和后端翻管机构6、一条在线冷却辊道4线、在线冷却设备5、钢管检测装置、钢管在线冷却基础自动化控制系统L1和钢管在线冷却的过程控制系统L2，实现对热轧无缝钢管轧后在线均匀冷却。

所述前端翻管机构3和后端翻管机构6为斯惠顿翻管机构。斯惠顿杠杆是以圆周方式搬移物体的一种机构，主要用于生产线上搬移钢管、棒材和型材。其结构独特，通过微调可以使托举钢管的V型槽始终处于垂直位置，通过圆周运动将钢管从一个工位搬移到另一个工位，避免了钢管表面擦伤，且运行平稳快速。（可参见《重型机械》1995年第01期，斯惠顿杠杆的研究，作者肖永力，徐丽）

所述前端翻管机构3和后端翻管机构6位于在线冷却辊道4线的前端和后端，在线冷却设备5安装于在线冷却辊道4线上。钢管2从定径机7后主输送辊道线通过前端翻管机构3，将需要在线冷却的热轧无缝钢管翻至在线冷却辊道线上。钢管2经过在线冷却设备5对钢管外壁周向和钢管内部进行在线控制冷却。在线冷却完成后，通过后端翻管机构6，将该钢管2翻回至冷床8前主输送辊道线上，再利用主输送辊道线旁与冷床间的翻管机构将该钢管2翻至冷床8上。在线冷却辊道线上的辊道4按照一定角度进行倾斜设计，使钢管2在冷却辊道4上旋转前进，以保证钢管冷却均匀。

所述在线冷却设备包括多组喷环11和移动式内喷轴流冷却装置12，具备分段式内外喷射冷却特点，参见图5。多组喷环11为分段设置，喷环本体111上沿圆环周边安装有若干个喷嘴，一个喷环本体上的喷嘴角度设置相同；多个喷环本体的喷嘴设置不同的喷水角度能实现对钢管2外壁周向和钢管内壁喷射冷却。喷环11为对钢管外壁进行冷却喷射，喷环本体111上的喷嘴的喷射角度为30˚～150˚，可实现沿着钢管行进方向喷射，也可以逆着钢管行进方向喷射，还可以与钢管轴向垂直进行喷射冷却。前部喷环与后部喷环之间有一定距离的间隔，以便于满足钢管的特殊冷却需求，比如水冷结束后空冷一段时间后再进行水冷的分段冷却；或者对难以淬透的钢管实施内部轴向喷射内冷，即采用移动式内喷轴流冷却装置，参见图5，以降低钢管的内外壁温差，提高在线冷却均匀性，有效改善钢管综合力学性能。

对行进中的钢管实施内冷有很大的难度，因此以前的钢管在线冷却大都只是冷却外表面，对于薄壁钢管（20mm以下）或者淬透性好的较厚钢板，可以有效淬透，但对于厚壁钢管或者淬透性较差的钢管，就无法淬透，会造成内外冷却速率差异较大，易于在组织中出现异常粗大组织而造成组织不均匀现象，同时还出现强度不合或强度富余量不足等问题。本发明通过在钢管在线喷环冷却装置之间设置移动式内喷轴流冷却装置12，降低了钢管的内外壁温差，提高在线冷却均匀性，有效改善了钢管综合力学性能。所述移动式内喷轴流冷却装置12包括上下升降驱动装置124、前后移动驱动装置123、支架122和移动式内喷轴流喷管121，移动式内喷轴流喷管121安装于支架122上并向前伸出，支架122被上下升降驱动装置124驱动能上下移动，支架122被前后移动驱动装置123驱动能沿冷却辊道前后移动。参见图5。

为检测跟踪钢管的运行位置，实现钢管全长的温度控制精度，在钢管生产轧线主输送辊道线和在线冷却辊道线上分别设置若干个热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、弯曲测量仪HBD、高温计T。所述钢管检测装置包括热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、高温计T、弯曲测量仪HBD。

所述在线冷却辊道4线分为三段，以在线冷却辊道线上设置的每二个一组的高温计T来划分，该二个高温计相距较近，对同一点测温，互为后备。第一段为高温计T1/2之前的辊道称为冷前辊道，即图1中标示为的区域；第二段为高温计T1/2和高温计T3/4之间的辊道称为冷却辊道，即图1中标示为的区域；第三段为高温计T3/4之后的辊道称为冷后辊道，即图中标示为的区域。钢管2在冷却辊道运行期间，在线冷却设备5对钢管2进行冷却处理。根据钢管实时跟踪位置及金属检测器检测信号来控制在线冷却辊道4运行启停。

所述在线冷却生产装置还包括钢管内滞留水清除装置，钢管内滞留水清除装置为气吹装置31，气吹装置本体为圆环，钢管能穿过圆环行进；所述气吹装置31安装于在线冷却辊道4线的冷后辊道上，所述冷后辊道有一定坡度，为斜坡辊道。参见图6，图6所示为在线冷却辊道4线按一定坡度依次降低，钢管2下坡运行。通过在钢管在线冷却设备5后布置有一定坡度的在线冷却辊道线（输送辊道线），以及设置气吹装置31，并配合加速、高速急停和端部气吹等方法，可以有效清除钢管2内部滞留的残余冷却水，消除导致钢管冷却不均匀的不利因素，也避免钢管输送过程中的钢管内不断排水造成相关电气设备故障。图6中，9为钢管检测装置，32为辊道垫片。

所述基础自动化控制系统L1是所述在线冷却生产装置的基础控制系统。所述基础自动化控制系统L1包括翻管机构控制系统、在线冷却辊道控制系统、在线冷却设备控制系统、钢管内滞留水清除装置控制系统。

所述过程控制系统L2包括预设定计算模块、前馈控制计算模块、反馈控制计算模块，反馈控制计算模块包括反馈控制模块和自适应学习计算模块。

钢管在线冷却基础自动化控制系统L1与其相关系统的信息通讯，参见图4，

首先，所述基础自动化控制系统L1接收过程控制系统L2（即图4框中的钢管在线冷却模型控制计算机）对其提供的工艺和控制参数的设定值，并且在所述基础自动化控制系统L1执行后将其控制和检测的实际值上传给所述过程控制系统L2（如图4①），同时，将钢管在线冷却生产装置的相关检测装置的检测信号和控制信号上传至所述基础自动化控制系统L1（如图4②）。

其次，所述基础自动化控制系统L1与液压系统和泵站供水系统进行信息交互（如图4③和④），液压系统与在线冷却设备的喷环位置控制紧密相关，泵站供水系统与在线冷却设备的喷环水量供给紧密相关。

再次，所述钢管在线冷却基础自动化控制系统L1与钢管生产轧线过程控制系统和基础自动化系统的信息通讯（如图4⑤⑥），以及所述基础自动化控制系统L1与钢管生产轧线冷床基础自动化系统的信息通讯（如图4⑦），以保证新增的钢管在线冷却生产装置不影响原钢管轧制生产节奏，了解前后工序生产过程的实际情况，掌握轧线状态，以免因为信息错误造成钢管轧制产线的控制失灵。

根据生产工艺需求，钢管头部进入定径区后，钢管生产轧线过程控制系统将一个批次的管坯原始数据PDI及冷却目标工艺信息发送给钢管在线冷却过程控制系统L2；在钢管2头部到达定径机7后热金属检测器HMD1时，钢管生产轧线过程控制系统将该批次当前钢管2的前机台（定径机前所有的工序）实测值（如温度、壁厚、外径、长度等）、管坯原始数据PDI及冷却目标工艺数据发送给在线冷却过程控制系统L2；所述在线冷却过程控制系统L2根据接收到的管坯原始数据PDI及冷却目标工艺，确定钢管是否需要进入在线冷却区进行水冷，并向在线冷却基础自动化系统L1发送相应指令。在线冷却基础自动化系统L1将是否需要翻管的指令发送给钢管生产轧线基础自动化系统，由钢管生产轧线基础自动化系统完成定径机后主辊道1的控制。参见图1。

（1）不需要冷却的钢管

钢管2出定径机7后，根据钢管生产工艺需求不需要冷却的钢管或者弯曲测量仪HBD 检测到头部弯曲较大无法冷却的钢管，沿主输送辊道1行进到冷床8旁时，由翻管机将钢管翻转到指定冷床8上。钢管运行路线如图1（定径机→①→②→③→→→冷床）所示。

（2）需要冷却的钢管

根据钢管生产工艺需求需要冷却的钢管2，且弯曲测量仪HBD检测到的头部弯曲量正常时，该钢管2可正常进入在线冷却区。

一种用于钢管在线冷却的生产方法，钢管在线冷却过程控制系统L2接收上位机系统下发的钢管原始数据和冷却目标工艺数据，根据前工序的钢管实测数据，经过在线冷却模型运算，该模型包括预设定计算模块、前馈控制计算模块、反馈控制计算模块，向钢管在线冷却基础自动化系统L1设定在线冷却区钢管运行速度曲线、喷环组态、冷却水压力和流量，实现钢管在线冷却过程的自动控制。

钢管在线冷却基础自动化控制系统L1接收到轧线系统信息和在线冷却过程控制系统L2信息后，钢管被在定径机出口处的热金属检测器HMD1触发后，该热金属检测器HMD1安装于主输送辊道线，即表示冷却钢管跟踪开始：参见图1，

第一步，所述基础自动化控制系统L1根据轧线系统发送的钢管规格，以及有利于钢管进入在线冷却生产装置的最佳位置，确定钢管2在主输送辊道1停止位置。如钢管头部到达热金属检测器HMD4/5时，由轧线基础自动化控制系统完成减速和停止。

第二步，翻管机构动作，所述基础自动化控制系统L1的翻管机构控制系统控制前端翻管机构3回转臂将钢管2翻转至在线冷却辊道4，钢管2在冷却辊道4的位置是冷前辊道。为了加快翻管时间，对前端翻管机构回转臂零位进行了优化设置，即零位不再固定在垂直位置，而是设置在辊道下侧一定角度，从而加快钢管的托举时间，缩短翻钢时间，加快在线冷却生产节奏。

第三步，钢管在线冷却设备内控制，参见图2和图3。首先，在钢管出定径机后，位于定径机出口的热金属检测器HMD检测得到钢管，触发所述在线冷却过程控制系统L2预设定计算模块，并将相应结果发送到在线冷却基础自动化控制系统L1，由在线冷却基础自动化控制系统L1进行预先调整；所述基础自动化控制系统L1的在线冷却辊道控制系统根据所述过程控制系统L2下达的冷却速度曲线及钢管所处位置，及确定钢管在冷却区前后的速度曲线，确保在线冷却辊道按此速度曲线平稳、精准运行。其次，当钢管头部到达冷前高温计T1/2时，根据实测温度，触发所述过程控制系统L2前馈控制计算模块；当钢管尾部离开冷前高温计T1/2时，前馈控制计算结束；钢管头部通过冷后高温计T3/4后，触发所述过程控制系统L2反馈控制计算模块；钢管尾部离开冷后高温计T3/4后，结束所述过程控制系统L2反馈控制计算；在线冷却模型计算结束；所述反馈控制计算模块包括反馈控制模块和自适应学习计算模块。所述基础自动化控制系统L1的在线冷却设备控制系统根据泵站下达的冷却总水量、压力，以及所述过程控制系统L2下达的喷环组数、位置、各个喷环的流量，通过PLC各个控制模块，实现位置、流量的精准控制；同时，根据钢管规格及钢管位置实现钢管的内喷控制。

第四步，当钢管2尾部离开冷却区域后，在钢管在线冷却设备5后布置有一定落差的斜坡辊道4，参见图6，并在所述基础自动化控制系统L1的钢管内滞留水清除装置控制系统的控制下，通过控制辊道从而控制钢管加速、高速急停的方法，以及钢管尾部的气吹装置31向钢管吹气，可以有效清除钢管2内部滞留的残余冷却水，消除导致钢管冷却不均匀的不利因素，也避免钢管输送过程中的钢管内不断排水造成相关电气设备故障。

第五步，所述基础自动化控制系统L1按照钢管生产轧线冷床基础自动化系统下达的钢管停止位置，将钢管2停止到位后，后端翻管机构6动作，所述基础自动化控制系统L1的翻管机构控制系统控制后端翻管机构回转臂将钢管翻转至轧线主辊道。后端翻管机构动作同第二步。

第六步，将该钢管2进行实际冷却效果喷号；

第七步，所述基础自动化控制系统L1将所有收集的实际数据上传给所述过程控制系统L2。

至此，一根钢管在线冷却控制结束。钢管运行路径如图1（定径机→①→②→③→→→→→冷床）所示。

在钢管跟踪区间，为保证钢管位置准确，跟踪区间利用热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、高温计T所在位置作为修正点位，在钢管行进过程中将金属检测器及高温计触发时所对应的位置赋值给钢管每段跟踪的头部及尾部位置，并对其进行判断。

一种钢管在线冷却的辊道控制方法，根据钢管实时跟踪位置及金属检测器检测信号来控制辊道运行和启停，其步骤是：参见图1，

第一，当设置于主输送辊道1线的热金属检测器HMD1检测到定径机7出来的钢管2时，该热金属检测器HMD1触发，主输送辊道1线启动，钢管2向前运行，当设置于主输送辊道线的热金属检测器HMDX检测到钢管2时，其中X为自然数，且1 < X < 6，该热金属检测器HMDX触发，此时主输送辊道1线停止，若冷前辊道无钢管，前端翻管机构3的回转臂启动将钢管2翻转至冷前辊道4。

当所述定径机7出来的钢管2为三倍尺钢管时，以设置于主输送辊道线的热金属检测器HMD4热检信号作为主输送辊道减速触发信号，以设置于主输送辊道线的热金属检测器HMD5热检信号作为主输送辊道停止触发信号。

第二，待设置于在线冷却辊道4线的热金属检测器HMD6/7检测到钢管N秒后，其中，N取6，以防止误信号，即热金属检测器HMD6/7检测到钢管6秒后，前端翻管机构3回转臂实际转角大于设定的放钢角度，使钢管2能放置于冷前辊道4上，并且回转臂脱离冷前辊道，冷前辊道按设定速度立即启动，并以过程控制系统L2设定的速度曲线运行。

第三，待钢管2尾部出冷前辊道后，冷前辊道自动停止；冷前高温计T1/2触发后，冷却辊道自动启动，待钢管尾部出冷却辊道后，冷却辊道自动停止；冷后高温计T3/4触发，冷后辊道自动启动，后端翻管机构6的回转臂处于零位；钢管2在冷却辊道4运行期间，在线冷却设备5对钢管2进行冷却处理。

第四，当钢管2尾部到达设置于在线冷却辊道1线的热金属检测器HMD8或设置于在线冷却辊道4线的冷金属检测器CMD1处时，或者当钢管2头部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD12或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD5处时，钢管2开始减速；当钢管2尾部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD9或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD2时，或者当钢管头部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD13或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD6时，钢管2停止运行。

第五，钢管2在线冷却完成后，后端翻管机构6的回转臂启动将钢管2翻转至冷床8前的主输送辊道1线，再利用主输送辊道线旁与冷床间的翻管机构将该钢管2翻至冷床8上。

通过钢管在线冷却过程控制系统L2，实现钢管轧后在线冷却的全自动控制，满足钢管产品在终冷温度、冷却速率、管面温度均匀性以及冷却后管形平直等方面的工艺要求，并接收在线冷却过基础自动化控制系统L1采集的钢管冷却实绩数据，分析整理后形成报表发送给生产执行系统（上位机系统）。

钢管在线冷却过程控制系统L2根据接收到的管坯原始数据PDI、实测数据及冷却目标工艺数据，经过模型运算，该模型包括预设定计算、前馈控制计算、反馈控制计算和自学习计算，设定在线冷却区钢管运行速度曲线、喷环组态、冷却水压力和流量，实现对钢管终冷温度的控制，使其力学性能达到预定质量要求。各控制功能的启动时序如图3所示，图3为钢管在线冷却过程控制系统启动时序示意图。

钢管在线冷却过程控制系统L2通过灵活多样的冷却策略，不仅可以实现终冷温度的精确控制，还可以实现对钢管的冷却速率和冷却路径的控制，即实现对钢管内部组织相变的控制，使其金相组织结构达到预定质量要求，可以达到以水代金、节省合金和提高冷却后钢管强韧性的目的。

通过钢管在线冷却基础自动化控制系统L1，实现钢管在线冷却多变的工艺流程和均匀冷却，确保生产稳定与顺行。

实施例

在线冷却辊道线布置在主输送辊道线旁，采用V型辊道，呈一定的角度倾斜布置。在线冷却辊道线采用变频电机、齿轮减速器配置，并采用带有一定角度的倾斜布置。在线冷却辊道可以正反向旋转。在自动条件下只能正向旋转。在手动条件下，可以正反向旋转。手动条件下反向旋转的目的，是将不需冷却的钢管运输至启动位置。

在一定间隔长度范围内，部分在线冷却辊道配置有编码器，用于钢管的位置精确跟踪。在线冷却辊道运输线两侧需设置钢管防护装置。考虑到冷却过程冷却水喷溅等因素，在线冷却区域辊道电机要选择具有高防护等级的电机（防护等级达到IP67）。

在钢管生产轧线主输送辊道线上和在线冷却辊道线上分别设置若干个热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、弯曲测量仪HBD、高温计T。其中：6台高温计T（红外测温仪），用于检测钢管的表面温度；13台热金属检测器HMD、14台冷金属检测器CMD，用于确定钢管的位置从而进行钢管跟踪，并启动控制冷却的各种控制功能；1台弯曲测量仪HBD。

对于需要冷却的钢管的生产方法：参见图1，

根据钢管生产工艺需求需要冷却的钢管，在钢管头部出定径机7，且弯曲测量仪HBD检测到的钢管2头部弯曲量正常时，该钢管可正常进入在线冷却区。钢管2头部到达热金属检测器HMD4/5时，由轧线基础自动化系统完成减速和停止，由在线冷却基础自动化系统L1控制前端翻管机构3完成翻管，将钢管2放置于在线冷却辊道4线上，将进行钢管在线冷却处理，同时在线冷却过程控制系统L2进行预设定计算，并将相应结果发送到在线冷却基础自动化系统L1，由在线冷却基础自动化系统L1进行预先调整。钢管头部到达冷前高温计T1/2时，根据实测温度，触发在线冷却过程控制系统L2前馈控制计算；钢管头部通过冷后高温计T3/4后，触发在线冷却过程控制系统L2反馈控制计算和自适应学习；钢管尾部离开冷后高温计T3/4后，结束在线冷却过程控制系统L2在线冷却模型计算。钢管2尾部（头部）到达热金属检测器HMD9/冷金属检测器CMD2（热金属检测器HMD13/冷金属检测器CMD6）时，钢管停止运行，由后端翻管机构6将钢管2翻转到主输送辊道1上，再由主输送辊道上翻管机将其翻转到指定冷床8。钢管运行路径如图1（定径机→①→②→③→→→→→冷床）所示。

相应的在线冷却辊道4运行启停控制如下：参见图1，

当热金属检测器HMD4、热金属检测器HMD5触发，此时主输送辊道1停止，若在线冷却辊道4的冷前辊道无钢管，前端翻管机构3回转臂启动将钢管2翻转至冷前辊道，待热金属检测器HMD6/7检测到钢管6s后（防止误信号），前端翻管机构3回转臂实际转角大于设定的放钢角度，冷前辊道按设定速度立即启动，冷前辊道以恒定加速度运行。待钢管2尾部出冷前辊道后，冷前辊道自动停止；冷前高温计T1/2触发后，冷却辊道自动启动，待钢管2尾部出冷却辊道后，冷却辊道自动停止；冷后高温计T3/4触发，后端翻管机构6回转臂处于零位，冷后辊道自动启动，当钢管2尾部（头部）到达热金属检测器HMD8/冷金属检测器CMD1（热金属检测器HMD12/冷金属检测器CMD5）处时，钢管2开始减速；钢管尾部（头部）到达热金属检测器HMD9/冷金属检测器CMD2（热金属检测器HMD13/冷金属检测器CMD6）时，钢管停止运行。钢管2在在线冷却辊道4线的冷却辊道运行期间，在线冷却设备5对钢管2进行冷却处理。

特殊生产方法的设计

除了根据管坯原始数据PDI信息进行的全自动控制功能以外，在线冷却控制系统设计有灵活多变的控制策略，在有突发情况或特殊功能需求时，可以随时通过人工干预实现相应的控制功能：

（1）部分冷却功能

当批量钢管的管坯原始数据PDI信息为不需要冷却，而现场需要冷却其中某一根或某几根钢管时，可以通过选择“钢管需要冷却”功能，对其执行在线冷却控制流程，在冷却完成后通过取消“钢管需要冷却”功能复原。

（2）部分不冷却功能

当批量钢管的管坯原始数据PDI信息为需要冷却，而现场需要不冷却其中某一根或某几根钢管时，可以通过选择“钢管不需要冷却”功能，对其不执行在线冷却控制流程，在需要冷却时通过取消“钢管不需要冷却”功能复原。

（3）全部不冷却功能

当在线冷却设备故障或者需要检修维护时，通过选择“冷却设备不可用”功能，无论钢管管坯原始数据PDI信息是否需要冷却，都不再执行在线冷却控制流程。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于钢管在线冷却的生产装置，其特征是：

所述在线冷却生产装置并行设置于定径机后主输送辊道线旁；

所述在线冷却生产装置包括：前端翻管机构和后端翻管机构、一条在线冷却辊道线、在线冷却设备、钢管检测装置、钢管在线冷却基础自动化控制系统L1和钢管在线冷却的过程控制系统L2；

所述基础自动化控制系统L1是所述在线冷却生产装置的基础控制系统；所述过程控制系统L2包括预设定计算模块、前馈控制计算模块、反馈控制计算模块，反馈控制计算模块包括反馈控制模块和自适应学习计算模块；所述基础自动化控制系统L1接收过程控制系统L2对其提供的工艺和控制参数的设定值，并且在所述基础自动化控制系统L1执行后将其控制和检测的实际值上传给所述过程控制系统L2，同时，将钢管检测装置的检测信号和控制信号上传至所述基础自动化控制系统L1；

所述钢管检测装置包括热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、高温计T，若干个热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、高温计T分别设置于主输送辊道线和在线冷却辊道线上；

所述前端翻管机构和后端翻管机构位于在线冷却辊道线的前端和后端，在线冷却设备安装于在线冷却辊道线上。

2.根据权利要求1所述的用于钢管在线冷却的生产装置，其特征是：所述在线冷却辊道线分为三段，以在线冷却辊道线上设置的每二个一组的高温计T来划分，该二个高温计相距较近，对同一点测温，互为后备；第一段为高温计T1/2之前的辊道称为冷前辊道；第二段为高温计T1/2和高温计T3/4之间的辊道称为冷却辊道；第三段为高温计T3/4之后的辊道称为冷后辊道；钢管在冷却辊道运行期间，在线冷却设备对钢管进行冷却处理。

3.根据权利要求2所述的用于钢管在线冷却的生产装置，其特征是：所述在线冷却生产装置还包括钢管内滞留水清除装置，钢管内滞留水清除装置为气吹装置，气吹装置本体为圆环，钢管能穿过圆环行进；所述气吹装置安装于在线冷却辊道线的冷后辊道上，所述冷后辊道有一定坡度，为斜坡辊道。

4.根据权利要求1所述的用于钢管在线冷却的生产装置，其特征是：所述在线冷却设备包括多组喷环，多组喷环分段设置，喷环本体上沿圆环周边安装有若干个喷嘴，喷嘴设置不同的喷水角度能实现对钢管外壁周向和钢管内壁喷射冷却。

5.根据权利要求4所述的用于钢管在线冷却的生产装置，其特征是：所述在线冷却设备包括移动式内喷轴流冷却装置，移动式内喷轴流冷却装置设置在多组喷环中间空缺位置上，所述移动式内喷轴流冷却装置包括上下升降驱动装置、前后移动驱动装置、支架和移动式内喷轴流喷管，移动式内喷轴流喷管安装于支架上并向前伸出，支架被上下升降驱动装置驱动能上下移动，支架被前后移动驱动装置驱动能沿冷却辊道前后移动。

6.一种用于钢管在线冷却的生产方法，其特征是：

钢管在线冷却过程控制系统L2接收上位机系统下发的钢管原始数据和冷却目标工艺数据，根据前工序的钢管实测数据，经过模型运算，该模型包括预设定计算模块、前馈控制计算模块、反馈控制计算模块，向钢管在线冷却基础自动化系统L1设定在线冷却区钢管运行速度曲线、喷环组态、冷却水压力和流量，实现钢管在线冷却过程的自动控制；

钢管在线冷却基础自动化控制系统L1接收到轧线系统信息和在线冷却过程控制系统L2信息后，钢管被在定径机出口处的热金属检测器HMD1触发后，该热金属检测器HMD1安装于主输送辊道线，即表示冷却钢管跟踪开始：

第一步，所述基础自动化控制系统L1根据轧线系统发送的钢管规格，以及有利于钢管进入在线冷却生产装置的最佳位置，确定钢管在主输送辊道线停止位置；

第二步，翻管机构动作，所述基础自动化控制系统L1的翻管机构控制系统控制前端翻管机构回转臂将钢管翻转至在线冷却辊道，钢管在冷却辊道的位置是冷前辊道；

第三步，钢管在线冷却设备内控制，首先，所述基础自动化控制系统L1的在线冷却辊道控制系统根据所述过程控制系统L2下达的冷却速度曲线及钢管所处位置，及确定钢管在冷却区前后的速度曲线，确保在线冷却辊道按此速度曲线平稳、精准运行；其次，所述基础自动化控制系统L1的在线冷却设备控制系统根据泵站下达的冷却总水量、压力，以及所述过程控制系统L2下达的喷环组数、位置、各个喷环的流量，通过PLC各个控制模块，实现位置、流量的精准控制；同时，根据钢管规格及钢管位置实现钢管的内喷控制；

第四步，当钢管尾部离开冷却区域后，在钢管在线冷却设备后布置有一定落差的斜坡辊道，并在所述基础自动化控制系统L1的钢管内滞留水清除装置控制系统的控制下，通过加速急停和尾部气吹，清除钢管内部滞留的残余冷却水；

第五步，所述基础自动化控制系统L1按照钢管生产轧线冷床基础自动化系统下达的钢管停止位置，将钢管停止到位后，后端翻管机构动作，所述基础自动化控制系统L1的翻管机构控制系统控制后端翻管机构回转臂将钢管翻转至轧线主辊道；

第六步，将该钢管进行实际冷却效果喷号；

第七步，所述基础自动化控制系统L1将所有收集的实际数据上传给所述过程控制系统L2。

7.根据权利要求6所述的用于钢管在线冷却的生产方法，其特征是：在钢管跟踪区间，为保证钢管位置准确，跟踪区间利用热金属检测器HMD、冷金属检测器CMD、高温计T所在位置作为修正点位，在钢管行进过程中将金属检测器及高温计触发时所对应的位置赋值给钢管每段跟踪的头部及尾部位置，并对其进行判断。

8.根据权利要求6所述的用于钢管在线冷却的生产方法，其特征是：所述过程控制系统L2的模型运算为：当钢管出定径机后，位于定径机出口的热金属检测器HMD检测得到钢管，触发预设定计算模块；当钢管头部进入冷前高温计T1/2位置时，冷前高温计T1/2测得钢管实测温度后，启动前馈控制计算模块，当钢管尾部离开冷前高温计T1/2位置时，前馈控制计算结束；当钢管头部进入冷后高温计T3/4位置时，冷后高温计T3/4测得钢管实测温度后，启动反馈控制计算模块，当钢管尾部离开冷后高温计T3/4位置时，反馈控制计算结束；所述反馈控制计算模块包括反馈控制模块和自适应学习计算模块。

9.根据权利要求6所述的用于钢管在线冷却的生产方法，其特征是：所述在线冷却辊道的控制方法是：

第一，当设置于主输送辊道线的热金属检测器HMD1检测到定径机出来的钢管时，该热金属检测器HMD1触发，主输送辊道线启动，钢管向前运行，当设置于主输送辊道线的热金属检测器HMDX检测到钢管时，其中X为自然数，且1 < X < 6，该热金属检测器HMDX触发，此时主输送辊道线停止，若冷前辊道无钢管，前端翻管机构的回转臂启动将钢管翻转至冷前辊道；

第二，待设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD6/7检测到钢管N秒后，前端翻管机构回转臂实际转角大于设定的放钢角度，冷前辊道按设定速度立即启动，并以设定的速度曲线运行；

第三，待钢管尾部出冷前辊道后，冷前辊道自动停止；冷前高温计T1/2触发后，冷却辊道自动启动，待钢管尾部出冷却辊道后，冷却辊道自动停止；冷后高温计T3/4触发，冷后辊道自动启动，后端翻管机构的回转臂处于零位；钢管在冷却辊道运行期间，在线冷却设备对钢管进行冷却处理；

第四，当钢管尾部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD8或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD1处时，或者当钢管头部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD12或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD5处时，钢管开始减速；当钢管尾部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD9或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD2时，或者当钢管头部到达设置于在线冷却辊道线的热金属检测器HMD13或设置于在线冷却辊道线的冷金属检测器CMD6时，钢管停止运行；

第五，钢管在线冷却完成后，后端翻管机构的回转臂启动将钢管翻转至冷床前的主输送辊道线，再利用主输送辊道线旁与冷床间的翻管机构将该钢管翻至冷床上。