CN109647914B - 热轧板带液氮超快冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热轧板带液氮超快冷装置，包括测温计、控制器和冷段区，多个冷段区串联的位于精轧机和卷取机之间，测温计分别位于精轧机出口和卷取机之前，冷段区包括板带两侧的上控冷装置和下控冷装置，包括控冷横梁导轨、导轨式支撑架、片式喷嘴组件、压力式喷嘴、位移缸、液氮罐、红外测温装置和电磁阀，导轨式支撑架与控冷横梁导轨滑动连接，在位移缸的推动下沿轧向移动，多个片式喷嘴组件沿轧向固定在导轨式支撑架上，片式喷嘴组件固定有多个压力式喷嘴，喷嘴与板带轧向形成倾斜角度，并通过粉末绝热管与液氮罐相连，压片式喷嘴上设有电磁阀，电磁阀与控制器相连，冷段区的两端均设有红外测温装置。

Description

热轧板带液氮超快冷装置

技术领域

本发明属于轧制设备的自动化测控技术领域，具体的，涉及一种热轧板带液氮超快冷装置。

背景技术

随着工业化进程的加快和深加工产业的不断细分，航空、航天、航海、化工、桥梁、汽车、建筑等各领域对板带硬度、强度、断裂、韧性、延伸等性能指标的要求更加具体化和专业化。对于热轧板带来说，温度不仅影响其整个轧制过程的三维形变规律，而且在轧后长距离的冷却阶段，不同的冷却速率或控冷方式将直接影响最终板带的金相组织和力学性能，因此轧后控冷是热轧板带整个生产过程中非常重要的环节之一。

当前流行的热轧板带冷却方式是层流冷却或超快冷冷却，冷却介质是水，冷却模式是上下对称和粗冷、精冷相结合的分区冷却方式，最终实现相变控制、组织调整和性能强化的目的。其中传统的层流冷却流速低、压力小，容易在板带表面大面积形成水膜，影响换热效率，冷却速率偏低，另外经常忽略头尾、厚向和横向温差，导致冷却不均匀，在板带内部容易产生额外的残余应力。近年流行的超快速冷却技术，孔径小，水压大，能够有效击破水汽膜，显著提高换热效率，可以达到每秒几百℃的超冷却速率，能够使板带在极短时间内迅速降温，避免晶粒过度长大同时控制相变过程，使其迅速穿过奥氏体区，达到快速冷却条件下的动态相变点。新一代超快冷技术采用缝隙式幕状喷射式喷嘴和圆管喷射式喷嘴的混合配置，冷却水以一定角度喷射到板带表面，这种“吹扫式”冷却有利于扫除表面气膜，同时可以实现全板面的均匀核沸腾，不仅可以大大提高冷却效率，满足高速率超快速冷却条件，而且有能力实现板带全宽、全长的均匀冷却。

目前，国内外已相继开发出基于水介质的超快冷装置及其温控模型，结合轧制过程中板带三维形变规律和组织演变过程，研究高速状态下高冷却效率和高均匀性的超快冷特征。综合来说，对于整个水介质的控冷过程来说，最为关键的是不同材质、规格板带温控点和冷却路径的选择，以提高相变强化、固溶强化、细晶强化和析出强化等手段综合强化效果。以碳钢为例，控冷过程中如果冷速过低，会导致最终晶粒尺寸过大，冷却后部分奥氏体会转变为铁素体，强度降低；而冷速过快，又会导致部分奥氏体向贝氏体转变，塑性降低。因此，为了生产不同材质、规格和多相组织的高性能板带产品，高效的超快冷装置和智能温控模型缺一不可，相辅相成。

相对而言，水介质冷却方式的优缺点比较明显。其优点在于成本低、污染小、易回收，冷却速度和控冷效果能够满足工程需求，且理论技术相对较成熟，便于升级改造。缺点是水介质冷却方式不可避免会产生水膜，上下板面水流压力和流动方向一定程度上也会影响换热效率和冷却均匀性，需要严格控制其水流分布或形成特定的水凸度，这对控冷设备和冷却工艺的要求很高；另外板带上下表面易氧化且氧化铁皮分布不均匀，很大程度上影响后续工序的加工精度和表面质量。

液氮冷却是近年来非常流行的一种冷却介质，易汽化无残留，且冷却效率非常高，温度调整范围大，降温时间可控，还可以作为保护气体防止高温过度氧化。但是，由于液氮在使用过程中，其流量、压力、温度及气液相的控制难度非常大，另外如果设备或部件较大或不规则，大面积大范围应用液氮还会带来很大的安全隐患，这在很大程度上限制了液氮的应用领域和工艺开发进程。在传统重型机械加工领域中，液氮应用目前还较少，另外也缺乏高效可控的液氮冷却设备及相应的理论技术研究。

随着理论研究的深入和工程技术的不断完善，目前液氮已陆续应用于众多行业，且取得了显著的工业应用效果，尤其在深冷加工领域或特种合金加工领域具有得天独厚的多重特性，这在很大程度上促进了液氮在传统工业中的扩展和渗透，有必要继续深入研究其冷却机理和控温过程，加大理论和试验的研究进程，同时研制高效可靠的液氮超快冷设备及其配套的高精度控温模型。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种热轧板带液氮超快冷装置，替代传统的以水作介质的层流冷却或超快冷等冷却方式，对每组的喷嘴独立控制，在冷却过程中实施多区域的密集喷射和多点测温，最大限度减小板带头尾、厚向和横向的温差及其引起的残余应力，提高其冷却的均匀性和平直度，同时防止板带氧化、回温或翻红现象，有效控制板带整体的组织演变过程，最终获得理想的组织形态和特定的力学性能。

本发明是这样实现的：

一种热轧板带液氮超快冷装置，其包括测温计、控制器和多个冷段区，多个所述冷段区串联的位于所述精轧机和卷取机之间，所述测温计分别位于精轧机与冷段区之间和冷段区与卷取机之间，所述冷段区包括对称设置在板带两侧的上控冷装置和下控冷装置，所述上控冷装置和下控冷装置均包括控冷横梁导轨、导轨式支撑架、片式喷嘴组件、压力式喷嘴、位移缸、液氮罐、红外测温装置和电磁阀，所述导轨式支撑架与所述控冷横梁导轨滑动连接，所述导轨式支撑架与所述位移缸连接，在所述位移缸的推动下沿轧向移动，多个所述片式喷嘴组件沿轧向固定在所述导轨式支撑架上，所述片式喷嘴组件固定有多个压力式喷嘴，所述压力式喷嘴与板带轧向形成倾斜角度，所述压力式喷嘴通过粉末绝热管与液氮罐相连，所述压力式喷嘴上设有所述电磁阀，所述电磁阀与所述控制器相连，所述冷段区的两端均设有所述红外测温装置。

优选地，所述导轨式支撑架与所述控冷横梁导轨接触的两端为平面或燕尾形。

优选地，所述片式喷嘴组件包括多个平行设置的片式喷嘴单元，每个片式喷嘴单元上固定有多个压力式喷嘴。

优选地，所述压力式喷嘴的倾斜角度为10°～45°。

优选地，所述冷段区的数量大于等于2。

优选地，所述粉末绝热管为竖直方向。

优选地，所述导轨式支撑架与所述控冷横梁导轨接触的两端的底面及侧面分别镶嵌铜垫，便于维护和替换。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)替代传统的以水作介质的层流冷却或超快冷等冷却方式，本发明采用液氮为介质进行冷却，对每组的压力式喷嘴独立控制，在冷却过程中实施多区域的密集喷射和多点测温，最大限度减小板带头尾、厚向和横向的温差及其引起的残余应力，提高其冷却的均匀性和平直度，同时防止板带氧化、回温或翻红现象，液氮喷射易汽化无残留，同时也会在板带表面形成保护气体，减少高温氧化，并且液氮蒸发吸热气化的氮气不会像水蒸汽一样渗透红外测温装置，造成仪器内部器件损坏,导致无输出信号和无显示的故障，有效控制板带整体的组织演变过程，最终获得理想的组织形态和特定的力学性能。

(2)本发明的液氮超快冷装置能显著提高热轧板带的冷却效率和控冷精度，超快速准确连续调节板带不同位置的瞬时温度，达到定量控制板带相变过程和晶粒长大的目的，并最终获得理想的组织形态或特定的力学性能；其次，在超快速冷却过程中，实施多区域的温度同步检测和冷却控制，提高板带温度的检测精度和计算精度，获得更准确的温度分布规律，便于根据工艺制度精细优化控冷参数(流量、压力和占空比等)；另外，液氮喷射易汽化无残留，同时也会在板带表面形成保护气体，减少高温氧化。

(3)采用粉末绝热管对液氮进行传输，能减少工作环境对管中的液氮的影响，提高控冷精度。除了在精轧机出口和卷取前位置安装测温计以外，在冷段区与精轧机出口之间、相邻冷段区之间以及冷段区与卷取机之间加装定点红外测温装置，周期性同步测量不同位置的瞬时温度，以准确获得板带整体平面的温度分布规律，并在此基础上根据工艺需求或温度曲线，启停不同区域的电磁阀调节对应喷嘴的液氮流量，最大限度地实施板带整体的均匀冷却。

附图说明

图1为本发明的热轧板带液氮超快冷装置的轧向视图；

图2为本发明的热轧板带液氮超快冷装置的横向视图；

图3a为控冷横梁导轨与导轨式支撑架的一端的连接示意图；

图3b为控冷横梁导轨与导轨式支撑架的另一端的连接示意图；

图4a为导轨式支撑架的俯视图；

图4b为导轨式支撑架的仰视图；

图5a为本发明的单个压力式喷嘴固定在片式喷嘴单元上的示意图；

图5b为本发明的片式喷嘴单元固定有多个压力式喷嘴的示意图；

图6为本发明的板带横向测温点的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1和2所示，一种热轧板带液氮超快冷装置，其包括测温计、控制器15和多个冷段区，多个冷段区串联的位于精轧机2和卷取机之间，测温计分别位于精轧机2与冷段区之间和冷段区与卷取机之间，冷段区包括对称设置在板带两侧的上控冷装置4和下控冷装置5，上控冷装置4和下控冷装置5的设置能同时对板带两侧进行冷却降温，使得板带的温度更加均匀。上控冷装置4和下控冷装置5均包括控冷横梁导轨8、导轨式支撑架9、片式喷嘴组件23、压力式喷嘴11、位移缸7、液氮罐、红外测温装置和电磁阀，导轨式支撑架9与控冷横梁导轨8滑动连接，导轨式支撑架与控冷横梁导轨接触的两端为平面或燕尾形，或者一端为平面，另一端为燕尾形。导轨式支撑架与位移缸7连接，在位移缸7的推动下沿轧向移动，多个片式喷嘴组件23沿轧向固定在导轨式支撑架上，如图5a和5b所示，每个片式喷嘴组件包括多个平行设置的片式喷嘴单元22，每个片式喷嘴单元22上固定有多个压力式喷嘴11。压力式喷嘴11与板带1轧向形成倾斜角度，角度能够调节，工作时，液氮以一定倾斜角度冲击板带表面，同时提供冷却和吹扫的作用。压力式喷嘴11通过粉末绝热管10与液氮罐相连，粉末绝热管为竖直方向，便于流量的计算，压力式喷嘴11上设有电磁阀12，液氮罐和电磁阀12之间设有浮子式流量计，安装方便、结构简单、结实耐用，工作时压力损失小，适用于液氮气液两相流量的测量。电磁阀12与控制器15相连，冷段区的两端均设有红外测温装置，周期性同步测量多个位置的瞬时温度，以准确获得热轧带钢温度分布情况和温降曲线。

为了方便维护和安装，片式喷嘴单元22两侧加工卡槽，不同数量片式喷嘴单元22通过卡槽沿轧向固定在导轨式支撑架9上，通过调节片式喷嘴单元22的数量从而调节冷段区的长度。便于安装和替换，导轨式支撑架的两端的底面及侧面分别镶嵌铜垫，便于维护和替换。

优选地，压力式喷嘴11的倾斜角度为10°～45°，压力式喷嘴的数量和角度可根据具体的工艺需求进行调节。

优选地，冷段区的数量大于等于2。

电磁阀的阀体为镍系低温钢，液氮的流量通过电磁阀12进行控制，由于液氮及其气液两相流的温度在-196℃，阀体处在深冷工况下，所以采用镍系低温钢，进行预防措施。

在本实施例中，冷段区的数量为2个，为靠近精轧机2的前冷段区和靠近卷取机的后冷段区。

如图1和2所示，测温计包括精轧机2与前冷段区之间的精轧出口测温计3和后冷段区与卷取机之间的卷取前测温计19，红外测温装置包括位于前冷段区前端的第一红外测温装置6、前冷段区和后冷段区之间的第二红外测温装置14以及后冷段区后端的第三红外测温装置18，板带横向测温点如图6所示，红外测温装置周期性同步测量三个位置的瞬时温度，以准确获得热轧带钢的温度分布情况和温降曲线。热轧板带液氮超快冷装置在热轧生产线沿板带运行方向大约安装十米，粗轧带钢经过精轧机2轧制后，通过精轧出口测温计3进入液氮超快冷装置进行控冷。前冷段区的导轨式支撑架9和后冷段区的导轨式支撑架16落在对应的控冷横梁导轨上，在位移缸的推动下可以沿轧向前后移动，最大行程根据轧制规程设定。片式喷嘴组件23依次镶嵌于导轨式支撑架上，如图3a所示，导轨式支撑架9与控冷横梁导轨8接触的一端为平面91，如图3b所示，导轨式支撑架9与控冷横梁导轨8接触的另一端为燕尾形92，防止在位移缸推动时发生横向的攒动。每个片式喷嘴组件23包括10行平行设置的片式喷嘴单元22，即每个导轨式支撑架轧向分布10行片式喷嘴单元22，每行片式喷嘴单元上固定有10个压力式喷嘴11，通过控制器控制每个压力式喷嘴11上的电磁阀开关量，从而控制通过粉末绝热管10和压力式喷嘴11喷出的液氮压力和液氮量。热轧带钢进入液氮超快冷装置前，通过预设的温降曲线、温度场模型、液氮换热系数模型和液氮流量模型设定好各个喷嘴的压力和流量。也可以依据此次的红外测温装置以及调节参数建立相应的温降曲线、温度场模型、液氮换热系数模型和液氮流量模型，供下次控冷使用，精确调节各个喷嘴的压力和流量。根据板带上下表面温度偏差和辊道布置，加大控冷装置压力式喷嘴的流量、压力或调节喷射角度。通过测量的精轧机出口温度、超快冷装置前中后多点的温度以及卷取温度，拟合温降曲线。将拟合的温降曲线和测量的液氮流量和压力代入温度场模型和换热系数模型，通过电磁阀控制液氮流量，实现精准控冷。

板带依次通过前冷段区和后冷段区后，通过导向辊20导向，进入卷取机通过卷筒21进行卷取。

本发明采用压力式喷嘴，有助于将液氮液滴雾化成细小的液滴，喷射到板带表面，提高换热效率。压力式喷嘴与板带运行方向形成一定的倾斜角度，角度为10°到45°之间，喷嘴口径为3mm。

本发明以液氮为冷却介质，冷却速度大于100℃/s，能实现超快冷却。这主要是由于在超快冷却条件下，密集的压力式喷嘴使下冲冷却液氮和板带的直接热交换面积远大于常规冷却条件下的直接接触面积。这种冷却方法比传统加速冷却方法快2～5倍。此外，板带两侧对称设置的上控冷装置和下控冷装置，使板带表面温度分布非常均匀，可达到非常高的冷却速率。

本发明采用液氮为冷却介质保护板带，防止了板带在控冷过程中的氧化，提高了红外测温装置的测量精度，并且液氮蒸发吸热气化的氮气不会像水蒸汽一样渗透红外测温装置，造成仪器内部器件损坏,导致无输出信号和无显示的故障。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种热轧板带液氮超快冷装置，其特征在于：其包括测温计、控制器和多个冷段区，多个所述冷段区串联的位于精轧机和卷取机之间，所述测温计分别位于精轧机与冷段区之间和冷段区与卷取机之间，

所述冷段区包括对称设置在板带两侧的上控冷装置和下控冷装置，所述上控冷装置和下控冷装置均包括控冷横梁导轨、导轨式支撑架、片式喷嘴组件、压力式喷嘴、位移缸、液氮罐、红外测温装置和电磁阀，所述导轨式支撑架与所述控冷横梁导轨滑动连接，所述导轨式支撑架与所述位移缸连接，在所述位移缸的推动下沿轧向移动，多个所述片式喷嘴组件沿轧向固定在所述导轨式支撑架上，所述片式喷嘴组件固定有多个压力式喷嘴，所述压力式喷嘴与板带轧向形成倾斜角度，所述压力式喷嘴通过粉末绝热管与液氮罐相连，所述压力式喷嘴上设有所述电磁阀，所述电磁阀与所述控制器相连，所述冷段区的两端均设有所述红外测温装置。

2.根据权利要求1所述的热轧板带液氮超快冷装置，其特征在于：所述导轨式支撑架与所述控冷横梁导轨接触的两端为平面或燕尾形。

3.根据权利要求1所述的热轧板带液氮超快冷装置，其特征在于：所述片式喷嘴组件包括多个平行设置的片式喷嘴单元，每个片式喷嘴单元上固定有多个压力式喷嘴。

4.根据权利要求1所述的热轧板带液氮超快冷装置，其特征在于：所述压力式喷嘴的倾斜角度为10°～45°。

5.根据权利要求1所述的热轧板带液氮超快冷装置，其特征在于：所述冷段区的数量大于等于2。

6.根据权利要求1所述的热轧板带液氮超快冷装置，其特征在于：所述粉末绝热管为竖直方向。

7.根据权利要求1所述的热轧板带液氮超快冷装置，其特征在于：所述导轨式支撑架与所述控冷横梁导轨接触的两端的底面及侧面分别镶嵌铜垫，便于维护和替换。

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