CN113245381B - 一种无缝钢管定径后的在线冷却系统及其冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无缝钢管定径后的在线冷却系统及其冷却方法，包括用于冷却无缝管的一组或多组喷环，喷环上的喷嘴按特定分布方式布置；冷却时，热轧无缝钢管从定径机出来后直接进入冷却设备，根据来料温度和工艺要求控制喷环的开启数量、水量大小、水压及上下水比，以不同冷却速度冷却至目标温度。本发明可实现无缝钢管在线连续冷却，减少合金元素使用，降低成本，提高生产效率；其特定结构设计的喷环保证了钢管冷却更均匀，减少了钢管头尾内壁进水造成的冷却不均；冷却过程不需要钢管旋转，可利用定径机后原有辊道，对已有产线新增在线冷却功能十分便利。

Description

一种无缝钢管定径后的在线冷却系统及其冷却方法
技术领域
本发明涉及钢管生产工艺技术领域，更具体地说，涉及一种无缝钢管定径后的在线冷却系统及其冷却方法。
背景技术
目前，钢管的主要生产过程为轧制+离线处理。轧制过程包括环形炉加热-穿孔机穿孔-连轧机轧制-定径机定径-冷床空冷。离线热处理包括热处理炉加热-淬火机淬火或空冷。可以看出，现有的生产流程较长，轧后空冷使轧制过程中的细晶组织没有有效利用，离线热处理二次加热增加了能耗和生产成本。为此，无缝钢管的在线冷却技术得到了开发，所使用的手段也各不相同。
在现有的专利申请中，如CN106269931A公布了一种热轧无缝钢管在线连续冷却方法，通过将定径机出口的钢管翻钢至与轧线平行的辊道上进行穿水冷却，冷却后再将其翻转回轧线辊道，冷却过程利用斜辊道使钢管边旋转边冷却，喷射方式为斜喷。
如CN1951589A公布了一种无缝钢管的在线冷却方法，采用一种5-85°斜锥形辊道使钢管边旋转边冷却。
如CN106269916A公布了一种热轧无缝钢管在线控制冷却系统及工艺方法，与CN106269931A类似，在一条与主轧线并排布置的冷却线上进行，所不同的在于冷却方式为外表面与轧线平行的单排或多排喷嘴喷射冷却，内表面高压喷头喷水冷却，通过钢管自身旋转实现内外表面的完全覆盖冷却。
上述几件专利的技术均需利用旋转辊道，且喷水方式为直喷。
又如CN102266872A公布了一种钢管冷却装置，通过多组子喷水箱上布置的多组喷嘴对钢管冷却，喷嘴喷出的水柱与钢管表面斜切，形成了一个半径小于等于冷却钢管半径的水环，以此减少内壁进水。但此技术结构复杂，对于变规格的钢管其减少内壁进水量的调节能力不足。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种无缝钢管定径后的在线冷却系统及其冷却方法，实现无缝钢管在线均匀冷却，提高钢管综合性能和生产效率，降低生产成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，一种无缝钢管定径后的在线冷却系统，设于定径机与冷床之间的辊道上，包括控制装置，与所述控制装置连接的检测装置、及多个依次排列的喷环；
所述检测装置用以测量所述无缝钢管的温度，并将测量结果传输至所述控制装置；
所述控制装置载有自学习模型，根据所述检测装置的测量结果修正所述喷环的工作；
所述喷环的内部设为空腔，且该空腔分隔为上部空腔与下部空腔，使所述喷环形成上半圆喷环与下半圆喷环，所述上半圆喷环与所述下半圆喷环上均设有与所述上部空腔与所述下部空腔对应连通的进水口、多个喷嘴；
所述进水口上均接有进水管路，所述进水管路均接入集水总管，所述进水管路上均还设有流量计、流量调节阀，所述流量计的检测结果传输至所述控制装置，所述控制装置根据所述流量计的检测结果修正所述流量调节阀的开度；
所述上半圆喷环上的多个所述喷嘴为不等距设置，所述下半圆喷环上的多个所述喷嘴为等距设置。
所述上半圆喷环上的所述喷嘴设置如下：
所述上半圆喷环上顶部的位置设有一个喷嘴，以该喷嘴为基准喷嘴，设于该基准喷嘴的两侧所述喷嘴的夹角依次设置为θ、θ(1-n)、θ(1-n)2、θ(1-n)3…θ(1-n)x；
n为角度减小系数，取值范围在0.01～0.2之间，x为所述喷嘴的个数，所述喷环的半径越大，n值越大。
所述喷环通过固定框架设于所述辊道上。
所述喷环的出口位置的所述辊道上方设有高压气吹。
所述检测装置为温度仪，具有两个，一个设于所述喷环的进口位置的所述辊道上方，另一个设于所述喷环的出口位置的所述辊道上方。
所述集水总管上还设有自清洗过滤器。
所述上半圆喷环与所述下半圆喷环上均还设有排污管路，所述排污管路上设有排污阀门。
所述喷环设有一组或多组。另一方面，一种无缝钢管定径后的在线冷却方法，由定径机抛出的钢管，沿辊道进入冷却系统，通过该冷却系统对钢管进行在线冷却，待冷却结束后，钢管再沿辊道送至冷床。
所述冷却方法，包括以下步骤：
1)从定径机抛出的钢管，沿辊道通过喷环进口位置的温度仪，控制装置根据钢管规格和入口温度计算喷环所需的水流量，及上半圆喷环的喷嘴与下半圆喷环的喷嘴之间的水量比值，并对流量调节阀进行设定；
2)集水总管开始供水，控制装置根据所输入的设定流量和流量计所反馈的数据，对流量调节阀的开度进行调节，当流量达到所需的设定值时，完成调节，触发冷却系统的开始信号；
3)钢管以均速通过喷环，喷嘴对钢管表面进行喷水工作；
4)喷环出口位置的温度仪对钢管终冷温度进行测量，测量结果与目标温度对比，送入自学习模型进行模型修正；
5)冷却结束的钢管通过辊道送至冷床。
所述喷嘴喷水的水压范围在0.1～0.6MPa之间。
所述上半圆喷环的喷嘴与下半圆喷环的喷嘴之间的水量比值范围在1～1.8之间。
所述钢管以0.5～2.0m/s的速度均速通过喷环。
在上述的技术方案中，本发明所提供的一种无缝钢管定径后的在线冷却系统及其冷却方法，可实现热轧无缝钢管在线均匀冷却，以获得不同的组织和性能，减少合金添加。相较于离线热处理，其效率跟高，成本更低。其特定结构设计的喷环保证了钢管冷却更均匀，减少了钢管头尾内壁进水造成的冷却不均；冷却过程不需要钢管旋转，可利用定径机后原有辊道，对已有产线新增在线冷却功能十分便利。
附图说明
图1是本发明在线冷却系统的结构框架示意图；
图2是本发明在线冷却系统中喷环的结构示意图；
图3是本发明在线冷却方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请结合图1所示，本发明所提供的一种无缝钢管定径后的在线冷却系统，安装在定径机1与冷床2之间的辊道3上，包括控制装置，与控制装置连接的检测装置、及多个依次排列的喷环4，喷环4可设置一组或多组。辊道3上每两根输送辊间为一组，喷环4半径为R。喷环4的组数由钢管所需要的冷却能力确定，需要的降温和冷速越大，喷环4的组数和用水量越大。
检测装置选用温度仪5、6，具有两个，一个温度仪5安装在钢管输入喷环4的进口位置的辊道3上方，另一个温度仪6安装在钢管输出喷环4的出口位置的辊道3上方，温度仪5、6用以测量无缝钢管冷却前后的温度，并将测量结果传输至控制装置；
控制装置载有自学习模型，根据温度仪5、6的测量结果修正喷环4的流水量及喷水工作。
如图2所示，喷环4的内部设为空腔，用以通入冷却水，由于钢管上半表面和下半表面冷却时，冷却水冷却效果不同，冷却水喷射到上半表面后会在表面停留一段时间而后从边部流出；下半表面冷却水喷射到钢管表面后在重力作用下直接下落，表面基本无残留，相同水量情况下钢管上半表面的冷却能力更佳。因此将空腔分隔为上部空腔与下部空腔两部分，使喷环4沿其直径形成上半圆喷环与下半圆喷环，在上半圆喷环与下半圆喷环上均设有与上部空腔与下部空腔对应连通的进水口、及多个喷嘴41。为了保证钢管在不旋转的情况下实现圆周方向的均匀冷却，所有喷嘴41的喷射角度与钢管轴线垂直，减轻由于斜喷造成的钢管头尾内壁进水导致的冷却不均。
进水口上均接有进水管路42，进水管路42均接入集水总管7，进水管路42上均还设有流量计43、流量调节阀44，流量计43的检测结果传输至控制装置，控制装置根据流量计43的检测结果修正流量调节阀44的开度，对上半圆喷环与下半圆喷环上的喷嘴41进行单独控制，实现钢管上/下半表面冷却一致。
流量计43、流量调节阀44可以根据设定流量和实测流量进行闭环控制，确保实测流量的精准，从而满足不同规格钢管冷却需求。
对上半圆喷环的喷嘴41而言，由于共用进水口，每个喷嘴41分到的水量近似相等，而冷却水在钢管上半表面的停留时间是不均匀的，即冷却水二次冷却时间不一致，钢管上半表面中间坡度平缓，停留时间长，边部坡度陡，停留时间短，因此若均匀分布喷嘴41就不能实现钢管上半表面的均匀冷却，因此本发明喷环4的上半圆喷环上的多个喷嘴41为不等距排列，即在上半圆喷环上顶部的位置设有一个喷嘴41，以该喷嘴41作为基准喷嘴，设于该基准喷嘴的两侧喷嘴41的夹角依次设置为θ、θ(1-n)、θ(1-n)2、θ(1-n)3…θ(1-n)x，n为角度减小系数，取值范围在0.01～0.2之间，x为喷嘴的个数，喷环的半径越大，n值越大。
下半圆喷环上的多个喷嘴41喷射到钢管下半表面垂直下落，喷嘴41水量相同则各处冷却效果基本相等，因此下半圆喷环上的多个喷嘴41为等距排列，喷嘴41间夹角为α，上半圆喷环上喷嘴41数量与下半圆喷环上喷嘴41数量近似相等，下半圆喷环上喷嘴41数量由喷环4上喷嘴41总数量减去上半圆喷环上喷嘴41数量得到，下半圆喷环上喷嘴41均分下半圆喷环角度。
喷环4通过固定框架安装于辊道3上。集水总管7上还设有自清洗过滤器8。上半圆喷环与下半圆喷环上均还设有排污孔，并接入排污管路，在排污管路上均安装有排污阀门9，生产间歇或定修期间打开排污阀门9完成喷环4清洗，避免喷嘴41堵塞。
喷环4的出口位置的辊道3上方设有高压气吹10，对钢管内壁残留的冷却水进行吹干，防止钢管内壁冷却水无规则流动，影响冷却均匀性。
如图3所示，本发明还提供了一种无缝钢管定径后的在线冷却方法，由定径机1抛出的钢管，沿辊道3进入冷却系统，通过该冷却系统对钢管进行在线冷却，待冷却结束后，钢管再沿辊道3送至冷床2。
该冷却方法，具体如下：
1)从定径机1抛出的钢管，沿辊道3通过喷环4进口位置的温度仪5，控制装置根据钢管规格和入口温度计算喷环4所需的水流量，及上半圆喷环的喷嘴41与下半圆喷环的喷嘴41之间的水量比值(比值范围在1～1.8之间)，并对流量调节阀44进行设定；
2)集水总管7开始供水，控制装置根据所输入的设定流量和流量计所反馈的数据，对流量调节阀44的开度进行调节，当流量达到所需的设定值时，完成调节，触发冷却系统的开始信号；
3)钢管以0.5～2.0m/s的速度均速通过喷环4，喷嘴41对钢管表面进行喷水工作，水压范围在0.1～0.6MPa之间，冷却速度大于10℃/s；
4)喷环4出口位置的温度仪6对钢管终冷温度进行测量，测量结果与目标温度对比，送入自学习模型进行模型修正；
5)冷却结束的钢管通过辊道送至冷床2。
实施例1
定径机1后的冷却系统由10组喷环4组成，每组的喷环4设有8根，喷环4半径为760mm。
每根喷环4由其内部腔体分隔为上半圆喷环、下半圆喷环，分别带有进水口，水压0.4MPa，进水管路42上安装有流量计43、流量调节阀44，进行上/下半圆喷环水量的单独控制，上/下半圆喷环水量的比值范围在1～1.8之间。
每根喷环4安装10个喷嘴41，上半圆喷环的喷嘴41不等距排列，角度减小系数n＝0.05，喷嘴41夹角依次为：
θ＝40°
θ(1-n)＝40°×(1-0.05)＝38°
θ(1-n)2＝40°×(1-0.05)2＝36.1°
下半圆喷环的喷嘴41夹角α＝(360°-40°×2-38°×2-36.1°×2)/(10-2-2-2)＝32.95°。
冷却方法具体如下：
1)从定径机1抛出的Q345B钢管直径φ244mm，壁厚12mm，温度850～870℃，设定上/下半圆喷环水量的比值1：1.3，每组喷环4用水量为400m3/h；
2)打开集水总管7开始供水，控制装置根据所输入的设定流量和流量计所反馈的数据，对流量调节阀44的开度进行调节，当流量达到所需的设定值时，完成调节，触发冷却系统的开始信号；
3)钢管以1.1m/s的速度匀速通过10组喷环4，钢管终冷温度180～200℃，实测冷却速度24℃/s；
在线冷却后的钢管表面温度均匀，无明显黑线，全长温度波动±15℃，钢管头尾内部无明显残水，管型直度良好。
如下表1所示，采用在线冷却工艺生产的钢管综合性能优异，性能完全满足产品标准，屈服强度、抗拉强度较常规离线工艺提高约30～40MPa，生产效率大幅提高。
表1本发明在线冷却方法与离线工艺生产的钢管力学性能对比表
钢种 屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 0℃冲击功(J)
在线冷却 Q345B 703 793 90
离线冷却 Q345B 675 756 88
产品标准 552～758 min689 23
实施例2
定径机1后的冷却系统由18组喷环4组成，每组的喷环4设有6根，喷环4半径为600mm。
每根喷环4由其内部腔体分隔为上半圆喷环、下半圆喷环，分别带有进水口，水压0.2MPa，进水管路42上安装有流量计43、流量调节阀44，进行上/下半圆喷环水量的单独控制，上/下半圆喷环水量的比值范围在1～2.0之间。
每根喷环4安装13个喷嘴41，上半圆喷环的喷嘴41不等距排列，角度减小系数n＝0.03，喷嘴41夹角依次为：
θ＝30°
θ(1-n)＝30°×(1-0.03)＝29.1°
θ(1-n)2＝30°×(1-0.03)2＝28.227°
θ(1-n)3＝30°×(1-0.03)3＝27.38°
下半圆喷环的喷嘴41夹角α＝(360°-30°-29.1°×2-28.227°×2-27.38°×2)/(13-1-2-2-2)＝26.76°。
冷却方法具体如下：
1)从定径机1抛出的Q345B钢管直径φ273mm，壁厚12mm，温度870～900℃，设定上/下半圆喷环水量的比值1：1.5，每组喷环4用水量为360m3/h；
2)打开集水总管7开始供水，控制装置根据所输入的设定流量和流量计所反馈的数据，对流量调节阀44的开度进行调节，当流量达到所需的设定值时，完成调节，触发冷却系统的开始信号；
3)钢管以0.8m/s的速度匀速通过18组喷环4，钢管终冷温度240～280℃，实测冷却速度15℃/s；
在线冷却后的钢管表面温度均匀，无明显黑线，全长温度波动±15℃，钢管头尾内部无明显残水，管型直度良好。
采用在线冷却工艺生产的钢管综合性能优异，性能完全满足产品标准，屈服强度、抗拉强度较常规离线工艺提高约20～30MPa，冲击功提高20J，性能满足产品标准，生产效率大幅提高。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (12)

1.一种无缝钢管定径后的在线冷却系统，设于定径机与冷床之间的辊道上，其特征在于：包括控制装置，与所述控制装置连接的检测装置、及多个依次排列的喷环；
所述检测装置用以测量所述无缝钢管的温度，并将测量结果传输至所述控制装置；
所述控制装置载有自学习模型，根据所述检测装置的测量结果修正所述喷环的工作；
所述喷环的内部设为空腔，且该空腔分隔为上部空腔与下部空腔，使所述喷环形成上半圆喷环与下半圆喷环，所述上半圆喷环与所述下半圆喷环上均设有与所述上部空腔与所述下部空腔对应连通的进水口、多个喷嘴；
所述进水口上均接有进水管路，所述进水管路均接入集水总管，所述进水管路上均还设有流量计、流量调节阀，所述流量计的检测结果传输至所述控制装置，所述控制装置根据所述流量计的检测结果修正所述流量调节阀的开度；
所述上半圆喷环上的多个所述喷嘴为不等距设置，所述下半圆喷环上的多个所述喷嘴为等距设置，
所述上半圆喷环上的所述喷嘴设置如下：
所述上半圆喷环上顶部的位置设有一个喷嘴，以该喷嘴为基准喷嘴，设于该基准喷嘴的两侧所述喷嘴的夹角依次设置为θ、θ(1-n)、θ(1-n)2、θ(1-n)3…θ(1-n)x；
n为角度减小系数，取值范围在0.01～0.2之间，x为所述喷嘴的个数，所述喷环的半径越大，n值越大。
2.如权利要求1所述的无缝钢管定径后的在线冷却系统，其特征在于：所述喷环通过固定框架设于所述辊道上。
3.如权利要求2所述的无缝钢管定径后的在线冷却系统，其特征在于：所述喷环的出口位置的所述辊道上方设有高压气吹。
4.如权利要求3所述的无缝钢管定径后的在线冷却系统，其特征在于：所述检测装置为温度仪，具有两个，一个设于所述喷环的进口位置的所述辊道上方，另一个设于所述喷环的出口位置的所述辊道上方。
5.如权利要求1所述的无缝钢管定径后的在线冷却系统，其特征在于：所述集水总管上还设有自清洗过滤器。
6.如权利要求1所述的无缝钢管定径后的在线冷却系统，其特征在于：所述上半圆喷环与所述下半圆喷环上均还设有排污管路，所述排污管路上设有排污阀门。
7.如权利要求1所述的无缝钢管定径后的在线冷却系统，其特征在于：所述喷环设有一组或多组。
8.一种用于如权利要求1-6任一项所述的在线冷却系统的无缝钢管定径后的在线冷却方法，其特征在于：由定径机抛出的钢管，沿辊道进入所述的冷却系统，通过该冷却系统对钢管进行在线冷却，待冷却结束后，钢管再沿辊道送至冷床。
9.如权利要求8所述的无缝钢管定径后的在线冷却方法，其特征在于：所述冷却方法包括以下步骤：
1)从定径机抛出的钢管，沿辊道通过喷环进口位置的温度仪，控制装置根据钢管规格和入口温度计算喷环所需的水流量，及上半圆喷环的喷嘴与下半圆喷环的喷嘴之间的水量比值，并对流量调节阀进行设定；
2)集水总管开始供水，控制装置根据所输入的设定流量和流量计所反馈的数据，对流量调节阀的开度进行调节，当流量达到所需的设定值时，完成调节，触发冷却系统的开始信号；
3)钢管以均速通过喷环，喷嘴对钢管表面进行喷水工作；
4)喷环出口位置的温度仪对钢管终冷温度进行测量，测量结果与目标温度对比，送入自学习模型进行模型修正；
5)冷却结束的钢管通过辊道送至冷床。
10.如权利要求8所述的无缝钢管定径后的在线冷却方法，其特征在于：所述喷嘴喷水的水压范围在0.1～0.6MPa之间。
11.如权利要求8所述的无缝钢管定径后的在线冷却方法，其特征在于：所述上半圆喷环的喷嘴与下半圆喷环的喷嘴之间的水量比值范围在1～1.8之间。
12.如权利要求8所述的无缝钢管定径后的在线冷却方法，其特征在于：所述钢管以0.5～2.0m/s的速度均速通过喷环。
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