CN113695405B - 一种大型筒节差温轧制均匀冷却系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种大型筒节差温轧制均匀冷却系统及方法，涉及轧钢冶金工艺技术领域。该冷却系统包括冷却单元、温度检测单元、数据处理单元和控制单元。冷却单元包括多个内冷却装置和多个外冷却装置；内冷却装置用于对筒节的内壁面进行射流冷却；外冷却装置用于对筒节的外壁面进行射流冷却，且多个外冷却装置与多个内冷却装置一一对应；温度检测单元包括用于实时采集筒节位于轧辊前侧的内外壁面的温度值的第一温度采集装置；数据处理单元能够接收温度值，再根据温度值，建立温度模型，并生成动态阀门模型；控制单元能够根据动态阀门模型调整内冷却装置或外冷却装置的流量。本申请同时提供了一种大型筒节差温轧制均匀冷却方法。

Description

一种大型筒节差温轧制均匀冷却系统及方法

技术领域

本申请涉及轧钢冶金工艺技术领域，尤其涉及一种大型筒节差温轧制均匀冷却系统及方法。

背景技术

大型筒节是应用于核电、石化、煤化工等领域重大装备的关键部件之一，因为常常应用于恶劣环境，因此，对其外部质量和内在性能的要求都很高。近年来，随着我国经济的迅猛发展，对大型筒节的需求也日益增加。大型筒节几何尺寸大(直径可达8m、轴向宽度3m和径向厚度0.5m)，重量可达数百吨。

差温轧制是指在轧制过程中，边冷却边轧制，而冷却未深入到胚料内部，导致在胚料厚度方向上出现表层温度低心部温度高的分布状态。差温轧制技术可以应对大型筒节径向厚度大，轧制过程中塑性变形不均匀，易出现内外表层金属变形量大，而筒节径向中心层变形很小，甚至塑性变形难以渗透到心部，导致心部组织晶粒粗大、不均，而粗晶、晶粒不均等引起筒节组织性能降低，甚至产生裂纹导致筒节报废的问题。

但是，现有的环形冷却方式，由于冷却介质因为重力问题和喷射角度的不同，对筒节各部分的冷却会有所差别，并且随着所轧制筒节的大小厚度的改变，所需要的冷却能力也有所差别，另外，由于筒节轴向宽度方向上两边接触外界，所以冷却速度比中心慢，所以单纯的环形冷却不适用于大型筒节冷却时冷却均匀。

发明内容

本申请的实施例提供一种大型筒节差温轧制均匀冷却系统及方法，能够根据实时温度调节各个位置冷却介质的流量，保证差温轧制时形成均匀的温度梯度，从而达到更高的轧制精度，进而使轧制形成的大型筒节的内部组织更加均匀。

为达到上述目的，本申请的实施例提供了一种大型筒节差温轧制均匀冷却系统，包括冷却单元、温度检测单元、数据处理单元和控制单元；所述冷却单元包括多个内冷却装置和多个外冷却装置；所述内冷却装置用于对所述筒节的内壁面进行射流冷却；所述外冷却装置用于对所述筒节的外壁面进行射流冷却，且多个所述外冷却装置与多个所述内冷却装置一一对应；所述温度检测单元包括第一温度采集装置，所述第一温度采集装置用于实时采集所述筒节位于轧辊前侧的内外壁面的温度值；所述温度检测单元和所述数据处理单元连接；所述数据处理单元能够接收所述第一温度采集装置检测到的位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，再根据所述位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，建立温度模型，并生成动态阀门模型；所述内冷却装置、所述外冷却装置和所述数据处理单元均与所述控制单元连接；所述控制单元能够接收所述数据处理单元生成的动态阀门模型，并根据所述动态阀门模型调整所述内冷却装置或所述外冷却装置的流量。

进一步地，所述温度检测单元还包括第二温度采集装置，所述第二温度采集装置用于实时采集所述筒节位于轧辊后侧的内外壁面的温度值；所述数据处理单元还能够接收所述第二温度采集装置检测到的位于轧辊后侧的内外壁面的温度值，再根据所述位于轧辊后侧的内外壁面的温度值，对温度模型进行修正，并微调动态阀门模型；所述控制单元还能够接收所述数据处理单元微调后的动态阀门模型，并根据微调后的动态阀门模型调整所述内冷却装置或所述外冷却装置的流量。

进一步地，所述内冷却装置和所述外冷却装置均包括冷却喷嘴和设置在所述冷却喷嘴的入口处的带有流量计的控制阀，所述带有流量计的控制阀与所述控制单元连接。

进一步地，多个所述内冷却装置和所述轧辊中的上辊沿所述筒节的周向均布，且多个所述外冷却装置和所述轧辊中的下辊沿所述筒节的周向均布。

进一步地，多个所述内冷却装置通过第一集流管连通，所述第一集流管包括沿所述筒节的轴向延伸的直管；多个所述外冷却装置通过第二集流管连通，所述第二集流管包括沿所述筒节的周向延伸的环管；所述直管和所述环管均与水箱连通，所述水箱的入口设有液压泵。

进一步地，所述冷却单元为多个，多个冷却单元沿所述筒节的轴向均布。

进一步地，所述第一温度采集装置包括两个温度传感器，两个所述温度传感器分别设置在所述筒节的内外两侧；所述第二温度采集装置的结构与所述第一温度采集的结构相同。

进一步地，所述数据处理单元还能够根据所述第一温度采集装置检测到的位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，通过所述温度模型，软测量出筒节内部温度分布。

另一方面，本申请实施例同时提供了一种基于上述大型筒节差温轧制均匀冷却系统的冷却方法，包括以下步骤：S1、第一温度采集装置实时采集筒节位于轧辊前侧的内外壁面的温度值；S2、数据处理单元接收所述第一温度采集装置检测到的位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，再根据所述位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，建立温度模型，并生成动态阀门模型；S3、控制单元接收所述数据处理单元生成的动态阀门模型，并根据所述动态阀门模型调整所述内冷却装置或所述外冷却装置的流量。

进一步地，所述步骤S3之后还包括以下步骤：S4、第二温度采集装置实时采集筒节位于轧辊后侧的内外壁面的温度值；S5、数据处理单元接收所述第二温度采集装置检测到的位于轧辊后侧的内外壁面的温度值，再根据所述位于轧辊后侧的内外壁面的温度值，对温度模型进行修正，并微调动态阀门模型；S6、控制单元接收所述数据处理单元微调后的动态阀门模型，并根据微调后的动态阀门模型调整所述内冷却装置或所述外冷却装置的流量。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请通过开始轧制前的第一温度采集装置对所轧制大型筒节的温度信号的采集，制定开始阀门的开启程度，建立动态阀门模型，形成前馈控制；通过轧辊轧后第二温度采集装置对所述轧制大型筒节温度信号的采集，微调阀门模型，形成反馈调节，并通过前馈控制和反馈控制的共同作用，精确调节单位时间内流过该带流量计的控制阀门所控制的冷却装置的冷却介质的流量达到精确控制温度降低的目的，实现大型筒节差温轧制时形成均匀梯度温度的过程。

2、本申请能够根据实时温度调节各个位置冷却介质的流量，保证了差温轧制时形成均匀的温度梯度，从而达到更高的轧制精度，进而使轧制形成的大型筒节的内部组织更加均匀；克服了现有技术中由于冷却介质的重力和喷射角度的不同或筒节的大小厚度的不同对筒节各部分的冷却有所差别，导致筒节内部组织不均匀的问题。

3、本申请包括多个沿筒节的轴向均布的冷却单元，每个冷却单元均设有温度检测单元，且每个冷却单元中的内冷却装置和外冷却装置的流量均可以精确调节，克服了现有技术中筒节宽度方向上两边由于接触外界，所以冷却速度比中心慢，而冷却流量均相同导致的筒节内部组织不均匀的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例大型筒节差温轧制均匀冷却系统的结构示意图；

图2为本申请实施例大型筒节差温轧制均匀冷却系统的控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1，本申请实施例提供了一种大型筒节差温轧制均匀冷却系统，包括多个冷却单元1、温度检测单元2、数据处理单元、控制单元和显示模块。其中，控制单元为控制器3，数据处理单元和显示模块均集成在计算4内。

冷却单元1为多个，多个冷却单元1沿筒节5的轴向均布，保证可以在筒节5宽度方向上全覆盖。冷却单元1包括多个内冷却装置101和多个外冷却装置102。多个内冷却装置101均设置在筒节5的内部，且多个内冷却装置101和轧辊7中的上辊71沿筒节5的周向均布。多个外冷却装置102均设置在筒节5的外部，且多外冷却装置和轧辊7中的下辊72沿筒节5的周向均布。内冷却装置101和外冷却装置102沿筒节5的内外侧圆周两两相对分布。内冷却装置101和外冷却装置102用于向筒节5的内外壁喷射冷却介质，且内、外冷却装置所能冷却的范围超过筒节5的长度。内、外冷却装置通过喷射冷却介质达到控制温度的目的。多个内冷却装置101通过第一集流管连通，第一集流管包括沿筒节5的轴向延伸的直管103。多个外冷却装置102通过第二集流管连通，第二集流管包括沿筒节5的周向延伸的环管104。直管103和环管104均与水箱105连通，水箱105的入口设有液压泵106。

内冷却装置101和外冷却装置102均包括冷却喷嘴107和设置在冷却喷嘴107的入口处的带有流量计的控制阀108。带有流量计的控制阀108作为执行器分布于各个内、外冷却装置传输冷却介质的分流集水管上，并与控制单元连接，通过计算机4传输给控制单元信号，控制流量阀的阀门开启的大小，以控制冷却介质单位时间内流过阀门的流量来控制筒节5温度的降低，控制温度均匀冷却目的。

各内冷却装置101喷射冷却介质的出口到筒节5内壁的距离相等，各外冷却装置102喷射冷却介质的出口到筒节5外壁的距离也相等。示例的，各冷却装置喷射冷却介质的出口到筒节5内壁的距离，以及各外冷却装置102喷射冷却介质的出口到筒节5外壁的距离均为60cm。

温度检测单元2包括第一温度采集装置201和第二温度采集装置202，第一温度采集装置201用于实时采集筒节5位于轧辊7前侧的内外壁面的温度值。第二温度采集装置202用于实时采集筒节5位于轧辊7后侧的内外壁面的温度值。具体的，第一温度采集装置201位于轧辊7前侧的导向辊6的前侧。第二温度采集装置202位于轧辊7后侧的导向辊6的后侧。第一温度采集装置201包括两个温度传感器203，两个温度传感器203分别设置在筒节5的内外两侧，第二温度采集装置202的结构与第一温度采集装置201的结构相同。温度检测单元2通过实时检测筒节5温度数据，提供控制筒节5均匀冷却温度的依据。温度检测单元2和数据处理单元连接。

数据处理单元能够接收第一温度采集装置201检测到的位于轧辊7前侧的内外壁面的温度值，再根据位于轧辊7前侧的内外壁面的温度值，建立温度模型，并生成动态阀门模型。数据处理单元还能够接收第二温度采集装置202检测到的位于轧辊7后侧的内外壁面的温度值，再根据位于轧辊7后侧的内外壁面的温度值，对温度模型进行修正，并微调动态阀门模型。数据处理单元还能够通过温度模型计算，软测量出筒节5内部温度分布，确定工艺所要求的冷却规程。

带有流量计的控制阀108和数据处理单元均与控制单元连接。控制单元能够接收数据处理单元生成的动态阀门模型，并根据动态阀门模型调整内冷却装置101或外冷却装置102的流量。控制单元还能够接收数据处理单元微调后的动态阀门模型，并根据微调后的动态阀门模型调整内冷却装置101或外冷却装置102的流量。具体的，控制单元为控制器，可以对各冷却装置的控制阀进行单独控制，可以根据传输信号，快速响应，调节带流量计的控制阀门的开启关闭程度，调节冷取介质单位时间内流过阀门的流量。

显示单元能够显示第一温度采集装置201和第二温度采集装置202采集的温度值以及筒节5内部温度分布，具体的，显示单元可以为计算机4的显示屏。

综上，数据采集单元和控制单元相当于基础自动化控制系统，数据处理单元相当于过程计算机控制系统。基础自动化控制系统中的数据采集单元检测测温仪和流量计的电信号，变换之后传递给过程计算机控制系统，通过模型计算，软测量出筒节5的内部温度分布，确定工艺所要求的冷却规程，传输给基础自动化控制系统中的控制单元执行规程，实现自动化控制。

本申请实施例采用射流冷却，冷却介质选用冷却水，冷却水温为常温，水箱105水位保持2m，阀门响应时间小于1s，流量计最大量程300m³/h。每组冷却装置的管道最大流量为160m³/h，共5组冷却装置，内外相对的为1组，控制单元为12个，沿轴向设置的12个射流冷却装置，所轧制筒节5的外径为5600mm，厚度为580mm，轧制前保温温度1200℃，筒节5长度2800mm，筒节5转动圆周速度150mm/s。

筒节5在上辊71和下辊72的作用下进行环形轧制，导向辊6随着筒节5直径扩大向外运动，所轧制筒节5心部的热量传导到表面所需要的时间小于两秒。

另一方面，参照图2，本申请实施例同时提供了一种基于上述大型筒节差温轧制均匀冷却系统的冷却方法，包括以下步骤：

S1、轧制开始后，第一温度采集装置201实时采集筒节5位于轧辊7前侧的内外壁面的温度值。

S2、数据处理单元接收第一温度采集装置201检测到的位于轧辊7前侧的内外壁面的温度值，再根据位于轧辊7前侧的内外壁面的温度值，建立温度模型，并生成动态阀门模型。

S3、控制单元接收数据处理单元生成的动态阀门模型，并根据动态阀门模型调整控制各个控制阀的开启程度，开始喷射冷却介质，将筒节5表层温度从1200℃冷却到800℃以下。

S4、第二温度采集装置202实时采集筒节5位于轧辊7后侧的内外壁面的温度值。

S5、数据处理单元接收第二温度采集装置202检测到的位于轧辊7后侧的内外壁面的温度值，再根据位于轧辊7后侧的内外壁面的温度值，对温度模型进行修正，并微调动态阀门模型。

S6、控制单元接收数据处理单元微调后的动态阀门模型，并根据微调后的动态阀门模型微调各个控制阀的开启程度。

由于筒节5宽度方向上两边由于接触外界，所以冷却速度比中心慢，所以检测时宽度方向上两边温度冷却温度会高于中间温度，此时，控制单元会自动调节宽度方向上中间阀门，增大流量，同时根据要求略微减小两侧阀门的流量，调整动态阀门模型。

另外，由于冷却介质的重力和喷射角度的不同，所以检测时筒节5顶部温度会高于下部温度，此时，控制单元会自动减小最下侧两组阀门的出水量，微调阀门。

本申请实施例通过前馈控制和反馈控制的共同作用，精确调节单位时间内流过该带流量计的控制阀门所控制的冷却装置的冷却介质的流量达到精确控制温度降低的目的，实现大型筒节差温轧制时形成均匀梯度温度的过程。同时，通过轧后对大型筒节厚度方向各点进行金相组织观测，并与均温轧制参考例对比，可以看到心部组织变形均匀性增加，平均晶粒尺寸减小，心部材料缺陷减少。大型筒节厚度方向变形趋于均匀，整体性能提升。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种大型筒节差温轧制均匀冷却系统，其特征在于，包括：冷却单元、温度检测单元、数据处理单元和控制单元；

所述冷却单元包括多个内冷却装置和多个外冷却装置；所述内冷却装置用于对所述筒节的内壁面进行射流冷却；所述外冷却装置用于对所述筒节的外壁面进行射流冷却，且多个所述外冷却装置与多个所述内冷却装置一一对应；

所述温度检测单元包括第一温度采集装置和第二温度采集装置，所述第一温度采集装置用于实时采集所述筒节位于轧辊前侧的内外壁面的温度值；所述第二温度采集装置用于实时采集所述筒节位于轧辊后侧的内外壁面的温度值；所述温度检测单元和所述数据处理单元连接；

所述数据处理单元能够接收所述第一温度采集装置检测到的位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，再根据所述位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，建立温度模型，并生成动态阀门模型；并接收所述第二温度采集装置检测到的位于轧辊后侧的内外壁面的温度值，再根据所述位于轧辊后侧的内外壁面的温度值，对温度模型进行修正，并微调动态阀门模型；

所述内冷却装置、所述外冷却装置和所述数据处理单元均与所述控制单元连接；

所述控制单元能够接收所述数据处理单元生成的动态阀门模型，并根据所述动态阀门模型调整所述内冷却装置或所述外冷却装置的流量；

所述大型筒节差温轧制均匀冷却系统的冷却方法，包括以下步骤：

S1、第一温度采集装置实时采集筒节位于轧辊前侧的内外壁面的温度值；

S2、数据处理单元接收所述第一温度采集装置检测到的位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，再根据所述位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，建立温度模型，并生成动态阀门模型；

S3、控制单元接收所述数据处理单元生成的动态阀门模型，并根据所述动态阀门模型调整所述内冷却装置或所述外冷却装置的流量；

S4、第二温度采集装置实时采集筒节位于轧辊后侧的内外壁面的温度值；

S5、数据处理单元接收所述第二温度采集装置检测到的位于轧辊后侧的内外壁面的温度值，再根据所述位于轧辊后侧的内外壁面的温度值，对温度模型进行修正，并微调动态阀门模型；

S6、控制单元接收所述数据处理单元微调后的动态阀门模型，并根据微调后的动态阀门模型调整所述内冷却装置或所述外冷却装置的流量；

所述大型筒节差温轧制均匀冷却系统通过开始轧制前的第一温度采集装置对所轧制大型筒节的温度信号的采集，制定开始阀门的开启程度，建立动态阀门模型，形成前馈控制；通过轧辊轧后第二温度采集装置对所述轧制大型筒节温度信号的采集，微调阀门模型，形成反馈调节，并通过前馈控制和反馈控制的共同作用，精确调节单位时间内流过冷却装置的冷却介质的流量达到精确控制温度降低的目的，实现大型筒节差温轧制时形成均匀梯度温度的过程。

2.根据权利要求1所述的大型筒节差温轧制均匀冷却系统，其特征在于，所述内冷却装置和所述外冷却装置均包括冷却喷嘴和设置在所述冷却喷嘴的入口处的带有流量计的控制阀，所述带有流量计的控制阀与所述控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的大型筒节差温轧制均匀冷却系统，其特征在于，多个所述内冷却装置和所述轧辊中的上辊沿所述筒节的周向均布，且多个所述外冷却装置和所述轧辊中的下辊沿所述筒节的周向均布。

4.根据权利要求3所述的大型筒节差温轧制均匀冷却系统，其特征在于，多个所述内冷却装置通过第一集流管连通，所述第一集流管包括沿所述筒节的轴向延伸的直管；多个所述外冷却装置通过第二集流管连通，所述第二集流管包括沿所述筒节的周向延伸的环管；所述直管和所述环管均与水箱连通，所述水箱的入口设有液压泵。

5.根据权利要求1所述的大型筒节差温轧制均匀冷却系统，其特征在于，所述冷却单元为多个，多个冷却单元沿所述筒节的轴向均布。

6.根据权利要求1所述的大型筒节差温轧制均匀冷却系统，其特征在于，所述第一温度采集装置包括两个温度传感器，两个所述温度传感器分别设置在所述筒节的内外两侧；所述第二温度采集装置的结构与所述第一温度采集的结构相同。

7.根据权利要求1所述的大型筒节差温轧制均匀冷却系统，其特征在于，所述数据处理单元还能够根据所述第一温度采集装置检测到的位于轧辊前侧的内外壁面的温度值，通过所述温度模型，软测量出筒节内部温度分布。

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