CN1213816C - 制造热轧钢带的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以机械方式去除高温热轧钢带表面的氧化铁皮的有效方法。该方法包括以下步骤：热轧后，保持热轧钢带卷的温度在400℃或更高的温度直至相变结束；开卷时以50℃/秒的冷却速度将钢带卷冷却到100℃或更低温度；用精整轧机修正钢带板形；通过向经板形修正的钢带表面喷射水流除去表面的氧化铁皮；干燥并卷取表面已除去氧化铁皮的钢带。此外，本发明还提供了一种用于实现上述方法的装置。

Description

制造热轧钢带的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于制造热轧钢带的方法和装置。更为特别的是，本发明涉及一种热轧钢带的制造方法，该方法能够有效地除去高温钢卷表面的氧化铁皮，并提高了全过程速率，同时还涉及一种实现该方法的装置。

背景技术

如图1所示，通常，制造热轧带卷首先通过热连轧机组将板坯轧制到一定厚度后，在输出辊道上把轧制后的钢带冷却至适当的温度，然后用地下卷取机把冷却后的钢带卷成带卷。在卷取刚刚完成时，热带卷的温度大约为500到600℃。要把如此高温的带卷冷却到常温，热带卷要被堆放在带卷堆场中自然冷却3至5天。如果需要，热带卷自然冷却后要通过形状精整工序修正板形，例如，经表面平整机处理。

根据最终用途的不同，热轧钢产品可以不同的形式供货。例如，热轧带卷可以直接使用。此外，也可以PO(酸洗并涂油)产品的形式供货，即通过酸洗工序除鳞并在表面涂以防腐蚀油制得的产品。热轧钢板可能还要在酸洗后经电镀或冷轧处理。也可以供应经过表面处理的钢板产品或冷轧的钢板产品。

同时，从地下卷取机上取下的高温热带卷在进入形状精整工序或酸洗工序前必须被冷却到100℃或更低的温度。更特殊的是，由于低碳钢只有在100℃或更低温度下进行形状精整处理，才能防止带卷断裂现象的发生这个众所周知的原因，热带卷必须被冷却到上述温度范围内。

然而，把500到600℃的热带卷自然冷却到100℃或更低温度至少需要3到5天的时间，结果导致生长周期的延长。此外，在热带卷长时间地缓慢冷却时，钢带表面形成的氧化铁皮与空气中的氧气反应。因此，氧化铁皮的厚度增加，而且还会形成致密且与表面结合紧密的氧化铁皮如Fe₂O₃或Fe₃O₄，从而使酸洗处理更加困难。

日本专利公开公报号昭63-20417，昭57-134207和昭55-10355中介绍了一种强制冷却方法，作为一种减少带卷冷却时间的方法，它采取了往卷取好的热带卷上喷水或将带卷浸入水中的措施。然而，在这一常规方法中，由于水只是接触了热带卷的外表面，带卷外部与水接触的部分迅速冷却，而带卷内部不与水接触的部分需要6至24小时的冷却时间。即，该方法不能显著地缩短冷却时间。此外，该方法的缺点是，由于带卷内部与外部之间及带卷的两个端部与芯部之间的冷却滞后的差别，会造成机械性能的差异，同时冷却效率也较低。

韩国专利公开号1999-026910中介绍了一种解决上述问题的方法。该方法在卷取钢板时，将一个钢带插入被卷取的钢板之间，然后将热钢板浸入水中，从而使水渗透进被钢带以固定间距间隔的钢板间。该方法可以大大减少冷却时间。然而，该方法存在钢板与钢带一起卷取时造成的操作不方便和由于钢带的存在而使钢板的板形变差等缺点。

此外，表面覆盖着氧化铁皮的热轧钢带首先经除鳞工序生产PO钢，或随后再进行冷轧或电镀处理。近来，常用的除鳞方法是如图2所示的化学酸洗工艺。化学酸洗的实现如下：卷好的热带卷被连续地浸入强酸水溶液如盐酸或硫酸中，或热带卷被用开卷器打开时向其上喷洒酸的水溶液。此时，热带卷表面形成的氧化铁皮被溶解于溶液中然后去除。最后，热带卷被清洗并干燥。

然而，由于化学酸洗反应比较慢，该工序需要大量地时间，因而生产率较低。此外，该工艺需要大规模的设备，包括一个长达数十米的酸洗槽以获得适当的进料速度。此外，该工艺中蒸发的酸蒸气造成的大气污染，工作环境的恶化，由于持续地产生酸性废物引起的周围设备的腐蚀和污染问题也无法避免。

为了改善上述除鳞中的低效和由于化学酸洗造成的环境污染，曾经提出过多种工艺。这些工艺包括诸如一种使用中性溶液用水解法除鳞的方法，以及一种通过在酸洗槽前设置的辊压下钢板，使用轧平机(leveler)式的破鳞机进行表面改善和通过喷砂处理打碎氧化铁皮改进酸洗工艺的方法。然而，这些方法并不能完全解决上述问题，并且需要复杂的设备。另外，一种用高能激光束照射除鳞的方法也被提出，但它在生产率和设备的操作方面存在困难。

此外，日本专利公开公报号昭57-1515中介绍了另一种去除带卷氧化铁皮的方法。在该方法中，热轧后，高温的钢带卷被直接浸入水中，然后被冷却。这样，钢板的表面形成一层氧化铁皮。然后，带卷被打开成钢带，并压下被开卷的钢带以压碎鳞层。随后，将喷射水流或被空气或水加速的高速喷射的研磨料喷射到钢带的表面，以去除被打碎的氧化铁皮层。

韩国专利公开号1998-048550中介绍了一种用于制造钢板的方法，该方法的特点是热轧工序的地下卷取机后设有一个淬火区和一个干式除鳞机，且热轧工序与冷轧工序在线连接。该方法通过使用无酸洗的干式除鳞工艺减少了热带卷的冷却时间并解决了环境污染问题。此外，该方法可以使整个生产流程连续而简洁。

然而，由于该工艺流程是连续的，在工艺流程特性需要一个缓冲区，以控制材料从热轧工序流向冷轧工序时很难实现。此外，由于无酸洗的干式除鳞工艺没有详细说明，该工艺很难实现。

发明内容

因此，本发明正是基于对上述问题的考虑而作出的，其目的之一是提供一种制造热轧钢带的方法，该方法能够更有效地除去钢带表面形成的氧化铁皮，同时大大减少冷却时间。

本发明的另一个目的是提供一种能够减少工艺流程时间的热轧钢带制造方法。

本发明还有一个目的是提供一种制造热轧钢带的装置，它能够更有效地除去钢带表面形成的氧化铁皮，同时大大减少冷却时间和工艺流程的时间。

根据本发明的一个方面，采用本发明中制造无氧化铁皮的热轧钢带的方法实现上述及其它目的，该方法包括以下步骤：

热轧后，保持钢带卷的温度在400℃或更高温度，直至相变结束；

开卷时以至少50℃/秒的速率将钢带卷水冷至100℃或更低温度；

用精整轧机修正钢带板形；

通过向经板形修正的钢带表面喷射水流除去表面的氧化铁皮；以及

干燥并卷取表面已除鳞的钢带。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造热轧钢带的装置，包括：

一台开卷机，用于在把带卷打开成板形时连续地提供高温热轧钢带卷；

一个淬火设备，包括多个设置在由开卷机提供的钢板上下两侧的冷却集管，用于排出冷却外面时产生的大量水蒸汽的通风装置，及用于传送钢板的多个传送辊道，每一集管都配有喷嘴，从而冷却水被喷洒到钢板一侧的表面并与冷却水源相连；

一台位于淬火设备下游的精整轧机，配有用于对钢板进行所需的适当压下量轧制的轧辊组，以消除经淬火设备处理后钢板的形状恶化和残余应力不均匀，并使氧化铁皮层产生裂缝；

一台位于精整轧机下游的除鳞机，该除鳞机包括分别设置在其入口处和出口处的夹送辊组，用于传递驱动力以喂入钢板，一组位于两夹送辊组间的导向辊组，与钢板的上下表面接触，用于防止钢板由于自身重量的作用下垂和夹持钢板以使其以适当的高度前进，设置于入口夹送辊组与出口夹送辊组间的喷水装置，用于将水流喷射到钢板的上下表面，从而除去钢板表面的氧化铁皮，以及一个容纳夹送辊组、导向辊组和喷水装置的箱，其入口和出口侧形成供钢板通过的窄缝；

喷水装置，包括一个用于产生喷射水流的泵，与泵连接的圆筒形射流集管，用于接受喷射水流，设置在钢板侧向的集管，以及成直线排列在每个集管上的喷嘴，用于在宽度方向上以一定倾角将水流喷射到钢板上；

一台用于干燥从除鳞机出口侧窄缝中输出的钢带的干燥机；以及

一台二次卷取机，用于卷取来自干燥机的钢板。

用于去除热轧钢带表面形成的氧化铁皮的化学酸洗方法存在导致环境污染，及需要较多操作时间和复杂设备等问题。因此，本发明人研究开发了一种改进方法用于机械除鳞，可以替代化学酸洗方法。最终发现，如果从地下卷取机取出的高温热轧钢带被以一种最佳的方式冷却，则带卷中热轧钢带表面形成的氧化铁皮具有较粗糙的结构且易碎，因此这样的氧化铁皮能够在被后序的机械方法较容易除去。此外，由于冷却速度的提高，整个制造热轧钢带的流程速度被大大提高。本发明正是基于上述发现完成的。

附图的简要说明

下面结合附图，详细说明本发明的上述和其它目的、特点和其它优点，以便被更好地理解，其中：

图1所示为常规热轧钢带制造工艺的示意图；

图2所示为常规热轧带卷生产中除鳞工艺的示意图；

图3所示为根据本发明的一个制造工艺实施方案的示意图；

图4所示为根据本发明，用喷射水流除鳞的示意图；

图5所示为根据本发明的另一个制造工艺实施方案的示意图；

图6所示为根据本发明，使用管式层流喷嘴的冷却单元布局的一个范例的示意图；

图7所示为根据本发明，使用喷射水流的除鳞机的剖面示意图；

图8所示为以常规空冷方法冷却和卷取后改变冷却速度冷却的材料的抗拉强度的比较图；

图9所示为随钢板的进给速度、喷嘴与钢板间距离、能量密度及试样条件的变化，氧化铁皮去除程度变化的示意图。

发明的最佳实施方式

下面参照附图，进一步详细说明本发明。

图3所示为根据本发明的一个实施方案的制造工艺的示意图。图4所示为根据本发明用喷射水流除鳞的示意图。图5所示为根据本发明的另一个实施方案的制造工艺的示意图。图6所示为根据本发明，使用管式层流喷嘴的冷却单元布局的一个范例的示意图。图7所示为根据本发明，使用喷射水流的除鳞机的剖面示意图。

同时，图3和图5中的参考数字1，3-7分别表示热轧带卷、精整轧机、除鳞机、干燥机、除鳞后的带卷和小型的酸洗机组。

在去除经过淬火和板形精整的热轧带卷氧化铁皮方面，本发明的特点在于冷却工序、板形精整工序和除鳞工序是连续进行的，从而缩短了冷却时间，提高了制造过程的效率。本发明的特点还在于通过淬火抑制氧化铁皮的生长和转变改善了氧化铁皮的可去除性。此外，本发明的特点还在于通过在板形精整工序中引入对氧化铁皮的破碎改善了氧化铁皮的可去除性。

下面，参照淬火、板形精整及除鳞工序，从制造方法和实现该方法的装置的角度，说明本发明的特点。

<制造热轧带卷的方法>

[淬火]

根据本发明，淬火工序是通过在打开带卷时迅速地水冷高温热轧钢板来实现的，以缩短冷却时间，并改善氧化铁皮的可去除性，而不恶化钢板的机械性能。为达到这一目的，需要适当地控制水冷开始的时间和温度、结束温度、及冷却速度。

(1)水冷开始时间和温度

在连续热带轧制机组中，板坯经热轧变形为热轧钢板。热轧钢板在输出辊道上被冷却到预定温度(约为500到600℃)，并被卷取成带卷的形式然后从机组中取出。由于普通碳钢的相变过程在输出辊道上就已基本完成，因此即使卷取的带卷在开卷时进行淬火，对带卷中钢材的性能也不会有明显的影响。此外，诸如电工钢板或不锈钢等在输出辊道不经历相变的钢种，其钢材性能也不会发生明显变化。

然而，当含有大量合金元素的高碳钢或高合金钢等具有较高硬化能力的钢种被成形为高温热轧带卷时，在输出辊道上经过了相变，如果再经过淬火，未相变的奥氏体转变为贝氏体或马氏体。因此，就会产生钢材性能的变化，也即，硬度的升高和延伸率的降低等，从则导致钢材无法达到所需的性能。

因此，必须在淬火前保持带卷原有状态一段时间，如30分钟，以使相变完成。然后，才能进行淬火。

此外，如果用于对可加工性有要求的冷轧的材料在卷取后被立即淬火，AlN、TiC等影响冷轧后退火过程中再结晶行为的析出物不能充分形成，从而使冷轧后最终产品的可加工性恶化。因此，用于冷轧的材料最好在卷取后保持其状态一小时不变，以便形成诸如AlN或TiC等微量元素析出物，然后再在开卷时对材料进行淬火。

如上所述，根据本发明，按照钢种的不同将钢板保持适当的时间后开始淬火。此时，由具有屈服点现象的碳钢材料组成的热轧带卷在被冷却到至少400℃或更高温度时被打开成板状。这是因为如果开卷温度低于400℃，具有屈服点现象的碳钢材料的变形会在局部集中，以致出现会导致表面质量恶化的带卷开裂现象。

(2)水冷结束温度

高温热轧带卷在开卷时被水冷。此时，优选的水冷结束温度范围是100℃或更低，更优选在60至100℃。如果结束温度高于100℃，随后的板形精整工序就会发生带卷开裂现象。此外，如果结束温度降至60℃或更低，就需要增加输出辊道的长度。尤其是，携带一定热量的钢板具有能够蒸发后序工序中的残留水分的优点。此外，优选水冷结束温度为80℃。

(3)冷却速度

冷却速度对改善氧化铁皮可去除性而言是重要的。在热轧过程中，钢板的表面与空气中的氧气反应，生成氧化铁皮。此时，氧化铁皮主要是方铁体(FeO)。如果采用常规方法，在热轧后的钢板缓慢冷却3到5天，由于与空气反应氧化铁皮变厚，同时，高温下形成的方铁体相氧化铁皮逐渐转变成磁铁体(Fe₃O₄)或赤铁体(Fe₂O₃)。

在氧化铁皮的相变过程中，氧化铁皮与基体金属间的结合力变弱，同时，相对高温相的方铁体而言，相变生成物磁铁体和赤铁体具有更坚固的结构和更高的断裂强度，从而造成氧化铁皮可去除性的降低。因此，根据本发明，如果高温热轧带卷在卷取后立即淬火，则氧化铁皮的厚度不会增加且生成磁铁体和赤铁体的相变被抑制，从而使氧化铁皮在后序的除鳞工序中易被除去。

此外，根据本发明，如果钢板被淬火，氧化铁皮上会出现很多裂纹。即，钢板表面形成的氧化铁皮在钢板与水接触时首先被冷却，从而使氧化铁皮与基体金属间出现很大的瞬时温度差。这样，由于温度的不同和热膨胀系数的不同产生的拉伸应力在氧化铁皮上形成大量微裂纹，由于冷却使其韧性降低。这些裂纹使除鳞工序中氧化铁皮的可去除性得到改善。

氧化铁皮生长受到抑制的程度、氧化铁皮相变的程度和产生裂纹的程度依赖于冷却速度。高的冷却速度可以改善氧化铁皮的可去除性，所以冷却速度应该尽可能地高。因此，优选冷却速度为至少50℃/秒或更高。

[板形精整]

热轧带卷通过淬火被水冷至100℃或更低温度后被送至精整轧机。由于在精整轧机入口侧钢带的温度是100℃或更低，从而可以避开100到400℃带卷发生断裂的温度范围。表面平整轧辊可用于普通的板形精整工序。该工序通过使钢带发生小于百分之几的塑性变形来修正由于钢带热轧和淬火产生的钢板扭曲，并消除残余应力。

根据本发明，除上述修正板形和消除残余应力外，精整轧机还具有其它不同的作用。精整轧机还可以以机械方式使钢带表面变形以在钢带表面形成的氧化铁皮中产生裂纹，从而进一步改善氧化铁皮的可去除性。此外，在轧辊作用下，其中有剪应力集中的钢带表面处的基体金属被加工硬化，从而在后序用喷射水流除鳞工序中保护基体金属不受损伤。

裂纹产生的程度随压下率，也就是精整轧制过程中厚度减少的比率的升高而升高。此外，裂纹越多，氧化铁皮的可去除性越好，因此，优选增大压下率。然而，如果压下率达到5％或更多，氧化铁皮中的裂纹不再增多。尤其是当钢带在除鳞后直接使用时，大压下率的钢带产品韧性较好而延伸率较低。因此，优选将压下率限制为5％或更小。同时，对于除鳞后要进行冷轧的冷轧材料，增大精整轧制时的变形量还有减小冷轧时压下率负荷的作用。因此，施加百分之几十的压下率(如50％)也毫无问题。

[除鳞]

精整轧制后，通过设置在下游的除鳞机除去钢带上的氧化铁皮。根据本发明，除鳞是通过使用喷射水流，而不是化学方法中使用的酸水溶液，以机械方式除去氧化铁皮实现的，以除去热带轧机或热处理制造的钢带表面的氧化铁皮。

喷射水流除鳞方法使用一种利用喷射水流的除鳞机，可以除去在加热炉中和热轧过程中形成的氧化铁皮，也可用于在精轧前粗轧后除鳞。此时，由于氧化铁皮厚且多孔，同时淬火产生的热冲击与喷射水流的机械冲击都作用于氧化铁皮上，即使只用普通的30,000kPa或更小压力的水流也很容易除去氧化铁皮。

然而，在本发明中，热轧带卷被冷却到了100℃或更低温度，具有相对薄而坚固的氧化铁皮结构，同时几乎没有热冲击的作用。因此，需要将压力至少为100,000kPa或更高的喷射水流喷射到钢板表面，以便能有效地打碎并除去钢板表面的氧化铁皮。在这一点上，喷射的情况取决于氧化铁皮的特性、喷射水流的压力，单个喷嘴的流量、喷嘴与钢板表面间的距离、喷射水流的接触角、钢板的进给速度、喷嘴数目等。也即，当喷射水流作用到钢板表面的冲击能高于氧化铁皮与其下的基体金属的结合能时，氧化铁皮就可被除去。如果冲击能不够大，就不能完全除去氧化铁皮。同时，如果喷射水流的冲击能过大，会使基体金属产生凹痕等损伤。

此外，氧化铁皮的可去除性随其状态改变，即钢材的化学成分、热轧的条件、通过已卷取带卷的淬火和精整轧制在氧化铁皮上产生裂纹的方法，如本发明所述的方法。因此，通过合理地控制这些变化因素，可以完全除去氧化铁皮而不损伤基体金属。

在这些条件中，最重要的是喷射水流中用于除去钢板表面形成的氧化铁皮的有效能量。也即，如果该能量高于特定的上限，除鳞时就会造成基体金属表面的损伤。如果该能量低于特定的下限，就不能完全除去氧化铁皮。基于此原因，当喷射水流具有介于上述两个特定的上下限间的适当能量时，就可以制造出具有满足要求的表面特性，其上的氧化铁皮被完全除去的钢带。

如果用“e”表示单位时间内通过一个喷嘴喷射出的水流传递到钢板表面的冲击能，则该冲击能e可以用喷出压力P和流量Q来表示，如下面公式1所示：

[公式1]

e＝PQ

其中单位时间内喷射水流的冲击面积A由喷嘴与钢板间的距离h、喷射角θ₁、喷嘴倾角θ₂和钢板的进给速度v确定。如图4所示，如果喷嘴是使水流分散成扇形的扇形喷嘴，单位时间内喷射水流的冲击面积可用公式2表示。

[公式2]

$A=2\tan \left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1}{2}\right)\cos \left({\mathrm{\&theta;}}_2\right)\mathrm{hv}$

因此，如果用”E”表示从喷嘴传递到钢板上单位面积的能量密度，则能量密度E可用下面的公式3表示。

[公式3]

$E=\frac{e}{A}=\frac{\mathrm{PQ}}{2\tan ({\mathrm{\&theta;}}_1/2)\cos \left({\mathrm{\&theta;}}_2\right)\mathrm{hv}}$

如果没有进行淬火和精整轧制处理，同时按上式计算出的能量密度E又小于3,000kJ/m²，就无法完全除去氧化铁皮。同时，如果能量密度大于6,000kJ/m²，尽管可以完全除去氧化铁皮，但氧化铁皮下与之直接接触的基体金属就会受到损伤。因此，合理的能量密度E的范围如公式4所示。

[公式4]

3,000(kJ/m²)≤E≤6,000(kJ/m²)

然而，根据本发明，除鳞是在高温的热轧带卷淬火并被以0.5％至5％的压下率压下后进行的。这种情况下，可供选择的合理能量密度的范围很大。该合理能量密度E的范围如公式5所示。

[公式5]

1,000(kJ/m²)≤E≤8,000(kJ/m²)

其下限下降的原因是氧化铁皮的可去除性因水冷淬火和精整轧制中的厚度减薄而得到改善。上限升高的原因是氧化铁皮下与之直接接触的基体金属在压下过程中被加工硬化。在这种除鳞工艺中合理能量密度范围的扩大意味着稳定生产范围的扩大。尤其是，能量密度下限的降低意味着有可能施加较低的能量完全除鳞。因此，可以实现更有效的能量利用。

同时，如果多个喷嘴排列在钢板的进给路径上，单位时间内作用于钢板的能量与喷嘴的数目成比例，但用于去除氧化铁皮的有效能量密度并不简单地随喷嘴数目成比例增大。例如，研究发现，当设置在钢板进给路径上的喷嘴集管的数目为“n”时，如果有效能量密度En在上述范围内，除鳞就可以合理实现。

[公式6]

$E_n=\frac{\mathrm{PQ}{n}^{0.7}}{2\tan ({\mathrm{\&theta;}}_1/2)\cos \left({\mathrm{\&theta;}}_2\right)\mathrm{hv}}$

因此，通过调整该单元设备，使得根据上述预测公式和能量密度的范围，由超高压泵的压力和流速、喷射角和喷嘴倾角、钢板与喷嘴间距离、钢板进给速度和喷嘴数目计算出的能量密度满足上述范围，就可以生产出具有合格表面特性的钢带。此外，可以理解，如果增大压力、流速和喷嘴集管的数目，或减小喷嘴与钢板间的距离，就可以得到较大的钢板进给速度，从而具有较高的生产率。

通过上述工序除鳞后，钢带在通过一个设置在除鳞机下游的干燥机时被干燥，以除去残余水分。这是因为不完全除去残余水分钢带就会生锈。干燥后的钢带可进行涂油防锈处理然后被卷取机再次卷取以制造PO(酸洗并涂油)产品，或可进入后序的冷轧、电镀及其它工序加工。

此外，如图5所示，根据本发明的方法，除鳞机后可设置一个小型的酸洗机组。一些钢种，如不锈钢等的氧化铁皮与基体金属间的结合力非常强。这时，用喷射水流可能不能完全除去氧化铁皮，使用设在除鳞线下游的小型酸洗槽进行酸洗可以作为一种辅助手段以获得更好的表面质量。当然，与现有的酸洗设备单元相比，该酸洗机组可以数目较少且设备规模较小。此外，由于酸洗速度和钢板的进给速度可以提高，酸洗的效率较高，使生产率得以提高。

<制造热轧带卷的装置>

[淬火设备]

图3中所示的2为一台用于对热轧钢板进行淬火的淬火设备。淬火设备2可以使用不同类型的水冷器，如管道层流式、水幕式、喷射水流式、浸泡式等。由于进入水冷器的钢板的入口温度是600℃或更高，水冷过程主要不是在膜态沸腾区，而是在形核区进行。因此，淬火可以通过使水和钢板直接接触来实现。这是因为冷却能力更多地是依赖冷却水的流量而不是使用的冷却方式。

图6所示为冷却设备的一个例子，为管道层流式水冷器。如图6所示，上下冷却集管21和22设置在钢板S的上下两侧。每个冷却集管21和22都配有排成一列的管道层流喷嘴。输出辊道23设置在集管21和22之间用于进给钢板S。钢板进给与从上下喷嘴中喷出的上下冷却喷射水流24和25接触，实现冷却。

输出辊道的长度是设计一个特定的实际冷却设备时决定所需的设备规模的主要因素。要把热轧钢板从600℃的高温冷却到100℃或更低温度所需要的输出辊道长度是由钢板厚度、钢板的进给速度、钢板的冷却速度、及冷却水的流量决定的。要想达到100℃/秒的平均冷却速度需要5秒钟的冷却时间。如果钢板进给速度是100米/分钟，则钢板5秒钟内的进给距离是8.33米。因此，该距离是输出辊道的最小长度。如果钢板的厚度是6mm，要达到这样的冷却速度需要约2.5MW/m²⁰的热通量。这种情况下，也就需要1500升/m²/分钟的流量密度。

因此，如果钢板的最大宽度是2米，应该提供2500升/分钟的冷却水。在水冷设备利用这样的流量密度时，可以在10m的冷却段上将最大厚度为6mm、宽度为2m的钢板从600℃冷却至100℃。当然，如果进给速度较低或被冷却的钢板硬度为6mm或更小，可以更快地实现淬火。同时，要使钢板具有更快的进给速度，就需要提高流量密度，因为水冷时间和需要减少的输出辊道长度与进给速度成反比，而需要升高的冷却速度与进给速度成正比。因此，应当考虑钢板厚度、冷却速度、钢板进给速度、输出辊道长度等因素，合理地确定冷却水的流量，并选用适当的泵。然而，如果流量密度为约1000升/m²/分钟或更高，在输出辊道的长度小于20米的情况下，冷却速度就可以达到50℃/秒或更高。

同时，冷却钢带时产生的大量水蒸汽可能造成冷却设备的腐蚀问题。因此，优选把水蒸汽适当地排出。例如，优选方法是通过安装通风设备，或使用包围输出辊道的箱以形成水蒸汽幕，和风扇，将产生的水蒸汽排到外面。

[精整轧机]

根据本发明，如图3中所示的精整轧机用于消除板形的退化和残余应力的不均匀，并在氧化铁皮中产生裂纹。具有板形精整能力的常规表面平整轧机可以作为精整轧机使用。然而，普通表面平整轧机的最大压下率为1％到3％。因此，最好安装一台能够把钢板压下5％的设备。同时，如果生产冷轧钢材，也可以使用能够达到百分之几十的压下率的轧机。这样，就可以减少冷轧钢材的压下率。

精整轧机可以干式或湿式的。如果是干式的，淬火设备与精整轧机间要安装一台用于除去钢板表面残余水分的干燥设备。这时，可以通过压缩空气或加热空气实现干燥。此外，最好在水冷后，使钢板的温度保持在50到80℃，而不是过低，这样就可利用钢板中的热量蒸发掉残余水分。

[除鳞机]

一台利用喷射水流的氧化铁皮去除设备包括一台用于产生喷射水流的泵，用于将喷射水流喷射到钢板上的喷嘴，用于支撑喷嘴和提供喷射水流的喷嘴集管，以及用于防止钢板震动并使喷嘴与钢板间保持适当距离的导向辊。

图7所示为氧化铁皮去除设备的一个优选示例的剖面示意图。优选的是，在设备周围设置箱31，以使从喷嘴中喷出的水流、上下喷射水流32和33与钢板碰撞溅起的水、沿钢板滞留的水不受阻挡地向外流出。在箱31的入口侧设有入口窄缝34，其长度是由该设备所加工钢板的最大宽度决定的。入口侧上下夹持辊36和37分别设置在入口窄缝后面紧邻处的上下两侧。入口侧上下夹持辊36和37用于传递进给钢板S驱动力，同时防止滞留的水和溅起的水向外流过出口侧的上下夹持辊42、43。

在轧制线的上下两侧，设有上下导向辊38和39用于防止钢板S从入口窄缝34中露出，及上下夹持辊36和37用于防止钢板在其自重作用下下垂并保持钢板S与喷嘴间的适当距离。导向辊间设有上下喷嘴集管40和41。上下喷嘴集管40和41中每个都具有喷射水流喷嘴。该喷射水流喷嘴适用于除鳞，并在钢板的宽度方向上直线排列。最好让喷嘴集管40和41分别与上下驱动装置相连，以便在需要时调整钢板S与喷嘴间的距离。

可形成锥形水流的全锥式(full cone type)喷嘴和可形成扇形水流的扇形喷嘴可用作喷射水流喷嘴。然而，最好使用扇形喷嘴，它能够防止不同喷嘴喷出的水流的干涉，同时在相同的流量下增加每个喷嘴的除鳞面积。喷嘴的喷射角应尽可能地大，因为喷射角决定覆盖范围。但是，过大的喷射角会造成冲击压力的不均匀。因此，最好把喷射角限制在15°到45°的范围内。需要特别注意的是，如图4所示，最好将喷嘴直线排列在喷射水流集管12上，同时相对钢板S的宽度方向有小的倾角，从而防止从喷射水流喷嘴11喷射出的水流间的微小干涉，同时在钢板沿进给方向A进给时，允许相邻喷射水流的覆盖面积A相邻端有轻微重叠，喷射水流就是在覆盖面积A内与钢板S发生碰撞的。

每个喷嘴的倾角θ₂的最佳取值是在不同喷嘴喷射出的水流间不发生干涉的范围内尽可能的小，倾角θ₂的合理取值范围是10°到20°，最好取15°。同时，有效碰撞表面的重叠区域取决于钢板与喷嘴间的距离、喷嘴与喷嘴之间的距离、喷嘴喷射角θ₁和倾角θ₂。最好调整喷嘴使重叠区域的长度是其碰撞区域的3％到5％，从而使宽度方向上的碰撞压力尽可能一致。每个喷嘴的孔口中要长时间地以超音速喷射出压力为100,000kPa的喷射水流。因此，孔口最好用高耐磨性的合成蓝宝石或合成钻石制造，以使其即便在长期喷射水流后也不会被磨损。

喷嘴集管的数目取决于期望的除鳞程度。如图7所示，最好装备多套集管，如两套或更多，这样前面集管未能除去的氧化铁皮可以被随后的集管除去。同时，最好在相邻集管间交替排列喷嘴，以便在宽度方向上更均匀地除鳞。喷嘴集管分别与喷射水流供集管相连。供集管与提供高压水的泵相连。这里，各个喷嘴集管上设有阀用于喷射水流。该阀最好是分流式的，以便在喷嘴处于关闭状态时分流喷射水流，从而通过分流喷射水流在喷嘴关闭时防止由于阀的开/关操作引起的整个喷射水流的压力波动。

与箱的入口侧相同，箱的出口侧设有出口侧夹持辊和箱窄缝，用于在钢板除鳞后从箱中拉出时防止排出滞留的水和溅出的水。为了防止水的排出，用吸气泵保持箱内的压力低于大气压，从而将外部空气与滞留和溅出的水通过钢板和窄缝间的间隙一起吸入箱中，是一种有效的方法。除鳞后，从出口侧窄缝中拉出的钢带进入干燥机中。这时，使用高压空气或热空气除去残余水分。

下面结合实施例进一步详细说明本发明。

[实施例1：钢板性能的变化]

只有在对应钢种淬火后与采用常规方法空冷3到5天后钢质量没有显著差别时，才能使用这种在开卷时通过淬火将卷取好的高温热轧带卷冷却到常温的方法。确定淬火引起的钢板性能变化的测试中使用了两种典型的热轧钢板用材：低碳钢和中碳钢(低碳钢：碳含量0.042％，锰含量1.50％；中碳钢：碳含量0.19％，锰含量1.52％)。本测试中，测量了采用卷取后保持卷取状态空冷4天的常规缓慢冷却工艺制造的材料，和采用不同的冷却速度制造的材料的抗拉强度的变化。

测试结果汇总于图8中。

如图8所示，如果材料采用常规的自然空冷方法制造，低碳钢和中碳钢的抗拉强度分别为约36kg/mm²和48kg/mm²。此外，即使卷取后冷却速度增大到300℃/秒，抗拉强度的增加也不明显：低碳钢和中碳钢的抗拉强度增量分别为约2kg/mm²和3kg/mm²。而且，通过光学显微镜观察的显微结构没有明显变化。

钢材性能没有明显变化的原因在于，热轧钢板的材料性能取决于发生奥氏体相变的条件，即热轧后的冷却条件，相变主要发生在热轧设备的输出辊道上且在卷取前已基本结束。也就是说，淬火冷却的材料性能变化不明显是因为相变已经完成了。

因此，正如本发明所建议的，可以理解当卷取的热轧带卷被保持卷取状态30分钟到1小时后再淬火，最终产品中钢材性能的变化很小，因为热轧带卷在淬火前已经过相变了。然而，钢材性能上这种程度的变化可能会导致某一问题。因此，如果需要，可以通过升高热轧时的卷取温度或降低合金元素含量，使采用本方法生产的钢板的性能等同于用常规方法生产的钢板。

[实施例2：取决于试样状态和能量密度的氧化铁皮的去除程度]

本实施例中，检验了采用常规的缓慢冷却方法处理的试样和采用本发明中方法处理的试样的氧化铁皮的去除程度，其中本发明的处理方法中，相变结束后，以100℃/秒的冷却速度淬火，然后进行压下率为2.5％的压下。试样采用低碳钢，一种典型的采用热轧工艺生产的钢材。采用的除鳞机安装有扇形喷嘴，喷嘴的喷射水流压力为250,000kPa，每个喷嘴的流量为2升/分钟，喷射角为15°，喷嘴倾角为15°。除鳞过程使用上述设备分别在不同的试样(即钢板)与喷嘴间的距离、不同的钢板进给速度下进行。此时，钢板的进给速度在10-50米/分钟的范围内变化，钢板与喷嘴间距离在20-100mm范围内变化，以改变能量密度。

图9a和9b所示为氧化铁皮的去除程度和考虑试样的所有条件，根据进给速度与钢板与喷嘴间距离计算出的能量密度E的变化。从这些结果可以看出，能量密度E与试样(即钢板)和喷嘴间距离，及进给速度成反比。此外，如果适当地除鳞，则钢板与喷嘴间距离与进给速度成反比。图9a所示为采用常规缓慢冷却方法获得的试样的除鳞程度，这时，最佳的除鳞区较窄。另一方面，图9b所示为采用本发明淬火然后压下的方法获得的试样的除鳞程度，这时，最佳的除鳞区相对较宽。

也就是说，如果在试样(即钢板)与喷嘴间的给定间距和给定钢板进给速度条件下E的值小于下限1000kJ/m²，除鳞无法进行。而且，如果在给定条件下E值大于上限8000kJ/m²，会造成基体金属的损伤。因此，很显然在实施本发明的方法时，对高温的板卷进行淬火然后压下淬火后的板卷可以很容易地除去氧化铁皮。

表1所示为分别按照本发明所建议的方法和常规酸洗法除鳞后钢板表面粗糙度的对比。

表1

如表1所示，可以看出采用本发明方法处理的钢板具有与采用常规酸洗方法处理的钢板几乎相同的表面粗糙度，因而根据本发明可制造出表面质量合格的钢板。

工业实用性

如上述明显可以看出，

首先，通过取消自然冷却工序，本发明可以改善物流状况并减少空冷时需要的库存成本。

其次，本发明可以缩短供货期并缩减大量带卷的堆放场地。

第三，由于在开卷时将热轧带卷淬火可以使带卷在整个长度和宽度方向上均匀冷却，本发明可以得到均匀的钢材性能。

第四，通过利用淬火和抑制氧化铁皮向磁铁体和赤铁体转变的相变，形成微裂纹，本发明具有大大提高氧化铁皮可去除性和改善热轧带卷表面质量的效果。

第五，通过采用使用喷射水流进行机械除鳞的方法，本发明可以改善空气污染和设备腐蚀等常规酸洗法产生的各种环境问题。

第六，由于除鳞工序大大简化，本发明具有大大减少设备费用的效果，同时本发明的方法与常规酸洗设备的结合，可以大大提高生产率或简化酸洗设备。

尽管前面为说明本发明公开了本发明的优选实施方案，本领域的普通技术人员应该理解在不超出附后的本发明权利要求的范围和精神的前提下，可以作各种可能的修改、增加和替代。

Claims (11)

1.一种制造无鳞热轧钢带的方法，包括以下步骤：

热轧后，保持高温热轧钢带卷的温度为400℃或更高温度不变直至相变完成；

开卷时以至少50℃/秒的冷却速度将钢带卷水冷至100℃或更低温度；

用精整轧机精整钢带板形；

通过喷射水流喷射到钢带表面除去形状精整后的钢带表面形成的氧化铁皮；以及

干燥并卷取无鳞的钢带。

2.如权利要求1所述的方法，其中在水冷步骤中，钢带卷被冷却到60到100℃的温度。

3.如权利要求1所述的方法，其中水冷步骤使用1000升/m²/分钟的冷却水流量进行。

4.如权利要求1所述的方法，其中板形精整步骤采用0.5％至50％的压下率进行。

5.如权利要求1所述的方法，其中喷射水流的压力和流量P、每喷嘴的流量Q、喷嘴与钢板间距h、喷嘴的喷射角θ₁和倾角θ₂、钢板的进给速度ν、钢板进给方向上的喷嘴数目n确定后，由下面公式1计算的喷射水流的能量密度En满足公式2的范围。

[公式1]

$\mathrm{En}=\frac{\mathrm{PQ}{n}^{0.7}}{2\tan ({\mathrm{\&theta;}}_1/2)\cos \left({\mathrm{\&theta;}}_2\right)\mathrm{h\&nu;}}$

[公式2]

1,000(kJ/m²)≤En≤8,000(kJ/m²)

6.如权利要求5所述的方法，其中喷嘴的喷射角θ₁的范围为15°到45°。

7.如权利要求5所述的方法，其中喷嘴的倾角θ₂的范围为10°到20°。

8.一种用于制造热轧钢带的装置，包括：

一台开卷机，用于连续地提供高温的热轧钢带卷同时将带卷打开成板状；

一台淬火设备，包括一组分布在开卷机连续供应的钢板上下两侧的冷却水集管，用于排出外部冷却时产生的大量水蒸汽的通风装置，以及一组用于进给钢板的输出辊道，每个集管都配有喷嘴，使得冷却水被喷到钢板一侧并与冷却水源相连；

一台位于淬火设备下游的精整轧机，配有用于对钢板以给定的适当压下量进行轧制的轧辊组，以消除经淬火设备处理后钢板的形状恶化和残余应力不均匀，并使氧化铁皮层产生裂缝；

一台位于精整轧机下游的除鳞机，该除鳞机包括分别设置在其入口处和出口处的夹送辊组，用于传递驱动力以喂入钢板，一组位于两夹送辊组间的导向辊组，与钢板的上下表面接触，用于防止钢板由于自身重量的作用下垂和夹持钢板以使其以适当的高度前进，设置于入口夹送辊组与出口夹送辊组间的喷水装置，用于将水流喷射到钢板的上下表面，从而除去钢板表面的氧化铁皮，以及一个容纳夹送辊组、导向辊组和喷水装置的箱，其入口和出口侧形成供钢板通过的窄缝；

喷水装置，包括一个用于产生水流的泵，与泵连接的圆筒形集管，用于接受水流，位于钢板侧向的集管，以及成直线排列在每个集管上的喷嘴，用于在宽度方向上以所需倾角将水流喷射到钢板上；

一台用于干燥从除鳞机出口侧窄缝中输出的钢带的干燥机；以及

一台二次卷取机，用于卷取来自干燥机的钢板。

9.如权利要求5所述的装置，其中除鳞机的箱包括一个吸气泵，用于使箱内的压力保持低于大气压力。

10.如权利要求5所述的装置，其中除鳞机的喷嘴布局使之能够以沿钢板的宽度方向15°到45°的喷射角喷射水流。

11.如权利要求5所述的装置，其中除鳞机的喷嘴布局使之能够以沿钢带的宽度方向10°到20°的倾角喷射水流。

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