国内某钢厂新增轧后冷却研究及应用

俞 俊，朱鹏宇，罗立飞

（柳州钢铁股份有限公司，广西 柳州 545000）

钢厂在轧机后布置冷却系统，通过控轧控冷工艺技术控制奥氏体组织状态，相变和碳化物析出，进而控制钢的组织和性能。采用控制冷却技术在不降低韧性的情况下，可提高钢板的强度，明显提高钢板质量[1]。该中板厂没有轧后冷却系统，利用大修期间，升级改造产线，新增轧后冷却系统和配套的水系统，如图1 轧后冷却设备，提高了钢板性能的稳定性，并且降低Q355级别钢板的Mn 含量，试制了管线钢，提高了企业的竞争力。

图1 轧后冷却设备

1 轧后冷却的发展

中厚钢板轧后冷却技术的研究起源于1970 年代。1980 年NKK（现已与川崎钢铁合并为JFE）通过开展控制冷却设备的开发，开发出国际首套中厚板在线控冷设备－OLAC（On-line Accelerated Cooling）系统，并在其福山制铁所的厚板生产线上投入大规模实际使用[2]。我国约从2000 年开始，在国内相关科研单位如东北大学、北科大等努力下，依托相关钢铁企业中厚板轧线建设及技术改造，自主研发出具有当时国际先进水平的自主知识产权的系列控冷设备。此后，国内中厚板企业或采用国产或通过轧线设备成套引进，中厚板轧线相继都配备了冷却机理一致、但设备形式及功能有所差异的层流冷却设备，并在此设备基础上，开发出相关控制冷却工艺技术，在各类中厚板品种及工艺开发过程中发挥了巨大作用。

纵观中厚板轧后冷却技术近三十余年的发展历程，截至目前，大体可分为两个阶段，一是1980 年代开发并发展成熟的以层流冷却为代表的传统层流冷却技术；二是1998 年后以日本JFE 钢铁公司开发的以超快速冷却为特征的Super-OLAC 冷却设备，即新一代轧后冷却技术，也正是当前及至未来中厚板轧后冷却技术的趋势[3]。

2 设备介绍

根据生产线和产品特点，新的工艺布置图如图2.将预矫直机布置于距离轧机中心线40m 的位置。预矫直机长度4m，预矫直机与超快冷入口3m。增设超快冷装置，长度约为20m（有效长度18m）。冷却区出口距离热矫直机入口长度约为20m。

图2 生产线工艺布置

ADCOS-PM 的设备参数如下：设备名称：ADCOS-PM。设备功能：ACC、UFC、DQ。设备长度：20000mm（有效长度18m）。冷却区宽度：2800mm。最大冷却宽度：2800mm。辊缝高度：20mm ～300mm（工作位）。1000mm（检修位）。喷嘴数量：18 组（缝隙喷嘴2 组＋高密快冷喷嘴16 组）。输送辊道间距：1000mm。冷却用水参数：0.5MPa，8400 m3/h（瞬时最大用水量）。0.2Mpa，5600 m3/h（瞬时最大用水量）。中喷用水参数：1.0MPa，450 m3/h。框架移动形式：整体可提升。冷却方式：通过式冷却、往复式冷却。

2.1 稳压装置

用途：DQ 或UFC 功能下的冷却系统供水压力快速调整并保持压力稳定。

稳压装置设置在分流集水管上，用于保证UFC 和DQ 功能时的供水压力稳定。每套稳压装置设计有稳压阀（DN200）、手阀（DN200）、减震装置等。

2.2 侧喷装置

超快冷集管间布置高压水侧喷装置，以清除钢板上表面冷却水，侧喷装置分别通过控制阀组进行开关控制。结构及组成：每套封水装置主要由控制阀组、喷嘴及钢结构件等组成。

2.3 高压水封水装置

超快冷入口和出口各设置1 组高压水封水装置，A 段与B 段之间设一组高压水封水装置。水封装置分别通过控制阀组进行开关控制。结构及组成：每套封水装置主要由控制阀组、喷嘴及钢结构件等组成。

2.4 压缩空气吹扫装置

在快速冷却系统的入口和出口分别安装压缩空气吹扫装置，共3 套压空吹扫装置，以确保HMD 和红外测温仪的可靠工作。ADCOS-PM 的压缩空气吹扫装置固定在ADCOS-PM 上喷嘴框架上，配置储气罐。

结构及组成：主要由控制阀组（气动阀门、手动球阀）、管道、支架、喷嘴管件等组成。由车间现有压缩空气管网，经管道送到吹扫装置上。

2.5 防撞检测翘曲装置

在快冷入口处布置防撞检测翘曲装置，防止钢板翘头撞击快冷本体设备，保护本体设备。

安全距离：预矫直机不投入时，钢板厚度+300mm。

2.6 挡水辊装置

超快冷装备BANK A 区布置挡水辊，改善冷却过程中钢板冷却均匀性，同时约束冷却过程中钢板的变形。挡水辊单独驱动，集中变频控制。挡水辊下表面与上喷嘴出水点之间的距离为30mm～50mm。

3 自动化控制

ADCOS-PM 的控制系统包含L0 检测仪表、L1 基础自动化控制系统、L2 过程自动化控制系统和HMI 等。图3 为HMI 主界面。各级控制设备选型和系统结构设计遵循通用、开放、速度快、可靠性高、便于升级和扩展的原则，以适应今后计算机技术不断进步和预留发展的需要。增设超快冷设备后，需要增加一套自动化控制系统，包括过程自动化、基础自动化和HMI。系统采用层次结构，过程控制计算机系统由高档PC 服务器及终端构成；操作员站由工作站及网络打印机组成；基础自动化级由若干台PLC和通用控制器组成；L0 级由检测仪表和传感器等组成。

图3 HMI 主界面

图4 二级模型有限元算法

在自动控制模式下，轧后冷却控制系统根据目标冷却速率和冷却目标温度要求来对钢板进行过程冷却控制，图4 为二级模型有限元算法，具体的控制机制如下：

3.1 原始数据（PDI）输入

主要功能：轧机二级控制系统将PDI 数据传递给控冷二级控制系统。

触发位置：轧制第一道次。

工艺功能：数据交换并对原始输入数据的合理性进行检测。

3.2 冷却规程预计算

主要功能：接收实际轧机计算的终轧温度，计算出钢板冷却过程温降。

触发位置：轧制末道次（机前方向）。

工艺功能：根据PDI 数据及轧机二级传过来的终轧温度设定冷却规程。

3.3 冷却规程修正计算

主要功能：冷却规程辊道速度修正计算。触发位置：轧后测温仪。

工艺功能：根据实测温度进行冷却过程中辊道速度的修正计算。

3.4 冷却过程开始

主要功能：动态修正辊道运行速度，并进行冷却规程的执行。触发位置：冷前热检。

工艺功能：收集过程数据并实时触发辊道控制系统进行实时设定，触发工艺控制系统进行实时设定。

3.5 冷却过程结束

主要功能：对钢板冷前过程进行微跟踪的结束控制。

触发位置：冷后热检。

工艺功能：触发结束辊道控制系统，触发结束工艺控制系统。

3.6 冷却后计算

主要功能：存储冷却数据和结果，存储冷却历史。

触发位置：冷后测温仪。

工艺功能：建立分布报表文件，进行自适应，结束时序。

4 实际应用

该厂已经正常投产，使用超快冷系统，降低Q355 级别钢板中Mn 含量0.1%，实现批量供货图5 为Q355 出水板形。试制管线钢X70，中心组织F+P，含有适当的P 有助于DWTT 提高。图6 为X70 的中心组织。

图6 X70 中心组织

5 结论

通过新增轧后冷却系统，对改系统的设备、自动化系统进行了研究分析，在实际应用中降低了Q355 级别钢板的合金含量，降低企业的生产成本，开发试制了X70 管线钢，提高了企业的竞争力。