一种用于钢板在线固溶的钢板生产方法、装置及控制系统
技术领域
[0001] 本
发明属于
冶金技术领域，尤其涉及一种钢板轧后的在线固溶处理。
背景技术
[0002] 固溶
热处理是指将
合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到
固溶体中后快速均匀冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。主要是改善钢和合金的塑性和韧性，为沉淀硬化处理作好准备等。可以使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并提高韧性及抗蚀性能，消除应
力与
软化，以便继续加工或成型。适用于多种特殊钢，尤其是高锰钢和奥氏体
不锈钢。对于过
饱和度低的合金，通常选择较快的冷却速度；对于过饱和度高的合金，通常选择较慢的冷却速度。
[0003] 钢板的传统
固溶热处理是采用与
轧机分开的热处理设备进行离线热处理，需要再加热后进行快速冷却。这种生产工艺不仅增加了设备投资，而且工序繁多，生产周期长，并且钢板再加热消耗大量
能源，导致钢材成本增加，满足不了大批量的快节奏生产，极大地制约了经济效益的提高。
[0004]
申请号为201110220315.3的
专利公开了一种高强度耐磨钢板的热处理方法，该技术方案采用离线热处理技术生产耐磨钢，
轧制后的钢板需要经过抛丸、热处理炉加热和淬火等一系列工序。
[0005] 而在线固溶处理是利用钢材
热轧后的余热，控制钢材轧制后的冷却速度，使
温度变化过程更接近离线热处理的温降过程，达到相同或相近的钢材组织和性能，其冷却过程一般也称为钢板在线控制冷却或直接淬火。其特点如下:
[0006] (1)由于钢板经精轧机轧制后直接进入热矫直机后在线热处理设备，即保证了钢板进入冷却装置前的班型，又省去了常规工艺所需的钢板重新加热过程，节省大量能源。
[0007] (2)由于省去了重新加热工序故减少了热处理工艺时间，相应提高了热处理设备能力，同时由于热处理设备为在线布置，也减少了钢板生产周期。
[0008] (3)由于省去钢板冷却后重新加热过程,故减少了
合金元素引起的硬化现象。
[0009] (4)保留了控制轧制过程中细小的再结晶晶粒和大量
变形位错，较离线热处理晶粒更为细小均匀，力学性能更为优异。
[0010] 钢板在线控制冷却及淬火是上世纪80年代以来发展迅速的一项冷却技术。它是通过在线控制
相变组织，细化组织以及其他强化机理相结合，降低合金含量，提高材料的强韧性及
焊接性能，从而实现减量化制造、节约有限资源和节能减排的目标。但由于存在钢板冷却均匀性和板形控制等问题，其潜在能力一直未得到充分发挥。为此，国内外许多学者和钢
铁厂研发人员进行了大量的实验和应用研究，一些新技术相继应用到新型高强度冷却设备上。
[0011] 申请号为201010560843.9的专利公开了一种中厚板直接淬火的装置及其工艺，该技术方案采用上下流量可调的
层流冷却装置，通过密排形式增加
水流
密度，通过边部遮蔽装置控制宽向温度均匀性，但是层流冷却装置在大水流下很容易在表面形成大量滞留水，影响冷却均匀性，尤其是宽板；边部遮蔽装置的遮蔽量设置及实际遮蔽
位置控制都是关键性问题，该专利并无涉及。
[0012] 申请号为200910091825.8的专利公开了一种适合不同厚度高强韧钢板的直接淬火工艺，其采用高密度层流冷却，由上层流集管和下喷射集管组成强冷段、粗冷段和精冷段，强冷段可调流量比为1：1.4～1：3.0，粗冷段和精冷段流量比固定为1：1.5，可冷却钢板厚度范围为1～50mm，但其只有强冷段流量可调，粗冷段和精冷段流量水比均为固定，钢板宽度方向流量不可调，对于薄板难以很好控制板形，对于厚板冷却强度不足时，该设备也无法实现摆钢冷却。
[0013] 申请号为200810013604.4的专利公开了一种高强韧厚钢板的在线淬火生产工艺方法，其采用水幕冷却方式，只适合成品厚度为20～50mm的厚钢板，对于较薄规格的钢板难以解决因为冷却不均匀带来的板形平直度问题，且对成分要求苛刻，难以在
合金钢生产领域普遍推广。
[0014] 综上所述，国内外针对轧后在线冷却存在的一些问题提出了很多很有特色的设计和研究成果，对于解决一些具体问题也取得了很好的效果，但也存在很多设计上的
缺陷，比如大部分为无约束型冷却，在高冷速下很难保证冷却后的板形；一般都安装在轧机后或预矫直机后及热矫直机前；一般都采用DQ+ACC的装置布置形式，难以达到全冷却过程一致的冷却速度；为了达到大温降，大部分装置要求的水量大，资源浪费严重；对于冷却区的钢板没有检测和
跟踪手段，难以实现精确摆钢和全自动控制。
发明内容
[0015] 本发明所要解决的技术问题是提供一种用于钢板在线固溶的钢板生产装置、方法及控制系统，其利用钢板在轧制后的轧制余热，在线对钢板进行固溶处理，以获得符合产品要求的特定的钢板金相组织和各项性能，节省离线热处理二次加热的
碳排放和大量能耗。该生产装置及控制系统投资少，冷却装置紧凑节能，冷却速率高，可进行控制冷却的钢板的厚度规格范围大，自动控制
精度高，冷却后板形良好，不仅可用于钢板的在线固溶处理，而且对于需要轧后快速冷却的工艺、甚至离线淬火工艺都可以应用。
[0016] 本发明的技术方案是：提供一种用于钢板在线固溶的钢板生产方法，包括在热矫直机和
冷床之间安装紧凑型上下流量连续可调的分段辊压全斜喷式快速冷却装置实现均匀冷却；利用板形控制技术优化冷却后板形；其特征是：
[0017] 在现有热矫直机和钢板冷床之间，设置一快速冷却装置；
[0018] 所述的快速冷却装置在位于运输钢板的辊道的上、下方，同时布置若干组带密排
喷嘴的喷箱，构成上喷水系统和下喷水系统；
[0019] 所述的辊道由多根辊子组成，根据所述辊子位于被运输钢板的上方或下方，所述的多根辊子被分成上辊或下辊，所述的多根上辊构成上辊道，所述的多根下辊构成下辊道；
[0020] 所述的快速冷却装置在钢板运输线前进方向的辊道上，设置一个主
框架结构，所述的主框架结构由一个浮动框架和一个
门型框架组成；
[0021] 所述的浮动框架为可升降框架，固定在一个垂直导向架中；所述的上辊及上喷水系统，固定在所述的浮动框架上；当钢板不需要快速冷却处理时，连接在浮动框架上的提升机构将浮动框架提升至最高点，以防高温板材将上喷水系统
烘烤变形；
[0022] 所述的门型框架为固定框架，所述的下辊及下喷水系统，位于所述固定门型框架的下方；
[0023] 所述的上、下喷水系统，在所述运输钢板辊道经过的路径上，构成一个快速冷却喷水区；
[0024] 在所述各个下辊之间的辊道梁上，安装设置有下排水系统；
[0025] 所述各喷箱之密排喷嘴的喷水形式为顺着钢板走向的斜喷形式，所述上喷水系统和下喷水系统各个位置对应的喷嘴的斜喷喷射点在钢板表面上、下对称设置；
[0026] 每组喷箱上的喷嘴，与和其相邻的喷箱上的喷嘴交错布置，以达到对钢板之
板面的均匀冷却目的；
[0027] 当所述的钢板需要进行快速冷却工艺处理时，在所述热矫直机抛钢后，所述的快速冷却装置沿着钢板的前进方向，依次启动各组喷箱集水管路的二通快开
阀，按设定的时间间隔，提前逐个开启各组喷箱的集水管路，以降低
水锤效应对设备的冲击；
[0028] 在所述快速冷却装置的每组喷箱之间，均设置有压紧辊，以对斜喷水形成阻隔，使前一组喷箱密排喷嘴的斜喷水不会影响后一组喷箱密排喷嘴斜喷水的冷却效果，并对板面形成一定的约束，阻止钢板在水中冷却时的剧烈变形；
[0029] 在所述快速冷却装置的前、后方，设有气吹装置，并且沿着钢板前进方向上的最后一组喷箱之密排喷嘴的喷水形式，设置成与钢板走向逆向的斜喷形式，用以确保钢板表面无残留水；
[0030] 在所述快速冷却装置的入口处，设置有检测辊，如果来料钢板厚度大于设定的上辊道高度，检测辊与来料钢板相触，带动检测辊上移并输出
信号，激活浮动框架液压快速提升功能；
[0031] 在所述热矫直机出口，设置有板形检测器，用于检测需要冷却钢板的头部形状；
[0032] 所述的钢板生产方法，通过在热矫直机和冷床之间安装紧凑型上、下全斜喷式快速冷却装置，进行在线喷水控制冷却固溶处理，以实现钢板的均匀冷却和冷却过程的全自动精确控制，钢板在保证板型和冷却均匀的状态下在被传送或行进的过程中，按照预定的冷却速率曲线达到所需的终冷温度；
[0033] 所述的钢板生产方法，采用节能型供水系统实现低供水能力下的大温降；采用多种冷却方式及热矫直机联动实现厚度从6～80mm的钢板在线固溶；利用钢板水中检测装置及位置控制方法实现钢板在水中的精确
定位和跟踪；利用模型控制技术、过程控制系统和
基础自动化系统实现冷却过程的全自动精确控制。
[0034] 具体的，所述的钢板生产方法在现有热矫直机和钢板冷床之间布置一套快速冷却装置，经过轧机控制轧制的钢板，通过输送辊道经
过热矫直机矫直后送入本快冷装置区域，进行在线喷水控制冷却固溶处理，钢板在保证板形和冷却均匀的状态下按照预定的冷却速率曲线达到特定的终冷温度，之后由辊道送往钢板冷床或返送热矫直机再次矫直后送至冷床，进行后续分段定尺工序处理。
[0035] 进一步的，所述的钢板生产方法利用钢板在轧制后的轧制余热，在线对钢板进行固溶处理，以获得符合产品要求的钢板金相组织和各项性能，节省离线热处理二次加热的碳排放和大量能耗；热矫直机获得了有效发挥；对于快速冷却区域长度＜15m的快速冷却装置，实现了冷速3～100℃/s，温降900℃，厚度规格6～80mm的在线固溶工艺。
[0036] 进一步的，所述的钢板在线固溶的钢板生产方法有三种工作模式可供选择，择一地工作，所述的工作模式为连续模式、摆动模式、空过模式；其中：
[0037] A、连续模式：钢板在快速冷却喷水区一次性直接通过，其通过速度由现场控制计算机给出和控制；
[0038] B、摆动模式：当钢板较厚时，采用一次性直接通过的连续冷却模式不能达到所要求的冷却温度时，则钢板在快速冷却喷水区内摆动冷却，其摆动速度和幅度固定，摆动时间由现场控制计算机给出和控制；
[0039] C、空过模式：
[0040] C1：对于某些钢种不需要快速冷却，工作模式设定为快速冷却不投入，则钢板通过所述的快速冷却喷水区域但不进行冷却，此时所述的浮动框架和位于其上的上辊及上喷水系统抬升到最高位置，以使上、下辊之间的辊缝处于间距最大位置，同时所述的下喷水系统使用溢流流量或最小保护流量进行供水，以对各个下喷头进行冷却保护；
[0041] C2：原计划采用快速冷却的钢板，在通过矫直机前，操作工根据板形、温度等情况进行判断，人为取消快速冷却，通过操作控制按钮来通知现场控制计算机，则现场控制计算机将快速冷却装置的工作模式重设定成空过模式；
[0042] C3：当所述的板形检测器检测到需要冷却钢板的头部形状不好时，为了保护所述喷箱上的喷嘴，所述的快速冷却装置通过所述的提升机构将所述的浮动框架紧急拉起，转入空过模式，钢板直接输送出快速冷却喷水区。
[0044] 1.本技术方案通过在热矫直机和冷床之间安装紧凑型上、下全斜喷式快速冷却装置，进行在线喷水控制冷却固溶处理，实现了钢板的均匀冷却和冷却过程的全自动精确控制，钢板可在保证板型和冷却均匀的状态下在被传送或行进的过程中，按照预定的冷却速率曲线达到所需的终冷温度；
[0045] 2.采用检测辊来检测来料钢板的厚度，防止钢板碰撞喷嘴或上辊道，设置液压快速提升装置快速提升浮动框架，可保护快速冷却装置喷嘴和辊道的运行安全和使用寿命；
[0046] 3.该冷却系统投资少，冷却装置紧凑节能，冷却速率高，可进行控制冷却的钢板的厚度规格范围大，自动控制精度高，冷却后板形良好，可节省离线热处理二次加热的碳排放和大量能耗。
附图说明
[0047] 图1是本发明的生产流程示意图；
[0048] 图2是本发明与现有在线溶固工艺路线比较示意图
[0049] 图3是本发明快冷装置整体布局结构示意图；
[0050] 图4是本发明喷箱结构示意图；
[0051] 图5是本发明喷嘴斜喷示意图；
[0052] 图6是节能供水控制示意图；
[0053] 图7为摆钢控制示意图；
[0054] 图8为系统网络图。
[0055] 图中，1为喷气装置，2为上、下辊道装置，3为喷水装置，6-1为第一
气动阀，6-2为第二
气动阀。
具体实施方式
[0056] 下面结合附图和
实施例对本发明做进一步说明。
[0057] 图1中，本发明的技术方案提供了一种用于钢板在线固溶的钢板生产方法，其所述的钢板生产方法通过在热矫直机和冷床之间安装紧凑型上下流量连续可调的分段辊压全斜喷式快速冷却装置实现均匀冷却；采用节能型供水系统实现低供水能力下的大温降；采用多种冷却方式及热矫直机联动实现厚度从6～80mm的钢板在线固溶；利用板形控制技术优化冷却后板形；利用钢板水中检测装置及位置控制方法实现钢板在水中的精确定位和跟踪；利用模型控制技术、过程控制系统和基础自动化系统实现冷却过程的全自动精确控制。
[0058] 其所述的钢板生产方法在现有热矫直机和钢板冷床之间布置一套快速冷却装置，经过轧机控制轧制的钢板，通过输送辊道经过热矫直机矫直后送入本快冷装置区域，进行在线喷水控制冷却固溶处理，钢板在保证板形和冷却均匀的状态下按照预定的冷却速率曲线达到特定的终冷温度，之后由辊道送往钢板冷床或返送热矫直机再次矫直后送至冷床，进行后续分段定尺等工序处理。
[0059] 其所述的钢板生产方法利用钢板在轧制后的轧制余热，在线对钢板进行固溶处理，以获得符合产品要求的特定的钢板金相组织和各项性能，节省离线热处理二次加热的碳排放和大量能耗；热矫直机获得了有效发挥；对于快速冷却区域长度＜15m的快速冷却装置，实现了冷速3～100℃/s，温降900℃，厚度规格6～80mm的在线固溶工艺。
[0060] 在线固溶和离线固溶的工艺路线比较如图2所示。
[0061] 一、工艺路线及装置：
[0062] 本技术方案在喷箱之间安装隔水辊道、头尾采用螺旋辊分水技术、出口侧反向斜喷扫水以及入口和出口的气吹扫水功能(如图3所示)，保证了钢板表面无残留水，达到钢板冷却均匀，出水板形良好的目的。
[0063] 该快速冷却装置每组喷箱之间均设置有压紧辊，可以对斜喷水形成阻隔，使上一组斜喷水不会影响下一组斜喷水的冷却效果。部分压紧辊设置为螺旋辊，分布在快冷装置头尾部，起导流作用，可以有效降低分布在钢板表面的水层堆积厚度。
[0064] 该快速冷却装置前后设有气吹装置，最后一组喷水装置设置成与钢板走向逆向的斜喷形式，用以确保出水后钢板表面无残留水。
[0065] 本技术方案的快速冷却装置采用喷嘴斜喷装置(如图4所示)，有比较宽泛的流量调节范围，即使在小流量下也能保证稳定的喷水形态。
[0066] 喷箱采用喷嘴型式有较好的防堵效果(如图5所示)，即使发生单个喷嘴堵塞或故障，更换也极为快速便利。每个喷箱上的喷嘴和相邻喷箱上喷嘴均有序错开，从而可以满足快速均匀的冷却需求。由于冷却装置整体都采用喷嘴斜喷设计，因而对于中厚板的整个冷却过程能达到均匀一致的冷却速率，可以得到更好的产品性能。
[0067] 喷箱采用三段式设计，可以实现钢板宽度方向的水凸度控制。
[0068] 该快速冷却装置入口处设置有检测辊，如果来料钢板厚度大于设定的上辊道高度，将激活上框架液压快速提升功能。
[0069] 快速冷却装置钢结构由安装在钢板运输线方向的主框架结构组成。
[0070] 快速冷却装置提升机构由电动螺旋升降系统和液压快速提升系统组成。
[0071] 在线快冷分成共3种冷却模式，即连续模式、摆动模式、空过模式。
[0072] 二、供水系统及方法：
[0073] 在线淬火装置水系统可以根据需要分为中压水系统、低压水系统，中压水通过
增压泵直接供水，低压水为高位水箱出水后增压供水。通过调整水量控制钢板冷却速率，达到工艺所要求的产品性能。同时具有下喷嘴和辊道保护功能。(保护功能通过电气控制及供水阀路切换实现)
[0074] 为了节约水资源，特别作了供水节能控制设计，如图6所示：
[0075] (1)工艺需要中压用水时，按照工艺需求和控制系统的设定要求，第一气动阀6-1打开，第二气动阀6-2关闭，满足中压工艺用水；
[0076] (2)每次中压工艺用水结束后，第一气动阀6-1关闭，第二气动阀6-2打开，快速向高位水箱中补水。
[0077] (3)当工艺在下一个时间间隔到来时，第一气动阀6-1关闭，第二气动阀6-2开启，继续满足中压工艺用水，如此循环。
[0078] 该技术结合快速冷却的摆动模式，可以满足较厚钢板的在线固溶处理。
[0079] 三、板形控制技术：
[0080] (1)装置设计
[0081] 本技术设计了上下对称斜喷喷嘴、喷箱之间安装隔水辊道、头尾采用螺旋辊分水技术、出口侧反向斜喷扫水以及入口和出口的气吹扫水功能，保证了钢板表面无残留水，达到钢板冷却均匀，出水板形良好的目的。
[0082] 上下辊道对钢板冷却过程中的热
应力和组织应力有一定的抵消作用，为此本技术设置了上压紧辊，并设计了辊道随动系统，可以在改善板形的同时确保辊道不会被撞坏。
[0083] (2)工艺设计
[0084] 本专利采用反向抛钢技术，即在原道次计算的道次数的倒数第二个道次将钢板轧制到目标厚度，最后一个道次不对带钢进行压下，直接空过抛钢，改善钢板头部板形，保证了矫直机和冷却设备的安全，同时提高了生产节奏。
[0085] (3)流量凸度控制技术
[0086] 该发明所设计的所有的喷箱不仅上下水比可调，而且宽度方向上中部和边部也实现了流量单独可调可控功能，确保了冷却后的钢板板形。
[0087] 四、钢板水中检测装置及位置控制方法：
[0088] 本发明利用水中检测装置实现钢板高精度位置控制，从而确保钢板在水中摆动冷却时的钢板
位置跟踪精确，具体方法如图7所示：
[0089] 钢板头部到达快冷区材料检测器(水压式)后，辊道以设定速度反转,反转持续一定时间后，辊道正向以设定速度前进至材料检测点，循环摆动，直至钢板在水中摆动时间达到工艺所要求温降所需时间，钢板离开该冷却设备。
[0090] 五、基础自动化系统：
[0091] 本发明通过设计合理的
水处理系统和液压系统的基础自动化系统，实现在线固溶的钢板轧后快速冷却过程的全自动精确控制。
[0092] 基础自动化系统包含
硬件配置、系统网络布置(如图8所示)、公共功能(如与PLC及二级系统的通讯、钢板头尾跟踪、辊道速度控制和信号测量采集等等)、快冷装置本体控制、给水控制、液压站控制及画面功能等等。
[0093] 六、模型全自动控制技术：
[0094] 该发明设计了模型全自动控制系统。整个系统包括通讯、
接口、监控、逻辑控制、核心模型。核心模型包括冷却策略、冷却模式、物理模型、控
制模型(预计算模型、再计算模型和反馈模型)、
自学习模型和自适应方法等等。当轧机获得钢板抛钢信号的同时，想该冷却系统发送该钢板信息，模型控制系统接受到钢板信息后启动模型与计算模
块，按照接收的钢板信息和工艺要求的冷速及温降要求计算得到冷却所需要的各段水量和钢板在水中的走行速度(或对厚钢板所需要再冷却区域摆动的时间)并发送给下位机，使热矫直机的速度和冷却速度按此执行，流量调节保持稳定在设定值上；当钢板通过热矫直机前
温度计时，模型根据实测钢板温度进行模型在计算，对水量和钢板走行速度进行调节；当钢板完成冷却全过程后，模型系统根据钢板实测的终冷温度，启动模型自适应自学习功能，对下一块钢板进行模型修正，整个生产过程万却由模型自动设定，下位机稳定执行，实现了模型全自动控制。
[0095] 本发明的技术方案，通过在热矫直机和冷床之间安装紧凑型上下流量连续可调的分段辊压全斜喷式快速冷却装置实现均匀冷却；采用节能型供水系统实现低供水能力下的大温降；采用多种冷却方式及热矫直机联动实现了钢板厚度从6～80mm的在线固溶；利用板形控制技术优化冷却后板形；利用钢板水中检测装置及位置控制方法实现钢板在水中的精确定位和跟踪；利用模型控制技术、过程控制系统和基础自动化系统实现冷却过程的全自动精确控制。该冷却系统投资少，冷却线短，冷却装置紧凑节能，冷却速率高，可进行控制冷却的钢板的厚度规格范围大，自动控制精度高，冷却后板形良好，不仅可用于钢板的在线固溶处理，而且对于需要轧后快速冷却的工艺、甚至离线淬火工艺都可以应用。
