层流冷却系统流量标定与板形控制

层流冷却系统流量标定与板形控制唐运章(中厚板卷厂)摘　要:讨论中厚板冷却系统流量标定问题,开发一种新型流量控制技术,通过标定调节阀在不同开口度下集管流量值,利用三次方方程回归出流量-调节阀开口度设定曲线;生产中根据流量开口度曲线进行水比的调整,提高冷却系统流量控制精度以及控冷后板形。

关键词:中厚板　层流冷却　流量标定　控冷板形Flow Ca li bra ti on of Lam i n ar Cooli n g System and Prof ile Con trolTang Y unzhang(W i de Pl a te/Co il Pl an t)Abstract:The paper discusses fl ow calibrati on of la m inar cooling syste m.A ne w type of fl ow contr ol technique has been devel oped.The accuracy of fl ow contr ol and p r ofile after contr olled cooling can be i m p r oved by calibrating fl ow value of header p i pe that contr ol valve is at different opening,regressing fl ow with cube,setting curve with opening degree and adjusting water rate based on the curve in p r oducti on.Keywords:heavy p late;lam inar cooling;fl ow calibrati on;contr olled cooling p r ofile前言中厚板卷厂控制冷却系统采用的冷却方式为集管层流冷却,产品大纲主要是船板、工程结构钢、锅炉板、熔器板、部分管线X42-X65。

近年来,控轧控冷(T MCP工艺)技术广泛应用,开发出不同组织结构的高强钢;但是,由于冷却不均带来的板形问题,对产品的质量产生了一些负面影响。

例如:X70级别以上管线、Q550D、Q609D级别以上结构钢等,在高速冷却速率下板形发生瓢曲,70%～80%产品需要下线后进行返矫,有10%的产品返矫也不能满足产品质量要求,只能降级处理,因此板形瓢曲已经成为利用T MCP技术进行高强钢开发的瓶颈。

本文以集管层流冷却方式为背景,根据现场测量数据,分析调节阀开口度与流量曲线特性,并针对冷却过程中引起的板形缺陷进行讨论,通过对冷却水开启方式、水比、冷却速度和矫直工艺等的调整,解决钢板在冷却后瓢曲问题。

1　层流冷却设备层流冷却系统由水箱、水管、集管、吹扫装置组成(见图1),集管共有32组,其中1～10组为粗调区、11～20组为精调区、2～32组为微调区,每组分上、下两条管路,分别用来冷却钢板的上、下表面。

每个集管上安装手动阀、电动流量调节阀和电磁开关阀。

电动流量调节阀用于集管流量的控制,电磁开关阀用于集管冷却水的开关。

图1　层流冷却系统示意图2　集管流量标定层流冷却系统其根本目的是通过控制钢板的冷却速度和冷却程度,使钢板的板形和组织性能达到设计要求。

冷却速度受到多个因素的影响,如:钢板的厚度、开冷温度、终冷温度、冷却水压、水温、流量等,而冷却水流量控制是层流冷却中最基本、最常用的手段。

流量控制主要控制阀的开口度,由于管路结构和阀体本身的结构特征,相同的开口度流量并不一定相同,因此如何保证流量的准确性成为急需解决的问题。

结合设备的特点,通过自主创新,开发了上、下集管流量标定方法,即上集管采用“接水法”,下集管采用“测量水柱高度法”。

2.1　上集管流量标定(接水法)由于上集管采用“U”集管,每个集管有365个小管,通过测量每个小管流量来计算出集管的总流量,具体方法如下。

上集管流量标定法如图2所示,所需工具包括接水管1、圆形水箱2和秒表3。

具体操作用接水管1接层流U型管1个小管的流量放入圆形水箱2内,接水开始用秒表3进行计时到结束接水。

具体计算方法如下:Q=V/T×X=S×H/T×X=3.14×(D/2)2×H/T×X式中:Q:上集管流量V:水箱中水的体积图2　上集管流量标定示意图2.2　下集管流量标定(测量水柱高度法)下集管流量标定法如图3所示,所需工具为标尺1。

具体操作把标尺1放在辊道2上,打开下集管3,从标尺1上读出水柱高度H,根据水柱高度与流量的关系,计算出流量。

具体计算方法如下:Q=S×VV=2gHS=π×(d/2)2×Y式中:V:下集管冷却水的流速g:水的质量9.8H:下集管水柱高度Q:下集管流量S:下集管所有喷嘴的面积d:下集管每个小集管的直径Y:下集管小集管数量3　集管流量控制3.1　上集管流量控制图3　下集管流量标定示意图 为了简化流量控制程序,方便操作,上集管流量固定分为50%和100%两挡,50%档流量为160m3/h,100%档流量为320m3/h。

可根据设备结构和生产需要,设1挡或多挡,流量也可根据生产需要,通过标定进行修改。

3.2　下集管流量控制在实际生产中,为保证钢板板形和组织性能,要对上、下集管的流量比进行控制,上集管流量固定的情况下,下集管流量以上集管为基准进行调整(水流量比=下集管流量/上集管流量)。

如何根据流量设定值确定调节阀的开口度,通过标定出流量调节阀在不同开口度下流量值见表1,用三次方回归得到图4曲线,称为“流量-开口度设定曲线”,利用这一曲线求出所需流量值对应的开口度设定值。

表1　流量调节阀在不同开口度下流量值调节阀开口度流量标定值(m3/h)调节阀开口度流量标定值(m3/h)调节阀开口度流量标定值(m3/h)40248.5052353.5564417.03 42265.3854363.6166429.87 44285.5256375.9168435.76 46303.9658388.7970445.42 48321.3460397.0772455.92 50337.8362408.79图4　流量-开口度设定曲线 生产过程中根据“流量-开口度设定曲线”来调整下集管的流量,达到一个合理的上、下集管流量比。

4　影响板形的因素及板形控制采用控轧控冷工艺生产的钢板,由于存在轧制过程的内应力、冷却过程中的热胀冷缩和相变都会对板形有影响,其中冷却过程中的热胀冷缩和相变作用最明显。

4.1　轧制过程内应力的影响轧制板形是基础,轧制板形不好,要想得到好的成品板形难度非常大。

轧制板形中浪或边浪造成冷却过程中冷却不均匀,导致热胀冷缩和相变也不均匀,如:轧辊末期生产管线钢,板形就会很差,钢板的不平度增加。

可采取的措施:①降低终轧道次压下率、轧制速度等方法优化轧制规程;操作人员根据板形情况合理使用弯辊,板形双边浪适当增加弯辊,中浪减少弯辊,即采用“微中浪轧制技术”,由于钢板边部温度比中间温度低,中间过延伸可以弥补温度造成中间和边部的长度差。

②根据生产计划和现场板形制定合理的换辊周期;根据支承辊吨位配制合理的工作辊辊型,提高轧制板形。

4.2　冷却设备的影响层流冷却设备(侧喷、流量)是获得良好板形的保证,层流集管不出水,集管流量不相同,侧喷压力不够、侧喷角度不对等都会导致钢板冷却不均匀造成钢板瓢曲。

可采取的措施:定期对层流设备进行检查,确保设备处于正常工作状态。

检查的项目有:①侧喷角度适中,即侧喷水不能打在钢板边部造成边部过冷瓢曲;②侧喷压力在10公斤以上,侧喷压力越大,有利于层流水与钢板冷却热交换,冷却越均匀;③上、下层流集管畅通情况,保证水量均匀。

4.3　冷却过程中热胀冷缩的影响对于返红温度600度以上的,主要是热胀冷缩起主导作用,以相变为辅(代表钢种有:船板、A709、S355等),但加合金(钒、硅、铌、锰等)、淬透性好的钢,相变温度相应会高一些。

根据钢板出层流的板形,出层流板形“中间拱”说明钢板下表冷速快上表冷速慢,为改善板形应适当减少水比,相反“中间凹”应适当增加水比。

4.4　冷却过程中相变的影响对于返红温度600度以下的,主要是相变起主导作用,以热胀冷缩为辅(代表钢种有:管线、Q550、Q690、N610等)。

根据出层流板形、矫前板形、矫后板形跟踪来判断比水的调整方向:1)钢板中间拱,说明上表相变比下表快,因为微合金钢水冷到600℃以下组织为珠光体、贝氏体和马氏体,随着温度的下降,马氏体量>贝氏体量>珠光体量,其体积变化为马氏体体积>贝氏体体积>珠光体体积,为改善板形,应适当增加水比。

2)钢板中间凹可适当减少水比。

因为钢板下表面冷速比上表面冷速大,下表发生相变速度快及相变组织量多,体积增大。

3)薄规格钢板矫后上冷床出现边浪,主要是边部过冷应适当减少水比。

4)厚规格板,剪切后长度方向两头翘。

适当减少水比,因为下表冷速快,相变速度也比上表快。

相反长度方向两头拱应适当加大水比。

5)钢板出层流头部叩头,可以适当加一组下水;翘头可减少一组下水。

主要利用马氏体、贝氏体和珠光体相变体积变化来控制钢板头部形状。

6)卷轧板由于采用边卷取边轧制的工艺,钢板头、尾和中间温差小,可以通过调整钢板在层流中的冷却速度,保证钢板的板形和终冷温度。

平轧板由于钢板头尾比本体温底低,可采用头尾缓冷工艺。

7)对于厚规格高强度钢板头部翘曲,矫直机很难一道次矫平,通过摸索采用“静压法”,就是钢板头尾在矫直机内静压3～5秒钟后再进行矫直,有效解决钢板头尾不平度的问题。

5　结语通过对层流冷却系统的集管流量标定、根据“流量-开口度设定曲线”实现集管流量可调,同时结合现场板形控制经验,钢板飘曲率由80%下降到15%以下,瓢曲的钢板一次返矫合格率达到95%。

由于系统的冷却能力和控制精度都能满足工艺要求,对钢板的组织性能控制和新品开发发挥了重要作用,成为中厚板卷厂提高产品质量,降低成本的关键因素。

南钢通过控轧控冷工艺成功开发了X65、X70、X80、NR360、Q550、Q690、N610E等一系列贝氏体和马氏体钢。