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
F low Ca libra t ion of Lam ina r C ooli n g Syste m and Pr of ile C on trol
Tan g Y unzhang
(W i de P l a te/C oil P l a n t)
Ab stra ct:The pape r dis cusses fl o w cali brati on of lam ina r cooli ng syste m.A new ty pe of fl ow control technique has been deve l oped.The accuracy of flo w contr o l and profile afte r controlled cooling can be i mproved by calibrating fl o w value of header p i pe that control valve is a t diffe rent o pening,regre ssing fl ow with cube,se tti ng curve with opening degree and adjusting wa ter rate ba s ed on the curve in produc ti on.
Keywor ds:heavy p late;lam inar cooli ng;flo w calibration;controlled 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 M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。

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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×V
V=2gH
S=π×(d/2)2×Y
式中:V:下集管冷却水的流速
g:水的质量9.8
H: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　上集管流量控制
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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 336355 5333
6
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
4821.4097.07724.92 07.82408.79
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。