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1、控制冷却几种方法及其发展陈鑫材料成型及控制工程12 级 学号 1133010199摘 要:控制冷却作为一种实用而有效的技术日益受到人们的重视 ,本文分析了 当前控制冷却方式的性能及适用范围, 对控制轧制和控制冷却的基础理论、概念、 分类情况进行了介绍并对相应的控制技术做了简要介绍 ,.重点介绍层流冷却和水 幕冷却及其控制系统存在的难点并指出今后控制冷却发展的主要趋势。掌握这些 情况对于中厚板厂选择合适的冷却方式和控冷系统的改造有一定参考作用.关键词:控制冷却；层流冷却；热轧钢筋;组织性能；控制轧制；中厚板;发展(Material forming and control engineering
2、)Abstract: The control cooling, as a kind of practical and effective technology, is important. This article analyzed the cooling mode, equipments, application scope and introduced simply the corresponding control technology, then pointed out the leading trend in the future. he papergives an introduc
3、tion to the basic theory and concept, classification of rolling control and cooling controlaswell as their application in rod and wire production.Key words: controlled cooling,laminar cooling, hot rolled rebar, microstructure and property, rolling control cooling control, medium and heavy plate, dev
4、elopment 前 言 控制轧制和控制冷却工艺是现代钢铁工业最大的技术成就之 一,ASTM和JIS已经把这一工艺收入标准之中,命名为TMCP(Thermo- MechanicalControl Process)。所谓控制轧制和控制冷却技术,就是在 一定的钢材化学成分的情况下, 通过对轧制温度、压下量和轧后冷却过 程参数的控制, 可以细化钢材显微组织、显著改善和提高钢材的性能, 获得具有良好综合性能的钢铁材料。控制冷却是控制轧后钢材的冷却 速度达到改善钢材组织和性能的目的。由于热轧变形作用, 促使变形奥 氏体向铁素体转变温度的提高, 相变后的铁素体晶粒容易长大 , 造成力 学性能降低。为了细化
5、铁素体晶粒 , 减少珠光体片层间距, 阻止碳化物 在高温下析出, 以提高强化效果而采用控制冷却工艺。轧后快速冷却可 使厚板强度提高而不减弱韧性 , 并因含碳量或合金元素的减少而改善 可塑性和焊接性能。由于加速冷却对于晶粒细化和组织强化的作用对 于一些钢材, 控轧控冷可以取消常规轧制工艺的轧后再加热热处理工 艺,从而简化了生产工艺 ,提高生产效率,并且可以节约能源和昂贵的 合金元素,具有很大的社会效益和经济效益控制冷却工艺在提高产品 的力学性能的同时,还可以改善车间的工作条件,减少冷床面积。本文 介绍了中厚板控制冷却技术的发展概况,并对各种冷却方式作分析、比 较,对中厚板厂选择适合的控制冷却方式
6、具有借鉴作用。控制冷却方式 控制冷却方式概括起来主要有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、 雾化冷却、喷淋冷却、板湍流冷却、水气喷雾法加速冷却、直接淬 火等几种冷却方式。各种冷却方式都有其各自的优点和缺点,采用哪种 冷却方式应根据具体工艺环境和限定条件确定。资料表明 ,近些年来, 中厚板轧机轧后在线加速冷却方式大多数采用柱状层流冷却和水幕冷 却方式,同时也相继采用了喷雾冷却（水气喷雾）、高密度管层流冷和 直接淬火制冷却.1 冷却方式 冷却方式概括起来主要有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化 冷却、喷淋冷却、板湍流冷却、水-气喷雾加速冷却以及直接淬火等几 种。各种冷却方式有其各自的优点和缺点。
7、采用哪种冷却方式应根据 具体工艺环境和限定条件来确定。1.1 喷射冷却 喷射冷却的优点是穿透性好,可以喷射到需要冷却的部位。同时,通过 改变喷嘴配置、喷嘴孔的尺寸、水压等可对喷射水量 （冷却能力）进行 控制。常采用的喷嘴有扇形喷嘴和带芯子的全圆锥喷嘴两种。当喷嘴 孔小时,常发生堵塞。为防止喷孔堵塞,已开发了无芯子的全圆锥喷嘴 及喷雾喷嘴。因其用同一喷嘴可控制的冷却能力范围较窄,只有通过调 整水的压力来控制冷却能力。1.2 喷雾冷却由于连铸的二次冷却带空间狭小,主要采用喷雾冷却。高速空气流 使水滴与铸坯均匀接触,并能排除拉辊与铸坯间的滞留水,使铸坯的冷 却不均得到改善。层流冷却由于层流冷却的虹吸
8、管数量很多,排列又很密,钢板表面上的水层 随时可以更新,并且沿输出辊道每隔一段距离设置一定数量的侧喷头, 可将滞留钢板表面的水冲掉,所以层流冷却的冷却效果很好。两集管间 距约为300500 mm，因此钢板在横向上冷却不均匀。该层流冷却系统 设备庞大复杂, 难于维护, 而且冷却区较长, 导致控制滞后现象严重（约 为秒级）。1984 年，日本专利报道了一种层流冷却装置，其喷嘴的流量可调， 因而冷速可调。该装置对提高带钢的组织性能级别有很好的效果。不 需添加或少添加合金元素即可达到提高钢板强度和韧性的目的 ， 从而 节省了合金元素，可用普通碳素钢代替某些低合金钢，有利于大幅度提 高产品质量， 得到优
9、质、高韧性、低屈服强度比的钢板。高密度管层流冷却是在普通管层流冷却的基础上对其进行改造 ， 利用其结构简单， 易于形成稳定的层流状态等优点， 增加 U 形管的密度， 并结合生产特点，对其在宽度方向上的排列方式进行调整，使其能对各 种宽度的产品进行均匀冷却。由于其单根上集管密度增加， 使冷却能力 提高;通过增加侧喷装置和控制集管组数可以使钢板在各集管间形成 自回火区， 从而控制钢板的组织性能及表面质量;喷嘴采用直径大于 10 mm 的圆管， 不易堵塞， 便于维修和管理。通过对普通管层流、高密度管 层流和水幕冷却进行比较得知 ， 高密度管层流的冷却能力与水幕冷却 相当， 而其设备结构、设备维护及投
10、资却比较低。1.3 水幕冷却由于热轧板带生产是连续的 ,因此水幕冷却设备应能满足连续生 产的要求,并且装置要坚固耐用、易维护、反应敏捷、水量可调以及系 统构成要适于计算机控制。当前,水幕的主要控制形式有两种 :出口缝隙保持不变 ,通过改 变水的压力使水流量变化。从保持层流的观点来看,这种调节的幅度是 很有限的；保持水头不变,改变出水口的开口度和缝隙宽度，这种方 式有利于形成稳定的层流。还有一种如图3 所示的可调水幕。该水幕 利用分段斜楔控制出水口的缝隙宽度 ，由提升或下降斜楔控制出水口 的开口度。在控制上主要采取同时冷却和通过冷却两种方式。但同时 冷却会造成局部积水， 导致冷却不均匀， 使钢
11、板局部硬度增加。水流从一狭长缝状流道流出 ， 由于表面张力、边端部的附流作用、 速度分布变化等， 水 流易产生横向缩颈现象。解决的措施有:在出水口端增加引流装置；按 水流速度变化规律改变流水道截面 ； 流水道入口加分流隔板， 使水流流 量分布和速度分布在出口处保持一致，形成等宽幕状水流。1979 年， 日本专利报道了一种热钢板的水幕冷却装置。该发明把 接近热钢板的冷却喷嘴配置在与轧制方向平行的位置上 ，使冷却水沿 热钢板的板宽方向流动，不滞留在钢板上，从而提高了冷却能力，使钢 板上下表面的冷却效果相同，并且可以在冷却过程中控制冷却能力。1.4 加速冷却所谓加速冷却（简称KCL）是将热轧后的厚钢
12、板立即水冷，通过控制 相变组织来提高其力学性能 ， 它是一种类似于控制轧制的形变热处理 方法。过去用大容量的水冷却厚钢板时，要精确地控制钢板的整体温度 是很困难的，日本神户钢铁公司借助新开发的加速冷却方法，确立了高 精度、均匀控制水冷过程中钢板温度的技术,成功地把加速冷却工艺推向了实用化阶段。如今的加速冷却工艺已推广应用于船板、管板和其 它低合金高强度钢、低脆变温度和优良焊性能钢板的现代化大生产中 2 几种冷却方式的特点2.1 压力喷射冷却优点 流为连续状,没有间断现象,呈紊流状态喷射到钢板表面 ;可喷射 到需要冷却的部位;钢板上下表面冷却差别显著.缺点 比冷却特性很低 ;冷却效率不高;水消耗
13、量大,水的飞溅严重,冷 却不均匀;对水质要求较高,喷嘴容易堵塞, 水的利用率较低。 适用范围 适用于一般冷却使用或因其穿透性好而适用于水气膜较厚 的环境。2.2 层流冷却优点 比冷却特性较高;水流呈层流状态, 可获得很强的冷却能力 ;钢 板的上、下表面和纵向冷却均匀。缺点 冷却区距离长;集管之间有一定的距离,达不到横向冷却均匀;对 水质的要求较高,喷嘴容易堵塞;设备庞杂, 维护量较大且难度高。 适用范围 适用于强冷却时,如热轧板出口处。2.3 水幕冷却优点 比冷却特性最高;水流呈层流状态, 冷却速度快、冷却区距离短、对水质的要求不高、易维护。冷却速度通常为1230C s-1,有时高达80 C缺
14、点 钢板上、下表面及整个冷却区冷却不均匀;可调节的冷却速度范 围较小。适用范围 不仅可用于板带钢输出辊道上的冷却,也可用于连轧机机架间的冷却。正在研究应用于棒材及连铸坯的冷却。2.4 雾化冷却优点 用加压的空气使水流呈雾状来冷却钢板。冷却均匀、冷却速度调节范围大,可实现单独风冷、弱水冷和强水冷缺点 需要供风和供水两套系统,设备线路复杂、噪音较大;对空气和水要求严格;车间的雾气较大,设备容易受腐蚀适用范围 适用于从弱水冷到强水冷极宽的冷却能力范围 ,尤其适用于 连铸的二次冷却带。2.5 喷淋冷却优点 冷却水呈破断状,形成液滴束冲击被冷却的钢板。比高压冷却喷 嘴冷却均匀,冷却能力较强冷却水呈破断状
15、,形成液滴束冲击被冷却的 钢板。比高压冷却喷嘴冷却均匀,冷却能力较强缺点 需要较高的压力、调节冷却能力范围小、对水质的要求较高适用范围 目前应用较少。2.6板湍流冷却优点 轧制后的钢板直接进入水中淬火或快速冷却 ,冷却速度可达到30C 缺点 冷却速度的调节范围小、耗水量较大适用范围 目前应用较少水2.7 气喷雾法快速冷却优点 能严格控制冷却速度和温降 ;可对钢板的较冷边部进行补偿 ,节省冷矫直成本缺点 需要供风、供水系统,设备庞杂。适用范围适用于极厚板或低抗拉强度（600MPa）、具有铁素体及珠光体/贝氏体显微组织的钢板2.8 直接淬火优点 冷却速度快、冷却能力范围大 ;添加少量合金元素就可以
16、达到同 样的强度;降低碳当量,改善可焊性能;确保钢板低温韧性缺点 适用钢种有限;冷却不均匀、钢板变形量大多在10 mm以下，宽幅 钢板在 30 mm 以下适用范围适用于高抗拉强度（600 MPa）、具有（贝氏体+马氏体）显微 组织的钢板。结语国内外的研究表明13，14:近年来，中厚板轧机轧后在线冷却方 式大多数采用的是层流冷却方式和水幕冷却方式。同时，国外也相继采 用了喷雾冷却（水-气喷雾）、高密度管层流冷却和直接淬火冷却方式。 加速冷却方式因其冷却速度快、产品性能好、节省成本以及提高生产 效益而受到众多钢铁企业的瞩目 ，是今后中厚板轧机轧后在线冷却方 式的主要发展趋势。但由于其设备复杂 ， 控制系统正在完善之中， 所以 目前仍以层流冷却方式和水幕冷却方式为主流.参考文献1 小指军夫著
