一种热轧无缝钢管在线控制冷却系统的制作方法

本实用新型属于钢管生产制造工艺技术领域，具体涉及一种热轧无缝钢管在线控制冷却系统。

背景技术：

控制冷却工艺技术作为改善钢材显微组织、提升综合力学性能的有效方法，已经在热轧带钢、中厚板、棒线材以及型材等钢材生产领域得到广泛应用。然而，对于热轧无缝钢管生产工艺而言，目前国内通常的生产流程是管坯经环形炉加热、穿孔机穿孔、热轧机组轧制以及定径机定尺成形等工序后，将钢管通过辊道输送至冷床上空冷至室温。由于钢管在热轧变形后缺乏有效的冷却控制手段，因此无法利用热轧钢材轧制工艺技术领域常用的控制冷却工艺来改善产品显微组织，提高产品性能，易导致热轧无缝钢管的轧态组织粗大，并且通常含有大量魏氏体等不良组织，同时钢管力学性能无法满足用户需求。为解决问题，不得不依赖于后续的离线热处理工序，即将钢管重新在加热炉中加热奥氏体化，通过正火或调质处理后，改善显微组织并提升力学性能。但采用离线热处理方法一方面会大大提升能耗等生产成本，同时也增加了产品的生产周期。为充分发挥无缝钢管热轧后控制冷却工艺对产品组织性能的强大调控作用，目前较为先进的做法是在定径机后增设在线控制冷却系统，通过对热轧定径后的无缝钢管进行组织相变控制，以显著提高产品强度、改善产品综合力学性能，降低合金使用量，从而实现低成本高性能热轧无缝钢管产品的工业生产。

发明专利CN101157096A公开了一种热轧无缝钢管在线控制冷却的工艺方法，技术方案为在定径机后布置一定长度的可变角度的输送辊道，当钢管完全出定径机后，输送辊道轴线沿垂直于轧线方向旋转6~12°，促使热轧钢管开始以自身轴线旋转，并沿轧制方向前进通过控制冷却装置，随后辊道复位至轴线垂直于轧线方向；控制冷却装置采用气雾介质冷却，可将钢管由950~980℃冷却至680~780℃，温降值在200~270℃之间。该工艺方法每冷却一根钢管，可变角度辊道需扭转及复位一次，操作较为复杂，同时由于冷却能力有限，最大温降值仅为270℃，无法满足低温控制冷却及直接淬火的工艺需求。

发明专利CN101570813A公开了一种无缝钢管直接淬火装置及方法，该装置包括钢管外表面冷却装置和内表面冷却装置，其中外表面冷却装置由环形冷却器组成；内表面冷却装置为杆状，位于可变角度辊道的上方，并且插入外表面环形冷却器的中间；冷却方法为将钢管输送到环形冷却器的内部和内表面冷却器的外部，实施淬火；该冷却装置和工艺方法可实现将热轧无缝钢管从高温状态直接水冷至200℃以下的淬火工艺，然而无法满足在线控制冷却的工艺需求，即无法根据钢材组织性能的需要，实现水冷过程中温度的精确控制。

实用新型专利CN201346567Y公开了一种钢管在线加速冷却装置：将环形冷却装置安装在原始输送辊道上；环形冷却装置由一个气环、一个水环及一组气雾喷嘴组成；冷却装置安置在封闭的箱体内，形成全封闭式结构；该冷却装置采用环状喷吹方式对钢管的外壁实施水冷或气雾冷却，在冷却均匀性方面，由于内表面没有实施有效快速冷却，因此在钢管壁厚方向容易出现较为严重的组织性能差异，同时由于采用了封闭的箱体式结构，在钢管出现弯曲等意外时，不利于生产现场的及时处理。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种热轧无缝钢管在线控制冷却系统。本实用新型的技术方案为：

一种热轧无缝钢管在线控制冷却系统，包括第一翻转装置、第二翻转装置、控制冷却装置、吹扫装置和自动化控制系统，所述第一翻转装置和所述第二翻转装置对称布置于所述控制冷却装置的两侧；所述控制冷却装置包括冷却旋转辊道、高压喷水喷头装置、高压喷水集水管，其中所述高压喷水喷头装置设置于所述冷却旋转辊道的两端，用于冷却钢管内壁；所述高压喷水集水管设置在所述冷却旋转辊道上方，所述高压喷水集水管下端配置倾斜布置的喷嘴；所述吹扫装置设置于所述冷却旋转辊道的两端，用于清除冷却后的钢管内壁的残留水；所述自动化控制系统与所述第一翻转装置、所述第二翻转装置、所述控制冷却装置和所述吹扫装置电连接。

进一步地，所述第一翻转装置和所述第二翻转装置分别位于热轧工艺的轧线辊道和冷后输送辊道的一侧，其中所述第一翻转装置用于将热轧无缝钢管由热轧工艺的轧线辊道传送至所述控制冷却装置，所述第二翻转装置用于将控制冷却完毕后的钢管从所述控制冷却装置传送至冷后输送辊道。

进一步地，所述冷却旋转辊道侧上方设有压管装置，用于辅助钢管在冷却旋转辊道上实现原位高速旋转。

进一步地，所述高压喷水喷头装置安装在升降杆上，其高度可以根据钢管外径尺寸规格进行调节，以使水柱全部喷射在钢管内壁上，冷却过程中，位于冷却旋转辊道两端的高压喷水喷头装置采取交替喷射的方式，以提升钢管内壁长度方向上的冷却均匀性。

进一步地，所述高压喷水集水管安装于升降横梁上，所述高压喷水集水管的总长度大于钢管产品长度，通过调节所述升降横梁高度，并调节所述高压喷水集水管中的水压和水量，可以精确控制钢管的外壁冷却速度。

进一步地，所述倾斜布置的喷嘴与垂直线的夹角为15~30°，数量根据生产的实际需要设定。

进一步地，所述自动化控制系统包括检测仪表、控制阀组、信号触发装置、传动装置，用于实现钢管在线控制冷却的全流程自动化控制。

采用上述冷却系统进行热轧无缝钢管在线控制冷却的工艺方法，包括以下步骤：

（1）将完全通过定径机的热轧无缝钢管由第一翻转装置托起并传送至冷却旋转辊道上，调节压管装置，启动冷却旋转辊道并控制钢管的旋转速度在20~60r/min；

（2）调节升降横梁的高度，确保倾斜布置的喷嘴喷射的高压水柱全部斜喷射到钢管外表面，调节高压喷水喷头装置的高度，确保高压水柱全部喷射在钢管内壁上，开启高压喷水喷头装置和高压喷水集水管，其中位于冷却旋转辊道两端的高压喷水喷头装置采取相互交替喷水的方式，控制高压喷水喷头装置中的水压以及高压喷水集水管中的水压和水量，同时对钢管内壁和外壁进行冷却；

（3）将钢管冷却至工艺要求的温度后，通过自动化控制系统终止冷却，同时利用设置于冷却旋转辊道两端的吹扫装置，将冷却后的钢管内壁残留水清除，然后由第二翻转装置将钢管托起并传送至冷后输送辊道上，输送至冷床；

（4）开始下一支钢管操作步骤（1）~（3）。

上述工艺方法中，所采用的在线控制冷却系统首次使用时，将所述系统安装在热轧工艺线的轧线辊道旁，使所述第一翻转装置位于所述轧线辊道一侧，所述第二翻转装置位于冷后输送辊道一侧，并确保所述冷却旋转辊道与所述轧线辊道平行布置。

与现有技术相比，本实用新型的特点和有益效果是：

1．本实用新型的热轧无缝钢管在线控制冷却系统及工艺方法可将出定径机后的热轧无缝钢管从高温状态，根据组织性能需求水冷至任意目标温度及至室温，具备多样的组织调控手段。比如：当控制冷却终止温度在铁素体相变区间时，针对Q235、20#、Q345等普通结构钢管及管线管等热轧无缝钢管产品，通过本实用新型可实现钢管显微组织调控，避免粗大魏氏组织形成，并可通过细晶强化实现钢管热轧态性能的全面提升，降低对合金元素添加及后续离线热处理的依赖；当控制冷却终止温度在贝氏体相变区间时，通过本实用新型可实现通过相变强化提升钢管性能的工艺路径，并可根据需求开发出高强韧性的贝氏体类高强度热轧无缝钢管；当控制冷却终止温度在较低温的马氏体相变区时，通过本实用新型可实现直接淬火生产工艺，通过直接淬火代替离线淬火工艺，显著降低了能耗成本，缩短了生产周期。

2．冷却过程中，采用高压水射流冲击冷却的方式，可有效打破冷却水在高温钢管表面形成的气膜，提高冷却水与钢管表面的有效接触面积，进而提高冷却效率，增大冷却速率。

3．本实用新型的热轧无缝钢管在线控制冷却系统采用第一翻转装置和第二翻转装置的布置形式，可实现控制冷却生产工艺与原轧线空冷生产工艺的自由切换，易于处理突发问题，确保产线生产的顺利进行。

附图说明

图1为本实用新型的热轧无缝钢管在线控制冷却系统的布置示意图；

图2为图1的控制冷却装置的平面结构示意图；

其中，1-定径机，2-热轧工艺的轧线辊道，3-第一翻转装置，4-第二翻转装置，5-冷却旋转辊道，6-吹扫装置，7-高压喷水喷头装置，8-冷后输送辊道，9-升降横梁，10-高压喷水集水管，11-倾斜布置的喷嘴，12-压管装置。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语‘上’、‘下’、‘侧’、‘端’等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语‘第一’、‘第二’仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语‘安装’、‘设置’、‘连接’应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型做进一步详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

实施例1

一种热轧无缝钢管在线控制冷却系统，其结构如图1所示，包括第一翻转装置3、第二翻转装置4、控制冷却装置、吹扫装置6和自动化控制系统，其中所述第一翻转装置3和所述第二翻转装置4对称布置于所述控制冷却装置的两侧，并且所述第一翻转装置3和所述第二翻转装置4分别位于热轧工艺的轧线辊道2和冷后输送辊道8的一侧，第一翻转装置3用于将热轧无缝钢管由热轧工艺的轧线辊道2传送至所述控制冷却装置，第二翻转装置4用于将控制冷却完毕后的钢管从所述控制冷却装置传送至冷后输送辊道8。

图2提供所述控制冷却装置的平面结构图，包括冷却旋转辊道5、高压喷水喷头装置7、高压喷水集水管10，其中所述高压喷水喷头装置7设置于所述冷却旋转辊道5的两端，并安装在升降杆上，用于冷却钢管内壁；所述高压喷水集水管10设置在所述冷却旋转辊道5上方，并安装于升降横梁9上，高压喷水集水管10的长度为30m，所述高压喷水集水管10下端配置倾斜布置的喷嘴11，喷嘴与垂直线的夹角为20°，喷嘴数量为5400个。

所述冷却旋转辊道5侧上方还设有压管装置12，用于辅助钢管在冷却旋转辊道5上实现原位高速旋转。

所述吹扫装置6设置于所述冷却旋转辊道5的两端，具体为角度可调节的气吹喷头，喷气方向与钢管长度方向轴线呈0～45°，用于清除冷却后钢管内壁的残留水。

所述自动化控制系统包括检测仪表、控制阀组、信号触发装置、传动装置，所述自动化控制系统与所述第一翻转装置、所述第二翻转装置、所述控制冷却装置和所述吹扫装置电连接，用于实现钢管在线控制冷却的全流程自动化控制。

采用上述系统进行外径为457mm，厚度25mm，长度25m的热轧无缝钢管在线控制冷却的工艺方法，包括以下步骤：

（1）上述系统首次使用时，将所述系统安装在热轧工艺线的轧线辊道旁，使所述第一翻转装置位于所述轧线辊道一侧，所述第二翻转装置位于冷后输送辊道一侧，并确保所述冷却旋转辊道与所述轧线辊道平行；然后将完全通过定径机的热轧无缝钢管由第一翻转装置托起并传送至冷却旋转辊道上，调节压管装置，并启动冷却旋转辊道，控制钢管的旋转速度在40~50r/min；

（2）调节升降横梁的高度以确保倾斜布置的喷嘴喷射的高压水柱全部斜喷射到钢管外表面，调节高压喷水喷头装置的高度，确保高压水柱全部喷射在钢管内壁上；开启高压喷水喷头装置和高压喷水集水管，在冷却过程中，位于冷却旋转辊道两端的高压喷水喷头装置采取交替喷射的方式，以提升钢管内壁长度方向上的冷却均匀性，控制高压喷水喷头装置中的水压为0.5~0.8MPa，控制高压喷水集水管中的水压为0.2~0.8MPa且水流量为3000~6000m³/h，同时对钢管内壁和外壁进行冷却；

（3）将钢管冷却至工艺要求的温度后，通过自动化控制系统终止冷却，同时利用设置于冷却旋转辊道两端的吹扫装置，将冷却后的钢管内壁残留水清除，然后由第二翻转装置将钢管托起并传送至冷后输送辊道上进入冷床；

（4）开始下一支钢管操作步骤（1）~（3）。

所述的热轧无缝钢管控制冷却工艺方法，针对不需要进行控制冷却的钢管由原轧线辊道空冷输送至冷床；针对需要进行控制冷却的钢管，则利用翻转装置将钢管托放至在线冷却专用旋转辊道上完成控制冷却工艺生产。同时，原轧线辊道采取分段控制形式，可实现钢管在上料区停止、准备翻转的过程中，上料区前辊道及上料区后辊道仍然可以继续旋转输送钢管，保证了在线控制冷却工艺的稳定、连续、高效实施。

实施例2

一种热轧无缝钢管在线控制冷却系统，其结构同实施例1，区别点在于：本实施例的热轧无缝钢管在线控制冷却系统的高压喷水集水管的长度为38m，喷嘴数量为6800个。

采用上述系统进行外径219.1mm，壁厚12mm，长度36m的热轧无缝钢管在线控制冷却的工艺方法，包括以下步骤：

（1）上述系统首次使用时，将所述系统安装在热轧工艺线的轧线辊道旁，使所述第一翻转装置位于所述轧线辊道一侧，所述第二翻转装置位于冷后输送辊道一侧，并确保所述冷却旋转辊道与所述轧线辊道平行；然后将完全通过定径机的热轧无缝钢管由第一翻转装置托起并传送至冷却旋转辊道上，调节压管装置，启动冷却旋转辊道并控制钢管的旋转速度在20~40r/min；

（2）调节升降横梁的高度以确保倾斜布置的喷嘴喷射的高压水柱全部斜喷射到钢管外表面，调节高压喷水喷头装置的高度，确保高压水柱全部喷射在钢管内壁上，开启高压喷水喷头装置和高压喷水集水管，在冷却过程中，位于冷却旋转辊道两端的高压喷水喷头装置采取相互交替喷射的方式，以提升钢管内壁长度方向上的冷却均匀性，控制高压喷水喷头装置中的水压为0.5~0.8MPa，控制高压喷水集水管中的水压为0.2~0.8MPa且水流量为3000~5500m³/h，同时对钢管内壁和外壁进行冷却；

（3）将钢管冷却至工艺要求的温度后，通过自动化控制系统终止冷却，同时利用设置于冷却旋转辊道两端的吹扫装置，将冷却后的钢管内壁残留水清除，然后由第二翻转装置将钢管托起并传送至冷后输送辊道上进入冷床；

（4）开始下一支钢管操作步骤（1）~（3）。

所述的热轧无缝钢管控制冷却工艺方法，针对不需要进行控制冷却的钢管由原轧线辊道空冷输送至冷床；针对需要进行控制冷却的钢管，则利用翻转装置将钢管托放至在线冷却专用旋转辊道上完成控制冷却工艺生产。同时，原轧线辊道采取分段控制形式，可实现钢管在上料区停止、准备翻转的过程中，上料区前辊道及上料区后辊道仍然可以继续旋转输送钢管，保证了在线控制冷却工艺的稳定、连续、高效实施。