一种热轧高强钢应力减量化的两段稀疏层流冷却方法与流程

本发明涉及一种冷却方法，特别涉及一种热轧高强钢应力减量化的两段稀疏层流冷却方法，属于热轧控制技术领域。

背景技术：
随着钢铁工业的飞速发展，矿产资源、能源、环境等与钢铁工业之间的矛盾日益凸现。调整产品结构，使钢铁材料高性能化是解决这一矛盾的有效方法。高强度钢可以用较低的成本取得更好的材料性能，目前已广泛用于建筑、铁路、桥梁、油气管线、船舶、汽车、国防军工等领域。近些年国内众多钢铁企业均以提升高强钢在产品大纲中的比例为目标，寻求更大的经济效益和社会效益。近年来，越来越多的国内先进热轧产线通过采用控轧控冷工艺(TMCP)开发不同组织性能的高强钢。该技术普遍采用层流冷却系统控制板带的轧后冷却速度和卷取温度，使板带获得良好的金相组织和力学性能。采用层流冷却工艺要保证有较好的冷却均匀性、较高的卷取温度控制精度以及对冷却速度的有效控制。但在实际轧制冷却过程中，由于冷却速率和冷却均匀性等方面原因形成热应力作用，易造成板带翘曲、波浪等板形问题。在实际生产中，高强钢在常温下进行开卷常见边部或中部浪形存在，此类板形问题已成为采用TMCP技术开发高强钢的瓶颈。由于热轧仪表一般采用激光测量的原理，只能够检测出可见浪形，厚规格潜在浪形及冷却以后造成的额外应力不均无法得知，导致了控制和市场之间的脱节，也妨碍了现场技术的改进，为此，开发一种可以通过控制高强钢在轧后冷却过程中的应力变化趋势的层流冷却工艺显得尤为重要，这对于改善产品质量以及提高成材率具有积极的意义。高强钢的轧后冷却是非常复杂的过程，此过程除了存在复杂的热交换过程，其间还涉及钢的相变和体积变化。在冷却过程中，沿高强钢宽度方向和厚度方向的不均匀冷却必将产生热应力，同时，由于存在相变过程，会产生相变潜热，由于高强钢内部各部分相变时间和相变组织不一致，各部分的相变膨胀也不相同，因而会产生组织应力。热应力和组织应力使高强钢在冷却过程中有可能产生塑性变形，从而造成残余应力，当残余压应力超过屈曲临界条件时，就会产生屈曲变形。为此，对于冷却过程板形的既需要针对高强钢的性能参数以及轧制规格进行冷却速率控制，也需要同时进行冷却均匀性的控制。目前已有对层流冷却工艺两段冷却模式的研究和尝试，但是主要是针对控制系统的研究，或者是对不同冷却路线下相变进程的研究。现有技术中提出了应用两段冷却模式以实现对目标高强钢具体性能的控制要求，但是研究内容是两段冷却控制模型中温度拟合的数学方法、模型控制精度以及反馈自学习能力等；目前在高强钢的实际生产中，由于在冷却过程中的高冷却速度及冷却不均等因素，高强钢具有较高的内部残余应力的存在，导致成品开卷后即有中浪或边浪等问题的发生，影响了高强钢作为特种钢材的使用。当起浪问题达到一定程度时，容易造成板形质量异议，给企业造成损失，因此，迫切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。

技术实现要素：
本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种热轧高强钢应力减量化的两段稀疏层流冷却方法，该方法可以消除使用传统一段冷却方法后所产生的高强钢中浪以及边浪等不良板形，即因冷却方式不合理所导致的精轧高强钢在轧后冷却阶段所出现的中部或边部浪形，从而显著改善热轧高强钢板形，提高热轧板高强钢板的质量，满足各行业的需求。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种热轧高强钢应力减量化的两段稀疏层流冷却方法，其特征在于，所述方法步骤如下，（1）确定钢种的强度及产品厚度；（2）确定两段稀疏冷却的方式；（3）第一段稀疏冷却系统设置及开启；（4）第二段稀疏冷却的设置及开启。作为本发明的一种改进，所述步骤（1）具体操作如下：该两段稀疏冷却方法以屈服强度为600MPa的高强钢为对象，所适用的轧制厚度范围为3mm至10mm。作为本发明的一种改进，当满足条件0.85≤目标材料传导率t1/设计参考对象传导率t0≤1.15，且0.85≤目标材料比热容c1/设计参考对象比热容c0≤1.25时，可直接应用该两段稀疏冷却方法。若不能同时满足0.85≤t1/t0≤1.15和0.85≤c1/c0≤1.25，可根据目标材料的实际物理性能，对冷却区域和冷却时间进行调整。由于需要第一段冷却与第二段冷却对热轧高强钢的综合作用，因此将第一段冷却区域设置为与热轧高强钢的轧制厚度和行进速度无关，而第二段冷却需要承接第一段冷却的冷却效果，并考虑轧制厚度、行进速度以及最终冷却要求等因素。作为本发明的一种改进，所述步骤（3）第一段稀疏冷却系统设置及开启，具体操作如下：层流冷却系统所包含冷却区分为4段，共15组，其中第一段及第三段为密集冷却区，冷却区域内上下冷却集管各有16个喷头及16个气动阀，上冷却集管每个气动阀控制一个喷头，每个喷头的流量为104m3/h，下冷却集管由两个气动阀共同控制两个喷头，当开启其中一个气动阀时，两个喷头的流量同为52m3/h，此时该冷却区的冷却能力等于普通冷却区；当两个气动阀同时打开时，两个喷头的流量同为62m3/h，此时该冷却区的冷却能力大于普通冷却区及精调冷却区，第二段为普通冷却区，冷却区域内上冷却集管包含8个喷头及8个气动阀，下冷却集管包含16个喷头及8个气动阀，当该冷却区投入使用时，上冷却集管单个喷头的流量等于单个气动阀的流量，为104m3/h；下冷却集管单个气动阀控制两个喷头，单个气动阀流量为104m3/h，单个喷头流量为52m3/h，第四段为精调冷却区，冷却区域内上下冷却集管各有16个喷头及16个气动阀，一个气动阀控制一个喷头，即气动阀与喷头的流量同为52m3/h；可实现相对比较精细的对冷却量的调控。由于第1组及第2组冷却区冷却水容易流到精轧第7机架多功能仪表检测区域，影响多功能仪表检测精度，因此关闭第1组及第2组冷却区域，第一段稀疏冷却由第3组冷却区完成，由于冷却集管相对固定，便于提高模型的设定精度，该冷却区上下冷却装置均由16个气动阀控制16组喷头，上冷却装置一个气动阀控制一组喷头，下冷却装置由两个气动阀同时控制两组喷头，当1个阀打开时，两组喷头的流量均是104m3/h，当2个气动阀同时打开的时候，2组喷头的流量均能达到124m3/h，该层流冷却系统上集管内压力约为0.00833MPa，下集管内压力约为0.0049-0.0098MPa；在第一段稀疏冷却中，不考虑轧制厚度和行进速度等因素，在热轧高强钢到达层流冷却区域之前，开启第三组冷却区域的单数排气动阀，实现上冷却装置中单数组喷头打开，下冷却装置全部喷头打开，单组喷头的流量为104m3/h。作为本发明的一种改进，所述步骤（4）第二段稀疏冷却系统设置及开启，具体操作如下，第二段稀疏冷却所用第9至第13组冷却区配置与第3组冷却区相同，第14组及第15组冷却区上下冷却装置均由16个气动阀控制16组喷头，开启全部喷头以及全部气动阀，实现单组喷头的流量为52m3/h。以52m3/h冷却流量为一个冷却单位，第二段稀疏冷却中冷却单位数为N1，即第14及第15组冷却区一组喷头的流量为一个冷却单位，第9至第13组冷却区一组喷头的流量为两个冷却单位；第二段稀疏冷却由第14组冷却区以及由第14组冷却区为起始点向前后扩展的冷却区共同完成，热轧高强钢到达第二段稀疏冷却区域时行进速度为v0（m/s），轧制厚度为h（mm），则根据热轧高强钢的行进速度以及轧制厚度确定第二段稀疏冷却的冷却单位数的计算公式为：N1=14.5*v0+14.5*h-145v0>0m/s，3mm≤h≤10mm；当N1计算值从上一冷却单位数达到下一步扩展冷却区域后的冷却单位数时，执行扩展冷却区域即向前或向后增加开启的冷却喷头数的命令，考虑高强钢的轧制厚度h与行进速度v为负相关关系，可以保证冷却单位数N1为正值。作为本发明的一种改进，所述步骤（4）第一段稀疏冷却系统设置及开启中，当第14组冷却区域全部投入使用，但是不满足冷却流量需求时，按向前及向后开启冷却单位数2:1的比例进行冷却区域的扩展，即向前扩展时，上冷却装置每隔一组关闭着的喷头开启一组喷头，实现开启与关闭交错扩展，达到两组喷头的平均流量为52m3/h的冷却效果，下冷却装置的喷头全部打开，开启单数排气动阀，使下冷却装置单组喷头流量为104m3/h，向前扩展一组上冷却喷头后，再次扩展冷却区域时，向后扩展一组上冷却喷头，前后交替扩展，二者冷却单位数比值为2:1；扩展区域下冷却装置的喷头全部打开，前后区域下冷却装置冷却单位数比值为2:1。相对于现有技术，本技术的优点如下：本发明内容通过两段稀疏冷却方法的设计可以消除使用传统一段冷却方法所产生的高强钢中浪以及边浪等不良板形，并且无需对现有设备进行改进。通过本发明相关技术方案在某热轧厂1780热轧生产线的实施，实现了对高强钢浪形问题的有效控制，提高了高强钢的质量，高强钢板形相关质量异议量明显下降，该两段稀疏冷却方法可以消除使用传统一段冷却方法所产生的高强钢的浪形问题，大大提高了高强钢板的质量。附图说明图1高强钢层流冷却装置布置图。图2热轧高强钢层流冷却过程两段稀疏冷却方法的总体框图。图3层流冷却过程两段稀疏冷却方法在系统中的应用说明图。具体实施方式为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述和介绍。实施例1：参见图1—图3，一种热轧高强钢应力减量化的两段稀疏层流冷却方法，所述方法步骤如下，（1）确定钢种的强度及产品厚度；该两段稀疏冷却方法以屈服强度为600MPa的高强钢为对象，所适用的轧制厚度范围为3mm至10mm；（2）确定两段稀疏冷却的方式；当满足条件0.85≤目标材料传导率t1/设计参考对象传导率t0≤1.15，且0.85≤目标材料比热容c1/设计参考对象比热容c0≤1.25时，可直接应用该两段稀疏冷却方法。若不能同时满足0.85≤t1/t0≤1.15和0.85≤c1/c0≤1.25，可根据目标材料的实际物理性能，对冷却区域和冷却时间进行调整。由于需要第一段冷却与第二段冷却对热轧高强钢的综合作用，因此将第一段冷却区域设置为与热轧高强钢的轧制厚度和行进速度无关，而第二段冷却需要承接第一段冷却的冷却效果，并考虑轧制厚度、行进速度以及最终冷却要求等因素；采用两段式稀疏冷却的层流冷却工艺，不仅可以通过第一段水冷抑制高强钢奥氏体晶粒生长，提高高强钢最终强度及塑性性能，同时也通过第一段及第二段水冷的综合作用达到高强钢的冷却温度要求，并且保证了高强钢在冷却过程中宽度及厚度方向上的温度均匀性以及相变进程的同步性，达到减小高强钢内部热应力以及组织应力的目的，该两段稀疏冷却方法工艺流程如图2所示，具体步骤如下：（3）第一段稀疏冷却系统设置及开启；层流冷却装置位于精轧机组之后、地下卷取机组之前，在热输出辊道正上方，如图1所示，层流冷却装置能根据带钢厚度、温度、钢种及轧制速度等工艺参数，控制喷水组数、调节水量，将带钢由终轧温度冷却至所要求的卷取温度。该层流冷却系统所包含冷却区分为4段，共15组，如表1所示，其中第一段及第三段为密集冷却区，冷却区域内上下冷却集管各有16个喷头及16个气动阀。上冷却集管每个气动阀控制一个喷头，每个喷头的流量为104m3/h。下冷却集管由两个气动阀共同控制两个喷头，当开启其中一个气动阀时，两个喷头的流量同为52m3/h，此时该冷却区的冷却能力等于普通冷却区；当两个气动阀同时打开时，两个喷头的流量同为62m3/h，此时该冷却区的冷却能力大于普通冷却区及精调冷却区。第二段为普通冷却区，冷却区域内上冷却集管包含8个喷头及8个气动阀，下冷却集管包含16个喷头及8个气动阀。当该冷却区投入使用时，上冷却集管单个喷头的流量等于单个气动阀的流量，为104m3/h；下冷却集管单个气动阀控制两个喷头，单个气动阀流量为104m3/h，单个喷头流量为52m3/h。第四段为精调冷却区，冷却区域内上下冷却集管各有16个喷头及16个气动阀。一个气动阀控制一个喷头，即气动阀与喷头的流量同为52m3/h，可实现相对比较精细的对冷却量的调控。由于第1组及第2组冷却区冷却水容易流到精轧第7机架多功能仪表检测区域，影响多功能仪表检测精度，因此关闭第1组及第2组冷却区域。第一段稀疏冷却由第3组冷却区完成，这样可提高模型设定精度，并具有通用性。该冷却区上下冷却装置均由16个气动阀控制16组喷头，上冷却装置一个气动阀控制一组喷头，下冷却装置由两个气动阀同时控制两组喷头，这样当1个阀打开时，两组喷头的流量均是104m3/h，当2个气动阀同时打开的时候，2组喷头的流量均能达到124m3/h。该层流冷却系统上集管内压力约为0.00833MPa，下集管内压力约为0.0049-0.0098MPa。在第一段稀疏冷却中，不考虑轧制厚度和行进速度等因素，在热轧高强钢到达层流冷却区域之前，开启第三组冷却区域的单数排气动阀，实现上冷却装置中单数组喷头打开，下冷却装置全部喷头打开，单组喷头的流量为104m3/h。（4）第二段稀疏冷却的设置及开启；第二段稀疏冷却需要考虑热轧高强钢的轧制厚度以及行进速度，第二段稀疏冷却系统布置及开启方法如下所述；该方法所适用的轧制厚度范围为3mm至10mm，对于薄规格（3mm左右）热轧高强钢，在层流冷却阶段需要考虑冷速控制以及层流冷却阶段温降范围控制，对于厚规格（10mm左右）热轧高强钢，在层流冷却阶段需要考虑冷速控制以及包括厚度方向和宽度方向在内的冷却均匀性控制；由于热轧高强钢在轧后输送辊道上的行进速度与轧制厚度相关，因此该冷却方法同时考虑轧制厚度以及行进速度，针对不同厚度热轧高强钢进行冷却方式选择。第二段稀疏冷却所用第9至第13组冷却区配置与第三组冷却区相同。第14组及第15组冷却区上下冷却装置均由16个气动阀控制16组喷头，开启全部喷头以及全部气动阀，实现单组喷头的流量为52m3/h。以52m3/h冷却流量为一个冷却单位，第二段稀疏冷却中冷却单位数为N1，即第14及第15组冷却区一组喷头的流量为一个冷却单位，第9至第13组冷却区一组喷头的流量为两个冷却单位。第二段稀疏冷却由第14组冷却区以及由第14组冷却区为起始点向前后扩展的冷却区共同完成。热轧高强钢到达第二段稀疏冷却区域时行进速度为v0（m/s），轧制厚度为h（mm）。则根据热轧高强钢的行进速度以及轧制厚度确定第二段稀疏冷却的冷却单位数的计算公式为：N1=14.5*v0+14.5*h-145v0>0m/s，3mm≤h≤10mm当N1计算值从上一冷却单位数达到下一步扩展冷却区域后的冷却单位数时，执行扩展冷却区域即向前或向后增加开启的冷却喷头数的命令。考虑高强钢的轧制厚度h与行进速度v为负相关关系，可以保证冷却单位数N1为正值。当第14组冷却区域全部投入使用，但是不满足冷却流量需求时，按向前及向后开启冷却单位数2:1的比例进行冷却区域的扩展。即向前扩展时，上冷却装置每隔一组关闭着的喷头开启一组喷头，实现开启与关闭交错扩展，达到两组喷头的平均流量为52m3/h的冷却效果。下冷却装置的喷头全部打开，开启单数排气动阀，使下冷却装置单组喷头流量为104m3/h。向前扩展一组上冷却喷头后，再次扩展冷却区域时，向后扩展一组上冷却喷头，前后交替扩展，二者冷却单位数比值为2:1。扩展区域下冷却装置的喷头全部打开，前后区域下冷却装置冷却单位数比值为2:1。当该种高强钢的轧制厚度为3mm时，其到达第二段稀疏冷却区域时的速度为8.43m/s，此时N1的计算值为20.74，未达到向前后各扩展一组喷头后继续向前扩展一组喷头所达到的冷却单位数21，因此向后取整为19。此时第14组冷却区域无法满足高强钢的冷却量要求，向前后各扩展一组冷却喷头，第二段稀疏冷却的冷却单位数N1以及各冷却区域冷却喷头的实际开启情况等如表2所示。表2中“bank3开启情况”即第一段稀疏冷却区域冷却喷头的实际开启情况。“|”在表2中代表该位置喷头打开，“o”在表2中代表该位置喷头关闭。“bank12开启情况”至“bank15开启情况”为第二段稀疏冷却区域冷却喷头的实际开启情况。第二段稀疏冷却区域喷头开启情况取决于冷却单位数N1的实际取值，即该段冷却区域冷却喷头的开启情况与热轧高强钢的轧制厚度以及行进速度有关。该实施例中，首先，对该两段稀疏冷却方法的适用性进行判定，当满足条件0.85≤目标材料传导率t1/设计参考对象传导率t0≤1.15，且0.85≤目标材料比热容c1/设计参考对象比热容c0≤1.25时，可直接应用该两段稀疏冷却方法。若不能同时满足0.85≤t1/t0≤1.15和0.85≤c1/c0≤1.25，可根据目标材料的实际物理性能，对冷却区域和冷却时间进行调整。随后，在步骤1中，进行第一段冷却区域设定。从距精轧出口约20m远的位置处开始进行第一段稀疏冷却，在7m长的冷却区域内均匀布置8组冷却喷头，并且单组喷头的流量为104m3/h。随后，在步骤2中，进行第二段冷却区域的设定。以距精轧出口处约110m远的轧后输送辊道处为第二段稀疏冷却初始时刻的冷却区域中心位置，计算所需要的冷却单位数N1，N1=14.5*高强钢行进速度v0+14.5*高强钢轧制厚度h-145，根据所计算得到的N1值，进行冷却区域的布置。当冷却中心前后各8组冷却喷头可以提供足够的冷却量时，每开启一组冷却中心前的冷却喷头，同时开启一组冷却中心后的冷却喷头。当16组冷却喷头所提供的冷却量不足时，按向前及向后开启冷却单位数2:1的比例进行冷却区域的扩展。在所需冷却单位数进行变化，即变速轧制时，冷却区域也相应地向冷却中心前后进行扩展。该两段稀疏冷却方法实施前后高强钢的平坦度命中率对比如表3所示。通过两段稀疏冷却方法的设计可以消除或改善使用传统一段冷却方法所产生的高强钢中浪以及边浪等不良板形，并且无需对现有设备进行改进，实现了对高强钢浪形问题的有效控制，提高了高强钢的质量，高强钢板形相关质量异议量明显下降，表明此种两段稀疏冷却方法可以消除或显著改善使用传统一段冷却方法所产生的高强钢的浪形问题。该两段稀疏冷却方法实施前后高强钢的平坦度命中率对比如表3可以看出，该技术方案实现了对高强度钢板浪形问题的有效控制，大大提高了钢板的质量。需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。