钢板冷却装置的制作方法

技术领域

本申请涉及一种钢板表面处理领域，特别是一种热轧钢板冷却装置及冷却方法。

背景技术：

钢板的制造流程一般是经过加热、粗轧、精轧、冷却、卷绕五步工序完成。其中钢板冷却是其中重要的步骤，而冷却过程所使用的设备也是生产过程的核心设备之一，冷却的作用是将轧机轧制后的钢板冷却到预先设定的温度，冷却效果可以决定钢板的最终性能。

在冷却过程中，我们总是希望整块钢板所有部位的冷却速率相同，这是考虑到降温速度的均匀性决定了其性能的均匀性，从而形成相同的组织结构。目前，钢板宽度方向冷却均匀性已经作了充分的考虑，但是对于钢板两端部(即钢板头部和尾段)的降温速率与钢板中间段的降温速率不同步的问题始终没有很好解决。其产生的原因在两方面：一是由于钢板在轧制过程中，头尾部轧制速度通常低于钢板中间段，造成头尾部温度低于钢板中部；二是钢板冷却过程中，头尾部相当于三面同时与冷却水接触，使两端比中间段冷却更快。现有技术由于无法克服上述技术问题，也就不能保证钢板整体上的均匀冷却，由于两部分温差带来钢板性能的差异，会导致钢板的组织、性能也呈现出较大的差异性。

目前解决该问题的技术手段之一将最终产品直接切除头部和尾部的材料，但该手段所带来的材料浪费是不言而喻的，而且对于切除的尺寸长度也没有一定的规律性可言。

也有技术显示，通过自动化控制手段解决头尾段与中间段的温差，即减少头尾段冷却水的使用量，以预期使钢板头尾段温度与中间段保持一致。但实践表明，该工艺仍存在冷却不均匀的问题，例如头部和尾部端点附近仍不可避免地显现出细针状的马氏体结构，无论对两端的水压如何控制，仍难以克服该问题，从而不能使两端的组织与中间段保持相同。

另外，还有一点，在实际生产中，轧制前保持高温的钢坯会与空气中的氧气发生反应，形成氧化铁等化合物，反应后会在钢坯表面生成一层氧化皮层，也称为鳞片或鳞皮。一般工业上首先对处于高温的钢坯进行除鳞，以避免在轧制过程中被轧辊压入到最终产品的表面上，从而降低产品的表面质量。但对于刚刚经过热轧的钢板，由于其仍保持着表而的高温性，即使在前述步骤中已经对钢坯进行了除鳞处理，仍然不可避免地会与空气中氧化性气体或在冷却过程中与冷却水或冷却水蒸汽接触过程中，表面再次发生部分氧化，再次形成氧化皮层，工业上面临着对这种类型的氧化皮层的去除问题。

技术实现要素：

本申请所使用的设备可以在现有常见的各种钢板冷却设备上进行改进。以克服上述所提及的各种技术问题。

首先，作为冷却装置上必不可少的部件之一“喷嘴”，在本申请中，我们行目地的选用雾化冷却喷嘴，该喷嘴在本领域具有常规的理解，并无特殊含义。选用雾化冷却喷嘴的目的在于为避免选用水流直接对钢板处理时易产生的不稳定性，且雾化冷却喷嘴具有较高的可控性。因此，在本申请中，如无特殊说明，所有出现的喷嘴均为雾化冷却喷嘴。

另外，为了便于控制冷却过程的速率和稳定性，冷却装置的基本设置方式为包括上、下两侧冷却设备。即上侧冷却设备，用于在冷却区间段对热轧钢板的上表面进行冷却；下侧冷却设备，用于在冷却区间段对热轧钢板的下表面进行冷却。在上、下侧冷却设备上均匀设置有若干个雾化冷却喷嘴，喷嘴的数量、喷嘴之间的间隔距离并无明确的限定，保持喷嘴间的间距相同即可，比如数量可控制在10-100范围内，工业上直接选用现有企业中的设备即可，另外，还需要保证上、下两侧冷却设备上的雾化冷却喷嘴在垂直方向上一一对应。

一般来说，热轧钢板在刚进入冷却段时，如果仅使用雾化冷却喷嘴对钢板进行降温时，仍然不能避免头部和尾部相当于有三面同时与冷却水接触的问题，致使头部和尾部的冷却速度高于中间段的冷却速度，当降温速度无法保持一致时，即会产生钢板组织、性能上的差异性。

因此，本申请的目的之一是实现钢板两端与中间段降温速率的一致性。

换言之，就是在钢板进行冷却段时，通过控制热轧钢板头部、尾部和中间段冷却时的冷却水量，减小热轧钢板头部、尾部与中间段的温差，提高整块热轧钢板降温速率的一致性。

具体采取的手段包括：在冷却装置的控制设备上，使用控制设备控制喷嘴的打开与闭合，同样，控制设备也可以控制每一组雾化冷却喷嘴的喷出压力。

为表述方便，我们可以将上、下两侧冷却设备在垂直位置上对应的喷嘴自左向右依次定义为第一组雾化冷却喷嘴、第二组雾化冷却喷嘴……第n组雾化冷却喷嘴。

在冷却装置上，安装有感应测量设备，其安装在上侧冷却设备的起始段位置，用于感应热轧钢板头部是否在垂直位置上超过第一组雾化冷却喷嘴，也可以用于感应热轧钢板的尾部是否在垂直位置上超过第一组雾化冷却喷嘴。

工作时，热轧钢板在车床的带动下在基本水平的方向上向前移动，安装在上侧冷却设备起始段位置的感应测量设备开始工作，感应热轧钢板的头部是否在垂直位置上超过第一组雾化冷却喷嘴，当感应测量设备感应到热轧钢板的头部已经超过时，将信号传递到控制设备，控制设备将打开第一组雾化冷却喷嘴，第一组喷嘴开始向热轧钢板喷出冷却的水雾。

对于第二组雾化冷却喷嘴的打开时间，由于热轧钢板的水平前进速度是预先设定的，因此，并不需要再提供额外的感应测量设备，仅需要根据喷嘴之间的间隔、热轧钢板的前进速度，就可以计算得出热轧钢板头部在垂直位置上超过第二组雾化冷却喷嘴的时间，控制设备可以在热轧钢板的头部超过第二组雾化冷却喷嘴时，打开第二组喷嘴，第二组喷嘴开始向热轧钢板喷出冷却的水雾。

以此类推，对于第三组、第四组……直至最后一组雾化冷却喷嘴的打开时间均可以得出，控制设备也可以在相应的时间点依次将后几组喷嘴打开。

也就是说，只有当钢板头部的垂直位置超过某一组喷嘴时，所被超过的喷嘴的开关才会打开。而为了避免喷嘴向钢板的端面喷射出冷却水雾影响钢板头部的冷却速度，喷嘴不应该以垂直向下的方向喷射，而是应该以倾斜的角度向钢板头部以后的中间段区域喷射雾化水，倾斜的角度可根据实际情况进行调整，一般使喷射角度与钢板前进方向的夹角保持在30-75度为佳，以30-45度为更佳。

所有喷嘴的倾斜角度一般来说设置为相同即可，但有时为了达到更好的效果，例如在下文所提及的除鳞作用，对于水压高的喷嘴应使喷射角度与钢板前进方向的夹角大一些较好，对于这方面的内容我们将在下文中更详细解释。但对于角度的设备，需要注意的是要避免冷却水喷到钢板的端面上。

而对于持续前进中的热轧钢板，喷嘴可以保持稳定的状态，不需要进一步调节。而当接近钢板的尾部时，感应测量设备会持续感应钢板尾部的垂直位置是否超过第一组喷嘴，当感应到钢板的尾部的垂直位置超过的第一组喷嘴时，感应测量设备将感应到的信号传递到控制设备，控制设备将关闭第一组雾化冷却喷嘴，第一组喷嘴停止向热轧钢板喷出冷却的水雾。

对于第二组雾化冷却喷嘴的关闭时间，同理可知，由于热轧钢板的水平前进速度是预先设定的，因此，也不需要额外的感应测量设备，仅需要根据喷嘴之间的间隔、热轧钢板的前进速度，就可以计算得出热轧钢板尾部在垂直位置上超过第二组雾化冷却喷嘴的时间，控制设备可以在热轧钢板的尾部超过第二组雾化冷却喷嘴时，关闭第二组喷嘴，第二组喷嘴停止向热轧钢板喷出冷却的水雾。

以此类推，对于第三组、第四组……直至第n组雾化冷却喷嘴的关闭时间均可以得出，控制设备也可以在相应的时间点依次将后几组喷嘴关闭，直至将第n组(即最后一组)雾化冷却喷嘴关闭，上述方法至少在减少能耗方面是成功的。

对于感应测量设备，用于感应钢板头部的垂直位置是否超过第一组雾化冷却喷嘴，也用于感应钢板的尾部的垂直位置是否超过第一组雾化冷却喷嘴。并将得到的信号告之控制设备。一般可选用激光感应测量设备或其他均可。

对于控制设备，一般选用PLC设备，即可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，其内部可存储程序，用于执行逻辑运算，顺序控制等操作。

对于采用上述方案的优点是不言而喻的，例如对能耗的减少，虽然对于水能源的消耗影响不大，这是由于工业设备上一般采用的都是循环水，但对于高压设备所带来的能源消耗是明显的，因此低压水的成本是比较低的。再则，对于最终产品——钢板头部和尾部附近组织的控制性，是极为精确的，可得到与中间段相同的组织。而且对现有设备的改进也是比较容易的，不需要过多地投入成本，所选用的部件，例如雾化冷却喷嘴、感应测量设备、控制设备也是从市场上易得到的。

对于本申请的进一步改进，在下面的内容进行详述。

在至少保证了对热轧钢板冷却速率保持一致的基础上，如果能够进一步对钢板表面氧化皮层的去除也使得本申请的进步性更加明确。

现有技术中已经公开了一种热轧酸洗板用钢的表面色差控制方法，该方法在粗轧过程中，通过在粗轧机的入口与出口分别设置高压水除鳞喷嘴，从而在轧制过程中，可以采用每道次在粗轧机入口侧进行高压水除鳞，并进一步通过在精轧机组机架间进行高压水除鳞，从而能够消除热轧酸洗板带钢表面的山水纹色差，提高产品的表面质量。然而，上述方法的问题在于还是无法避免采用了残留的氧化皮层，从而使剩余的鳞皮保留在最终产品的表而，因而无法满足高表面质量产品的生产。

另一现有技术公开了使用低水压进行除鳞的方法，然而通过实验表明该方法在实际生产中仍存在鳞皮去除不尽的问题。

本申请的技术方案即满足了对钢板的冷却，又能够满足对钢板表面产生的鳞片的去除。

我们考虑到由于钢板在进行轧制前已经经过一次除鳞的处理，因此，在轧制过程中所产生的氧化皮，厚度不大，一般厚度在50μm到100μm之间，对于这类产生的鳞片，使用高的水压进行处理时，其所使用的高水压设备产生的额外的经济负担是沉重的。

在本申请中，我们即考虑到利用低水压的低成本性，也考虑到高水压对残余鳞皮去除的有效性。即采用两种或多种不同压力的水压实现除鳞。

具体操作方法：首先用低水压对轧制后的钢板进行喷射，利用冷却水对钢板和氧化皮层对热的传导率不同所产生的形变，使氧化皮层与钢板产生剥离。

对于仅仅使用低水压不足以使氧化皮层从钢板上脱落的这部分，我们的设计是在冷却中采用逐渐加大水压的方式。以使以不同附着力粘附在钢板上的氧化皮层达到完全脱落的目的。

本申请举例说明所采用的方式是将冷却段分为三个部分，细言之，就是在冷却段的前三分之一距离内，雾化冷却喷嘴采用低压对钢板进行冷却，三分之一至三分之二距离内，雾化冷却喷嘴采用中压对钢板进一步冷却，三分之二至结尾处的距离内，雾化冷却喷嘴采用高压对钢板进行最终冷却。其中第一部分的雾化冷却喷嘴的水压控制在30巴以下，但不能低于5巴。其中第二部分的雾化冷却喷嘴的水压控制在50巴以下，但不能低于30巴。其中第三部分的雾化冷却喷嘴的水压控制在不低于100巴，但并不能高于200巴，否则所产生的成本过高，并且对较薄的钢板会产生进一步的形变，从而影响产品最终质量。

同样，也可将冷却段分为四个区间段，五个区间段，或者更多的区间段。然而无论将整个冷却设备人为地划分为几个部分，其基本的原理和设计理念是相同的，就是要保证后一区间段均比前一区间段喷嘴所喷出的压力稍高，然而，所高出的压力是呈现一定的规律性，且必须设计在一定的有效范围内，工业上的设计方案，从第II区间段至第N-1区间段内，每一区间段所使用的雾化冷却喷嘴的压力与该区间段前一区间段所使用的雾化冷却喷嘴的压力比例控制在1.1-1.5：1范围内，优选比例为1.25。但对于第N区间段中雾化冷却喷嘴的压力应保证不低于100巴，同时也不能高于200巴，并且要保证其压力的大小需高于倒数第二区间段的雾化冷却喷嘴的压力。

同时，在实践中还发现，对不同厚度的钢板进行处理时，雾化喷嘴的压力开非越小越好，也非越大越好，而是与钢板的厚度相关，分析其理由在于不同厚度的钢板在冷却过程的散热速度是不同的。现有技术中并未有技术显示厚度与所使用的雾化喷嘴的压力之间应保持一定的关系。本申请研究表明，在对20-50mm厚的钢板进行处理时，第一区间段雾化冷却喷嘴压力与钢板厚度的比例为0.5-0.8之间为宜，对于厚度小于15mm，但不低于5mm的钢板进行处理时，第一区间段雾化冷却喷嘴压力与钢板厚度的比例为0.4以下，但要保证雾化冷却喷嘴的最低压力不能低于5巴。

而对于雾化冷却喷嘴与钢板之间的夹角，对于起始段来说，夹角的大小可以选择比较小一些，而对于终点段来说，夹角的大小可以选择比较大好一些，夹角的取值范围应该在30-75度为佳。优选方案是：对于将冷却段划分为三个区间段的方案中，对于第I区间段来说，雾化冷却喷嘴的夹角选择为30-45度，对于第II区间段来说，雾化冷却喷嘴夹角选择为45-55度，对于第III区间段来说，雾化冷却喷嘴夹角选择为60-75度。对于将冷却段划分为N个区间段的方案来说，优选方案是第(N-1)区间段中雾化冷却喷嘴夹角比第(N-2)区间段中雾化冷却喷嘴的夹角依次增加，这样的目的是为了逐渐增加喷嘴压力与钢板之间的水压，以便更好地去除钢板表面所产生的氧化皮层，增加的夹角以3-10度为宜，优选为3-5度，但应该保证所有区间段的角度应该保证在30-75度之间。

对于本申请第二部分的改进方案，其产生的经济性也是可观的。减少了一半以上高压喷嘴设备。对于仅使用高压喷嘴的工艺来说，成本降低，企业更为关注的鳞皮的去除率提高。对于仅使用低压喷嘴的工艺来说，企业更为关注的鳞片的去除率相对也提高。控制起来也是比较方便的，只需将预先设定好的程序写入即可。

附图说明

图1是钢板冷却装置的第一结构示意图。

图2是钢板冷却装置的第二结构示意图。

图中：1——钢板，1-1——钢板头部，1-2——钢板尾部，2——上侧冷却设备，3——下侧冷却设备，4-1——第一组雾化冷却喷嘴，4-n——第n组雾化冷却喷嘴，5——感应测量设备，6——控制设备。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，钢板冷却装置，用于对钢板1进行冷却处理。包括上侧冷却设备2和下侧冷却设备3，上侧冷却设备2和下侧冷却设备3上均匀设置有若干个雾化冷却喷嘴，雾化冷却喷嘴与钢板1前进方向的夹角范围为30-75度(图中未示出)。

钢板冷却装置还包括感应测量设备5，感应测量设备5安装于上侧冷却设备2上，用于感应钢板1的头部1-1是否超过上侧冷却设备和下侧冷却设备的第一组雾化冷却喷嘴4-1，以及用于感应钢板1的头部1-1是否超过了上侧冷却设备和下侧冷却设备的第n组雾化冷却喷嘴4-n。

钢板冷却装置还包括控制设备6，控制设备6与感应测量设备5连接，用于接收感应测量设备5上的信号，同时，控制设备6也对上侧冷却设备2和下侧冷却设备3上所有的雾化冷却喷嘴进行控制，即控制雾化冷却喷嘴的打开与关闭，也控制了所有的雾化冷却喷嘴所喷出水压的大小。

实施例2：如图2所示，钢板冷却装置，用于对钢板1进行冷却处理。包括上侧冷却设备2和下侧冷却设备3，上侧冷却设备2和下侧冷却设备3上均匀设置有若干个雾化冷却喷嘴，雾化冷却喷嘴与钢板1前进方向的夹角范围为30-75度(图中未示出)。

钢板冷却装置还包括感应测量设备5，感应测量设备5安装于上侧冷却设备2上，用于感应钢板1的头部1-1是否超过上侧冷却设备和下侧冷却设备的第一组雾化冷却喷嘴4-1，以及用于感应钢板1的头部1-1是否超过了上侧冷却设备和下侧冷却设备的第n组雾化冷却喷嘴4-n。

钢板冷却装置还包括控制设备6，控制设备6与感应测量设备5连接，用于接收感应测量设备5上的信号，同时，控制设备6也对上侧冷却设备2和下侧冷却设备3上所有的雾化冷却喷嘴进行控制，即控制雾化冷却喷嘴的打开与关闭，也控制了所有的雾化冷却喷嘴所喷出水压的大小。

在由上侧冷却设备和下侧冷却设备所形成的冷却区间内，其前三分之一距离内(即第I区域)，设置低压雾化冷却喷嘴，三分之一至三分之二距离内(即第II区域)，设置中压雾化冷却喷嘴，三分之二至结尾处的距离内(即第III区域)，设置高压雾化冷却喷嘴。

其中，低压雾化冷却喷嘴的水压设置在5-30巴范围内，优选5-20巴，更优选8-15巴；中压雾化冷却喷嘴的水压设置在30-50巴范围内，优选30-45巴，更优选35-38巴；高压雾化冷却喷嘴的水压设置在100-200巴范围内，优选120-160巴，更优选120-130巴。

实施例3：钢板冷却装置，用于对钢板1进行冷却处理。包括上侧冷却设备2和下侧冷却设备3，上侧冷却设备2和下侧冷却设备3上均匀设置有若干个雾化冷却喷嘴，雾化冷却喷嘴与钢板1前进方向的夹角范围为30-75度。

钢板冷却装置还包括感应测量设备5，感应测量设备5安装于上侧冷却设备2上，用于感应钢板2的头部1-1是否超过上侧冷却设备和下侧冷却设备的第一组雾化冷却喷嘴。

钢板冷却装置还包括控制设备6，控制设备6与感应测量设备5连接，用于接收感应测量设备5上的信号，同时，控制设备6也对上侧冷却设备2和下侧冷却设备3上所有的雾化冷却喷嘴进行控制，即控制雾化冷却喷嘴的打开与关闭，也控制了所有的雾化冷却喷嘴所喷出水压的大小。

把由上侧冷却设备和下侧冷却设备所形成的冷却区间，平均划分为五个区间段，其前五分之一距离内，设置低压雾化冷却喷嘴，五分之一至五分之二距离内，设置中低压雾化冷却喷嘴，五分之二至五分之三距离内，设置低压雾化冷却喷嘴，五分之三至五分之四距离内，设置中高压雾化冷却喷嘴，五分之四至结尾处的距离内，设置高压雾化冷却喷嘴。

其中，低压雾化冷却喷嘴的水压设置在5-30巴范围内，优选5-20巴，更优选8-15巴；中低压雾化冷却喷嘴的水压设置在30-50巴范围内，优选30-45巴，更优选35-38巴；中压雾化冷却喷嘴的水压设置在50-70巴范围内，优选55-65巴，更优选60-65巴；中高压雾化冷却喷嘴的水压设置在70-90巴范围内，优选75-85巴，更优选80-85巴；高压雾化冷却喷嘴的水压设置在100-200巴范围内，优选120-160巴，更优选120-130巴。

使用实施例1-3所述的装置工作时，打开感应测量设备5，感应钢板头部1-1是否在垂直位置上已经超过了第一组雾化冷却喷嘴4-1，在没有超过时，所有的雾化冷却喷嘴均处理关闭状态，当钢板头部1-1超过第一组雾化冷却喷嘴4-1时，控制设备6打开第一组雾化冷却喷嘴4-1，该组雾化冷却喷嘴4-1向钢板1喷出冷却水雾，开始对钢板降温。对于第二组雾化冷却喷嘴的打开时间，由于热轧钢板的水平前进速度是预先设定好的，因此，仅根据喷嘴之间的间隔距离，钢板的前进时间，就可以计算出钢板头部在垂直位置超过第二组雾化冷却喷嘴的时间，控制设备6可以在热轧钢板的头部1-1超过第二组雾化冷却喷嘴时，打开第二组喷嘴，第二组雾化冷却喷嘴开始向钢板喷射出冷却的水雾。依次类推，直至最后一组(第n组)雾化冷却喷嘴。

而当接近钢板的尾部时，感应测量设备5会持续感应钢板尾部1-2的垂直位置是否超过第一组喷嘴4-1，当感应到钢板尾部1-2的垂直位置超过的第一组喷嘴4-1时，感应测量设备5将感应到的信号传递到控制设备6，控制设备6将关闭第一组雾化冷却喷嘴4-1，第一组雾化冷却喷嘴4-1停止向热轧钢板喷出冷却的水雾。

对于第二组雾化冷却喷嘴的关闭时间，由于热轧钢板的水平前进速度是预先设定的，因此，也不需要额外的感应测量设备，仅需要根据喷嘴之间的间隔、热轧钢板的前进速度，就可以计算得出热轧钢板尾部在垂直位置上超过第二组雾化冷却喷嘴的时间，控制设备可以在热轧钢板的尾部超过第二组雾化冷却喷嘴时，关闭第二组喷嘴，第二组喷嘴停止向热轧钢板喷出冷却的水雾。

以此类推，对于第三组、第四组……直至第n组雾化冷却喷嘴的关闭时间均可以得出，控制设备也可以在相应的时间点依次将后几组喷嘴关闭，直至将最后一组雾化冷却喷嘴关闭。