专利名称：一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统的制作方法
技术领域：
本发明属于热处理设备和工艺技术领域，涉及一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统。
背景技术：
目前，薄规格中厚板(4mnT8mm)离线淬火(固溶)主要采取水淬，利用高压水射流冲击钢板表面，产生强化换热效果。这种冷却方式对于薄规格钢板瞬间冷却强度极大，易产生冷却不均和板形问题，降低了成品合格率，加大了生产过程控制的难度。与此同时，汽雾冷却已在冶金行业各个领域广泛应用。汽雾冷却多用在板坯连铸机二冷段冷却和转炉炉体冷却上，在中厚板生产领域，主要应用于中间坯冷却和轧后控制冷却方面。作为控冷系统的一部分，汽雾冷却在提高产品性能、改善表面质量、提高生产效率等方面发挥着重要作用。把汽雾冷却移植到中厚板离线淬火(固溶)领域，利用其冷却均勻性好、冷却强度较高压水直接射流冲击小的特点，进行薄规格中厚板淬火(固溶)处理将是一条可行之路。然而，目前在薄规格中厚板淬火(固溶)领域，汽雾冷却系统的应用尚属空白。专利CN201534173U，公开了一种中厚板轧机轧后汽雾冷却装置，与同类轧后汽雾冷却装置相比冷却能力更强、雾化效果更好、冷速调节范围更宽。但该装置的目的是控制冷却，与本发明涉及的薄规格中厚板淬火(固溶)无论从冷却强度要求还是冷却均勻性要求均有较大差距，且该装置控制手段较少，不足以达到冷却参数精确控制以及冷却路径控制的要求，与本发明涉及内容无关。专利CN101642780A，公开了一种中间坯冷却系统及冷却控制工艺，在粗轧机和精轧机间设置汽雾冷却装置，通过控制集管喷射水雾控制中间坯冷却过程。该系统自动化程度比较高，检测手段比较完备。由于该系统设计的主要目的是降低中间坯温度，不需要精确的温降速率控制和钢板板形控制，因此，喷嘴设计较简单，并未过多考虑冷却均勻性问题。 该发明无论从设计目的、实施方式还是使用环境均与本发明差别较大。专利CN201437129U，公开了一种冷轧常化汽雾式冷却系统，在每排冷却水管上安装水流量传感器、水流量调节阀和水流量调节仪，利用计算机精确控制水量，实现流量分路控制。该系统将主要目标放在水量精确控制上，较少的涉及喷嘴结构的技术创新以及冷却策略的制定，专利涉及的技术领域较窄，与本发明关系不大。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，雾化效果好、 冷却均勻性好、冷却强度调节范围宽、冷却参数控制精确以及能提供冷却策略，能够解决目前薄规格中厚板离线淬火(固溶)采用高压水射流冷却产生的冷却不均和板形问题。—种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，包括供水、供气、汽雾喷嘴和控制系统，其特征在于，汽雾喷嘴沿输送辊道在辊道缝隙间上下对称布置，上喷嘴和上辊道固定在移动上框架上，下喷嘴固定在固定框架上；供水、气系统分别经分流集水、气管路进入汽雾喷嘴，供水管路上设置开闭阀、流量计、调节阀，提供稳定、可控的冷却水由喷嘴侧向导入喷嘴内层储水腔中，供气系统提供的恒定、可控的冷却空气由喷嘴两端导入喷嘴外层储气腔中，带有一定压力和初速度的水和空气在喷嘴出口处混合碎化后形成水雾，水雾以一定的初速度和喷射角沿缝隙喷嘴喷出，高速雾滴刺穿高温钢板表面蒸汽膜，与钢板表面直接液固换热；控制系统由经验管理系统和PLC系统组成，经验管理系统制定汽雾冷却策略和冷却规程，并将冷却规程下发到PLC系统执行，PLC系统通过调节供水供气压力比和流量比、 上下喷嘴供水水量比、上喷嘴喷射距离、上下喷嘴喷射角和通板速度，实现喷嘴冷却强度调节和喷水状态调节。一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，供水系统包括分流集水管(1)、分供水管(22)、喷嘴进水口(15)、汽雾上喷嘴(7)和汽雾下喷嘴(7’)，由安装在分流集水管(1)上的压力传感器(16)和泄压保压管路(17)上的调节阀(18)组成供水压力闭环控制系统，通过PID控制实现水压实时调整，供水压力为0. 2MPa^0. 4MPa,水温为 0°C 32°C ；安装在供水管路上的流量计C3)和流量调节阀(4)组成流量闭环控制系统，通过Fuzzy-PID控制实现水量实时调整。一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，供气系统由汽雾风机 (5)、风机变频器(6)和供气管路(11)组成，供给的冷却空气依次通过分流集气管(8)、流量计(9)、开闭阀(10)、金属软管(12)、喷嘴入气口 05)进入储气腔，供气压力为4KPiT8KPa; 为保证供气系统按设定值提供恒压空气，由安装在分流集气管上的压力传感器(19)和汽雾风机变频器(6)组成供气压力闭环控制系统，通过PID控制实现供气压力实时调整；为精确调节供气总量，由安装在供气管路上的流量计(9)和汽雾风机变频器(6)组成供气流量闭环控制系统，通过Fuzzy-PID控制实现供气量实时调整。一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，汽雾喷嘴的结构缝隙喷嘴长2. 8nT3. 5m，外层储气腔环绕包裹在内层储水腔04)外侧，两腔体仅在喷嘴下方缝隙处联通；阻尼装置(XT)由两层筛板组成在内层储水腔04)中，靠近进水侧筛板透水孔稀疏、孔径大，靠近出水侧筛板透水孔稠密、孔径小；内层储水腔04)缝隙喷嘴位于垂直缘中心线，出水缝宽2mm，出气缝对称布置于出水缝隙喷嘴外缘两侧，每个出气缝宽1. 5mm。一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，固定在移动上框架 (20)上的上喷嘴(7)和上辊道(14)通过提升电机随移动上框架OO)上下移动，调节上喷嘴喷射距离，上喷嘴喷射距离调节范围为30mnT400mm，下喷嘴(7’)喷射距离固定为 40mm ο一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，汽雾喷嘴平行于输送辊道连续布置4飞组，每组喷嘴包括上下对应的两个喷嘴，上喷嘴(7)安装在上辊道14间， 下喷嘴(7’ )安装在下辊道间，输送辊道速度可调，调节范围为0. 05m/s^0. 6m/s。一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，经验管理系统将设备中的多组汽雾喷嘴沿钢板前进方向分成4个冷却段，依次为预冷段、常规冷却段、强化冷却段和次强化冷却段，通过制定汽雾冷却策略和冷却规程，实现冷却路径控制和终冷温度控制，冷却策略包括设定各组喷嘴开闭状态、喷嘴冷却强度、喷嘴喷水状态和各冷却区冷却时间，冷却规程包括各冷却段开闭、水量、水比、供水压力、供气总量、供气压力、喷射距离和通板速度的设定值；PLC系统通过精确调节单个喷嘴供水供气压力比和流量比、上下喷嘴供水水量比、上喷嘴喷射距离、上下喷嘴喷射角和通板速度，实现喷嘴冷却强度调节和喷水状态调节。一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，经验管理系统根据设定的钢种、钢板规格、开冷温度、终冷温度和冷却速度，调取调试好的作业规程并下发到汽雾系统PLC中；作业规程的制定基于多次调试数据的综合分析。所述汽雾冷却系统是汽雾冷却在薄规格中厚板离线淬火(固溶)领域创新性应用， 具有如下优点
采用独特结构的汽雾冷却喷嘴，水气在缝隙喷嘴处混合碎化后喷出，雾化效果好、冷却均勻性好，有效的解决了薄规格中厚板离线淬火(固溶)时产生的冷后钢板表面温度分布不均和板形问题，与薄规格中厚板(4mnT8mm)离线淬火(固溶)技术领域目前的国标工艺水平相比提高了生产效率和产品成材率。供水系统采用供水压力-流量双闭环控制，供气系统采用供气压力-流量和变频器闭环控制，实现供水、供气稳定、可控供给，有效提高冷却参数控制精度，扩大冷却强度调节范围，提升了汽雾冷却系统自动控制水平，使操作更灵活、简便。采用计算机系统制定汽雾冷却策略及各冷却段冷却规程，结合辊速和喷射距离调节，实现冷却路径自由控制和终冷温度控制，为薄规格中厚板冷却工艺开发和产品开发提供研究平台。
图1是本发明中的汽雾冷却系统结构示意图； 图2是本发明中的汽雾喷嘴结构示意图3是本发明中的汽雾喷嘴水气循环示意图； 图4是本发明中的汽雾冷却自动化系统技术方案流程图。
具体实施例方式一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，由供水系统、供气系统、汽雾喷嘴、 提升传动和控制系统组成，见图1，其特征在于汽雾喷嘴沿输送辊道14在辊间上下对称布置，上喷嘴和上辊道固定在移动上框架20上，下喷嘴固定在设备的固定框架上；汽雾冷却系统的供水系统包括分流集水管1、分供水管22、喷嘴进水口 15和汽雾喷嘴7，安装在分流集水管1上的压力传感器16和泄压保压管路17上的调节阀18组成供水压力闭环控制系统，通过PID控制实现水压实时调整，供水压力为0. 2MPa^0. 4MPa，水温为0°C 32°C。安装在供水管路上的流量计3和调节阀4组成供水流量闭环控制系统，通过Fuzzy-PID控制实现水量实时调整。所述汽雾冷却系统的供气系统由汽雾风机5、汽雾变频器6、分流集气管8、供气流量计9、开闭阀10、金属软管12和喷嘴进气口 25组成，冷却空气按此顺序流入汽雾喷嘴中， 供气压力为4KPiT8KPa。为保证供气系统按设定值提供恒压空气，由安装在分流集气管上的压力传感器19和汽雾风机变频器6组成供气压力闭环控制系统，通过PID控制实现供气压力实时调整。为精确调节供气总量，由安装在供气管路上的流量计9和风机变频器6组成供气流量闭环控制系统，通过Fuzzy-PID控制实现供气量实时调整。
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所述汽雾冷却系统单个汽雾喷嘴，见图2，缝隙喷嘴长2. 8nT3. 5m，外侧壁沈为不锈钢材质。外层储气腔23环绕包裹在内层储水腔M外侧，两腔体仅在喷嘴下方缝隙处联通；阻尼装置27由两层筛板组成在内层储水腔对中，靠近进水侧筛板透水孔稀疏，孔径大， 靠近出水侧筛板透水孔稠密，孔径小，这样设计以实现沿钢板宽向水流量分布均勻的目的。 内层储水腔M缝隙喷嘴位于垂直缘中心线，出水缝宽2mm，出气缝对称布置于出水缝隙喷嘴外缘两侧，出气缝宽1.5mm。带有一定压力和速度的冷却水由中缝射出，带有一定压力和速度的空气由两侧气缝喷出，压缩空气成角度剪切水幕，充分混合碎化后沿一定喷射角喷出，利用水的气化潜热大和强迫对流的特点实现强制冷却，利用气的雾化掺混效果，使雾滴更细小均勻。所述汽雾冷却系统上移动框架20由丝杠和万向接轴连接提升电机21，提升电机 21正反转带动移动上框架20上下运动，通过固定在移动上框架20上沿和固定在上框架间的位移传感器测定上喷嘴喷射距离，喷射距离范围为30mnT300mm，移动上框架20移动范围为OmnTeOOmm，将上、下辊14接触点定为移动上框架20零点，下喷嘴喷射距离固定为40mm。所述汽雾冷却系统输送辊道14沿钢板13前进方向上下对称布置，4飞组汽雾喷嘴固定在输送辊道间隙中，每组喷嘴包括上下对应的两个喷嘴，喷嘴在连续辊隙间布置；输送辊道传动方式为集中链传动，由一台传动电机带动上下辊道整体同步转动，辊道通过万向接轴和减速箱连接传动电机，通板速度由汽雾系统PLC和变频器控制，通板速度调节范围为 0. 05m/s 0. 6m/s。实施例1
本实施例提供配置本发明汽雾冷却系统的汽雾冷却装置操作技术方案，如图1 3所示。当汽雾冷却系统开始执行冷却规程时，供水系统、供气系统、提升传动系统按如下技术方案工作供水系统按冷却规程开启工作冷却段供水管路开闭阀2，此时，冷却水由分流集水管1依次经开闭阀2、流量计3、调节阀4、进水口 15进入汽雾喷嘴储水腔M，根据分流集水管1上压力传感器16实测的水压，自动调节泄压保压管路17上的调节阀18，使供水压力达到设定值，根据各供水管路流量计2实测值，自动调节分供水管22上的调节阀4，实时控制供水水量以达到设定值；供气系统按冷却规程开启工作冷却段供气管路开闭阀10，再开启汽雾风机5，冷却空气经分流集气管8、流量计9、开闭阀10、金属软管12，由汽雾喷嘴进气口 25进入外层储气腔23，根据分供气管路11上的流量计9实测值，自动调节风机变频器6 输出频率，当流量偏差达到初级偏差时，再根据分流集气管8上的压力传感器19实测值自动调节风机变频器6输出频率，调节供气压力，当压力偏差值达到初级偏差时，再继续调节流量，如此反复直至流量和压力均达到设定值允许最终偏差；经过上述调节，稳定的冷却水经阻尼装置27由出水缝28喷出，恒定的冷却空气由出气缝四喷出，压缩空气在冷却水缝隙喷嘴两侧成角度剪切水幕，两者充分混合碎化后沿一定喷射角喷出；与此同时，汽雾系统提升电机21按上喷嘴7设定喷射距离提升或降低上框架20，由移动上框架20位移传感器检测上喷嘴7实际喷射距离，设定值与实际值偏差在允许范围内时，移动上框架20停止运动；喷射距离调节完毕后，汽雾系统传动电机带动上下辊道14按设定通板速度转动。实施例2
本实施例提供汽雾冷却装置执行汽雾冷却控制系统的作业方案，如图4所示。热处理炉在钢板准备出炉时，发送准备出炉信号至汽雾冷却系统，同时传递的还有待出炉钢板板号，汽雾冷却系统凭待出炉钢板板号向厂级MES或计划管理系统读取待出炉钢板计划信息，该信息包括钢种、钢板规格、开冷温度、终冷温度和冷却速度，经验管理系统凭获取的计划信息制定冷却策略，调用经验管理规程并下发到PLC中执行。PLC系统实时监控规程执行情况，控制水、气管路中的调节阀和开闭阀实现冷却参数精确控制，待实测各冷却参数均达到规程设定值后，生成准备好信号传递给热处理炉，热处理炉按冷却规程中设定的通板速度出钢，钢板出钢的同时，汽雾冷却装置后的钢板输出辊道按相同通板速度转动。钢板在汽雾冷却区内冷却时，本发明系统提供稳定、可控的冷却水由喷嘴侧向导入喷嘴内层储水腔中，供气系统提供的恒定、可控的冷却空气由喷嘴两端导入喷嘴外层储气腔中，带有一定压力和初速度的水和空气在喷嘴出口处混合碎化后形成水雾，水雾以一定的初速度和喷射角沿缝隙喷嘴喷出，高速雾滴刺穿高温钢板表面蒸汽膜，与钢板表面直接液固换热。钢板出汽雾冷却区后，汽雾冷却区内辊道自动停止，汽雾风机停止送风，供水管路开闭阀自动关闭， 停止供水。 所述汽雾冷却控制系统将设备中的多组汽雾喷嘴沿钢板前进方向分成4个冷却段，依次为预冷段、常规冷却段、强化冷却段和次强化冷却段，冷却策略包括各冷却段冷却时间和冷却强度，冷却规程包括各冷却段喷嘴开闭状态、各冷却段水量、各冷却段水比、供水压力、供气总量、供气压力、喷射距离和通板速度设定值；钢板冷却规程中，通过调节单个喷嘴水流量和供水系统供水压力以及供气系统供气压力和供气总量，调节水气压力比、水气流量比、喷射角和上下喷嘴水比，实现喷嘴冷却强度和喷射状态调节。
权利要求
1.一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，包括供水、供气、汽雾喷嘴和控制系统，其特征在于，汽雾喷嘴沿输送辊道在辊道缝隙间上下对称布置，上喷嘴和上辊道固定在移动上框架上，下喷嘴固定在固定框架上；供水、气系统分别经分流集水、气管路进入汽雾喷嘴，供水管路上设置开闭阀、流量计、调节阀，提供稳定、可控的冷却水由喷嘴侧向导入喷嘴内层储水腔中，供气系统提供的恒定、可控的冷却空气由喷嘴两端导入喷嘴外层储气腔中，带有一定压力和初速度的水和空气在喷嘴出口处混合碎化后形成水雾，水雾以一定的初速度和喷射角沿缝隙喷嘴喷出，高速雾滴刺穿高温钢板表面蒸汽膜，与钢板表面直接液固换热；控制系统由经验管理系统和PLC系统组成，经验管理系统制定汽雾冷却策略和冷却规程，并将冷却规程下发到PLC系统执行，PLC系统通过调节供水供气压力比和流量比、 上下喷嘴供水水量比、上喷嘴喷射距离、上下喷嘴喷射角和通板速度，实现喷嘴冷却强度调节和喷水状态调节。
2.如权利要求1所述的一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于， 供水系统包括分流集水管(1)、分供水管(22)、喷嘴进水口(15)、汽雾上喷嘴(7)和汽雾下喷嘴(7’)，由安装在分流集水管(1)上的压力传感器(16)和泄压保压管路(17)上的调节阀(18)组成供水压力闭环控制系统，通过PID控制实现水压实时调整，供水压力为 0. 2MPa^0. 4MPa，水温为0°C 32°C；安装在供水管路上的流量计(3)和流量调节阀(4)组成流量闭环控制系统，通过Fuzzy-PID控制实现水量实时调整。
3.如权利要求1所述的一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，供气系统由汽雾风机( 、风机变频器(6)和供气管路(11)组成，供给的冷却空气依次通过分流集气管(8)、流量计(9)、开闭阀(10)、金属软管(12)、喷嘴入气口 05)进入储气腔，供气压力为4KPiT8KPa ；为保证供气系统按设定值提供恒压空气，由安装在分流集气管上的压力传感器(19)和汽雾风机变频器(6)组成供气压力闭环控制系统，通过PID控制实现供气压力实时调整；为精确调节供气总量，由安装在供气管路上的流量计(9)和汽雾风机变频器(6)组成供气流量闭环控制系统，通过Fuzzy-PID控制实现供气量实时调整。
4.如权利要求1所述的一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，汽雾喷嘴的结构缝隙喷嘴长2. 8nT3. 5m，外层储气腔(23)环绕包裹在内层储水腔04)外侧，两腔体仅在喷嘴下方缝隙处联通；阻尼装置(XT)由两层筛板组成在内层储水腔04) 中，靠近进水侧筛板透水孔稀疏、孔径大，靠近出水侧筛板透水孔稠密、孔径小；内层储水腔 (24)缝隙喷嘴位于垂直缘中心线，出水缝宽2mm，出气缝对称布置于出水缝隙喷嘴外缘两侧，每个出气缝宽1.5mm。
5.如权利要求1所述的一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，固定在移动上框架(20)上的上喷嘴(7)和上辊道(14)通过提升电机随移动上框架OO) 上下移动，调节上喷嘴喷射距离，上喷嘴喷射距离调节范围为30mnT400mm，下喷嘴(7’ )喷射距离固定为40mm。
6.如权利要求1所述的一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，汽雾喷嘴平行于输送辊道连续布置4飞组，每组喷嘴包括上下对应的两个喷嘴，上喷嘴(7)安装在上辊道14间，下喷嘴(7’)安装在下辊道间，输送辊道速度可调，调节范围为0.05m/ s 0. 6m/s。
7.如权利要求1所述的一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，经验管理系统将设备中的多组汽雾喷嘴沿钢板前进方向分成4个冷却段，依次为预冷段、常规冷却段、强化冷却段和次强化冷却段，通过制定汽雾冷却策略和冷却规程，实现冷却路径控制和终冷温度控制，冷却策略包括设定各组喷嘴开闭状态、喷嘴冷却强度、喷嘴喷水状态和各冷却区冷却时间，冷却规程包括各冷却段开闭、水量、水比、供水压力、供气总量、供气压力、喷射距离和通板速度的设定值；PLC系统通过精确调节单个喷嘴供水供气压力比和流量比、上下喷嘴供水水量比、上喷嘴喷射距离、上下喷嘴喷射角和通板速度，实现喷嘴冷却强度调节和喷水状态调节。
8.如权利要求7所述的一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，其特征在于，经验管理系统根据设定的钢种、钢板规格、开冷温度、终冷温度和冷却速度，调取调试好的作业规程并下发到汽雾系统PLC中；作业规程的制定基于多次调试数据的综合分析。
全文摘要
一种薄规格中厚板离线热处理汽雾冷却系统，包括供水、供气、汽雾喷嘴和控制系统，其特征在于，汽雾喷嘴沿输送辊道在辊道缝隙间上下对称布置，上喷嘴和上辊道固定在移动上框架上，下喷嘴固定在固定框架上；供水、气系统分别经分流集水、气管路进入汽雾喷嘴，供水管路上设置开闭阀、流量计、调节阀，提供稳定、可控的冷却水由喷嘴侧向导入喷嘴内层储水腔中；控制系统由经验管理系统和PLC系统组成，经验管理系统制定汽雾冷却策略和冷却规程，并将冷却规程下发到PLC系统执行，PLC系统实现喷嘴冷却强度调节和喷水状态调节。本发明能够解决目前薄规格中厚板离线淬火采用高压水射流冷却产生的冷却不均的问题。
文档编号C21D1/667GK102424902SQ20111038805
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者付天亮, 李勇, 王国栋, 王昭东, 王黎筠, 袁国, 韩毅 申请人:东北大学