СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИЖУЩЕЙСЯ СТАЛЬНОЙ ГОРЯЧЕКАТАНОЙ ПОЛОСЫ
COOLING METHOD OF MOVING HOT-ROLLED STEEL STRIP

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано для охлаждения стальных горячекатаных полос на отводящем рольганге непрерывного широкополосного стана перед смоткой в рулоны.
Известны способы охлаждения движущейся стальной горячекатаной полосы, включающие измерение температуры полосы и регулирование расхода хладагента (воды), подаваемого на охлаждаемую поверхность полос, в функции отклонения измеренного значения температуры полосы от заданного [1, 2].
Недостатки известных способов состоят в том, что охлаждение полосы подачей хладагента (воды) непосредственно на ее поверхности происходит неравномерно, что является причиной нестабильности механических свойств готовых стальных полос.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ охлаждения движущейся стальной горячекатаной полосы на отводящем рольганге непрерывного широкополосного стана, включающий измерение ее температуры перед моталкой и регулирование расхода хладагента (воды) в функции отклонения измеренного значения температуры полосы от заданного [3].
Недостатки известного способа состоят в следующем. При подаче на горячекатаную полосу охлаждающей воды между поверхностью полосы и водой образуются паровые подушки, исключающие непосредственный контакт воды с нагретым металлом, снижающие интенсивность и равномерность охлаждения. Кроме того, известный способ не учитывает температур начала и окончания полиморфного превращения переохлажденного аустенита стали, которые определяются как ее номинальным химическим составом, так и ликвацией химических элементов.
Все это приводит к снижению стабильности механических свойств стальных горячекатаных полос.
Техническим результатом изобретения является повышение стабильности механических свойств горячекатаных полос.
r3
r1
Для достижения технического результата способ охлаждения движущейся стальной горячекатаной полосы включает охлаждение полосы на отводящем рольганге перед смоткой в рулон в температурном интервале от A+(30±50)°С до A+(10±80)°C посредством прижимаемых к ее поверхности полых роликов, через которые пропускают поток хладагента, при этом через два смежных полых ролика хладагент пропускают противонаправленно, а при достижении предельного расхода хладагента плавно изменяют скорость движения полосы до достижения указанной температуры смотки.
r3
r1
Сущность изобретения состоит в следующем. Полые ролики, прижатые к поверхности полосы, через которые пропускают хладагент, например оборотную воду, осуществляют теплосъем с постоянной интенсивностью, не зависящей от паровых подушек, благодаря чему формируется стабильное структурно-фазовое состояние стали. При температуре выше критической точки A на 30±50°С горячекатаная сталь гарантированно находится в однофазном аустенитном состоянии независимо от фактического распределения в ней химических элементов, обусловленного ликвацией. Охлаждение полос из однофазной аустенитной области γ-железа позволяет стабилизировать механические свойства готовых горячекатаных полос. В то же время завершение охлаждения при температуре выше критической точки A на 10±80°С гарантированно исключает сохранение аустенитного γ-железа при всех допустимых ликвациях химических элементов, что повышает равномерность микроструктурно-фазового состояния стали и стабильность механических свойств горячекатаных полос.
В общем случае охлаждение полосы ведут при максимальной скорости ее движения (равной скорости прокатки), за счет чего достигается максимальная производительность процесса, а поддержание заданной температуры окончания охлаждения осуществляют соответствующим изменением расхода турбулентного потока хладагента через пустотелые ролики в функции величины отклонения измеренного значения температуры полосы от заданного.
Применительно к полосам увеличенной толщины в случае достижения предельной величины расхода хладагента (режим насыщения) для обеспечения заданной температуры окончания охлаждения скорость движения полосы снижают, обеспечивая тем самым увеличение теплосъема. В результате обеспечивается повышение стабильности механических свойств всего размерного сортамента горячекатаных полос.
Противонаправленное пропускание хладагента через два смежных полых ролика компенсирует неравномерности теплосъема по ширине полосы предшествующим роликом обратной неравномерностью теплосъема последующим роликом. Это повышает стабильность механических свойств по ширине полос.
Изменение скорости полосы в зависимости от первой производной инерционности системы охлаждения, определяемой по интенсивности изменения измеренной температуры от скорости, позволяет учесть временную задержку (отставание по времени) реакции объекта регулирования на управляющее воздействие, что повышает стабильность механических свойств полос.
r3
r3
Экспериментально установлено, что при температуре начала охлаждения посредством полых роликов, через которые пропускают хладагент, ниже, чем A+30°C, из-за ликвации углерода, марганца, кремния, хрома и др. элементов охлаждение (как и предшествующая прокатка отдельных участков полосы) может происходить при двухфазном состоянии стали, что увеличивает неравномерность механических свойств полос. Повышение температуры начала охлаждения более A+50°С ведет к полигонизации аустенитной структуры после пластической деформации и неконтролируемому росту зерен. Это ухудшает комплекс механических свойств горячекатаных полос и их стабильность.
r1
r1
При повышении температуры окончания охлаждения посредством полых роликов, через которые пропускают хладагент, более A+80°С на отдельных участках полосы не исключено сохранение аустенитной фазы, что увеличивает неравномерность механических свойств горячекатаных полос. Уменьшение температуры окончания охлаждения ниже A+10°С не приводит к дальнейшему повышению стабильности механических свойств стальных горячекатаных полос, а лишь удлиняет процесс охлаждения и увеличивает энергозатраты на создание в полых роликах турбулентного потока хладагента.
Примеры реализации способа
кп
см
Непрерывный широкополосный стан 2000 (НШС 2000) горячей прокатки оснащен измерителем температуры начала охлаждения горячекатаных полос (температуры конца прокатки Т), системой автоматического регулирования температуры окончания охлаждения с измерителем температуры (температуры смотки Т полос в рулоны), а также регулятором скорости транспортирования полосы по отводящему рольгангу.
На отводящем рольганге НШС 2000 монтируют приводные полые ролики с осевым подводом и отводом охлаждающей воды. Шейки нечетных (по порядку расположения от последней клети стана) роликов со стороны обслуживания и шейки четных роликов с противоположной стороны (со стороны привода) соединяют с напорным коллектором подачи под давлением оборотной охлаждающей воды. Выходные стороны четных и нечетных роликов соединяют с отводящим коллектором.
r3
r1
r3
r1
Перед началом прокатки с использованием дилатометра или по справочным данным определяют значения критических температур начала и окончания полиморфного превращения аустенита A и A для конструкционной стали марки 35: A=796°С; A=680°С.
Пример 1.
кп
r3
кп
Слябы из стали марки 35 загружают в методическую печь НШС 2000 и осуществляют их нагрев до температуры аустенитизации 1230°С. Очередной сляб прокатывают в черновой группе клетей в раскат сечением 30×1800 мм и по промежуточному рольгангу транспортируют к 7-клетевой чистовой непрерывной группе. Затем раскат задают в чистовую группу и прокатывают в полосу конечной толщины при температуре конца прокатки Т=A+40°С=796°С+40°С=836°С. Заданную температуру Т устанавливают путем изменения интенсивности охлаждения полосы в межклетевых промежутках чистовой группы.
3
кп
С помощью насосов в напорный коллектор подают под давлением хладагент - оборотную воду, которая турбулентными потоками проходит через полые ролики и вытесняется в отводящий коллектор. Первоначальный номинальный расход оборотной воды 22 м/с определяют путем расчета или экспериментально для заданной температуры Т и толщины охлаждаемой полосы Н=4,0 мм. Благодаря тому что шейки нечетных роликов со стороны обслуживания и шейки четных роликов со стороны привода соединены с напорным коллектором, хладагент по любым из двух смежных роликов протекает противонаправленно.
3
Выходящая из валков последней клети на отводящий рольганг прокатанная полоса толщиной Н=4,0 мм под действием собственного веса прижата к приводным полым роликам, которые транспортируют ее к моталке со скоростью 15 м/с. В процессе транспортирования полосы за счет теплопередачи и излучения происходит отбор тепла от полосы к пустотелым роликам, от которых, в свою очередь, тепло отводится турбулентными потоками хладагента, номинальный расход которого составляет 22 м/с.
см
r1
см
см
Датчик температуры в зоне моталки непрерывно регистрирует температуру полосы. Если измеренное значение температуры полосы превышает заданную величину Т=A+45°С=680°С+45°С=725°С, то давление хладагента в напорном коллекторе и, соответственно, расход хладагента через пустотелые ролики увеличивают. Это ведет к увеличению интенсивности охлаждения и снижению температуры полосы до заданного значения Т=725°С. В противном случае, при снижении температуры полосы относительно заданного значения, давление и расход хладагента через пустотелые ролики снижают. Охлажденную полосу при температуре Т=725°С сматывают в рулон. После остывания рулонов производят отбор проб по длине и ширине полос, определяют показатели механических свойств и их стабильность.
кп
см
Благодаря тому что температуры Т=836°С и Т=725°С поддерживают на заданном оптимальном уровне, а съем тепла по ширине полосы за счет противонаправленности турбулентных потоков в смежных пустотелых роликах симметричен, достигается повышение стабильности механических свойств горячекатаных полос.
Пример 2.
3
см
Все те же операции, что и в примере 1, только полосу в чистовой группе клетей НШС 2000 прокатывают до толщины Н=10,5 мм. Прокатанную полосу транспортируют со скоростью 10 м/с по отводящему рольгангу с одновременным ее охлаждением при помощи прижатых к ее нижней стороне пустотелых роликов, через которые пропускают турбулентный поток хладагента - оборотной воды. При этом вследствие увеличенной толщины полосы даже при предельной величине расхода хладагента через пустотелые ролики, равной 35 м/с, измеренное значение температуры полосы t=780°С превышает оптимальное значение Т=725°С. В этом случае осуществляют плавное снижение скорости движения полосы в зависимости от первой производной инерционности системы охлаждения полосы, определяемой по результатам фактической реакции величины изменения температуры Δt полосы на изменение скорости ее движения ΔV по отводящему рольгангу. Для заданных условий значение первой производной есть коэффициент
равный тангенсу угла наклона касательной к линии графика, являющегося зависимостью температуры конца охлаждения полосы t от скорости ее движения V. Исходя из этого для снижения температуры полосы от 780°С до оптимального значения 725°С на величину Δt=780°С-725°С=55°С снижение скорости полосы ΔV составляет:
см
Скорость движения полосы плавно снижают с 10 м/с на величину ΔV до значения: 10 м/с-3 м/с=7 м/с. Благодаря снижению скорости полосы и увеличению продолжительности ее нахождения на отводящем рольганге обеспечивается снижение температуры полосы до заданной оптимальной величины Т=725°С. Охлажденную полосу сматывают в рулон.
Варианты реализации способа охлаждения движущейся стальной горячекатаной полосы и показатели их эффективности приведены в таблице.
Таблица.
Режимы охлаждения и механические свойства горячекатаных полос
№ п/п
Т<sub>кп</sub>, °C
Т<sub>см</sub>, °C
Механические свойства горячекатаных полос
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>, МПа
δ<sub>5</sub>,%
KCU, Дж/см<sup>2</sup>
1.
A<sub>r3</sub>+20
A<sub>r1</sub>+5
500-593
290-340
6-9
53-67
2.
A<sub>r3</sub>+30
A<sub>r1</sub>+10
595-600
317-310
13-14
79-80
3.
A<sub>r3</sub>+40
A<sub>r1</sub>+45
597-600
308-310
14
79-80
4.
A<sub>r3</sub>+50
A<sub>r1</sub>+80
596-600
306-310
13-14
79-80
5.
A<sub>r3</sub>+60
A<sub>r1</sub>+90
490-590
285-345
7-10
57-72
6.
900
680
480-590
275-300
5-9
70-78
Из данных, приведенных в таблице, следует, что при реализации предложенного способа охлаждения (варианты №2-4) достигается повышение стабильности механических свойств горячекатаных полос. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты №1 и №5), а также при реализации способа - ближайшего аналога (вариант №6) стабильности механических свойств горячекатаных полос ухудшается.
r3
r1
Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в том, что охлаждение полос посредством полых роликов, прижимаемых к ее поверхности, через которые пропускают поток хладагента, и при достижении предельной величины расхода хладагента осуществляют изменение скорости движения полосы, в зависимости от первой производной инерционности системы охлаждения, обеспечивает контролируемый равномерный отбор тепла от прокатанной стальной полосы. Это совместно с использованием оптимального температурного интервала охлаждения от A+(30±50)°С и до A+(10±80)°С позволяет нивелировать нестабильность химического состава стали, и при варьировании скорости полосы исключить влияние толщины на механические свойства горячекатаных полос. Дополнительное повышение равномерности механических свойств по ширине, что особенно важно для широких полос, достигается при противонаправленном пропускании хладагента через смежные ролики.
Побочными эффектами от использования охлаждения путем подачи хладагента через полые ролики, прижимаемые к охлаждаемой поверхности полосы, является отсутствие выбросов в атмосферу водяного пара и общее снижение расхода оборотной воды.
В качестве базового объекта при определении экономической эффективности предложенного способа принят ближайший аналог. Использование предложенного способа обеспечит повышение рентабельности производства горячекатаной листовой стали на 10-12%.
Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения
1. Заявка Великобритании №2163985, МПК В21В 37/10, 1986 г.
2. Патент США №6220067, МПК В21В 37/74, 2001 г.
3. Беняковский М.А. и др. Производство автомобильного листа. М.: Металлургия, 1979 г., с.69-71.