熱處理爐后冷卻系統的研究及應用

武志強

（東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110000）

隨著用電需求的進一步加大，環保意識的提高，綠色能源海上風電用鋼需求量越來越大，尤其是厚規格鋼板得到快速發展[1]。沙鋼熱處理生產線自2009年投產以來，一直采用1#爐后的淬火機來實施快冷工藝，但由于淬火機的功能主要是用來淬火，冷卻方式與快冷工藝要求有較大的區別，影響了鋼板冷卻溫度的均勻性[2]，現場測量溫差達80℃，一方面導致鋼板性能的不均勻，另一方面板型控制也不穩定，板形一次合格率只有50%。隨著品種鋼開發工作的推進，正火鋼板的合同量同步增加，對熱處理線水冷能力提出更高的要求，目前淬火線生產能力已經成為瓶頸[3]。因此急需在2#常化爐后增加快冷系統來實施快冷工藝。使鋼板的性能穩定，符合客戶的要求。其中以風電鋼為主要代表鋼種，之前沙鋼只能生產60mm以下的鋼板，60mm～100mm鋼板生產性能不穩定，新增快冷系統很好的解決了這個問題。圖1為海上風電用鋼。

圖1 海上風電用鋼

1 給水排水系統的設計

由于該廠原1#爐后有淬火機供水系統，該項目在2#爐后，考慮該廠的原有設計和投資成本，供水系統利用淬火機供水系統進行供水，在供淬火機的主管路上再分出一個管路，供給2#爐后快冷系統，因為熱處理線生產節奏較慢，淬火機和快冷系統不同時用水，這樣就解決了供水問題，冷卻水壓為0.45Mpa。側噴、中噴水取水點為熱處理生產線淬火機給水管，通過進水管路，變頻增壓泵加壓至1.0Mpa，側噴、中噴用水主要用于清除鋼板表面殘余水。不使用側噴水時，通過回水管路，回到熱處理生產線淬火機給水管中。冷卻后的水流入到地溝，對原地溝進行改造，新建接水盤，打通與1#淬火機的地溝，冷卻后的水再回到淬火機的地溝，外部水處理系統再進行過濾等處理，這樣整個給水排水系統就形成了閉環。圖2 為淬火機主管路取水點。圖3 為新增后的供水管路。

圖2 淬火機主供水管路取水點

圖3 為新增后的供水管路

2 冷卻設備

分流集水管主要由供水管路DN800，分流給水管DN1200 組成；設置人孔、排污孔、排氣孔。接受供水主管來水；同時向快冷冷卻裝置、通水冷卻點提供水源。內部設計有穩流裝置，使進水，供水更加均勻。

上、下冷卻集管12 組，每根最大流量為200m3/h，結構及組成：由聯結法蘭、噴水箱、噴嘴、支架等組成。噴嘴箱體采用不銹鋼304。結構及組成：單組冷卻裝置12 套DN125 控制閥組，每套閥組1 臺具有開閉功能的流量調節閥、1 臺手動開閉閥等組成，每套控制閥組的流量回路控制采用1 個電磁流量計。

側噴裝置2 套，布置在入口和出口，主要是清除鋼板表面殘余水。手閥和快速開閉閥兩臺。

中噴裝置出、入口，共2 套，用于防止冷卻倒流至加熱爐內，控制殘余水。配置手閥和快速開閉閥兩臺。

邊部遮蔽配置每6組集管配置1 套，共2套邊部遮蔽。可以設置遮蔽行程，控制橫向溫度均勻性。

壓縮空氣吹掃裝置3 臺，用于清除最后的殘余水。每套吹掃配置手閥和快速開閉閥各一臺。

其它裝置包括檢修平臺，由H 型鋼和板材焊接而成，包括平臺、蓋板、固定件，管件、管夾、各種口徑的金屬管等組成。

表1 為主要設備列表。圖4 為冷卻設備。

表1 主要設備列表

圖4 冷卻設備

3 自動化系統

各級控制設備選型和系統結構設計遵循通用、開放、速度快、可靠性高、便于升級和擴展的原則，以適應今后計算機技術不斷進步和預留發展的需要。操作員站由1 臺工作站及網絡打印機組成；基礎自動化級由若干臺PLC 和通用控制器組成；L0 級由檢測儀表和傳感器等組成。控制冷卻區的一級計算機主要負責水流量控制和輥道速度控制以及數據顯示等，采用Siemens 的S7-400及PROFIBUS-DP 遠程I/O ET200 系統。控制冷卻操作員站采用工業控制PC，人機界面軟件選用Win CC。控冷區域的二級計算機主要負責冷卻參數的計算、冷卻規程計算、冷卻數據存儲記錄。

爐后冷卻系統具備全自動、半自動和手動三種控制方式。

自動控制方式：在產線儀表正常，且過程跟蹤正確（PDI 數據有效）時，控制系統可以采用自動方式運行。該種方式工作下，冷卻的初始設定和前饋控制由過程計算機完成，基礎自動化按照過程計算機所給出的每組冷卻裝置的流量和噴水組態，來控制相應噴水閥門的開度和開閉。在此工作模式下，人工干預冷卻規程無效。

半自動控制方式：在該種工作方式下，冷卻制度和規程根據入爐鋼板的PDI 信息自動調取數據庫中存儲的數據（PDI 數據及觸發信息由甲方提供）。操作員可對所調取規程進行核對、修改，之后確認執行。操作員可將成熟的規程存儲在HMI 服務器中，隨時進行調用、修改等。在此種工作方式下，由基礎自動化PLC 完成鋼板的頭尾跟蹤和前饋控制功能。組冷卻裝置的流量、輥道速度、并啟/停冷卻設備的運行。當系統置為手動方式時，鋼板控制冷卻的控制精度取決于操作工的經驗。圖5 為HMI 操作界面。

圖5 HMI 操作界面

4 生產應用

經過試驗生產檢測，試驗鋼橫向溫度均勻性溫差在10℃內；沖擊功210～255；屈服強度375Mpa～420MPa；抗拉強度510Mpa～590MPa；延伸率28%～35%，性能符合要求，板形良好。

圖6 橫向冷卻后溫度均勻性

圖7 冷卻后的板形

表2 DH36 檢測性能

5 結論

分析研究了熱處理生產線爐后快冷系統的水處理、設備、自動化控制，在新增快冷系統后，成功生產了厚度大于60mm 的DH36 風電鋼，產品溫度均勻，性能良好，增強該廠的競爭力，滿足客戶需求。