层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法

摘要

本发明提供一种层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法。该方法包括步骤：绘制两种成分体系的连续冷却转变曲线；确定两种成分的奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体温度转变范围、分段冷却“卷取工艺窗口”范围；在“卷取工艺窗口”内确定两种成分的分段冷却工艺路径、空冷目标温度和空冷目标时间、第二段冷却速率范围、第二段冷却卷取目标温度、近匀速快轧的速度控制方法；计算两种成分第二段冷却固定的起始阀门位置；设计两种成分第二段冷却闭环控制系统、冷却控制方式及制定相应的冷却控制代码；对轧后两种成分的性能、组织进行检测，对冷却控制参数进行固化或修正。本发明能够得到组织、性能优良的热轧双相钢产品。

权利要求

1.一种层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，其特征是：该方法包括如下步骤：（1）绘制两种成分体系：Si-Mn-Cr-Mo系、Si-Mn-Nb-Ti系热轧双相钢的连续冷却转变曲线；

（2）确定两种成分的奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体温度转变范围；

（3）确定两种成分的分段冷却“卷取工艺窗口”范围；

（4）在“卷取工艺窗口”内确定两种成分的分段冷却工艺路径；

（5）确定两种成分的空冷目标温度和空冷目标时间；

（6）确定两种成分的第二段冷却速率范围；

（7）确定两种成分第二段冷却卷取目标温度；

（8）两种成分近匀速快轧的速度控制方法：热轧双相钢厚度范围为3.0-4.8mm，Si-Mn-Cr-Mo系终轧目标温度880℃，Si-Mn-Nb-Ti系目标温度830℃，精轧速度模型计算时，以各自

3.0mm厚度为基准，采用减薄中间坯厚度调速、机架间冷却水控温的方法计算最大穿带速度；

（9）根据步骤5空冷目标时间、步骤8轧制速度计算两种成分第二段冷却固定的起始阀门位置；

（10）根据步骤5-9设计两种成分第二段冷却闭环控制系统；

（11）根据步骤7卷取目标温度、步骤10闭环控制系统组成，设计两种成分冷却控制方式及制定相应的冷却控制代码；

（12）第二段冷却前馈控制；

（13）第二段冷却反馈控制；

（14）反馈控制去温度假点处理：如卷取高温计检测到某一点的温度值低于前5点均值-

30℃，判定该点为检测温度假点，不传递给卷取温度模型进行反馈控制；

（15）对轧后两种成分的性能、组织进行检测，对冷却控制参数进行固化或修正。

2.根据权利要求1所述的层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，其特征是：步骤（1）中所述的绘制两种成分体系：Si-Mn-Cr-Mo系、Si-Mn-Nb-Ti系热轧双相钢的连续冷却转变曲线的操作方法为：利用Gleeble3500热模拟试验机，开展两种成分体系：Si-Mn-Cr-Mo系、Si-Mn-Nb-Ti系热轧双相钢热模拟试验，测定其奥氏体连续冷却转变曲线。

3.根据权利要求1所述的层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，其特征是：步骤（6）中所述的两种成分的第二段冷却速率范围： Si-Mn-Cr-Mo系冷速20-30℃/s，Si-Mn-Nb-Ti系冷速50-60℃/s。

4.根据权利要求1所述的层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，其特征是：步骤（7）中所述的第二段冷却卷取目标温度：Si-Mn-Cr-Mo系卷取温度范围500-600℃，取目标值550℃，Si-Mn-Nb-Ti系卷取温度范围100-250℃。

说明书

层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法

[0001] 技术领域：

[0002] 本发明涉及一种层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，属于钢铁冶金类的层流分段冷却技术领域。

[0003] 背景技术：

[0004] 双相钢以其良好的强塑性配比及优良的成形性能等优点得到了人们的广泛关注，其产品可广泛应用于汽车的运动构件和安全构件，如车轮、底盘、保险杠等。直接热轧法生产双相钢，不需要附加热处理和退火设备，降低了工时和能耗，成本低。其冶金控制原理是：（1）需形成足够多的铁素体；（2）抑制珠光体和贝氏体产生；（3）剩余奥氏体完全转变为马氏体。对应的难点是：（1）根据其奥氏体连续冷却转变的特点，需要复杂的层流冷却工艺，一般采用层流分段式冷却，工艺稳定性要求高；（2）针对分段冷却工艺，需要先进的冷却设备，相应的检测仪表和模型控制系统等。所谓分段冷却是指将冷却控制区分为前段和后段两个区域，终轧后带钢进入第一段冷却区进行水冷，达到一定的层冷中间温度，然后空冷一段时间，再进入第二段冷却区进行水冷达到要求的目标卷取温度的一种复杂冷却工艺，即通过第一段水冷+空冷+第二段水冷，控制成品带钢只获得铁素体+马氏体双相组织的冷却工艺。
目前，一些热轧产线已经具备了分段冷却要求的层流冷却系统，但在控制方法和模型控制精度上均存在不同问题，如第二段冷却空冷时间、冷却路径设置不合理，冷却曲线进入了珠光体、贝氏体转变区，层流不具备复杂冷却工艺的模型控制系统或系统功能不完善，传统轧机升速轧制过程第二段冷却水量随速度增加全长波动带钢全长组织、性能不均匀等，这些均影响了热轧双相钢的开发和市场推广，因此，需要对分段冷却特别是第二段冷却精度的控制方法进行优化和创新。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，主要解决Si-Mn-Cr-Mo系中温（500-600℃）和Si-Mn-Nb-Ti系低温（100-250℃）卷取热轧双相钢层流分段冷却（第一段水冷+空冷+第二段水冷）工艺中第二段冷却路径的有效设计和模型控制方法的实现问题，以分别得到组织、性能优良的热轧双相钢产品。

[0006] 上述的目的通过以下技术方案实现：

[0007] 层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，该方法包括如下步骤：

[0008] （1）绘制两种成分体系（Si-Mn-Cr-Mo系、Si-Mn-Nb-Ti系）热轧双相钢的连续冷却转变曲线（CCT曲线）；

[0009] （2）确定两种成分的奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体温度转变范围；

[0010] （3）确定两种成分的分段冷却“卷取工艺窗口”范围；

[0011] （4）在“卷取工艺窗口”内确定两种成分的分段冷却工艺路径；

[0012] （5）确定两种成分的空冷目标温度和空冷目标时间；

[0013] （6）确定两种成分的第二段冷却速率范围；

[0014] （7）确定两种成分第二段冷却卷取目标温度；

[0015] （8）两种成分近匀速快轧的速度控制方法；

[0016] （9）根据步骤5空冷目标时间、步骤8轧制速度计算两种成分第二段冷却固定的起始阀门位置；

[0017] （10）根据步骤5-9设计两种成分第二段冷却闭环控制系统；

[0018] （11）根据步骤7卷取目标温度、步骤10闭环控制系统组成，设计两种成分冷却控制方式及制定相应的冷却控制代码；

[0019] （12）第二段冷却前馈控制；

[0020] （13）第二段冷却反馈控制；

[0021] （14）反馈控制去温度假点处理；

[0022] （15）对轧后两种成分的性能、组织进行检测，对冷却控制参数进行固化或修正。

[0023] 所述的层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，步骤（1）中所述的绘制两种成分体系（Si-Mn-Cr-Mo系、Si-Mn-Nb-Ti系）热轧双相钢的连续冷却转变曲线（CCT曲线）的操作方法为：利用Gleeble3500热模拟试验机，开展两种成分体系（Si-Mn-Cr-Mo系、Si-Mn-Nb-Ti系）热轧双相钢热模拟试验，测定其奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）。

[0024] 所述的层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，步骤（6）中所述的两种成分的第二段冷却速率范围： Si-Mn-Cr-Mo系冷速20-30℃/s，Si-Mn-Nb-Ti系冷速50-60℃/s。

[0025] 所述的层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，步骤（7）中所述的第二段冷却卷取目标温度：Si-Mn-Cr-Mo系卷取温度范围500-600℃，取目标值550℃，Si-Mn-Nb-Ti系卷取温度范围100-250℃。

[0026] 所述的层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，步骤（8）中所述的两种成分近匀速快轧的速度控制方法：热轧双相钢厚度范围为3.0-4.8mm，Si-Mn-Cr-Mo系终轧目标温度880℃，Si-Mn-Nb-Ti系目标温度830℃，精轧速度模型计算时，以各自3.0mm厚度为基准，采用减薄中间坯厚度调速、机架间冷却水控温的方法计算最大穿带速度。

[0027] 有益效果：

[0028] 在两种成分体系双相钢的“卷取工艺窗口”内，开发了区域内空冷+第二段水冷采用独立冷却路径+卷取温度设计的方法；针对原工艺升速轧制中第二段冷却水量逐渐增加导致全长性能不均匀的问题，开发了近匀速快轧的速度控制方法；针对空冷时间要求和近匀速轧制的特点，开发了第二段冷却固定起始阀门位置的方法，不需随速度变化而变化；针对第二段冷却速率的控制要求，在现有冷却集管的配置方式上，开发了有别于传统后段冷却的粗冷集管、精冷集管的设定和反馈控制方法，以及反馈控制过程中去温度检测假点的处理方法。

附图说明

[0029] 附图1a为Si-Mn-Cr-Mo系的奥氏体连续冷却转变曲线示意图；

[0030] 附图1b为Si-Mn-Nb-Ti系的奥氏体连续冷却转变曲线示意图；

[0031] 附图2为层流第二段冷却控制系统布置图。

具体实施方式

[0032] 下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

[0033] 本发明公开了一种层流分段冷却工艺中第二段冷却精度的控制方法，包括以下步骤：

[0034] 1）利用Gleeble3500热模拟试验机，开展两种成分体系（Si-Mn-Cr-Mo系、Si-Mn-Nb-Ti系）热轧双相钢热模拟试验，测定其奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线），见附图1；

[0035] 2）在各自的CCT曲线中，确定两种成分的奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体温度转变范围。从附图1中能够明显看出：（1）Si-Mn-Cr-Mo系（附图1a）双相钢珠光体转变区强烈右移，贝氏体转变区右端封口，在铁素体和贝氏体转变区之间有纵向温差较大的奥氏体亚稳定区；（2）Si-Mn-Nb-Ti系（附图1b）双相钢珠光体转变区右移不明显，铁素体转变区右侧在纵向上与珠光体、贝氏体转变区连接在一起；

[0036] 3）确定两种成分的分段冷却“卷取工艺窗口”范围，即冷却过程的温度、时间曲线均不能走入珠光体、贝氏体转变区，只能在铁素体、奥氏体、马氏体转变区内“行走”，以得到铁素体+马氏体的双相组织；

[0037] 4）在“卷取工艺窗口”内确定两种成分的分段冷却工艺路径。从附图1可以看出：（1）Si-Mn-Cr-Mo系（附图1a）双相钢“终轧”轧出后，经过第一段水冷（进入铁素体区）+一个较长时间的空冷（发生铁素体转变）+第二段水冷（冷却终了靠近马氏体区，随后空冷过程中形成马氏体），以得到铁素体+马氏体组织；（2）Si-Mn-Nb-Ti系（附图1b）双相钢“终轧”轧出后，先经过第一段水冷（进入铁素体区）+一个较短时间的空冷（发生铁素体转变）+第二段快速水冷（冷却曲线避开珠光体、贝氏体区，迅速进入马氏体区），以得到铁素体+马氏体组织；

[0038] 5）（1）双相钢分段冷却第一段水冷的目的是使终轧后的带钢在短时间内进入铁素体转变C曲线的“鼻尖“温度，以保证空冷时在铁素体区内停留的时间最长，因此将鼻尖附近的温度定为空冷目标温度；（2）空冷的目的是保证缓慢冷却过程中，在铁素体转变区内形成一定量的铁素体组织，并在冷却曲线到达珠光体转变前，控制第二段水冷斜率，保证第二段冷却曲线不进入珠光体、贝氏体转变区，将第一段水冷结束时间到第二段水冷开始时间定为空冷目标时间。从附图1中可以看出，Si-Mn-Cr-Mo系双相钢由于“卷取工艺窗口”较宽，空冷目标时间长一些，Si-Mn-Nb-Ti系的“窗口”较窄，空冷目标时间短一些；

[0039] 6）（1）由于Si-Mn-Cr-Mo系“卷取工艺窗口”较宽，第二段冷却速率可以缓慢控制，冷速20-30℃/s即能满足要求；（2）Si-Mn-Nb-Ti系窗口较窄，必须在短时间内进行密集冷却才可以避开珠光体、贝氏体转变区，冷速50-60℃/s才能达到要求；

[0040] 7）（1）Si-Mn-Cr-Mo系（附图1a）缓慢冷却过程中可形成马氏体组织，卷取温度范围500-600℃，取目标值550℃；（2）Si-Mn-Nb-Ti系（附图1b）必须冷却到马氏体点温度以下，并要防止铁素体失效和马氏体的自回火，卷取温度范围100-250℃，取目标值180℃；

[0041] 8）热轧双相钢厚度范围为3.0-4.8mm，Si-Mn-Cr-Mo系终轧目标温度880℃，Si-Mn-Nb-Ti系目标温度830℃，精轧速度模型计算时，以各自3.0mm厚度为基准，采用减薄中间坯厚度调速、机架间冷却水控温的方法计算最大穿带速度。具体为：该厚度范围常规中间坯厚度40mm，本发明采用最小可轧厚度30mm，同时各组机架间冷却水按最大开水量计算该终轧温度下的穿带速度，即V3.0穿带。其余厚度以0.3mm为一个组距，基准穿带速度按下式设计：V穿带=V3.0穿带-0.3n，n=0、1、2、3、4、5、6。由于精轧高速穿带，加速度控制上，1加、2加加速度分别为0.001m/s2、0.002m/s2，仅为正常带钢加速度的1/15 1/10；
~

[0042] 9）根据各自空冷目标时间s要求和该规格轧制速度V穿带计算两种成分第二段冷却起始阀门位置，即空冷长度L=V穿带*s的那排集管作为第二段冷却起始阀门。由于步骤8中带钢的轧制速度设计近似于匀速，此起始阀门位置不需像传统升速轧制那样随空冷时间和轧制速度变化（即固定了第二段冷却起始阀门位置），致使第二段冷却全长冷却不均匀带来组织不均匀；

[0043] 10）由附图2，（1）第二段冷却集管装置由5组密集粗冷集管、2组精冷集管组成，检测仪表由层冷中间高温计、卷取入口高温计组成；（2）此部分的冷却系统在传统冷却中属于后段冷却，此发明把它设计成区域内的“前段冷却“模式，将空冷目标温度当作第二段冷却的“终轧温度”，与卷取温度目标一起组成区域内独立的闭环控制系统，既可以参与整个分段冷却控制，又可在该区域内进行独立的预设定和反馈控制；

[0044] 11）（1）根据步骤6冷却速率要求和第二段冷却曲线连续性的要求，对两种成分体系的冷却集管进行重新设计，精冷集管采用少开水，粗冷采用多开水策略，即从步骤9起始阀门开始，冷却能力整体前移，把精冷的水量尽可能多的分配到粗冷；（2）Si-Mn-Cr-Mo系冷速20-30℃/s，2组精冷集管中，Bank15 1-4排预开启，5-8排作反馈调节用，其余精冷集管全部设故障不开水，从起始阀门开始，5组粗冷集管采用稀疏冷却方式（即隔一排开一排方式），将此冷却方式代码设计为M；Si-Mn-Nb-Ti系冷速50-60℃/s，2组精冷集管中，Bank14 1-4排预开启，5-8排作反馈调节用，其余精冷集管全部设故障不开水，从起始阀门开始，5组粗冷集管采用连续密集冷却方式（即依次开启方式），将此冷却方式代码设计为N。此方法充分利用了现场设备灵活配置的特点及与模型控制的有效结合；

[0045] 12）模型进行前馈控制，步骤10的闭环控制系统启动，在步骤11中，冷却方式代码M，从步骤9的起始阀门开始，“前段冷却”模式启动，5组粗冷集管阀门隔排开启数量为预计算开启总排数-Bank15的4排精冷开启数；冷却方式代码N，从起始阀门开始，“前段冷却”模式也开始启动，5组粗冷集管阀门连续开启数量为预计算开启总排数- Bank14的4排精冷开启数；

[0046] 13）卷取入口高温计检测到带钢温度实际温度信号，步骤10中卷取温度的闭环反馈控制启动，Si-Mn-Cr-Mo系冷却控制方式代码M，步骤11中Bank15 1-8排全部参与反馈调节；Si-Mn-Nb-Ti系冷却方式代码N，步骤11中Bank14 1-8排全部参与反馈调节，分别达到步骤7中两种成分设定的卷取目标温度；

[0047] 14）步骤13卷取温度的反馈控制中，针对带钢表面可能存在积水或雾气等影响温度检测真实性的问题，如卷取高温计检测到某一点的温度值低于前5点均值-30℃，判定该点为检测假点，不传递给卷取温度模型进行反馈控制（即去假点设计）；

[0048] 15）对成卷后两种成分双相钢取代表样板进行性能、组织检测，如性能合格并得到铁素体+马氏体组织，固定此第二段冷却工艺，否则，对照CCT曲线，对第二段冷却参数进行修正。

[0049] 实施例1

[0050] 以生产成品规格3.6*1150mm的Si-Mn-Cr-Mo系双相钢DP600为例，层流第二段冷却步骤如下：

[0051] 1．化学成分如表1所示，奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）如附图1 a所示；

[0052] 表1 Si-Mn-Cr-Mo系双相钢DP600化学成分（质量分数，%）

[0053]

[0054] 余量为Fe。

[0055] 2．从附图1a能够看到，珠光体转变区强烈右移，贝氏体转变区右端封口，在铁素体和贝氏体转变区之间有纵向温差较大的奥氏体亚稳定区；

[0056] 3．在铁素体、奥氏体区内，确定其冷却转变曲线如附图1a所示；

[0057] 4．带钢出“终轧”后，经过第一段水冷（进入铁素体区）+一个较长时间的空冷（发生铁素体转变）+第二段水冷，冷却终了温度靠近马氏体区，随后缓慢冷却形成马氏体；

[0058] 5．将铁素体转变C曲线“鼻尖“附近温度定为空冷目标温度，为710℃；空冷窗口较宽，空冷目标时间定为6s；

[0059] 6．第二段水冷窗口较宽，冷却速率定为20-30℃/s；

[0060] 7．冷却终了后缓慢冷却即可形成马氏体组织，卷取温度目标值可在马氏体转变曲线以上，定为550℃；

[0061] 8．终轧温度880℃，厚度3.0mm时，按880+30℃计算的基准穿带速度为8.4m/s，则3.6mm穿带速度为：V穿带=V3.0穿带-0.3n=8.4-0.3*2=7.8m/s；

[0062] 9、空冷长度L=V穿带*s=7.8*7=46.8m，由模型计算第二段冷却粗冷起始阀门位置为Bank11的第9排开始；

[0063] 10、第二段冷却终轧温度710℃（即空冷目标温度），卷取温度550℃，冷却集管由Bank9 Bank13的密集粗冷集管+Bank14、15的精冷集管组成，检测仪表由层冷中间高温计、~卷取入口高温计组成，把它设计成独立的模型控制系统，见附图2；

[0064] 11、第二段冷却需要连续冷却，为保证水量前移，Bank15 1-4排预开启，5-8排作反馈调节用，其余精冷集管全部设故障不开水。冷却速率20-30℃/s，从起始阀门Bank11的第9排开始，粗冷集管采用隔一排开一排方式往卷取机方向开启，将此冷却方式代码设计为M供模型控制使用。由此，确定第二段冷却的控制参数设定如下表2：

[0065] 表2 第二段冷却控制参数

[0066]

[0067] 12、带钢开始轧制，进入第二段冷却控制系统，模型按冷却控制参数和方式进行前馈、反馈控制，结果如下表3：

[0068] 表3 第二段冷却模型控制结果

[0069]

[0070] 13、第二段冷却控制中投用去假点功能；

[0071] 14、轧制成卷后，取头、中、尾代表样板测性能和组织数据如下表4，满足DP600质量均匀性的要求。

[0072] 表4 第二段冷却后带钢的性能、组织结果

[0073]

[0074] 实施例2

[0075] 以生产成品规格4.2*1250mm的Si-Mn-Nb-Ti系双相钢580DP为例，层流第二段冷却步骤如下：

[0076] 1、化学成分如表5所示，奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）如附图1 b所示；

[0077] 表5 Si-Mn-Cr-Mo系双相钢DP600化学成分（质量分数，%）

[0078]C Si Mn P S Nb Ti Al
0.085 0.20 1.25 ≤0.020 ≤0.0105 0.03 0.02 0.03

[0079] 余量为Fe。

[0080] 2、从附图1a能够看到，珠光体转变区右移不多，贝氏体转变区在珠光体转变区下侧，铁素体、奥氏体转变窗口较窄；

[0081] 3、在铁素体、奥氏体区内，确定其冷却转变曲线如附图1b所示；

[0082] 4、带钢出“终轧”后，经过第一段水冷（进入铁素体区）+一个较短时间的空冷（发生铁素体转变）+第二段快速水冷才能避开珠光体、贝氏体区，并迅速进入马氏体区，才能得到铁素体+马氏体组织；

[0083] 5、将铁素体转变C曲线“鼻尖“附近温度定为空冷目标温度，为690℃；空冷窗口较窄，空冷目标时间定为4.5s；

[0084] 6、第二段水冷窗口较窄，需加大冷却速率，将冷却速率定为50-60℃/s；

[0085] 7、第二段冷却需快速冷却到马氏体转变曲线以下，卷取温度目标值定为180℃；

[0086] 8、终轧温度830℃，厚度3.0mm时，按830+30℃计算的基准穿带速度为8.0m/s，则4.2mm穿带速度为：V穿带=V3.0穿带-0.3n=8.0-0.3*4=6.8m/s；

[0087] 9、空冷长度L=V穿带*s=6.8*4.5=30.6m，由模型计算第二段冷却粗冷起始阀门位置为Bank9的第8排开始；

[0088] 10、第二段冷却终轧温度690℃（即空冷目标温度），卷取温度180℃，冷却集管由Bank9 Bank13的密集粗冷集管+Bank14、15的精冷集管组成，检测仪表由层冷中间高温计、~卷取入口高温计组成，把它设计成独立的模型控制系统，见附图2；

[0089] 11、第二段冷却需要连续冷却，为保证水量前移，Bank14 1-4排预开启，5-8排作反馈调节用，其余精冷集管全部设故障不开水。冷却速率50-60℃/s，从起始阀门Bank9的第8排开始，粗冷集管采用连续开启方式往卷取机方向开启，将此冷却方式代码设计为N供模型控制使用。由此，确定第二段冷却的控制参数设定如下表6：

[0090] 表6 第二段冷却控制参数

[0091]

[0092] 12、带钢开始轧制，进入第二段冷却控制系统，模型按冷却控制参数和方式进行前馈、反馈控制，结果如下表7：

[0093] 表7 第二段冷却模型控制结果

[0094]

[0095] 13、第二段冷却控制中投用去假点功能；

[0096] 14、轧制成卷后，取头、中、尾代表样板测性能和组织数据如下表8，满足580DP质量均匀性的要求。

[0097] 表8 第二段冷却后带钢的性能、组织结果

[0098]