快速冷却是热轧控轧控冷技术（TMCP）新的发展方向, 为轧制工艺优化和产品合金减量化提供了新的手段。迁钢2160热连轧将轧后冷却的前4组层流集管替换为3组超快冷集管，新增吸水井满足8000m³/h超快冷用水需求，应用高密喷嘴和缝隙喷嘴实现高速均匀冷却，采用新旧控制系统并行、高低压模式自动切换方式实现温度控制精度的稳定，设备上线提前做好准备工作并科学安排工程实施节点，在调试过程采用先低压后高压的步骤，保障生产平稳过渡后逐步将超快冷工艺用于生产实践。本文最后以25.4mm X70管线钢这一典型品种规格为例介绍了迁钢2160热轧超快冷技术在产品提质降本中的实践应用。

   1 技术背景

   1.1 2160热轧生产线

   迁钢2160热轧为常规半连续式热连轧，主要设备如图1所示，包括4座步进式加热炉、粗除鳞箱（RSB）、定宽压力机（SSP）、二辊可逆式粗轧机（R1）、带立辊的四辊可逆粗轧机（E2/R2）、热卷箱（CB）、曲柄连杆式飞剪（CS）、精除鳞箱（FSB）、6机架精轧机组（FM）、层流冷却装置（LC）、3台地下卷取机（DC）。

   2160热轧设计年产能400万吨，于2006年12月投产，主要产品包括汽车板和家电板冷轧基料、管线钢、耐候钢、汽车结构钢等。

   1.2 超快冷技术

   控制轧制和控制冷却工艺（TMCP）在热轧生产中应用普遍，可在减少合金添加、避免后续热处理条件下获得高性能钢材。近年来TMCP对轧后冷却能力和冷却路径控制提出了更高的要求，加密冷却和超快冷技术（Ul tra-Fast Cool ing，UFC）得到实践应用。

   加密冷却可视作常规层流冷却的拓展，而超快冷在喷嘴形式、水压、设备布局、控制方式等方面均与层流冷却截然不同，其关键特征是带有一定压力的冷却水从射流喷嘴倾斜射出，高速射流沿钢板表面流动，可清除高温钢板表面蒸汽膜，取得更高的换热效率。

   1.3 技术开发难点

   2160热轧超快冷技术开发面临的主要困难包括：

   1）此前国内外热连轧超快冷的实践应用较少，基本为技术原型，可借鉴经验少，快速冷却条件下带钢板形、温度控制精度等均存在疑问。

   2）现有轧线超快冷技术的开发需要对供水、机械、控制系统等进行改造，系统协调难度比完全新建更大。

   3）超快冷改造必须在轧线年修期间完成，不能干扰现有产品的工艺制度，确保生产稳顺过渡，技术可靠性要求高。

   为克服上述困难，2160热轧超快冷在方案设计、工程实施、生产实践过程中均采用了针对性措施。

   2 方案设计

   2.1 轧后冷却总体方案

   在梳理2160热轧产品的厚度规格、轧制速度、冷却工艺目标后，预估超快冷设备最大冷却水量需求为8000m³/h左右，综合考虑供水系统能力，总体方案确定为拆除原层流冷却前4组集管，安装3组超快冷集管，如图2所示。

   2.2 供水系统设计

   2.2.1 水量保障

   2160热轧原层流冷却供水系统实际最大能力为9000m³/h，而超快冷的极限应用要求总用水量为14000m³/h（超快冷8000m³/h 层流冷却6000m³/h）。如果扩容位于轧线操作侧的层流吸水井，则必须改造原供水管路，投资较大，为此轧线在传动侧新建了超快冷吸水井，将层流高位水箱溢流水直接作为超快冷吸水井的补水，同时超快冷压力调节溢流水排入超快冷吸水井，实现循环水再利用，使水平衡更加优化，总体设计方案如图3所示。

   2.2.2 压力控制

   2160热轧超快冷系统设计了两种压力模式，其中低压用于“模拟”层流冷却，以实现原工艺的平稳过渡，高压用于实现快速冷却功能。

   超快冷新增泵站配置3台水泵（2用1备），水泵采取液力偶合器调速，分级调节供水量和压力，并利用超快冷旁通管路阀门进行压力精确调整。泵站控制系统具备以下功能：

   1）模式和主备切换功能。高压模式下，两台泵根据工艺要求分四个档位运行，设定流量和压力由超快冷PLC 发送；低压模式下，单台泵运行；当工作泵有报警或故障时，可以按需要切换到备用泵。

   2）液力耦合器控制功能。在接收到控冷模型设定的流量和压力后，耦合器根据不同压力下的开度-流量曲线确定初始开度。由于耦合器控制速度较慢，为了达到更好的控制效果，精细压力由超快冷旁通阀控制。

   3）阀控制功能，包括进口阀、出口阀和事故补水阀等。

   4）憋泵保护功能。当出口总管压力值高于1.05MPa时，或吸水井液位高于8.25m时，发送给超快冷PLC打开溢流阀信号。

   2.3 冷却集管设计

   2.3.1 总体框架

   如图4所示，2160热轧超快冷全长13.68m，由3组集管组成，每组包含上下共10对集管。

   2.3.2 喷嘴选型

   超快冷集管包含缝隙喷嘴和高密喷嘴两种喷嘴（图5），

   其中高密喷嘴是大型整体超宽高性能射流喷嘴，缝隙喷嘴是整体狭缝式高性能射流喷嘴，也是超快冷核心喷嘴，其具有最大的单位冷却强度。

   2.4 冷却控制系统设计

   2.4.1 设计思路

   冷却控制系统在保留轧线原控制系统（SIEMENS）的基础上，新增超快冷控制系统（RAL），实现以下3个工作模式，如表1所示。

   在UFC低压方式下，超快冷设备集管“模拟”层流冷却集管使用，因此，模式0只需对原控制系统做小幅改动就可保持控制和生产稳定，随后再逐步开展模式1和模式2的调试。

   2.4.2 整体架构

   冷却控制系统总体框架如图6所示。超快冷二级（UFC-L2）经由原控制系统二级与超快冷一级（S7-400）及原层冷一级（TDC）通讯，为此在原控制系统中新增了多个通讯模块，采用这种架构便利了多模式的实现。

   2.4.3 一级自动化

   超快冷一级自动化由一套西门子S7-400PLC，6套ET200远程站，4个PDA DP从站组成，主要实现超快冷集管抬起落下、超快冷喷嘴流量控制、恒压供水控制、带钢头尾跟踪、报警等功能。

   2.4.4 二级自动化

   超快冷二级控制目标除卷取温度外还增加了超快冷出口温度，控制基本思想是将带钢按照一定长度分成若干样板段，由单个样本段的冷却路径确定集管开闭及流量组态，主要功能模块包括预设定、动态修正、反馈计算、自学习计算。

   2.5 工程实施

   2160超快冷项目于2012年3月确定实施，同年11月轧线中修期间上线运行。

   2.5.1 前期准备工作

   轧线中修前完成的重点工作包括泵站系统试车、一级自动化测试、二级自动化低压热试、前4组层冷集管冷却能力校验、超快冷上线生产计划安排、人员培训工作等等。在轧线中修期间，项目严格控制施工节点，按期完成了供水管路的改造和超快冷集管的安装。

   2.5.2 低压模式调试

   轧线中修恢复后进行超快冷低压调试，目标是实现在冷却设备变更情况下生产的平稳过渡，主要思路如图7所示。

   在低压模式调试过程中，设备和控制系统均进行了大量的细节优化，历时一个月左右，期间完成了几乎所有典型品种的生产性能跟踪，确认与中修前相当；轧线卷取温度控制全长命中率保持在95%（±20℃）以上，与中修前相当，标志着低压模式调试成功完成。

   2.5.3 高压模式调试

   轧线在低压模式顺行后，以普碳钢Q345B和高级别管线钢为对象，逐步进行高压模式调试，继续暴露并解决控制模型细节问题，主要包括：

   1）速度制度匹配问题。超快冷模型速度计算机制与精轧西门子速度机制存在偏差，影响卷取温度控制精度。该问题通过调整西门子系统精轧速度控制机制解决。

   2）厚规格返红问题。厚规格带钢经快速冷却后，表面与芯部有较大温差，返红现象明显，层冷集管冷却能力模型偏差较大。该问题通过在模型中引入带钢返红补偿项解决。

   3）超快冷自学习问题。原超快冷模型未针对头部和本体分立自学习系数，无法调节全长温度趋势，增加多点学习后解决。

   4）其他问题包括厚规格抛钢后的速度跟踪取值偏差问题、厚规格抛钢后设定值短时消失问题、多次预计算时序冲突问题、卷取机号传送异常问题、西门子加速度值发送算法问题等等。

   高压调试结果显示，超快冷设备实现了高于层流冷却两倍以上的冷速，温度精度控制稳定，板形良好，为生产应用奠定了基础。

   3 生产实践

   2160热轧超快冷工艺已应用于高级别管线钢的批量生产，下面以25.4mm X70的生产实践为例做具体介绍。

   25.4mm是当前热连轧管线钢卷板的厚度极限，由于

   3）2160热轧超快冷工艺的开发涉及工厂设计、供水、传动、液压、机械、一级自动化、二级模型、轧制工艺、材料学等多专业的协同配合，带动了轧线各专业人员技术水平的提高，促进了轧线工艺技术的进步。（江潇 王学强 牛涛 吴新朗 董立杰 王淑志）