CN102876874A - 一种钢管超快速淬火冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种钢管超快速淬火冷却装置，涉及一种冷却装置。本发明包括具有进水口的外壳，在外壳内设置有若干斜缝喷嘴单元，斜缝喷嘴单元并排压靠在一起，在外壳与斜缝喷嘴单元之间留有间隙，间隙为冷却水层；斜缝喷嘴单元为圆环形结构，其由外向内依次由导水板、稳流层壁板和喷嘴调节套板组成；导水板的圆周上均匀分布有若干导水柱，所有导水柱喷水方向的延长线相交成一个内切圆，并且该内切圆的直径小于或等于冷却钢管的直径，相邻斜缝喷嘴单元的导水柱相互错开；稳流层壁板形成的内腔为外宽内窄的漏斗形，喷嘴调节套板为圆环形，喷嘴调节套板的中间间隙为斜缝喷嘴，斜缝喷嘴为倾斜的缝隙，其由外向内宽度逐渐变小。

Description

一种钢管超快速淬火冷却装置

技术领域

本发明涉及一种冷却装置，特别是涉及一种用于钢管超快速淬火冷却的装置。

背景技术

钢管水冷的沸腾传热现象主要是两种状态，一种是钢管直接与水接触，实现热交换，这种沸腾传热现象的冷却能力强，为核沸腾。另一种是钢管和冷却水之间形成蒸汽膜，通过蒸汽膜进行热交换，为膜沸腾。钢管加速冷却时，冷却开始阶段，表面温度高，膜沸腾状态处于主导地位。但是，若表面温度逐步降低，蒸汽膜变得不稳定，此时局部冷却水开始与钢管接触，逐步转变为核沸腾。在膜沸腾和核沸腾之间为两种沸腾共存的状态，称为过渡沸腾。该状态下钢管有的部位是热交换强烈的核沸腾，有的部位是热交换能力不强的膜沸腾，因而造成钢管冷却不均，从而导致钢管发生弯曲变形。所以，为保证钢管良好的冷却效果，应当尽量实现强烈热交换的核沸腾，避免处于不稳定冷却状态的过渡沸腾和传热效率极低的膜沸腾。超快速冷却的最大特点是避免了过渡沸腾和膜沸腾，实现了全面的核沸腾，具有可达极限冷却的冷却速率和极高的冷却均匀性。

同时由于采用常规轧制，终轧温度较高，如果不加以控制，材料会由于再结晶而迅速软化，失去硬化状态。因此，在终轧温度和相变开始温度之间的冷却过程中，应努力设法避免硬化奥氏体的软化，即设法将奥氏体的硬化状态保持到动态相变点。超快速冷却技术可以对钢材实现每秒几百度的超快速冷却，可以使材料在极短的时间内迅速通过奥氏体相区，将硬化奥氏体状态保持到动态相变点附近。这就为保持奥氏体的硬化状态和进一步进行相变控制提供了重要条件。

专利号为CN101423887A的中国专利公开了“钢管的冷却方法”，其核心技术为将钢管平行于液态冷却介质液面放置，部分钢管浸入到液态冷却介质中，旋转钢管，使钢管冷却。其冷却方式虽然一定程度上可以达到冷却的效果，但由于钢管浸入液态冷却介质部分与未浸入部分的温差过大，严重影响钢管冷却的均匀性，容易造成钢管的弯曲变形。

专利号为CN102366872A的中国专利公开了“钢管冷却装置”，其核心技术为沿圆形内腔周向布置的喷嘴的喷水方向与圆形内腔的轴线垂直，可实现喷嘴的喷水方向沿钢管运行方向无倾斜，并且喷嘴喷水方向的延伸线与圆形内腔轴线的距离相等且小于等于待冷却钢管的半径；这样，喷嘴喷射的流体可交汇成一定尺寸的内切圆。如此，便避免了正对钢管周壁方向的喷射流体相撞造成流体沿轴向喷射的现象，同时减少了向钢管尾部注水的现象。但由于其喷嘴的设计形式，使该冷却装置不具备超快速冷却的特点，达不到超快速冷却效果；并且这种喷嘴形式会造成喷射出的水只用于垂直圆形内腔的轴线处的钢管局部冷却，用完之后便从装置下方的漏水口流走，并没有充分被利用；另外，其喷嘴的结构对于不同管径尺寸的钢管，喷射到钢管表面的水的覆盖面积是不同的，同样的喷嘴结构条件下，大管径的钢管表面水的覆盖面积小，小管径的钢管表面水的覆盖面积大，这样会造成冷却的均匀性不统一。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种钢管超快速淬火冷却装置。该装置能够极大的提高钢管的冷却效率，实现钢管的超快速冷却，提高钢管周向和轴向温度的均匀性，减少由于冷却不均造成的钢管弯曲变形，降低钢管的生产成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种钢管超快速淬火冷却装置，包括具有进水口的外壳，在外壳内设置有若干斜缝喷嘴单元，斜缝喷嘴单元并排压靠在一起，在外壳与斜缝喷嘴单元之间留有间隙，所述间隙为冷却水层；所述斜缝喷嘴单元为圆环形结构，其由外向内依次由导水板、稳流层壁板和喷嘴调节套板组成；所述导水板的圆周上均匀分布有若干导水柱，每个导水柱的中心线与导水柱中心和圆环形导水板中心的连线成一定角度，且每个导水柱的倾斜角度一致，所有导水柱喷水方向的延长线相交成一个内切圆，并且该内切圆的直径小于或等于冷却钢管的直径，相邻斜缝喷嘴单元的导水柱相互错开；所述稳流层壁板形成的内腔为外宽内窄的漏斗形；所述喷嘴调节套板为圆环形，喷嘴调节套板的中间间隙为斜缝喷嘴，斜缝喷嘴为倾斜的缝隙，其由外向内宽度逐渐变小，倾斜缝隙的延长线与斜缝喷嘴单元的圆环形内腔的轴线成一定角度。

所述每个导水柱的中心线与导水柱中心和圆环形导水板中心的连线成一定角度，所述角度的范围为0～90°。

所述每个导水柱的中心线与导水柱中心和圆环形导水板中心的连线成一定角度，所述角度的范围为15°。

所述倾斜缝隙的延长线与斜缝喷嘴单元的圆环形内腔的轴线成一定角度，所述角度的范围为0～180°。

所述倾斜缝隙的延长线与斜缝喷嘴单元的圆环形内腔的轴线成一定角度，所述角度的范围为75°。

所述外壳的一端通过具有通孔的侧封板固定，另一端由第一压紧板和第二压紧板固定，所述斜缝喷嘴单元通过第一压紧板和第二压紧板紧密压靠在一起。

所述第一压紧板通过螺栓固定在外壳上，在外壳与螺栓之间设置有垫圈；在所述第一压紧板上设置有压紧螺栓和螺母，压紧螺栓的端部与第二压紧板相接触。

本发明提出的钢管超快速淬火冷却装置是以一定的角度沿钢管运行方向将一定压力的水喷射到钢管表面，将钢管表面残存水与钢管之间形成的蒸气膜吹扫掉，从而达到钢管与冷却水之间的完全接触，实现核沸腾。这不仅提高了钢管和冷却水之间的热交换，而且可达极限冷却的冷却速率和极高的冷却均匀性，大大抑制了钢管由于冷却不均匀引起的弯曲变形。

本发明的有益效果：

本发明不仅结构简单、安装拆卸方便，而且能够实现超快速冷却，使材料在极短的时间内迅速通过奥氏体相区，为获得多样化的相变组织和材料性能提供了广阔的空间；在实现钢管超快速冷却的同时，本发明能够避免钢管头尾进水滞留的缺陷，极大的提高了钢管周向和轴向温度的均匀性。

本发明的外壳周向对称均匀设有若干进水口，与外部供水管道相连，保证从外部供水管道进来的水可以均匀的充满整个冷却水层，为斜缝喷嘴单元的均匀供水提供保障，为最终斜缝喷嘴的均匀出水提供条件。

本发明的斜缝喷嘴单元的导水板的圆周上均匀分布有若干导水柱，每个导水柱的中心线与导水柱中心和圆环形导水板中心的连线成一定角度，且每个导水柱的倾斜角度一致，保证了所有导水柱喷水方向的延长线相交成一个内切圆，并且该内切圆的直径小于或等于冷却钢管的直径；这样的设计可以避免正对钢管周壁喷射流体相撞造成流体沿轴向喷射现象；同时，内切圆的内部为无水区，可以有效减少钢管头尾进水滞留的现象。

当本发明由多组斜缝喷嘴单元组成时，相邻斜缝喷嘴单元的导水板上的导水柱周向分布时相互错开一定的距离，保证喷射到钢管壁的水流分布更加均匀。

具有一定压力的水流通过导水板的空心导水柱以一定角度高速进入稳流层壁板形成的漏斗形腔体内，在与稳流层壁板的撞击下形成高速旋转的紊流；由于稳流层壁板形成的腔体接近外宽内窄的漏斗形，可以延长水流的停留时间，并且辅助高速旋转的紊流向稳流状态过渡。斜缝喷嘴单元的斜缝喷嘴为周向的斜缝形状，其由外向内宽度逐渐变小，倾斜缝隙的延长线与斜缝喷嘴单元的圆形内腔的轴线成一定角度。这样的设计可以使喷射水流具有与冷却钢管运行方向相同的向前或向后的趋势；同时可以增大其外侧稳流层壁板形成的腔体的瞬时蓄水量，由此便可增大斜缝喷嘴的瞬时出水量；并且增加了高速水流在稳流层壁板形成的腔体内周向的均匀性，实现了流体的二次稳流。

稳流层壁板与喷嘴调节套板之间为螺纹连接，通过该螺纹可调节斜缝喷嘴单元的斜缝喷嘴的宽度，以此调节斜缝喷嘴喷射水流的薄厚，以便得到理想的出水效果和出水流量，对比其他钢管冷却设备具有更好的调节性和灵活度。

斜缝喷嘴单元的设计特点，引导水流既有沿钢管壁周向喷射形成内切圆的趋势，同时具有与钢管运行方向相同的向前或向后的趋势；两种特征相结合，最终形成喷射水流沿冷却钢管壁螺旋向前或向后的喷射形式，可很大程度减少钢管运行过程中由于相对运动造成的切水现象并进一步减少钢管头尾进水滞留的现象。

水流螺旋向前或向后的喷射形式和斜缝式喷射特点，使本发明提出的一种超快速淬火冷却装置与一般冷却装置的喷嘴出水量相比，出水量更大，可以使较大量的喷射水流以一定的角度沿钢管运行方向将一定压力的水螺旋式喷射到钢管表面，可以充分将钢管表面的残存水与钢管之间形成的蒸气膜打破，从而达到钢管与冷却水之间的完全接触，全面实现核沸腾。本发明提出的一种超快速淬火冷却装置能够极大的提高钢管的冷却效率，实现钢管的超快速冷却，极大的提高钢管周向和轴向温度的均匀性，减少由于冷却不均造成的钢管弯曲变形；并且，螺旋向前或向后的喷射特点保证了喷射水流沿钢管壁流经长度相对较长，水流能够被充分利用，很大程度上节约了生产成本。

附图说明

图1为本发明的钢管超快速淬火冷却装置的结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为图1的左视图；

图中，1—压紧螺栓；2—螺母；3—螺栓；4—垫圈；5—第一O型密封圈；6—第二O型密封圈；7—第三O型密封圈；8—第一压紧板；9—第二压紧板；10—进水口；11—斜缝喷嘴单元；12—第四O型密封圈；13—导水板；14—导水柱；15—外壳；16—冷却水层；17—螺纹；18—稳流层壁板；19—通孔；20—斜缝喷嘴；21—喷嘴调节套板；22—钢管；23—内切圆；24—侧封板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1～3所示，一种钢管超快速淬火冷却装置，为圆筒形结构，包括具有进水口10的外壳15，在外壳15内设置有若干斜缝喷嘴单元11。本实施例采用6个斜缝喷嘴单元11，即水流会从六道斜缝喷嘴20中喷出，喷出的水流具有与冷却钢管22运行方向相同的向前或向后的趋势，沿冷却钢管22壁螺旋向前或向后喷射。通过若干压紧螺栓1和螺母2将第一压紧板8和第二压紧板9与6个斜缝喷嘴单元11并排紧密压靠在一起，并通过若干螺栓3和垫圈4将第一压紧板8与外壳15固定在一起。所述外壳15的中部周向对称均匀设有3个进水口10，进水口10与外部供水管道相连，当外部供水时，水流通过3个进水口10均匀的充满整个冷却水层16。在外壳15与斜缝喷嘴单元11之间留有间隙，所述间隙为冷却水层16；所述斜缝喷嘴单元11为具有一定高度和厚度的圆环形结构，其由外向内依次由导水板13、稳流层壁板18和喷嘴调节套板21组成；所述导水板13的圆周上均匀分布有若干空心导水柱14，每个导水柱14的中心线与导水柱14中心和圆环形导水板13中心的连线成一定角度，所述角度大小相等，且每个导水柱14的倾斜方向相同，保证了所有导水柱14喷水方向的延长线相交成一个内切圆，并且该内切圆的直径小于或等于冷却钢管22的直径；所述稳流层壁板18形成的内腔为外宽内窄的漏斗形，可以延长水流在该内腔的停留时间，并且辅助高速旋转的紊流向稳流状态过渡。所述喷嘴调节套板21为圆环形，喷嘴调节套板21的中间间隙为斜缝喷嘴20即出水口，其为周向的斜缝形状，由外向内宽度逐渐变小，倾斜缝隙的延长线与斜缝喷嘴单元11的圆环形内腔的轴线成一定角度，使喷射的水流具有与冷却钢管22运行方向相同的向前或向后的趋势。当本发明由多组斜缝喷嘴单元11组成时，相邻斜缝喷嘴单元11的导水柱14周向分布时相互错开一定的距离，以保证多组斜缝喷嘴单元11共同作用时喷射到钢管壁的水流分布更加均匀。

所述每个导水柱14的中心线与导水柱14中心和圆环形导水板13中心的连线成一定角度，其角度范围为15°。所述倾斜缝隙的延长线与斜缝喷嘴单元11的圆环形内腔的轴线成一定角度，所述角度的范围为75°。

另外，斜缝喷嘴单元11的布置可以依据实际情况相互间隔一定的距离，这样更有利于喷射水流沿冷却钢管22呈螺旋向前或向后喷射形式，实现钢管22的超快速冷却。

所述外壳15的一端通过具有通孔19的侧封板24固定，另一端由第一压紧板8和第二压紧板9固定，所述斜缝喷嘴单元11通过第一压紧板8和第二压紧板9紧密压靠在一起。

所述导水板13和稳流层壁板18通过焊接点连接在一起。

稳流层壁板18与喷嘴调节套板21之间为螺纹17连接，通过该螺纹17可调节斜缝喷嘴单元11的斜缝喷嘴20的宽度，以此调节斜缝喷嘴20喷射水流的薄厚，以便得到理想的出水效果和出水流量，对比其他钢管冷却设备具有更好的调节性和灵活度。

为了更好的实现密封和消除机械间隙，所述稳流层壁板18与喷嘴调节套板21经由第三O型密封圈7压靠在一起；在所述斜缝喷嘴单元11之间设置有第四O型密封圈12；在所述第二压紧板9与外壳15之间设置有第一O型密封圈5，在所述第二压紧板9与斜缝喷嘴单元11之间设置有第二O型密封圈6。

斜缝喷嘴单元11的设计特点，引导水流既有沿钢管壁周向喷射形成内切圆23的趋势，同时具有与钢管22运行方向相同的向前或向后的流动特点；两种特征相结合，最终形成喷射水流沿冷却钢管壁螺旋向前或向后的喷射形式，可很大程度减少钢管运行过程中由于相对运动造成的切水现象和并进一步减少钢管头尾进水滞留的现象。

总结水流在本发明的一种超快速淬火冷却装置中的流经过程和流出形式为：具有一定压力的水流通过外部供水管道经由本发明的外壳15进水口10均匀的充满整个冷却水层16，通过斜缝喷嘴单元11导水板13的空心导水柱14进入稳流层壁板18形成的内腔内，累计瞬时的出水量后从斜缝喷嘴20中以螺旋向前或向后的喷射方式沿冷却钢管22壁喷射出，并喷射出的水流具有与冷却钢管22运行方向相同的向前或向后的趋势。

Claims (7)

1.一种钢管超快速淬火冷却装置，其特征在于包括具有进水口的外壳，在外壳内设置有若干斜缝喷嘴单元，斜缝喷嘴单元并排压靠在一起，在外壳与斜缝喷嘴单元之间留有间隙，所述间隙为冷却水层；所述斜缝喷嘴单元为圆环形结构，其由外向内依次由导水板、稳流层壁板和喷嘴调节套板组成；所述导水板的圆周上均匀分布有若干导水柱，每个导水柱的中心线与导水柱中心和圆环形导水板中心的连线成一定角度，且每个导水柱的倾斜角度一致，所有导水柱喷水方向的延长线相交成一个内切圆，并且该内切圆的直径小于或等于冷却钢管的直径，相邻斜缝喷嘴单元的导水柱相互错开；所述稳流层壁板形成的内腔为外宽内窄的漏斗形；所述喷嘴调节套板为圆环形，喷嘴调节套板的中间间隙为斜缝喷嘴，斜缝喷嘴为倾斜的缝隙，其由外向内宽度逐渐变小，倾斜缝隙的延长线与斜缝喷嘴单元的圆环形内腔的轴线成一定角度。

2.根据权利要求1所述的一种钢管超快速淬火冷却装置，其特征在于所述每个导水柱的中心线与导水柱中心和圆环形导水板中心的连线成一定角度，所述角度的范围为0～90°。

3.根据权利要求2所述的一种钢管超快速淬火冷却装置，其特征在于所述每个导水柱的中心线与导水柱中心和圆环形导水板中心的连线成一定角度，所述角度的范围为15°。

4.根据权利要求1所述的一种钢管超快速淬火冷却装置，其特征在于所述倾斜缝隙的延长线与斜缝喷嘴单元的圆环形内腔的轴线成一定角度，所述角度的范围为0～180°。

5.根据权利要求4所述的一种钢管超快速淬火冷却装置，其特征在于所述倾斜缝隙的延长线与斜缝喷嘴单元的圆环形内腔的轴线成一定角度，所述角度的范围为75°。

6.根据权利要求1所述的一种钢管超快速淬火冷却装置，其特征在于所述外壳的一端通过具有通孔的侧封板固定，另一端由第一压紧板和第二压紧板固定，所述斜缝喷嘴单元通过第一压紧板和第二压紧板紧密压靠在一起。

7.根据权利要求6所述的一种钢管超快速淬火冷却装置，其特征在于所述第一压紧板通过螺栓固定在外壳上，在外壳与螺栓之间设置有垫圈；在所述第一压紧板上设置有压紧螺栓和螺母，压紧螺栓的端部与第二压紧板相接触。

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