CN104017975B - 一种长尺钢轨在线淬火机组的喷射冷却装置 - Google Patents

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一种长尺钢轨在线淬火机组的喷射冷却装置，包括在75～125m长的淬火机组内从前到后分段布置的强冷却区和弱冷却区，淬火机组前部长1/3～1/2区间为强冷却区，采用喷雾水雾方式；后部1/2～2/3区间为弱冷却区，采用喷气空气或喷吹已经预先在通风管道总管或支管内加湿的压缩空气的方式，每个冷却段长1.2～4.5m与辊道及矫直导向辊的间距相适配，每个冷却段均由4个冷却单元组成；对钢轨A轨头的端面和两侧面进行冷却淬火；在钢轨A下方，同时对轨底进行相应的喷射冷却，目的是为了平衡轨头淬火时因收缩和相变引起的钢轨变形，使钢轨在淬火过程中尽可能保持平直状态，减少残余应力，本发明可以在较大的范围内有效控制钢轨的组织和性能，以便达到最好的热处理效果。

Description

一种长尺钢轨在线淬火机组的喷射冷却装置
技术领域
本发明属于冶金设备技术领域，针对钢轨在线余热淬火处理，特别涉及一种长尺75～125m钢轨在线淬火机组的冷却装置。
背景技术
在铁路运输上采用经过热处理的钢轨，其寿命是普通热轧钢轨的2～3倍，经济、社会意义巨大。随着铁路向高速、重载方向发展，对钢轨性能、质量的要求愈来愈高，长尺钢轨在线淬火将成为今后钢轨生产的主要热处理方式。
按钢轨在线淬火时采用的冷却介质和方式，目前可分“间断喷水”、“喷雾”和“喷气”三种热处理方式。“间断喷水”和“喷雾”方法的优点是冷却速度快5～15℃/sec、运行成本低；缺点是工作过程稳定性差，喷嘴难免发生堵塞，造成冷却不均匀，而且不能精确控制冷却过程，轨头有时出现异常组织如马氏体，致钢轨报废。“喷气”是当前主流的淬火方式，冷却均匀，质量稳定，适用于一些微合金化和低合金钢轨的热处理，由于它的冷却较弱，调节范围小1.5～5℃/sec，不适合标准碳素钢轨和一些高级优质钢轨的淬火；另外“喷气”冷却淬火还存在噪音大、耗能高、处理成本高等缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种长尺钢轨在线淬火机组的喷射冷却装置，为长尺75～125m钢轨在线余热欠速淬火SlackQuenching机组提供一种冷却速度调节范围0.6～42℃/sec，冷却均匀，能在40-125sec内满足不同牌号钢种和不同尺寸规格、轨型钢轨的各种热处理工艺要求的喷射冷却。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种长尺钢轨在线淬火机组的喷射冷却装置，包括在75～125m长的淬火机组内从前到后分段布置的强冷却区和弱冷却区，淬火机组前部长1/3～1/2区间为强冷却区；后部1/2～2/3区间为弱冷却区，每个冷却段长1.2～4.5m，与辊道及矫直牵引辊的间距相适配，每个冷却段均由4个冷却单元组成；
所述的强冷却区的四个冷却单元包括垂直布置在钢轨A正上方的第一强冷却单元1、钢轨A上方左右对称设置的两个第二强冷却单元2以及钢轨A正下方的第三强冷却单元3，第一强冷却单元1和支撑第二强冷却单元2的摆动座6前后用螺栓固定在支架4上，摆动座6能够沿支架4的斜面上下移动，第二强冷却单元2能够在摆动座6上转动，支架4固定在淬火机组两侧的立柱上或矫直牵引辊的机架B上，连接处设有垫块7，第三冷却单元3固定在连接淬火机组左右两侧底座D的横梁C上，四个冷却单元下面均设有垫板5，淬火机组两侧的立柱上或矫直牵引辊的机架B上还设置有挡水板8，挡水板8在钢轨A的左右两侧；
所述的弱冷却区四个冷却单元包括第一弱冷却单元9、对称设置的第二弱冷却单元10以及第三弱冷却单元11，弱冷却区四个冷却单元与强冷却区的四个冷却单元布置方式相同，不同点在于不设置挡水板8。
所述的强冷却区的四个冷却单元结构相同，所述的第一强冷却单元1包括两个快速更换管接头，第一快速更换管接头1.aW通水，第二快速更换管接头1.aA通气，两个快速更换管接头与喷冷管道1.b相连通，喷冷管道1.b通过紧顶螺栓1.f以及“o”型密封圈1.e连通接管1.c，雾化水嘴1.d安装在喷冷管道1.b的喷水支管前端，接管1.c的末端通过螺母1.h连接喷头1.g，喷头1.g到钢轨A轨头的距离为50～150mm。
所述的挡水板8左右对称布置，包括挡板8.a，挡板8.a通过第三销轴8.d与支座8.g连接，挡板8.a一侧上部还设置有第一销轴8.b，第一销轴8.b通过拉杆8.e与支座8.g上的第二销轴8.c固定，拉杆8.e由左右旋螺母8.f调整其长度。
所述的弱冷却区四个冷却单元横剖面结构相同，但大小尺寸和喷头性能不同，所述的第一弱冷却单元9包括喷风管道9.a，喷风管道9.a末端通过螺母9.c连接喷嘴9.b，喷嘴9.b到轨头距离40～140mm，最佳距离为70～110mm。
本发明的特点是：
1在淬火机组全长75～125m范围内，对需要较强冷却的前面长约1/3～1/2区间，采用喷雾水雾冷却；对需要弱冷的后部长约1/2～2/3区间采用喷气空气或喷吹已经预先在通风管道总管或支管内加湿的压缩空气进行冷却淬火。
2强冷喷雾区的水路可以部分或全部关闭，使淬火机组扩大或全部变为弱冷喷气冷却，因此它为钢轨的在线淬火提供了灵活多样的冷却控制手段，可以在较大的范围内有效控制钢轨的组织和性能，以便达到最好的热处理效果。
附图说明
图1为淬火机组弱冷却区横剖面。
图2为第一强冷却单元1横剖面。
图3为第一强冷却单元1侧视图。
图4为挡水板8横剖面。
图5为淬火机组喷风弱冷却区横剖面。
图6为冷却单元9横剖面示意图。
图7为钢轨不同冷却速度时的组织转变图。
图8为强冷却区喷嘴喷射面积和宽度随喷嘴长轴中心线的角度α的变化示意图。
图9为弱冷却区喷嘴喷射面积和宽度随喷嘴长轴中心线的角度α的变化示意图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
一种长尺钢轨在线淬火机组的喷射冷却装置，包括在75～125m长的淬火机组内从前到后分段布置的强冷却区和弱冷却区，淬火机组前部长1/3～1/2区间为强冷却区，采用喷雾(水雾)方式；后部1/2～2/3区间为弱冷却区，采用喷吹空气或喷吹已经预先在通风管道总管或支管内加湿的压缩空气的方式，每个冷却段长1.2～4.5m与辊道及矫直牵引辊的间距相适配，每个冷却段均由4个冷却单元组成；对钢轨A轨头的端面和两侧面进行冷却淬火；在钢轨A下方，同时对轨底进行相应的喷射冷却，目的是为了平衡轨头淬火时因收缩和相变引起的钢轨变形，使钢轨在淬火过程中尽可能保持平直状态，减少残余应力。
参照图1，所述的强冷却区的四个冷却单元包括垂直布置在钢轨A正上方的第一强冷却单元1、钢轨A上方左右对称设置的两个第二强冷却单元2以及钢轨A正下方的第三强冷却单元3，第一强冷却单元1和支撑第二强冷却单元2的摆动座6前后用螺栓固定在支架4上，固定摆动座6的螺栓孔是长孔，摆动座6能够沿支架4的斜面上下移动，第二强冷却单元2能够在摆动座6上转动一定角度并加以固定。支架4前后用螺栓固定在淬火机组两侧的立柱上或矫直牵引辊的机架B上，连接处设有垫块7，第三冷却单元3固定在连接淬火机组左右两侧底座D的横梁C上，四个冷却单元下面均设有垫板5，淬火机组两侧的立柱上或矫直牵引辊的机架B上还设置有挡水板8，挡水板8在钢轨A的左右两侧。
参照图5，所述的弱冷却区四个冷却单元包括第一弱冷却单元9、对称设置的第二弱冷却单元10以及第三弱冷却单元11，弱冷却区四个冷却单元与强冷却区的四个冷却单元布置方式相同，不同点在于不设置挡水板8。第一弱冷却单元9以及对称设置的第二弱冷却单元10用螺栓固定在第二支架12上；其中固定第二弱冷却单元10的螺栓孔是长孔，第一弱冷却单元9以及对称设置的第二弱冷却单元10下部设置有第二垫板13，通过第二垫板13可以调整第一弱冷却单元9、第二弱冷却单元10的高度，其中第二弱冷却单元10到轨头两侧的距离也可以调整；第二支架12前后用螺栓固定在淬火机组两侧的立柱或机架B上；第三弱冷却单元11用螺栓固定在连接淬火机组左右底座D的横梁C上，通过第二垫板13可以调整其到轨底的距离。第一弱冷却单元9、对称设置的第二弱冷却单元10的喷嘴以一定间距沿淬火机组纵向交错排列，冷却风量最大按1600Nm3/h﹒m分配。
参照图2，所述的强冷却区的四个冷却单元结构相同，所述的第一强冷却单元1包括两个快速更换管接头，第一快速更换管接头1.aW通水，第二快速更换管接头1.aA通气，两个快速更换管接头与喷冷管道1.b相连通，喷冷管道1.b通过紧顶螺栓1.f以及“o”型密封圈1.e连通接管1.c，雾化水嘴1.d安装在喷冷管道1.b的喷水支管前端，接管1.c的末端通过螺母1.h连接喷头1.g，喷头1.g到钢轨A轨头的距离为50～150mm。
参照图3，第一强冷却单元1的喷头1.g和第二强冷却单元的喷头以一定间距沿淬火机组纵向交错排列。第二强冷却单元2和第三强冷却单元3的横剖面管路结构与冷却单元1相同，但其大小尺寸和喷头性能有所不同。接管1.c可伸缩、转动；还可取下以检查或更换雾化水嘴1.d；自带过滤器的雾化水嘴1.d通过螺纹装在喷水支管上，雾化水嘴有流量大小不同的规格2l/h～100l/h，通过选用不同规格的雾化水嘴和改变水压、气压，轨头的冷却速度可在6～42℃范围内调节；当关闭水路时，也可单独喷气或喷吹已经预先在通风管道总管或支管内加湿的压缩空气冷却，这时轨头的冷却速度可在0.6～8℃范围内调节。
参照图4，所述的挡水板8左右对称布置，包括挡板8.a，挡板8.a通过第三销轴8.d与支座8.g连接，挡板8.a一侧上部还设置有第一销轴8.b，第一销轴8.b通过拉杆8.e与支座8.g上的第二销轴8.c固定，拉杆8.e由左右旋螺母8.f调整其长度。挡板8.a前端距轨头下颚和轨腰保持一定距离。通过旋转螺母8.f使挡水板8摆动升降，可以适应不同尺寸规格的钢轨。
参照图6，所述的弱冷却区四个冷却单元横剖面结构相同，但大小尺寸和喷头性能不同，所述的第一弱冷却单元9包括喷风管道9.a，喷风管道9.a末端通过螺母9.c连接喷嘴9.b，喷嘴以一定间距交错排列，喷嘴9.b到轨头距离40～140mm，最佳距离为70～110mm。
参照图8，强冷却区的各个强冷却单元的雾化水嘴1.d等效直径不同，其特征是喷嘴喷口的形状可以是圆形、椭圆形或扁平状，相应的气或水雾的喷射面也是圆形、椭圆形或扁平状，通过改变喷嘴到轨头或轨底的距离，或改变扁状喷嘴长轴中心线的角度α，就能改变压缩空气或水雾喷射到钢轨轨头或轨底上的面积和宽度。
参照图9，弱冷却区的各个弱冷却单元的喷嘴9.b等效直径不同，喷口的形状可以是圆形、椭圆形或扁平状，相应的压缩空气的喷射面也是圆形、椭圆形或扁平状。通过变更喷嘴到轨头或轨底的距离，或者改变喷嘴长轴中心线的角度α就能改变压缩空气喷到轨头或轨底上的面积和宽度。
本发明的工作原理为：
1.淬火机组中的喷射冷却系统从前到后分区分段布置，每段长1.2～4.5m，与辊道及矫直牵引辊的间距相适配。每段由4个冷却单元组成，每个冷却单元的气、水管道通过软管和机外的气、水管路连接，几个冷却段相连组成一个气、水控制区，前部强冷却区和后部弱冷却区都分为若干个，整个淬火机组分为两个以上的冷却控制区。
根据对淬火机组进出口处钢轨轨头温度监测和计算机模型运算结果发出的指令，对各冷却控制区的气、水流量或压力进行自动控制和调节。另外，即使在同一控制区内各段的气、水流量也可因喷头和雾化水嘴的规格、性能不同而异，以适应钢轨在淬火机组内行进过程中，各个阶段不同的冷却速度要求。淬火机组前部1/3～1/2区间为强冷区，在水路关闭后也可像后部的弱冷区一样进行工作。因此淬火机组内前、后各冷却区的钢轨冷却速度可在很大范围内0.6-42℃/sec设定或调节，从而满足不同牌号钢种、不同规格钢轨的各种热处理要求。
2.强冷却区的第一强冷却单元1、第二强冷却单元2到钢轨A轨头的距离，第三强冷却单元3到钢轨A轨底的距离均可通过改变垫板5的厚度来调节；第一强冷却单元1、第二强冷却单元2也可通过改变垫块7的厚度随支架4整体升降，以适应不同的轨型、规格如50kg/m、75kg/m等钢轨的需要。另外，第一强冷却单元1、第二强冷却单元2和支架4也能预先在线外一起对钢轨A进行模拟对中，然后整体吊装到淬火机线上，简便省时。弱冷却区的各个弱冷却单元的安装与此同理。
3.在强冷却区第一强冷却单元1和第二强冷却单元2的冷却水首先经雾化水嘴1.d喷出雾化，然后在接管1.c内和压缩空气混合，并进一步雾化，再经喷嘴1.g喷出。雾化水嘴1.d有不同的规格，可在2l/h～100l/h范围内更换。
4.根据淬火机组自动控制系统的指令对各个控制区、段的风量和水量进行设定或调节，使轨头的冷却速度可在6～42℃/sec范围内改变。
5.当强冷却区的雾化水路段或全部关闭单供压缩空气时，淬火机组强弱冷却区长度可以改变，也可以实现钢轨的全程风冷。
6.弱冷却区的冷风用量最大为1600Nm3/h﹒m。若喷吹预先在通风管道总管或支管内加湿的压缩空气时，还可以节省大量的压缩空气，并大大降低噪音。这时的冷却速度调节范围为0.6～8℃/sec。
7.当采用圆形、椭圆形或扁平状的喷嘴喷口时，改变喷嘴长轴中心线的角度α就能改变水雾或压缩空气喷到轨头或轨底上的宽度。
本发明可以实现：1在淬火机组内分设前部喷雾强冷区和后部喷气弱冷区；2分段、分区实行水量和风量或水压和气压的自动控制；3喷雾强冷区水路可以关闭，单供压缩空气或预先加湿的压缩空气，实行钢轨的全程喷气弱冷。4冷却速度调节范围大，可达0.6～42℃/sec，因而适合各类钢种和不同规格、轨型的钢轨热处理。可使热轧钢轨在淬火机组内向前运动的过程中，按规定的冷却曲线图7中的A、B、C、D、E曲线进行冷却淬火，以获得希望的轨头组织如精细的珠光体和最好的机械性能强度、韧性和硬度。5如要生产短尺如10m、25m等淬火钢轨时，只需将经过在线淬火并矫直的长尺75m～25m钢轨按定尺进行锯切、加工钻孔即可。
同样的冷却装置和方式，只要相应缩短淬火机组长度，本发明还适用于25-125m的长钢轨的离线淬火处理。

Claims (3)

1.一种长尺钢轨在线淬火机组的喷射冷却装置，其特征在于，包括在75～125m长的淬火机组内从前到后分段布置的强冷却区和弱冷却区，淬火机组前部长1/3～1/2区间为强冷却区；后部1/2～2/3区间为弱冷却区，每个冷却段长1.2～4.5m与辊道及矫直牵引辊的间距相适配，每个冷却段均由4个冷却单元组成；
所述的强冷却区的四个冷却单元包括垂直布置在钢轨(A)正上方的第一强冷却单元(1)、钢轨(A)上方左右对称设置的两个第二强冷却单元(2)以及钢轨A正下方的第三强冷却单元(3)，第一强冷却单元(1)和支撑第二强冷却单元(2)的摆动座(6)前后用螺栓固定在支架(4)上，摆动座(6)能够沿支架(4)的斜面上下移动，第二强冷却单元(2)能够在摆动座(6)上转动，支架(4)固定在淬火机组两侧的立柱上或矫直牵引辊的机架(B)上，连接处设有垫块(7)，第三冷却单元(3)固定在连接淬火机组左右两侧底座(D)的横梁(C)上，四个冷却单元下面均设有垫板(5)，淬火机组两侧的立柱上或矫直牵引辊的机架(B)上还设置有挡水板(8)，挡水板(8)在钢轨(A)的左右两侧；
所述的弱冷却区四个冷却单元包括第一弱冷却单元(9)、对称设置的第二弱冷却单元(10)以及第三弱冷却单元(11)，弱冷却区四个冷却单元与强冷却区的四个冷却单元布置方式相同，不同点在于不设置挡水板(8)；
所述的强冷却区的四个冷却单元结构相同，所述的第一强冷却单元(1)包括两个快速更换管接头，第一快速更换管接头(1.aW)通水，第二快速更换管接头(1.aA)通气，两个快速更换管接头与喷冷管道(1.b)相连通，喷冷管道(1.b)通过紧顶螺栓(1.f)以及“o”型密封圈(1.e)连通接管(1.c)，雾化水嘴(1.d)安装在喷冷管道(1.b)的喷水支管前端，接管(1.c)的末端通过螺母(1.h)连接喷头(1.g)，喷头(1.g)到钢轨(A)轨头的距离为50～150mm；
所述的弱冷却区四个冷却单元结构相同，所述的第一弱冷却单元9包括喷风管道(9.a)，喷风管道(9.a)末端通过螺母(9.c)连接喷嘴(9.b)，喷嘴(9.b)到轨头距离40～140mm。
2.根据权利要求1所述的一种长尺钢轨在线淬火机组的喷射冷却装置，其特征在于，所述的挡水板8左右对称布置，包括挡板(8.a)，挡板(8.a)通过第三销轴(8.d)与支座(8.g)连接，挡板(8.a)一侧上部还设置有第一销轴(8.b)，第一销轴(8.b)通过拉杆(8.e)与支座(8.g)上的第二销轴(8.c)固定，拉杆(8.e)由左右旋螺母(8.f)调整其长度。
3.根据权利要求1所述的一种长尺钢轨在线淬火机组的喷射冷却装置，其特征在于，所述的喷嘴(9.b)到轨头距离为70～110mm。
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