CN106391734A - 一种用于热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种用于热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置，属于轧钢设备领域。包括两个冷却区：即分段阶梯型冷却区和快冷区；还包括与分段阶梯型冷却装置相连接的配套集成系统。其中分段阶梯型冷却区由4段的10～25组水雾汽化冷却喷嘴和水雾强化喷嘴构成的降温‑返温阶梯型冷却段，水雾汽化冷却喷嘴和水雾强化喷嘴间隔分布，距离控制在20～240mm，根据轧制速度和温度进行调整；快冷区由1～2段快冷型紊流管冷却器组成；钢筋依次穿过分段阶梯型冷却区和快冷区，同时由配套集成系统来进行各个工艺参数的调节和控制。优点在于，达到改善表面氧化铁皮的形貌、结构和完整性，实现在销售周期内延缓生锈和改善显微组织结构的目标。

Description

一种用于热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置

技术领域

本发明属于轧钢设备技术领域，特别是提供了一种用于热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置。这种水雾汽化冷却装置充分利用水雾气化冷却和穿水冷却工艺的优点，在不同冷却段分别利用水的相变汽化潜热Δhv＝540cal/g和水的比热Cp＝1cal/g℃的基本原理，采用分段阶梯式加速冷却方法，为热轧高强度钢筋提供了一种有效的相变强化和控制冷却装置。

背景技术

目前国内外热轧带肋钢筋的轧后冷却设备主要是穿水管，均采用和借鉴比利时冶金研究所CRM在70年代开发的Tempcore穿水冷却技术，通过大水量的快速冷却短时间内带走热量，并利用钢材芯部(Core)的余热对表层淬火马氏体进行回火(Tempering)，在钢筋截面的表层获得回火马氏体环，而心部获得铁素体－珠光体－贝氏体，这种复合组织显著提高了钢筋在全尺寸拉伸条件下的整体屈服强度和抗拉强度水平，用于生产屈服强度YS415、460和500MPa级热轧高强度钢筋。由于穿水管存在水封，冷却段最短长度受限制，导致冷却路径不灵活，只能一冷到底，表面温度极易低于马氏体点，且表面受水的膜沸腾的影响心部的冷速受限。另外采用穿水工艺生产的钢筋，虽然合金添加量大幅减少，但是存在穿水后马氏体环焊接软化和穿水后表面红锈的问题，其抗锈蚀性能差，严重影响后续的使用，用户甚至提出退货或者降价销售的要求，尤其是出口国外的钢筋对表面质量要求更严格。同时国内钢筋主要以焊接为主，重点工程及大中型工程都严格要求不允许出现马氏体组织。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置。采用水雾气化喷嘴和水雾强化喷嘴分组分段的阶梯型加速冷却方式，在不同冷却段分别利用水的相变汽化潜热Δhv＝540cal/g和水的比热Cp＝1cal/g℃的基本原理，通过控制水雾粒度分布来提高水雾汽化冷却在混合冷却机制(包括接触传热冷却、膜沸腾冷却和汽化冷却)中的比例和换热效率，拓宽了传统水雾冷却能力的范围；通过控制热轧棒线材表面冷却速度来控制晶粒细化与贝氏体转变，在避免传统穿水冷却导致马氏体环形成的前提下，提高棒线材的强塑性以及强屈比的同时缓解钢筋表面红锈Fe₂O₃的生成。

本发明包括两个冷却区：即分段阶梯型冷却区和快冷区；还包括与分段阶梯型冷却装置相连接的配套集成系统。其中分段阶梯型冷却区由4～6段(每段长度根据冷却线长度进行调整)的10～25组水雾汽化冷却喷嘴和水雾强化喷嘴构成的降温-返温阶梯型冷却段，水雾汽化冷却喷嘴和水雾强化喷嘴间隔分布，距离控制在20～240mm，根据轧制速度和温度进行调整；快冷区由1～2段快冷型紊流管冷却器组成；钢筋依次穿过分段阶梯型冷却区和快冷区，同时由配套集成系统来进行各个工艺参数的调节和控制。所述的配套集成系统由阀架系统和在线控制系统组成，其中两个冷却区所需的水路气路流量、压力的供应由阀架系统来提供。工艺信号和参数的反馈及调节由在线控制系统来完成。

所述用于热轧高强度钢筋的水雾汽化冷却喷嘴由快换接头1、进水口2、进气口3、混合腔4、雾化腔5、水雾喷头6组成，按先后顺序依次连接，经配套集成系统中的双联通式过滤器过滤后的浊环水依次通过快接接头1和进水口2进入混合腔4，压缩空气依次通过快接接头1和进气口3进入混合腔4，然后依次进入雾化腔5、水雾喷头6后射向钢筋表面。通过调节水压、水量、气压、气量控制水雾粒度分布，为汽化冷却提供所需的水雾粒度范围。

本发明所述用于热轧高强度钢筋的水雾强化喷嘴由进水口11、环形水管12、水雾强化喷头13组成，按先后顺序依次连接，通过调节水压、水量、钢筋表面的距离、喷射角度等控制水滴粒度分布，为进一步汽化冷却提供所需的水滴粒度范围。

本发明所述用于热轧高强度钢筋的快冷区的快冷型紊流管冷却器由进水口101、水封102、可变角度的紊流管103、水封104、泄水阀105、循环水管106、气封107组成，按先后顺序依次连接，通过调节水压、水量，为实现二次快速冷却提供所需的水量，同时抑制钢筋表面产生的气膜，进一步提高换热效率。

本发明所述的阀架系统由供水阀架系统和供气阀架系统组成，其中，供水阀架系统由水管道21、双联通式过滤器22、调节阀门23、压力表24、流量计25按先后顺序依次连接组成；供气阀架系统由气管道31、储气罐32、调节阀门33、压力表34、流量计35按先后顺序依次连接组成。主要是为控制界面提供传输信号、气路和水路所需的流量、压力、汽水比等。

本发明所述的在线控制系统由红外测温仪41、远程信号仪表42、PLC可编程控制器43、计算机(含显示器)44、工艺控制软件界面程序45、力学性能预报模型46组成，按先后顺序依次连接。采用PLC可编程控制器43所编写的“热轧钢筋水雾汽化分段阶梯型冷却工艺控制”软件程序和控制界面45，通过对水雾汽化冷却装置阀架系统的水路压力、水路流量、气路压力、气路流量、汽水比以及水雾强化喷嘴的水压、流量和快冷型紊流管冷却器的水压、流量等远程信号42的采集，集中显示在控制界面45上，并通过工艺控制软件采集的红外测温仪41的温度信号(分阶段冷却入口温度T1、出口温度T2、上冷床返温温度T3)与目标温度进行对比，同时根据力学性能预报模型预测的力学性能进行相关工艺调整，然后通过远程信号来调整阀门开口度，进行在线流量、压力、汽水比的调节，从而获得所需的控制冷却工艺参数和力学性能。

本发明所述的水雾汽化冷却装置，根据在原有水雾汽化冷却装置上进行优化，增加了水雾强化喷嘴、快冷区的快冷型紊流管冷却器，同时优化了工艺控制软件，为现场轧钢机组获得高强度钢筋的显微组织、力学性能和延缓生锈提供设备支持和所需的工艺窗口。

本发明的优点及创新点在于：

(1)通过分段阶梯型冷却装置来实施钢筋的分段阶梯型冷却工艺，实现降温-返温-降温-返温循环的冷却过程，用小范围内不断降温-返温-降温-返温的衰减式锯齿形冷却方式，来代替常规穿水工艺的一次性冷却方式，逐步缩小表面和心部的温差；

(2)在原有水雾气化冷却设备纯水雾的基础上根据轧制温度和轧制速度进行工艺布置调整，增加可消除表面高速气流层膜的水雾强化喷嘴，通过水雾强化喷嘴内水滴的二次雾化，进一步提供强化水雾汽化冷却所需的水雾粒度，实现工艺的精细控制，进而达到改善表面氧化铁皮的形貌、结构和完整性，实现在销售周期内延缓生锈和改善显微组织结构的目标。

(3)在原有水雾气化冷却设备纯水雾的基础上增加快冷区的快冷型紊流管冷却器，通过调整压力、流量和紊流角度实现快速冷却，进而达到改善表面氧化铁皮的形貌、结构和完整性，实现在销售周期内进一步延缓生锈和改善显微组织结构的目标。

总之，本发明采用水雾气化喷嘴和水雾强化喷嘴分组分段的阶梯型加速冷却方式，通过控制热轧棒线材表面冷却速度来控制晶粒细化与贝氏体转变，在避免传统穿水冷却导致马氏体环形成的前提下，显著提高了热轧钢筋的强度，并获得了所需的伸长率、强屈比和抗震性能，降低了合金含量和新水消耗量，同时抑制了穿水冷却造成的钢筋表面红锈的生成。

附图说明

图1是本发明的用于热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置的整体结构示意图。

图2是本发明的用于热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置的阀架系统图，其中水管道21、双联通式过滤器22、调节阀门23、压力表24、流量计25，气管道31、储气罐32、调节阀门33、压力表34、流量计35。

图3是本发明的用于热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置的在线控制系统图，其中红外测温仪41、远程信号仪表42、PLC可编程控制器43、计算机(含显示器)44、工艺控制软件界面程序45、力学性能预报模型46。

图4是本发明的用于热轧钢筋的分段阶梯型冷却设备阶梯型冷却区的单元结构示意图。

图5是本发明的阶梯型冷却区的水雾气化喷嘴示意图。其中，快换接头1、进水口2、进气口3、混合腔4、雾化腔5、水雾喷头6。

图6是本发明的阶梯型冷却区的水雾强化喷嘴示意图。其中11-进水口、12-环形水管、13-水雾强化喷头。

图7是本发明的用于热轧高强度钢筋的水雾汽化冷却装置快冷区的结构示意图。其中进水口101、水封102、可变角度的紊流管103、水封104、泄水阀105、循环水管106、气封107。

具体实施方式

为说明本发明的用于一种热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置的具体实施方式，下面结合附图1－7，就其基本原理、技术特征、实际运行和调节方法阐明如下。

如图1所示，本发明的热轧高强度钢筋分段阶梯型冷却装置，主要由分段阶梯型冷却区和快冷区构成。其中分段阶梯型冷却区由4段的15组水雾汽化冷却喷嘴和水雾强化喷嘴构成的降温-返温阶梯型冷却段，水雾汽化冷却喷嘴和水雾强化喷嘴间隔分布；快冷区由2段快冷型紊流管冷却器组成；钢筋依次穿过分段阶梯型冷却区和快冷区，同时由配套集成系统来进行各个工艺参数的调节和控制。其中两个冷却区所需的水路气路流量压力的供应由配套集成系统的阀架系统来提供。工艺信号和参数的反馈及调节由配套集成系统的在线控制系统来完成。

如图2所示，本发明的阀架系统包括由水管道21、双联通式过滤器22、调节阀门23、压力表24、流量计25依次排列组成的供水阀架系统；由气管道31、储气罐32、调节阀门33、压力表34、流量计35依次排列组成的供气阀架系统；主要是为控制界面提供传输信号和气路和水路所需的流量、压力、汽水比，可以根据工艺需要实现切断气路或水路、不同开口度下的水量、气量、水压、气压的调节等功能。

如图3所示，计算机在线控制系统由红外测温仪41、远程信号仪表42、PLC可编程控制器43、显示器44、工艺控制软件界面程序45、力学性能预报模型46依次组成。采用可编程控制器PLC所编写的“热轧钢筋水雾汽化分段阶梯型冷却工艺控制”软件程序和控制界面，通过对水雾汽化冷却喷嘴的水路压力、流量、气路压力、流量、汽水比；水雾强化喷嘴的水压、流量和快冷型紊流管冷却器的水压、流量信号以及分阶段冷却入口温度T1、出口温度T2、上冷床返温温度T3的采集，集中显示在控制界面上。

在调节过程中，首先将阀架系统的供水和供气的压力和流量设置在调节范围的中限，同时检查供水和供气的压力表和流量计表盘读数与计算机操作界面显示读数是否准确一致，并在稳定达到设定的水气压力/流量工艺参数要求后，开始对热轧钢筋进行在线分段阶梯型快速冷却，并实时记录各段温度。通过工艺控制软件采集的分阶段冷却入口温度T1、出口温度T2、上冷床返温温度T3与目标温度进行对比，然后调整阀门开口度来进行流量、压力、汽水比的调节，获得所需的控制冷却工艺窗口。

如图4的分段阶梯型冷却装置阶梯型冷却区的单元结构示意图所示，水雾汽化冷却喷嘴和水雾强化喷嘴间隔分布，距离可调节范围控制在20～240mm，根据轧制速度和目标温度进行调整，也可以通过调节冷却路径来实现不同的冷却工艺。

如图5的水雾气化冷却喷嘴所示，由快换接头1、进水口2、进气口3、混合腔4、雾化腔5、水雾喷头6按顺序依次组成。水依次通过快接接头1和进水口2进入混合腔4，压缩空气依次通过快接接头1和进气口3进入混合腔4，然后依次进入雾化腔5、水雾喷头6后射向钢筋表面。在上述调节各冷却段的水压、水量、气压、气量的过程中，主要根据本发明水雾汽化冷却喷嘴的结构和功能特性进行操作，在一定压力和流量范围内，换热量随水雾流量增加；当有效流量超过一定值以后，换热量不再随流量增加。这与水雾粒度分布的变化密切相关。在水流量过大和水雾粒度过大的条件下，热轧钢筋的螺纹沟槽内会存有不能立即汽化蒸发的水滴，甚至局部覆盖的液体膜，降低水雾汽化冷却的比例和换热效率。

如图6的水雾强化冷却喷嘴所示，由进水口11、环形水管12、水雾强化喷头13按先后顺序连接后组成，通过调节水压、水量、钢筋表面的距离、喷射角度等控制水滴粒度分布，为进一步汽化冷却提供所需的水滴粒度范围。在上述调节过程中，主要是防止局部的高速气流层形成的液体膜，从而提高水雾汽化冷却的比例和换热效率。

如图7的热轧高强度钢筋的水雾汽化冷却装置快冷区的结构示意图所示，由进水口101、水封102、可变角度的紊流管103、水封104、泄水阀105、循环水管106、气封107按先后顺序依次连接组成，通过调节水压、水量，为实现二次快速冷却提供所需的水量，同时抑制钢筋表面产生的气膜，进一步提高换热效率。

本发明在原有水雾汽化冷却装置上进行优化，尤其是增加了水雾强化喷嘴和快冷区的快冷型紊流管冷却器，结合适度冷却的思想，从而在现场轧钢机组上利用分段冷却设备来获得高性能和延缓生锈钢筋提所需的工艺窗口，实现降成本和提性能的目标。

Claims (4)

1.一种用于热轧高强度钢筋的分段阶梯型冷却装置，其特征在于，包括两个冷却区：即分段阶梯型冷却区和快冷区；还包括与分段阶梯型冷却装置相连接的配套集成系统；其中，分段阶梯型冷却区由4～6段的10～25组水雾汽化冷却喷嘴和水雾强化喷嘴构成的降温-返温阶梯型冷却段，水雾汽化冷却喷嘴和水雾强化喷嘴间隔分布，距离控制在20～240mm；快冷区由1～2段快冷型紊流管冷却器组成；钢筋依次穿过两个冷却区，同时由配套集成系统来进行各个工艺参数的调节和控制；所述的配套集成系统由阀架系统和在线控制系统组成；其中，两个冷却区所需的水路气路流量、压力的供应由阀架系统来提供；工艺信号和参数的反馈及调节由在线控制系统来完成；

所述的水雾汽化冷却喷嘴由快换接头(1)、进水口(2)、进气口(3)、混合腔(4)、雾化腔(5)、水雾喷头(6)组成，按先后顺序依次连接，水依次通过快接接头(1)和进水口(2)进入混合腔(4)，压缩空气依次通过快接接头(1)和进气口(3)进入混合腔(4)，然后依次进入雾化腔(5)、水雾喷头(6)后射向钢筋表面；通过调节水压、水量、气压、气量控制水雾粒度分布，为汽化冷却提供所需的水雾粒度范围；

所述的水雾强化喷嘴由进水口(11)、环形水管(12)、水雾强化喷头(13)组成，按先后顺序依次连接，通过调节水压、水量、钢筋表面的距离、喷射角度控制水滴粒度分布，为进一步汽化冷却提供所需的水滴粒度范围。

2.根据权利要求1所述的分段阶梯型冷却装置，其特征在于，所述的快冷区的快冷型紊流管冷却器由进水口(101)、水封(102)、可变角度的紊流管(103)、水封(104)、泄水阀(105)、循环水管(106)、气封(107)组成，按先后顺序依次连接；通过调节水压、水量，为实现二次快速冷却提供所需的水量，同时抑制钢筋表面产生的气膜，进一步提高换热效率。

3.根据权利要求1所述的分段阶梯型冷却装置，其特征在于，所述的阀架系统包括供水阀架系统和供气阀架系统，其中，供水阀架系统由水管道(21)、双联通式过滤器(22)、调节阀门(23)、压力表(24)、流量计(25)按顺序依次排列组成；供气阀架系统由气管道(31)、储气罐(32)、调节阀门(33)、压力表(34)、流量计(35)按顺序依次排列组成；为控制界面提供传输信号和气路和水路所需的流量、压力、汽水比。

4.根据权利要求3所述的分段阶梯型冷却装置，其特征在于，所述的在线控制系统由红外测温仪(41)、远程信号仪表(42)、PLC可编程控制器(43)、计算机含显示器(44)、工艺控制软件界面程序(45)、力学性能预报模型(46)按顺序依次连接组成。