CN112280962A - 一种钢管逐层冷却装置及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢管逐层冷却装置及方法；钢管逐层冷却装置包括气泵、冷却箱、计算机、焊管和圆筒运输机；在冷却箱内侧，测温及冷却装置设置在焊缝正上方；该装置左端为红外测温仪，上端的集气箱用于储存冷却气体，集气箱的下方设有分气腔；分气腔的一侧有与其对应的步进电机；计算机通过控制步进电机和丝杠的转动推动气腔挡板的滑动，实现对喷气孔的遮挡；气腔挡板的另一侧固连有弹簧，与弹簧相连的支撑板上设有压力传感器。本发明通过计算机与测温及冷却装置的联动，采用分层次、分区域的降温方法，提高焊缝热影响区域降温的均匀性，改善了冷却效果。

Description

一种钢管逐层冷却装置及冷却方法

技术领域

本发明涉及钢管生产领域，特别涉及一种直缝焊管焊缝热影响区域逐层冷却装置及冷却方法。

背景技术

钢管作为一种经济型断面钢材，广泛应用于制造机械零件和工程结构。钢管分为无缝钢管和焊接钢管(有缝管)两大类。直缝焊管是利用热轧或冷轧的钢带或钢板卷曲成型后焊接而成的钢管，钢管的焊接处呈一条直线。刚焊接成型的直缝焊管焊缝热影响区域的横截面处温度分布不均匀，温度场呈两侧对称的“沙漏”状。焊缝热影响区域的最高温度可达2000℃以上，需及时对该区域进行降温处理，以改善管材的力学性能，提高组织的均匀性。

目前直缝焊管在焊接完成后主要采用水冷和风冷两种冷却方式。水冷通常采用层流冷却和射流冷却技术对焊缝热影响区域进行强制冷却，该方式会使焊缝热影响区域冷却不均匀并出现局部相变强化作用，以至于失去产品的冲压性能。同时这种方式具有冷却速度慢和耗水量大等缺点。风冷即利用多个风机通过鼓风的方式对焊缝热影响区域进行冷却散热，由于该区域温度分布的不均匀性，难以经过一次降温冷却到相同目标温度。采用目前通用的直缝焊管冷却方法，冷却后焊缝热影响区域温度梯度过大，效果不理想，以致后续无法获得精品管材。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种钢管逐层冷却装置及方法，以实现焊缝热影响区域的均匀降温为目标，通过计算机与测温冷却装置的联合控制，采用分层次、分区域的降温方法，提高焊缝热影响区域冷却的均匀性，使得冷却后该区域温度差降至10℃以内，从而大大改善了冷却效果。

具体地，本发明提供一种钢管逐层冷却装置，其包括控制台、气泵、冷却箱、计算机、焊管和圆筒运输机，所述控制台、气泵、冷却箱和圆筒运输机均设置在地面上，所述冷却箱和圆筒运输机相邻设置；

所述计算机安装在控制台上；所述圆筒运输机用于对所述焊管进行运送，所述焊管经所述圆筒运输机运输后进入所述冷却箱内部，所述焊管的正上方开设有焊缝，所述焊缝的两侧设置有一对挤压辊，所述挤压辊的竖直辊轴的上下两端分别安装在所述冷却箱内；

所述冷却箱的上方开设有n排进气口，其中，n为3～6个；

在所述冷却箱的内侧，焊管的焊缝正上方布置有n个测温及冷却装置，所述冷却箱的每排进气口有m个孔洞，其中m为3、5或7个，n个测温及冷却装置根据计算机的指令对钢管进行逐层冷却，n个测温及冷却装置将整个冷却阶段划分为n个冷却阶段，每个冷却阶段的降温梯度为

T为焊缝热影响区域的终冷目标温度，T_r为每个测温及冷却装置测量的温度数值；

所述测温及冷却装置包括红外测温仪、挡板、步进电机、丝杠、气腔挡板、分气腔、集气箱、支撑板、弹簧以及压力传感器，所述集气箱上部设置有集气箱进气口，所述集气箱进气口、红外测温仪、分气腔、步进电机、丝杠、气腔挡板、弹簧以及压力传感器均设置有m个，所述集气箱进气口与所述孔洞相连，m个分气腔设置在所述集气箱的下方，m个红外测温仪均匀布置在挡板的外侧，所述挡板的内侧设置有m个步进电机，每个步进电机连接有一个丝杠的第一端，每个丝杠的第二端连接一个气腔挡板的第一端，每一个气腔挡板的第二端从一个分气腔中伸出并连接有一个弹簧的第一端，弹簧的第二端固定在支撑板的内侧，所述支撑板的外侧步骤有m个压力传感器，每个步进电机均通过带动丝杠的转动从而推动气腔挡板在其对应的分气腔内滑动，从而实现对喷气孔的遮挡，当弹簧位于最大量程时，所述喷气孔处于完全敞开的状态。

优选地，所述红外测温仪与垂直平面的夹角呈40度，多个红外测温仪均以无线通讯方式与所述计算机相连，所述计算机通过信号线对所述步进电机进行控制。

优选地，所述气腔挡板的移动距离L_r能够通过对应的所述压力传感器数值Fr和所述弹簧的刚度参数K计算得到，即

优选地，本发明还提供一种钢管逐层冷却方法，其包括以下步骤：

S1、沿焊管送进方向，将多个测温及冷却装置依次进行编号，分别编号为：i＝1、2、...、n；

S2、设定焊缝热影响区域的终冷目标温度T和弹簧的刚度参数K并将T和K的数值传输给计算机；

S3、将焊缝热影响区域均匀划分为m个子区域，对应的m个红外测温仪的温度数据用于代表各个子区域的温度；将m个测温点测量的温度数值分别设为：T_r＝T₁、T₂、...、T_m，其中r＝1、2、…、m；

S4、控制焊管到达预定的测温位置；

S5、对i进行赋初值：令i＝1；

S6、将第i个测温及冷却装置上的m个红外测温仪将测得的m个测温点的温度数值T_r传输给计算机；

S7、判断T>T_r是否成立，若成立，则转入步骤S8；若不成立则无需冷却，直接结束；

S8、将整个冷却阶段划分为n个冷却阶段，每个冷却阶段的降温梯度为

S9、将第i个测温及冷却装置预设的目标冷却温度T_i传输给计算机，其中，T_n＝T；

S10、计算机根据T_i以及m个子区域的温度数值T_r，计算各个子区域所需冷却气体的气流量Q_r，进而计算m个分气腔的喷气口所需的遮挡面积S_r以及各气腔挡板所需的移动距离L_r；

S11、计算机通过信号线控制m个步进电机的转动，步进电机通过控制丝杠的转动，带动气腔挡板在分气腔内移动，对喷气口进行遮挡，每一个气腔挡板另一侧的压力传感器将压力数值F_r传输给计算机；

S12、计算机通过压力数值F_r和弹簧的刚度K计算出弹簧的伸缩量X_r；

S13、比较每一个弹簧的伸缩量X_r与L_r的大小，若X_r＝L_r，则直接进入步骤S14；若X_r≠L_r，则返回步骤S11，重复步骤S11-S13，直至X_r＝L_r，进入步骤S14；

S14、计算机下达冷却命令，从第i层冷却开始，对焊缝热影响区域喷出冷却气体进行分区域冷却；

S15、判断i＝n是否成立，若不成立，则继续赋值i＝i+1后，转入步骤S6，重复进行步骤S6-S15；若成立，则结束整个冷却过程。

优选地，所述步骤S10中的具体步骤如下，

红外测温仪实时测量焊缝两侧m个区域的温度数值T_r并传输给计算机，计算机根据T_r与T_i的差值ΔT_r＝T_r-T_i，通过公式q_r＝hΔT_r计算各区域所需的换热量q_r，其中，h为对流换热系数，然后利用多变量回归算法获得各区域所需要的换热量q_r与冷却气体释放量Q_r的回归关系，得到Q_r；

喷气孔气体流速为V时，喷气孔的露出面积S_r为

各气腔挡板所需要的移动距离L_r根据以下公式解得：

其中，c为气腔挡板上喷气孔的数量，r为喷气孔半径。

与现有技术相比，本发明的效果如下：

(1)本发明刚焊接成型的焊管的焊缝热影响区域温度分布不均，温差梯度大，采用本装置对该区域冷却降温时，可通过计算机设置每个冷却阶段的目标冷却温度，实现对焊缝热影响区域的分层次降温，改善了目前通用的一次冷却方式降温不均匀的问题。

(2)本发明对焊缝热影响区域进行冷却时，沿该区域取m个测温点，计算机将检测到的m个温度值分别与设定的目标冷却温度对比，分别通过电机丝杠机构调整各气腔挡板的位移，并通过压力传感器对喷气口的遮挡过程进行反馈；通过分区域降温，可将焊缝热影响区域的温差降至10℃以内，从根本上解决该区域温差梯度大的问题，并节约了冷却气体的使用量。

附图说明

图1是本发明钢管逐层冷却装置总体结构示意图；

图2是本发明测温及冷却装置总体结构示意图；

图3是本发明各分气腔喷气孔遮挡过程的示意图；

图4是本发明钢管逐层冷却方法工作流程图。

图中部分附图标记如下：1-地面，2-圆筒运输机，3-焊缝，4-焊管，5-辊轴，6-挤压辊，7-测温及冷却装置，8-冷却箱，9-进气口，10-气泵，11-控制台，12-计算机，13-红外测温仪，14-挡板，15-步进电机，16-丝杠，17-气腔挡板，18-分气腔，19-集气箱，20-集气箱进气口，21-支撑板，22-弹簧，23-压力传感器，24-喷气孔。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

如图1所示，本发明提供一种钢管逐层冷却装置，其包括气泵10、冷却箱8、计算机12、焊管4和圆筒运输机2；计算机12设置在控制台11上；圆筒运输机2用于焊管4的运送；焊管4的焊缝3位于其正上方，焊缝的两侧位于一对挤压辊6内，挤压辊6的竖直辊轴5的上下两端分别安装在冷却箱8内；冷却箱8的上方开有n排进气口9；在冷却箱8的内侧，n个测温及冷却装置7布置在焊缝3的正上方。

如图2～图3所示，在测温及冷却装置7中，集气箱19用于储存冷却气体；冷却箱8的每排进气口9有m个孔洞，并与集气箱进气口20相连；冷却气体进入位于集气箱19下方的m个分气腔18，分气腔18将焊缝热影响区域划分成m个区域，进行分区域冷却，在保证进入各腔体中的气流密度相同的同时可以分别控制冷却气体的喷出量；测温及冷却装置7的一侧为布置在挡板上的m个红外测温仪；挡板上另一侧布置有与m个分气腔对应的m个步进电机，每个步进电机均可通过带动丝杠16的转动从而推动气腔挡板17在分气腔18内滑动；气腔挡板17的另一侧与弹簧22固连，弹簧22与支承板21进行连接；支撑板21上设置有与弹簧22对应的压力传感器23；红外测温仪13与垂直平面的夹角呈40度；每台测温仪以无线通讯方式与计算机12相连，计算机12通过信号线对步进电机15进行控制；步进电机15通过控制丝杠16的转动从而控制气腔挡板17在分气腔18内的移动距离，实现对喷气孔24的遮挡；当喷气孔24完全敞开时，弹簧22无伸缩量；气腔挡板17的移动距离可通过对应的压力传感器23的数值和弹簧22的刚度参数K计算得到。

在本发明实施例中，本发明待冷却的直缝焊管4的外径为660mm，壁厚30mm；要求焊缝热影响区域的终冷目标温度为T≤600℃；弹簧22的刚度参数K＝1N/mm；测温及冷却装置7的编号n＝3；焊缝热影响区域均匀划分为m＝5个区域；冷却气体为氮气；对流换热系数为h＝97.5W·(m²k)^-1；喷气孔半径r＝3mm；气体流速V＝28.2m/s。

在图4所示的本发明装置的工作流程图中，采用本发明的钢管逐层冷却装置进行逐层降温时，其方法包括以下步骤：

S1、沿焊管送进方向，将测温及冷却装置依次进行编号，编号为：i＝1、2、...、n；

S2、将焊缝热影响区域的终冷目标温度T和弹簧的刚度参数K传输给计算机；

S3、将焊缝热影响区域均匀划分为m个子区域，对应的m个红外测温仪的温度数据用于代表各区域的温度；将m个测温点的数值设为：T_r＝T₁、T₂、...、T_m，其中r＝1、2、…、m；

S4、控制焊管到达预定的测温位置；

S5、对i进行赋初值：i＝1；

S6、第i个测温及冷却装置上的m个红外测温仪将测得的m个测温点的温T_r传输给计算机；

S7、判断T>T_r是否成立，若成立，则转入S8；若不成立则无需冷却，直接结束；

S8、将整个冷却阶段划分为n个冷却阶段，每个冷却阶段的降温梯度为

S9、将第i个测温及冷却装置预设的目标冷却温度T_i传输给计算机，其中，T_n＝T；

S10、计算机根据T_i以及m个子区域的温度数值T_r，计算各区域所需冷却气体的气流量Q_r，进而计算m个分气腔的喷气口所需的遮挡面积S_r以及各气腔挡板所需的移动距离L_r；

S11、计算机通过信号线控制m个步进电机的转动，步进电机通过控制丝杠的转动，带动气腔挡板在分气腔内移动，对喷气口进行遮挡，每一个气腔挡板另一侧的压力传感器将压力数值F_r传输给计算机；

S12、计算机通过压力数值F_r和弹簧的刚度K计算出弹簧的伸缩量X_r；

S13、比较每一个弹簧的伸缩量X_r与L_r的大小，若X_r≠L_r，则返回步骤S11，直至X_r＝L_r；

S14、计算机下达冷却命令，第i层冷却开始，对焊缝热影响区域喷出冷却气体进行分区域冷却；

S15、判断i＝n是否成立，若不成立，则赋值i＝i+1，转入步骤S6；若成立，则冷却过程结束。

优选地，步骤S10～S13中的具体步骤如下，

红外测温仪实时测量焊缝两侧m个区域的温度数值T_r并传输给计算机，计算机根据T_r与T_i的差值ΔT_r＝T_r-T_i，通过公式q_r＝hΔT_r计算各区域所需的换热量q_r，其中，h为对流换热系数，然后利用多变量回归算法获得各区域所需要的换热量q_r与冷却气体释放量Q_r的回归关系，得到Q_r；

喷气孔气体流速为V时，喷气孔的露出面积S_r为

各气腔挡板所需要的移动距离L_r根据以下公式解得：

其中，c为气腔挡板上喷气孔的数量，r为喷气孔半径；

最后，计算机通过步进电机控制丝杠移动，并根据弹簧的伸缩量X_r对丝杠的移动距离进行反馈，直至X_r＝L_r。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种钢管逐层冷却装置，其特征在于：其包括控制台、气泵、冷却箱、计算机、焊管和圆筒运输机，所述控制台、气泵、冷却箱和圆筒运输机均设置在地面上，所述冷却箱和圆筒运输机相邻设置；

所述计算机安装在控制台上；所述圆筒运输机用于对所述焊管进行运送，所述焊管经所述圆筒运输机运输后进入所述冷却箱内部，所述焊管的正上方开设有焊缝，所述焊缝的两侧设置有一对挤压辊，所述挤压辊的竖直辊轴的上下两端分别安装在所述冷却箱内；

所述冷却箱的上方开设有n排进气口，其中，n为3～6个；所述冷却箱的内侧焊管的焊缝正上方布置有n个测温及冷却装置，所述冷却箱的每排进气口有m个孔洞，其中m为3、5或7个，n个测温及冷却装置根据计算机的指令对钢管进行逐层冷却，n个测温及冷却装置将整个冷却阶段划分为n个冷却阶段，每个冷却阶段的降温梯度为

T为焊缝热影响区域的终冷目标温度，T_r为每个测温及冷却装置测量的温度数值；

所述测温及冷却装置包括红外测温仪、挡板、步进电机、丝杠、气腔挡板、分气腔、集气箱、支撑板、弹簧以及压力传感器，所述集气箱上部设置有集气箱进气口，所述集气箱进气口、红外测温仪、分气腔、步进电机、丝杠、气腔挡板、弹簧以及压力传感器均设置有m个，所述集气箱进气口与所述孔洞相连，m个分气腔设置在所述集气箱的下方，m个红外测温仪均匀布置在挡板的外侧，所述挡板的内侧设置有m个步进电机，每个步进电机连接有一个丝杠的第一端，每个丝杠的第二端连接一个气腔挡板的第一端，每一个气腔挡板的第二端从一个分气腔中伸出并连接有一个弹簧的第一端，弹簧的第二端固定在支撑板的内侧，所述支撑板的外侧步骤有m个压力传感器，每个步进电机均通过带动丝杠的转动从而推动气腔挡板在其对应的分气腔内滑动，从而实现对喷气孔的遮挡，当弹簧位于最大量程时，所述喷气孔处于完全敞开的状态。

2.根据权利要求1所述的钢管逐层冷却装置，其特征在于：所述红外测温仪与垂直平面的夹角呈30-40度，多个红外测温仪均以无线通讯方式与所述计算机相连，所述计算机通过信号线对所述步进电机进行控制。

3.根据权利要求1所述的钢管逐层冷却装置，其特征在于：所述气腔挡板的移动距离L_r能够通过对应的所述压力传感器数值F_r和所述弹簧的刚度参数K计算得到，即

4.一种利用权利要求1-3任一所述所述的钢管逐层冷却装置进行钢管逐层冷却的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、沿焊管送进方向，将多个测温及冷却装置依次进行编号，分别编号为：i＝1、2、...、n；

S2、设定焊缝热影响区域的终冷目标温度T和弹簧的刚度参数K并将T和K的数值传输给计算机；

S3、将焊缝热影响区域均匀划分为m个子区域，对应的m个红外测温仪的温度数据用于代表各个子区域的温度；将m个测温点测量的温度数值分别设为：T_r＝T₁、T₂、...、T_m，其中r＝1、2、…、m；

S4、控制焊管到达预定的测温位置；

S5、对i进行赋初值：令i＝1；

S6、将第i个测温及冷却装置上的m个红外测温仪将测得的m个测温点的温度数值T_r传输给计算机；

S7、判断T>T_r是否成立，若成立，则转入步骤S8；若不成立则无需冷却，直接结束；

S8、将整个冷却阶段划分为n个冷却阶段，每个冷却阶段的降温梯度为

S9、将第i个测温及冷却装置预设的目标冷却温度T_i传输给计算机，其中，T_n＝T；

S10、计算机根据T_i以及m个子区域的温度数值T_r，计算各个子区域所需冷却气体的气流量Q_r，进而计算m个分气腔的喷气口所需的遮挡面积S_r以及各气腔挡板所需的移动距离L_r；

S11、计算机通过信号线控制m个步进电机的转动，步进电机通过控制丝杠的转动，带动气腔挡板在分气腔内移动，对喷气口进行遮挡，每一个气腔挡板另一侧的压力传感器将压力数值F_r传输给计算机；

S12、计算机通过压力数值F_r和弹簧的刚度K计算出弹簧的伸缩量X_r；

S13、比较每一个弹簧的伸缩量X_r与L_r的大小，若X_r＝L_r，则直接进入步骤S14；若X_r≠L_r，则返回步骤S11，重复步骤S11-S13，直至X_r＝L_r，进入步骤S14；

S14、计算机下达冷却命令，从第i层冷却开始，对焊缝热影响区域喷出冷却气体进行分区域冷却；

S15、判断i＝n是否成立，若不成立，则继续赋值i＝i+1后，转入步骤S6，重复进行步骤S6-S15；若成立，则结束整个冷却过程。

5.根据权利要求4所述的钢管逐层冷却的方法，其特征在于：所述步骤S10的具体步骤如下：

红外测温仪实时测量焊缝两侧m个区域的温度数值T_r并传输给计算机，计算机根据T_r与T_i的差值ΔT_r＝T_r-T_i，通过公式q_r＝hΔT_r计算各区域所需的换热量q_r，其中，h为对流换热系数，然后利用多变量回归算法获得各区域所需要的换热量q_r与冷却气体释放量Q_r的回归关系，得到Q_r；

喷气孔气体流速为V时，喷气孔的露出面积S_r为

各气腔挡板所需要的移动距离L_r根据以下公式解得：

其中，c为气腔挡板上喷气孔的数量，r为喷气孔半径。

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