CN114107642A - 一种工字型钢的冷却系统及冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工字型钢的冷却系统及冷却方法，属于工字型钢冷却工艺技术领域，解决了现有技术中工字型钢的断面温度均匀性较差影响成品的性能稳定的问题。该系统包括喷嘴组件，喷嘴组件包括多组喷嘴，喷嘴具有气雾模式和风冷模式，多组喷嘴中，至少一组喷嘴处于气雾模式，多组喷嘴至少位于工字型钢的一侧。该方法包括如下步骤：工字型钢从第一组喷嘴至最后一组喷嘴方向，依次经过多组喷嘴，对工字型钢交替进行水雾冷却和风冷，最终达到冷却的目标温度。该冷却系统和冷却方法可用于工字型钢的冷却。

Description

一种工字型钢的冷却系统及冷却方法
技术领域
本发明属于工字型钢冷却工艺技术领域，尤其涉及一种工字型钢的冷却系统及冷却方法。
背景技术
随着我国国民经济的迅猛发展，我国汽车、高速列车、高层建筑、船舶、飞机、航天、精密仪器和机械加工制造设备的进一步发展，要求材料实现高强塑化、高强韧化，而控轧控冷工艺是提高强塑化和强韧化的必要手段。
对于工字型钢来说，通过控轧控冷工艺能够根据不同强度级别的要求对应控制不同的显微组织。
工字型钢为异型钢，在冷却过程中，通常下翼缘比上翼缘的温度高，而翼缘与腹板交界处的温度最高，由于翼缘温度分布不均造成翼缘上、下侧性能存在差别，导致现有工字型钢的断面温度均匀性较差，通常在80～150℃，最终影响成品的性能稳定。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种工字型钢的冷却系统及冷却方法，解决了现有技术中工字型钢的断面温度均匀性较差影响成品的性能稳定的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种工字型钢的冷却系统，包括喷嘴组件，喷嘴组件包括多组喷嘴，喷嘴具有气雾模式和风冷模式，多组喷嘴中，至少一组喷嘴处于气雾模式，实施时，多组喷嘴至少位于工字型钢的一侧。
进一步地，相邻两组喷嘴中，其中一组喷嘴处于气雾模式，另一组处于风冷模式，且第一组喷嘴处于气雾模式，处于气雾模式的喷嘴与处于风冷模式的喷嘴交替设置。
进一步地，上述工字型钢的冷却系统还包括台架，喷嘴组件设于台架上。
进一步地，台架的每个方向上均布置1～100组喷嘴，每组喷嘴包括5～300个喷嘴。
进一步地，上述喷嘴组件还包括用于安装喷嘴的安装架，喷嘴安装于安装架上。
进一步地安装架为网状结构，包括多个十字件，喷嘴设于十字件的交叉点上，十字件包括相互连接的纵向管和横向管，横向管一端的内壁设有横向滑块，横向管的另一端设有横向滑槽，每排十字件中，相邻两个横向管通过相互配合的横向滑块和横向滑槽可滑动固定连接，纵向管的一端内壁设有纵向滑块，纵向管的另一端设有纵向滑槽，每行十字件中，相邻两个纵向管通过相互配合的纵向滑块和纵向滑槽可滑动固定连接。
进一步地，喷嘴的形状为扇环形，喷嘴上开设沿喷嘴径向设置的喷孔，喷孔的数量为多个，多个喷孔的孔径不同，多个喷孔沿喷嘴的周向设置，喷嘴绕安装架周向可转动。
进一步地，喷嘴上开设三个喷孔，分别为第一喷孔、第二喷孔和第三喷孔，第一喷孔、第二喷孔和第三喷孔沿喷嘴的周向布置，第一喷孔、第二喷孔和第三喷孔的孔径依次增大。
进一步地，上述喷嘴组件还包括转动驱动件，转动驱动件包括驱动电机以及相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，驱动电机的输出轴与第一齿轮连接，第一齿轮固设于安装架上，第二齿轮固设于喷嘴上。
进一步地，上述工字型钢的冷却系统还包括分别与喷嘴连通的供气单元和供水单元，通过控制供气单元和供水单元与喷嘴的连通或断开，使得喷嘴处于风冷模式或气雾模式，其中，风冷模式时，喷嘴仅与供气单元连通，气雾模式时，喷嘴与供气单元和供水单元同时连通。
进一步地，供气单元包括依次连接的空压机、储气罐、气体截止阀、气体调节阀、气体流量计和分气器，分气器的出气口通过气管与喷嘴连接，气压变送器和气体压力表设于气体流量计与分气器的连接管路上。
进一步地，供水组件包括依次连接的储水池、水泵、增压泵、液体截止阀、液体调节阀、液体流量计和分水器，分水器的出水口通过水管与喷嘴连接，液压变送器和液体压力表设于液体流量计与分液器的连接管路上。
进一步地，上述工字型钢的冷却系统还包括用于监测工字型钢表面温度的红外测温仪和/或用于监测工字型钢内部温度的热电偶测温仪。
进一步地，热电偶测温仪的数量为多个，红外测温仪和热电偶测温仪的采集频率为每秒50个数据。
进一步地，红外测温仪和热电偶测温仪可以分别测试工字型钢的表面和心部的温度包括工字型钢在冷却之前、冷却过程中和冷却停止后全过程的表面和心部的温度。
进一步地，上述工字型钢的冷却系统还包括用于控制喷嘴内气体和/或液体流量的喷嘴控制单元。
进一步地，上述冷却系统还包括与喷嘴控制单元、红外测温仪和/或热电偶测温仪连接的显示器，用于显示喷嘴内流体的流量、压力、工字型钢表面温度和内部温度。
本发明还提供了一种工字型钢的冷却方法，采用上述冷却系统，该冷却方法包括如下步骤：
工字型钢从第一组喷嘴至最后一组喷嘴方向，依次经过多组喷嘴，对工字型钢交替进行水雾冷却和风冷，最终达到冷却的目标温度，其中，水雾冷却的冷却速度大于风冷的冷却速度。
进一步地，目标温度为700～800℃。
进一步地，定义依次进行一次水雾冷却和一次风冷为一个周期，对轧后H型钢的冷却至少为一个周期，在工字型钢进行第一个周期的水雾冷却和风冷且各部位温度趋于一致后，需要迅速进入第二个周期的水雾冷却区间。
进一步地，周期数为8～10个。
进一步地，每个周期内，水雾冷却的冷却速度为5～15℃/s，水雾冷却的冷却路径长度为5～7m，水雾冷却的气雾压力为0.4～1.0MPa。
进一步地，每个周期内，风冷的冷却速度为2～6℃/s，风冷的冷却路径长度为2～3.5m，风冷的压缩空气压力为0.6～1.0MPa。
进一步地，总冷却时间为8～20s。
进一步地，上述工字型钢的冷却方法中，工字型钢的坯料尺寸为150～180mm×150～180mm×8000～12000mm。
进一步地，上述工字型钢的冷却方法中，工字型钢的组分按质量百分比计包括：C0.14～0.2、Si 0.26～0.40、Mn 1.30～1.60、Nb 0.015～0.05、P≤0.015％和S≤0.015％，其余为Fe，其中，碳当量CEV≤0.4％。
进一步地，工字型钢的金相组织包括铁素体和珠光体。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
a)本发明提供的工字型钢的冷却系统中，多组喷嘴中至少有一组喷嘴处于气雾模式，采用气雾冷却和风冷相结合对工字型钢进行冷却，能够有效的对轻型工字型钢整体温度进行精准控制，加快工字型钢R角冷却速度，细化心部晶粒。
b)本发明提供的工字型钢的冷却系统中，其中，气雾冷却能够对工字型钢的表面重点高温区域进行快速冷却，能够有效降低R角等高温区温度，控制晶粒长大，细化工字型钢的晶粒。相较于气雾冷却，风冷的冷却速度较小，能够延长微合金在析出最优温度的析出时间和碳化物固溶状态，发挥固溶强化作用，改善珠光体组织片层间距和形貌，从而达到提高力学性能，降低合金含量目的。此外，风冷还能够利用压缩空气迅速吹散气雾冷却以后残余在工字型钢表面的冷却水，既能够使工字型钢的高温区域产生短暂的回温过程，又能够保证低温区域持续降温，减少过度冷却区域，减小工字型钢断面温度差。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明提供的工字型钢的冷却系统的立体图；
图2为本发明提供的工字型钢的冷却系统中喷嘴的结构示意图；
图3为本发明提供的工字型钢的冷却系统中安装架的结构示意图；
图4为本发明采用实施例一提供的工字型钢的冷却方法获得的工字型钢的腹板处金相显微组织图；
图5为本发明采用实施例一提供的工字型钢的冷却方法获得的工字型钢的翼缘处金相显微组织图。
附图标记：
1-台架；2-喷嘴组件；3-纵向管；4-纵向滑块；5-纵向滑槽；6-横向管；7-横向滑块；8-横向滑槽。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明提供了一种工字型钢的冷却系统，参见图1至图3，包括喷嘴组件2，喷嘴组件2包括多组喷嘴，喷嘴具有气雾模式和风冷模式，多组喷嘴中，至少一组喷嘴处于气雾模式，实施时，多组喷嘴至少位于工字型钢的一侧(例如，上侧、下侧、左侧和/或右侧)。
示例性地，相邻两组喷嘴中，其中一组喷嘴处于气雾模式，另一组处于风冷模式，且第一组喷嘴处于气雾模式，处于气雾模式的喷嘴组与处于风冷模式的喷嘴组交替设置。需要说明的是，实际应用中，可以根据需要切换每组喷嘴的模式，使其在气雾模式和风冷模式之间切换，对于具体设置方式，在此不一一赘述。
与现有技术相比，本发明提供的工字型钢的冷却系统中多组喷嘴中至少有一组喷嘴处于气雾模式，采用气雾冷却和风冷相结合对工字型钢进行冷却，能够有效的对轻型工字型钢整体温度进行精准控制，加快工字型钢R角冷却速度，细化心部晶粒。
其中，气雾冷却能够对工字型钢的表面重点高温区域进行快速冷却，能够有效降低R角等高温区温度，控制晶粒长大，细化工字型钢的晶粒。相较于气雾冷却，风冷的冷却速度较小，能够延长微合金在析出最优温度的析出时间和碳化物固溶状态，发挥固溶强化作用，改善珠光体组织片层间距和形貌，从而达到提高力学性能，降低合金含量目的。此外，风冷还能够利用压缩空气迅速吹散气雾冷却以后残余在工字型钢表面的冷却水，既能够使工字型钢的高温区域产生短暂的回温过程，又能够保证低温区域持续降温，减少过度冷却区域，减小工字型钢断面温度差(例如，断面温度差小于50℃)。
为了实现喷嘴组件2的安装，可以理解的是，上述工字型钢的冷却系统还包括台架1，喷嘴组件2设于台架1上。
对于喷嘴的布置方式，台架1的每个方向上均可以布置1～100组喷嘴，每组喷嘴包括5～300个喷嘴，可以根据工字型钢的宽度和长度来选择数量。
可以理解的是，为了保证喷嘴的稳定安装，上述喷嘴组件2还包括用于安装喷嘴的安装架，喷嘴安装于安装架上。
在实际应用中，考虑到工字型钢的型号不同，相邻两组喷嘴之间的距离也需要进行适当调整，因此，对于安装架的结构，具体来说，其为网状结构，包括多个十字件，喷嘴设于十字件的交叉点上，十字件包括相互连接的纵向管3和横向管6，横向管6一端的内壁设有横向滑块7，横向管6的另一端设有横向滑槽8，每排十字件中，相邻两个横向管6通过相互配合的横向滑块7和横向滑槽8可滑动固定连接，同样地，纵向管3的一端内壁设有纵向滑块4，纵向管3的另一端设有纵向滑槽5，每行十字件中，相邻两个纵向管3通过相互配合的纵向滑块4和纵向滑槽5可滑动固定连接。这样，通过调节横向滑块7与横向滑槽8的相对位置，能够调节每排喷嘴的横向距离，通过调节纵向滑块4与纵向滑槽5的相对位置，能够调节每行喷嘴的竖向距离。
在实际应用中，可能会涉及到对喷嘴流体流量大小的调节，因此，喷嘴的形状为扇环形，喷嘴上开设沿喷嘴径向设置的喷孔，喷孔的数量为多个，多个喷孔的孔径不同，多个喷孔沿喷嘴的周向设置，喷嘴绕安装架周向可转动。示例性地，喷嘴上开设三个喷孔，分别为第一喷孔、第二喷孔和第三喷孔，第一喷孔、第二喷孔和第三喷孔沿喷嘴的周向布置，第一喷孔、第二喷孔和第三喷孔的孔径依次增大。
可以理解的是，为了实现喷嘴绕安装架周向可转动，上述喷嘴组件2还包括转动驱动件，转动驱动件包括驱动电机以及相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，驱动电机的输出轴与第一齿轮连接，第一齿轮固设于安装架上，第二齿轮固设于喷嘴上。这样，当需要调节压缩空气或气雾的流量大小时，开启驱动电机，驱动电机的输出轴驱动第一齿轮旋转，进而带动第二齿轮旋转，使得喷嘴绕安装架转动。
为了为喷嘴提供冷却水和空气，上述工字型钢的冷却系统还包括分别与喷嘴连通的供气单元和供水单元，通过控制供气单元和供水单元与喷嘴的连通或断开，使得喷嘴处于风冷模式或气雾模式，其中，风冷模式时，喷嘴仅与供气单元连通，气雾模式时，喷嘴与供气单元和供水单元同时连通。
对于供气单元的结构，具体来说，其包括依次连接的空压机、储气罐、气体截止阀、气体调节阀、气体流量计和分气器，分气器的出气口通过气管与喷嘴连接，气压变送器(例如，PT压力变送器)和气体压力表(例如，PI压力表)设于气体流量计与分气器的连接管路上。
对于供水组件的结构，具体来说，其包括依次连接的储水池、水泵、增压泵、液体截止阀、液体调节阀、液体流量计和分水器，分水器的出水口通过水管与喷嘴连接，液压变送器(例如，PT压力变送器)和液体压力表(例如，PI压力表)设于液体流量计与分液器的连接管路上。
值得注意的是，在工字型钢的冷却过程中，工字型钢表面和芯部的温度对冷却后的工字型钢的微观组织至关重要，因此，上述工字型钢的冷却系统还包括用于监测工字型钢表面温度的红外测温仪和/或用于监测工字型钢内部温度的热电偶测温仪，其中，红外测温仪设于H型钢的表面，热电偶测温仪设于H型钢的芯部，热电偶测温仪的数量为多个，红外测温仪和热电偶测温仪的采集频率为每秒50个数据。
红外测温仪和热电偶测温仪可以分别测试工字型钢的表面和心部的温度，包括工字型钢在冷却之前、冷却过程中和冷却停止后全过程的表面和心部的温度，从而获得工字型钢表面和心部的温度变化数据，并据此绘制出工字型钢在冷却过程中表面和心部的实测冷却曲线。
为了实现上述工字型钢的冷却系统中喷嘴模式的自动切换以及流体流量，其还包括用于控制喷嘴内气体和/或液体流量的喷嘴控制单元。这样，通过控制不同供水和供气工艺参数(包括压力和流量等)，调节冷却条件，并自动切换喷嘴所处的模式。
为了保证在工字型钢的冷却过程中能够直观了解工字型钢的冷却过程，上述冷却系统还包括与喷嘴控制单元、红外测温仪和/或热电偶测温仪连接的显示器，用于显示喷嘴内流体的流量、压力、工字型钢表面温度和内部温度等。
本发明还提供了一种工字型钢的冷却方法，采用上述冷却系统，该冷却方法包括如下步骤：
工字型钢从第一组喷嘴至最后一组喷嘴方向，依次经过多组喷嘴，对工字型钢交替进行水雾冷却和风冷，最终达到冷却的目标温度(例如，上冷床目标温度为700～800℃)，其中，水雾冷却的冷却速度大于风冷的冷却速度。
需要说明的是，定义依次进行一次水雾冷却和一次风冷为一个周期，对轧后H型钢的冷却至少为一个周期(例如，8～10个周期)，在工字型钢进行第一个周期的水雾冷却和风冷且各部位温度趋于一致后，需要迅速进入第二个周期的水雾冷却区间。
与现有技术相比，本发明提供的工字型钢的冷却方法与上述提供的工字型钢的冷却系统的有益效果基本相同，在此不一一赘述。
为了保证水雾冷却的冷却效果，示例性地，每个周期内，水雾冷却的冷却速度为5～15℃/s，水雾冷却的冷却路径长度为5～7m，水雾冷却的气雾压力为0.4～1.0MPa。
同样地，为了保证风冷的冷却效果，示例性地，每个周期内，风冷的冷却速度为2～6℃/s，风冷的冷却路径长度为2～3.5m，风冷的压缩空气压力为0.6～1.0MPa。
为了保证冷却的总体效果，上述冷却方法中，总冷却时间为8～20s。
示例性地，上述工字型钢的冷却方法中，工字型钢的坯料尺寸为150～180mm×150～180mm×8000～12000mm(例如，165mm×165mm×10000mm)，其组分按质量百分比计包括：C0.14～0.2、Si 0.26～0.40、Mn 1.30～1.60、Nb 0.015～0.05、P≤0.015％和S≤0.015％，其余为Fe，其中，碳当量CEV≤0.4％。
需要说明的是，采用上述工字型钢的冷却系统和冷却方法对上述尺寸和组织的工字型钢坯料进行冷却，所获得的工字型钢的金相组织包括铁素体和珠光体。
实施例一
本实施例的工字型钢的尺寸为165mm×165mm×10000mm，其成分按重量百分比(wt％)，包括：C 0.15、Si 0.30、Mn 1.50、Nb 0.012、P≤0.015％和S≤0.015％，其余为Fe，其中，碳当量CEV≤0.4％。
每个周期内，处于气雾模式的单个喷嘴组的长度(即气雾冷却的冷却路径长度)为7m，处于气雾模式的喷嘴组中喷嘴的数量为210个，处于风冷模式的单个喷嘴组的长度(即风冷的冷却路径长度)为3m，处于风冷模式的喷嘴组中喷嘴的数量为90个；一共布置8组，其中，第一喷嘴组为气雾冷却喷嘴组，第二喷嘴组为风冷喷嘴组，第三喷嘴组为气雾冷却喷嘴组，第四喷嘴组为风冷喷嘴组，第五喷嘴组为气雾冷却喷嘴组，第六喷嘴组为风冷喷嘴组，第七喷嘴组为气雾冷却喷嘴组，第八喷嘴组为风冷喷嘴组，4个周期，水雾冷却速度10℃/s，气雾压力为0.6MPa，风冷冷却速度5℃/s，压缩空气压力为0.7MPa，总冷却时间约为18s，上冷床目标温度控制在800℃。
冷却后的工字型钢性能：屈服强度Rel：410MPa，抗拉强度Rm：580MPa，拉伸比A：30％，晶粒度为10级，工字型钢R角与翼缘温度差为45℃，整体温度场均匀分布。
对冷却后的工字型钢进行金相显微组织，参见图4至图5，从图4和图5可以看出，冷却后的工字型钢在腹板处和翼缘处的金相组织均为铁素体和珠光体，未出现淬火回火组织，晶粒度为10级，无异常组织，且翼缘与腹板组织均匀度高，整体晶粒度一致，能够达到生产要求。
实施例二
本实施例的工字型钢的尺寸为为150mm×150mm×9000mm，其成分按重量百分比(wt％)，包括：C 0.18、Si 0.40、Mn 1.35、Nb 0.045、P≤0.015％和S≤0.015％，其余为Fe，其中，碳当量CEV≤0.4％。
每个周期内，处于气雾模式的单个喷嘴组的长度(即气雾冷却的冷却路径长度)为5.5m，处于气雾模式的喷嘴组中喷嘴的数量为165个，处于风冷模式的单个喷嘴组的长度(即风冷的冷却路径长度)为2.5m，处于风冷模式的喷嘴组中喷嘴的数量为75个；一共布置10组，其中，第一喷嘴组为气雾冷却喷嘴组，第二喷嘴组为风冷喷嘴组，第三喷嘴组为气雾冷却喷嘴组，第四喷嘴组为风冷喷嘴组，第五喷嘴组为气雾冷却喷嘴组，第六喷嘴组为风冷喷嘴组，第七喷嘴组为气雾冷却喷嘴组，第八喷嘴组为风冷喷嘴组，第九喷嘴组为气雾冷却喷嘴组，第十喷嘴组为风冷喷嘴组，5个周期，水雾冷却速度15℃/s，气雾压力为0.9MPa，风冷冷却速度2℃/s，压缩空气压力为1.0MPa，总冷却时间约为10s，上冷床目标温度控制在720℃。
冷却后的工字型钢性能：屈服强度Rel：425MPa，抗拉强度Rm：550MPa，拉伸比A：27％，晶粒度为10级，工字型钢R角与翼缘温度差为48℃，整体温度场均匀分布。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工字型钢的冷却系统，其特征在于，包括喷嘴组件，所述喷嘴组件包括多组喷嘴；
所述喷嘴具有气雾模式和风冷模式，多组喷嘴中，至少一组喷嘴处于气雾模式；
多组喷嘴至少位于工字型钢的一侧。
2.根据权利要求1所述的工字型钢的冷却系统，其特征在于，相邻两组喷嘴中，其中一组喷嘴处于气雾模式，另一组处于风冷模式，且第一组喷嘴处于气雾模式。
3.根据权利要求1所述的工字型钢的冷却系统，其特征在于，还包括分别与喷嘴连通的供气单元和供水单元；
通过控制供气单元和供水单元与喷嘴的连通或断开，使得喷嘴处于风冷模式或气雾模式；
所述喷嘴处于风冷模式时，所述喷嘴仅与供气单元连通；
所述喷嘴处于气雾模式时，所述喷嘴与供气单元和供水单元同时连通。
4.根据权利要求1所述的工字型钢的冷却系统，其特征在于，还包括用于监测工字型钢表面温度的红外测温仪和/或用于监测工字型钢内部温度的热电偶测温仪。
5.根据权利要求4所述的工字型钢的冷却系统，其特征在于，所述热电偶测温仪的数量为多个，所述红外测温仪和热电偶测温仪的采集频率为每秒50个数据。
6.一种工字型钢的冷却方法，其特征在于，采用如权利要求1至5所述的冷却系统，所述冷却方法包括如下步骤：
所述工字型钢从第一组喷嘴至最后一组喷嘴方向依次经过多组喷嘴，对工字型钢交替进行水雾冷却和风冷，最终达到冷却的目标温度。
7.根据权利要求6所述的工字型钢的冷却方法，其特征在于，所述水雾冷却的冷却速度大于风冷的冷却速度。
8.根据权利要求7所述的工字型钢的冷却方法，其特征在于，所述水雾冷却的冷却速度为5～15℃/s，所述风冷的冷却速度为2～6℃/s。
9.根据权利要求7所述的工字型钢的冷却方法，其特征在于，所述工字型钢的组分按质量百分比计包括：C 0.14～0.2、Si 0.26～0.40、Mn1.30～1.60、Nb 0.015～0.05、P≤0.015％和S≤0.015％，其余为Fe，碳当量CEV≤0.4％。
10.根据权利要求9所述的工字型钢的冷却方法，其特征在于，所述工字型钢的金相组织包括铁素体和珠光体。
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