CN86103933A - 热轧钢管余热处理及其冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明系钢管余热处理工艺及其冷却装置。冷却装置由若干组用动力驱动的传动辊组成的旋转辊道，以及上压辊、高速射流喷嘴和外冷注流孔板等组成。采用高速射流内冷和注流式外冷。热态钢管进入旋转辊道后能被迅速矫直。由于传动辊辊面上有螺旋式条纹，被冷却钢管不仅能旋转，而且还能轴向移动，使得钢管的径向、轴向和圆周方向冷却都均匀。冷却后，钢管平直度好，力学性能大幅度提高，且节约了大量能源。

Description

本发明属于钢管热处理工艺及其冷却装置。主要适用于钢管减径余热处理或定径余热处理或一般钢管热处理。

近年来，国内外在无缝钢管生产和使用中，为了强化钢管综合机械性能，调整管材强度和塑性的良好配合及韧性设备，促使形变热处理，余热淬火以及使用部门的热处理新工艺发展，钢管冷却装置是上述新工艺的关键设备。

目前，国际上比较先进的钢管淬火冷却装置是日本钢管（株）中央研究所等研制的新式直接淬火法（《铁と钢》1985，V71，No.8，P965）。该方法是把热轧钢管送入布置成鞍形的支承辊道后，用来头将钢管的一端夹紧，动力驱动夹头旋转，进而带动钢管旋转，随后将冷却水从夹头端以高速射入管内进行内冷，并同时采用缝隙式上喷口层流水膜冷却方式进行外冷。其主要优点是，管内可实现高速射流，便于强化冷却，并可使长管轴向冷却均匀，由于钢管旋转，又可确保钢管径向尤其是园周方向冷却均匀。较以前的传统淬火方法可减小冷后的弯曲变形。其缺点是该装置对冷前的热态钢管无迅速矫直作用;对冷前热态钢管的平直度要求高，即适应能力差;采用旋转夹头，由管端拖动冷前热态钢管旋转容易造成钢管扭曲变形，尤其对管身较长的小口径薄壁管更为不利;另外，外冷采用缝隙式上喷口层流水膜冷却方式，当冷却水碰击管壁后容易产生二次水冷却现象，以致造成冷却不均匀。该方法在冷却过程中，被冷钢管仅作旋转，无轴向平移运动，使冷却缺少均匀化作用，并且缝隙式上喷口层流水膜冷却装置，在制造安装调试方面的技术要求和难度都比较高。

本发明的目的在于提供一种能充分发挥材料性能潜力，节约能源，生产高效管材的新工艺，以及能对冷前热态钢管进行矫直，冷后平直度好，且结构简单，占地面积小的钢管冷却装置，既能用于钢管热轧后的余热淬火，又可作为热处理车间的钢管淬火冷却装置。

图1.4是本发明冷却装置的工作原理图。这种冷却装置安装在减径机组后的适当部位。它由若干组用动力驱动的传动辊6组成旋转辊道。当热态钢管30进入旋转辊道后，压下上压辊5，与钢管接触，热态钢管在旋转状态下被迅速矫直。与此同时，起动内冷高速射流喷咀2和外冷注流式孔板喷咀19，进行内外冷却。

在传动辊的辊面上有螺旋式条纹，使之当传动辊转动时，被冷钢管不仅能够旋转，而且能作轴向移动。这样，钢管的径向、轴向，特别是园周方向，冷却都均匀，并使钢管在冷后能保持较好的平直度。

内冷采用附有高压水室的高速射流喷咀。冷却水以高速射入管内，由于钢管内表面温度大大高于水的饱和温度，迫使接触管壁的水温剧增至沸点并汽化，管壁迅速被冷却。管壁与水之间的传热过程，主要表现为核沸腾传热。

外冷采用下喷注流式孔板喷咀，使注流小且稳定，避免二次冷却水的不均匀作用。

附图说明及实施例

附图2为热轧钢管冷却装置及余热处理工艺示意图。图中1为输送辊道，2为内冷射流喷咀，3为挡料器，4为定心辊，5为上压辊，6为传动辊，7为翻料器，8为调整机构，9为减径机组，10为再加热炉，11为翻料器，12为斜篦台，13为输送辊道，14为控制台，15为内冷进水管，16为高压水室。19为外冷注流式孔板。

传动辊表面有螺旋线，它可使被冷钢管作轴向移动，螺旋线可选用宽牙顶方型或梯型螺纹，辊面宽60～120毫米，轴向辊距500～750毫米。上压辊安装在旋转辊道中心线的正上方，可上下移动和施加压力。由于沿轴向支承点多，加上上压辊的压力可调节，可确保钢管冷后的平直度和钢管表面无擦伤。

高压水室与喷咀相连通，它的作用是控制及稳定水压和控制射流速度。

图3为注流式孔板结构图。图中19为孔板，20为外冷水室，21为进水均压管，22为喇叭形喷咀。注流式孔板沿轴向安装在旋转辊道中心线的正下方，孔板上表面距离被冷钢管下表面为200毫米左右。

其工艺流程如下：

当热态钢管从减径机9全部进入输送辊道1后，经自动翻料机7送入旋转辊道，随即压下上压辊5，钢管在热状态下被迅速矫直。并立即启动内冷高速射流喷咀2，喷咀被迅即推入定心辊4中的被冷钢管端部，高压水经进水管15及高压水室16和导管，以高速射入管内，与此同时，启动外冷下喷注流式孔板喷咀，进行外冷。在冷却过程中，由于传动辊的带动，被冷钢管随之转动，又由于传动辊辊面上车有螺纹使传动辊在转动的同时，带动被冷钢管作轴向移动。钢管冷却后，提起上压辊5，钢管经输送辊道13送至后部工序。

全部工作可编制工艺程序，由控制台14进行关锁自控，或者手控。

钢管从减径机组进入输送辊道1至冷却完后进入输出辊道的整个周期为11～12秒，水冷时间为6～8秒。

本发明的工艺参数如下：

为了确保钢管冷后得到良好的综合力学性能，减径前的再加热温度应尽可能低一些，但应保证急冷前的钢管温度略高于其相变点A₃。根据被冷钢管管径的粗细和壁厚大小，可选择合适的内冷水压和射流速度，水压范围为3～16公斤力/厘米²，射流速度为5～22米/秒之间。钢管转速范围为180～900转/分，选用无级调速。外冷水压调节范围为0.30～1.5公斤力/厘米²，以便保证有效注流高度≥400毫米。

由于本发明采用旋转辊道和上压辊，所以对热态钢管有一定矫直作用，使热轧后平直度较差的钢管，也能顺利通过该冷却装置，并得到矫直。冷却后，钢管的平直度一般＜5mm/1000mm，表面残余应力小。

在冷却过程中，管壁与水之间的传热过程主要表现为受迫对流核沸腾传热和湍流受迫对流传热。传热系数最大可达35000千卡/米²·小时·度，最大冷却速度可达850℃/秒，沿壁厚平均冷却速度大于90℃/秒。由于被冷钢管在传动辊辊面的螺旋线作用下，既作旋转运动，又具有适当的轴向移动，因而给强化冷却和均匀化冷却创造了有利条件，使园周方向、径向和轴向冷却都很均匀。由于外冷水的有效注流高度（≥400mm）大大地超过了喷口与钢管的距离，从而保证被冷钢管处于注流段内。注流段冷却能力强，水柱稳定，避免了二次水冷却对冷却均匀性的不良影响。此外，孔板制造加工简单，便于水室均压。

通过本发明进行余热处理的钢管，力学性能大幅度提高，且节约大量能源。

根据工艺要求，本发明可进行单一内冷或单一外冷或内、外冷同时进行。

实施例

将本发明的冷却装置安装在“100机组”辊道旁。对尺寸为73×5.0×8500毫米的35号钢和50号钢地质管进行减径余热处理。所采用的内冷水压为4公斤力/厘米²，射流速度为5.2米/秒外冷水压为0.4公斤/厘米²，内冷供水量为80米³/小时，外冷供水量为270米³/小时，冷却时间8秒。所测得的传热系数为17600千卡/米²·小时·度，冷却速度为326℃/秒，沿钢管壁厚平均冷却速度为107℃/秒。表面残余应力为1.4公斤/毫米²。冷后钢管平直度小于3mm/1000mm。

钢管冷却后，随机取样，测试其力学性能，其结果列入表1。为了便于比较，将热轧态的（未进行余热处理）的30号钢和50号钢的热轧钢管的力学性能也列入了表1，并将地质套管DZ55、DZ60和DZ40的国家标准（GB3429-82）也一并列入表1。

由表1看出，经本发明进行余热处理的30号钢和50号钢地质套管的力学性能远远高于同钢种同规格的未经余热处理的热轧管性能，也高于DZ55、DZ60和DZ40合金钢管的国家标准所规定的指标，即可以用经余热处理的碳钢钢管代替未经处理的合金钢钢管。

另外，经济效果显著，经本发明进行减径余热处理的73×5mm    50号钢管，其性能达到DZ55水平，但能耗比DZ55进行普通热处理（单独加热淬火+回火）节省68公斤标准煤/吨管，增加收入570元/吨管。

Claims (6)

1、一种包含内、外冷喷咀和支承辊道的热轧钢管余热处理冷却装置，其特征在于这种冷却装置由上压辊、若干组传动辊组成的旋转辊道、射流喷咀及与其相连的高压水室以及外冷注流式孔板组成。

2、根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于传动辊由动力驱动，传动辊的辊面有螺旋线。

3、根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于传动辊面的螺旋线可选用宽牙顶方型或梯型。

4、根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于外冷注流式孔板由孔板、喇叭形喷咀、外冷水室和进水均压管组成。

5、根据权利要求1和4所述的冷却装置，其特征在于外冷注流式孔板沿轴向安装在旋转辊道中心线的正下方，孔板上表面距离被冷钢管下表面约为200毫米左右。

6、一种采用高速射流内冷和喷口外冷的热轧钢管减径余热处理工艺，其特征在于热态钢管冷却前的温度应略高于该钢相变点A₃，内冷水压为3～16公斤力/厘米²，内冷水射流速度为5～22米/秒;外冷水压为0.30～1.5公斤力/厘米²，有效注流高度≥400毫米;钢管被转动的转速为180～900转/分。

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