TWM527795U - 降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝置 - Google Patents

Description

降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝 置

本創作是有關於一種噴霧冷卻裝置。

彈簧鋼冷卻速度與各種工藝參數有關，例如：線徑大小、完軋溫度、冷卻床速度、水箱冷卻水流量、冷卻床風量以及冷卻形式等有關。這些因素彼此交互作用、實際生產中很難分析單一因素的變化對其他參數及最終性能的影響。對於彈簧鋼而言，相變一般皆發生在冷卻床上之風冷過程，為了得到更高的細波來鐵比例，相變過程類似鉛浴處理過程，需在等溫條件下快速進行。因此要求相變應發生在強制風冷區，以高速冷卻來帶走相變化的生成熱量。

綜觀國際上各大鋼廠對於彈簧鋼線材完軋後的冷卻控制發展，目前較為普遍使用的仍是以強制吹風冷卻方式，但其缺點為線材盤元兩側與中央之溫差過大、存在冷熱點機性差異以及冷速不易控制等問題。另外，亦有鋼廠採用風冷製程結合水冷噴霧冷卻方式來進行盤元冷卻，但通常仍有水冷噴霧與風冷製程搭配不佳，導致冷卻效果打析，或是噴霧水量不易控制造成滴水與組織過度冷卻等問題。

彈簧鋼主要應用於高級汽車閥門彈簧用途，須 有良好之疲勞壽命，對鋼材清淨度及脫碳層要求極高，亦須具備良好之伸線性，所以組織中不可有變韌鐵及麻田散鐵生成。目前彈簧鋼(緩冷製程)出冷卻床保溫罩後，盤元兩側堆疊處較容易處於高溫狀態，其較盤元的中央部份高出不少溫度。盤元兩側堆疊處之溫度過高，易造成沃斯田鐵變態無法完成，因此空冷後易生成麻田散鐵與變韌鐵組織，造成彈簧鋼特性不符合客戶的需求。

為避免前述的情形，需改良彈簧鋼製程中的冷卻方式，使彈簧鋼之整體盤元的溫度更為均勻。

因此，本創作之一態樣是提出一種噴霧冷卻裝置，藉以降低彈簧鋼盤元圈內溫差。

根據本創作之一態樣提出一種降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝置，其包含二流體管以及複數個水霧噴嘴。二流體管位於一彈簧鋼盤元的冷卻床的兩側。複數個水霧噴嘴等間距的裝設於二流體管上，藉二流體管供應之水噴灑水霧於連續彈簧鋼盤元的兩側。

依據本創作之一實施例，該些個水霧噴嘴的噴嘴孔之孔徑為0.5mm。

依據本創作之一實施例，該些個水霧噴嘴的間距為50cm。

依據本創作之一實施例，二流體管係彼此平行。

依據本創作之一實施例，二流體管之長度為150cm~350cm。

本創作之用於降低彈簧鋼盤元圈內混差之噴霧冷卻系統其優點為：(1)採用精密噴嘴設計，可使水分子噴霧粒徑小於30μm，以提升冷卻水霧化效果以及增加與鋼材接觸換熱面積；(2)透過有限元素法建立盤元冷卻歷程熱傳模型，依據熱流理論計算找出噴嘴之最佳安裝孔徑、間距以及冷卻水量大小等，可使噴霧水滴接觸到盤元表面時立即蒸發掉，無影響現場生產設備與冷卻水回收等問題；(3)安裝位置於冷卻床風冷區前，避免噴霧水滴被風冷區下方之高速風量反向吹走，影響盤元冷卻效果。

100‧‧‧噴霧冷卻裝置

102‧‧‧流體管

104‧‧‧冷卻床

106‧‧‧方向

108‧‧‧彈簧鋼盤元

110‧‧‧水霧噴嘴

110a‧‧‧噴嘴孔

D‧‧‧長度

d‧‧‧間距

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本創作之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。

[圖1]係繪示本創作之噴霧冷卻裝置的俯視的示意圖。

[圖2]係繪示使用本創作之噴霧冷卻裝置前、後的彈簧鋼盤元圈內的溫差曲線圖。

[圖3]係繪示本創作之彈簧鋼盤元於噴霧冷卻前的熱影像測溫儀的量測圖。

[圖4]係繪示本創作之彈簧鋼盤元於噴霧冷卻後的熱影像測溫儀的量測圖。

本創作之一目的係提供一種噴霧冷卻裝置，藉以降低彈簧鋼盤元圈內溫差。

請參照圖1~4，[圖1]係繪示本創作之噴霧冷卻裝置的俯視的示意圖。[圖2]係繪示使用本創作之噴霧冷卻裝置前、後的彈簧鋼盤元圈內的溫差曲線圖。[圖3]係繪示本創作之彈簧鋼盤元於噴霧冷卻前的熱影像測溫儀的量測圖。[圖4]係繪示本創作之彈簧鋼盤元於噴霧冷卻後的熱影像測溫儀的量測圖。

噴霧冷卻裝置100基本上包含二流體管102及其上安裝的複數個水霧噴嘴110。二流體管102位於一彈簧鋼盤元108的冷卻床104的兩側。冷卻床104用以承載連續輸出的彈簧鋼盤元108朝方向106前進。複數個水霧噴嘴110基本上以等間距方式裝設於二流體管102上，並藉二流體管供應之水噴灑水霧於一連續彈簧鋼盤元108的兩側。依據本創作之一實施例，水霧噴嘴110的噴嘴孔110a之孔徑為0.5mm。依據本創作之一實施例，水霧噴嘴110的間距(d)為50cm。依據本創作之一實施例，二流體管102係彼此平行。依據本創作之一實施例，二流體管102之長度(D)為150cm~350cm。

本創作乃開發設計一套降低盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝置，結合現場實驗量測與熱傳理論，經上線使用後，盤元圈內溫差有明顯降低，並可使國內溫差控制在30℃ 以內(參照圖4的量測結果)。彈簧鋼盤元圈內溫差控制在30℃以內後，可使其平均抗拉強度可達1080Mpa，最大值為1106Mpa，最小值為985Mpa，均符合管制規格之800~1200Mpa。另，彈簧鋼盤元之圈內抗拉強度變異度由20.4kg/mm²降為12.1kg/mm²，硬度(HRC)變異由6.5降為4.2，平均斷面縮率為60%，最大值達68%，最小值為51%，亦達到下限值為50%之品管要求。

此外，彈簧鋼盤元圈內溫差控制在30℃以內後，亦使5.5mm的彈簧鋼盤元一次連伸至2.7mm不斷線(減面率76%)，省去以往抽線前皆需再經過中間退火製程，減少客戶端2000元/噸的退火成本。

為了控制鋼材的相變組織及提高力學性能，通常在線材冷卻床上對於熱軋後的高速線材進行控制冷卻。此冷卻設定乃由鋼種的化學成分及內部組織性能之要求來決定。當完軋線材散置在冷卻冷卻床上時，進行風冷作業，實現線材的組織轉變，而冷卻速度和相變區間則決定了線材的最終性能及整體組織均勻性。

本創作之實施例乃以實驗量測結合熱傳理論，開發線上盤元冷卻製程熱傳模型，並整合熱流與冶金技術，設計製作一套降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻系統，具有可實施性，可精確控制被冷卻物盤元表面之溫度分佈，是一種全新的鋼材盤元完軋後之冷卻技術與方法。

本創提供一種用於降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻系統設計方法與應用實例，成功建立一套線上冷卻 床噴霧水冷系統，可即時針對盤元兩側高溫處進行冷卻，改善盤元圈內溫差及縮小圈內冷熱點機性差異，減少硬化組織析出，滿足客戶加工需求，達到提升與穩定條線生產品質之雙重功效，成功解決現場長期盤元圈內溫差變異過大，易造成麻田散鐵等異常組織導致剔退之技術瓶頸。

請參照圖1，本創作提出一種用於降低盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝置100，為改善彈簧鋼盤元108兩側溫度過高情況，於冷卻床104之兩側。噴霧冷卻裝置100之設計圖，並透過所開發之熱傳模型進行盤元限速、空氣流量、冷卻水量、噴嘴孔徑與噴嘴間距(例如圖1中的間距d)等進行模擬分析以及冷卻系統規劃設計，使噴霧水霧接觸到盤元表面時立即蒸發掉，不會影響現場生產設備與冷卻水回收等問題。本創作中所使用之噴嘴孔110a之孔徑為0.5mm，噴霧粒徑小於等於30μm，水霧噴嘴110安裝間距為50cm，空氣與水最佳混合比例為3：1，冷卻系統總長度為150cm~350cm(即二流體管之長度(D)為150cm~350cm)，可視應用環境需求及冷卻對象，來擴充水霧噴嘴的安裝數量。

請參照圖2，其所示為彈簧鋼盤元於保溫罩出口處進行溫度量測，發現在彈簧鋼盤元未進行噴霧冷卻前(請同時參照圖3之熱影像測溫儀之溫度量測結果)，盤元圈內兩側之溫度較高，約較中央高出的80℃，但經過噴霧冷卻後，盤元圈內溫差有明顯降低，並可使圈內溫差控制在30℃以內(請同時參照圖4之熱影像測溫儀之溫度量測結果)。

本創作以實驗量測結合熱傳理論，整合熱流與 冶金技術，設計製作一套線上冷卻床噴霧水冷系統，可改善彈簧鋼盤元圈內溫差及縮小圈內冷熱點機性差異，減少硬化組織析出，滿足客戶加工需求，達到提升與穩定條線生產品質之雙重功效。

本創作之用於降低彈簧鋼盤元圈內混差之噴霧冷卻系統其優點為：(1)採用精密噴嘴設計，可使水分子噴霧粒徑小於30μm，以提升冷卻水霧化效果以及增加與鋼材接觸換熱面積；(2)透過有限元素法建立盤元冷卻歷程熱傳模型，依據熱流理論計算找出噴嘴之最佳安裝孔徑、間距以及冷卻水量大小等，可使噴霧水滴接觸到盤元表面時立即蒸發掉，無影響現場生產設備與冷卻水回收等問題；(3)安裝位置於冷卻床風冷區前，避免噴霧水滴被風冷區下方之高速風量反向吹走，影響盤元冷卻效果。

雖然本創作參考所繪示的實施例進行說明，但其並非用以限制本創作。熟悉此技藝者應可輕易利用所繪示的實施例、其他本創作的實施例以及本創作之說明，進行各種潤飾及結合。因此所附加之申請專利範圍係包含任何上述之潤飾或實施例。

100‧‧‧噴霧冷卻裝置

102‧‧‧流體管

104‧‧‧冷卻床

106‧‧‧方向

108‧‧‧彈簧鋼盤元圈

110‧‧‧水霧噴嘴

110a‧‧‧噴嘴孔

D‧‧‧長度

d‧‧‧間距

Claims (5)

1. 一種降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝置，包含：二流體管，位於一彈簧鋼盤元的冷卻床的兩側；以及複數個水霧噴嘴，等間距的裝設於該二流體管上，藉該二流體管供應之水噴灑水霧於一連續彈簧鋼盤元的兩側。
2. 如申請專利範圍第1項所述之降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝置，其中該些個水霧噴嘴的噴嘴孔之孔徑為0.5mm。
3. 如申請專利範圍第1項所述之降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝置，其中該些個水霧噴嘴的間距為50cm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝置，其中該二流體管係彼此平行。
5. 如申請專利範圍第1項所述之降低彈簧鋼盤元圈內溫差之噴霧冷卻裝置，其中該二流體管之長度為150cm~350cm。