热轧H型钢控制冷却工艺研究

谈群峰

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司型钢厂，山东 济南 271104）

以未安装控制冷却装置的H型钢生产线为例，这样的热轧生产线将给生产过程带来三方面不良影响：第一，由于腹板冷却速度快，而翼缘冷却速度慢，二者之间极易产生较大的温度差，而在腹板与翼缘处分别形成残余压应力与拉应力；第二，在生产高强度H型钢产品时，常常采取微合金化的方法，导致吨钢成本升高，而且这种方法产出的钢产品也极易出现质量缺陷，力学性能极不稳定；第三，热轧H型钢的终轧温度过高，如果没有冷却装置，冷床的冷却功能就会弱化，进而给钢产品产量造成严重影响。因此，技术人员需要对该生产线的控制冷却工艺进行优化和创新，以确保钢产品的质量与产量，促进企业经济效益的提升[1]。

1 H型钢热轧生产线简述

图1 H型钢热轧生产线图例

由图1可以看出，U2与Uf的间隔距离为130 m，Uf的输出辊道长度为10 m，在H型钢轧制过程中，轧制后的H型钢长度值在90 m以下，Uf的轧制速度为3 m/s，U2轧后温度介于900~1 050℃之间，Uf的轧后温度介于900~950℃之间。

由此可以得：控冷装置的安装位置应当在距离Uf前20~30 m、距离Uf后10 m的辊道上，而Uf前冷却与后冷却时间分别为6~10 s和3 s。

确定控冷装置的安装位置后，技术人员需要结合加工生产流程合理设置控冷目标。首先考虑H型钢产品的强度，强度值应当高于未安装控冷装置生产线钢产品的50 MPa以上，微合金元素的含量应当下降至控冷前的50%以下。而H型钢产品的规格指标应当满足于标准要求，即338 mm×325 mm×30.5 mm×30.5 mm，经过控冷处理后，H型钢产品的返红温度应当达到700℃左右。规格参考值为H300mm×150mm~H800 mm×300 mm，H200 mm×200 mm~H400 mm×400 mm，钢种参考值为Q235、Q345以及BS55C。

2 热轧H型钢控制冷却工艺原理

2.1 冷却方式

冷却方式主要包括层流冷却、穿水冷却、喷射冷却以及喷雾冷却。层流冷的对流换热系数为4 000~6 000 W/（m2·℃）、穿水冷却的对流换热系数为2 000~22 000 W/（m2·℃），喷射冷却的对流换热系数为5 000~8 000 W/（m2·℃）、喷雾冷却的对流换热系数为233~17 500 W/（m2·℃）。在H型钢的轧制生产线中，通常采取喷射与喷雾冷却相结合的方法。这种方法的应用优势在于可以随时控制喷射水量，进而有效调节冷却速度。以喷雾冷却为例，在喷射过程中，水雾化气体不会影响传热效果，而且雾状气体流能够均匀分布在轧件上面，使轧件各个部位的冷却速度能够保持一致。

2.2 冷却强度

前面已经提到，控冷装置的安装位置在距离Uf前20~30 m、距离Uf后10 m的辊道上，如果在距离Uf后10 m的输出辊道上安装控冷装置，H型钢的返红温度应当在3 s之内回归到750℃，H型钢的轧制件表面温度最低不得小于360℃，而平均冷却速度应保持在66.7℃/s左右，这样，才能确保H型钢产品的质量满足标准满足[2]。

2.3 控冷原理

与其他类型的钢材相比，H型钢在轧制过程中，R角以及翼缘中心位置温度较高，而腹板中心与翼缘顶端的温度较低，因此，在设置控冷目标时，主要以降低R角及翼缘中心位置的温度为主。为了验证控冷装置的控冷效果，需要通过现场试验对控冷装置的适用性进行分析。该试验装置主要由三部分组成：上排喷嘴冷却H型钢翼缘的上内侧面与R角、下排喷嘴冷却翼缘的下内侧面与R角以及两侧喷嘴冷却翼缘的外侧面。在试验过程中，冷却方式可以选择静止方式，也可以选择运动方式，其中运动冷却方式是指辊道上的H型钢在推力的作用下来回反复运动，使H型钢的翼缘位置逐渐冷却。喷嘴的形状为水气雾化矩形喷嘴，以每排设置6个喷此为宜，喷雾角度控制在90°，喷雾范围能够达到300 mm，这样，能够收到理想的冷却效果。控冷装置结构组成如图2所示。

图2 控冷装置结构组成

3 H型钢控制冷却工艺与优化措施

3.1 控冷装置的初步设计方案

该试验中的控制装置的安装位置处于精轧机组后导卫与横移辊道间的10 m长的输送辊道处，这种安装方法能够有效降低微合金含量，改善H型钢的力学性能。但是，由于我国在H型钢控冷领域的研究成果较少，经验欠缺，因此，出于节约经费考虑，该试验主要分为两个步骤：

1）离线进行控冷试验，同时记录各项试验参数。

2）结合离线试验测定的结果数据，对控冷工艺进行优化，以达到提高H型钢产品质量与产量的目的。

3.2 控冷试验结果分析

在控冷试验开始前，首先需要确定H型钢试样的规格参数，该试验选择的H型钢试样规格为：305 mm×305 mm×223 kg，厚度为30.5 mm，长度为500 mm的BS55C钢桩。当钢样选取完毕，将其放入高温电阻炉当中进行加热，当试样温度达到1 000℃左右时，把试样放置在辊道上面，然后开启喷嘴，形成稳定喷射流，当钢试样的温度降至初始设定值时，将试样送进冷却区，最后，测定出钢试样的冷却参数与组织性能。

控冷试验结果表明：当喷射水压介于0.20～0.25 MPa之间，喷射气压值介于0.15～0.25 MPa，水流量与气流量分别在200～350 L/h与9.5～15.0 m3/h之间时，该控冷装置的冷却速率介于15～30℃/s之间，与66.7℃/s的标准计算值相差甚远，因此，可以得出结论，该控冷装置在3 s的时间内，无法达到700℃的标准返红温度。如果冷却条件相同，那么H型钢试样的R角处的冷却速度明显大于翼缘中心的冷却速度，产生这种情况的主要原因是由于喷嘴所处的位置与R角接近，喷射范围受到限制，而喷射冲击力相对较大，进而出现局部冷却速度过快的现象。通过这一试验生产出的钢产品组织成分为铁素体与珠光体的混合体，与其它冷却方式不同的是，试验中采用的冷却装置产生的铁素体含量较多，钢产品的屈服强度值提高了近50 MPa左右，如果将离线冷却装置改为在线冷却装置，钢产品的屈服强度也将得到大幅提升。

3.3 控冷工艺的优化措施

如果采用之前的控冷装置，将其安装在距离Uf后10 m的位置，冷却时间为3 s，那么H型钢轧件的最大温度降低值只能达到90℃，假设此时的轧件温度为950℃，那么冷却后的温度最低也只能降到860℃，这与既定的控冷目标存在的较大差距，因此，为了加快冷却速度，提高钢产品质量与产量，可以通过调整控冷装置安装位置的方法进行试验验证。

将控冷装置安装在距离Uf前20～30 m的位置，冷却时间介于6～10 s之间，此时，最大温度降低值能够达到180～300℃，当H型钢轧件出U2后，表面最高温度将达到1 050℃，如果根据最低与最高温降值，可以计算出冷却后的轧件温度值介于870～750℃之间。但是，在实际生产过程中，由于电机动力性与功能的限制，Uf的轧制温度应当始终高于800℃，这样一来，如果H型钢试样的轧制温度为800℃，那么经过3 s冷却后，返红温度能够达到700℃左右，这就实现了既定的控冷目标。由此可以得出结论，控冷装置在Uf前的长度为25 m，在Uf后的长度为10 m，这样的冷却效果能够达到最佳状态。

4 结语

通过上述试验可以看出，热轧H型钢的控冷工艺在经过优化处理后，轧件的返红温度能够快速从原来的950℃下降到700℃，这不仅实现了预定的控冷指标，而且对改善和优化H型钢产品的力学性能起到积极的辅助作用。因此，广大技术人员在实际生产当中，应当不断摸索和探寻各种新型的冷却工艺，在保证H型钢产品质量的前提下，为企业创造更多的经济效益。