气雾冷却系统在H 型钢控冷技术中的应用

2022-07-07蔺物润李爱臣

一重技术 2022年3期

蔺物润，李爱臣

H 型钢具有抗弯性能好、结构质量轻、承载能力大、铆焊简单等优点，随着国内厂房建筑，桥梁、地铁及设备制造业的不断发展，H 型钢得到普遍应用。如今，H 型钢生产线控制冷却技术日趋成熟[1]，而如何将气雾冷却系统在生产线上合理应用，实现数字化控制，提高设备使用效率、降低成本是本文阐述的主要内容。

1 气雾冷却技术介绍

气雾冷却是通过调整压力控制压缩空气和水在喷嘴内的混合比，形成需要的雾化状态，然后喷射到轧件表面进行热交换，达到冷却效果。气雾冷却较水冷，空冷拥有更加优良的冷却能力：

（1）高压空气可将水颗粒喷向钢材表面，打碎钢材表面因高温形成的气膜，大大增强传热效率，提高冷却效果。

（2）通过调节水和气的比例，使冷却速度可调。

（3）弥散气雾颗粒成面式散落，冷却均匀。

2 H 型钢生产线气雾冷却的应用

根据H型钢生产工艺的冷却控制要求，分别在轧制区、轧后区和冷床区采用气雾冷却方式。

2.1 轧制区气雾冷却的应用

（1）轧制区气雾冷却必要性

目前，常用冷却方式为水冷。水冷冷却虽然能达到工艺要求，但是存在许多问题。

①轧制时H 型钢与轧辊相接触面，其中，在型钢腰腿连接的R 角处轧制力最大，温度较高，而翼缘和腹板位置温度较低（见图1）。由于轧辊表面温度不均，使轧件断面温度差异较大，所以金属流动差异变大，导致轧辊表面磨损不均。R 角部位与轧辊中部相差35～45 ℃，与轧辊侧壁相差15～25 ℃，造成轧辊R 角磨损快，严重影响轧辊的一次过钢量。

图1 H 型钢水平轧辊和钢接触的状态

②H 型钢断面形状为H 形，在轧制过程中上半侧槽形会积存大量冷却水。因水流密度分布差异较大，造成H 型钢断面温差较大，对金属组织形态均匀变化不利。

上述的问题可通过气雾冷却改善。

（2）轧制区气雾冷却系统布置

针对水冷造成的轧辊辊身温度不均问题，在出、入口机架的上、下横梁处，以及机架内侧的上、下方各安装2 组气雾冷却喷嘴。对上、下水平轧辊辊身和轧辊侧面进行可调整的气雾冷却，控制轧辊表面温度的均匀度。

针对水冷H 型钢时上槽积水使H 型钢断面温差大的问题，在串列轧机前后的移动对中装置上安装气雾冷却喷嘴，从翼缘外侧冷却翼缘与腹板结合部的R 角高温区，以缩小翼缘和腹板的温度差。

轧制区域的气雾冷却系统由供水系统、供气系统、气雾喷嘴及附属控制装置组成。该系统采用浊环水系统供水，水压0.4～0.6 MPa，气源采用厂房内的压缩空气，气压0.4～0.6 MPa。在各主要支管上安装数字电动调节球阀、电磁流量计和电传压力表，用于反馈和调节气雾流量。

轧辊R 角冷却喷嘴采用PZWH11-96/75J5 型喷嘴，喷射角度96°，喷水量为38 L/min；上辊水平辊面、侧壁冷却采用PZWH11-75/75J5 型喷嘴，喷射角度75°，喷水量为25 L/min；下轧辊水平辊面、侧壁冷却采用PZWH11-96/75J5 型喷嘴，喷射角度96°，喷水量为38 L/min。

串列轧机前后移动对中装置每侧冷却分为四段，每段布置3 个喷嘴，分段控制。冷却喷嘴采用PZWH11-96/60J5 型喷嘴，喷射角度60°，每个喷嘴喷水量为18 L/min。喷嘴安装在移动对中装置的推板上，随推板移动。

（3）轧制区气雾冷却使用效果

①轧辊冷却效果

采用气雾冷却后，轧辊辊身温度和侧壁温度相同，R 角温度和中部温度差降至5 ℃以内，轧辊R角老化及磨损速度明显减缓，轧辊一次过钢量提高了15%～20%。

②轧制效果

采用气雾冷却后，H 型钢腹板槽内残留积水量减少70%。加上移动对中装置区域气雾冷却系统的辅助作用，H 型钢断面温差明显缩小。H 型钢腹板中心与翼缘中心温差由140～160 ℃降至90～100℃左右，有效控制轧制过程中腹板和翼缘波浪的产生。

③能耗控制

采用水冷冷却时，三架轧机总用水量约600 m3/h；改用气雾冷却后，三架轧机及前后移动对中装置总用水量约为290 m3/h，减少约51%。

④除尘效果

气雾冷却喷嘴喷出的弥散气雾颗粒细小均匀，可与轧制过程中产生的粉尘颗粒粘合，并随气雾喷嘴产生的气压下落，有效减少轧机区域的粉尘污染。

2.2 轧后区气雾冷却技术的应用

（1）轧后区气雾冷却必要性

由于H 型钢的特殊断面形态，在自然冷却过程中会出现冷却不均匀情况，产生很大的应力差，造成H 型钢内部残余应力大，硬度、强度、韧性和塑性等力学性能都会降低[2、3]，不但影响机械性能，还会引起腹板和翼缘波浪等缺陷。另外，还会使H 型钢R 角经常出现疱疹状缺陷。

轧后区气雾控制冷却技术使H 型钢终轧后获得细化铁素体晶粒，提高材料强度和硬度。

（2）轧后区气雾冷却系统布置

笔者根据采样数据建立起H 型钢断面的温度场（见图2）。为了使断面温度均匀，控制不同部位的喷嘴进行不等量的气雾冷却（见图3）。

图2 轧后H 型钢断面温度场分布

图3 轧后H 型钢断面气雾冷却喷嘴布置

（3）轧后区气雾冷却系统布置

该气雾冷却系统布置在UF 轧机后的延伸辊道内。生产线轧制速度为3.5～6 m/s，按照工艺要求，需将型钢冷却至结晶温度以下。根据计算和论证，连续喷雾冷却时间按照12 s 设计，则气雾冷却喷嘴延辊道运输方向布置总长72 m，可分段控制。翼缘外侧冷却喷嘴采用PZWH11-96/75J5 型喷嘴;上腹板冷却采用PZWH11-96/60J5 型喷嘴；下腹板冷却喷嘴采用PZWH11-96/75J5 型喷嘴。根据延伸辊道宽度及最宽腹板，沿辊道运输方向每隔500 mm 布置一组喷嘴，总计145 组，分20 段控制，满足不同轧制速度的连续冷却需要；此外，为了适应不同翼缘高度和腹板宽度，要求翼缘外侧喷嘴的高度必须可调，腹板部喷嘴的宽度可调。

（4）轧后区气雾冷却使用效果

①断面温度均匀、温差小

经过轧后控制冷却，H 型钢整体已经冷却到结晶温度以下，各部位表面温差，以及芯部温差均在20 ℃左右。因断面温差小，冷却均匀，有效控制H 型钢出现腹板波浪，下并上扩等缺陷。

②H 型钢显微组织改善

分别采取空冷和气雾冷却时，对H 型钢典型部位取样检测。结果显示，经过空冷的显微组织晶粒粗大（见图4）；经过气雾冷却的显微组织晶粒细化（见图5）。可以看出采用气雾冷却后，断面组织形态得到很好改善。

图4 空冷状态下显微组织图

图5 气雾冷却状态下显微组织图

③H 型钢力学性能明显提升

在H 型钢上采样做力学性能实验，得到力学性能（见表1）。

表1 机械性能表

可以看出，采取气雾冷却后，在伸长率基本不变的情况下屈服强度和抗拉强度提高了18.8 MPa以上。

④表面质量显著提高

空冷状态下H 型钢表面，特别是翼缘外侧和R 角处氧化铁皮厚；采用气雾冷却后，H 型钢表面，特别是R 角处氧化铁皮变薄，表面粗糙度显著提高。

2.3 冷床区气雾冷却技术的应用

（1）冷床区气雾冷却的作用

经过轧后控制冷却，H 型钢温度已经降到结晶温度之下。所以冷床区的气雾冷却主要作用是快速降温，提高生产节奏，解决冷床冷却效率不足的问题。

（2）冷床区气雾冷却系统的布置

目前，H 型钢生产线冷床以链式冷床加步进冷床的复合冷床为主。在步进冷床区H 型钢以“H”型摆放，且该区域设备密度较大，不适合作为气雾冷却区；链式冷床区H 型钢按“工”字摆放，冷却水不易积存，覆盖面大，故将气雾冷却布置在该区域。共铺设四组八条冷却管道，在每组主管上安装横向调节机构，保证每种规格的型钢都能得到充分冷却。此外，在第二、三、四组冷却位置安装金属测温仪，用于检测H 型钢温是否降至工艺要求温度，以此调整气雾冷却量。

在冷床区采取普通气雾冷却存在以下不足：

①由于冷床较长，导致管线过长，而普通气雾喷嘴耗水量大，管道压降快，需要增设增压设备。

②H 型钢按“工”字型摆放时，因规格不同，高度差较大，普通气雾喷嘴难以覆盖。

因此，笔者建议采用超声波干雾喷嘴，该喷嘴耗水量少，喷射距离远，扩散面积大。

3 气雾冷却系统总体设计

3.1 供水系统及供气系统

全线三大气雾冷却区全部采用工厂浊环水系统供水。其优点如下：

（1）分段就近取水，减少管道施工量。

（2）集中供水，水耗能耗便于统计核算成本。

（3）在水泵房增加水泵，不需要为每个区域增加一套供水设备，节省投资和空间。

（4）采用国内主流浊环水循环系统的过滤净化设备功能强大，有效保证水质和清洁度，极大地减少喷嘴损耗。

可用现有压缩空气集中供气，或者投入一个空压机站为三个系统供气。

3.2 末端气雾冷却系统

根据冷却要求不同，各区域气雾冷却系统主管和支管安装数字电动调节球阀、电磁流量计和电传压力表反馈调节气雾冷却中水和气的用量。

3.3 智能控制系统

气雾控制系统包括基础自动化系统和过程自动化系统两大部分，主要由PLC、阀台、服务器、工程师站及网络设备等构成（见图6）。基础自动化系统通过温度检测仪表、轮廓仪等检测元件采集温度、外形尺寸等数据并上传给过程自动化控制系统，触发模型设定参数，由过程自动化系统将设定数据下发给基础自动化系统，控制电动调节阀，并将流量、压力、冷却后温度、外形尺寸、表面质量等数据回传到过程自动化系统，经过数据对比，计算模糊值，再进行微量调整。