熱軋H型鋼控制冷卻工藝研究

談群峰

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司型鋼廠，山東 濟南 271104）

以未安裝控制冷卻裝置的H型鋼生產線為例，這樣的熱軋生產線將給生產過程帶來三方面不良影響：第一，由于腹板冷卻速度快，而翼緣冷卻速度慢，二者之間極易產生較大的溫度差，而在腹板與翼緣處分別形成殘余壓應力與拉應力；第二，在生產高強度H型鋼產品時，常常采取微合金化的方法，導致噸鋼成本升高，而且這種方法產出的鋼產品也極易出現質量缺陷，力學性能極不穩定；第三，熱軋H型鋼的終軋溫度過高，如果沒有冷卻裝置，冷床的冷卻功能就會弱化，進而給鋼產品產量造成嚴重影響。因此，技術人員需要對該生產線的控制冷卻工藝進行優化和創新，以確保鋼產品的質量與產量，促進企業經濟效益的提升[1]。

1 H型鋼熱軋生產線簡述

圖1 H型鋼熱軋生產線圖例

由圖1可以看出，U2與Uf的間隔距離為130 m，Uf的輸出輥道長度為10 m，在H型鋼軋制過程中，軋制后的H型鋼長度值在90 m以下，Uf的軋制速度為3 m/s，U2軋后溫度介于900~1 050℃之間，Uf的軋后溫度介于900~950℃之間。

由此可以得：控冷裝置的安裝位置應當在距離Uf前20~30 m、距離Uf后10 m的輥道上，而Uf前冷卻與后冷卻時間分別為6~10 s和3 s。

確定控冷裝置的安裝位置后，技術人員需要結合加工生產流程合理設置控冷目標。首先考慮H型鋼產品的強度，強度值應當高于未安裝控冷裝置生產線鋼產品的50 MPa以上，微合金元素的含量應當下降至控冷前的50%以下。而H型鋼產品的規格指標應當滿足于標準要求，即338 mm×325 mm×30.5 mm×30.5 mm，經過控冷處理后，H型鋼產品的返紅溫度應當達到700℃左右。規格參考值為H300mm×150mm~H800 mm×300 mm，H200 mm×200 mm~H400 mm×400 mm，鋼種參考值為Q235、Q345以及BS55C。

2 熱軋H型鋼控制冷卻工藝原理

2.1 冷卻方式

冷卻方式主要包括層流冷卻、穿水冷卻、噴射冷卻以及噴霧冷卻。層流冷的對流換熱系數為4 000~6 000 W/（m2·℃）、穿水冷卻的對流換熱系數為2 000~22 000 W/（m2·℃），噴射冷卻的對流換熱系數為5 000~8 000 W/（m2·℃）、噴霧冷卻的對流換熱系數為233~17 500 W/（m2·℃）。在H型鋼的軋制生產線中，通常采取噴射與噴霧冷卻相結合的方法。這種方法的應用優勢在于可以隨時控制噴射水量，進而有效調節冷卻速度。以噴霧冷卻為例，在噴射過程中，水霧化氣體不會影響傳熱效果，而且霧狀氣體流能夠均勻分布在軋件上面，使軋件各個部位的冷卻速度能夠保持一致。

2.2 冷卻強度

前面已經提到，控冷裝置的安裝位置在距離Uf前20~30 m、距離Uf后10 m的輥道上，如果在距離Uf后10 m的輸出輥道上安裝控冷裝置，H型鋼的返紅溫度應當在3 s之內回歸到750℃，H型鋼的軋制件表面溫度最低不得小于360℃，而平均冷卻速度應保持在66.7℃/s左右，這樣，才能確保H型鋼產品的質量滿足標準滿足[2]。

2.3 控冷原理

與其他類型的鋼材相比，H型鋼在軋制過程中，R角以及翼緣中心位置溫度較高，而腹板中心與翼緣頂端的溫度較低，因此，在設置控冷目標時，主要以降低R角及翼緣中心位置的溫度為主。為了驗證控冷裝置的控冷效果，需要通過現場試驗對控冷裝置的適用性進行分析。該試驗裝置主要由三部分組成：上排噴嘴冷卻H型鋼翼緣的上內側面與R角、下排噴嘴冷卻翼緣的下內側面與R角以及兩側噴嘴冷卻翼緣的外側面。在試驗過程中，冷卻方式可以選擇靜止方式，也可以選擇運動方式，其中運動冷卻方式是指輥道上的H型鋼在推力的作用下來回反復運動，使H型鋼的翼緣位置逐漸冷卻。噴嘴的形狀為水氣霧化矩形噴嘴，以每排設置6個噴此為宜，噴霧角度控制在90°，噴霧范圍能夠達到300 mm，這樣，能夠收到理想的冷卻效果。控冷裝置結構組成如圖2所示。

圖2 控冷裝置結構組成

3 H型鋼控制冷卻工藝與優化措施

3.1 控冷裝置的初步設計方案

該試驗中的控制裝置的安裝位置處于精軋機組后導衛與橫移輥道間的10 m長的輸送輥道處，這種安裝方法能夠有效降低微合金含量，改善H型鋼的力學性能。但是，由于我國在H型鋼控冷領域的研究成果較少，經驗欠缺，因此，出于節約經費考慮，該試驗主要分為兩個步驟：

1）離線進行控冷試驗，同時記錄各項試驗參數。

2）結合離線試驗測定的結果數據，對控冷工藝進行優化，以達到提高H型鋼產品質量與產量的目的。

3.2 控冷試驗結果分析

在控冷試驗開始前，首先需要確定H型鋼試樣的規格參數，該試驗選擇的H型鋼試樣規格為：305 mm×305 mm×223 kg，厚度為30.5 mm，長度為500 mm的BS55C鋼樁。當鋼樣選取完畢，將其放入高溫電阻爐當中進行加熱，當試樣溫度達到1 000℃左右時，把試樣放置在輥道上面，然后開啟噴嘴，形成穩定噴射流，當鋼試樣的溫度降至初始設定值時，將試樣送進冷卻區，最后，測定出鋼試樣的冷卻參數與組織性能。

控冷試驗結果表明：當噴射水壓介于0.20～0.25 MPa之間，噴射氣壓值介于0.15～0.25 MPa，水流量與氣流量分別在200～350 L/h與9.5～15.0 m3/h之間時，該控冷裝置的冷卻速率介于15～30℃/s之間，與66.7℃/s的標準計算值相差甚遠，因此，可以得出結論，該控冷裝置在3 s的時間內，無法達到700℃的標準返紅溫度。如果冷卻條件相同，那么H型鋼試樣的R角處的冷卻速度明顯大于翼緣中心的冷卻速度，產生這種情況的主要原因是由于噴嘴所處的位置與R角接近，噴射范圍受到限制，而噴射沖擊力相對較大，進而出現局部冷卻速度過快的現象。通過這一試驗生產出的鋼產品組織成分為鐵素體與珠光體的混合體，與其它冷卻方式不同的是，試驗中采用的冷卻裝置產生的鐵素體含量較多，鋼產品的屈服強度值提高了近50 MPa左右，如果將離線冷卻裝置改為在線冷卻裝置，鋼產品的屈服強度也將得到大幅提升。

3.3 控冷工藝的優化措施

如果采用之前的控冷裝置，將其安裝在距離Uf后10 m的位置，冷卻時間為3 s，那么H型鋼軋件的最大溫度降低值只能達到90℃，假設此時的軋件溫度為950℃，那么冷卻后的溫度最低也只能降到860℃，這與既定的控冷目標存在的較大差距，因此，為了加快冷卻速度，提高鋼產品質量與產量，可以通過調整控冷裝置安裝位置的方法進行試驗驗證。

將控冷裝置安裝在距離Uf前20～30 m的位置，冷卻時間介于6～10 s之間，此時，最大溫度降低值能夠達到180～300℃，當H型鋼軋件出U2后，表面最高溫度將達到1 050℃，如果根據最低與最高溫降值，可以計算出冷卻后的軋件溫度值介于870～750℃之間。但是，在實際生產過程中，由于電機動力性與功能的限制，Uf的軋制溫度應當始終高于800℃，這樣一來，如果H型鋼試樣的軋制溫度為800℃，那么經過3 s冷卻后，返紅溫度能夠達到700℃左右，這就實現了既定的控冷目標。由此可以得出結論，控冷裝置在Uf前的長度為25 m，在Uf后的長度為10 m，這樣的冷卻效果能夠達到最佳狀態。

4 結語

通過上述試驗可以看出，熱軋H型鋼的控冷工藝在經過優化處理后，軋件的返紅溫度能夠快速從原來的950℃下降到700℃，這不僅實現了預定的控冷指標，而且對改善和優化H型鋼產品的力學性能起到積極的輔助作用。因此，廣大技術人員在實際生產當中，應當不斷摸索和探尋各種新型的冷卻工藝，在保證H型鋼產品質量的前提下，為企業創造更多的經濟效益。