氣霧冷卻系統在H 型鋼控冷技術中的應用

2022-07-07 10:41:58藺物潤李愛臣

一重技術 2022年3期

藺物潤，李愛臣

H 型鋼具有抗彎性能好、結構質量輕、承載能力大、鉚焊簡單等優點，隨著國內廠房建筑，橋梁、地鐵及設備制造業的不斷發展，H 型鋼得到普遍應用。如今，H 型鋼生產線控制冷卻技術日趨成熟[1]，而如何將氣霧冷卻系統在生產線上合理應用，實現數字化控制，提高設備使用效率、降低成本是本文闡述的主要內容。

1 氣霧冷卻技術介紹

氣霧冷卻是通過調整壓力控制壓縮空氣和水在噴嘴內的混合比，形成需要的霧化狀態，然后噴射到軋件表面進行熱交換，達到冷卻效果。氣霧冷卻較水冷，空冷擁有更加優良的冷卻能力：

（1）高壓空氣可將水顆粒噴向鋼材表面，打碎鋼材表面因高溫形成的氣膜，大大增強傳熱效率，提高冷卻效果。

（2）通過調節水和氣的比例，使冷卻速度可調。

（3）彌散氣霧顆粒成面式散落，冷卻均勻。

2 H 型鋼生產線氣霧冷卻的應用

根據H型鋼生產工藝的冷卻控制要求，分別在軋制區、軋后區和冷床區采用氣霧冷卻方式。

2.1 軋制區氣霧冷卻的應用

（1）軋制區氣霧冷卻必要性

目前，常用冷卻方式為水冷。水冷冷卻雖然能達到工藝要求，但是存在許多問題。

①軋制時H 型鋼與軋輥相接觸面，其中，在型鋼腰腿連接的R 角處軋制力最大，溫度較高，而翼緣和腹板位置溫度較低（見圖1）。由于軋輥表面溫度不均，使軋件斷面溫度差異較大，所以金屬流動差異變大，導致軋輥表面磨損不均。R 角部位與軋輥中部相差35～45 ℃，與軋輥側壁相差15～25 ℃，造成軋輥R 角磨損快，嚴重影響軋輥的一次過鋼量。

圖1 H 型鋼水平軋輥和鋼接觸的狀態

②H 型鋼斷面形狀為H 形，在軋制過程中上半側槽形會積存大量冷卻水。因水流密度分布差異較大，造成H 型鋼斷面溫差較大，對金屬組織形態均勻變化不利。

上述的問題可通過氣霧冷卻改善。

（2）軋制區氣霧冷卻系統布置

針對水冷造成的軋輥輥身溫度不均問題，在出、入口機架的上、下橫梁處，以及機架內側的上、下方各安裝2 組氣霧冷卻噴嘴。對上、下水平軋輥輥身和軋輥側面進行可調整的氣霧冷卻，控制軋輥表面溫度的均勻度。

針對水冷H 型鋼時上槽積水使H 型鋼斷面溫差大的問題，在串列軋機前后的移動對中裝置上安裝氣霧冷卻噴嘴，從翼緣外側冷卻翼緣與腹板結合部的R 角高溫區，以縮小翼緣和腹板的溫度差。

軋制區域的氣霧冷卻系統由供水系統、供氣系統、氣霧噴嘴及附屬控制裝置組成。該系統采用濁環水系統供水，水壓0.4～0.6 MPa，氣源采用廠房內的壓縮空氣，氣壓0.4～0.6 MPa。在各主要支管上安裝數字電動調節球閥、電磁流量計和電傳壓力表，用于反饋和調節氣霧流量。

軋輥R 角冷卻噴嘴采用PZWH11-96/75J5 型噴嘴，噴射角度96°，噴水量為38 L/min；上輥水平輥面、側壁冷卻采用PZWH11-75/75J5 型噴嘴，噴射角度75°，噴水量為25 L/min；下軋輥水平輥面、側壁冷卻采用PZWH11-96/75J5 型噴嘴，噴射角度96°，噴水量為38 L/min。

串列軋機前后移動對中裝置每側冷卻分為四段，每段布置3 個噴嘴，分段控制。冷卻噴嘴采用PZWH11-96/60J5 型噴嘴，噴射角度60°，每個噴嘴噴水量為18 L/min。噴嘴安裝在移動對中裝置的推板上，隨推板移動。

（3）軋制區氣霧冷卻使用效果

①軋輥冷卻效果

采用氣霧冷卻后，軋輥輥身溫度和側壁溫度相同，R 角溫度和中部溫度差降至5 ℃以內，軋輥R角老化及磨損速度明顯減緩，軋輥一次過鋼量提高了15%～20%。

②軋制效果

采用氣霧冷卻后，H 型鋼腹板槽內殘留積水量減少70%。加上移動對中裝置區域氣霧冷卻系統的輔助作用，H 型鋼斷面溫差明顯縮小。H 型鋼腹板中心與翼緣中心溫差由140～160 ℃降至90～100℃左右，有效控制軋制過程中腹板和翼緣波浪的產生。

③能耗控制

采用水冷冷卻時，三架軋機總用水量約600 m3/h；改用氣霧冷卻后，三架軋機及前后移動對中裝置總用水量約為290 m3/h，減少約51%。

④除塵效果

氣霧冷卻噴嘴噴出的彌散氣霧顆粒細小均勻，可與軋制過程中產生的粉塵顆粒粘合，并隨氣霧噴嘴產生的氣壓下落，有效減少軋機區域的粉塵污染。

2.2 軋后區氣霧冷卻技術的應用

（1）軋后區氣霧冷卻必要性

由于H 型鋼的特殊斷面形態，在自然冷卻過程中會出現冷卻不均勻情況，產生很大的應力差，造成H 型鋼內部殘余應力大，硬度、強度、韌性和塑性等力學性能都會降低[2、3]，不但影響機械性能，還會引起腹板和翼緣波浪等缺陷。另外，還會使H 型鋼R 角經常出現皰疹狀缺陷。

軋后區氣霧控制冷卻技術使H 型鋼終軋后獲得細化鐵素體晶粒，提高材料強度和硬度。

（2）軋后區氣霧冷卻系統布置

筆者根據采樣數據建立起H 型鋼斷面的溫度場（見圖2）。為了使斷面溫度均勻，控制不同部位的噴嘴進行不等量的氣霧冷卻（見圖3）。

圖2 軋后H 型鋼斷面溫度場分布

圖3 軋后H 型鋼斷面氣霧冷卻噴嘴布置

（3）軋后區氣霧冷卻系統布置

該氣霧冷卻系統布置在UF 軋機后的延伸輥道內。生產線軋制速度為3.5～6 m/s，按照工藝要求，需將型鋼冷卻至結晶溫度以下。根據計算和論證，連續噴霧冷卻時間按照12 s 設計，則氣霧冷卻噴嘴延輥道運輸方向布置總長72 m，可分段控制。翼緣外側冷卻噴嘴采用PZWH11-96/75J5 型噴嘴;上腹板冷卻采用PZWH11-96/60J5 型噴嘴；下腹板冷卻噴嘴采用PZWH11-96/75J5 型噴嘴。根據延伸輥道寬度及最寬腹板，沿輥道運輸方向每隔500 mm 布置一組噴嘴，總計145 組，分20 段控制，滿足不同軋制速度的連續冷卻需要；此外，為了適應不同翼緣高度和腹板寬度，要求翼緣外側噴嘴的高度必須可調，腹板部噴嘴的寬度可調。

（4）軋后區氣霧冷卻使用效果

①斷面溫度均勻、溫差小

經過軋后控制冷卻，H 型鋼整體已經冷卻到結晶溫度以下，各部位表面溫差，以及芯部溫差均在20 ℃左右。因斷面溫差小，冷卻均勻，有效控制H 型鋼出現腹板波浪，下并上擴等缺陷。

②H 型鋼顯微組織改善

分別采取空冷和氣霧冷卻時，對H 型鋼典型部位取樣檢測。結果顯示，經過空冷的顯微組織晶粒粗大（見圖4）；經過氣霧冷卻的顯微組織晶粒細化（見圖5）。可以看出采用氣霧冷卻后，斷面組織形態得到很好改善。

圖4 空冷狀態下顯微組織圖

圖5 氣霧冷卻狀態下顯微組織圖

③H 型鋼力學性能明顯提升

在H 型鋼上采樣做力學性能實驗，得到力學性能（見表1）。

表1 機械性能表

可以看出，采取氣霧冷卻后，在伸長率基本不變的情況下屈服強度和抗拉強度提高了18.8 MPa以上。

④表面質量顯著提高

空冷狀態下H 型鋼表面，特別是翼緣外側和R 角處氧化鐵皮厚；采用氣霧冷卻后，H 型鋼表面，特別是R 角處氧化鐵皮變薄，表面粗糙度顯著提高。

2.3 冷床區氣霧冷卻技術的應用

（1）冷床區氣霧冷卻的作用

經過軋后控制冷卻，H 型鋼溫度已經降到結晶溫度之下。所以冷床區的氣霧冷卻主要作用是快速降溫，提高生產節奏，解決冷床冷卻效率不足的問題。

（2）冷床區氣霧冷卻系統的布置

目前，H 型鋼生產線冷床以鏈式冷床加步進冷床的復合冷床為主。在步進冷床區H 型鋼以“H”型擺放，且該區域設備密度較大，不適合作為氣霧冷卻區；鏈式冷床區H 型鋼按“工”字擺放，冷卻水不易積存，覆蓋面大，故將氣霧冷卻布置在該區域。共鋪設四組八條冷卻管道，在每組主管上安裝橫向調節機構，保證每種規格的型鋼都能得到充分冷卻。此外，在第二、三、四組冷卻位置安裝金屬測溫儀，用于檢測H 型鋼溫是否降至工藝要求溫度，以此調整氣霧冷卻量。

在冷床區采取普通氣霧冷卻存在以下不足：

①由于冷床較長，導致管線過長，而普通氣霧噴嘴耗水量大，管道壓降快，需要增設增壓設備。

②H 型鋼按“工”字型擺放時，因規格不同，高度差較大，普通氣霧噴嘴難以覆蓋。

因此，筆者建議采用超聲波干霧噴嘴，該噴嘴耗水量少，噴射距離遠，擴散面積大。

3 氣霧冷卻系統總體設計

3.1 供水系統及供氣系統

全線三大氣霧冷卻區全部采用工廠濁環水系統供水。其優點如下：

（1）分段就近取水，減少管道施工量。

（2）集中供水，水耗能耗便于統計核算成本。

（3）在水泵房增加水泵，不需要為每個區域增加一套供水設備，節省投資和空間。

（4）采用國內主流濁環水循環系統的過濾凈化設備功能強大，有效保證水質和清潔度，極大地減少噴嘴損耗。

可用現有壓縮空氣集中供氣，或者投入一個空壓機站為三個系統供氣。

3.2 末端氣霧冷卻系統

根據冷卻要求不同，各區域氣霧冷卻系統主管和支管安裝數字電動調節球閥、電磁流量計和電傳壓力表反饋調節氣霧冷卻中水和氣的用量。

3.3 智能控制系統

氣霧控制系統包括基礎自動化系統和過程自動化系統兩大部分，主要由PLC、閥臺、服務器、工程師站及網絡設備等構成（見圖6）。基礎自動化系統通過溫度檢測儀表、輪廓儀等檢測元件采集溫度、外形尺寸等數據并上傳給過程自動化控制系統，觸發模型設定參數，由過程自動化系統將設定數據下發給基礎自動化系統，控制電動調節閥，并將流量、壓力、冷卻后溫度、外形尺寸、表面質量等數據回傳到過程自動化系統，經過數據對比，計算模糊值，再進行微量調整。