一種角鋼的強力穿水冷卻裝置

滕培玉,任吉堂,殷向光

(1.河北聯(lián)合大學冶金與能源學院,河北唐山063009;2.河北鋼鐵集團邯鋼公司,河北邯鄲056001)

0 引 言

控制冷卻技術(shù)是熱軋生產(chǎn)線不可或缺的一項重要技術(shù)。目前,在熱軋鋼板生產(chǎn)線上的層流冷卻、水幕冷卻等控制冷卻技術(shù)都已經(jīng)很成熟;在棒線材生產(chǎn)線上的穿水冷卻技術(shù)也都得到了很廣泛的應(yīng)用。與板帶和棒線材生產(chǎn)線控制冷卻技術(shù)相比,型鋼的控制冷卻技術(shù)相對落后。因此,本文根據(jù)棒材的濁環(huán)水穿水冷卻裝置設(shè)計了一套角鋼軋后穿水冷卻裝置,以解決終軋溫度過高和角鋼力學性能偏低的問題,同時減輕角鋼軋后冷卻過程中的翹曲和殘余應(yīng)力,節(jié)約冷床面積,提高角鋼的力學性能及改善其組織狀態(tài),簡化生產(chǎn)工藝。

1 濁水強力冷卻裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 主冷卻器結(jié)構(gòu)

角鋼穿水冷卻裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是主冷卻器及其噴嘴和紊流套的設(shè)計。角鋼主冷卻器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 角鋼穿水冷卻主冷卻器結(jié)構(gòu)圖

1.2 冷卻噴嘴的設(shè)計

由于角鋼異形斷面特點,其在冷卻時角部和腿部的冷卻速度不一致,角部區(qū)域冷卻速度慢、腿部區(qū)域冷卻速度快。因此,考慮到角鋼軋后控冷時要求實現(xiàn)不同的冷卻速度對角鋼進行冷卻,設(shè)計的冷卻噴嘴的結(jié)構(gòu)特點是由上下兩部分組合而成,如圖2,上冷卻區(qū)由間隔襯板分為3個冷卻區(qū)和下冷卻區(qū),共4個獨立的冷卻區(qū),每個冷卻區(qū)域?qū)嵭袉为毠┧⑴溆姓{(diào)節(jié)水量的電動調(diào)節(jié)閥,通過自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)冷卻水水壓和水量。在使用中,1區(qū)和2區(qū)兩個冷卻區(qū)域冷卻水常開,角鋼通過冷卻噴嘴時對冷卻速度慢的角部進行重點冷卻,進入冷卻管后冷卻水在其周邊進行均勻冷卻,濁環(huán)水冷卻的效率保證角鋼的冷卻過程中的冷卻強度和冷卻速度;3區(qū)和4區(qū)是輔助調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域,其作用是根據(jù)角鋼冷卻過程中冷卻不均產(chǎn)生的溫度差和造成的內(nèi)并、外擴和扭曲等形狀變形量大小,由冷卻裝置出口處的測溫儀和位移傳感器反饋信號,通過自動控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)其壓力和水量來調(diào)整控制角鋼冷卻過程中的冷卻不均,從而實現(xiàn)角鋼控制冷卻過程中的冷卻均勻性。

圖2 角鋼穿水冷卻裝置斷面結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。設(shè)計的濁環(huán)水穿水冷卻裝置冷卻噴嘴的導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)具有的特點:在導(dǎo)流錐與導(dǎo)流錐套之間設(shè)計了收斂的矩形截面弧形導(dǎo)流錐槽(圖4),可以有效防止在采用濁環(huán)水冷卻時重懸浮顆粒堵塞冷卻噴嘴,并且使冷卻水流動阻力小、噴射速度大,有效的保持了噴出的冷卻水以流股形式匯集到角鋼表面的動能,可有效打破熾熱角鋼表面的蒸汽套膜,提高了角鋼的冷卻能力和冷卻效果。

圖3 導(dǎo)流錐三維結(jié)構(gòu)

圖4 導(dǎo)流錐槽截面圖

1.4 紊流套的設(shè)計

紊流套的設(shè)計采用上下兩部分組合構(gòu)成,上、下紊流套的結(jié)構(gòu)圖如圖5、圖6所示。在角鋼穿水冷卻裝置的冷卻管內(nèi)設(shè)置的紊流套可以迫使?jié)岘h(huán)冷卻水在冷卻管內(nèi)作紊態(tài)流動,提高冷卻管內(nèi)角鋼與濁環(huán)水的換熱效率,從而提高角鋼的冷卻強度。

圖5 上紊流套結(jié)構(gòu)圖

圖6 下紊流套結(jié)構(gòu)圖

2 實驗方案及結(jié)果分析

2.1 實驗方案

采用12.5#角鋼,普碳鋼Q235作為試件,試件長度為300mm,取6根試件并依次編號為1#～6#,角鋼的化學成分為C:0.13%;M n:0.66%;Si:0.24%;S:0.017%;P:0.013%。

把角鋼試件在加熱爐中加熱到980℃,保溫25分鐘,在循環(huán)冷卻水的恒溫水箱(22℃)中進行水浴快冷2 s、冷卻時角鋼要不停的攪拌,然后取出空冷10 s,并使用數(shù)據(jù)采集儀對每一根試件測定、記錄控冷的初始溫度、水冷冷卻時間、終冷溫度和空冷溫度等數(shù)據(jù)進行采集。

為保證模擬實驗和角鋼濁環(huán)水穿水冷卻的效果接近,在恒溫水箱的冷卻水中加入重懸浮顆粒,根據(jù)國家自然基金“冷卻介質(zhì)中的重懸浮顆粒對冷卻效果的作用機理”(項目批準號:50476084)研究結(jié)果表明,冷卻水中加入的重懸浮顆粒直徑為80μm,濃度為0.35%,冷卻水的循環(huán)流速為1.5 m?s-1,此方案冷卻效果最佳。之后在萬能試驗機上測定試件的力學性能參數(shù)和在金相顯微鏡下觀察試件斷面各部的微觀金相組織。

2.2 實驗結(jié)果

表1 試驗結(jié)果

表2 冷卻后角鋼的力學性能

與實驗前角鋼試件的力學性能相比,屈服強度提高約70～100MPa、抗拉強度提高約80～150MPa;韌塑性仍良好。因此,通過控制冷卻可以改善和提高角鋼的綜合力學性能。

2.3 角鋼控冷后微觀組織分析

對控冷后的角鋼試件分別在角部和腿部的表層、中間層和心部處取樣,制備金相試樣,然后在金相顯微鏡下觀察角鋼斷面角部和腿部的表層、中間層以及心部微觀組織。在500×金相顯微鏡下觀察結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 角部表面組織

圖8 腿部表面組織

圖9 角部中間過渡組織

圖10 腿部中間過渡組織

圖11 角部心部組織

圖12 腿部心部組織

角鋼試件在濁環(huán)水穿水冷卻工藝實驗后,取樣試樣觀察結(jié)果分析:圖7、圖8為角鋼的角部和腿部表層微觀組織金相照片,主要組織為回火馬氏體,晶粒尺寸約為5～7μm,它具有高的強度和硬度;圖9、圖10為角鋼角部和腿部的中間過渡層微觀組織金相照片;圖11、圖12為角鋼角部和腿部的心部組織金相照片,微觀組織為細鐵素體加細珠光體,晶粒尺寸約為10～15μm,它們具有良好的韌性和塑性。因此,角鋼濁環(huán)水穿水冷卻工藝就是利用軋后余熱進行軋后余熱淬火(QTB工藝)處理,將形變強化和相變強化相結(jié)合,提高角鋼的強韌性,簡化生產(chǎn)工藝。

3 結(jié) 論

(1)利用濁環(huán)水中重懸浮氧化鐵顆粒的動能來有效打破熾熱角鋼表面的蒸汽套膜,顯著提高角鋼的換熱效率和冷卻效果。

(2)冷卻噴嘴流動阻力小、噴射速度大,有效的保持了噴出的冷卻水流股匯集到角鋼表面前的動能,保證角鋼的冷卻強度,且可以有效防止噴嘴的堵塞;另外,4個獨立的冷卻區(qū)域,可以實現(xiàn)對角鋼斷面的各部進行不同冷速和冷卻強度的單獨調(diào)節(jié)和控制,從而保證角鋼冷卻過程中的冷卻均勻性。

(3)在冷卻管內(nèi)設(shè)置了多組紊流套,可顯著提高角鋼在冷卻管內(nèi)的冷卻強度。

(4)實驗表明:角鋼試件的屈服強度提高70～100 MPa,抗拉強度提高80～150MPa,且性能均勻;角鋼的表面微觀組織為回火馬氏體,中間層為過渡層組織,心部為細珠光體加細鐵素體。因此,角鋼濁環(huán)水穿水冷卻工藝可提高角鋼的綜合力學性能和改善角鋼的微觀組織狀態(tài)。

[1] 吳迪,趙憲明.我國型鋼生產(chǎn)技術(shù)進步20年及展望[J].軋鋼,2004,21(6):23～27.

[2] 王有銘,李曼云,韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995:88～91.

[3] 任吉堂,徐樹成等.一種新型的熱軋棒線材強力穿水冷卻裝置[J].鋼鐵,2005,3(38):57～60

[4] 殷向光,任吉堂.角鋼濁環(huán)水穿水冷卻工藝探討[J].河北理工大學學報(自然科學版),2010,32(3):70.