氣霧冷卻系統(tǒng)在H 型鋼控冷技術(shù)中的應(yīng)用

藺物潤(rùn)，李?lèi)?ài)臣

H 型鋼具有抗彎性能好、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、承載能力大、鉚焊簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，隨著國(guó)內(nèi)廠房建筑，橋梁、地鐵及設(shè)備制造業(yè)的不斷發(fā)展，H 型鋼得到普遍應(yīng)用。如今，H 型鋼生產(chǎn)線控制冷卻技術(shù)日趨成熟[1]，而如何將氣霧冷卻系統(tǒng)在生產(chǎn)線上合理應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，提高設(shè)備使用效率、降低成本是本文闡述的主要內(nèi)容。

1 氣霧冷卻技術(shù)介紹

氣霧冷卻是通過(guò)調(diào)整壓力控制壓縮空氣和水在噴嘴內(nèi)的混合比，形成需要的霧化狀態(tài)，然后噴射到軋件表面進(jìn)行熱交換，達(dá)到冷卻效果。氣霧冷卻較水冷，空冷擁有更加優(yōu)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(qiáng)傳熱效率，提高冷卻效果。

（2） 通過(guò)調(diào)節(jié)水和氣的比例，使冷卻速度可調(diào)。

（3） 彌散氣霧顆粒成面式散落，冷卻均勻。

2 H 型鋼生產(chǎn)線氣霧冷卻的應(yīng)用

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

2.1 軋制區(qū)氣霧冷卻的應(yīng)用

（1） 軋制區(qū)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(dá)到工藝要求，但是存在許多問(wèn)題。

①軋制時(shí)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(jiàn)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(dòng)差異變大，導(dǎo)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(cè)壁相差15～25 ℃，造成軋輥R 角磨損快，嚴(yán)重影響軋輥的一次過(guò)鋼量。

圖1 H 型鋼水平軋輥和鋼接觸的狀態(tài)

②H 型鋼斷面形狀為H 形，在軋制過(guò)程中上半側(cè)槽形會(huì)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(duì)金屬組織形態(tài)均勻變化不利。

上述的問(wèn)題可通過(guò)氣霧冷卻改善。

（2） 軋制區(qū)氣霧冷卻系統(tǒng)布置

針對(duì)水冷造成的軋輥輥身溫度不均問(wèn)題，在出、入口機(jī)架的上、下橫梁處，以及機(jī)架內(nèi)側(cè)的上、下方各安裝2 組氣霧冷卻噴嘴。對(duì)上、下水平軋輥輥身和軋輥側(cè)面進(jìn)行可調(diào)整的氣霧冷卻，控制軋輥表面溫度的均勻度。

針對(duì)水冷H 型鋼時(shí)上槽積水使H 型鋼斷面溫差大的問(wèn)題，在串列軋機(jī)前后的移動(dòng)對(duì)中裝置上安裝氣霧冷卻噴嘴，從翼緣外側(cè)冷卻翼緣與腹板結(jié)合部的R 角高溫區(qū)，以縮小翼緣和腹板的溫度差。

軋制區(qū)域的氣霧冷卻系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、氣霧噴嘴及附屬控制裝置組成。該系統(tǒng)采用濁環(huán)水系統(tǒng)供水，水壓0.4～0.6 MPa，氣源采用廠房?jī)?nèi)的壓縮空氣，氣壓0.4～0.6 MPa。在各主要支管上安裝數(shù)字電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥、電磁流量計(jì)和電傳壓力表，用于反饋和調(diào)節(jié)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(cè)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(cè)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(jī)前后移動(dòng)對(duì)中裝置每側(cè)冷卻分為四段，每段布置3 個(gè)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(gè)噴嘴噴水量為18 L/min。噴嘴安裝在移動(dòng)對(duì)中裝置的推板上，隨推板移動(dòng)。

（3） 軋制區(qū)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(cè)壁溫度相同，R 角溫度和中部溫度差降至5 ℃以內(nèi)，軋輥R角老化及磨損速度明顯減緩，軋輥一次過(guò)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(nèi)殘留積水量減少70%。加上移動(dòng)對(duì)中裝置區(qū)域氣霧冷卻系統(tǒng)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(guò)程中腹板和翼緣波浪的產(chǎn)生。

③能耗控制

采用水冷冷卻時(shí)，三架軋機(jī)總用水量約600 m3/h；改用氣霧冷卻后，三架軋機(jī)及前后移動(dòng)對(duì)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(xì)小均勻，可與軋制過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵顆粒粘合，并隨氣霧噴嘴產(chǎn)生的氣壓下落，有效減少軋機(jī)區(qū)域的粉塵污染。

2.2 軋后區(qū)氣霧冷卻技術(shù)的應(yīng)用

（1） 軋后區(qū)氣霧冷卻必要性

由于H 型鋼的特殊斷面形態(tài)，在自然冷卻過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)冷卻不均勻情況，產(chǎn)生很大的應(yīng)力差，造成H 型鋼內(nèi)部殘余應(yīng)力大，硬度、強(qiáng)度、韌性和塑性等力學(xué)性能都會(huì)降低[2、3]，不但影響機(jī)械性能，還會(huì)引起腹板和翼緣波浪等缺陷。另外，還會(huì)使H 型鋼R 角經(jīng)常出現(xiàn)皰疹狀缺陷。

軋后區(qū)氣霧控制冷卻技術(shù)使H 型鋼終軋后獲得細(xì)化鐵素體晶粒，提高材料強(qiáng)度和硬度。

（2） 軋后區(qū)氣霧冷卻系統(tǒng)布置

筆者根據(jù)采樣數(shù)據(jù)建立起H 型鋼斷面的溫度場(chǎng)（見(jiàn)圖2）。為了使斷面溫度均勻，控制不同部位的噴嘴進(jìn)行不等量的氣霧冷卻（見(jiàn)圖3）。

圖2 軋后H 型鋼斷面溫度場(chǎng)分布

圖3 軋后H 型鋼斷面氣霧冷卻噴嘴布置

（3） 軋后區(qū)氣霧冷卻系統(tǒng)布置

該氣霧冷卻系統(tǒng)布置在UF 軋機(jī)后的延伸輥道內(nèi)。生產(chǎn)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(jié)晶溫度以下。根據(jù)計(jì)算和論證，連續(xù)噴霧冷卻時(shí)間按照12 s 設(shè)計(jì)，則氣霧冷卻噴嘴延輥道運(yùn)輸方向布置總長(zhǎng)72 m，可分段控制。翼緣外側(cè)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(jù)延伸輥道寬度及最寬腹板，沿輥道運(yùn)輸方向每隔500 mm 布置一組噴嘴，總計(jì)145 組，分20 段控制，滿足不同軋制速度的連續(xù)冷卻需要；此外，為了適應(yīng)不同翼緣高度和腹板寬度，要求翼緣外側(cè)噴嘴的高度必須可調(diào)，腹板部噴嘴的寬度可調(diào)。

（4） 軋后區(qū)氣霧冷卻使用效果

①斷面溫度均勻、溫差小

經(jīng)過(guò)軋后控制冷卻，H 型鋼整體已經(jīng)冷卻到結(jié)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(xiàn)腹板波浪，下并上擴(kuò)等缺陷。

②H 型鋼顯微組織改善

分別采取空冷和氣霧冷卻時(shí)，對(duì)H 型鋼典型部位取樣檢測(cè)。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)空冷的顯微組織晶粒粗大（見(jiàn)圖4）；經(jīng)過(guò)氣霧冷卻的顯微組織晶粒細(xì)化（見(jiàn)圖5）?？梢钥闯霾捎脷忪F冷卻后，斷面組織形態(tài)得到很好改善。

圖4 空冷狀態(tài)下顯微組織圖

圖5 氣霧冷卻狀態(tài)下顯微組織圖

③H 型鋼力學(xué)性能明顯提升

在H 型鋼上采樣做力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，得到力學(xué)性能（見(jiàn)表1）。

表1 機(jī)械性能表

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

④表面質(zhì)量顯著提高

空冷狀態(tài)下H 型鋼表面，特別是翼緣外側(cè)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(qū)氣霧冷卻技術(shù)的應(yīng)用

（1） 冷床區(qū)氣霧冷卻的作用

經(jīng)過(guò)軋后控制冷卻，H 型鋼溫度已經(jīng)降到結(jié)晶溫度之下。所以冷床區(qū)的氣霧冷卻主要作用是快速降溫，提高生產(chǎn)節(jié)奏，解決冷床冷卻效率不足的問(wèn)題。

（2） 冷床區(qū)氣霧冷卻系統(tǒng)的布置

目前，H 型鋼生產(chǎn)線冷床以鏈?zhǔn)嚼浯布硬竭M(jìn)冷床的復(fù)合冷床為主。在步進(jìn)冷床區(qū)H 型鋼以“H”型擺放，且該區(qū)域設(shè)備密度較大，不適合作為氣霧冷卻區(qū)；鏈?zhǔn)嚼浯矃^(qū)H 型鋼按“工”字?jǐn)[放，冷卻水不易積存，覆蓋面大，故將氣霧冷卻布置在該區(qū)域。共鋪設(shè)四組八條冷卻管道，在每組主管上安裝橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，保證每種規(guī)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(cè)溫儀，用于檢測(cè)H 型鋼溫是否降至工藝要求溫度，以此調(diào)整氣霧冷卻量。

在冷床區(qū)采取普通氣霧冷卻存在以下不足：

①由于冷床較長(zhǎng)，導(dǎo)致管線過(guò)長(zhǎng)，而普通氣霧噴嘴耗水量大，管道壓降快，需要增設(shè)增壓設(shè)備。

②H 型鋼按“工”字型擺放時(shí)，因規(guī)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(yuǎn)，擴(kuò)散面積大。

3 氣霧冷卻系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 供水系統(tǒng)及供氣系統(tǒng)

全線三大氣霧冷卻區(qū)全部采用工廠濁環(huán)水系統(tǒng)供水。其優(yōu)點(diǎn)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(tǒng)計(jì)核算成本。

（3） 在水泵房增加水泵，不需要為每個(gè)區(qū)域增加一套供水設(shè)備，節(jié)省投資和空間。

（4） 采用國(guó)內(nèi)主流濁環(huán)水循環(huán)系統(tǒng)的過(guò)濾凈化設(shè)備功能強(qiáng)大，有效保證水質(zhì)和清潔度，極大地減少噴嘴損耗。

可用現(xiàn)有壓縮空氣集中供氣，或者投入一個(gè)空壓機(jī)站為三個(gè)系統(tǒng)供氣。

3.2 末端氣霧冷卻系統(tǒng)

根據(jù)冷卻要求不同，各區(qū)域氣霧冷卻系統(tǒng)主管和支管安裝數(shù)字電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥、電磁流量計(jì)和電傳壓力表反饋調(diào)節(jié)氣霧冷卻中水和氣的用量。

3.3 智能控制系統(tǒng)

氣霧控制系統(tǒng)包括基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)兩大部分，主要由PLC、閥臺(tái)、服務(wù)器、工程師站及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成（見(jiàn)圖6）?；A(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)溫度檢測(cè)儀表、輪廓儀等檢測(cè)元件采集溫度、外形尺寸等數(shù)據(jù)并上傳給過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)，觸發(fā)模型設(shè)定參數(shù)，由過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)將設(shè)定數(shù)據(jù)下發(fā)給基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并將流量、壓力、冷卻后溫度、外形尺寸、表面質(zhì)量等數(shù)據(jù)回傳到過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算模糊值，再進(jìn)行微量調(diào)整。

圖6 氣霧冷卻控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)將原有零散的、孤島性的冷卻系統(tǒng)根據(jù)H型鋼生產(chǎn)工藝要求綜合設(shè)計(jì)和布置得到的噴霧冷卻系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1） 統(tǒng)籌布置的氣霧冷卻系統(tǒng)可以滿足不同階段、不同規(guī)格、不同鋼種的冷卻工藝要求。

（2） 統(tǒng)籌設(shè)計(jì)氣霧冷卻系統(tǒng)，既能減少重復(fù)投入，降低投資成本，又能精確統(tǒng)計(jì)水、氣和電的消耗，有效控制生產(chǎn)成本。

（3） 通過(guò)建立可自學(xué)習(xí)的控制模型，消除控制孤島和信息孤島，實(shí)現(xiàn)全線冷卻工藝的數(shù)字化，符合未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向。

綜上所述，氣霧控制冷卻系統(tǒng)已經(jīng)成為H 型鋼生產(chǎn)線必備設(shè)施，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌考慮，合理布置，滿足生產(chǎn)工藝要求。