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        氣霧冷卻系統(tǒng)在H 型鋼控冷技術(shù)中的應(yīng)用

        2022-07-07 10:41:58藺物潤李愛臣
        一重技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:冷床氣霧翼緣

        藺物潤,李愛臣

        H 型鋼具有抗彎性能好、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、承載能力大、鉚焊簡單等優(yōu)點,隨著國內(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,大大增強傳熱效率,提高冷卻效果。

        (2) 通過調(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(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,在軋制過程中上半側(cè)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(tài)均勻變化不利。

        上述的問題可通過氣霧冷卻改善。

        (2) 軋制區(qū)氣霧冷卻系統(tǒng)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(nèi)側(cè)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(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(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,氣源采用廠房內(nèi)的壓縮空氣,氣壓0.4~0.6 MPa。在各主要支管上安裝數(shù)字電動調(diào)節(jié)球閥、電磁流量計和電傳壓力表,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。

        串列軋機前后移動對中裝置每側(cè)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(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%。加上移動對中裝置區(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,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(xì)小均勻,可與軋制過程中產(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),在自然冷卻過程中會出現(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、強度、韌性和塑性等力學(xué)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(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(見圖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(qū)氣霧冷卻系統(tǒng)布置

        該氣霧冷卻系統(tǒng)布置在UF 軋機后的延伸輥道內(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)計算和論證,連續(xù)噴霧冷卻時間按照12 s 設(shè)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(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(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,對H 型鋼典型部位取樣檢測。結(jié)果顯示,經(jīng)過空冷的顯微組織晶粒粗大(見圖4);經(jīng)過氣霧冷卻的顯微組織晶粒細(xì)化(見圖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)性能實驗,得到力學(xué)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(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溫儀,用于檢測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,導(dǎo)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(shè)增壓設(shè)備。

        ②H 型鋼按“工”字型擺放時,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

        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)計核算成本。

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

        (4) 采用國內(nèi)主流濁環(huán)水循環(huán)系統(tǒng)的過濾凈化設(shè)備功能強大,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,或者投入一個空壓機站為三個系統(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)字電動調(diào)節(jié)球閥、電磁流量計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)自動化系統(tǒng)和過程自動化系統(tǒng)兩大部分,主要由PLC、閥臺、服務(wù)器、工程師站及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成(見圖6)?;A(chǔ)自動化系統(tǒng)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(shù)據(jù)并上傳給過程自動化控制系統(tǒng),觸發(fā)模型設(shè)定參數(shù),由過程自動化系統(tǒng)將設(shè)定數(shù)據(jù)下發(fā)給基礎(chǔ)自動化系統(tǒng),控制電動調(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)回傳到過程自動化系統(tǒng),經(jīng)過數(shù)據(jù)對比,計算模糊值,再進(jìn)行微量調(diào)整。

        圖6 氣霧冷卻控制系統(tǒng)運行流程圖

        4 結(jié) 語

        通過將原有零散的、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)計和布置得到的噴霧冷卻系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:

        (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)計水、氣和電的消耗,有效控制生產(chǎn)成本。

        (3) 通過建立可自學(xué)習(xí)的控制模型,消除控制孤島和信息孤島,實現(xiàn)全線冷卻工藝的數(shù)字化,符合未來技術(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)計階段統(tǒng)籌考慮,合理布置,滿足生產(chǎn)工藝要求。

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