江乾坤

(山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司型鋼廠，山東 濟(jì)南271104)

摘 要：通過自發(fā)研究的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行H型鋼冷卻控制的實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于厚度為30.5 mm的H型鋼來說,平均冷卻速度可達(dá)到每秒鐘30℃，屈服強(qiáng)度可提高至50 MPa。根據(jù)結(jié)果提出了針對熱軋H型鋼控制冷卻相關(guān)工藝方案。

關(guān)鍵詞：熱軋；H型鋼；控制冷卻；工藝

目前熱軋H型鋼生產(chǎn)線沒有安裝軋后冷卻控制裝置，無法實(shí)現(xiàn)冷卻控制，因此給H型鋼生產(chǎn)過程中帶來很多問題，比如腹板和翼緣溫差較大，所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大。通常這種鋼板翼緣較厚,而腹板較薄，會使得翼緣冷卻速度慢而腹板的冷卻速度快, 很容易在腹板中形成殘余應(yīng)力，在翼緣形成拉應(yīng)力。

通過數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)在冷卻時(shí)其溫差可達(dá)到150℃以上，利用盲孔法測量H型鋼殘余應(yīng)力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)翼緣可以達(dá)到293 MPa,而腹板為3 000 MPa。其次對于一些厚度較厚的H型鋼來說，采用微合金化的方式能夠提高生產(chǎn)成本，并且其產(chǎn)品力學(xué)性能不穩(wěn)定,從一定程度上影響了高強(qiáng)度H型鋼的生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在生產(chǎn)的420 MPa的H型鋼中，合格率僅能夠?qū)崿F(xiàn)60%,最后鋼軋溫度高導(dǎo)致冷卻能力欠缺，直接影響H型鋼的生產(chǎn)產(chǎn)量。因此，針對上述問題需要采用H型鋼冷卻裝置，但目前國內(nèi)針對H型鋼冷卻控制技術(shù)還不夠成熟，需要結(jié)合國外經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行自主研究。

1現(xiàn)場條件和目標(biāo)

熱扎H型鋼的制作流程如圖1所示。

從圖1發(fā)現(xiàn)U₂和U_f的距離為130m,U_f之后的輸出輻道長度為10 m,在生產(chǎn)大規(guī)格的H型鋼時(shí)熱軋后,U₂軋后的楹道長度低于90 m,U_f的軋制速度為每秒3 m,U₂的軋后溫度可以達(dá)到900℃,而的軋后溫度為950℃。因此可以在U₂和U_f長度為10 m 的輸出管道以及5前20 m的輸入銀道上來安裝冷卻裝置。如果5經(jīng)過冷卻之后起始時(shí)間為3 s,而的前冷卻時(shí)間為7 s。從冷卻控制目標(biāo)上來看，為了能夠提高產(chǎn)品的合格率,以及減少生產(chǎn)成本,提出了冷卻控制目標(biāo)，在同等條件下能夠使H型鋼產(chǎn)品強(qiáng)度提高至50 MPa,同時(shí)，其他力學(xué)性能較好，在目前產(chǎn)品性能保持的基礎(chǔ)上能夠提高產(chǎn)品中微合金元素，降低到空冷前的50%以下，在軋后H型鋼產(chǎn)品經(jīng)過冷卻控制之后，返紅溫度可以實(shí)現(xiàn)700 °C。在本次研究中，所生產(chǎn)的規(guī)格與鋼品種中，其參數(shù)如下: H300x 150-H800x300、H200x200-H400x400, Q235、Q345、RS55C 等^[1]。 

2  控冷工藝

首先需要選擇合適的冷卻方式，目前冷卻方式對于流熱系數(shù)分別是層流冷卻為5 000W/(m²·℃)，而穿水冷卻為2 000到20 000 W/(m²·℃),噴射冷卻為5 000到8 000 W/(m²·℃),噴霧冷卻為200到17 000W/(m²·℃)。而對于H型鋼來說，常采用噴霧冷卻和風(fēng)扇冷卻，能夠利用可噴射到需要冷卻的部位，噴射水量進(jìn)行控制，利用水壓實(shí)現(xiàn)水霧化噴霧，采用氣體水霧化方式,利用地下空氣實(shí)現(xiàn)噴嘴霧化。氣體流對于傳熱不會產(chǎn)生較大影響，同時(shí)空氣流會使軋件和水滴接觸,排除滯流水,能夠有效緩解軋件冷卻不均勻的問題，噴霧冷卻能力較大，能夠在較大范圍內(nèi)改變傳熱系數(shù)，這對于有效控制冷卻溫度來說是十分有利的。從冷卻原理上來看,H型鋼上溫度分布情況為翼緣、腹板的交接處，溫度較高,翼緣端板和腹板中間溫度較低，因此可以針對翼緣的中心和r角處進(jìn)行冷卻實(shí)驗(yàn)。可以在翼緣兩側(cè)裝置噴嘴中心對準(zhǔn)翼緣的中心,4個(gè)r角上可以安裝噴嘴，其中心線與腹板之間的夾角呈現(xiàn)45°。從其冷卻強(qiáng)度上來看,經(jīng)過溫度計(jì)算之后,要將翼緣和腹板厚度為30.5 mm的H型鋼板，從3 s內(nèi)迅速降溫200℃，表面最低溫度為360℃，表面冷卻速度為每秒鐘196℃, 平均冷卻速度為每秒鐘66℃。

3  工藝方案分析

由于H型鋼廠條件和經(jīng)費(fèi)限制，在精軋機(jī)組后導(dǎo)衛(wèi)和橫移輻道之間，長為10 m的輸送輻道處進(jìn)行冷卻裝置安裝，可通過冷卻控制方式來減少微合金含量，提高H型鋼性能。但目前國內(nèi)外還沒有成熟的H型鋼冷卻技術(shù)，為了節(jié)約成本，采取兩種方式來實(shí)施冷卻控制，首先需要研發(fā)相應(yīng)的冷卻控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)離線式控冷,獲取所需的參數(shù),其次需要根據(jù)離線實(shí)驗(yàn)獲得成果,安裝在線控制設(shè)備。

首先在冷卻裝置研發(fā)過程中，研究的裝置為離線式的冷卻裝置,其冷卻對象為600 mm的H型鋼，其特點(diǎn)是翼緣中心和r角溫度較高，而腹板和翼緣端部的溫度低，需要對翼緣中心表面和r角進(jìn)行冷卻，使其能夠快速降低到目標(biāo)溫度。在對冷卻裝置設(shè)計(jì)時(shí)能夠滿足H型鋼的冷卻要求。其示意圖如圖2所示^[2]。 

該裝置對于H型鋼冷卻可分為三個(gè)部分，分別是上排、下排和兩側(cè)噴嘴.其中上排噴嘴針對翼緣上內(nèi)側(cè)以及r角，下方噴嘴針對翼緣下內(nèi)側(cè)和r角，兩側(cè)針對的是翼緣的外側(cè)面，進(jìn)而能夠?qū)φ麄€(gè)H型鋼翼緣進(jìn)行有效的溫度控制。在冷卻過程中可以實(shí)現(xiàn)對翼緣快速冷卻，也可以推動(dòng)H型鋼在輻道上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)式的冷卻。同時(shí)，噴嘴可以通過控制閥進(jìn)行單獨(dú)控制，使用不同的冷卻方式采用水氣霧化的噴嘴形式，其間距為150 mm,每排設(shè)有6個(gè)噴嘴，一共設(shè)置6排噴霧，距離為15 0 mm,噴霧角度為90°,能夠覆蓋300 mm的范圍，同時(shí)存在150 mm的噴嘴間距，能夠強(qiáng)化對于翼緣的冷卻效果?？乩鋵?shí)驗(yàn),選取的H型鋼樁型號為BS55c,其規(guī)格為H305x305x223,厚度為30.5 mm,長度為500 mm,主要對冷卻速度進(jìn)行測試，以及控制冷卻參數(shù)對材料性能的影響。在實(shí)驗(yàn)之前，需要將冷卻數(shù)字調(diào)到預(yù)值，進(jìn)入高溫電阻爐中將其加熱到1 000℃之后，送入輻道中，打開氣路以及水路形成噴射流，當(dāng)溫度降至70℃時(shí),啟動(dòng)銀道 可以將樣品送至冷卻區(qū)，實(shí)現(xiàn)快速降溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：其冷卻參數(shù)中水壓為0.20-0.25 MPa,氣壓為0.15-0.25 MPa,水流量為200 L/h,氣流量為9.5 m/h,具有良好的冷卻效率，基本可以實(shí)現(xiàn)每秒鐘15-30℃的降溫。除此之外，在相同冷卻條件下，相對來說r角相比翼緣的冷卻速度大，主要是由于噴嘴窗口距離r角較近，噴射面積小,能夠使單位面積獲得的水流密度高，噴射距離短，沖擊力大，使得r角的冷卻強(qiáng)度高。采用控冷的方式，所獲得的常溫組織是鐵素體和珠光體。但經(jīng)過控冷之后鐵素體含量增加,鐵素體晶粒相對控冷鐵素體晶粒來說，能夠細(xì)約0.5個(gè)級別，主要是控冷工藝產(chǎn)生的效果，控冷之后屈服強(qiáng)度可以提高550 MPa。

4  對控冷方案的改進(jìn)

在控冷之前沒有經(jīng)過軋制變形實(shí)際上就是沒有將控件和控冷進(jìn)行結(jié)合,這種情況下,現(xiàn)場軋后控冷效果會存在一定偏差，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅通過控冷能夠提高屈服強(qiáng)度,而如果將控冷和控件聯(lián)合,能夠提高材料的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，對于H型鋼來說其最大冷卻強(qiáng)度為30 s,相比預(yù)期值來說小了一倍。對于控冷方案的改進(jìn)，僅在U_f之后安裝10 m長的冷卻裝置其冷卻時(shí)間為3 s,最大降溫為90℃,軋件的溫度能夠達(dá)950-860℃，但這種情況下無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)條件，因此可以在U_f前安裝20 m的冷卻裝置，其冷卻時(shí)間為7 s,軋件溫度將可實(shí)現(xiàn)180-300 r,U_f 之后溫度為1 050 ℃,通過冷卻裝置后可以降至870℃。由于受到電機(jī)能力的限制,U_f軋溫度需要低于800℃，假設(shè)溫度為800℃，經(jīng)過3 s冷卻之后溫度可以實(shí)現(xiàn)700℃，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的控冷目標(biāo)，因此可以在前安裝25 m的冷卻裝置，而在U_f之后安裝10 m的冷卻裝置，其具體的安裝示意圖如下頁圖3所示。

5  結(jié)語

對于H型鋼來說經(jīng)過安裝控冷裝置，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)平均冷卻速度為每秒鐘30 °C,能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冷卻控制效果,并且細(xì)化鐵素體晶粒.有效改善鋼體性能、力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度可提高550 MPa,可以在U_f之后安裝10 m長的冷卻裝置，最大降溫為90℃。但這種情況下無法實(shí)現(xiàn)控冷目標(biāo),可以在之前安裝25 m的降溫裝置,可以將950℃迅速降到700 ℃。

參考文獻(xiàn)

[1] 高超.熱軋H型鋼控制冷卻過程換熱規(guī)律的研究[D].阜新:遼寧科技大學(xué),2017.

[2] 劉健,侯福增，高超.熱軋H型鋼控冷過程溫度場研究[J].遼寧 科技大學(xué)學(xué)報(bào),2018(1):27-31.