熱軋H型鋼控制冷卻工藝研究

江乾坤

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司型鋼廠， 山東 濟南 271104）

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力，在翼緣形成拉應力。通過數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)在冷卻時其溫差可達到150℃以上，利用盲孔法測量H型鋼殘余應力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)翼緣可以達到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)品力學性能不穩(wěn)定，從一定程度上影響了高強度H型鋼的生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，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)驗進行自主研究。

1 現(xiàn)場條件和目標

熱扎H型鋼的制作流程如圖1所示。

圖1 熱軋H型鋼的制作流程圖

從圖1發(fā)現(xiàn)u2和Uf的距離為130 m，Uf之后的輸出輥道長度為10 m，在生產(chǎn)大規(guī)格的H型鋼時熱軋后，U2軋后的輥道長度低于90 m，Uf的軋制速度為每秒3 m，U2的軋后溫度可以達到900℃，而Uf的軋后溫度為950℃，因此可以在U2和Uf長度為10 m的輸出管道以及Uf前20 m的輸入輥道上來安裝冷卻裝置。如果Uf經(jīng)過冷卻之后起始時間為3 s，而Uf的前冷卻時間為7 s。從冷卻控制目標上來看，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，在同等條件下能夠使H型鋼產(chǎn)品強度提高至50 MPa，同時，其他力學性能較好，在目前產(chǎn)品性能保持的基礎上能夠提高產(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，返紅溫度可以實現(xiàn)700℃。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：H300×150-H800×300、H200×200-H400×400，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5 000 W/（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17 000 W/（m2·℃）。而對于H型鋼來說，常采用噴霧冷卻和風扇冷卻，能夠利用可噴射到需要冷卻的部位，噴射水量進行控制，利用水壓實現(xiàn)水霧化噴霧，采用氣體水霧化方式，利用地下空氣實現(xiàn)噴嘴霧化。氣體流對于傳熱不會產(chǎn)生較大影響，同時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角處進行冷卻實驗?？梢栽谝砭墐蓚?cè)裝置噴嘴中心對準翼緣的中心，4個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°。從其冷卻強度上來看，經(jīng)過溫度計算之后，要將翼緣和腹板厚度為30.5mm的H型鋼板，從3s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℃。

2 工藝方案分析

由于H型鋼廠條件和經(jīng)費限制，在精軋機組后導衛(wèi)和橫移輥道之間，長為10 m的輸送輥道處進行冷卻裝置安裝，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，采取兩種方式來實施冷卻控制，首先需要研發(fā)相應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)離線實驗獲得成果，安裝在線控制設備。

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角進行冷卻，使其能夠快速降低到目標溫度。在對冷卻裝置設計時能夠滿足H型鋼的冷卻要求。其示意圖如圖2所示[2]。

圖2 離線式的冷卻裝置示意圖

該裝置對于H型鋼冷卻可分為三個部分，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，進而能夠?qū)φ麄€H型鋼翼緣進行有效的溫度控制。在冷卻過程中可以實現(xiàn)對翼緣快速冷卻，也可以推動H型鋼在輥道上移動，實現(xiàn)動態(tài)式的冷卻。同時，噴嘴可以通過控制閥進行單獨控制，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，每排設有6個噴嘴，一共設置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，同時存在150 mm的噴嘴間距，能夠強化對于翼緣的冷卻效果?？乩鋵嶒灒x取的H 型鋼樁型號為 BS55c，其規(guī)格為 H305×305×223，厚度為30.5 mm，長度為500 mm，主要對冷卻速度進行測試，以及控制冷卻參數(shù)對材料性能的影響。在實驗之前，需要將冷卻數(shù)字調(diào)到預值，進入高溫電阻爐中將其加熱到1 000℃之后，送入輥道中，打開氣路以及水路形成噴射流，當溫度降至70℃時，啟動輥道可以將樣品送至冷卻區(qū)，實現(xiàn)快速降溫。實驗結(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 m3/h，具有良好的冷卻效率，基本可以實現(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，能夠細約0.5個級別，主要是控冷工藝產(chǎn)生的效果，控冷之后屈服強度可以提高550 MPa。

3 對控冷方案的改進

在控冷之前沒有經(jīng)過軋制變形實際上就是沒有將控件和控冷進行結(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)過實驗發(fā)現(xiàn)僅通過控冷能夠提高屈服強度，而如果將控冷和控件聯(lián)合，能夠提高材料的力學性能。研究發(fā)現(xiàn)，對于H型鋼來說其最大冷卻強度為30 s，相比預期值來說小了一倍。對于控冷方案的改進，僅在Uf之后安裝10 m長的冷卻裝置其冷卻時間為3 s，最大降溫為90℃，軋件的溫度能夠達950～860℃，但這種情況下無法實現(xiàn)目標條件，因此可以在Uf前安裝20 m的冷卻裝置，其冷卻時間為7 s，軋件溫度將可實現(xiàn)180～300℃，Uf之后溫度為1 050℃，通過冷卻裝置后可以降至870℃。由于受到電機能力的限制，Uf軋溫度需要低于800℃，假設Uf溫度為800℃，經(jīng)過3 s冷卻之后溫度可以實現(xiàn)700℃，能夠?qū)崿F(xiàn)預期的控冷目標，因此可以在Uf前安裝25 m的冷卻裝置，而在Uf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。

4 結(jié)語

對于H型鋼來說經(jīng)過安裝控冷裝置，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)平均冷卻速度為每秒鐘30℃，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冷卻控制效果，并且細化鐵素體晶粒，有效改善鋼體性能、力學性能，其屈服強度可提高550 MPa，可以在Uf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現(xiàn)控冷目標，可以在Uf之前安裝25 m的降溫裝置，可以將950℃迅速降到700℃。

圖3 冷卻裝置安裝示意圖