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型鋼生產線沒有安裝軋后冷卻控制裝置，無法實現冷卻控制，因此給H型鋼生產過程中帶來很多問題，比如腹板和翼緣溫差較大，所產生的殘余應力較大。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。通過數值分析，發現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，結果發現翼緣可以達到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成本，并且其產品力學性能不穩定，從一定程度上影響了高強度H型鋼的生產。據統計，在生產的420 MPa的H型鋼中，合格率僅能夠實現60%，最后鋼軋溫度高導致冷卻能力欠缺，直接影響H型鋼的生產產量。因此，針對上述問題需要采用H型鋼冷卻裝置，但目前國內針對H型鋼冷卻控制技術還不夠成熟，需要結合國外經驗進行自主研究。

1 現場條件和目標

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發現u2和Uf的距離為130 m，Uf之后的輸出輥道長度為10 m，在生產大規格的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，為了能夠提高產品的合格率，以及減少生產成本，提出了冷卻控制目標，在同等條件下能夠使H型鋼產品強度提高至50 MPa，同時，其他力學性能較好，在目前產品性能保持的基礎上能夠提高產品中微合金元素，降低到空冷前的50%以下，在軋后H型鋼產品經過冷卻控制之后，返紅溫度可以實現700℃。在本次研究中，所生產的規格與鋼品種中，其參數如下：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，利用水壓實現水霧化噴霧，采用氣體水霧化方式，利用地下空氣實現噴嘴霧化。氣體流對于傳熱不會產生較大影響，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，能夠在較大范圍內改變傳熱系數，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。可以在翼緣兩側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45°。從其冷卻強度上來看，經過溫度計算之后，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型鋼廠條件和經費限制，在精軋機組后導衛和橫移輥道之間，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。但目前國內外還沒有成熟的H型鋼冷卻技術，為了節約成本，采取兩種方式來實施冷卻控制，首先需要研發相應的冷卻控制裝置能夠實現離線式控冷，獲取所需的參數，其次需要根據離線實驗獲得成果，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、下排和兩側噴嘴，其中上排噴嘴針對翼緣上內側以及r角，下方噴嘴針對翼緣下內側和r角，兩側針對的是翼緣的外側面，進而能夠對整個H型鋼翼緣進行有效的溫度控制。在冷卻過程中可以實現對翼緣快速冷卻，也可以推動H型鋼在輥道上移動，實現動態式的冷卻。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。控冷實驗，選取的H 型鋼樁型號為 BS55c，其規格為 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，以及控制冷卻參數對材料性能的影響。在實驗之前，需要將冷卻數字調到預值，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，實現快速降溫。實驗結果：其冷卻參數中水壓為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

在控冷之前沒有經過軋制變形實際上就是沒有將控件和控冷進行結合，這種情況下，現場軋后控冷效果會存在一定偏差，經過實驗發現僅通過控冷能夠提高屈服強度，而如果將控冷和控件聯合，能夠提高材料的力學性能。研究發現，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℃，經過3 s冷卻之后溫度可以實現700℃，能夠實現預期的控冷目標，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 結語

對于H型鋼來說經過安裝控冷裝置，經過實驗發現平均冷卻速度為每秒鐘30℃，能夠實現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