熱軋H型鋼控制冷卻工藝研究

談群峰

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司型鋼廠，山東 濟南 271104）

以未安裝控制冷卻裝置的H型鋼生產(chǎn)線為例，這樣的熱軋生產(chǎn)線將給生產(chǎn)過程帶來三方面不良影響：第一，由于腹板冷卻速度快，而翼緣冷卻速度慢，二者之間極易產(chǎn)生較大的溫度差，而在腹板與翼緣處分別形成殘余壓應(yīng)力與拉應(yīng)力；第二，在生產(chǎn)高強度H型鋼產(chǎn)品時，常常采取微合金化的方法，導(dǎo)致噸鋼成本升高，而且這種方法產(chǎn)出的鋼產(chǎn)品也極易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，力學(xué)性能極不穩(wěn)定；第三，熱軋H型鋼的終軋溫度過高，如果沒有冷卻裝置，冷床的冷卻功能就會弱化，進而給鋼產(chǎn)品產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響。因此，技術(shù)人員需要對該生產(chǎn)線的控制冷卻工藝進行優(yōu)化和創(chuàng)新，以確保鋼產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，促進企業(yè)經(jīng)濟效益的提升[1]。

1 H型鋼熱軋生產(chǎn)線簡述

圖1 H型鋼熱軋生產(chǎn)線圖例

由圖1可以看出，U2與Uf的間隔距離為130 m，Uf的輸出輥道長度為10 m，在H型鋼軋制過程中，軋制后的H型鋼長度值在90 m以下，Uf的軋制速度為3 m/s，U2軋后溫度介于900~1 050℃之間，Uf的軋后溫度介于900~950℃之間。

由此可以得：控冷裝置的安裝位置應(yīng)當(dāng)在距離Uf前20~30 m、距離Uf后10 m的輥道上，而Uf前冷卻與后冷卻時間分別為6~10 s和3 s。

確定控冷裝置的安裝位置后，技術(shù)人員需要結(jié)合加工生產(chǎn)流程合理設(shè)置控冷目標(biāo)。首先考慮H型鋼產(chǎn)品的強度，強度值應(yīng)當(dāng)高于未安裝控冷裝置生產(chǎn)線鋼產(chǎn)品的50 MPa以上，微合金元素的含量應(yīng)當(dāng)下降至控冷前的50%以下。而H型鋼產(chǎn)品的規(guī)格指標(biāo)應(yīng)當(dāng)滿足于標(biāo)準(zhǔn)要求，即338 mm×325 mm×30.5 mm×30.5 mm，經(jīng)過控冷處理后，H型鋼產(chǎn)品的返紅溫度應(yīng)當(dāng)達(dá)到700℃左右。規(guī)格參考值為H300mm×150mm~H800 mm×300 mm，H200 mm×200 mm~H400 mm×400 mm，鋼種參考值為Q235、Q345以及BS55C。

2 熱軋H型鋼控制冷卻工藝原理

2.1 冷卻方式

冷卻方式主要包括層流冷卻、穿水冷卻、噴射冷卻以及噴霧冷卻。層流冷的對流換熱系數(shù)為4 000~6 000 W/（m2·℃）、穿水冷卻的對流換熱系數(shù)為2 000~22 000 W/（m2·℃），噴射冷卻的對流換熱系數(shù)為5 000~8 000 W/（m2·℃）、噴霧冷卻的對流換熱系數(shù)為233~17 500 W/（m2·℃）。在H型鋼的軋制生產(chǎn)線中，通常采取噴射與噴霧冷卻相結(jié)合的方法。這種方法的應(yīng)用優(yōu)勢在于可以隨時控制噴射水量，進而有效調(diào)節(jié)冷卻速度。以噴霧冷卻為例，在噴射過程中，水霧化氣體不會影響傳熱效果，而且霧狀氣體流能夠均勻分布在軋件上面，使軋件各個部位的冷卻速度能夠保持一致。

2.2 冷卻強度

前面已經(jīng)提到，控冷裝置的安裝位置在距離Uf前20~30 m、距離Uf后10 m的輥道上，如果在距離Uf后10 m的輸出輥道上安裝控冷裝置，H型鋼的返紅溫度應(yīng)當(dāng)在3 s之內(nèi)回歸到750℃，H型鋼的軋制件表面溫度最低不得小于360℃，而平均冷卻速度應(yīng)保持在66.7℃/s左右，這樣，才能確保H型鋼產(chǎn)品的質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)滿足[2]。

2.3 控冷原理

與其他類型的鋼材相比，H型鋼在軋制過程中，R角以及翼緣中心位置溫度較高，而腹板中心與翼緣頂端的溫度較低，因此，在設(shè)置控冷目標(biāo)時，主要以降低R角及翼緣中心位置的溫度為主。為了驗證控冷裝置的控冷效果，需要通過現(xiàn)場試驗對控冷裝置的適用性進行分析。該試驗裝置主要由三部分組成：上排噴嘴冷卻H型鋼翼緣的上內(nèi)側(cè)面與R角、下排噴嘴冷卻翼緣的下內(nèi)側(cè)面與R角以及兩側(cè)噴嘴冷卻翼緣的外側(cè)面。在試驗過程中，冷卻方式可以選擇靜止方式，也可以選擇運動方式，其中運動冷卻方式是指輥道上的H型鋼在推力的作用下來回反復(fù)運動，使H型鋼的翼緣位置逐漸冷卻。噴嘴的形狀為水氣霧化矩形噴嘴，以每排設(shè)置6個噴此為宜，噴霧角度控制在90°，噴霧范圍能夠達(dá)到300 mm，這樣，能夠收到理想的冷卻效果。控冷裝置結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 控冷裝置結(jié)構(gòu)組成

3 H型鋼控制冷卻工藝與優(yōu)化措施

3.1 控冷裝置的初步設(shè)計方案

該試驗中的控制裝置的安裝位置處于精軋機組后導(dǎo)衛(wèi)與橫移輥道間的10 m長的輸送輥道處，這種安裝方法能夠有效降低微合金含量，改善H型鋼的力學(xué)性能。但是，由于我國在H型鋼控冷領(lǐng)域的研究成果較少，經(jīng)驗欠缺，因此，出于節(jié)約經(jīng)費考慮，該試驗主要分為兩個步驟：

1）離線進行控冷試驗，同時記錄各項試驗參數(shù)。

2）結(jié)合離線試驗測定的結(jié)果數(shù)據(jù)，對控冷工藝進行優(yōu)化，以達(dá)到提高H型鋼產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的目的。

3.2 控冷試驗結(jié)果分析

在控冷試驗開始前，首先需要確定H型鋼試樣的規(guī)格參數(shù)，該試驗選擇的H型鋼試樣規(guī)格為：305 mm×305 mm×223 kg，厚度為30.5 mm，長度為500 mm的BS55C鋼樁。當(dāng)鋼樣選取完畢，將其放入高溫電阻爐當(dāng)中進行加熱，當(dāng)試樣溫度達(dá)到1 000℃左右時，把試樣放置在輥道上面，然后開啟噴嘴，形成穩(wěn)定噴射流，當(dāng)鋼試樣的溫度降至初始設(shè)定值時，將試樣送進冷卻區(qū)，最后，測定出鋼試樣的冷卻參數(shù)與組織性能。

控冷試驗結(jié)果表明：當(dāng)噴射水壓介于0.20～0.25 MPa之間，噴射氣壓值介于0.15～0.25 MPa，水流量與氣流量分別在200～350 L/h與9.5～15.0 m3/h之間時，該控冷裝置的冷卻速率介于15～30℃/s之間，與66.7℃/s的標(biāo)準(zhǔn)計算值相差甚遠(yuǎn)，因此，可以得出結(jié)論，該控冷裝置在3 s的時間內(nèi)，無法達(dá)到700℃的標(biāo)準(zhǔn)返紅溫度。如果冷卻條件相同，那么H型鋼試樣的R角處的冷卻速度明顯大于翼緣中心的冷卻速度，產(chǎn)生這種情況的主要原因是由于噴嘴所處的位置與R角接近，噴射范圍受到限制，而噴射沖擊力相對較大，進而出現(xiàn)局部冷卻速度過快的現(xiàn)象。通過這一試驗生產(chǎn)出的鋼產(chǎn)品組織成分為鐵素體與珠光體的混合體，與其它冷卻方式不同的是，試驗中采用的冷卻裝置產(chǎn)生的鐵素體含量較多，鋼產(chǎn)品的屈服強度值提高了近50 MPa左右，如果將離線冷卻裝置改為在線冷卻裝置，鋼產(chǎn)品的屈服強度也將得到大幅提升。

3.3 控冷工藝的優(yōu)化措施

如果采用之前的控冷裝置，將其安裝在距離Uf后10 m的位置，冷卻時間為3 s，那么H型鋼軋件的最大溫度降低值只能達(dá)到90℃，假設(shè)此時的軋件溫度為950℃，那么冷卻后的溫度最低也只能降到860℃，這與既定的控冷目標(biāo)存在的較大差距，因此，為了加快冷卻速度，提高鋼產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，可以通過調(diào)整控冷裝置安裝位置的方法進行試驗驗證。

將控冷裝置安裝在距離Uf前20～30 m的位置，冷卻時間介于6～10 s之間，此時，最大溫度降低值能夠達(dá)到180～300℃，當(dāng)H型鋼軋件出U2后，表面最高溫度將達(dá)到1 050℃，如果根據(jù)最低與最高溫降值，可以計算出冷卻后的軋件溫度值介于870～750℃之間。但是，在實際生產(chǎn)過程中，由于電機動力性與功能的限制，Uf的軋制溫度應(yīng)當(dāng)始終高于800℃，這樣一來，如果H型鋼試樣的軋制溫度為800℃，那么經(jīng)過3 s冷卻后，返紅溫度能夠達(dá)到700℃左右，這就實現(xiàn)了既定的控冷目標(biāo)。由此可以得出結(jié)論，控冷裝置在Uf前的長度為25 m，在Uf后的長度為10 m，這樣的冷卻效果能夠達(dá)到最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語

通過上述試驗可以看出，熱軋H型鋼的控冷工藝在經(jīng)過優(yōu)化處理后，軋件的返紅溫度能夠快速從原來的950℃下降到700℃，這不僅實現(xiàn)了預(yù)定的控冷指標(biāo)，而且對改善和優(yōu)化H型鋼產(chǎn)品的力學(xué)性能起到積極的輔助作用。因此，廣大技術(shù)人員在實際生產(chǎn)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)不斷摸索和探尋各種新型的冷卻工藝，在保證H型鋼產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。