氣霧冷卻系統在H 型鋼控冷技術中的應用

藺物潤，李愛臣

H 型鋼具有抗彎性能好、結構質量輕、承載能力大、鉚焊簡單等優點，隨著國內廠房建筑，橋梁、地鐵及設備制造業的不斷發展，H 型鋼得到普遍應用。如今，H 型鋼生產線控制冷卻技術日趨成熟[1]，而如何將氣霧冷卻系統在生產線上合理應用，實現數字化控制，提高設備使用效率、降低成本是本文闡述的主要內容。

1 氣霧冷卻技術介紹

氣霧冷卻是通過調整壓力控制壓縮空氣和水在噴嘴內的混合比，形成需要的霧化狀態，然后噴射到軋件表面進行熱交換，達到冷卻效果。氣霧冷卻較水冷，空冷擁有更加優良的冷卻能力：

（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） 通過調節水和氣的比例，使冷卻速度可調。

（3） 彌散氣霧顆粒成面式散落，冷卻均勻。

2 H 型鋼生產線氣霧冷卻的應用

根據H型鋼生產工藝的冷卻控制要求，分別在軋制區、軋后區和冷床區采用氣霧冷卻方式。

2.1 軋制區氣霧冷卻的應用

（1） 軋制區氣霧冷卻必要性

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 ℃，與軋輥側壁相差15～25 ℃，造成軋輥R 角磨損快，嚴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

②H 型鋼斷面形狀為H 形，在軋制過程中上半側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，對金屬組織形態均勻變化不利。

上述的問題可通過氣霧冷卻改善。

（2） 軋制區氣霧冷卻系統布置

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，以及機架內側的上、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面進行可調整的氣霧冷卻，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，從翼緣外側冷卻翼緣與腹板結合部的R 角高溫區，以縮小翼緣和腹板的溫度差。

軋制區域的氣霧冷卻系統由供水系統、供氣系統、氣霧噴嘴及附屬控制裝置組成。該系統采用濁環水系統供水，水壓0.4～0.6 MPa，氣源采用廠房內的壓縮空氣，氣壓0.4～0.6 MPa。在各主要支管上安裝數字電動調節球閥、電磁流量計和電傳壓力表，用于反饋和調節氣霧流量。

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，軋輥輥身溫度和側壁溫度相同，R 角溫度和中部溫度差降至5 ℃以內，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 型鋼腹板槽內殘留積水量減少70%。加上移動對中裝置區域氣霧冷卻系統的輔助作用，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小均勻，可與軋制過程中產生的粉塵顆粒粘合，并隨氣霧噴嘴產生的氣壓下落，有效減少軋機區域的粉塵污染。

2.2 軋后區氣霧冷卻技術的應用

（1） 軋后區氣霧冷卻必要性

由于H 型鋼的特殊斷面形態，在自然冷卻過程中會出現冷卻不均勻情況，產生很大的應力差，造成H 型鋼內部殘余應力大，硬度、強度、韌性和塑性等力學性能都會降低[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 角經常出現皰疹狀缺陷。

軋后區氣霧控制冷卻技術使H 型鋼終軋后獲得細化鐵素體晶粒，提高材料強度和硬度。

（2） 軋后區氣霧冷卻系統布置

筆者根據采樣數據建立起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） 軋后區氣霧冷卻系統布置

該氣霧冷卻系統布置在UF 軋機后的延伸輥道內。生產線軋制速度為3.5～6 m/s，按照工藝要求，需將型鋼冷卻至結晶溫度以下。根據計算和論證，連續噴霧冷卻時間按照12 s 設計，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冷卻需要；此外，為了適應不同翼緣高度和腹板寬度，要求翼緣外側噴嘴的高度必須可調，腹板部噴嘴的寬度可調。

（4） 軋后區氣霧冷卻使用效果

①斷面溫度均勻、溫差小

經過軋后控制冷卻，H 型鋼整體已經冷卻到結晶溫度以下，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 型鋼出現腹板波浪，下并上擴等缺陷。

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。結果顯示，經過空冷的顯微組織晶粒粗大（見圖4）；經過氣霧冷卻的顯微組織晶粒細化（見圖5）?？梢钥闯霾捎脷忪F冷卻后，斷面組織形態得到很好改善。

圖4 空冷狀態下顯微組織圖

圖5 氣霧冷卻狀態下顯微組織圖

③H 型鋼力學性能明顯提升

在H 型鋼上采樣做力學性能實驗，得到力學性能（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表面質量顯著提高

空冷狀態下H 型鋼表面，特別是翼緣外側和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 冷床區氣霧冷卻技術的應用

（1） 冷床區氣霧冷卻的作用

經過軋后控制冷卻，H 型鋼溫度已經降到結晶溫度之下。所以冷床區的氣霧冷卻主要作用是快速降溫，提高生產節奏，解決冷床冷卻效率不足的問題。

（2） 冷床區氣霧冷卻系統的布置

目前，H 型鋼生產線冷床以鏈式冷床加步進冷床的復合冷床為主。在步進冷床區H 型鋼以“H”型擺放，且該區域設備密度較大，不適合作為氣霧冷卻區；鏈式冷床區H 型鋼按“工”字擺放，冷卻水不易積存，覆蓋面大，故將氣霧冷卻布置在該區域。共鋪設四組八條冷卻管道，在每組主管上安裝橫向調節機構，保證每種規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，以此調整氣霧冷卻量。

在冷床區采取普通氣霧冷卻存在以下不足：

①由于冷床較長，導致管線過長，而普通氣霧噴嘴耗水量大，管道壓降快，需要增設增壓設備。

②H 型鋼按“工”字型擺放時，因規格不同，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，擴散面積大。

3 氣霧冷卻系統總體設計

3.1 供水系統及供氣系統

全線三大氣霧冷卻區全部采用工廠濁環水系統供水。其優點如下：

（1） 分段就近取水，減少管道施工量。

（2） 集中供水，水耗能耗便于統計核算成本。

（3） 在水泵房增加水泵，不需要為每個區域增加一套供水設備，節省投資和空間。

（4） 采用國內主流濁環水循環系統的過濾凈化設備功能強大，有效保證水質和清潔度，極大地減少噴嘴損耗。

可用現有壓縮空氣集中供氣，或者投入一個空壓機站為三個系統供氣。

3.2 末端氣霧冷卻系統

根據冷卻要求不同，各區域氣霧冷卻系統主管和支管安裝數字電動調節球閥、電磁流量計和電傳壓力表反饋調節氣霧冷卻中水和氣的用量。

3.3 智能控制系統

氣霧控制系統包括基礎自動化系統和過程自動化系統兩大部分，主要由PLC、閥臺、服務器、工程師站及網絡設備等構成（見圖6）?；A自動化系統通過溫度檢測儀表、輪廓儀等檢測元件采集溫度、外形尺寸等數據并上傳給過程自動化控制系統，觸發模型設定參數，由過程自動化系統將設定數據下發給基礎自動化系統，控制電動調節閥，并將流量、壓力、冷卻后溫度、外形尺寸、表面質量等數據回傳到過程自動化系統，經過數據對比，計算模糊值，再進行微量調整。

圖6 氣霧冷卻控制系統運行流程圖

4 結 語

通過將原有零散的、孤島性的冷卻系統根據H型鋼生產工藝要求綜合設計和布置得到的噴霧冷卻系統具有如下優勢：

（1） 統籌布置的氣霧冷卻系統可以滿足不同階段、不同規格、不同鋼種的冷卻工藝要求。

（2） 統籌設計氣霧冷卻系統，既能減少重復投入，降低投資成本，又能精確統計水、氣和電的消耗，有效控制生產成本。

（3） 通過建立可自學習的控制模型，消除控制孤島和信息孤島，實現全線冷卻工藝的數字化，符合未來技術發展方向。

綜上所述，氣霧控制冷卻系統已經成為H 型鋼生產線必備設施，應在設計階段統籌考慮，合理布置，滿足生產工藝要求。