CN102847732B - 一种大型筒节热轧喷淋冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型筒节热轧喷淋冷却方法，其特征是：制作上、下喷淋装置，大型筒节轧制结束后，上、下轧辊夹紧筒节，使筒节在摩擦力的带动下转动，同时下喷淋装置伸入到筒节内部、上喷淋装置在筒节外部，调节上、下喷淋装置上冷却水管长度使每个喷淋装置上所有冷却水管的近筒节壁端的连线构成与筒节同心的半圆状，同时调整上、下喷淋装置的上、下喷水集板上冷却水管的数量比和冷却水的流量比，实现大型筒节内、外表面的轧后同冷速冷却。其优点是：解决了传统筒节热处理出现的冷却不均匀问题，本方法不仅提高了冷却效率，并且在冷却初始阶段增大了筒节表面的换热系数，较大幅提高了筒节的表面质量。

Description

一种大型筒节热轧喷淋冷却方法

技术领域

本发明属于冷却技术领域，涉及一种用于大型筒节热轧成形后的喷淋冷却方法。

背景技术

大型筒节连续轧制作为一种新兴的工艺，具有精度高、加工余量少、材料利用率高、产品内部质量好等优点。热轧后冷却方式的选取以及冷却工艺的控制，是保证大型筒节产品使用性能的关键工艺步骤。采用传统的热处理工艺，对筒节进行淬火冷却时，由于筒节尺寸大，筒节轴向上的不同部位不能同时冷却，冷却有一定的时间差，易造成温度分布不均匀，从而产生较大的残余应力，致使筒节轴向和径向上有较大的变形；由于筒节自重大，在淬火时在径向上易产生较大变形而变成椭圆形状，降低了筒节的尺寸精度，对筒节性能产生不利的影响。又因为淬火冷却时，筒节表面易产生蒸汽膜，影响筒节的传热。除此之外，传统热处理工艺成本高，难以实现批量化生产，不能满足国内市场对核电、加氢和煤液化筒节的大量需求。为了提高大型筒节轧后冷却的效率，降低轧后冷却的成本，提高筒节的力学性能，有必要研究采用新的冷却工艺代替传统的热处理工艺。

喷淋冷却是一种有效的传热方法，具有高的冷却能力，是将水加压以成近似于坡断状或者雾状，形成液滴束冲击被冷却的物体。现有的喷淋冷却方法采用同步喷淋冷却装置冷却，冷却后筒节内外表面温度相差较大，冷却不均匀。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够解决传统筒节热处理出现的冷却不均匀问题的大型筒节热轧喷淋冷却方法。

本发明的技术方案如下：

制作一个由上喷水集板和垂直分布在上喷水集板上的冷却水管构成的上喷淋装置和一个由下喷水集板和垂直分布在下喷水集板上的冷却水管构成的下喷淋装置，大型筒节轧制结束后，上、下轧辊以较小的压下量夹紧筒节，使筒节在摩擦力的带动下转动，同时下喷淋装置伸入到筒节内部、上喷淋装置在筒节外部与下喷淋装置相对，调节上、下喷淋装置上冷却水管长度使每个喷淋装置上所有冷却水管的近筒节壁端的连线构成与筒节同心的半圆状，同时调整上、下喷淋装置的上、下喷水集板上冷却水管的数量比和冷却水的流量比，实现大型筒节内、外表面的轧后同冷速冷却。

本发明的方法中如何准确设定计算上、下喷水集板冷却水的流量比，是保证筒节内、外表面换热系数相同或者相近，实现筒节内、外表面同冷速冷却的关键。

由喷淋冷却机理的分析可知，水流的冲击速度和喷嘴正下方的冲击区域面积决定了对流换热系数的大小。设喷淋冷却装置覆盖的角度为θ，筒节壁厚为B，等效半径为R，外表面冷却弧长为L₁，内表面为L₂，内外表面冷却水管的数量分别为n₂、n₁，见附图4

设喷淋冷却水管为圆形喷嘴，其热流密度具有如下形式

${\mathrm{hf}}_{\mathrm{lm}}=C{v}_l^{0.5}{d}_c^{1.608}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{sat}}^{0.14}---\left(1\right)$

式中C——系数，由液体的过冷度ΔT_sub确定，ΔT_sub＝T_sat—T_c，T_sat为冷却液的饱和温度点，T_c为冷却液温度，K

ν_l——冷却液柱冲击速度，m/s

d_c——液柱冲击直径，mm

ΔT_sat——ΔT_sat＝T_s—T_sat，T_s为钢板表面温度，K

hf_lm1、hf_lm2——热流密度，W/m²

令hf_lm1＝hf_lm2，则有

$C{v}_{l1}^{0.5}{d}_c^{1.608}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{sat}}^{0.14}=C{v}_{l2}^{0.5}{d_{c2}}^{1.608}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{sat}}^{0.14}---\left(2\right)$

式中v_l1、v_l2——上、下喷嘴水流到达钢板上表面时的速度，m/s

d_c1、d_c2——水流到达钢板上下表面时直径，mm

可得

$\frac{v_{l1}}{v_{l2}}=\frac{d_{c2}^{3.216}}{d_{c1}^{3.216}}---\left(3\right)$

而 $d_{c1}=\frac{L_1}{n_1},d_{c2}=\frac{L_2}{n_2},L_1=\mathrm{\θ}(R-\frac{B}{2}),L_2=\mathrm{\θ}(R+\frac{B}{2})$

又根据流体的连续性方程，水流到达钢板上下表面时直径变为

$d_{c1}=d_1\sqrt{v_1/v_{l1}},d_{c2}=d_2\sqrt{v_2/v_{l2}}---\left(4\right)$

令 $\frac{d_{c2}^{3.216}}{d_{c1}^{3.216}}=k$

则有

$\frac{v_{l1}}{v_{l2}}=k={\left[\frac{(R+\frac{B}{2})n_1}{(R-\frac{B}{2})n_2}\right]}^{3.216}---\left(5\right)$

上、下喷嘴水流到达钢板上表面时的速度分别为

$v_{l1}=\sqrt{v_1^2+2g{H}_1}---\left(6\right)$

$v_{l2}=\sqrt{v_2^2+2g{H}_2}---\left(7\right)$

将式(6)，式(7)带入式(5)得

$\frac{\sqrt{v_1^2+2g{H}_1}}{\sqrt{v_2^2-2g{H}_2}}=k---\left(8\right)$

式中H₁、H₂——上、下冷却水管喷嘴距离钢板表面的距离，mm

v₁、v₂——上、下冷却水管喷嘴出口的水流速度，分别为

$v_1=\frac{4q}{\mathrm{\π}{d}_1^2}---\left(9\right)$

$v_2=\frac{4R_{1}q}{\mathrm{\π}{d}_2^2}---\left(10\right)$

式中q——上喷水集板冷却水管喷嘴流量

R₁——上、下喷水集板冷却水管喷嘴流量比

d₁、d₂——上、下喷水集板冷却水管喷嘴直径，mm

联立式(5)、式(8)、式(9)和式(10)可以解得流量比R₁与冷却水管数量比n₁/n₂间的关系以及R₁值。

其关系为 $\frac{\sqrt{{\left(\frac{4q}{\mathrm{\π}{d}_1^2}\right)}^2+2g{H}_1}}{\sqrt{{\left(\frac{4q{R}_1}{\mathrm{\π}{d}_2^2}\right)}^2-2g{H}_2}}={\left[\frac{(R+\frac{B}{2})n_1}{(R-\frac{B}{2})n_2}\right]}^{3.216}---\left(11\right)$

通过上述内容可知，可以调整水流密度与冷却水管的数量比来实现筒节内、外表面对流换热系数的相同或相近。

本发明的方法通过调节上、下喷水集板的冷却水管的数量，改变冷却区域面积；

本发明的方法通过调节上、下喷水集板的冷却水管的长度，改变冷却弧的长度；

本发明的方法通过调节上、下喷水集板的冷却水管的数量以及长度，准确计算筒节内、外表面对流换热系数，实现不同规格筒节的轧后冷却。

本发明的大型筒节热轧喷淋冷却方法的特点是：1、筒节边旋转边冷却，矫正了因残余应力引起的椭圆度，保证了筒节的尺寸精度；2、调节筒节内、外表面的水量，使筒节内、外表面冷速相同，避免了表面翘曲的出现，保证了筒节的表面质量；3、与原来的筒节热处理工艺相比具有冷却的速度和均匀性高、生产效率高、综合成本低等优势；4、与现有的喷淋冷却方法相比，该方法通用性强，可以实现不同规格的筒节的轧后冷却；上、下喷水集板冷却水量可以通过改变冷却水管的数量比实现，水量比调控简单易行。

本发明的有益效果：

本发明较好的解决了大型筒节冷却不均匀的难题，冷却水大致垂直的喷射筒节表面，增大了与筒节直接接触面积，易于冲破筒节表面的蒸汽膜，从而消除了蒸汽膜对筒节传热的影响。采用本方法后，不仅可以实现内外表面同冷速冷却、有效的除去筒节表面的氧化皮，提高冷却效率，并且在冷却初始阶段增大了筒节表面的换热系数，可以较大幅度的提高筒节的表面质量。

附图说明

图1是本发明的方法中大型筒节热轧后喷淋冷却示意图；

图2是本发明的方法中上喷淋装置示意图；

图3是本发明的方法中下喷淋装置示意图；

图4是本发明的方法中喷淋装置各变量间的关系；

图5是本发明的方法中上喷水集板冷却水管的水量比变化趋势图；

图6是本发明的方法中水量比与冷却水管的数量比的关系图。

具体实施方式

实施例

方法1：通过采用本发明提出的喷淋冷却方法，对大型筒节轧后喷淋冷却进行了模拟。分析采用该方法后筒节内外表面温度分布的均匀性。

所采用的筒节的规格：外径：d₁＝5830mm，内径：d₂＝4796mm，宽度：2680mm；上下轧辊的转速为0.3rad/s。材料的基本属性：屈服极限：58MPa；弹性模量：90000MPa；泊松比：0.3；密度、比热等其余量均为温度的函数。通过计算可知筒节转速为0.1rad/s，设定其初始温度为900℃。调节冷却水管的高度使其端部的圆弧与筒节同心且相距50mm，同时，喷淋冷却弧与筒节圆心的夹角为60度，其示意图如图1。

上、下喷水集板冷却水管直径相同，取上喷水集板冷却水的水流密度为160m³/h，经过本方法计算可知水量比为1.8，从而计算出下喷水集板冷却水的水流密度为288m³/h。根据冷却水管的数量比和流量比间的关系，可知上、下喷水集板冷却水管的数量比为0.55。

任意取筒节内外表面上两点，记为A点、B点，分析其温度随时间变化趋势如表1所示

表1筒节内外表面节点温度随时间变化趋势

时间/s	圈数/q	外表面/℃	内表面/℃	温差/℃
					62.8	1	145.723	141.118	4.605
314	5	127.162	124.037	3.125
					628	10	105.285	102.962	2.323
942	15	91.249	88.955	2.294
					1257.6	20	83.556	81.619	1.937
1570	25	72.934	70.851	2.083
					1884	30	69.604	66.902	2.702

从上表可知，采用本发明的喷淋冷却方式，筒节内、外表面温度相差不大，且成阶梯状缓慢下降，最大温差为4.605℃，冷却均匀。

方法2：采用传统的淬火工艺冷却，同理取筒节内、外表面上A点和B点，记录其温度随时间变化情况如表2所示

表2筒节内外表面节点温度随时间变化趋势

时间/s	圈数/q	外表面/℃	内表面/℃	温差/℃
					62.8	1	195.72	142.11	53.61
314	5	187.16	165.03	22.13
					628	10	155.28	133.96	21.32
942	15	120.24	100.95	19.29

1257.6	20	109.55	95.61	13.94
					1570	25	89.93	81.85	8.08
1884	30	74.60	63.90	11.7

从上表可知采用淬火工艺，冷却初始时筒节冷却缓慢，由于蒸汽膜的作用使得62.8-314s之间表面温度变化不大，且在628s时有温度回升的趋势。随时间延长，蒸汽膜逐渐破裂和水的强烈沸腾换热使筒节表面温度急剧下降。最大温差为53.61℃，冷却不均匀。

方法3：采用现有的同步喷淋冷却装置冷却，同理取筒节内、外表面上A点和B点，记录其温度随时间变化情况如表3所示

表3筒节淬火后内外表面节点温度随时间变化趋势

时间/s	圈数/q	外表面/℃	内表面/℃	温差/℃
					62.8	1	204.02	190.28	13.74
314	5	173.26	158.74	14.52
					628	10	198.30	170.29	28.01
942	15	124.92	115.49	9.43
					1257.6	20	109.65	100.39	9.26
1570	25	88.29	73.72	14.57
					1884	30	71.38	59.17	12.21

从上表可知，采用现有的同步喷淋冷却装置冷却，筒节内、外表面温度相差较大，最大温差为28.01℃。

将方法1、方法2和方法3进行对比可看出，本发明提出的喷淋冷却方法可以有效的对筒节进行均匀冷却，且操作简单、大大的降低了筒节生产的周期。

Claims (2)

1.一种大型筒节热轧喷淋冷却方法，其特征是：制作一个由上喷水集板和垂直分布在上喷水集板上的冷却水管构成的上喷淋装置和一个由下喷水集板和垂直分布在下喷水集板上的冷却水管构成的下喷淋装置，大型筒节轧制结束后，上、下轧辊以较小的压下量夹紧筒节，使筒节在摩擦力的带动下转动，同时下喷淋装置伸入到筒节内部、上喷淋装置在筒节外部与下喷淋装置相对，调节上、下喷淋装置上冷却水管长度使每个喷淋装置上所有冷却水管的近筒节壁端的连线构成与筒节同心的半圆状，同时调整上、下喷淋装置的上、下喷水集板上冷却水管的数量比和冷却水的流量比，实现大型筒节内、外表面的轧后同冷速冷却；所述筒节轧制结束后冷却水量比R₁与冷却水管数量比n₁/n₂间的关系为：

式中：q是上喷水集板冷却水管喷嘴流量；R₁是上、下喷水集板冷却水管喷嘴流量比；d₁、d₂分别是上、下喷水集板冷却水管喷嘴直径；H₁、H₂分别是上、下冷却水管喷嘴距离钢板表面的距离；n₁、n₂分别是外表面和内表面冷却水管的数量；B是筒节壁厚；R是筒节等效半径；

通过调节上、下喷水集板的冷却水管的数量，改变冷却区域面积；通过调节上、下喷水集板的冷却水管的长度，改变冷却弧的长度。

2.根据权利要求1所述的大型筒节热轧喷淋冷却方法，其特征是：通过调节上、下喷水集板的冷却水管的数量以及长度，准确计算筒节内、外表面对流换热系数，实现不同规格筒节的轧后冷却。