CN103084421B

CN103084421B - 一种参数可调的大型筒节热轧后的喷淋冷却装置

Info

Publication number: CN103084421B
Application number: CN201310027210.5A
Authority: CN
Inventors: 孙建亮; 彭艳; 刘宏民; 刘建静; 陈素文; 张博
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2033-01-25
Also published as: CN103084421A

Abstract

本发明涉及一种参数可调的大型筒节热轧后喷淋冷却的冷却装置，包括上喷淋冷却单元和下喷淋冷却单元，其特征是：上喷淋冷却单元由上集板和分布于上集板上的上喷淋冷却管构成，下喷淋冷却单元由下集板和分布于下集板上的下喷淋冷却管构成，上、下喷淋冷却管均由喷淋基管和喷淋管套相互连接构成，每根喷淋冷却管包含的喷淋基管的数量≥1、包含的喷淋管套的数量≥0；上喷淋冷却单元上所有上喷淋冷却管管端连线构成弧面，下喷淋冷却单元上所有下喷淋冷却管管端连线构成弧面。其优点是：通过改变冷却水的压力，可以有效的除去筒节冷却初始的蒸汽膜，提高了冷却效率；通过改变冷却管的长度，可以实现不同规格的筒节的轧后冷却。

Description

一种参数可调的大型筒节热轧后的喷淋冷却装置

技术领域

本发明属于冷却装置领域，涉及一种参数可调的大型筒节热轧后喷淋冷却的冷却装置。

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，降低了筒节的尺寸精度，对筒节性能产生不利的影响；同时，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。目前尚未检索到能够用于大型筒节轧后冷却的喷淋装置，如何消除冷却过程中产生的蒸汽膜、变形等对筒节传热的影响，提高筒节的表面质量，实现多规格筒节的均匀冷却，是喷淋冷却装置设计的重点和难点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述难题，提供一种参数可调的大型筒节热轧后喷淋冷却的冷却装置。该装置能够较好地解决筒节采用淬火冷却时出现的冷却不均匀问题。

本发明的技术方案：

本发明的喷淋冷却装置包括用于冷却热轧筒节上表面的上喷淋冷却单元和用于冷却筒节下表面的下喷淋冷却单元，上喷淋冷却单元由上集板和均匀分布于上集板上的上喷淋冷却管构成，下喷淋冷却单元由下集板和均匀分布于下集板上的下喷淋冷却管构成，上、下喷淋冷却管均由喷淋基管和喷淋管套相互连接构成，每根喷淋冷却管包含的喷淋基管的数量≥1、包含的喷淋管套的数量≥0；上喷淋冷却单元上所有上喷淋冷却管管端连线构成一个与被冷却的热轧筒节上表面吻合的内凹的弧面，下喷淋冷却单元上所有下喷淋冷却管管端连线构成一个与被冷却的热轧筒节下表面吻合的外凸的弧面；设上集板中心处的上喷淋冷却管h₁作为基准，上喷淋冷却管管端构成的弧面上任意弧度对应的上喷淋冷却管的长度为：

H = h_{1} + R * θ * \sqrt{1 - \frac{L^{2}}{R^{2}}}

其中：h₁为上集板中心处的上喷淋冷却管的长度，h₂为计算的上喷淋冷却管较基准h₁增加的长度，R为圆弧半径，2θ为圆心角，L为计算的喷淋冷却管端部所对应的弦长；

下喷淋冷却管管端构成的弧面上任意弧度对应的下喷淋冷却管的长度为：

H₁＝h₃-h₄＝θ×L

其中：h₃为下集板中心处的下喷淋冷却管的长度，设为基准，h₄为计算的下喷淋冷却管较基准h₃减少的长度。

所述的上、下集板上均匀分布有螺纹小孔；

所述喷淋基管的两端均有外螺纹；

所述喷淋管套两端均有内螺纹；

所述上喷淋冷却单元和下喷淋冷却单元上的上喷淋冷却管或下喷淋冷却管的长度能够调节，其调节方式为：两端带有外螺纹的喷淋基管一端置于集板上，并通过螺纹连接，另一端根据长度需要连接喷淋管套，喷淋管套再第二根连接喷淋基管，依此来调节每根上喷淋冷却管或下喷淋冷却管总长度；

上喷淋冷却单元和下喷淋冷却单元分别对应置于冷却的筒节的上、下表面，依靠其与筒节的相对转动来实现喷淋冷却；

通过改变上喷淋冷却管及下喷淋冷却管的数量以及每根冷却管的长度，形成不同的冷却弧，来实现不同规格筒节的轧后冷却。

本发明的有益效果：

通过改变冷却水的压力，可以有效的除去筒节冷却初始的蒸汽膜，提高了冷却效率；通过改变冷却管的长度，可以实现不同规格的筒节的轧后冷却。

附图说明

图1大型筒节热轧后喷淋冷却示意图；

图2上、下喷淋集板示意图；

图3喷淋基管示意图；

图4喷淋管套剖视示意图；

图5上喷淋冷却单元各变量间关系示意图；

图6下喷淋冷却单元各变量间关系示意图。

图中：1、上集板；2、下集板；3、上辊；4、下辊；5、导向辊；6、筒节；7、螺纹孔；8、上集板中心处的上喷淋冷却管；9、下集板中心处的下喷淋冷却管。

具体实施方式

参照附图，本大型筒节喷淋冷却装置包括用于冷却热轧筒节上表面的上喷淋冷却单元和用于冷却筒节下表面的下喷淋冷却单元，上喷淋冷却单元由上集板和均匀分布于上集板上的上喷淋冷却管构成，下喷淋冷却单元由下集板和均匀分布于下集板上的下喷淋冷却管构成，上、下喷淋冷却管均由两端带有外螺纹的喷淋基管和两端带有内螺纹的喷淋管套相互连接构成，每根喷淋冷却管包含的喷淋基管的数量≥1、包含的喷淋管套的数量≥0；上喷淋冷却单元上所有上喷淋冷却管管端连线构成一个与被冷却的热轧筒节上表面吻合的内凹的弧面，下喷淋冷却单元上所有下喷淋冷却管管端连线构成一个与被冷却的热轧筒节下表面吻合的外凸的弧面；上喷淋冷却单元和下喷淋冷却单元上的上喷淋冷却管或下喷淋冷却管的长度能够调节，其调节方式为：两端带有外螺纹的喷淋基管一端置于集板上，并通过螺纹连接，另一端根据长度需要连接喷淋管套，喷淋管套再第二根连接喷淋基管，依此来调节每根上喷淋冷却管或下喷淋冷却管总长度。不同规格筒节所需要的喷淋冷却管长度不同，以上喷淋冷却单元为例并结合示意图5，图5中1代表上集板，8代表上集板中心处的上喷淋冷却管，设上集板中心处的喷淋冷却管长度h₁为基准，设增加的喷淋冷却管长度为h₂、圆弧半径为R、圆心角为2θ，根据各变量间的关系，又因为大型筒节径向尺寸大，所以近似地可以用弧长来代替弦长，从而可以依此估算出任意弧度对应的喷淋冷却管的长度

H＝h₁+h₂(1)

h₂＝R×θ×cosθ(2)

sinθ＝L/R(3)

基于以上公式可以估算出不同弧度下的喷淋冷却管的长度H为：

H = h_{1} + R * θ * \sqrt{1 - \frac{L^{2}}{R^{2}}} - - - (4)

同理，设下集板中心处的喷淋冷却管9的长度h₃为基准，减少的喷淋冷却管长度为h₄，下喷淋冷却装置可依此方法计算出喷淋管的长度为：

H₁＝h₃-h₄＝θ×L(5)

根据公式(4)和(5)调整喷淋冷却装置上、下集板上喷淋冷却管的长度，使所有喷淋冷却管的下端的连线构成与筒节同心的圆弧，并且与筒节表面的距离控制在合适范围内。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，同时将装有喷淋冷却管的上、下喷淋集板伸入到筒节内部，通过调节水压、水量及喷淋冷却管的开启来实现筒节上下表面的同时冷却。采用这一装置后，增大了冲击区的有效面积，消除了蒸汽膜对筒节传热的影响。大型筒节喷淋冷却装置的特点：(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近似相同，降低了内外表面的温度差，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。

实施例一

通过采用本发明提出的喷淋冷却装置，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＝5860mm，内径：d₂＝4813mm，宽度：2680mm；上下轧辊的转速为0.35rad/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0.12rad/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40mm，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。

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	135.723	127.102	8.621
314	5	120.162	114.037	6.125
					628	10	109.211	101.931	5.280

942	15	100.253	93.955	6.298
					1257.6	20	92.185	87.619	4.566
1570	25	82.234	75.874	6.360
					1884	30	73.298	66.398	5.900

从上表可知，采用本发明的喷淋冷却装置，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8.621℃，冷却均匀。

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	197.88	188.52	9.36
314	5	181.56	169.03	12.53
					628	10	164.92	119.86	45.06
942	15	134.31	110.95	23.36
					1257.6	20	117.91	95.61	22.30
1570	25	99.93	80.85	18.08
					1884	30	84.60	73.90	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。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45.06℃，冷却不均匀。

将表1和表2数据进行对比可看出，本发明提出的喷淋冷却装置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。

实施例二

在实例一方法1的基础上，通过改变冷却水管的数量和长度，使喷淋冷却弧与筒节圆心的夹角为50度，其余条件保持不变。取筒节内、外表面上A点和B点，分析其温度随时间变化趋势如表3所示。

表3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	141.02	130.28	10.74
314	5	123.26	114.74	8.52
					628	10	111.3	102.29	8.01
942	15	101.92	94.49	7.43
					1257.6	20	90.65	83.39	7.26
1570	25	82.29	75.72	6.57
					1884	30	75.38	68.17	6.21

从上表可知，筒节内外表面温度变化趋势与表1相同，说明本装置能够对不同规格的筒节进行冷却。通过表2与表3对比可知，本喷淋冷却装置具有冷却效果好、喷淋均匀等优点，是一种简单易行、冷却效率高的喷淋冷却装置。

Claims

1.一种参数可调的大型筒节热轧后的喷淋冷却装置，包括用于冷却热轧筒节上外表面的上喷淋冷却单元和用于冷却筒节内表面的下喷淋冷却单元，其特征是：上喷淋冷却单元由上集板和均匀分布于上集板上的上喷淋冷却管构成，下喷淋冷却单元由下集板和均匀分布于下集板上的下喷淋冷却管构成，上、下喷淋冷却管均由喷淋基管和喷淋管套相互连接构成，每根喷淋冷却管包含的喷淋基管的数量≥1、包含的喷淋管套的数量≥0；上喷淋冷却单元上所有上喷淋冷却管管端的连线构成一个与被冷却的热轧筒节上表面吻合的内凹的弧面，下喷淋冷却单元上所有下喷淋冷却管管端的连线构成一个与被冷却的热轧筒节下表面吻合的外凸的弧面；设上集板中心处的上喷淋冷却管的长度h₁作为基准，上喷淋冷却管管端构成的弧面上任意弧度位置对应的上喷淋冷却管的长度为：

H＝h₁+h₂

H = h_{1} + θ \times \sqrt{R^{2} - L^{2}}

H₁＝h₃-h₄＝θ×L

2.根据权利要求1所述的参数可调的大型筒节热轧后的喷淋冷却装置，其特征是：上、下集板上均匀分布有螺纹小孔，喷淋基管的两端均有外螺纹，喷淋管套两端均有内螺纹；上、下喷淋冷却单元上的上、下喷淋冷却管的长度能够调节，其调节方式为：两端带有外螺纹的喷淋基管一端置于集板上，并通过螺纹连接，另一端连接喷淋管套，喷淋管套再第二根连接喷淋基管，依此来调节每根上喷淋冷却管或下喷淋冷却管总长度。

3.根据权利要求1所述的参数可调的大型筒节热轧后的喷淋冷却装置，其特征是：喷淋集板能够随筒节内外直径大小进行上下移动，通过调节喷淋集板与大型筒节的距离、上下喷淋冷却水管的数量以及冷却管的长度，形成不同的冷却弧，来实现不同规格筒节的轧后冷却。