CN109423542A - 钢管离线淬火外喷冷却装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管离线淬火外喷冷却装置及方法。该外喷冷却方法是，第一，外喷冷却装置在投入使用之前首先要进行标定，确定在不同压力下不同开度对应的流量；第二，生产开始前，根据设定的压力和流量，控制器将流量调节阀打开到相应的开度，开启进水管路的开关阀；第三，控制器控制关闭挡在钢管和喷箱之间的挡水板，钢管上料，通过斯惠顿杠杆将钢管送入旋转台架后，开始旋转钢管；第四，打开挡水板，对钢管进行淬火冷却，在冷却过程中如果有流量波动，控制器对流量调节阀实时进行闭环控制，保持流量稳定；第五，当前钢管冷却结束后控制器关闭挡水板，冷却水阀门保持开启状态，钢管下料，通过斯惠顿杠杆将钢管送入冷床辊道。

Description

钢管离线淬火外喷冷却装置及方法

技术领域

本发明涉及一种钢管热处理技术，尤其涉及一种钢管离线淬火的外喷冷却装置及方法。

背景技术

钢管热处理线上有四个主要工序：淬火炉加热、水淬、回火炉加热、热矫直，其中的水淬工序普遍采用将钢管压紧旋转后进行内喷外淋的冷却方式，其中外淋装置一般采用低压淋水方式。

而水淬往往成为瓶颈工序，其主要原因是目前使用的水淬外冷设备，无论是狭缝还是喷淋管，普遍采用固定低压的淋水装置，其冷却能力有限，即使加大流量也无法有效提高冷却速率，使得钢管水淬所需时间远远大于其他工序的时间，导致生产效率不高，管料在炉时间较长，表面氧化严重，能耗也大。

在采用内喷外淋方式调质时，固定低压的外淋水即使长度方向上流量可调，但在外表的冷速上差别不大，而内喷水从钢管一端流向另一端，内表的冷速差异较大，这就导致了钢管不同位置的冷速差异，从而导致钢管调质后强度波动大，钢管强度波动一般在80~150MPa，并且水冷后部分管料弯曲过于严重，矫直后管料直度仍然超标，需要再次重处理，加大了生产成本。

对于低碳系列的管线管、结构管等，要求较慢的冷速，只需要很小的流量，固定低压下外喷水就会很不均匀，水冷后弯曲严重，极易损坏旋转设施，且无法顺利输送而需要人工干预，使得生产效率较低。

中国专利CN2307006Y 公开了一种钢管外喷水装置，采用单排冷却水管的固定低压喷淋型式，冷却速率受限；该装置喷嘴口径较大，在低水量下很难保证水流均匀，尤其是大管径的钢管难以得到有效的均匀冷却；虽然从说明书附图上看喷水装置采用了长度方向分段结构，但并没有使用方法的描述，实际上在低压下由于冷却速度受限，即使分段调节流量也很难达到调节冷却速率的效果。

中国专利CN201046978Y 公开了一种双排外淋管，采用双排冷却水管的固定低压喷淋型式，冷却速率较低，并且全长无法进行分段流量调节，不适用于调质钢管的淬火。

中国专利CN101490286A 公开了一种钢管冷却方法，采用双排层流狭缝型式，狭缝层流要形成稳定的幕装水流，长度和流量范围均受限，且长度方向流量不可调，不适用于调质钢管的淬火，从其描述看也只适用于特定的壁厚/外径比的钢管。

专利CN202705412U 公开了一种钢管淬火外淋水喷淋装置，采用双排冷却水管的低压喷淋型式，设置中间分配水箱，可以起到稳定水流的作用，但是所用阀组较多，整体结构复杂，制造成本较高；虽然从说明书附图上看喷淋装置采用了长度方向分段结构，也配备了流量调节阀，但是从描述来看支管流量调节阀主要起开关阀的作用，用于喷淋段的选择，对于全长流量控制并没有描述，实际上在低压下由于冷却速度受限，即使分段调节流量也很难达到调节冷却速率的效果。

专利CN204474716U 公开了一种淬火机外喷淋装置，采用双排冷却水管的低压喷淋型式，设置均压水槽均衡压力，虽然可以给管体全长提供均匀的压力和流量，但一旦装置制造完成后压力即为固定不可调，全长流量也基本固定，难以适用于调质淬火。

以上这些钢管离线淬火装置主要采用固定低压淋水的外喷形式，冷却速率较低且受限，无法适用于外淋内喷调质淬火，也不能有效缩短钢管淬火时间。同时，双排流量压力不可调的配置，难以满足各种规格钢管的淬火工艺需求；由于双排喷嘴对称布置，对于小管径钢管只能使用单排喷嘴来满足冷却工艺，更容易造成周向冷却不均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢管离线淬火外喷冷却装置及方法，该外喷冷却装置及方法能对钢管周向和轴向实施快速均匀冷却，不仅使得钢管淬火后全长平直且性能均匀，而且大大缩短瓶颈工序--水淬的时间，从而提高生产效率。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种钢管离线淬火外喷冷却装置，包括多个喷箱，该喷箱设置于放置钢管的旋转台架上方，每个喷箱前端设置有多排喷嘴，喷箱前端对着下面的钢管，喷箱后端连接进水管路，进水管路上装有流量计和流量调节阀，流量计和流量调节阀连接控制器，进水管路接水集管，水集管通过变频水泵加压供水，变频水泵接控制器；

所述多个喷箱排列成一列，对应着下方的钢管长度方向。

所述每个喷箱前端的喷嘴为偶数排，偶数排喷嘴沿钢管顶部对称布置。

所述偶数排喷嘴为双排喷嘴和四排喷嘴，每个喷嘴错列排布。

所述每个喷箱前端的喷嘴为奇数排，奇数排喷嘴中的一排对准钢管顶部，其余排喷嘴沿顶部对称布置。

所述奇数排喷嘴为单排喷嘴和三排喷嘴，三排喷嘴错列排布。

一种根据上述的外喷冷却装置的钢管离线淬火外喷冷却方法，其步骤是：

第一，外喷冷却装置在投入使用之前首先要进行标定，确定在不同压力下不同开度对应的流量，控制器对其进行存储；

第二，在生产开始前，根据设定的压力和流量，控制器将流量调节阀打开到相应的开度，开启进水管路的开关阀，在压力稳定后再根据实际流量微调流量调节阀，将流量调节到公差允许范围；

第三，控制器控制关闭挡在钢管和喷箱之间的挡水板，钢管上料，通过斯惠顿杠杆将钢管送入旋转台架后，开始旋转钢管；

第四，打开挡水板，对钢管进行淬火冷却，在冷却过程中如果有流量波动，控制器对流量调节阀实时进行闭环控制，保持冷却过程中流量稳定；

第五，当前钢管冷却结束后控制器关闭挡水板，冷却水阀门保持开启状态，钢管下料，通过斯惠顿杠杆将钢管送入冷床辊道。

第六，在同一批次的下一根钢管进入旋转台架后打开挡水板，重复上述冷却过程第三至第五步；

第七，在当前批次钢管冷却结束后关闭冷却水阀门。

本发明钢管离线淬火外喷冷却装置及方法通过采用流量和压力可调的加压多排分段直喷冷却结构，满足不同钢种规格钢管的离线淬火工艺需求，对钢管周向和轴向实施快速均匀冷却，不仅使得钢管淬火后全长平直且性能均匀，减少旋转设备损耗，而且大大缩短瓶颈工序--水淬的时间，从而提高生产效率。

附图说明

图1为本发明钢管离线淬火外喷冷却装置的喷嘴排列方式示意图，其中：图1（a）喷嘴为双排错列排布，图1（b）喷嘴为三排错列排布，图1（c）喷嘴为四排错列排布；

图2为本发明钢管离线淬火外喷冷却装置的箱体及阀组示意图；

图3为本发明钢管离线淬火外喷方法流程图。

图中：1喷箱，2喷嘴，3流量计，4调节阀，5水集管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1和图2，一种钢管离线淬火外喷冷却装置，包括多个喷箱1，该喷箱1设置于放置钢管的旋转台架上方，每个喷箱1前端设置有多排喷嘴2，喷箱1前端对着下面的钢管，喷箱1后端连接进水管路，进水管路上装有流量计3和流量调节阀4，流量计3和流量调节阀4连接控制器，进水管路连接水集管5，水集管5通过变频水泵加压供水，变频水泵接控制器；所述多个喷箱1排列成一列，对应着下方的钢管长度方向。

所述每个喷箱1前端的喷嘴2为偶数排，偶数排喷嘴2沿钢管顶部对称布置。所述偶数排喷嘴2为双排喷嘴和四排喷嘴，每个喷嘴2错列排布。

所述每个喷箱前端的喷嘴为奇数排，奇数排喷嘴中的一排对准钢管顶部，其余排喷嘴沿顶部对称布置。所述奇数排喷嘴为单排喷嘴和三排喷嘴，三排喷嘴错列排布。

本发明钢管离线淬火外喷冷却装置根据不同管径和壁厚的产品生产大纲需求，该外喷冷却装置设计流量和压力可调的加压多排喷嘴（1～4排）和分段喷箱（5～15段）直喷冷却装置。偶数排喷嘴时沿钢管顶部对称布置，奇数排喷嘴时其中1排对准钢管顶部，其余喷嘴沿顶部对称布置。如图1所示。根据产品规格，主要是钢管直径，图1中三种喷嘴排列方式的应用范围分别为：图1（a）对应的钢管直径范围为50～150mm，图1（b）对应的钢管直径范围为100～200mm，图1（c）对应的钢管直径范围为150～500mm。

本发明钢管离线淬火外喷冷却装置分段设计，每段为一个喷箱，多个喷箱排列成一列，对应着下方的钢管长度方向。该外喷冷却装置若设计为单个箱体型式，很难调节全长流量，难以适用于内喷轴流冷却时的全长调质，并且单个喷箱过长很难加工平直，既难加工又不利于安装、维护，一般喷箱长度设计在三米以下。外喷冷却装置若设计过短，数量众多，虽然加工容易，但需要配套的阀组也多，大大增加制造成本，安装校准费时费力，控制上也比较繁琐。同时，为满足厚头厚尾钻管等的热处理需求，必须按照该钢管产品厚头尾长度设计可调节水流量和压力的相应的喷箱长度。因此，外喷冷却装置一般按照旋转台架上压紧轮的位置和厚头尾长度，设计为多段（5～15段）喷箱组合，由于压紧轮的阻隔，外喷水难以淋到钢管表面，在压紧轮处设计了压紧轮补水冷却装置。各喷箱进水管路上均设置有流量调节阀和流量计，参见图2，可以根据设定流量和实测流量进行闭环控制，确保实际流量的精准，从而满足不同钢种规格大小冷却速率下均匀冷却的需求。进水管路连接水集管，水集管通过变频水泵加压供水，变频水泵接控制器，通过变频水泵控制供水压力。外喷装置供水压力范围为0.1～0.5MPa，最大水量4000m³/h。

一种钢管离线淬火外喷冷却方法，参见图3，其步骤是：

第一，本发明的外喷冷却装置在投入使用之前首先要进行标定，确定在不同压力下不同开度对应的流量，控制器对其进行存储；

第二，在生产开始前，根据设定的压力和流量，控制器将流量调节阀打开到相应的开度，开启进水管路的开关阀，在压力稳定后根据设定压力调整到允许范围，再根据实际流量微调流量调节阀，将流量调节到公差允许范围；

第三，控制器控制关闭挡在钢管和喷箱之间的挡水板，钢管上料，通过斯惠顿杠杆将钢管送入旋转台架后，开始旋转钢管；

第四，打开挡水板，对钢管进行淬火冷却，在冷却过程中如果有流量波动，控制器对流量调节阀实时进行闭环控制，始终保持冷却过程中流量稳定；

第五，当前钢管冷却结束后控制器关闭挡水板，冷却水阀门保持开启状态，钢管下料，通过斯惠顿杠杆将钢管送入冷床辊道；

第六，在同一批次的下一根钢管进入旋转台架后打开挡水板，重复上述冷却过程第三至第五步；

第七，在当前批次钢管冷却结束后关闭冷却水阀门。若有后续批次钢管需要冷却，则根据下一批次的钢管设定的压力和流量重复上述冷却过程第二至第六步。

实施例

钢管离线淬火外喷冷却装置设计为四排错列分布的喷嘴，如图1（c）所示，采用圆柱形喷嘴。外喷冷却装置的喷箱长度，从内喷侧起分别为630mm，1800mm，1800mm，1800mm，1650mm，1940mm，1970mm，1800mm，总长13390mm。

对X65QO钢级的海洋服役用管线管进行外淋内喷调质淬火，外径为168.3mm，壁厚为15mm，设定参数如下：

转速：90rpm

内喷流量：418m³/h

外喷压力：0.2MPa

外喷总流量：1399m³/h

表1 各段喷箱流量流量密度及流量

喷箱号	1	2	3	4	5	6	7	8
									长度，m	0.63	1.8	1.8	1.8	1.65	1.94	1.97	1.8
水量，m<sup>3</sup>/h	61.31	177.85	181.21	184.03	173.01	206.60	213.48	201.24
									水流密度，m<sup>3</sup>/h/m	97.31	98.81	100.67	102.24	104.85	106.50	108.36	111.80

表2 淬火后钢管全长性能

从表2中可以看出，采用本发明的外喷冷却装置与方法，调质后管线管的屈服强度和抗拉强度波动显著降低。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钢管离线淬火外喷冷却装置，其特征是：包括多个喷箱，该喷箱设置于放置钢管的旋转台架上方，每个喷箱前端设置有多排喷嘴，喷箱前端对着下面的钢管，喷箱后端连接进水管路，进水管路上装有流量计和流量调节阀，流量计和流量调节阀连接控制器，进水管路接水集管，水集管通过变频水泵加压供水，变频水泵接控制器；

所述多个喷箱排列成一列，对应着下方的钢管长度方向。

2.根据权利要求1所述的钢管离线淬火外喷冷却装置，其特征是：所述每个喷箱前端的喷嘴为偶数排，偶数排喷嘴沿钢管顶部对称布置。

3.根据权利要求2所述的钢管离线淬火外喷冷却装置，其特征是：所述偶数排喷嘴为双排喷嘴和四排喷嘴，每个喷嘴错列排布。

4.根据权利要求1所述的钢管离线淬火外喷冷却装置，其特征是：所述每个喷箱前端的喷嘴为奇数排，奇数排喷嘴中的一排对准钢管顶部，其余排喷嘴沿顶部对称布置。

5.根据权利要求4所述的钢管离线淬火外喷冷却装置，其特征是：所述奇数排喷嘴为单排喷嘴和三排喷嘴，三排喷嘴错列排布。

6.一种根据权利要求1所述的外喷冷却装置的钢管离线淬火外喷冷却方法，其特征是：

第一，外喷冷却装置在投入使用之前首先要进行标定，确定在不同压力下不同开度对应的流量，控制器对其进行存储；

第二，在生产开始前，根据设定的压力和流量，控制器将流量调节阀打开到相应的开度，开启进水管路的开关阀，在压力稳定后再根据实际流量微调流量调节阀，将流量调节到公差允许范围；

第三，控制器控制关闭挡在钢管和喷箱之间的挡水板，钢管上料，通过斯惠顿杠杆将钢管送入旋转台架后，开始旋转钢管；

第四，打开挡水板，对钢管进行淬火冷却，在冷却过程中如果有流量波动，控制器对流量调节阀实时进行闭环控制，保持冷却过程中流量稳定；

第五，当前钢管冷却结束后控制器关闭挡水板，冷却水阀门保持开启状态，钢管下料，通过斯惠顿杠杆将钢管送入冷床辊道。

7.根据权利要求6所述的钢管离线淬火外喷冷却方法，其特征是：

第六，在同一批次的下一根钢管进入旋转台架后打开挡水板，重复上述冷却过程第三至第五步；

第七，在当前批次钢管冷却结束后关闭冷却水阀门。