本實(shí)用新型屬于軋鋼設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種用于熱軋高強(qiáng)度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置。這種水霧汽化冷卻裝置充分利用水霧氣化冷卻和穿水冷卻工藝的優(yōu)點(diǎn)，在不同冷卻段分別利用水的相變汽化潛熱Δhv＝540cal/g和水的比熱Cp＝1cal/g℃的基本原理，采用分段階梯式加速冷卻方法，為熱軋高強(qiáng)度鋼筋提供了一種有效的相變強(qiáng)化和控制冷卻裝置。

背景技術(shù)：

目前國(guó)內(nèi)外熱軋帶肋鋼筋的軋后冷卻設(shè)備主要是穿水管，均采用和借鑒比利時(shí)冶金研究所CRM在70年代開(kāi)發(fā)的Tempcore穿水冷卻技術(shù)，通過(guò)大水量的快速冷卻短時(shí)間內(nèi)帶走熱量，并利用鋼材芯部(Core)的余熱對(duì)表層淬火馬氏體進(jìn)行回火(Tempering)，在鋼筋截面的表層獲得回火馬氏體環(huán)，而心部獲得鐵素體－珠光體－貝氏體，這種復(fù)合組織顯著提高了鋼筋在全尺寸拉伸條件下的整體屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度水平，用于生產(chǎn)屈服強(qiáng)度YS415、460和500MPa級(jí)熱軋高強(qiáng)度鋼筋。由于穿水管存在水封，冷卻段最短長(zhǎng)度受限制，導(dǎo)致冷卻路徑不靈活，只能一冷到底，表面溫度極易低于馬氏體點(diǎn)，且表面受水的膜沸騰的影響心部的冷速受限。另外采用穿水工藝生產(chǎn)的鋼筋，雖然合金添加量大幅減少，但是存在穿水后馬氏體環(huán)焊接軟化和穿水后表面紅銹的問(wèn)題，其抗銹蝕性能差，嚴(yán)重影響后續(xù)的使用，用戶甚至提出退貨或者降價(jià)銷售的要求，尤其是出口國(guó)外的鋼筋對(duì)表面質(zhì)量要求更嚴(yán)格。同時(shí)國(guó)內(nèi)鋼筋主要以焊接為主，重點(diǎn)工程及大中型工程都嚴(yán)格要求不允許出現(xiàn)馬氏體組織。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種用于熱軋高強(qiáng)度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置。采用水霧氣化噴嘴和水霧強(qiáng)化噴嘴分組分段的階梯型加速冷卻方式，在不同冷卻段分別利用水的相變汽化潛熱Δhv＝540cal/g和水的比熱Cp＝1cal/g℃的基本原理，通過(guò)控制水霧粒度分布來(lái)提高水霧汽化冷卻在混合冷卻機(jī)制(包括接觸傳熱冷卻、膜沸騰冷卻和汽化冷卻)中的比例和換熱效率，拓寬了傳統(tǒng)水霧冷卻能力的范圍；通過(guò)控制熱軋棒線材表面冷卻速度來(lái)控制晶粒細(xì)化與貝氏體轉(zhuǎn)變，在避免傳統(tǒng)穿水冷卻導(dǎo)致馬氏體環(huán) 形成的前提下，提高棒線材的強(qiáng)塑性以及強(qiáng)屈比的同時(shí)緩解鋼筋表面紅銹Fe₂O₃的生成。

本實(shí)用新型包括兩個(gè)冷卻區(qū)：即分段階梯型冷卻區(qū)和快冷區(qū)；還包括與分段階梯型冷卻裝置相連接的配套集成系統(tǒng)。其中分段階梯型冷卻區(qū)由4～6段(每段長(zhǎng)度根據(jù)冷卻線長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整)的10～25組水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強(qiáng)化噴嘴構(gòu)成的降溫-返溫階梯型冷卻段，水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強(qiáng)化噴嘴間隔分布，距離控制在20～240mm，根據(jù)軋制速度和溫度進(jìn)行調(diào)整；快冷區(qū)由1～2段快冷型紊流管冷卻器組成；鋼筋依次穿過(guò)分段階梯型冷卻區(qū)和快冷區(qū)，同時(shí)由配套集成系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行各個(gè)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制。所述的配套集成系統(tǒng)由閥架系統(tǒng)和在線控制系統(tǒng)組成，其中兩個(gè)冷卻區(qū)所需的水路氣路流量、壓力的供應(yīng)由閥架系統(tǒng)來(lái)提供。工藝信號(hào)和參數(shù)的反饋及調(diào)節(jié)由在線控制系統(tǒng)來(lái)完成。

所述用于熱軋高強(qiáng)度鋼筋的水霧汽化冷卻噴嘴由快換接頭1、進(jìn)水口2、進(jìn)氣口3、混合腔4、霧化腔5、水霧噴頭6組成，按先后順序依次連接，經(jīng)配套集成系統(tǒng)中的雙聯(lián)通式過(guò)濾器過(guò)濾后的濁環(huán)水依次通過(guò)快接接頭1和進(jìn)水口2進(jìn)入混合腔4，壓縮空氣依次通過(guò)快接接頭1和進(jìn)氣口3進(jìn)入混合腔4，然后依次進(jìn)入霧化腔5、水霧噴頭6后射向鋼筋表面。通過(guò)調(diào)節(jié)水壓、水量、氣壓、氣量控制水霧粒度分布，為汽化冷卻提供所需的水霧粒度范圍。

本實(shí)用新型所述用于熱軋高強(qiáng)度鋼筋的水霧強(qiáng)化噴嘴由進(jìn)水口11、環(huán)形水管12、水霧強(qiáng)化噴頭13組成，按先后順序依次連接，通過(guò)調(diào)節(jié)水壓、水量、鋼筋表面的距離、噴射角度等控制水滴粒度分布，為進(jìn)一步汽化冷卻提供所需的水滴粒度范圍。

本實(shí)用新型所述用于熱軋高強(qiáng)度鋼筋的快冷區(qū)的快冷型紊流管冷卻器由進(jìn)水口101、水封102、可變角度的紊流管103、水封104、泄水閥105、循環(huán)水管106、氣封107組成，按先后順序依次連接，通過(guò)調(diào)節(jié)水壓、水量，為實(shí)現(xiàn)二次快速冷卻提供所需的水量，同時(shí)抑制鋼筋表面產(chǎn)生的氣膜，進(jìn)一步提高換熱效率。

本實(shí)用新型所述的閥架系統(tǒng)由供水閥架系統(tǒng)和供氣閥架系統(tǒng)組成，其中，供水閥架系統(tǒng)由水管道21、雙聯(lián)通式過(guò)濾器22、調(diào)節(jié)閥門23、壓力表24、流量計(jì)25按先后順序依次連接組成；供氣閥架系統(tǒng)由氣管道31、儲(chǔ)氣罐32、調(diào)節(jié)閥門33、壓力表34、流量計(jì)35按先后順序依次連接組成。主要是為控制界面提供傳輸信號(hào)、氣路和水路所需的流量、壓力、汽水比等。

本實(shí)用新型所述的在線控制系統(tǒng)由紅外測(cè)溫儀41、遠(yuǎn)程信號(hào)儀表42、PLC可編程 控制器43、計(jì)算機(jī)(含顯示器)44、工藝控制軟件界面程序45、力學(xué)性能預(yù)報(bào)模型46組成，按先后順序依次連接。采用PLC可編程控制器43所編寫的“熱軋鋼筋水霧汽化分段階梯型冷卻工藝控制”軟件程序和控制界面45，通過(guò)對(duì)水霧汽化冷卻裝置閥架系統(tǒng)的水路壓力、水路流量、氣路壓力、氣路流量、汽水比以及水霧強(qiáng)化噴嘴的水壓、流量和快冷型紊流管冷卻器的水壓、流量等遠(yuǎn)程信號(hào)42的采集，集中顯示在控制界面45上，并通過(guò)工藝控制軟件采集的紅外測(cè)溫儀41的溫度信號(hào)(分階段冷卻入口溫度T1、出口溫度T2、上冷床返溫溫度T3)與目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)根據(jù)力學(xué)性能預(yù)報(bào)模型預(yù)測(cè)的力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)工藝調(diào)整，然后通過(guò)遠(yuǎn)程信號(hào)來(lái)調(diào)整閥門開(kāi)口度，進(jìn)行在線流量、壓力、汽水比的調(diào)節(jié)，從而獲得所需的控制冷卻工藝參數(shù)和力學(xué)性能。

本實(shí)用新型所述的水霧汽化冷卻裝置，根據(jù)在原有水霧汽化冷卻裝置上進(jìn)行優(yōu)化，增加了水霧強(qiáng)化噴嘴、快冷區(qū)的快冷型紊流管冷卻器，同時(shí)優(yōu)化了工藝控制軟件，為現(xiàn)場(chǎng)軋鋼機(jī)組獲得高強(qiáng)度鋼筋的顯微組織、力學(xué)性能和延緩生銹提供設(shè)備支持和所需的工藝窗口。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)在于：

(1)通過(guò)分段階梯型冷卻裝置來(lái)實(shí)施鋼筋的分段階梯型冷卻工藝，實(shí)現(xiàn)降溫-返溫-降溫-返溫循環(huán)的冷卻過(guò)程，用小范圍內(nèi)不斷降溫-返溫-降溫-返溫的衰減式鋸齒形冷卻方式，來(lái)代替常規(guī)穿水工藝的一次性冷卻方式，逐步縮小表面和心部的溫差；

(2)在原有水霧氣化冷卻設(shè)備純水霧的基礎(chǔ)上根據(jù)軋制溫度和軋制速度進(jìn)行工藝布置調(diào)整，增加可消除表面高速氣流層膜的水霧強(qiáng)化噴嘴，通過(guò)水霧強(qiáng)化噴嘴內(nèi)水滴的二次霧化，進(jìn)一步提供強(qiáng)化水霧汽化冷卻所需的水霧粒度，實(shí)現(xiàn)工藝的精細(xì)控制，進(jìn)而達(dá)到改善表面氧化鐵皮的形貌、結(jié)構(gòu)和完整性，實(shí)現(xiàn)在銷售周期內(nèi)延緩生銹和改善顯微組織結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

(3)在原有水霧氣化冷卻設(shè)備純水霧的基礎(chǔ)上增加快冷區(qū)的快冷型紊流管冷卻器，通過(guò)調(diào)整壓力、流量和紊流角度實(shí)現(xiàn)快速冷卻，進(jìn)而達(dá)到改善表面氧化鐵皮的形貌、結(jié)構(gòu)和完整性，實(shí)現(xiàn)在銷售周期內(nèi)進(jìn)一步延緩生銹和改善顯微組織結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

總之，本實(shí)用新型采用水霧氣化噴嘴和水霧強(qiáng)化噴嘴分組分段的階梯型加速冷卻方式，通過(guò)控制熱軋棒線材表面冷卻速度來(lái)控制晶粒細(xì)化與貝氏體轉(zhuǎn)變，在避免傳統(tǒng)穿水冷卻導(dǎo)致馬氏體環(huán)形成的前提下，顯著提高了熱軋鋼筋的強(qiáng)度，并獲得了所需的伸長(zhǎng)率、強(qiáng)屈比和抗震性能，降低了合金含量和新水消耗量，同時(shí)抑制了穿水冷卻造成的鋼筋表面紅銹的生成。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的用于熱軋高強(qiáng)度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的用于熱軋高強(qiáng)度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置的閥架系統(tǒng)圖，其中水管道21、雙聯(lián)通式過(guò)濾器22、調(diào)節(jié)閥門23、壓力表24、流量計(jì)25，氣管道31、儲(chǔ)氣罐32、調(diào)節(jié)閥門33、壓力表34、流量計(jì)35。

圖3是本實(shí)用新型的用于熱軋高強(qiáng)度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置的在線控制系統(tǒng)圖，其中紅外測(cè)溫儀41、遠(yuǎn)程信號(hào)儀表42、PLC可編程控制器43、計(jì)算機(jī)(含顯示器)44、工藝控制軟件界面程序45、力學(xué)性能預(yù)報(bào)模型46。

圖4是本實(shí)用新型的用于熱軋鋼筋的分段階梯型冷卻設(shè)備階梯型冷卻區(qū)的單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實(shí)用新型的階梯型冷卻區(qū)的水霧氣化噴嘴示意圖。其中，快換接頭1、進(jìn)水口2、進(jìn)氣口3、混合腔4、霧化腔5、水霧噴頭6。

圖6是本實(shí)用新型的階梯型冷卻區(qū)的水霧強(qiáng)化噴嘴示意圖。其中11-進(jìn)水口、12-環(huán)形水管、13-水霧強(qiáng)化噴頭。

圖7是本實(shí)用新型的用于熱軋高強(qiáng)度鋼筋的水霧汽化冷卻裝置快冷區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中進(jìn)水口101、水封102、可變角度的紊流管103、水封104、泄水閥105、循環(huán)水管106、氣封107。

具體實(shí)施方式

為說(shuō)明本實(shí)用新型的用于一種熱軋高強(qiáng)度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置的具體實(shí)施方式，下面結(jié)合附圖1－7，就其基本原理、技術(shù)特征、實(shí)際運(yùn)行和調(diào)節(jié)方法闡明如下。

如圖1所示，本實(shí)用新型的熱軋高強(qiáng)度鋼筋分段階梯型冷卻裝置，主要由分段階梯型冷卻區(qū)和快冷區(qū)構(gòu)成。其中分段階梯型冷卻區(qū)由4段的15組水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強(qiáng)化噴嘴構(gòu)成的降溫-返溫階梯型冷卻段，水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強(qiáng)化噴嘴間隔分布；快冷區(qū)由2段快冷型紊流管冷卻器組成；鋼筋依次穿過(guò)分段階梯型冷卻區(qū)和快冷區(qū)，同時(shí)由配套集成系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行各個(gè)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制。其中兩個(gè)冷卻區(qū)所需的水路氣路流量壓力的供應(yīng)由配套集成系統(tǒng)的閥架系統(tǒng)來(lái)提供。工藝信號(hào)和參數(shù)的反饋及調(diào)節(jié)由配套集成系統(tǒng)的在線控制系統(tǒng)來(lái)完成。

如圖2所示，本實(shí)用新型的閥架系統(tǒng)包括由水管道21、雙聯(lián)通式過(guò)濾器22、調(diào)節(jié)閥門23、壓力表24、流量計(jì)25依次排列組成的供水閥架系統(tǒng)；由氣管道31、儲(chǔ)氣罐 32、調(diào)節(jié)閥門33、壓力表34、流量計(jì)35依次排列組成的供氣閥架系統(tǒng)；主要是為控制界面提供傳輸信號(hào)和氣路和水路所需的流量、壓力、汽水比，可以根據(jù)工藝需要實(shí)現(xiàn)切斷氣路或水路、不同開(kāi)口度下的水量、氣量、水壓、氣壓的調(diào)節(jié)等功能。

如圖3所示，計(jì)算機(jī)在線控制系統(tǒng)由紅外測(cè)溫儀41、遠(yuǎn)程信號(hào)儀表42、PLC可編程控制器43、計(jì)算機(jī)(含顯示器)44、工藝控制軟件界面程序45、力學(xué)性能預(yù)報(bào)模型46依次組成。采用PLC可編程控制器43所編寫的“熱軋鋼筋水霧汽化分段階梯型冷卻工藝控制”軟件程序和控制界面45，通過(guò)對(duì)水霧汽化冷卻裝置閥架系統(tǒng)的水路壓力、水路流量、氣路壓力、氣路流量、汽水比以及水霧強(qiáng)化噴嘴的水壓、流量和快冷型紊流管冷卻器的水壓、流量等遠(yuǎn)程信號(hào)42的采集，集中顯示在控制界面45上，并通過(guò)工藝控制軟件采集的紅外測(cè)溫儀41的溫度信號(hào)(分階段冷卻入口溫度T1、出口溫度T2、上冷床返溫溫度T3)與目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)根據(jù)力學(xué)性能預(yù)報(bào)模型預(yù)測(cè)的力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)工藝調(diào)整，然后通過(guò)遠(yuǎn)程信號(hào)來(lái)調(diào)整閥門開(kāi)口度，進(jìn)行在線流量、壓力、汽水比的調(diào)節(jié)，從而獲得所需的控制冷卻工藝參數(shù)和力學(xué)性能。

在調(diào)節(jié)過(guò)程中，首先將閥架系統(tǒng)的供水和供氣的壓力和流量設(shè)置在調(diào)節(jié)范圍的中限，同時(shí)檢查供水和供氣的壓力表和流量計(jì)表盤讀數(shù)與計(jì)算機(jī)操作界面顯示讀數(shù)是否準(zhǔn)確一致，并在穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定的水氣壓力/流量工藝參數(shù)要求后，開(kāi)始對(duì)熱軋鋼筋進(jìn)行在線分段階梯型快速冷卻，并實(shí)時(shí)記錄各段溫度。通過(guò)工藝控制軟件采集的分階段冷卻入口溫度T1、出口溫度T2、上冷床返溫溫度T3與目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，然后調(diào)整閥門開(kāi)口度來(lái)進(jìn)行流量、壓力、汽水比的調(diào)節(jié)，獲得所需的控制冷卻工藝窗口。

如圖4的分段階梯型冷卻裝置階梯型冷卻區(qū)的單元結(jié)構(gòu)示意圖所示，水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強(qiáng)化噴嘴間隔分布，距離可調(diào)節(jié)范圍控制在20～240mm，根據(jù)軋制速度和目標(biāo)溫度進(jìn)行調(diào)整，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的冷卻工藝。

如圖5的水霧氣化冷卻噴嘴所示，由快換接頭1、進(jìn)水口2、進(jìn)氣口3、混合腔4、霧化腔5、水霧噴頭6按順序依次組成。水依次通過(guò)快接接頭1和進(jìn)水口2進(jìn)入混合腔4，壓縮空氣依次通過(guò)快接接頭1和進(jìn)氣口3進(jìn)入混合腔4，然后依次進(jìn)入霧化腔5、水霧噴頭6后射向鋼筋表面。在上述調(diào)節(jié)各冷卻段的水壓、水量、氣壓、氣量的過(guò)程中，主要根據(jù)本實(shí)用新型水霧汽化冷卻噴嘴的結(jié)構(gòu)和功能特性進(jìn)行操作，在一定壓力和流量范圍內(nèi)，換熱量隨水霧流量增加；當(dāng)有效流量超過(guò)一定值以后，換熱量不再隨流量增加。這與水霧粒度分布的變化密切相關(guān)。在水流量過(guò)大和水霧粒度過(guò)大的條件下，熱軋鋼筋的螺紋溝槽內(nèi)會(huì)存有不能立即汽化蒸發(fā)的水滴，甚至局部覆蓋的液體膜， 降低水霧汽化冷卻的比例和換熱效率。

如圖6的水霧強(qiáng)化冷卻噴嘴所示，由進(jìn)水口11、環(huán)形水管12、水霧強(qiáng)化噴頭13按先后順序連接后組成，通過(guò)調(diào)節(jié)水壓、水量、鋼筋表面的距離、噴射角度等控制水滴粒度分布，為進(jìn)一步汽化冷卻提供所需的水滴粒度范圍。在上述調(diào)節(jié)過(guò)程中，主要是防止局部的高速氣流層形成的液體膜，從而提高水霧汽化冷卻的比例和換熱效率。

如圖7的熱軋高強(qiáng)度鋼筋的水霧汽化冷卻裝置快冷區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖所示，由進(jìn)水口101、水封102、可變角度的紊流管103、水封104、泄水閥105、循環(huán)水管106、氣封107按先后順序依次連接組成，通過(guò)調(diào)節(jié)水壓、水量，為實(shí)現(xiàn)二次快速冷卻提供所需的水量，同時(shí)抑制鋼筋表面產(chǎn)生的氣膜，進(jìn)一步提高換熱效率。

本實(shí)用新型在原有水霧汽化冷卻裝置上進(jìn)行優(yōu)化，尤其是增加了水霧強(qiáng)化噴嘴和快冷區(qū)的快冷型紊流管冷卻器，結(jié)合適度冷卻的思想，從而在現(xiàn)場(chǎng)軋鋼機(jī)組上利用分段冷卻設(shè)備來(lái)獲得高性能和延緩生銹鋼筋提所需的工藝窗口，實(shí)現(xiàn)降成本和提性能的目標(biāo)。