紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴及棒线材冷却工艺的制作方法

1.本发明涉及一种冷却设备，更具体的说，涉及一种紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴。


背景技术：

2.热轧棒线材生产中的新一代高效节能的热轧形变热处理tmcp工艺技术，是在微合金化与洁净化相结合的化学成分设计与精炼工艺基础上，一方面要求严格的热变形控制轧制工艺，尤其是对于再结晶区临界道次压下量ri》rsc(％)和未再结晶区累计压下量ri(％)的要求。另一方面，要求轧后冷却速率的进一步提高和终冷温度的严格控制，从而将控制轧制热变形与控制冷却相变热处理相结合，获得高强度钢材所需的显微组织与力学性能。
3.目前的热轧线控制冷却一般分为一次冷却、二次冷却及最后空冷3个阶段。其中，一次冷却最为重要，热轧棒线材现有技术中的一次冷却，基本上都是采用穿水冷却，即成品轧件从精轧机轧出后，立即穿过水冷装置，进行强行冷却的控制冷却。此处的第一阶段强烈冷却的目的通常是控制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大，或防止碳化物过早析出而形成网状碳化物，固定由于变形引起的位错，增加相变的过冷度，为变形奥氏体向铁素体或渗碳体和珠光体的转变做组织上的准备，因为相变前的组织状态将会直接影响相变机制、相变产物形态、晶粒粗细和钢材性能。
4.总的来说，目前对于热轧棒线材生产的主要缺点在于：
5.(1)冷却速率达到一定值后提升较困难，难以满足新工艺提出的要求。
6.(2)冷却设备内的冷却水水温的控制较难；这是因为水温对冷却效果有很大影响，它直接影了冷却速度。若水温过高，冷却速度不够，产生不了足够的过冷度，使得表面回火马氏体的深度不够，钢筋的抗拉强度将达不到要求，其水温应当控制在30℃以下。
7.(3)水压的控制问题；水压对冷却效果的影响也非常明显；必须要有足够的水压，才能把冷却过程中附着在钢筋表面的氧化膜击破。另外，水压足够高才能消除重力的影响，使钢筋浮在紊流管的中心，达到均匀冷却的目的，通常水压应控制在0.7mpa以上。
8.(4)管道的尺寸和形状控制技术要求高；
9.现有的穿水冷却通常有两种形式：套管式和紊流管式，对于套管式而言，冷却均匀，但冷却强度不大，对水的压力流量和冷却线长度要求高。而对于紊流管式而言，则冷却强度大，但内腔设计难以掌握，否则容易产生不均匀冷却，波浪弯曲难以控制，而且钢筋在紊流管内的阻力大，严重的时候会直接在紊流管内堆钢。
10.(5)穿水位置的选择要求较高；一般说来，水冷线离成品机架越短越好，棒线材出了成品机架后最好是马上穿水，可以减少奥氏体再结晶程度，保存轧制变形的效果，综合的力学性能较好。例如，在对日标sd390螺纹，标准规定屈服上限不能超过510mpa，而在实际调整过程中，为了控制弯曲，往往出现性能偏高的情况，虽然经过足够的时效，能回落到正常值，但在周转快的情况下，产品可能在一周内就会投入使用，此时因时效期不够，强度仍然偏高，容易引起质量问题。此时，应在水冷线的后半段采取穿水工艺，后半段穿水，经过1秒
钟时间，奥氏体经过再结晶，晶粒度一般能长大一个数量级，而且因钢温有所降低，减小了过冷度，也可以使性能有所降低，这样处理的钢筋，时效很小，性能稳定。
11.(6)波浪弯曲问题较难解决；在穿水工艺生产φ20以下规格时，很容易出现波浪弯曲，主要是穿水强度小，性能不够，容易造成波浪弯曲，穿水强度提高，又容易造成堆钢。此问题成为制约生产的瓶颈环节，因为小规格刚性差，在受到阻力时更容易产生不均匀冷却，从而产生弯曲。


技术实现要素：

12.本发明提供一种紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，解决了现有热轧棒线材生产时，其冷却速率亟待进一步提升，且不能灵活调节冷却模式，安装使用局限性大，适应性差的问题。
13.为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，包括输送气流的气体流道和输送水的液体流道，气体流道和液体流道彼此分离，所述气体流道包括喷出气流的喷气缝，所述液体流道包括喷出水流的喷水孔，所述喷水孔紧靠喷气缝设置，以能够朝棒线材分别单独或者同步地喷射出气流和水雾。
14.具体而言，本发明中的前述气体流道包括进气通道，液体流道包括进水通道；进气通道上连接有至少一个一级气腔，所述一级气腔连接二级气腔，所述二级气腔与所述喷气缝连通，且一级气腔和二级气腔之间通过一个分气件隔开，所述分气件上设有透气缝，一级气腔和二级气腔之间通过且仅通过所述透气缝连通；进水通道连接有一级水腔，一级水腔连接有二级水腔，所述二级水腔与所述喷水孔连通，且一级水腔和二级水腔之间通过一个分水件隔开，一级水腔和二级水腔之间通过且仅通过分水件上的透水缝连通。
15.进一步地，进气通道和进水通道均彼此间隔地设置在一个具有环形套的环形套内，且沿着平行于环形套的轴向的方向设置，进气通道的入口端与一根供气管道连接，进水通道的入口端与一根供水管道连接。
16.进一步地，还包括一对分别可拆卸、同轴安装在所述环形套两端口上的压环，在所述环形套内侧的两压环之间的区域内，同轴地设有一个环状的芯环，所述芯环与两个压环及环形套之间形成的两个区域，被所述分气件分隔为一级气腔和二级气腔，所述芯环靠自身内圆环面的部分位于两所述压环之间，并与两压环形成的环形间隙构成所述喷气缝。
17.进一步地，芯环的环壁内还设有一个与之同轴的环形腔，环形腔内被所述分水件分隔为所述一级水腔和二级水腔，所述喷水孔一端连通二级水腔，另一端延伸至所述内圆环面而将内圆环面贯穿。
18.进一步地，芯环靠内圆环面的部分为一个环形圈，所述喷水孔沿着环形圈的径向设置，以使得两所述喷气缝分列喷水孔的两侧。
19.进一步地，分气件和分水件均为环形结构，以对应形成开设有所述透气缝和透水缝的分气环和分水环。
20.进一步地，透气缝和透水缝均为矩形条孔，其长度方向与所述分气环和分水环轴向平行，且分水环位于两分气环之间的正上方。
21.进一步地，矩形条孔的一端贯穿所述分气环和分水环的端面，以在分气环和分水环上形成矩形缺口，相邻两个矩形缺口的开口方向相反。
22.此外，本发明还提供一种棒线材冷却工艺，主要是采用前述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴进行冷却，将若干个所述环状喷嘴均匀间隔地排成一条直线，所述供水管道设置在供气管道的外侧，供水管道和供气管道沿着所述导向座的轴向设置，且位于导向座的两侧，供水管道和供气管道各自通过四根输送管道与对应的进水通道和进气通道连接，每一侧设有一根供水管道和供气管道；朝所述供水管道和供气管道分别通入空气和水时，确保所述喷气缝和喷水孔同时喷射相应流体时，混合形成的气雾的液滴直径》60um。
23.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
24.1.冷却速率较现有的穿水冷却技术而言，冷却速率成倍提高，满足新一代高效节能的热轧形变热处理tmcp工艺技术的工艺要求。
25.2.由于原理及安装方式不同，本发明不存在现有穿水冷却技术中，冷却水温控制，冷却管道控制技术要求高等问题；由于产品结构紧凑，且具有多种工作模式，可包含现有(传统技术)穿水冷却工作模式，适应现场现有工艺的同时，便于工艺调整和后期转型。
26.3.产品结构紧凑，便于在狭小位置安装及维护。因此，无需对现场现有轧钢设备和控压系统进行较大调整和改造，节约用户设备投入及运行成本，便于用户快速工艺升级。
27.4.对于波浪弯曲问题，本冷却环状喷嘴可灵活采用组合模块化设置进行安装使用，不同模块提供不同的冷却速率(强冷和缓冷结合的方式)，可以有效解决因某一位置过渡冷却造成弯曲，或是钢材通过阻力过大造成的堆钢现象。
28.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
29.图1为本发明的一种立体结构示意图；
30.图2为本发明中的一种轴向剖视图；
31.图3为图2中环形套的轴向剖视图；
32.图4为图3中上部的放大图；
33.图5为图3中下部的放大图；
34.图6为分水环和分气环的一种结构图；
35.图7为若干个环状喷嘴串联使用时的示意图；
36.图8为热轧钢材水冷的不同热传导状态曲线；
37.图9为不同直径的水雾液滴对热传导的影响曲线。
38.其中，进气通道1、喷水孔2、喷气缝3、一级气腔4、二级气腔5、导向座6、环形套601、分气环8、透气缝9、一级水腔10、二级水腔11、分水环12、芯环13、压环14、供气管道15、供水管道16、输送管道17。
具体实施方式
39.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：
40.本发明其中一个具体的实施例中，专门介绍了一种紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，其结构不但包括输送气流的气体流道和输送水的液体流道，而且具体设计制作
时，其气体流道和液体流道是彼此分离的，可以相对独立地进行气流输送和冷却水的输送，同时，如图3-4所示，这个气体流道包括喷出气流的喷气缝3，而液体流道则包括喷出水流的喷水孔2，喷水孔2紧靠喷气缝3设置，以便能够朝棒线材同步地喷射出气流和水雾，实现风冷和水冷的混合同步冷却模式，而必要时，气体流道和液体流道又可以择一使用，进行单纯的风冷或者水冷。
41.在实际运用中，如图2-4所示结构，本实施例的气体流道包括进气通道1，液体流道包括进水通道，具体来说，这个进气通道1上连接有至少一个一级气腔4，一级气腔4连接二级气腔5，二级气腔5与喷气缝3连通，且一级气腔4和二级气腔5之间通过一个分气件隔开，分气件上设有透气缝9，一级气腔4和二级气腔5之间就是通过这个透气缝9连通的，使得冷却用的气流或者风从进气通道1进入本喷嘴后，先进入一级气腔4，而后经透气缝9后再进入二级气腔5，最终从透气缝9中吹出，对穿过导向座6内的棒线材进行风冷冷却。同理地，本实施例中的进水通道连接有一级水腔10，一级水腔10连接有二级水腔11，二级水腔11与喷水孔2连通，且一级水腔10和二级水腔11之间通过一个分水件隔开，一级水腔10和二级水腔11之间则通过这个分水件上的透水缝连通，使得冷却水进入进水通道后，流入到一级水腔10，经透水缝后注入到二级水腔11，最终从喷水孔2喷出，对穿过导向座6内的棒线材进行水冷冷却。当进气通道1和进水通道内分别进入空气和水时，则可以快速地对穿过导向座6内的棒线材同时进行水冷和风冷冷却，实现同一喷嘴，使用不同控制方式就可以实现不同的冷却模式，充分满足不同的棒线材的冷却需要。
42.基于上述结构原理，更具体地来说，继续参阅图3-4以及图5，本进气通道1和进水通道(图中未示出)均彼此间隔地设置在一个具有环形套601的导向座6内，导向座6的这个环形套601内可供棒线材同轴穿过，而以上的进气通道1和进水通道，在制作时，则可以沿着平行于环形套601的轴向的方向设置，进气通道1的入口端与一根供气管道15连接，进水通道的入口端与一根供水管道16连接，以便分别输入冷却用的气流和冷却水。
43.作为具体实施结构之一，如图2-5，本实施例中还包括一对分别可拆卸、同轴安装在环形套601两端口上的压环14，在环形套601内侧的两压环14之间的区域内，同轴地设有一个也大致呈环状的芯环13，芯环13与两个压环14及环形套601之间形成的两个区域，被分气件分隔为一级气腔4和二级气腔5，芯环13靠自身内圆环面的部分位于两压环14之间，并与两压环14形成的环形间隙构成喷气缝3，从而使得冷却气流从这个环形的喷气缝3中喷出，对经过这个环形风幕中央的棒线材进行快速风冷。与此同时，具体制作时，如图4-5，本实施例中，其芯环13的环壁内还设有一个与芯环13同轴的环形腔，这个环形腔内被分水件分隔为一级水腔10和二级水腔11，喷水孔2的一端连通二级水腔11，喷水孔2的另一端延伸至内圆环面处，并将内圆环面贯穿，形成冷却水的出射口，最好是芯环13靠内圆环面的部分为一个环形圈，喷水孔2沿着环形圈的径向设置，以使得两喷气缝3分列喷水孔2的两侧，如此设计，可以在对经过芯环13中央的棒线材进行水冷，或者结合前述喷气缝3，在形成的环形冷却风幕的圆形轮廓上，均匀间隔地环设若干径向喷射的冷却水流，更好地进行混合冷却。
44.作为具体实施结构之二，继续参阅图4-5以及图6所示，本实施例中的分气件和分水件均为环形结构，以对应形成开设有透气缝9和透水缝的分气环8和分水环12，而上文提及的透气缝9和透水缝，则全部为矩形条孔的结构，矩形条孔的长度方向，需要与分气环8和
分水环12轴向平行，且分水环12位于两分气环8之间的正上方，以更好地实现风冷和水冷的冷却调节。更具体地，本矩形条孔的一端贯穿分气环8和分水环12的端面，以在分气环8和分水环12上形成矩形缺口，相邻两个矩形缺口的开口方向相反，更均匀地分散气流和水雾，提高冷却风和冷却水流动输送的均匀稳定性。
45.最后，本实施例还具体介绍一种棒线材冷却工艺，其主要是采用前述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴进行冷却，将若干个图1中所示的环状喷嘴均匀间隔地排成一条直线，如图7所示，供水管道16设置在供气管道15的外侧，供水管道16和供气管道15沿着导向座6的轴向设置，且位于导向座6的两侧，供水管道16和供气管道15各自通过四根输送管道17与对应的进水通道和进气通道1连接，每一侧设有一根供水管道16和供气管道15。还需注意，在朝供水管道16和供气管道15分别通入空气和水时，确保喷气缝3和喷水孔2同时喷射相应流体时，混合形成的气雾的液滴直径》60um。
46.传统的穿水冷却技术冷却速率提升困难的主要原因在于，其核心的换热方式主要是强对流换热(水循环系统控制冷却设备内的水温)，以及冷却设备里的常温水接触到800℃以上时，钢材表面时形成的过渡沸腾、膜沸腾，以及一部分核沸腾。而根据如图8所示的对钢材水冷却的热交换状态及效率的研究数据，水达到核沸腾时，换热效率最高，即冷却速率最大，而其他热转换方式效率相对较低。
47.本实施例中的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴正是基于这一研究，沿用穿水冷却的技术框架，但以完全不同的以核沸腾为主要换热方式，进行超快冷却。经理论计算，单位质量的水在100℃时发生液-气态相变所吸收的汽化潜热λ＝540k/g，而水温升高一度吸收的热量是1k。理想状态下核沸腾时，每克水汽化所吸收和带走的热量是水吸热传导的540倍，当水温升高30度时，只能带走热量30k，故汽化冷却的效率是水冷的18倍，因此，本发明基于此理论实施时，紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴采用气水组合冷却的方式，控温的介质有水、空气等，这两种介质可单独冷却，也可组合冷却。可以根据不同冷却工艺速率要求，改变冷却模式，灵活选择穿水冷却、空气缓冷或者气雾超快冷却，而主要冷却模式可以定为气雾超快冷，即同时喷出一定比例的水和空气，气水各自分别独立输送、喷出，在射出时才将气水混合，形成一定的气雾粒度的水雾，喷射到钢材表面，将钢材表面热量迅速带走，达到降低钢板温度的目的。
48.具体而言，本实施例中的喷水孔2喷出的水雾遇高温钢板时迅速汽化，当钢材表面水量少时，被汽化的水能顺利离开钢材表面，则形成核沸腾冷却，即上述的冷却效率最高的方式。当钢材表面水量多时，被汽化的水不能顺利离开钢板，因此就不能形成核沸腾冷却，只能形成膜沸腾冷却，最终只能通过水的热传导散热，因此，考虑如图9所示的不同液滴对热传导的影响，本发明中的中气雾的液滴直径因而建议设定为前述的不小于60um。
49.由此可见，本发明直接将喷嘴核心结构简化设计，并整合形成适应棒线材冷却的环状结构的紧凑型集合形式，使设备体积明显减小，便于安装在狭小的空间内，扩大了设备的适用范围。无需对现场现有轧钢设备和控压系统进行较大调整和改造，节约用户设备投入及运行成本，便于用户快速工艺升级，更便于大规模的推广应用。
50.其次，以上实施例中的快冷却环状喷嘴采用气水分离的独立结构设计，可以根据不同冷却工艺速率要求改变冷却模式，可实现同一喷嘴使用不同控制方式，即可实现不同的冷却模式。
51.再次，如图7所示，本发明整合在一起的模块化设计，对于棒线材钢坯规格更有针对性，每个模块的对应喷水孔2等特征的设计高度一致，可以从根本上消除长路径冷却时，各个喷射水、气流的喷嘴安装误差，以及射流偏向等精度问题，所以，较现有的独立式喷嘴在气雾射流环形分布上更均匀，气雾密度更高，气雾有效使用率更高，从而更能满足超快冷工艺对喷雾均匀性方面的严苛要求，且更便于设备的日常维护。
52.另外，本发明将传统的喷嘴内气水混合改为喷嘴外混合，通过调节气水比例就可以获得不同颗粒度的雾化水射流，以适应不同的冷却工艺要求，同时环形套601内配有大通径的水室和气室，使得水和气在混合前有一个明显减速缓冲的区域，抗供水供气系统的脉冲波动能力提升，使喷嘴能够混合出连续稳定的水气混合射流。
53.最后，本发明还增加辅助的分水环12和分气环8，使得水、气介质能够在各自环内的水腔室、气腔室内分布均匀，连续，稳定，保证介质在环内不同位置均有完全相同性质。
54.须说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，包括输送气流的气体流道和输送水的液体流道，其特征在于：所述气体流道和液体流道彼此分离，所述气体流道包括喷出气流的喷气缝(3)，所述液体流道包括喷出水流的喷水孔(2)，所述喷水孔(2)紧靠喷气缝(3)设置，以能够朝棒线材分别单独或者同步地喷射出气流和水雾。2.根据权利要求1所述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，其特征在于：所述气体流道包括进气通道(1)，液体流道包括进水通道；所述进气通道(1)上连接有至少一个一级气腔(4)，所述一级气腔(4)连接二级气腔(5)，所述二级气腔(5)与所述喷气缝(3)连通，且一级气腔(4)和二级气腔(5)之间通过一个分气件隔开，所述分气件上设有透气缝(9)，一级气腔(4)和二级气腔(5)之间通过且仅通过所述透气缝(9)连通；所述进水通道连接有一级水腔(10)，一级水腔(10)连接有二级水腔(11)，所述二级水腔(11)与所述喷水孔(2)连通，且一级水腔(10)和二级水腔(11)之间通过一个分水件隔开，一级水腔(10)和二级水腔(11)之间通过且仅通过分水件上的透水缝连通。3.根据权利要求2所述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，其特征在于：所述进气通道(1)和进水通道均彼此间隔地设置在一个具有环形套(601)的导向座(6)内，且沿着平行于环形套(601)的轴向的方向设置，进气通道(1)的入口端与一根供气管道(15)连接，进水通道的入口端与一根供水管道(16)连接。4.根据权利要求3所述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，其特征在于：还包括一对分别可拆卸、同轴安装在所述环形套(601)两端口上的压环(14)，在所述环形套(601)内侧的两压环(14)之间的区域内，同轴地设有一个环状的芯环(13)，所述芯环(13)与两个压环(14)及环形套(601)之间形成的两个区域，被所述分气件分隔为一级气腔(4)和二级气腔(5)，所述芯环(13)靠自身内圆环面的部分位于两所述压环(14)之间，并与两压环(14)形成的环形间隙构成所述喷气缝(3)。5.根据权利要求4所述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，其特征在于：所述芯环(13)的环壁内还设有一个与之同轴的环形腔，环形腔内被所述分水件分隔为所述一级水腔(10)和二级水腔(11)，所述喷水孔(2)一端连通二级水腔(11)，另一端延伸至所述内圆环面而将内圆环面贯穿。6.根据权利要求5所述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，其特征在于：所述芯环(13)靠内圆环面的部分为一个环形圈，所述喷水孔(2)沿着环形圈的径向设置，以使得两所述喷气缝(3)分列喷水孔(2)的两侧。7.根据权利要求6所述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，其特征在于：所述分气件和分水件均为环形结构，以对应形成开设有所述透气缝(9)和透水缝的分气环(8)和分水环(12)。8.根据权利要求7所述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，其特征在于：所述透气缝(9)和透水缝均为矩形条孔，其长度方向与所述分气环(8)和分水环(12)轴向平行，且分水环(12)位于两分气环(8)之间的正上方。9.根据权利要求8所述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，其特征在于：所述矩形条孔的一端贯穿所述分气环(8)和分水环(12)的端面，以在分气环(8)和分水环(12)上形成矩形缺口，相邻两个矩形缺口的开口方向相反。
10.一种棒线材冷却工艺，其特征在于：采用如权利要求3-9任一项所述的紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴进行冷却，将若干个所述环状喷嘴均匀间隔地排成一条直线，所述供水管道(16)设置在供气管道(15)的外侧，供水管道(16)和供气管道(15)沿着所述导向座(6)的轴向设置，且位于导向座(6)的两侧，供水管道(16)和供气管道(15)各自通过四根输送管道(17)与对应的进水通道和进气通道(1)连接，每一侧设有一根供水管道(16)和供气管道(15)；朝所述供水管道(16)和供气管道(15)分别通入空气和水时，确保所述喷气缝(3)和喷水孔(2)同时喷射相应流体时，混合形成的气雾的液滴直径>60um。

技术总结
本发明提供了一种紧凑型可变式棒线材超快冷却环状喷嘴，属于冷却设备领域，包括输送气流的气体流道和输送水的液体流道，气体流道和液体流道彼此分离，气体流道包括喷出气流的喷气缝，液体流道包括喷出水流的喷水孔，喷水孔紧靠喷气缝设置，以能够朝棒线材分别单独或者同步地喷射出气流和水雾。本发明可以对棒线材进行快速冷却，并灵活调整冷却模式，结构紧凑。凑。凑。


技术研发人员：刘兵隆 杨珂
受保护的技术使用者：四川什邡东润制造有限公司
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/11