一种超长圆钢的雾冷装置的制作方法

[0001]
本实用新型属于超长圆钢领域，具体涉及一种超长圆钢的雾冷装置。


背景技术：

[0002]
在超长钢品种中，sa182f11材料常用来制作锅炉吊杆，锅炉吊杆是高温环境下使用的重要承重受力零件，作用是将锅炉本体悬挂于锅炉顶梁部位，其承受载荷大，且工作温度为400～600℃，这便要求有较高的高温持久强度。
[0003]
在加工过程中，sa182f11材料一般采用正火处理，得到平衡态的珠光体+铁素体组织，在高温环境下使用，对组织转变的影响较小；而退火处理无法达到使用强度要求，至于调质处理，其虽然可以达到更好的机械性能，但是高温下的使用环境对组织转变影响较大。因此，正火处理仍然是sa182f11材料普遍使用的加工方式。
[0004]
sa182f11超长圆钢的主要规格是直径在90mm以内，长度在9～12m。传统的正火处理一般都在台车炉内进行，采用气体火焰加热，对炉型的长度、温度均匀性要求高，投资巨大，生产成本高；同时由于sa182f11圆钢长度较长，钢材放置在垫铁上面加热保温，容易弯曲，弯曲的钢材需要矫直，增加了人力物力成本的浪费；之后钢材出炉空冷，无法保证如此长度的钢材各个部位的冷却率一致，从而导致sa182f11圆钢的组织、硬度等各项性能指标分散度大，而局部的性能缺陷则严重影响着高温持久强度。


技术实现要素：

[0005]
为了克服现有技术中sa182f11超长圆钢正火处理存在生产成本高、钢材容易弯曲且钢材各部位的性能指标分散度大等问题，本实用新型提出一种超长圆钢的雾冷装置，通过在感应加热炉后增设雾冷单元，从而提高冷却强度。
[0006]
为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
[0007]
一种超长圆钢的雾冷装置，所述雾冷装置整体呈中空回旋体状，其包括：
[0008]
沿轴向均匀分布的多个雾冷环，且所述雾冷环的轴向中心线与所述雾冷装置的轴向中心线在同一条直线上，所述雾冷环中部的通孔连贯而成供超长圆钢运行通过的空腔，所述雾冷环的内侧沿其周向均匀布设有多个喷嘴，用于向所述超长圆钢喷射冷却介质；
[0009]
辊道，沿所述雾冷装置轴向贯穿于所述雾冷装置内，用于将所述超长圆钢从所述雾冷装置的一端运行到另一端。
[0010]
如上所述的超长圆钢的雾冷装置，优选地，所述喷嘴同时连通至冷却水源和加压风源，且所述冷却水源与加压风源在所述喷嘴内混合形成所述冷却介质。
[0011]
如上所述的超长圆钢的雾冷装置，优选地，所述雾冷环呈四方环状，所述喷嘴设于所述雾冷环的四角。
[0012]
如上所述的超长圆钢的雾冷装置，优选地，所述雾冷环的两对角线分别沿竖直方向和水平方向延伸。
[0013]
如上所述的超长圆钢的雾冷装置，优选地，还包括：四条喷射管道，沿所述雾冷装
置的轴向设置于所述雾冷装置外壁上，且所述喷嘴与该喷嘴紧邻的喷射管道连通；
[0014]
优选地，四条喷射管道经过全部所述雾冷环的四角。
[0015]
如上所述的超长圆钢的雾冷装置，优选地，所述雾冷装置还包括多个支脚，所述支脚沿所述雾冷装置的轴向均匀分布且设于所述雾冷装置的底端。
[0016]
利用本实用新型所述的雾冷装置对sa182f11超长圆钢进行正火处理，在该正火处理工艺中，钢材在感应加热炉加热至930～950℃，同时配合采用连续的喷雾冷却方式，得到平衡态的珠光体+铁素体组织，表现出较高的高温持久强度。
[0017]
所述sa182f11超长圆钢的正火处理工艺，包括：采用感应加热炉内单支直线运行方式对圆钢轧件进行正火加热，然后采用所述的超长圆钢的雾冷装置以3-7℃/s的冷却速度进行冷却。
[0018]
如上所述的sa182f11超长圆钢的正火处理工艺，优选地，进行所述正火加热时，所述圆钢轧件在所述感应加热炉内运行并依次经过所述感应加热炉内的升温区段和保温区段，所述升温区段的加热温度为900～950℃，所述保温区段的保温温度为930～950℃，保温时间为4～10min。
[0019]
如上所述的sa182f11超长圆钢的正火处理工艺，优选地，所述圆钢轧件是通过轧制工序获得的，所述轧制工序包括对坯料进行加热处理、轧制处理和轧后冷却处理，其中，所述加热处理的保温温度为1150～1250℃，所述轧制处理的开轧温度≤1100℃，优选1000～1100℃，终轧温度≤1000℃，优选830～1000℃，所述轧后冷却处理的冷却速度为0.5～1℃/s。
[0020]
如上所述的sa182f11超长圆钢的正火处理工艺，优选地，当所述圆钢轧件经所述雾冷装置冷却至200℃以下时，将所述圆钢轧件从所述雾冷装置中取出，然后进行空冷。
[0021]
与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有如下有益效果：
[0022]
本实用新型首创一种超长圆钢雾冷装置，在圆钢正火处理后，采用雾冷的方式进行冷却，具体而言，本实用新型的雾冷装置沿轴向均匀分布多个雾冷环，雾冷环沿周向均匀分布多个喷嘴，在圆钢沿雾冷装置的轴向运行的同时，喷嘴喷射冷却介质于圆钢表面，从而冷却圆钢，因此本实用新型的雾冷装置能够实现对整支圆钢的均匀冷却，圆钢各个部位的冷却率一致，所生产的圆钢组织、硬度等各项性能指标均匀度高，此外，喷嘴喷射的冷却介质由冷却水源和加压风源构成，降温效果好，冷却强度高。
[0023]
利用本实用新型的上述雾冷装置，对sa182f11超长圆钢在感应加热后进行雾冷，首先采用感应加热炉对sa182f11超长圆钢进行加热，避免了使用台车炉所引起的投资大、成本高的问题，同时感应加热炉可以实现均匀加热，圆钢在感应加热炉内单支均速旋转行进加热，受热均匀，避免了钢材弯曲，无需矫直处理，而在感应加热后，本实用新型采用雾冷的方式，冷却强度大，且能够实现对整支圆钢的均匀冷却，圆钢各个部位的冷却率一致，所生产的圆钢组织、硬度等各项性能指标均匀度高，解决了钢材组织不均匀、性能波动大的问题，能够获得满足组织和性能要求的产品，提高了产品质量，提高了生产效率，而且设备投资小，生产成本低。
附图说明
[0024]
图1为本实用新型所述雾冷装置的结构示意图；
[0025]
图2为图1中所述雾冷环的结构示意图；
[0026]
图3为利用本实用新型所述雾冷装置所生产的超长圆钢的金相照片；
[0027]
图4为对比例1所生产的超长圆钢的金相照片；
[0028]
图5为对比例2所生产的超长圆钢的金相照片；
[0029]
图6为圆钢性能测试时的取样示意图；
[0030]
图1和2中：1、雾冷环；2、喷射管道；3、喷嘴；4、支脚。
具体实施方式
[0031]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0032]
如图1和2所示，根据本实用新型的实施例，提供了一种超长圆钢的雾冷装置，超长圆钢沿其长度方向的尺寸较大，通常长度为3m以上，现有技术中采用的空冷或风冷的冷却方式，无法保证圆钢各个部位的冷却率一致，这就会导致钢材内部组织不均匀、性能分散度大，而局部的性能缺陷会严重制约整个超长圆钢性能的表现。本实用新型的雾冷装置整体呈中空回旋体状，例如中空圆柱体状、中空正四棱柱状等，所述雾冷装置包括：沿其轴向均匀分布的多个雾冷环1，且所述雾冷环1的轴向中心线与所述雾冷装置的轴向中心线在同一条直线上，所述雾冷环1中部的通孔连贯而成供超长圆钢运行通过的空腔，所述雾冷环1的内侧沿其周向均匀布设有多个喷嘴3，用于向所述超长圆钢喷射冷却介质；辊道，沿所述雾冷装置轴向贯穿于所述雾冷装置内，用于将所述超长圆钢从所述雾冷装置的一端运行到另一端。使用时，超长圆钢在雾冷环1的中心即雾冷装置的中心沿轴向运行，在均匀布设的喷嘴3的喷射作用下，超长圆钢的各个部位与冷却介质均匀地发生热量交换，从而保证了圆钢各个部位的冷却率一致，组织均匀度高，性能亦均匀一致。
[0033]
本实用新型的具体实施例中，所述喷嘴3同时连通至冷却水源和加压风源，且所述冷却水源与加压风源在所述喷嘴3内混合形成所述冷却介质，所述冷却水源的温度为20～25℃，流速为0.01～0.03m3/min，所述加压风源的压力为0.45～0.55mpa，流速为8～12m3/min。
[0034]
本实用新型的具体实施例中，所述雾冷环1呈四方环状，且所述喷嘴3设于所述雾冷环1的四角，优选地，所述雾冷环1的两对角线分别沿竖直方向和水平方向延伸(如此放置固定比较牢靠)，本实用新型采用四方环的形状可以使钢材在冷却过程中均匀冷却，使得钢材全截面组织均匀；
[0035]
在本实用新型具体的实施例中，还包括：四条喷射管道2，沿所述雾冷装置的轴向设置于所述雾冷装置外壁上，且所述喷嘴3与该喷嘴3紧邻的喷射管道2连通；优选地，四条喷射管道2经过全部所述雾冷环1的四角，所述喷射管道2的入口端同时连通至冷却水源和加压风源；需要说明的是，根据本实用新型均匀冷却的思想，四条喷射管道2应连通至同一冷却水源和同一加压风源。
[0036]
本实用新型的具体实施例中，所述雾冷装置还包括多个支脚4，所述支脚4沿所述雾冷装置的轴向均匀分布且设于所述雾冷装置的底端，所述支脚4用于支撑所述雾冷装置以保证其稳固放置。
[0037]
实施例1
[0038]
如图1和2所示，本实施例中的雾冷装置的总长度为3000mm(雾冷装置的长度根据圆钢长度的实际需要调整)，其设于感应加热炉后方，该雾冷装置与感应加热炉的间距为300mm，且所述感应加热炉与所述雾冷装置共用同一辊道，该辊道由沿感应加热炉轴向等间距设置的滚轮构成，滚轮倾斜30
°
放置，由此可带动钢材均速旋转行进，且圆钢在旋转行进过程中依次通过感应加热炉和雾冷装置。
[0039]
所述雾冷环1的边长为480mm，雾冷环1的环宽度(环厚度)为40mm，喷嘴的直径为50mm，所述雾冷环1共设16节(雾冷环的节数根据圆钢长度的实际需要调整)，所述支脚4共设4个，且所述支脚4包括水平设置于地面的底板且所述底板的延伸方向垂直于所述雾冷装置的轴向，所述底板的两端对称设有竖板，两竖板的顶端分别连接至所述雾冷环1的沿水平方向对称的两角，由此支撑所述雾冷装置。
[0040]
利用本实用新型的上述雾冷装置对sa182f11超长圆钢进行正火处理。sa182f11材料常用来制作锅炉吊杆，锅炉吊杆是高温环境下使用的重要承重受力零件，要求有较高的高温持久强度，现有的正火处理工艺容易导致钢材内部组织不均匀、性能分散度大，而局部的性能缺陷会严重制约整个超长圆钢性能的表现。为此，sa182f11超长圆钢的正火处理工艺包括以下步骤：
[0041]
轧制工序：所述圆钢轧件是通过轧制工序获得的，所述轧制工序包括对坯料进行加热处理、轧制处理和轧后冷却处理，所述加热处理的保温温度为1150～1250℃(比如1155℃、1180℃、1200℃、1220℃、1230℃、1245℃)，所述轧制处理的开轧温度为1100℃以下，优选1000～1100℃(比如1090℃、1050℃、1000℃)，终轧温度为1000℃以下，优选830～1000℃(比如995℃、970℃、930℃、905℃、850℃)，所述轧后冷却处理的冷却速度为0.5～1.5℃/s(轧制后的钢材放置于冷床上并放下保温罩进行保温，控制冷却速度为0.5～1.5℃/s，比如0.8℃/s、1℃/s、1.2℃/s)，当冷却至400℃以下(比如390℃、380℃、370℃、350℃)时，离开冷床，进行堆冷，冷却至室温后再转移至热处理炉；
[0042]
在轧制工序中采用1150～1250℃的高温加热温度，能够保证c、mn、cr、mo元素充分扩散均匀，使奥氏体晶粒尺寸超过原始带状的条带宽度；同时控制开轧温度1000～1100℃，终轧温度830～1000℃，保持较高的最终轧制变形温度，使轧制钢材在两相区进入冷却，按0.5～1℃/s冷却速度，抑制c在原始带状基层上的长距离扩散，控制铁素体和珠光体带状组织的形成，最终得到组织均匀的材料。
[0043]
感应加热正火工序：采用感应加热炉内单支直线运行方式加热(运行速度一般为0.7～1.3m/min)，所述感应加热炉的工作频率为3000～4000hz，所述圆钢轧件在所述感应加热炉内运行并依次经过所述感应加热炉内的升温区段和保温区段(感应加热炉包括多节感应器，一般钢材首先进入的若干节感应器用于加热升温，故将用于加热升温的这若干节感应器记为升温区段；后续通过的若干节感应器用于保温，故将用于保温的这若干节感应器记为保温区段)，所述升温区段的加热温度为900～950℃，所述保温区段的保温温度为930～950℃，保温时间为4～10min。
[0044]
sa182f11材料的ac3温度约为890℃，正火需要加热到ac3以上30～50℃，使钢材完全奥氏体化，温度太高浪费资源，太低组织无法完全转变，因此选择正火保温温度为930～950℃。
[0045]
冷却工序：采用如上所述的超长圆钢的雾冷装置进行冷却，冷却速度过慢达不到
冷却效果，太快则会转变为马氏体组织，影响高温使用寿命，因此设定冷却时的降温速度为3～7℃/s。
[0046]
根据原始钢材的温度不同，空冷冷却速度也不尽相同，一般温度越高，降温越快。根据现场实际测量，对于600℃钢温的钢材，空冷放置30分钟左右，降温约200～250℃，冷却速度大概不到0.2℃/s，降温非常缓慢，风冷冷却速度约0.5～1℃/s，而风冷不好控制，且无法均匀冷却。利用本实用新型的雾冷装置进行雾冷的方式，降温速度为3～7℃/s，冷却强度大，且能够实现对整支圆钢的均匀冷却，圆钢各个部位的冷却率一致。
[0047]
具体实施时，作为优选方案，在所述轧制工序中，所述开轧温度为1000～1100℃。
[0048]
具体实施时，作为优选方案，在所述轧制工序中，所述终轧温度为830～1000℃。
[0049]
具体实施时，作为优选方案，在冷却工序中，通过调整所述冷却水源的流速、加压风源的压力和流量以及圆钢行进速度控制冷却速度，当所述圆钢轧件经所述雾冷装置冷却至200℃以下时，优选180～200℃，将所述圆钢轧件从所述雾冷装置中取出，然后进行空冷。
[0050]
具体实施时，作为优选方案，所生产的超长圆钢的直径为φ20～90mm，长度为3m以上。
[0051]
应用例1
[0052]
利用实施例1所述雾冷装置生产规格为的sa182f11锅炉吊杆用超长圆钢的具体过程如下：
[0053]
(1)轧制工序：原料为sa182f11连铸宽240*高240mm*长9m方坯，在三辊减定径轧机上轧制成φ50mm*10000mm的圆钢，具体轧制工艺参数为：加热温度1200℃，开轧温度为1050℃，终轧温度900℃，轧后放置于冷床上进行冷却，可放下保温罩进行保温，冷却速度控制在0.8～1.0℃/s，当冷却至400℃以下时，离开冷床，进行堆冷，冷却至室温后再转移至热处理炉；
[0054]
(2)中频感应加热正火工序：采用七节中频感应加热炉(前三节用于加热，后四节用于保温)，每节感应加热炉长1200mm，相邻感应加热炉之间的间距为300mm，将感应线圏固定在辊道上，采用感应线圈内单支圆钢直线运行并旋转加热的方式，圆钢运行速度为1m/min，感应线圈工作频率4000hz，总功率为1600kw，圆钢加热温度为930℃，保温温度为950℃，保温时间5.7min；
[0055]
(3)冷却工序：
[0056]
由于感应加热炉的温度较高，为保证安全生产，雾冷装置与感应加热炉的位置不能太近，按照实施例1中雾冷装置与感应加热炉的间距，圆钢在感应加热炉加热炉内加热后，大概18s后进入雾冷装置，通过调整所述冷却水源的流速和加压风源的压力和流量，本实施例中，所述冷却水源的温度为25℃，流速为0.01m3/min，所述加压风源的压力为0.45mpa，流速为9m3/min，圆钢在所述雾冷装置内仍采用单支直线且旋转的运行方式，圆钢运行速度一般为0.7～1.3m/min，本实施例中具体为1m/min，由此控制降温速度在3～4℃/s的范围内，在圆钢温度降至200℃时，出雾冷装置，然后进行空冷。
[0057]
应用例2
[0058]
利用实施例1所述雾冷装置生产规格为的sa182f11锅炉吊杆用超长圆钢的具体过程如下：
[0059]
(1)轧制工序：原料为sa182f11连铸240*高240mm*长9m方坯，加热温度1210℃，开轧温度为1060℃，终轧温度910℃，轧后放置于冷床上进行冷却，可放下保温罩进行保温，冷却速度控制在1.0～1.3℃/s，当冷却至400℃以下时，离开冷床，进行堆冷，冷却至室温后再转移至热处理炉；
[0060]
(2)中频感应加热正火工序：感应加热炉的感应线圈工作频率3500hz，总功率为1500kw，圆钢运行速度为1.3m/min，圆钢加热温度为925℃，保温温度为945℃，保温时间为4.5min；
[0061]
(3)冷却工序：
[0062]
采用实施例1的雾冷装置，通过调整所述冷却水源的流速和加压风源的压力和流量，本实施例中，所述冷却水源的温度为25℃，流速为0.02m3/min，所述加压风源的压力为0.50mpa，流速为8m3/min，圆钢在所述雾冷装置内仍采用单支直线且旋转运行方式，圆钢运行速度为1.3m/min，由此控制降温速度在4～5℃/s的范围内，在圆钢温度降至160℃时，出雾冷装置，然后进行空冷。
[0063]
应用例3
[0064]
利用实施例1所述雾冷装置生产规格为的sa182f11锅炉吊杆用超长圆钢的具体过程如下：
[0065]
(1)轧制工序：原料为sa182f11连铸240*高240mm*长9m方坯，加热温度1220℃，开轧温度为1100℃，终轧温度930℃，轧后放置于冷床上进行冷却，可放下保温罩进行保温，冷却速度0.5～0.8℃/s，当冷却至400℃以下时，离开冷床，进行堆冷，冷却至室温后再转移至热处理炉；
[0066]
(2)中频感应加热正火工序：感应加热炉的感应线圈工作频率4000hz，总功率为1600kw，圆钢运行速度为0.8m/min，圆钢加热温度为935℃，保温温度为955℃，保温时间为8.5min；
[0067]
(3)冷却工序：
[0068]
采用实施例1的雾冷装置，通过调整所述冷却水源的流速和加压风源的压力和流量，本实施例中，所述冷却水源的温度为22℃，流速为0.03m3/min，所述加压风源的压力为0.55mpa，流速为10m3/min，圆钢在所述雾冷装置内仍采用单支直线运行方式，圆钢运行速度为0.8m/min，由此控制降温速度为2.5～3.5℃/s，在圆钢温度降至180℃时，出雾冷装置，然后进行空冷。
[0069]
对比例1
[0070]
对比例1除冷却工序与应用例1略有不同以外，其他均与应用例1相同，对比例1中所采用的冷却方式为风冷，即通过风机进行吹风冷却，冷却至300℃上下后，进行空冷。
[0071]
对比例2
[0072]
对比例2除冷却工序与应用例1略有不同以外，其他均与应用例1相同，对比例2中所采用的冷却方式为空冷，即在空气中自然冷却。
[0073]
组织对比：应用例1(图3)与对比例1(图4)和对比例2(图5)相比，圆钢内部组织均为铁素体+珠光体组织，差别不大。
[0074]
本实用新型的应用例1至3生产得到的圆钢经过超声和磁粉探伤合格，超声探伤满足gb/t 4162a级要求，表面缺陷深度小于等于0.2mm；
[0075]
同时测试了应用例1至3以及对比例1和2的力学性能，其中，对应用例1、对比例1和2进行了全部长度的性能测试，对应用例1、对比例1和2的圆钢取样时，按照图6所示，将圆钢切除头尾，然后在圆钢前、中、后的三个部位取样测试性能，其余实施例和对比例的力学性能为整体测试，汇总如下表1：
[0076]
表1力学性能测试结果
[0077][0078]
从表1中的力学性能测试结果可以看出，在采用相同的正火处理过程的基础上，对比例1和2分别采用风冷和空冷的冷却方式对超长圆钢的强度产生了重要影响，尤其是对超长圆钢使用至关重要的抗拉强度，应用例1测试全长的抗拉强度为625/626/640，对比例1测试全长的抗拉强度为492/526/554，对比例2测试全长的抗拉强度为534/508/517，可以看出，对比例1和2的抗拉强度的平均值明显低于应用例1的平均值，且对比例1和2的圆钢不同位置的抗拉强度差别较大，达不到客户要求；除了抗拉强度之外，对比例1和2的屈服强度、硬度等在圆钢全长范围内的数值分布存在较大差异，波动较大，不均匀。相比之下，应用例1所得圆钢的各项力学性能在全长范围内的波动较小(应用例1对于头中尾取料，全长硬度波动范围在14hbw之内；同一截面硬度差在5hbw之内)，应用例1的全长硬度偏差也在4hbw之内，可以证明本实用新型的雾冷装置可以实现圆钢各部位的均匀冷却，并获得较佳的力学性能，尤其是抗拉强度，提高了将近100mpa，这对于锅炉吊杆高负荷作用下的使用寿命具有重要意义。
[0079]
综上所述，本实用新型还具有如下技术效果：
[0080]
1)、规格为φ20～90mm的sa182f11圆钢采用本实用新型的雾冷装置进行正火处理可得到均匀分布的块状铁素体+片状珠光体的正火组织(如图3)，实际晶粒度可控制在6～10级。
[0081]
2)、利用本实用新型的雾冷装置所生产的规格为φ20～90mm的sa182f11圆钢的硬度：横截面硬度为164-184hbw；同一规格批次钢材，全长硬度散差可控制在≤15hbw，横截面硬度散差可控制在≤10hbw。
[0082]
3)、钢材感应正火后变形量微小，无需再次进行矫直，通常所用的台车炉在调质后的弯曲度一般为4～5mm/m，均需要进行矫直，而利用本实用新型的雾冷装置通过感应加热正火处理所生产的圆钢的弯曲度在2mm/m以内，无需进行矫直。
[0083]
4)、本实用新型对钢材长度要求无限制，可以为任意长度的超长钢材，优选长度为3m以上的钢材。
[0084]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本实用新型的权利要求保护范围之内。