3.2轧辊气雾冷却-ppt课件

1、康永林，康永林， 朱国明，朱国明， 袁鹏举，袁鹏举， 张思勋张思勋北京科技大学材料学院；莱钢公司技术中心北京科技大学材料学院；莱钢公司技术中心2019年年7月月21日日主主 要要 内内 容容nH型钢是一种经济断面型材，在冶金、建筑、交通工程等行业广泛应用n在万能轧机轧制H型钢过程中，由于断面及孔型的复杂性，轧辊以及轧件两者的温度场分布非常不均匀。特别是现有的轧辊冷却方式：喷水冷却，加大了轧辊与轧件温度场的不均匀性。喷水冷却存在如下主要问题：喷水冷却存在如下主要问题：1利用率不高，水资源浪费严重2由于水嘴以射流状喷到轧辊表面，不能均匀覆盖轧辊表面，会造成轧辊表面因冷却水分布不均匀导致冷却效果不同

2、3冷却水不能充分利用，大量冷却水积在H型钢上轧槽与水平辊构成的积水槽中，不能及时排出，使腹板温降严重，加重了H型钢断面温度分布的不均匀性4因终轧断面温差大，轧后冷却过程中导致H型钢各部分相变不均匀，从而使H型钢内部残余应力加大，往往导致冷却过程中的腹板波浪，以及使用过程中翼缘切割时的腹板开裂，加大了残次品的产生率5另外，由轧辊分析可以得出，轧辊破损的主要原因在于轧辊热裂纹，热裂纹主要与轧辊的冷却不均匀、局部急冷有关。 nH型钢轧制过程中，产生很大的温度梯度和热应力，导致轧辊表面形成细小的网状裂纹，即龟裂。而轧制负荷周期性，最终导致轧辊表面部分的磨损和剥落。n轧辊的冷却方式通常有：水幕、喷水和气

3、雾。n1水幕冷却 n存在问题：因重力下落的水帘从轧辊上方流到下方的过程中逐渐变热，造成上、下部分轧辊冷却效果存在差异；因重力而下落的水不会接触到被油、脂覆盖的区域，辊面冷却不均；2喷水冷却喷水冷却 普遍使用，冷却较均匀，耗水量大，普遍使用，冷却较均匀，耗水量大，残余水较多，易引起轧材温度不均。残余水较多，易引起轧材温度不均。3气雾冷却气雾冷却 冷却更加均匀、水不会在小区域内局部集中，而是在整个冷却更加均匀、水不会在小区域内局部集中，而是在整个喷射面内均匀分布喷射面内均匀分布; 水量调节范围大，最小与最大水量之比：一般喷嘴水量调节范围大，最小与最大水量之比：一般喷嘴1：10，特殊喷嘴特殊喷嘴1：

4、25，而水喷嘴只能达到，而水喷嘴只能达到1：3; 气雾水滴的直径小，平均在气雾水滴的直径小，平均在100um以下，显著提高了冷却以下，显著提高了冷却效率可形成核沸腾），故在相同的冷却条件下可节水效率可形成核沸腾），故在相同的冷却条件下可节水30%-50%； 喷嘴不易堵塞，使用寿命长，在相同的条件下，可减少喷喷嘴不易堵塞，使用寿命长，在相同的条件下，可减少喷嘴的数量和现场维修量。嘴的数量和现场维修量。相比传统的冷却技术，气雾冷却具有冷却效率高、节水、相比传统的冷却技术，气雾冷却具有冷却效率高、节水、可操作性好、安全可靠等特点。可操作性好、安全可靠等特点。 新旧装置轧辊冷却温度对比鞍钢） 1. 原

5、装置；2.新装置l轧件l轴承座l辊环l传动端有限元整体计算模型有限元整体计算模型 辊环有限元模型辊环有限元模型 l 轧辊冷却区域轧辊冷却区域轧辊冷却区域三维图轧辊冷却区域三维图 轧辊表面温度分布轧辊表面温度分布 n基本规律：基本规律：R角部位温度最高；辊端部角部位温度最高；辊端部1/4翼缘高度部位温度次之；翼缘高度部位温度次之；辊面与腹板接触的表面温度基本相同。辊面与腹板接触的表面温度基本相同。n主要原因：主要原因：1.H型钢轧制中断面温差不均，与轧辊接触时，轧辊表面所型钢轧制中断面温差不均，与轧辊接触时，轧辊表面所吸收的热量不相同；吸收的热量不相同；2.因因H型钢断面形状复杂，轧辊与轧件接触

6、的时间型钢断面形状复杂，轧辊与轧件接触的时间各部位不等。各部位不等。 -40-2002040050100150200250300350400450500550600650700Temperature()Nodes No.轧辊接触区分析轧辊接触区分析轧辊表面关键点轧辊表面关键点abcd辊端面不同部位与轧件接触路径轧件轧制方向翼缘腹板辊环abc 轧辊与轧件接触区域轧辊与轧件接触区域2022-5-2301234567050100150200250300350400450500550600650700 Temperature()Time(s) A B C D2022-5-23-40-200204005

7、0100150200250300350400450500550600650700Temperature()Nodes No.轧辊表面路径轧辊表面温度分布轧辊表面温度的分布 轧辊表面的温度分布 R角部位温度最高 辊端部1/4翼缘高度部位温度次之 辊面与腹板接触的表面温度基本相同 温度分布不均的主要原因 H型钢在轧制过程中由于其断面温差的不均匀性，与轧辊接触时，轧辊表面所吸收的热量不相同 轧辊与轧件接触的时间各个部位不相等 2022-5-23冷却区域端部冷却角度404冷却区域端部冷却角度1202端部冷却角度280冷却区域(a)012345670501001502002503003504004505

8、00550600650700Temperature()Time(s)BADC(b)0.000.250.500.751.001.251.50050100150200250300350400450500550600650700Temperature()Time(s)BACD(c)0.000.250.500.751.001.251.50050100150200250300350400450500550600650700Temperature()Time(s)BACD不同冷却强度下对流换热系数下的温降曲线不同冷却强度下对流换热系数下的温降曲线(a)150KW/(m2K)；(b)40KW/(m2K)；(

9、c)10 KW/(m2K)(a)0.000.250.500.751.001.25050100150200250300350400450500Temperature()Time(s)BACD(b)0.000.250.500.751.001.251.50050100150200250300Temperature()Time(s)BAC不同冷却强度下的温降曲线不同冷却强度下的温降曲线(a) 20 KW/ (m2K)(a) 20 KW/ (m2K)；(b) 10 KW/ (m2K)(b) 10 KW/ (m2K)冷却区域冷却区域轧辊端部冷却角度轧辊端部冷却角度120120n在距辊面在距辊面05.5mm

10、轧辊厚度层温度变化剧轧辊厚度层温度变化剧烈，烈，5.59.3mm辊层温度变化较剧烈；辊层温度变化较剧烈；n9.330mm辊层温度开始趋于平缓；辊层温度开始趋于平缓；n从轧辊旋转一周温度历程曲线可以看出，辊从轧辊旋转一周温度历程曲线可以看出，辊面最高温度和最低温度之间相差面最高温度和最低温度之间相差258。在。在压下量更大的道次中，最高温度和最低温度压下量更大的道次中，最高温度和最低温度之间的差值可以达到之间的差值可以达到416。 n通过轧辊冷却三维温度场的仿真分析可知：通过轧辊冷却三维温度场的仿真分析可知：n万能轧机水平辊辊面与万能轧机水平辊辊面与H型钢腹板接触的部位温型钢腹板接触的部位温度最

11、低且分布均匀；度最低且分布均匀；n靠近靠近R角部位温度逐渐升高，最高点在角部位温度逐渐升高，最高点在R角部位；角部位；n要使气雾冷却达到理想的效果，需使气雾冷却的要使气雾冷却达到理想的效果，需使气雾冷却的覆盖面能达到合适的范围，且覆盖面能达到合适的范围，且R角处的温度必须角处的温度必须降下来，因此在冷却装置的设计中，应对降下来，因此在冷却装置的设计中，应对H型钢型钢R角处进行重点冷却。角处进行重点冷却。 n在保证轧辊冷却效果前提下，尽量减少在保证轧辊冷却效果前提下，尽量减少H型钢腹板残型钢腹板残留水，降低留水，降低H型钢各部位的温差，减少冷却水用量。型钢各部位的温差，减少冷却水用量。n轧辊气雾

12、冷却试验在规格轧辊气雾冷却试验在规格H125125、I200100、 I200102时，对精轧机组最末架轧机时，对精轧机组最末架轧机U3的轧辊采的轧辊采用气雾冷却方式。用气雾冷却方式。 空气压缩机U3E2U2E1U1R2R1冷床小型小型H型钢车间轧区工艺平面布置示意图型钢车间轧区工艺平面布置示意图 喷嘴在辊面横截面上与喷嘴在辊面横截面上与端面的冷却区域端面的冷却区域气雾喷嘴实物的喷雾状态气雾喷嘴实物的喷雾状态n（1型钢腹板残留冷却水的比较型钢腹板残留冷却水的比较(a)(b)规格规格I200102工字钢轧后腹板残余水工字钢轧后腹板残余水(a) 气雾冷却；气雾冷却；(b) 水冷水冷 （2轧辊表面温

13、度对比轧辊表面温度对比 n不同规格不同冷却方式下轧辊表面温度对比不同规格不同冷却方式下轧辊表面温度对比n (a) H125125H型钢轧制型钢轧制 轧辊辊面轧辊端部轧辊R角轧辊辊面轧辊端部轧辊R角051015202530354045抛钢后38.726.735.722.733.322.046.030.642.026.339.3 温度（） 气雾冷却 水冷23.7轧制过程中n不同规格不同冷却方式下轧辊表面温度对比不同规格不同冷却方式下轧辊表面温度对比n (b) I200100工字钢轧制工字钢轧制 轧辊辊面轧辊端面轧辊R角轧辊辊面轧辊端面轧辊R角051015202530354045505539.025

14、.635.723.032.322.344.329.742.026.039.0抛钢后 温度（） 气雾冷却 水冷轧制过程中22.7n不同规格不同冷却方式下轧辊表面温度对比不同规格不同冷却方式下轧辊表面温度对比n (c) I200102工字钢轧制工字钢轧制 轧辊辊面轧辊端面轧辊R角轧辊辊面轧辊端面轧辊R角0510152025303540455039.025.335.022.331.721.343.729.042.325.039.0 气雾冷却 水冷 抛钢后温度（）轧制过程中22.0气雾冷却后的轧辊与水冷后的轧辊气雾冷却后的轧辊与水冷后的轧辊空冷时的温降比较空冷时的温降比较(a)010203040506

15、07030313233343536 温度()时间（min） 喷水冷却 气雾冷却(b)01020304050607030323436384042444648 温度（）时间（min） 喷水冷却 气雾冷却(c)0102030405060703234363840424446485052 温度（）时间（min） 喷水冷却 气雾冷却(a) (a) 辊面；辊面；(b) R(b) R角；角；(c) (c) 端面端面n采用气雾冷却的轧辊温度较低，达到室温的采用气雾冷却的轧辊温度较低，达到室温的时间较短，而采用水冷的轧辊停车后温度相时间较短，而采用水冷的轧辊停车后温度相对较高，同时需要较长时间才可以达到室温；对较

16、高，同时需要较长时间才可以达到室温；n实验结果表明：采用气雾冷却，轧制过程中实验结果表明：采用气雾冷却，轧制过程中热量向轧辊内部扩散较少，冷却效果要优于热量向轧辊内部扩散较少，冷却效果要优于水冷。水冷。 （3型钢表面温度对比型钢表面温度对比 不同轧辊冷却方式后型钢表面各部位温度不同轧辊冷却方式后型钢表面各部位温度(a) H125(a) H125125H125H型钢；型钢；(b) I200(b) I200100100工字钢工字钢(a)型钢R角型钢腹板型钢内翼缘型钢外翼缘08001000933.0936.5912.5918.3812.3839.5920.5 温度（） 气雾冷却 水冷940.0(b)

17、R角腹板内翼缘外翼缘08001000924.7867.4922.1886.0783.5803.5902.9 温度（） 气雾冷却 水冷919.2n采用气雾冷却方式冷却轧辊时，型钢的腹板采用气雾冷却方式冷却轧辊时，型钢的腹板温度比采用水冷方式时要高出温度比采用水冷方式时要高出17左右。主左右。主要原因是：要原因是：n采用气雾冷却轧辊时，小型采用气雾冷却轧辊时，小型H型钢腹板残留型钢腹板残留冷却水量要远少于采用水冷轧辊时腹板内的冷却水量要远少于采用水冷轧辊时腹板内的残留冷却水量，腹板被冷却水带走的热量较残留冷却水量，腹板被冷却水带走的热量较少，从而使得进入冷床前少，从而使得进入冷床前H型钢腹板温度要

18、型钢腹板温度要高。小型高。小型H型钢内翼缘上部和外翼缘由于没型钢内翼缘上部和外翼缘由于没有冷却水的作用，一直处于空冷状态，温度有冷却水的作用，一直处于空冷状态，温度相对改变不大。相对改变不大。轧制规格轧制规格I200102时气雾冷却辊与水冷辊磨损比较时气雾冷却辊与水冷辊磨损比较 (a) 气雾冷却辊磨损气雾冷却辊磨损; (b) 喷水冷却辊磨损喷水冷却辊磨损(a)(b)2022-5-23bac(a)(a)气雾冷却辊磨损气雾冷却辊磨损; (b); (b)水冷辊磨损水冷辊磨损; (c); (c)水冷辊磨损水冷辊磨损规格H1251256.59气雾冷却与水冷轧辊磨损比较 ab(a)(a)气雾冷却轧辊磨损气

19、雾冷却轧辊磨损; (b); (b)水冷冷却轧辊磨损水冷冷却轧辊磨损规格I200100711.4气雾冷却与水冷轧辊磨损比较 12345678910平均值平均值翼缘翼缘1/3处处945939951943946938942935947943942.9腹板中心腹板中心827820818822815817820826818815819.82022-5-2330不同冷却方式过钢量比较0200400600800100012001400 轧制量（ t）8001050水冷气雾冷却采用气雾冷却轧辊，过钢量由原来的800t1100支提高到1050t1500支），产量提高了约30%。30%n轧制规格轧制规格I1608869.9时，每次换辊的过钢时，每次换辊的过钢量提高了约量提高了约30% ；n在达到轧辊冷却强度的前提下，采用气雾冷却轧辊在达到轧辊冷却强度的前提下，采用气雾冷却轧辊仅为水冷方式下耗水量的仅为水冷方式下耗水量的1/3 ；n型钢腹板内冷却水减少约型钢腹板内冷却水减少约2/3 ；n采用气雾冷却方式，型钢表面最大温差减少了采用气雾冷却方式，型钢表面最大温差减少了18