轧辊气雾冷却

轧辊气雾冷却1第1页，共34页，2023年，2月20日，星期日主要内容引言轧辊冷却方式

轧辊冷却三维温度场仿真分析小型H型钢轧辊气雾冷却现场应用试验

结论

2第2页，共34页，2023年，2月20日，星期日1.引言H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。3第3页，共34页，2023年，2月20日，星期日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。4第4页，共34页，2023年，2月20日，星期日2.轧辊冷却方式H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。轧辊的冷却方式通常有：水幕、喷水和气雾。1）水幕冷却

存在问题：①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；②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；5第5页，共34页，2023年，2月20日，星期日2）喷水冷却

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。3）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1：10，特殊喷嘴1：25，而水喷嘴只能达到1：3;

气雾水滴的直径小，平均在100um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30%-50%；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。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。

新旧装置轧辊冷却温度对比（鞍钢）

1.原装置；2.新装置6第6页，共34页，2023年，2月20日，星期日3.轧辊冷却三维温度场仿真分析轧件轴承座辊环传动端有限元整体计算模型辊环有限元模型7第7页，共34页，2023年，2月20日，星期日轧辊冷却区域轧辊冷却区域三维图8第8页，共34页，2023年，2月20日，星期日轧辊表面温度分布

基本规律：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。主要原因：1.H型钢轧制中断面温差不均，与轧辊接触时，轧辊表面所吸收的热量不相同；2.因H型钢断面形状复杂，轧辊与轧件接触的时间各部位不等。9第9页，共34页，2023年，2月20日，星期日轧辊接触区分析轧辊表面关键点

轧辊与轧件接触区域10第10页，共34页，2023年，2月20日，星期日2023/4/24轧辊不同部位冷却曲线11第11页，共34页，2023年，2月20日，星期日2023/4/24大H型钢轧辊冷却仿真分析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12第12页，共34页，2023年，2月20日，星期日2023/4/24冷却区域端部冷却角度40°×4冷却区域端部冷却角度120°×2端部冷却角度280°冷却区域(a)(b)(c)不同冷却强度下（对流换热系数下）的温降曲线

(a)150KW/(m2·K)；(b)40KW/(m2·K)；(c)10KW/(m2·K)轧制过程中辊面不同部位温度变化13第13页，共34页，2023年，2月20日，星期日轧辊端部冷却角度120°(a)(b)不同冷却强度下的温降曲线

(a)20KW/(m2·K)；(b)10KW/(m2·K)冷却区域轧辊端部冷却角度120°14第14页，共34页，2023年，2月20日，星期日通过对大H型钢TM机组轧制过程模拟分析，得到了轧辊的温度分布规律：在距辊面0~5.5mm轧辊厚度层温度变化剧烈，5.5~9.3mm辊层温度变化较剧烈；9.3~30mm辊层温度开始趋于平缓；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258℃。在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416℃。15第15页，共34页，2023年，2月20日，星期日4.小型H型钢轧辊气雾冷却现场应用试验通过轧辊冷却三维温度场的仿真分析可知：万能轧机水平辊辊面与H型钢腹板接触的部位温度最低且分布均匀；靠近R角部位温度逐渐升高，最高点在R角部位；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R角处的温度必须降下来，因此在冷却装置的设计中，应对H型钢R角处进行重点冷却。16第16页，共34页，2023年，2月20日，星期日小型H型钢轧辊气雾冷却装置设计的基本原则：在保证轧辊冷却效果前提下，尽量减少H型钢腹板残留水，降低H型钢各部位的温差，减少冷却水用量。轧辊气雾冷却试验在规格H125×125、I200×100、I200×102时，对精轧机组最末架轧机U3的轧辊采用气雾冷却方式。

小型H型钢车间轧区工艺平面布置示意图17第17页，共34页，2023年，2月20日，星期日小型H型钢轧辊气雾冷却试验设计喷嘴在辊面横截面上与端面的冷却区域气雾喷嘴实物的喷雾状态18第18页，共34页，2023年，2月20日，星期日轧辊气雾冷却试验结果与分析（1）型钢腹板残留冷却水的比较(a)(b)规格I200×102工字钢轧后腹板残余水

(a)气雾冷却；(b)水冷19第19页，共34页，2023年，2月20日，星期日（2）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(a)H125×125H型钢轧制20第20页，共34页，2023年，2月20日，星期日不同规格不同冷却方式下轧辊表面温度对比(b)I200×100工字钢轧制21第21页，共34页，2023年，2月20日，星期日不同规格不同冷却方式下轧辊表面温度对比

(c)I200×102工字钢轧制22第22页，共34页，2023年，2月20日，星期日气雾冷却后的轧辊与水冷后的轧辊

空冷时的温降比较(a)(b)(c)(a)辊面；(b)R角；(c)端面23第23页，共34页，2023年，2月20日，星期日气雾冷却后的轧辊与水冷后的轧辊

空冷时温降比较，结论：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对较高，同时需要较长时间才可以达到室温；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，冷却效果要优于水冷。24第24页，共34页，2023年，2月20日，星期日（3）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

(a)H125×125H型钢；(b)I200×100工字钢(a)(b)25第25页，共34页，2023年，2月20日，星期日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17℃左右。主要原因是：采用气雾冷却轧辊时，小型H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H型钢腹板温度要高。小型H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，温度相对改变不大。26第26页，共34页，2023年，2月20日，星期日（4）轧辊表面磨损程度的比较轧制规格I200×102时气雾冷却辊与水冷辊磨损比较

(a)气雾冷却辊磨损;(b)喷水冷却辊磨损(a)(b)27第27页，共34页，2023年，2月20日，星期日2023/4/24bac(a)气雾冷却辊磨损;(b)水冷辊磨损;(c)水冷辊磨损规格H125×125×6.5×9气雾冷却与水冷轧辊磨损比较ab(a)气雾冷却轧辊磨损;(b)水冷冷却轧辊磨损规格I200×100×7×11.4气雾冷却与水冷轧辊磨损比较28第28页，共34页，2023年，2月20日，星期日气雾冷却时进入冷床前轧件表面温度(℃)12345678910平均值翼缘1/3处945939951943946938942935947943942.9腹板中心827820818822815817820826818815819.829第29页，共34页，2023年，2月20日，星期日2023/4/2430不同冷却方式过钢量比较采用气雾冷却轧辊，过钢量由原来的800t（1100支）提高到1050t（1500支），产量提高了约30%。30%30第30页，共34页，2023年，2月20日，星期日通过在小型H型钢线上进行轧辊气雾冷却试验，得出气雾冷却轧辊具有以下优势：轧制规格I160×88×6×9.9时，每次换辊的过钢量提高了约30%；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1/3；型钢腹板内冷却水减少约2/3；采用气雾冷却方式，型钢表面最大温差减少了18℃左右。31第31页，共34页，2023年，2月20日，星期日5.结论通过大型H型钢TM机组可逆连轧温度场仿真分析，得到了轧辊辊面以及不同深度辊层的全轧程温度变化曲线以及轧辊温度与压下量的相关规律；通过对不同冷却强度、不同冷却部位及喷冷面积下的轧辊温度场的三维仿真分析，得到了H型钢断面温度及轧辊温度分布规律。该规律表明，提高轧辊冷却效果需要对轧辊R角及端部进行重点冷却；32第32页，共34