專利名稱：異型鋼梁的冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從軋制溫度起開始冷卻型鋼、特別是冷卻異型鋼梁的方法。
型鋼的軋后冷卻，如工字梁、槽鋼、角鋼、T型梁等異型鋼梁的軋后冷卻通常是借助冷床進(jìn)行的。當(dāng)停留在冷床上時，由于對異型鋼梁和棒材進(jìn)行了非控制的且往往是不利的空冷，在大多數(shù)情況下對平直度和內(nèi)應(yīng)力狀況不可避免地產(chǎn)生了負(fù)影響。平直度或自身形狀原本就與內(nèi)應(yīng)力狀況密切相關(guān)。這兩個從整體反映異型鋼梁質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)與帶材軋制中的帶材平坦度有些相似。可是，優(yōu)良的平坦度的重要性在帶材軋制中主要表現(xiàn)在幾何形狀方面，而對剛性較大的型鋼來說，截面內(nèi)的纖維的長短差異可能只表現(xiàn)為彎曲，但在某些情況下，它一定會因內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致承載能力顯著降低。除了在外負(fù)荷作用下的承載能力有所下降外，由于由此造成對平衡狀況的破壞，所以帶內(nèi)應(yīng)力的構(gòu)件在加工中還會出現(xiàn)較大變形，它還易于在內(nèi)應(yīng)力相差很大的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生裂紋。例如，特別是在工字梁中，在從腹部至翼緣的過渡區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)裂紋。
以下涉及內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生原理的考慮和認(rèn)識是本發(fā)明的基礎(chǔ)經(jīng)軋制的異型鋼梁在伸長非常均勻分布的情況下離開終軋機(jī)架，這意味著鋼梁或棒材是平直的而沒有帶波形的部位。在動態(tài)再結(jié)晶材料的情況下，由于溫度水平高，棒材/鋼梁也幾乎無內(nèi)應(yīng)力。但在受抑制的動態(tài)再結(jié)晶中-這是一個熱力學(xué)軋制的重要前提-出現(xiàn)了內(nèi)應(yīng)力情況，這種內(nèi)應(yīng)力對終軋道次壓下來說是常見的。
通常，終軋道次后的溫度分布很不均勻；特別是在材料聚集部位，型材冷卻度低于薄壁部位的冷卻度。無論熱的起始狀況如何，型鋼都受到很不均勻的空冷。由此引起的長度熱變差異必須通過彈性伸長或甚至通過彈性-范性伸長予以補(bǔ)償，隨之而來的是不可避免地同時產(chǎn)生的應(yīng)力。溫度越高，應(yīng)力就越快地通過松弛而降低，即通過一個與同時進(jìn)行的應(yīng)力退火相似的過程降低應(yīng)力。但由于此過程比長度熱變進(jìn)展得慢，所以型鋼最終在高溫段內(nèi)仍有內(nèi)應(yīng)力。在非對稱冷卻條件下或在型材非對稱形狀的情況下，軋制棒材通過產(chǎn)生的變形在一定條件下變成一種內(nèi)力矩為零的形狀，除非外力如重力、摩擦力或者如由矯直臺施加的矯直力妨礙了棒材變形。
如果一束纖維或型鋼的一部分進(jìn)入γ-α組織轉(zhuǎn)變區(qū)，那么由于組織全部重新構(gòu)造，任何應(yīng)力均有所降低。由較低的α鐵排列密度所決定的纖維伸長也受到部分抑制，因為其它尚未在轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的纖維由于自身的剩余彈性的原因不會隨之伸長。在相繼到達(dá)轉(zhuǎn)變區(qū)的階段中，非對稱型材的彎曲或非對稱冷卻且不在矯直臺上或以其它方式矯直的型材的彎曲始終在變化。在轉(zhuǎn)變將近結(jié)束時，型材幾乎沒有內(nèi)應(yīng)力并且也沒有自由形成的彎曲狀態(tài)或強(qiáng)制的彎曲狀態(tài)。不過隨后，當(dāng)至少兩束纖維或局部未超過轉(zhuǎn)變下限溫度時，在這些纖維之間就產(chǎn)生了不同的強(qiáng)制熱縮，收縮后果是通過彈性伸長或彈性-范性伸長來補(bǔ)償。在轉(zhuǎn)變線下時，即使以后采用變得不重要的松弛，也無法降低這些應(yīng)力(以下稱內(nèi)應(yīng)力)。隨著冷卻的進(jìn)行，更多的纖維越過轉(zhuǎn)變區(qū)而參與到上述內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的過程中。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種能夠使型鋼在轉(zhuǎn)變將要結(jié)束時具有均勻的溫度分布的方法。
根據(jù)本發(fā)明，上述任務(wù)是這樣解決的在最終的空冷前如此設(shè)置目標(biāo)明確的水冷裝置，即利用一個出于由計算機(jī)輔助預(yù)定的冷卻方案的、變化的噴流寬度和噴流時間從型鋼外側(cè)對出現(xiàn)材料聚集的型材進(jìn)行冷卻，直到將型鋼冷卻到至少還在轉(zhuǎn)變溫度Arl以上的溫度值。例如，如果是工字梁和槽鋼，型材外側(cè)區(qū)域就是翼緣部分。通過在轉(zhuǎn)變溫度Arl上的有選擇冷卻，特別是通過在轉(zhuǎn)變溫度下限附近的有選擇冷卻，從而能夠獲得均勻的溫度分布，這是因為鋼梁在水冷后可自行冷卻，直到被冷卻的部分已充分利用了冷卻區(qū)并重新熱回復(fù)為止，由此得到了理論上無內(nèi)應(yīng)力的型材。因此，不再象已知方法那樣在型材內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力生成，由于針對在轉(zhuǎn)變將結(jié)束時的溫度不均勻分布所造成的熱伸長差異而進(jìn)行了主要是彈性或彈性-范性的補(bǔ)償，所以才在型材中產(chǎn)生了上述內(nèi)應(yīng)力。因此，在生產(chǎn)異型鋼梁和對異型鋼梁進(jìn)行后加工如鋸切時，形狀穩(wěn)定性得到改善。即使曾在生產(chǎn)期間出現(xiàn)溫度分布不均現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)變將結(jié)束時基本不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力以及相應(yīng)的溫度均勻分布生產(chǎn)出了幾乎無內(nèi)應(yīng)力且承載能力更強(qiáng)的形狀穩(wěn)定的型材，即使在完全冷至室溫后也是如此。
最好通過沿軋制方向相繼安置噴嘴組實現(xiàn)對溫度分布的適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)需要，噴嘴組可分幾次并排設(shè)置，噴嘴組可交錯排列，此噴嘴組也可沿縱向以不同的間距布置或設(shè)計成在所需位置上或在所需區(qū)域內(nèi)向型材噴射水的不同噴嘴。
按照本發(fā)明的提議，為了確定對冷卻方案很重要的噴流寬度、噴流時間以及噴射強(qiáng)度，測量型鋼溫度并將其輸入過程計算機(jī)中。為此，在冷卻過程開始前或在位于型材進(jìn)入冷卻段前的連續(xù)設(shè)備中時，測量型材的溫度分布。通過測量不同的型材部的溫度，或通過測量基準(zhǔn)溫度并追溯特征溫度分布，或在考慮了前道次的壓力加工參數(shù)的情況下通過計算獲得型材的溫度分布，或者通過聯(lián)合使用上述措施求得型材的溫度分布。借助過程計算機(jī)，根據(jù)這些輸入的數(shù)據(jù)最終求出相應(yīng)的冷卻方案，過程計算機(jī)適時地自動啟動冷卻過程，當(dāng)速度或溫度沿長度發(fā)生變化時，可改變冷卻過程并最終結(jié)束冷卻過程?？山柚粋€以物理模型為基礎(chǔ)的軟件在線求出適當(dāng)?shù)睦鋮s方案，或者根據(jù)型材類型、所采用的溫度分布和材質(zhì)在準(zhǔn)備階段中離線求得計算結(jié)果，在計算機(jī)內(nèi)將其自動編碼并用內(nèi)插法求得冷卻強(qiáng)度和冷卻時間。
當(dāng)在型鋼軋制所需的終軋機(jī)架之后的水冷段、特別是連續(xù)式冷卻段被有利地分成可單獨(dú)控制的、可關(guān)斷或接通的冷卻區(qū)時，簡單地實現(xiàn)了冷卻段與不同型材、溫度狀況、材質(zhì)和型鋼出口速度的匹配。在此，冷卻段由多個冷卻分段構(gòu)成。當(dāng)條件變化時，如穿水速度或輸出溫度分布變化時，足夠數(shù)量的且可單獨(dú)控制的冷卻區(qū)仍可控制冷卻過程。隨后，如棒材在冷卻段內(nèi)的靜止?fàn)顟B(tài)也可受到控制。
本發(fā)明規(guī)定，對型鋼的噴流面積的大小隨冷卻水噴嘴至型材外側(cè)的距離的改變而改變，并且根據(jù)本發(fā)明的另一項規(guī)定，通過改變供水壓力來控制冷卻強(qiáng)度。首先對尺寸較大的型材而言，不是沿軋制方向在軋制線兩側(cè)只設(shè)置一組噴嘴，而是適當(dāng)?shù)卦O(shè)置帶多組噴嘴的分配管，這有利于加寬噴流面積并有利于將水冷強(qiáng)度分級。由噴射水流確定的型鋼冷卻軌跡的位置和分布可根據(jù)適當(dāng)?shù)难b置由可轉(zhuǎn)動的噴嘴組來調(diào)整。
以下兩個對比實施例表明了本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比的方法工作原理。
1.根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，空冷型材HEB140從均勻的初始溫度分布T0＝900℃和45#鋼起，由于在未越過轉(zhuǎn)變下限溫度前進(jìn)行空冷，通過最熱的纖維出現(xiàn)了引起內(nèi)應(yīng)力的不均勻溫度分布或不均勻中間溫度分布，在完全冷至室溫(300分鐘)后，不均勻溫度分布造成殘余應(yīng)力。其中，在翼緣頂部出現(xiàn)大小約為21％的冷屈服極限460N/mm2的內(nèi)應(yīng)力，即無論外纖維的彎曲軸在何處，承受外負(fù)荷時，翼緣頂部的負(fù)載最大。殘余應(yīng)力造成的預(yù)載大大降低了成品鋼梁的承載能力。
2.型材HEB140在經(jīng)過本發(fā)明的前置水冷后，接受空冷試驗證明，在相同前提下，如上所述地那樣，在80mm寬的中心噴流軌跡的情況下用精確選定的冷卻強(qiáng)度將翼緣外側(cè)水冷6.7秒，在完全轉(zhuǎn)變后可得到基本均勻的溫度分布。在完全冷卻后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力最多是冷屈服極限值5.6％。應(yīng)力分布，特別是根部的應(yīng)力分布由此很均勻，而在用現(xiàn)有技術(shù)冷卻的型材中，在此根部區(qū)內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)由內(nèi)應(yīng)力引起的裂紋。為了計算應(yīng)力和伸長之間的關(guān)系，除了考慮長度熱變外，還要考慮所有其它與連續(xù)力學(xué)有關(guān)的過程，如彈性、塑性和松弛與溫度的關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種用于從軋制溫度起開始冷卻型鋼、特別是異型鋼梁的方法，其特征在于，在最終的空冷前如此設(shè)置目標(biāo)明確的水冷裝置，即利用一個出于由計算機(jī)輔助擬定的冷卻方案的、變化的噴流寬度和噴流時間從型鋼外側(cè)對出現(xiàn)材料聚集的型材進(jìn)行冷卻，直至將其冷卻到至少還在轉(zhuǎn)變溫度Arl以上的溫度值。
2.如權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，為確定冷卻方案所需的噴流寬度和噴流時間以及噴流強(qiáng)度，測量型鋼溫度并將其輸入過程計算機(jī)中。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，對型鋼的噴流面積的大小隨冷卻水噴嘴至型材外側(cè)的距離的變化而改變。
4.如權(quán)利要求1-3中任何一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，通過改變供水壓力來控制冷卻強(qiáng)度。
5.如權(quán)利要求1-3中任何一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，水冷段被分成可單獨(dú)控制的、可關(guān)閉或接通的冷卻區(qū)。
全文摘要
一種用于從軋制溫度起開始冷卻異型鋼梁的方法,它能夠使異型鋼梁具有在轉(zhuǎn)變將要結(jié)束時已經(jīng)均勻一致的溫度分布。此冷卻方法規(guī)定,在最終的空冷前如此設(shè)置目標(biāo)明確的水冷裝置,即利用一個出于由計算機(jī)輔助預(yù)定的冷卻方案的、變化的噴流寬度和噴流時間從型鋼外側(cè)對出現(xiàn)材料聚集的型材進(jìn)行冷卻,直至冷卻到至少還在轉(zhuǎn)變溫度Arl以上的溫度值。
文檔編號C21D9/04GK1171307SQ97111199
公開日1998年1月28日 申請日期1997年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月15日
發(fā)明者W·羅洛夫, L·庫米爾, R·斯圖特, H·J·烏德欣肯, M·邁爾, H·G·哈通 申請人:Sms舒路曼-斯瑪公司