本實用新型屬于軋鋼設備技術領域，特別是提供了一種用于熱軋高強度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置。這種水霧汽化冷卻裝置充分利用水霧氣化冷卻和穿水冷卻工藝的優點，在不同冷卻段分別利用水的相變汽化潛熱Δhv＝540cal/g和水的比熱Cp＝1cal/g℃的基本原理，采用分段階梯式加速冷卻方法，為熱軋高強度鋼筋提供了一種有效的相變強化和控制冷卻裝置。

背景技術：

目前國內外熱軋帶肋鋼筋的軋后冷卻設備主要是穿水管，均采用和借鑒比利時冶金研究所CRM在70年代開發的Tempcore穿水冷卻技術，通過大水量的快速冷卻短時間內帶走熱量，并利用鋼材芯部(Core)的余熱對表層淬火馬氏體進行回火(Tempering)，在鋼筋截面的表層獲得回火馬氏體環，而心部獲得鐵素體－珠光體－貝氏體，這種復合組織顯著提高了鋼筋在全尺寸拉伸條件下的整體屈服強度和抗拉強度水平，用于生產屈服強度YS415、460和500MPa級熱軋高強度鋼筋。由于穿水管存在水封，冷卻段最短長度受限制，導致冷卻路徑不靈活，只能一冷到底，表面溫度極易低于馬氏體點，且表面受水的膜沸騰的影響心部的冷速受限。另外采用穿水工藝生產的鋼筋，雖然合金添加量大幅減少，但是存在穿水后馬氏體環焊接軟化和穿水后表面紅銹的問題，其抗銹蝕性能差，嚴重影響后續的使用，用戶甚至提出退貨或者降價銷售的要求，尤其是出口國外的鋼筋對表面質量要求更嚴格。同時國內鋼筋主要以焊接為主，重點工程及大中型工程都嚴格要求不允許出現馬氏體組織。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種用于熱軋高強度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置。采用水霧氣化噴嘴和水霧強化噴嘴分組分段的階梯型加速冷卻方式，在不同冷卻段分別利用水的相變汽化潛熱Δhv＝540cal/g和水的比熱Cp＝1cal/g℃的基本原理，通過控制水霧粒度分布來提高水霧汽化冷卻在混合冷卻機制(包括接觸傳熱冷卻、膜沸騰冷卻和汽化冷卻)中的比例和換熱效率，拓寬了傳統水霧冷卻能力的范圍；通過控制熱軋棒線材表面冷卻速度來控制晶粒細化與貝氏體轉變，在避免傳統穿水冷卻導致馬氏體環 形成的前提下，提高棒線材的強塑性以及強屈比的同時緩解鋼筋表面紅銹Fe₂O₃的生成。

本實用新型包括兩個冷卻區：即分段階梯型冷卻區和快冷區；還包括與分段階梯型冷卻裝置相連接的配套集成系統。其中分段階梯型冷卻區由4～6段(每段長度根據冷卻線長度進行調整)的10～25組水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強化噴嘴構成的降溫-返溫階梯型冷卻段，水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強化噴嘴間隔分布，距離控制在20～240mm，根據軋制速度和溫度進行調整；快冷區由1～2段快冷型紊流管冷卻器組成；鋼筋依次穿過分段階梯型冷卻區和快冷區，同時由配套集成系統來進行各個工藝參數的調節和控制。所述的配套集成系統由閥架系統和在線控制系統組成，其中兩個冷卻區所需的水路氣路流量、壓力的供應由閥架系統來提供。工藝信號和參數的反饋及調節由在線控制系統來完成。

所述用于熱軋高強度鋼筋的水霧汽化冷卻噴嘴由快換接頭1、進水口2、進氣口3、混合腔4、霧化腔5、水霧噴頭6組成，按先后順序依次連接，經配套集成系統中的雙聯通式過濾器過濾后的濁環水依次通過快接接頭1和進水口2進入混合腔4，壓縮空氣依次通過快接接頭1和進氣口3進入混合腔4，然后依次進入霧化腔5、水霧噴頭6后射向鋼筋表面。通過調節水壓、水量、氣壓、氣量控制水霧粒度分布，為汽化冷卻提供所需的水霧粒度范圍。

本實用新型所述用于熱軋高強度鋼筋的水霧強化噴嘴由進水口11、環形水管12、水霧強化噴頭13組成，按先后順序依次連接，通過調節水壓、水量、鋼筋表面的距離、噴射角度等控制水滴粒度分布，為進一步汽化冷卻提供所需的水滴粒度范圍。

本實用新型所述用于熱軋高強度鋼筋的快冷區的快冷型紊流管冷卻器由進水口101、水封102、可變角度的紊流管103、水封104、泄水閥105、循環水管106、氣封107組成，按先后順序依次連接，通過調節水壓、水量，為實現二次快速冷卻提供所需的水量，同時抑制鋼筋表面產生的氣膜，進一步提高換熱效率。

本實用新型所述的閥架系統由供水閥架系統和供氣閥架系統組成，其中，供水閥架系統由水管道21、雙聯通式過濾器22、調節閥門23、壓力表24、流量計25按先后順序依次連接組成；供氣閥架系統由氣管道31、儲氣罐32、調節閥門33、壓力表34、流量計35按先后順序依次連接組成。主要是為控制界面提供傳輸信號、氣路和水路所需的流量、壓力、汽水比等。

本實用新型所述的在線控制系統由紅外測溫儀41、遠程信號儀表42、PLC可編程 控制器43、計算機(含顯示器)44、工藝控制軟件界面程序45、力學性能預報模型46組成，按先后順序依次連接。采用PLC可編程控制器43所編寫的“熱軋鋼筋水霧汽化分段階梯型冷卻工藝控制”軟件程序和控制界面45，通過對水霧汽化冷卻裝置閥架系統的水路壓力、水路流量、氣路壓力、氣路流量、汽水比以及水霧強化噴嘴的水壓、流量和快冷型紊流管冷卻器的水壓、流量等遠程信號42的采集，集中顯示在控制界面45上，并通過工藝控制軟件采集的紅外測溫儀41的溫度信號(分階段冷卻入口溫度T1、出口溫度T2、上冷床返溫溫度T3)與目標溫度進行對比，同時根據力學性能預報模型預測的力學性能進行相關工藝調整，然后通過遠程信號來調整閥門開口度，進行在線流量、壓力、汽水比的調節，從而獲得所需的控制冷卻工藝參數和力學性能。

本實用新型所述的水霧汽化冷卻裝置，根據在原有水霧汽化冷卻裝置上進行優化，增加了水霧強化噴嘴、快冷區的快冷型紊流管冷卻器，同時優化了工藝控制軟件，為現場軋鋼機組獲得高強度鋼筋的顯微組織、力學性能和延緩生銹提供設備支持和所需的工藝窗口。

本實用新型的優點及創新點在于：

(1)通過分段階梯型冷卻裝置來實施鋼筋的分段階梯型冷卻工藝，實現降溫-返溫-降溫-返溫循環的冷卻過程，用小范圍內不斷降溫-返溫-降溫-返溫的衰減式鋸齒形冷卻方式，來代替常規穿水工藝的一次性冷卻方式，逐步縮小表面和心部的溫差；

(2)在原有水霧氣化冷卻設備純水霧的基礎上根據軋制溫度和軋制速度進行工藝布置調整，增加可消除表面高速氣流層膜的水霧強化噴嘴，通過水霧強化噴嘴內水滴的二次霧化，進一步提供強化水霧汽化冷卻所需的水霧粒度，實現工藝的精細控制，進而達到改善表面氧化鐵皮的形貌、結構和完整性，實現在銷售周期內延緩生銹和改善顯微組織結構的目標。

(3)在原有水霧氣化冷卻設備純水霧的基礎上增加快冷區的快冷型紊流管冷卻器，通過調整壓力、流量和紊流角度實現快速冷卻，進而達到改善表面氧化鐵皮的形貌、結構和完整性，實現在銷售周期內進一步延緩生銹和改善顯微組織結構的目標。

總之，本實用新型采用水霧氣化噴嘴和水霧強化噴嘴分組分段的階梯型加速冷卻方式，通過控制熱軋棒線材表面冷卻速度來控制晶粒細化與貝氏體轉變，在避免傳統穿水冷卻導致馬氏體環形成的前提下，顯著提高了熱軋鋼筋的強度，并獲得了所需的伸長率、強屈比和抗震性能，降低了合金含量和新水消耗量，同時抑制了穿水冷卻造成的鋼筋表面紅銹的生成。

附圖說明

圖1是本實用新型的用于熱軋高強度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置的整體結構示意圖。

圖2是本實用新型的用于熱軋高強度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置的閥架系統圖，其中水管道21、雙聯通式過濾器22、調節閥門23、壓力表24、流量計25，氣管道31、儲氣罐32、調節閥門33、壓力表34、流量計35。

圖3是本實用新型的用于熱軋高強度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置的在線控制系統圖，其中紅外測溫儀41、遠程信號儀表42、PLC可編程控制器43、計算機(含顯示器)44、工藝控制軟件界面程序45、力學性能預報模型46。

圖4是本實用新型的用于熱軋鋼筋的分段階梯型冷卻設備階梯型冷卻區的單元結構示意圖。

圖5是本實用新型的階梯型冷卻區的水霧氣化噴嘴示意圖。其中，快換接頭1、進水口2、進氣口3、混合腔4、霧化腔5、水霧噴頭6。

圖6是本實用新型的階梯型冷卻區的水霧強化噴嘴示意圖。其中11-進水口、12-環形水管、13-水霧強化噴頭。

圖7是本實用新型的用于熱軋高強度鋼筋的水霧汽化冷卻裝置快冷區的結構示意圖。其中進水口101、水封102、可變角度的紊流管103、水封104、泄水閥105、循環水管106、氣封107。

具體實施方式

為說明本實用新型的用于一種熱軋高強度鋼筋的分段階梯型冷卻裝置的具體實施方式，下面結合附圖1－7，就其基本原理、技術特征、實際運行和調節方法闡明如下。

如圖1所示，本實用新型的熱軋高強度鋼筋分段階梯型冷卻裝置，主要由分段階梯型冷卻區和快冷區構成。其中分段階梯型冷卻區由4段的15組水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強化噴嘴構成的降溫-返溫階梯型冷卻段，水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強化噴嘴間隔分布；快冷區由2段快冷型紊流管冷卻器組成；鋼筋依次穿過分段階梯型冷卻區和快冷區，同時由配套集成系統來進行各個工藝參數的調節和控制。其中兩個冷卻區所需的水路氣路流量壓力的供應由配套集成系統的閥架系統來提供。工藝信號和參數的反饋及調節由配套集成系統的在線控制系統來完成。

如圖2所示，本實用新型的閥架系統包括由水管道21、雙聯通式過濾器22、調節閥門23、壓力表24、流量計25依次排列組成的供水閥架系統；由氣管道31、儲氣罐 32、調節閥門33、壓力表34、流量計35依次排列組成的供氣閥架系統；主要是為控制界面提供傳輸信號和氣路和水路所需的流量、壓力、汽水比，可以根據工藝需要實現切斷氣路或水路、不同開口度下的水量、氣量、水壓、氣壓的調節等功能。

如圖3所示，計算機在線控制系統由紅外測溫儀41、遠程信號儀表42、PLC可編程控制器43、計算機(含顯示器)44、工藝控制軟件界面程序45、力學性能預報模型46依次組成。采用PLC可編程控制器43所編寫的“熱軋鋼筋水霧汽化分段階梯型冷卻工藝控制”軟件程序和控制界面45，通過對水霧汽化冷卻裝置閥架系統的水路壓力、水路流量、氣路壓力、氣路流量、汽水比以及水霧強化噴嘴的水壓、流量和快冷型紊流管冷卻器的水壓、流量等遠程信號42的采集，集中顯示在控制界面45上，并通過工藝控制軟件采集的紅外測溫儀41的溫度信號(分階段冷卻入口溫度T1、出口溫度T2、上冷床返溫溫度T3)與目標溫度進行對比，同時根據力學性能預報模型預測的力學性能進行相關工藝調整，然后通過遠程信號來調整閥門開口度，進行在線流量、壓力、汽水比的調節，從而獲得所需的控制冷卻工藝參數和力學性能。

在調節過程中，首先將閥架系統的供水和供氣的壓力和流量設置在調節范圍的中限，同時檢查供水和供氣的壓力表和流量計表盤讀數與計算機操作界面顯示讀數是否準確一致，并在穩定達到設定的水氣壓力/流量工藝參數要求后，開始對熱軋鋼筋進行在線分段階梯型快速冷卻，并實時記錄各段溫度。通過工藝控制軟件采集的分階段冷卻入口溫度T1、出口溫度T2、上冷床返溫溫度T3與目標溫度進行對比，然后調整閥門開口度來進行流量、壓力、汽水比的調節，獲得所需的控制冷卻工藝窗口。

如圖4的分段階梯型冷卻裝置階梯型冷卻區的單元結構示意圖所示，水霧汽化冷卻噴嘴和水霧強化噴嘴間隔分布，距離可調節范圍控制在20～240mm，根據軋制速度和目標溫度進行調整，也可以通過調節冷卻路徑來實現不同的冷卻工藝。

如圖5的水霧氣化冷卻噴嘴所示，由快換接頭1、進水口2、進氣口3、混合腔4、霧化腔5、水霧噴頭6按順序依次組成。水依次通過快接接頭1和進水口2進入混合腔4，壓縮空氣依次通過快接接頭1和進氣口3進入混合腔4，然后依次進入霧化腔5、水霧噴頭6后射向鋼筋表面。在上述調節各冷卻段的水壓、水量、氣壓、氣量的過程中，主要根據本實用新型水霧汽化冷卻噴嘴的結構和功能特性進行操作，在一定壓力和流量范圍內，換熱量隨水霧流量增加；當有效流量超過一定值以后，換熱量不再隨流量增加。這與水霧粒度分布的變化密切相關。在水流量過大和水霧粒度過大的條件下，熱軋鋼筋的螺紋溝槽內會存有不能立即汽化蒸發的水滴，甚至局部覆蓋的液體膜， 降低水霧汽化冷卻的比例和換熱效率。

如圖6的水霧強化冷卻噴嘴所示，由進水口11、環形水管12、水霧強化噴頭13按先后順序連接后組成，通過調節水壓、水量、鋼筋表面的距離、噴射角度等控制水滴粒度分布，為進一步汽化冷卻提供所需的水滴粒度范圍。在上述調節過程中，主要是防止局部的高速氣流層形成的液體膜，從而提高水霧汽化冷卻的比例和換熱效率。

如圖7的熱軋高強度鋼筋的水霧汽化冷卻裝置快冷區的結構示意圖所示，由進水口101、水封102、可變角度的紊流管103、水封104、泄水閥105、循環水管106、氣封107按先后順序依次連接組成，通過調節水壓、水量，為實現二次快速冷卻提供所需的水量，同時抑制鋼筋表面產生的氣膜，進一步提高換熱效率。

本實用新型在原有水霧汽化冷卻裝置上進行優化，尤其是增加了水霧強化噴嘴和快冷區的快冷型紊流管冷卻器，結合適度冷卻的思想，從而在現場軋鋼機組上利用分段冷卻設備來獲得高性能和延緩生銹鋼筋提所需的工藝窗口，實現降成本和提性能的目標。