技术领域
[0001] 本
发明属于轧钢技术领域，特别是涉及一种用于热轧高强度
钢筋的水雾汽化冷却装置及方法[A Method and Device of Spray Evaporative Cooling(SEC)for Hot-Rolled High-Strength Rebar]。
背景技术
[0002] 目前世界各国普遍采用穿水冷却方法对热轧钢筋进行轧后控制冷却，以提高钢筋的强度。比利时
冶金研究所CRM在70年代开发出Tempcore穿水冷却技术后[1,2]，欧洲和英联邦国家大都采用这种穿水冷却方法，利用钢材芯部(Core)的余热对表层淬火
马氏体进行回火(Tempering)，在钢筋截面的表层获得回火马氏体环，而心部获得
铁素体－珠光体－
贝氏体，这种复合组织显著提高了钢筋在全尺寸拉伸条件下的整体
屈服强度和
抗拉强度水平，用于生产屈服强度YS415、460和500MPa级热轧高强度钢筋。
[0003] 1994年广州钢厂在引进我国第一条热连轧棒材机组设备的同时，全套引进比利时CRM的Tempcore穿水冷却
专利技术，经过近一年现场调试后从1996年5月投入批量生产使用，按照英国标准BS4449-88生产YS415、460和500MPa级出口钢筋[3]。此后，国内许多厂家采用类似的穿水冷却方法生产热轧高强度钢筋，例如国家标准GB1499.2的HRB335、HRB400和HRB500级钢筋产品。
[0004] 但是，由于我国建筑行业对钢筋采用的连接方法是
焊接，而不是像欧洲和英联邦国家采用套接和
螺栓连接，这种穿水冷却的热轧钢筋无法保证
焊接性能，马氏体环易导致焊接裂纹，并在焊接热循环后马氏体环消失，显著降低了建筑结构焊接接头部位的强度，对
建筑物的安全使用造成危险，尤其是对
地震多发地区建筑物的抗震性能具有很大威胁。同时，这种穿水冷却方法，极易造成热轧钢筋表面生成红色Fe2O3锈层，严重影响了穿水冷却钢筋和
混凝土结构的有效使用寿命。
[0005] 二十年来，由于穿水冷却工艺造成的表层马氏体环和表面红色锈层问题一直未得到解决，成为困扰我国热轧高强度钢筋性能
质量的重大技术障碍，迫切需要一种适合热轧高强度钢筋均匀强化的新型冷却技术，可以在避免冷却速度过快和淬火马氏体环出现的前提下，有效提高热轧态钢筋的屈服强度，并获得所需的伸长率、强屈比和抗震性能，同时防止钢筋表面红锈的形成。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种用于热轧高强度钢筋的水雾汽化冷却装置及方法，解决上述由于穿水冷却工艺造成的表层马氏体环和表面红色锈层的问题。
[0007] 本发明的水雾汽化冷却工艺装置包括供水供气系统、水雾汽化冷却装置六段、红外测温仪和计算机
操作系统，见
附图1。其中，供气供水系统由总水管、过滤网、总气管、储气罐、
阀架系统(仪表阀
门)、供水管和供气管组成。阀架系统的各压
力表和流量计分别将供水和供气的压力和流量参数通过远程仪表
信号传送给计算机操作系统。
[0008] 本发明的水雾汽化冷却装置由六个冷却段构成，每段内包括十五个冷却单元，见附图2。每个冷却单元内安装四个水雾汽化冷却
喷嘴8，这四个喷嘴两两相对的布置在同一平面上，相邻喷嘴之间互相成90°
角，各喷嘴出口对准沿各段冷却装置中心线运行的热轧钢筋的纵向中心线。
[0009] 本发明的水雾汽化冷却喷嘴，由进水口、进气口、导流腔、混合雾化腔、
螺母和水雾喷头构成，见附图3。水雾汽化冷却喷嘴上部的进水口1和进气口4分别与导流腔3相连接。导流腔3与水雾汽化冷却喷嘴下部的混合雾化腔2相连接，使水和气在一定压力下混合雾化。螺母5用于连接混合雾化腔2与水雾喷头6，使混合雾化腔2内形成的水雾从喷头6射出。
[0010] 本发明的每个水雾汽化冷却喷嘴分别由进水和进气金属软管与各段内供水和供气支管连接，各冷却段内的供水和供气支管分别通过供水阀门(W1)～(W6)和供气阀门(G1)～(G6)与供水管和供气管连接，见附图1。
[0011] 本发明装置采用的三台红外测温仪，包括终
轧机架出口处的测温仪T1、六段水雾汽化冷却设备出口处的测温仪T2、
冷床入口处的测温仪T3，见附图1，分别将热轧钢筋的终轧
温度T1、热轧钢筋穿过水雾汽化冷却装置后的终冷温度T2、热轧钢筋进入冷床时的返温温度T3，进行连续在线测试并传送到计算机操作系统。
[0012] 本发明装置的计算机操作系统，包括可编程
控制器PLC、远程仪表信号接收程序、显示和控制界面程序、在线监控操作系统、工艺参数和力学性能
数据库等。该计算机操作系统通过信号接收系统和显示界面，接收和显示从阀架系统的仪器仪表传送来的远程仪表信号，监测供水和供气的压力和流量参数，并通过在线监控操作程序给阀架系统和各段阀门(W1～W6，G1～G6)发出调节指令，控制水雾汽化冷却参数和热轧钢筋的冷却速度，见附图1。
[0013] 本发明的水雾汽化冷却喷嘴，在供水和供气条件达到所需的水压、水量、气压、气量范围内，可以产生和获得所需的水雾粒度分布，使这种粒度范围的水滴在热轧钢筋的高温终轧温度区内(1050～900℃)瞬时发生汽化，并带走大量的汽化
相变潜热，使热轧钢筋获得高效率的水雾汽化冷却。
[0014] 本发明的水雾汽化冷却喷嘴，达到高效冷却所需的水压、水量、气压、气量参数范围，是根据在水雾汽化冷却实验室装置上所进行的各项试验和测试数据制定的。
[0015] 本发明装置的结构示意图由附图4给出，其整体结构是由水雾汽化冷却段(六个)、供气系统、供水系统、水雾汽化喷嘴、红外测温仪和计算机操作系统组成。其中，水雾汽化冷却装置包括：依次连接的六个冷却段40，每个冷却段上安装了十五个冷却单元41，每个冷却单元配置有四个水雾汽化喷嘴8。整套装置的供水供气系统依次连接有：总水管42、总气管43、储气罐44、
过滤器45、阀架系统46、供水支管47、供气支管48、水阀门49、气阀门50、环缝喷水管51、整套装置的监测控制系统包括测温仪52～54、计算机55、可编程控制器(PLC)56。
[0016] 本发明装置在各冷却段40的每个冷却单元41的入口处，安装设置有一次雾化冷却用环缝喷水管51，使具有一定速度和压力的层状水流与环绕高速运行钢筋的气流层混合雾化，形成一次雾化冷却区，以弥补高速(VR＝7.0～12.5m/s)运行的钢筋所产生的高速气流层对水雾的二次雾化和飘逸耗散作用。
[0017] 本发明装置的计算机55在线监控操作系统，采用可编程控制器(PLC)56所编写的“热轧高强度钢筋水雾汽化冷却工艺控制”
软件程序，通过显示和控制界面对水雾汽化冷却全工艺过程的各项技术参数进行调节和控制。
[0018] 本发明装置还包括：各冷却段
抽取水雾汽化冷却产生的水
蒸汽所用的集汽罩、集汽管和抽
风机，以排除各水雾汽化冷却段产生的水蒸气，提高换热和冷却效率。
[0019] 本发明涉及一种用于热轧高强度钢筋机组的水雾汽化冷却的方法。该方法的第一个特点是，与国内外多年来沿用的穿水冷却和表
面层淬火的方法不同，而是采用本发明装置的多段式分组水雾汽化冷却方法，对热轧钢筋进行阶梯式的
加速冷却，使钢筋在通过各段冷却装置的过程中，其表面的最低温度不低于马氏体点MS温度，使钢筋表层不发生淬火和马氏体相变，而是从高温奥氏体区逐段加速冷却至贝氏体区和铁素体区。因此，这种新方法不仅避免了传统穿水冷却方法所产生的表层淬火和马氏体环，而且避免了由表面马氏体相变引起的晶格切变、高位错
密度、体积膨胀和表面
应变层的形成，从而避免了由此导致的钢筋表面在穿水冷却后返温过程中的应变马氏体
氧化、
应力腐蚀和表面Fe2O3红锈的生成。
[0020] 本发明的水雾汽化冷却方法，其第二个特点是，与传统穿水冷却和表层淬火采用的大流量
循环水冷却的方式不同，本方法充分利用水的相变
汽化潜热λ＝540cal/g远高于水的
比热Cp＝1cal/g℃的基本原理，其冷却机制不再是传统水冷的核
沸腾与膜沸腾，而是水雾汽化冷却；通过控制水雾粒度分布，提高汽化冷却比例和换热效率，使热轧钢筋获得分组分段阶梯式加速冷却，同时控制各段终冷温度在马氏体点温度以上TC.T>MS，一方面比传统穿水冷却方法显著提高了冷却介质水的利用率，减少了水的循环量和消耗量，另一方面比传统穿水冷却方法有效地控制了热轧钢筋的冷却速度和相变组织，通过细化晶粒、贝氏体和索氏体转变提高钢筋的强度，获得了与高强度相适应的良好伸长率、强屈比、抗震性能和可焊性。
[0021] 本发明的水雾汽化冷却方法，其第三个特点是，在采用上述分组分段阶梯式加速冷却方法的同时，不仅在基本方法和冷却机理方面，与传统穿水冷却和表层淬火的热轧钢筋冷却方法完全不同，而且在对于水雾汽化冷却所需的水雾粒度范围的调节方面，根据热轧钢筋的高速运行特点，采用两种适应现场条件的调控方法：一方面改变供水和供气的压力和流量，不是完全按照实验室装置的试验数据设定现场机组的工艺参数，而是考虑到环绕高速运行钢筋的高速气流层对水雾颗粒的二次雾化作用，及其对实际喷射到钢筋表面的水雾粒度的影响，调整了该装置在现场供水供气的工艺参数；另一方面，在各冷却单元设置了一次雾化用环缝喷水管，充分利用高速气流层的雾化作用，提高了冷却效率，并显著降低了压缩空气的使用量。
[0022] 由于本发明具有上述水雾汽化冷却方法的三个特点，使得该装置在充分利用和提高水雾汽化冷却效率的同时，对热轧钢筋进行分组分段地控制冷却，调控各段冷却速度和最低冷却温度在马氏体点温度以上TC.T>MS，避免了传统穿水冷却方法所导致的钢筋表层淬火马氏体环和表面红色Fe2O3锈层的形成，保证了钢筋的高强度、良好伸长率、强屈比、抗震性能、可焊性和各项使用性能，并且降低了
合金含量和新水消耗量。
[0023] 本发明方法的主要操作步骤是：
[0024] 首先，将阀架系统供水和供气的压力与流量调节至工艺要求的参数范围，同时检查供水和供气系统的压力表和流量计读数与计算机操作界面显示读数是否准确一致，并在稳定达到设定的水气压力/流量工艺参数要求后，开始对热轧钢筋进行在线水雾汽化冷却。
[0025] 其次，从精轧机组终轧
机架连续高速轧出的热轧钢筋，以VR＝7.0～12.5m/s的运行速度依次进入和通过该水雾汽化冷却装置的第一段至第六段，其表面温度从终轧温度T1(1000℃±50℃)阶梯式地降低到穿过水雾汽化冷却装置后的终冷温度T2，并在进入冷床时返温至T3。通过设定和调节水气的压力/流量参数，控制喷射到钢筋表面的水滴粒度分布范围，使水雾瞬间汽化并带走大量汽化潜热，使热轧钢筋在一秒至三秒内达到终冷温度T2<600℃以下的目标。
[0026] 第三，根据热轧钢筋规格(直径)的不同，采用不同的水压/气压和水量/气量配比。其中：水压在0.2MPa至1.2MPa范围内调节、气压在0.0MPa至0.8MPa范围内调节、水量在
20m3/h至200m3/h范围内调节、气量在0至3600m3/h范围内调节，得到不同粒度直径的水雾颗粒后从喷嘴出口喷射到钢筋的表面进行冷却；
[0027] 第四，高温高速运行的钢筋穿过第一组的第一个冷却单元，该单元内对称布置的四个喷嘴喷射出不同粒度和直径的水雾使得钢筋在通过该区域时表面得以冷却，然后进入固定喷嘴的锥形孔中进行返温，返温后的钢筋依次穿过第二个单元进行冷却，然后进入第二个单元的返温锥形孔中，依次反反复复经过十五个冷却单元冷却和十五个返温锥形孔，至此完成了在第一组水雾汽化冷却装置中的0.3s至0.6s的冷却过程；
[0028] 第五，高温高速运行的钢筋在经过了第一组水雾汽化冷却装置后，穿过一个长约1000mm的
套管连接装置，在该连接装置中进行小于0.14s的返温后进入到第二组水雾
气化冷却装置中，重复第四步的过程；
[0029] 第六，依次重复第四步和第五步直至进行到第六组水雾汽化装置进行冷却后，高速运行的热轧钢筋，通过这种分组分段的阶梯式加速冷却方法，使表面温度在1s～3s时间内，从终轧温度T1＝1000℃±50℃冷却至终冷温度T2<600℃以下。
[0030] 第七，通过计算机操作界面监控终轧温度T1、终冷温度T2、冷床返温的温度T3，适当调节各冷却段的供水和供气的压力和流量，在各关键点温度T1、T2、T3稳定后，控制各段水气压力流量稳定在所需的参数水平。
[0031] 最后，计算机操作系统内的工艺参数和力学性能数据库，根据采集到的钢筋化学成分、规格(直径)、
轧制工艺和冷却温度等项材料和工艺参数，预测钢的组织和热轧态力学性能，如果钢的组织和最终力学性能与技术要求不同，可通过计算机反馈至供水和供气系统的调节阀，调节水气的压力/流量等工艺参数，使热轧钢筋的性能达到技术指标要求。
[0032] 本发明装置的主要操作功能特征是，通过阀架系统(仪表阀门)调节供水管和供气管的水压、水量、气压、气量，通过各段供水阀门(W1)～(W6)和供气阀门(G1)～(G6)调节各冷却段的水气压力和流量，控制各段内喷嘴射出的水雾粒度分布和水雾汽化冷却效率。
附图说明
[0033] 图1是本发明的用于热轧高强度钢筋机组的水雾汽化冷却装置的工艺布置示意图。
[0034] 图2是本发明的用于热轧高强度钢筋机组的水雾汽化冷却装置的其中任意一段的结构示意图。
[0035] 图3是本发明的用于热轧高强度钢筋的水雾汽化冷却喷嘴的示意图。其中，进水口1、混合雾化腔2、导流腔3、进气口4、螺母5、水雾喷头6。
[0036] 图4是本发明的用于热轧高强度钢筋的水雾汽化冷却装置结构示意图。该装置是由水雾汽化冷却段(六个)、供气系统、供水系统、水雾汽化喷嘴、红外测温仪和计算机操作系统组成。其中，水雾汽化冷却装置依次连接的有有：六个冷却段40，每个冷却段上安装了十五个冷却单元41，每个冷却单元配置有四个水雾汽化喷嘴8。整套装置的供水供气系统依次连接有：总水管42、总气管43、储气罐44、过滤器45、阀架系统46、供水支管47、供气支管48、水阀门49、气阀门50、环缝喷水管51、整套装置的监测控制系统包括测温仪52～54、计算机55、可编程控制器(PLC)56。
[0037] 图5是采用本发明的水雾汽化冷却方法与装置进行控制冷却的φ25mm热轧高强度HRB 400E抗
震级钢筋的金相组织。
具体实施方式
[0038] 图1至图5为本发明的一种具体实施方式，就其基本原理、技术特征、实际运行和调节方法阐明如下。
[0039] 如图1所示，本发明的热轧高强度钢筋机组的水雾汽化冷却装置工艺布置示意图，主要包括：一套由总水管、过滤网、总气管、储气罐、阀架(阀门、压力表、流量计)、供水管、供气管等组成的供水供气阀架系统；一套六段九十个单元由水雾汽化冷却喷嘴配置构成的水雾汽化冷却装置，其中任何一段结构如附图2所示，任何一个喷嘴结构如附图3所示；一套由红外测温仪、远程信号仪表、可编程控制器PLC、显示和控制界面程序、工艺参数和力学性能数据库组成的计算机在线监控操作系统。
[0040] 如图1的阀架系统和计算机操作系统所示，首先将阀架系统的供水和供气压力和流量设置在调节范围的中限，同时检查供水和供气的压力表和流量计
表盘读数与计算机操作界面显示读数是否准确一致，并在稳定达到设定的水气压力/流量工艺参数要求后，开始对热轧钢筋进行在线水雾汽化冷却。
[0041] 如图1的终轧机架、测温仪T1、测温仪T2、测温仪T3和第1段至第6段水雾汽化冷却线所示，从终轧机架连续高速轧出的热轧钢筋，以VR＝7.0～12.5m/s的运行速度依次进入和通过该水雾汽化冷却装置的第一段至第六段，其表面温度从终轧温度T1(1000℃±50℃)阶梯式地降低，直到穿过水雾汽化冷却装置后的终冷温度T2，然后经过传送辊道和飞剪在进入冷床时返温至T3。通过计算机监控和操作系统，设定和适当调节各冷却段的水压、水量、气压、气量参数，调节和控制喷射到钢筋表面的水滴粒度分布范围、冷却效率和热轧钢筋冷却速度，使水雾瞬间汽化并带走大量汽化潜热，使热轧钢筋在一秒至三秒内达到终冷温度T2<600℃以下的目标。
[0042] 如图2的热轧高强度钢筋机组的水雾汽化冷却装置的其中一段结构示意图所示，其特征在于，每一段由十五组喷嘴组成的十五个冷却单元构成，热轧钢筋在较高的终轧温度范围内(T1＝1000℃±50℃)进入第一冷却段，高速运行的钢筋穿过第一个冷却单元时，该单元内对称布置的四个喷嘴喷射出的水雾使得钢筋在通过该区域时表面得以加速冷却，然后进入固定喷嘴的锥形孔中短时返温，随后穿过第二个单元进行冷却，并进入第二个单元的锥形孔中返温，依次反复经过十五个冷却单元的冷却和暂短返温，完成在第一段水雾汽化冷却装置中的0.3s至0.6s的冷却过程；随后通过结构相同的第二冷却段至第六冷却段，进行分组分阶段的阶梯式加速冷却，控制各段最低冷却温度和终冷温度不低于马氏体转变温度T2>MS；在各关键点温度T1、T2、T3稳定后，控制各段水气压力流量稳定在所需的冷却工艺参数水平。
[0043] 如图4的用于热轧高强度钢筋的水雾汽化冷却装置结构示意图，其主要操作功能特征是，通过计算机操作系统(55)和阀架系统的仪表阀门(46)调节供水管和供气管的水压、水量、气压、气量，通过各段安装的第一至第六供水阀门(49)和第一至第六供气阀门(50)，调节各冷却段的水气压力和流量，控制各段内喷嘴射出的水雾粒度分布、水雾汽化冷却效率和热轧钢筋的冷却速度。
[0044] 采用本发明的如图1、图2、图3和图4所示的热轧高强度钢筋水雾汽化冷却方法和装置，取代传统的穿水冷却和表层淬火工艺，使典型规格φ22～25mm热轧HRB400级钢筋的屈服强度稳定在YS＝440～460MPa范围内，满足GB1499.2-2007的各项技术指标要求。经过十天自然时效以后，力学性能检验结果表明，其屈服强度为YS＝429～431MPa，抗拉强度为TS＝592～609MPa，伸长率A＝22～23％，强屈比TS/YS＝1.37～1.42，满足抗震性能指标和HRB400E级钢筋的要求，其显微组织为细化的铁素体－珠光体和部分贝氏体组织，在钢筋截面内不存在任何马氏体组织，如图5所示。所有采用水雾汽化冷却装置及方法的热轧高强度钢筋，均未出现表面红色Fe2O3锈层。
