专利名称：异型钢梁的冷却方法
技术领域：
本发明涉及一种从轧制温度起开始冷却型钢、特别是冷却异型钢梁的方法。
型钢的轧后冷却，如工字梁、槽钢、角钢、T型梁等异型钢梁的轧后冷却通常是借助冷床进行的。当停留在冷床上时，由于对异型钢梁和棒材进行了非控制的且往往是不利的空冷，在大多数情况下对平直度和内应力状况不可避免地产生了负影响。平直度或自身形状原本就与内应力状况密切相关。这两个从整体反映异型钢梁质量的标准与带材轧制中的带材平坦度有些相似。可是，优良的平坦度的重要性在带材轧制中主要表现在几何形状方面，而对刚性较大的型钢来说，截面内的纤维的长短差异可能只表现为弯曲，但在某些情况下，它一定会因内应力而导致承载能力显著降低。除了在外负荷作用下的承载能力有所下降外，由于由此造成对平衡状况的破坏，所以带内应力的构件在加工中还会出现较大变形，它还易于在内应力相差很大的区域内产生裂纹。例如，特别是在工字梁中，在从腹部至翼缘的过渡区内可能出现裂纹。
以下涉及内应力产生原理的考虑和认识是本发明的基础经轧制的异型钢梁在伸长非常均匀分布的情况下离开终轧机架，这意味着钢梁或棒材是平直的而没有带波形的部位。在动态再结晶材料的情况下，由于温度水平高，棒材/钢梁也几乎无内应力。但在受抑制的动态再结晶中-这是一个热力学轧制的重要前提-出现了内应力情况，这种内应力对终轧道次压下来说是常见的。
通常，终轧道次后的温度分布很不均匀；特别是在材料聚集部位，型材冷却度低于薄壁部位的冷却度。无论热的起始状况如何，型钢都受到很不均匀的空冷。由此引起的长度热变差异必须通过弹性伸长或甚至通过弹性-范性伸长予以补偿，随之而来的是不可避免地同时产生的应力。温度越高，应力就越快地通过松弛而降低，即通过一个与同时进行的应力退火相似的过程降低应力。但由于此过程比长度热变进展得慢，所以型钢最终在高温段内仍有内应力。在非对称冷却条件下或在型材非对称形状的情况下，轧制棒材通过产生的变形在一定条件下变成一种内力矩为零的形状，除非外力如重力、摩擦力或者如由矫直台施加的矫直力妨碍了棒材变形。
如果一束纤维或型钢的一部分进入γ-α组织转变区，那么由于组织全部重新构造，任何应力均有所降低。由较低的α铁排列密度所决定的纤维伸长也受到部分抑制，因为其它尚未在转变区内的纤维由于自身的剩余弹性的原因不会随之伸长。在相继到达转变区的阶段中，非对称型材的弯曲或非对称冷却且不在矫直台上或以其它方式矫直的型材的弯曲始终在变化。在转变将近结束时，型材几乎没有内应力并且也没有自由形成的弯曲状态或强制的弯曲状态。不过随后，当至少两束纤维或局部未超过转变下限温度时，在这些纤维之间就产生了不同的强制热缩，收缩后果是通过弹性伸长或弹性-范性伸长来补偿。在转变线下时，即使以后采用变得不重要的松弛，也无法降低这些应力(以下称内应力)。随着冷却的进行，更多的纤维越过转变区而参与到上述内应力产生的过程中。
本发明的任务是提供一种能够使型钢在转变将要结束时具有均匀的温度分布的方法。
根据本发明，上述任务是这样解决的在最终的空冷前如此设置目标明确的水冷装置，即利用一个出于由计算机辅助预定的冷却方案的、变化的喷流宽度和喷流时间从型钢外侧对出现材料聚集的型材进行冷却，直到将型钢冷却到至少还在转变温度Arl以上的温度值。例如，如果是工字梁和槽钢，型材外侧区域就是翼缘部分。通过在转变温度Arl上的有选择冷却，特别是通过在转变温度下限附近的有选择冷却，从而能够获得均匀的温度分布，这是因为钢梁在水冷后可自行冷却，直到被冷却的部分已充分利用了冷却区并重新热回复为止，由此得到了理论上无内应力的型材。因此，不再象已知方法那样在型材内出现内应力生成，由于针对在转变将结束时的温度不均匀分布所造成的热伸长差异而进行了主要是弹性或弹性-范性的补偿，所以才在型材中产生了上述内应力。因此，在生产异型钢梁和对异型钢梁进行后加工如锯切时，形状稳定性得到改善。即使曾在生产期间出现温度分布不均现象，在转变将结束时基本不产生内应力以及相应的温度均匀分布生产出了几乎无内应力且承载能力更强的形状稳定的型材，即使在完全冷至室温后也是如此。
最好通过沿轧制方向相继安置喷嘴组实现对温度分布的适当调整。根据需要，喷嘴组可分几次并排设置，喷嘴组可交错排列，此喷嘴组也可沿纵向以不同的间距布置或设计成在所需位置上或在所需区域内向型材喷射水的不同喷嘴。
按照本发明的提议，为了确定对冷却方案很重要的喷流宽度、喷流时间以及喷射强度，测量型钢温度并将其输入过程计算机中。为此，在冷却过程开始前或在位于型材进入冷却段前的连续设备中时，测量型材的温度分布。通过测量不同的型材部的温度，或通过测量基准温度并追溯特征温度分布，或在考虑了前道次的压力加工参数的情况下通过计算获得型材的温度分布，或者通过联合使用上述措施求得型材的温度分布。借助过程计算机，根据这些输入的数据最终求出相应的冷却方案，过程计算机适时地自动启动冷却过程，当速度或温度沿长度发生变化时，可改变冷却过程并最终结束冷却过程。可借助一个以物理模型为基础的软件在线求出适当的冷却方案，或者根据型材类型、所采用的温度分布和材质在准备阶段中离线求得计算结果，在计算机内将其自动编码并用内插法求得冷却强度和冷却时间。
当在型钢轧制所需的终轧机架之后的水冷段、特别是连续式冷却段被有利地分成可单独控制的、可关断或接通的冷却区时，简单地实现了冷却段与不同型材、温度状况、材质和型钢出口速度的匹配。在此，冷却段由多个冷却分段构成。当条件变化时，如穿水速度或输出温度分布变化时，足够数量的且可单独控制的冷却区仍可控制冷却过程。随后，如棒材在冷却段内的静止状态也可受到控制。
本发明规定，对型钢的喷流面积的大小随冷却水喷嘴至型材外侧的距离的改变而改变，并且根据本发明的另一项规定，通过改变供水压力来控制冷却强度。首先对尺寸较大的型材而言，不是沿轧制方向在轧制线两侧只设置一组喷嘴，而是适当地设置带多组喷嘴的分配管，这有利于加宽喷流面积并有利于将水冷强度分级。由喷射水流确定的型钢冷却轨迹的位置和分布可根据适当的装置由可转动的喷嘴组来调整。
以下两个对比实施例表明了本发明方法与现有技术相比的方法工作原理。
1.根据现有技术，空冷型材HEB140从均匀的初始温度分布T0＝900℃和45#钢起，由于在未越过转变下限温度前进行空冷，通过最热的纤维出现了引起内应力的不均匀温度分布或不均匀中间温度分布，在完全冷至室温(300分钟)后，不均匀温度分布造成残余应力。其中，在翼缘顶部出现大小约为21％的冷屈服极限460N/mm2的内应力，即无论外纤维的弯曲轴在何处，承受外负荷时，翼缘顶部的负载最大。残余应力造成的预载大大降低了成品钢梁的承载能力。
2.型材HEB140在经过本发明的前置水冷后，接受空冷试验证明，在相同前提下，如上所述地那样，在80mm宽的中心喷流轨迹的情况下用精确选定的冷却强度将翼缘外侧水冷6.7秒，在完全转变后可得到基本均匀的温度分布。在完全冷却后产生的内应力最多是冷屈服极限值5.6％。应力分布，特别是根部的应力分布由此很均匀，而在用现有技术冷却的型材中，在此根部区内经常出现由内应力引起的裂纹。为了计算应力和伸长之间的关系，除了考虑长度热变外，还要考虑所有其它与连续力学有关的过程，如弹性、塑性和松弛与温度的关系。
权利要求
1.一种用于从轧制温度起开始冷却型钢、特别是异型钢梁的方法，其特征在于，在最终的空冷前如此设置目标明确的水冷装置，即利用一个出于由计算机辅助拟定的冷却方案的、变化的喷流宽度和喷流时间从型钢外侧对出现材料聚集的型材进行冷却，直至将其冷却到至少还在转变温度Arl以上的温度值。
2.如权利要求所述的方法，其特征在于，为确定冷却方案所需的喷流宽度和喷流时间以及喷流强度，测量型钢温度并将其输入过程计算机中。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对型钢的喷流面积的大小随冷却水喷嘴至型材外侧的距离的变化而改变。
4.如权利要求1-3中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过改变供水压力来控制冷却强度。
5.如权利要求1-3中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，水冷段被分成可单独控制的、可关闭或接通的冷却区。
全文摘要
一种用于从轧制温度起开始冷却异型钢梁的方法,它能够使异型钢梁具有在转变将要结束时已经均匀一致的温度分布。此冷却方法规定,在最终的空冷前如此设置目标明确的水冷装置,即利用一个出于由计算机辅助预定的冷却方案的、变化的喷流宽度和喷流时间从型钢外侧对出现材料聚集的型材进行冷却,直至冷却到至少还在转变温度Arl以上的温度值。
文档编号C21D9/04GK1171307SQ97111199
公开日1998年1月28日 申请日期1997年5月15日 优先权日1996年5月15日
发明者W·罗洛夫, L·库米尔, R·斯图特, H·J·乌德欣肯, M·迈尔, H·G·哈通 申请人:Sms舒路曼-斯玛公司