某厂控制冷却技术在轧钢厂应用的探析

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轧钢厂实施全连轧棒材生产改造，年设计能力３５万吨，使用厂房为上世纪８０年代所建，棒材在终轧后采用空冷。随逐步改进工艺、设备及成功实现了双线切分轧制的改造后，产量大幅度提高，已具备了年产７０万吨的生产能力。受现有厂房和工艺布局的局限，冷却能力已逐步不能满足增产和产品拓宽后需要，制约了轧机能力的发挥及Ⅲ级以上热轧带肋钢筋的开发，多次出现Ⅲ级以上钢材性能改判和降级处理，造成一定的经济损失。针对这一问题，迫切需要开发控制冷却技术的应用，以降低钢材上冷床温度，改善和提高钢材的微观组织和力学性能为目的，解决限制生产发展的瓶颈问题，实现在线水冷技术上的突破。
    钢筋的综合性能，如屈服强度、反弯、焊接性能、疲劳强度和冲击韧性等，决定于钢的化学成分、变形条件、终轧温度、钢筋直径、冷却条件、冷却速度和自回火温度等因素。其整炉与整支钢筋的组织性能稳定性与均质性同生产工艺参数的控制、钢筋长度、冷却设备型式、水质、水温及其控制有密切关系，所以合理的选择轧后控制冷却工艺是获得钢筋所要求性能的关键。
    一、工艺布局
    轧钢厂一车间为全连轧棒材生产线，开轧温度不低于１０００℃，全线１７架轧机，其中粗轧机组７架，轧机为５５０×３＋４５０ｍｍ×４；中轧机组４架，轧机为３８０ｍｍ×４；精轧机组６架，轧机为３２０×６，其中粗、中轧机组均为水平轧机，精轧机组采用平／立交替布置，立轧机出成品；１０．５×９６ｍ２步进式冷床１座；坯料尺寸１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×９ｍ，设计产品规格１８－５０ｍｍ，目前轧制速度达到１４．２５ｍ／ｓ。
    二、棒材的控制冷却技术  
    １、控制冷却技术原理
    控制冷却又称为钢筋轧后余热处理或轧后余热淬火，该工艺是在钢材终轧后利用轧件冷却速度的不同来控制钢材的组织和性能。通过轧后控制冷却能够利用钢筋的轧后余热进行淬火回火式热处理，即对奥氏体状态下热轧钢筋进行轧后快速冷却，使钢筋表面淬火形成马氏体，随后靠其芯部释放出的余热进行自回火，使马氏体转变为晶粒细小均匀的索氏体，提高强度与塑性。
    ２、控制冷却在棒材轧制中的应用
    （１）目前，连续小型轧机上应用得最广泛的控制冷却技术是螺纹钢及棒材的轧后余热淬火。轧后控制冷却工艺大体包括以下三个过程：   
    第一阶段：表面淬火阶段（急冷段），钢筋离开精轧机组在终轧温度下，尽快地进入高效冷却装置，进行快速冷却。该阶段结束时，心部温度很高，仍处在奥氏体状态，表层为马氏体和残余奥氏体组织，表层马氏体层的深度取决于强烈冷却持续时间。
    第二阶段：自回火阶段，钢筋通过快速冷却装置后，在空气中冷却。此时钢筋各截面内外温度梯度很大，心部热量向外层扩散，传至表面的淬火层，使已形成的马氏体进行回火。   
    第三阶段：为心部组织转变阶段，钢筋在冷床上空冷一定时间后，断面上的热量重新分布，温度趋于一直，同时降温。此时心部由奥氏体转变为铁素体和珠光体或铁素体、索氏体和贝氏体。  
    （２）经过余热淬火热处理的钢筋，屈服强度可提高１５０～２３０ＭＰａ。采用这种工艺还具有很大的灵活性，即用同一成分的钢，通过改变冷却强度，可获得不同级别的钢筋（３～４级），并且淬火温度与屈服强度有关，因此控制淬火时间及水流量，可达到所要求的屈服强度，并可用于各种直径的生产。由于可采用碳当量低的钢而保持了高的屈服强度，所以这种钢筋同时具有良好的焊接性能、延伸性能、弯曲性能以及耐热性能，在生产同直径钢材的情况下，余热淬火法（在线热处理）成本最低。
    ３、棒材穿水冷却方式的基本原理及选择
    在精轧机后设一个由数个水冷箱组成的可调水冷段，对棒材进行急剧冷却，使棒材表面形成马氏体组织，在随后的温度恢复过程中，芯部热量散出对表面马氏体组织可产生回火作用，结果棒材表面层为回火马氏体，芯部为细粒珠光体及索氏体组织。这种组织结构使棒材屈服极限和韧性提高，并具有良好的可焊性。
    轧后冷却过程分为三个阶段：一次冷却、二次冷却和三次冷却（空冷），而其常用的具体的冷却方法有喷水冷却、喷射冷却、雾化冷却、层流冷却、穿水冷却和管内流水冷却。穿水冷却方法简单、技术相对成熟，生产中通过设备机构上的改进和自动化程序控制等措施，可实现应用；管内流水冷却不适用作为弱冷却法，而应作为高效冷却设备加以采用，它可以得到高度均匀的冷却效果，在线材、棒材冷却中广泛采用。
    ４、穿水冷却线控制系统
    穿水冷却线控制系统主要通过水量、时间和温度控制来完成，具体说明如下：
    （１）水量控制。穿水的总量通过水调节阀来调节。此调节可应用程序化自动控制，借助于带有反馈信号的闭合回路，而反馈信号来自于流量计。
    （２）时间控制。穿水时间的长短会产生一个特殊的回火温度，而回火温度直接关系到产品的屈服强度。穿水时间可以通过调节终轧速度来控制，为不影响产量，尽可能根据现各规格的终轧速度调节水量，寻找一个理想的平衡点。
    （３）温度控制。主要测量穿水线前后的温度，以使得到准确的回火温度。
    ５、棒材生产中机架间冷却的机理
    轧件在精轧机上的加工变形使棒材所产生的热值，可以超过由辐射、传导和对流造成的热损失值，因而其结果是轧件通过精轧机组时温度升高。采用机架间冷却时，棒材从精轧轧制后的温度降低比传统热轧后的大得多，因此可以达到细化晶粒的目的。
    在一车间由于受厂房和现有工艺、设备布局的局限，采用机架间冷却难度较大，尽量不予考虑。   
    利用控制冷却强化钢筋与一般热处理强化钢筋比较，首先可利用轧制余热，不需要重新加热，节约了燃料及热量消耗，缩短生产周期，提高生产率，降低了生产高强度钢筋的成本，而且还具有更高的综合力学性能；其次减少产品表面二次氧化损失，提高成材率；第三，穿水冷却后由于轧件温度低，刚度大，在冷床拨料和输入辊道上事故减少，轧件在冷床上冷却时塌腰弯减少，提高成材率和产品质量。因此，在轧钢厂一车间实施轧后控制冷却技术是生产实际的需要，必将有力拓宽现有市场竞争力。