棒材线轧后自动冷却系统的研究

棒材线轧后自动冷却系统的研究

通常，棍子通常指的是螺旋钢和圆形钢，它们以直接的方式交付。国家规定的小型棒的尺寸范围为直径6.5mm，长度为6.12m。在这种情况下，它被称为木材。棒线材均属简单断面的型钢,轧制工艺极为相似。穿水冷却装置是现代化棒线材生产线上不可缺少的一个重要部件,安装在轧机之间或者精轧机后,分别用于对轧件进行轧制过程温度控制和成品冷却温度控制,达到改善产品性能的目的。在老式棒线材生产线上,由于没有预留穿水冷却装置的位置,所以只能生产低档次产品或者通过添加合金元素来提高产品机械性能,不具备市场竞争优势。由于穿水冷却能提高棒材的性能可以替代钢中某些合金元素的功能,因此可以降低生产成本,同时,由于性能的提高,同样的建筑结构可以少使用钢材,符合低碳时代的需求,具有广阔的应用前景。连续式棒材轧制现代化棒材轧机一般由16~20架轧机组成,以18架居多,分粗轧、中轧、精轧三个机组。在各机组之间设切头飞剪,在精轧后设成品倍尺分段飞剪,将成品分段后上冷床。轧制钢坯采用(120mm×120mm)~(170mm×170mm)连铸方坯,长度9~12m,加热炉一般采用蓄热燃烧的推钢式或者步进式连续加热炉。最大轧制速度17m/s,螺纹钢采用多线切分生产工艺。年产能力40~100万t。图1为几种典型的连续式棒材轧机布置图。图1(a)为我国较早的连续式棒材轧机,仅有成品穿水,生产淬火余热回火钢筋。图1(b)在中轧后增加了水箱,降低轧件进精轧机组的温度,可以提高钢筋的性能,但由于精轧是六机架高速轧制,轧件升温明显,产品性能提高有限,温度控制不灵活,不适合优特钢生产。图1(c)为(b)的优化布置,在精轧机组内部增加了控轧水箱,进一步控制轧件温度,既适合钢筋(螺纹钢切分)生产,也适合优特钢棒材生产。图1(d)为典型的优特钢生产线,所有棒材产品均从17#、18#轧机轧出,通过控制终轧温度和一定的变形量,获得较好的机械性能产品。可以在18#轧机后增加定径机组,单线生产高精度高质量棒材产品,而不适合螺纹钢切分生产。冷却系统组成穿水冷却系统包括三部分:供水系统、自动化系统和水箱。冷却水循环处理供水系统一般是独立于轧机水处理站以外的,冷却水处理自成系统,水的循环流程如图2所示。冷却水首先由高压水泵打入轧制线上的水箱中的冷却器内,轧件在冷却器中被降温后,水温上升5~10℃,冷却水进入水沟收集,通过管路回流到水处理站的热水池,由泵打入高速过滤器,然后利用余压上冷却塔,水从冷却塔下来后进入冷水池,再由高压泵送到轧制线,完成一个循环。冷却控制实现该系统由检测仪表、执行机构及PLC组成,为一闭环控制系统,以一个冷却水箱为例,其控制原理如图3所示。轧线检测内容主要是轧件在水箱出入口温度、控轧回复温度(下游轧机入口)及控冷回复温度(冷床入口)、冷却水温度、冷却水压力、进入水箱的冷却水流量,执行元件主要是电动调节阀、泄压阀、气动开闭阀。由一台S7–300PLC完成控制,设一台上位机,系统内安装一个控制模型,对冷却参数进行预报,以回复温度为目标值,并可自学习修正模型,实现全自动操作。也可人工设定和修改参数进行半自动操作。冷却器安装方式冷却水箱装置由内部冷却器、箱体、横移小车及替换辊道组成。替换辊道是根据生产需要配置的,当不使用穿水时,通过小车横移将冷却器移离轧制线,使用辊道将轧件输送至下游轧机或冷床。冷却器安装在水箱内部,由若干段组成,便于精确控制温度,并且可以实现快速更换。为安全起见,水箱一般采用盖板密封。对于螺纹钢棒材生产,冷却器可以布置成五线以适用切分工艺要求。目前普遍使用的冷却器有两种型式,即湍流管式和套管式。湍流管冷却器由于其紊流效果强,冷却效率高,适合大断面棒材。套管冷却器阻力小,适合小断面棒材和线材的冷却。控制轧后冷却穿水的应用主要有两方面,一是传统的轧后穿水,利用余热处理改善产品机械性能,二是通过轧机内部穿水,控制轧制温度,得到细晶组织,再结合轧后穿水可以显著提高钢的强度和韧性。轧后穿水轧后快冷实现余热处理工艺,即将终轧温度为900~1100℃的钢筋经过水冷器冷却直接进行表层淬火,使其表面温度快速降至200~300℃,然后在空气中由轧件心部传出余热,使钢的温度达到550~650℃的自回火温度,以达到提高钢材强度、塑性,改善韧性的目的,使钢材得到良好的综合性能。由轧后在线冷却过程中的组织变化可以看出,棒材表面马氏体层是不可避免的,由于马氏体属性硬脆,钢中含马氏体强度提高但韧性下降,在中国GB标准中钢筋的强/屈比大于1.25,在英国BS和美国ASTM标准中则为1.1~1.15,因此在我国的棒材生产中希望穿水后得到较少的马氏体厚度,控制冷却强度(提高回复温度)和分段冷却(冷却—回复—再冷却—再回复)是减少马氏体量的有效途径。控制轧制冷却在精轧机组前或者在精轧机组内部机架间设置冷却水箱或冷却器,准确控制轧件在精轧机组内的温度,结合一定的变形量,获得较好的产品机械性能,这一过程称为“控制轧制”。对整个生产线来说,主要采取以下几项措施:控制开轧温度——为了在粗、中轧后获得完全的再结晶组织,提高成品显微组织的均匀性,要求钢坯出加热炉温度不低于950℃。控制粗、中轧工序——粗、中轧采用Ⅰ型控制轧制工艺,即通过对加热时粗化的初始γ晶粒进行大变形量轧制—再结晶使之得到细化,获得均匀细小晶粒的γ组织。控制精轧工序——根据轧制钢种的不同,精轧可采用未再结晶型控制轧制或两相区控制轧制,统称为低温精轧工艺。采用未再结晶型控制轧制,即在奥氏体未再结晶区进行轧制,γ晶粒沿轧制方向伸长,在γ晶粒内部产生形变带,提高α的形核密度,促进α晶粒的细化。高强度钢筋技术轧后穿水冷却我国20世纪80年代开始使用轧后穿水冷却,生产的棒材主要用于出口,按英国标准组织生产。由于国标的技术指标及施工条件的限制,国内很少应用直接穿水的高强度钢筋,目前广泛用于通过穿水减少合金元素含量保持钢筋较高强度,可降低生产成本6%~15%。按BS标准组织生产钢筋,采用低碳钢穿水后屈服强度可达450~550MPa,图4为北京科技大学高效轧制国家工程研究中心出口到马来西亚的穿水现场照片。试验生产的超细晶粒基于21世纪初我国“973”计划提出的超细晶粒钢概念,棒材生产是在精轧最后2~4架轧机前设穿水装置控制终轧温度,对于普钢生产,可以利用两相区轧制的形变再结晶细化晶粒,结合轧后快冷得到超细晶粒产品。北京科技大学高效轧制国家工程研究中心在辽宁新抚钢全连轧棒材生产线上应用此技术轧制Q235螺纹钢获得11级晶粒度,屈服强度达到420~475MPa,强/屈比符合国标要求。对于特钢生产,通过穿水控制终轧温度可以抑制某些合金元素或网状碳化物在晶界上的析出,再结合轧后快冷,得到合格的产品,可以部分取代线外热处理工序。图5为轴承钢控轧控冷组织对比。控轧控冷、取代线外热处理螺纹钢生产中,轧后穿水冷却已广泛应用于提高产品机械性能,降低合金元素含量,节约