棒材線軋后自動(dòng)冷卻系統(tǒng)的研究

棒材線軋后自動(dòng)冷卻系統(tǒng)的研究

通常，棍子通常指的是螺旋鋼和圓形鋼，它們以直接的方式交付。國(guó)家規(guī)定的小型棒的尺寸范圍為直徑6.5mm，長(zhǎng)度為6.12m。在這種情況下，它被稱為木材。棒線材均屬簡(jiǎn)單斷面的型鋼,軋制工藝極為相似。穿水冷卻裝置是現(xiàn)代化棒線材生產(chǎn)線上不可缺少的一個(gè)重要部件,安裝在軋機(jī)之間或者精軋機(jī)后,分別用于對(duì)軋件進(jìn)行軋制過(guò)程溫度控制和成品冷卻溫度控制,達(dá)到改善產(chǎn)品性能的目的。在老式棒線材生產(chǎn)線上,由于沒有預(yù)留穿水冷卻裝置的位置,所以只能生產(chǎn)低檔次產(chǎn)品或者通過(guò)添加合金元素來(lái)提高產(chǎn)品機(jī)械性能,不具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。由于穿水冷卻能提高棒材的性能可以替代鋼中某些合金元素的功能,因此可以降低生產(chǎn)成本,同時(shí),由于性能的提高,同樣的建筑結(jié)構(gòu)可以少使用鋼材,符合低碳時(shí)代的需求,具有廣闊的應(yīng)用前景。連續(xù)式棒材軋制現(xiàn)代化棒材軋機(jī)一般由16~20架軋機(jī)組成,以18架居多,分粗軋、中軋、精軋三個(gè)機(jī)組。在各機(jī)組之間設(shè)切頭飛剪,在精軋后設(shè)成品倍尺分段飛剪,將成品分段后上冷床。軋制鋼坯采用(120mm×120mm)~(170mm×170mm)連鑄方坯,長(zhǎng)度9~12m,加熱爐一般采用蓄熱燃燒的推鋼式或者步進(jìn)式連續(xù)加熱爐。最大軋制速度17m/s,螺紋鋼采用多線切分生產(chǎn)工藝。年產(chǎn)能力40~100萬(wàn)t。圖1為幾種典型的連續(xù)式棒材軋機(jī)布置圖。圖1(a)為我國(guó)較早的連續(xù)式棒材軋機(jī),僅有成品穿水,生產(chǎn)淬火余熱回火鋼筋。圖1(b)在中軋后增加了水箱,降低軋件進(jìn)精軋機(jī)組的溫度,可以提高鋼筋的性能,但由于精軋是六機(jī)架高速軋制,軋件升溫明顯,產(chǎn)品性能提高有限,溫度控制不靈活,不適合優(yōu)特鋼生產(chǎn)。圖1(c)為(b)的優(yōu)化布置,在精軋機(jī)組內(nèi)部增加了控軋水箱,進(jìn)一步控制軋件溫度,既適合鋼筋(螺紋鋼切分)生產(chǎn),也適合優(yōu)特鋼棒材生產(chǎn)。圖1(d)為典型的優(yōu)特鋼生產(chǎn)線,所有棒材產(chǎn)品均從17#、18#軋機(jī)軋出,通過(guò)控制終軋溫度和一定的變形量,獲得較好的機(jī)械性能產(chǎn)品?？梢栽?8#軋機(jī)后增加定徑機(jī)組,單線生產(chǎn)高精度高質(zhì)量棒材產(chǎn)品,而不適合螺紋鋼切分生產(chǎn)。冷卻系統(tǒng)組成穿水冷卻系統(tǒng)包括三部分:供水系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)和水箱。冷卻水循環(huán)處理供水系統(tǒng)一般是獨(dú)立于軋機(jī)水處理站以外的,冷卻水處理自成系統(tǒng),水的循環(huán)流程如圖2所示。冷卻水首先由高壓水泵打入軋制線上的水箱中的冷卻器內(nèi),軋件在冷卻器中被降溫后,水溫上升5~10℃,冷卻水進(jìn)入水溝收集,通過(guò)管路回流到水處理站的熱水池,由泵打入高速過(guò)濾器,然后利用余壓上冷卻塔,水從冷卻塔下來(lái)后進(jìn)入冷水池,再由高壓泵送到軋制線,完成一個(gè)循環(huán)。冷卻控制實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)由檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及PLC組成,為一閉環(huán)控制系統(tǒng),以一個(gè)冷卻水箱為例,其控制原理如圖3所示。軋線檢測(cè)內(nèi)容主要是軋件在水箱出入口溫度、控軋回復(fù)溫度(下游軋機(jī)入口)及控冷回復(fù)溫度(冷床入口)、冷卻水溫度、冷卻水壓力、進(jìn)入水箱的冷卻水流量,執(zhí)行元件主要是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、泄壓閥、氣動(dòng)開閉閥。由一臺(tái)S7–300PLC完成控制,設(shè)一臺(tái)上位機(jī),系統(tǒng)內(nèi)安裝一個(gè)控制模型,對(duì)冷卻參數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào),以回復(fù)溫度為目標(biāo)值,并可自學(xué)習(xí)修正模型,實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作。也可人工設(shè)定和修改參數(shù)進(jìn)行半自動(dòng)操作。冷卻器安裝方式冷卻水箱裝置由內(nèi)部冷卻器、箱體、橫移小車及替換輥道組成。替換輥道是根據(jù)生產(chǎn)需要配置的,當(dāng)不使用穿水時(shí),通過(guò)小車橫移將冷卻器移離軋制線,使用輥道將軋件輸送至下游軋機(jī)或冷床。冷卻器安裝在水箱內(nèi)部,由若干段組成,便于精確控制溫度,并且可以實(shí)現(xiàn)快速更換。為安全起見,水箱一般采用蓋板密封。對(duì)于螺紋鋼棒材生產(chǎn),冷卻器可以布置成五線以適用切分工藝要求。目前普遍使用的冷卻器有兩種型式,即湍流管式和套管式。湍流管冷卻器由于其紊流效果強(qiáng),冷卻效率高,適合大斷面棒材。套管冷卻器阻力小,適合小斷面棒材和線材的冷卻?？刂栖埡罄鋮s穿水的應(yīng)用主要有兩方面,一是傳統(tǒng)的軋后穿水,利用余熱處理改善產(chǎn)品機(jī)械性能,二是通過(guò)軋機(jī)內(nèi)部穿水,控制軋制溫度,得到細(xì)晶組織,再結(jié)合軋后穿水可以顯著提高鋼的強(qiáng)度和韌性。軋后穿水軋后快冷實(shí)現(xiàn)余熱處理工藝,即將終軋溫度為900~1100℃的鋼筋經(jīng)過(guò)水冷器冷卻直接進(jìn)行表層淬火,使其表面溫度快速降至200~300℃,然后在空氣中由軋件心部傳出余熱,使鋼的溫度達(dá)到550~650℃的自回火溫度,以達(dá)到提高鋼材強(qiáng)度、塑性,改善韌性的目的,使鋼材得到良好的綜合性能。由軋后在線冷卻過(guò)程中的組織變化可以看出,棒材表面馬氏體層是不可避免的,由于馬氏體屬性硬脆,鋼中含馬氏體強(qiáng)度提高但韌性下降,在中國(guó)GB標(biāo)準(zhǔn)中鋼筋的強(qiáng)/屈比大于1.25,在英國(guó)BS和美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中則為1.1~1.15,因此在我國(guó)的棒材生產(chǎn)中希望穿水后得到較少的馬氏體厚度,控制冷卻強(qiáng)度(提高回復(fù)溫度)和分段冷卻(冷卻—回復(fù)—再冷卻—再回復(fù))是減少馬氏體量的有效途徑?？刂栖堉评鋮s在精軋機(jī)組前或者在精軋機(jī)組內(nèi)部機(jī)架間設(shè)置冷卻水箱或冷卻器,準(zhǔn)確控制軋件在精軋機(jī)組內(nèi)的溫度,結(jié)合一定的變形量,獲得較好的產(chǎn)品機(jī)械性能,這一過(guò)程稱為“控制軋制”。對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線來(lái)說(shuō),主要采取以下幾項(xiàng)措施:控制開軋溫度——為了在粗、中軋后獲得完全的再結(jié)晶組織,提高成品顯微組織的均勻性,要求鋼坯出加熱爐溫度不低于950℃。控制粗、中軋工序——粗、中軋采用Ⅰ型控制軋制工藝,即通過(guò)對(duì)加熱時(shí)粗化的初始γ晶粒進(jìn)行大變形量軋制—再結(jié)晶使之得到細(xì)化,獲得均勻細(xì)小晶粒的γ組織。控制精軋工序——根據(jù)軋制鋼種的不同,精軋可采用未再結(jié)晶型控制軋制或兩相區(qū)控制軋制,統(tǒng)稱為低溫精軋工藝。采用未再結(jié)晶型控制軋制,即在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制,γ晶粒沿軋制方向伸長(zhǎng),在γ晶粒內(nèi)部產(chǎn)生形變帶,提高α的形核密度,促進(jìn)α晶粒的細(xì)化。高強(qiáng)度鋼筋技術(shù)軋后穿水冷卻我國(guó)20世紀(jì)80年代開始使用軋后穿水冷卻,生產(chǎn)的棒材主要用于出口,按英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)組織生產(chǎn)。由于國(guó)標(biāo)的技術(shù)指標(biāo)及施工條件的限制,國(guó)內(nèi)很少應(yīng)用直接穿水的高強(qiáng)度鋼筋,目前廣泛用于通過(guò)穿水減少合金元素含量保持鋼筋較高強(qiáng)度,可降低生產(chǎn)成本6%~15%。按BS標(biāo)準(zhǔn)組織生產(chǎn)鋼筋,采用低碳鋼穿水后屈服強(qiáng)度可達(dá)450~550MPa,圖4為北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心出口到馬來(lái)西亞的穿水現(xiàn)場(chǎng)照片。試驗(yàn)生產(chǎn)的超細(xì)晶?；?1世紀(jì)初我國(guó)“973”計(jì)劃提出的超細(xì)晶粒鋼概念,棒材生產(chǎn)是在精軋最后2~4架軋機(jī)前設(shè)穿水裝置控制終軋溫度,對(duì)于普鋼生產(chǎn),可以利用兩相區(qū)軋制的形變?cè)俳Y(jié)晶細(xì)化晶粒,結(jié)合軋后快冷得到超細(xì)晶粒產(chǎn)品。北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心在遼寧新?lián)徜撊B軋棒材生產(chǎn)線上應(yīng)用此技術(shù)軋制Q235螺紋鋼獲得11級(jí)晶粒度,屈服強(qiáng)度達(dá)到420~475MPa,強(qiáng)/屈比符合國(guó)標(biāo)要求。對(duì)于特鋼生產(chǎn),通過(guò)穿水控制終軋溫度可以抑制某些合金元素或網(wǎng)狀碳化物在晶界上的析出,再結(jié)合軋后快冷,得到合格的產(chǎn)品,可以部分取代線外熱處理工序。圖5為軸承鋼控軋控冷組織對(duì)比?？剀埧乩洹⑷〈€外熱處理螺紋鋼生產(chǎn)中,軋后穿水冷卻已廣泛應(yīng)用于提高產(chǎn)品機(jī)械性能,降低合金元素含量,節(jié)約