高速线材轧后的控制冷却技术

高速线材轧后的控制冷却技术
吴松
河北联合大学
摘要:高速线材轧机的控制冷却技术，也称在线热处理，是直接关系到产品力学性能及其均匀性的关键工艺。

采用轧后控制冷却技术增加了产品的附加值。

同时实现了生产节能。

在我国新建的高速线材车间得到了广泛的采用。

关键词: 控制冷却，水冷，风冷
1．前言
20世纪60年代以来，国外出现无扭轧制新技术使得线材轧机终轧速度大大提高，单盘卷重也随之增加，导致了卷线机与高速度轧制和大卷重无法相适应的矛盾。

另外，由于轧制速度的提高，终轧温度高于1000℃，若仍在精轧后直接卷取，则出现氧化铁皮增多，晶粒粗大，机械性能不均匀等问题。

为此开发出了轧后控制冷却技术，可使线材轧后的冷却速度和进程因钢种、规格及最终产品性能不同而不同，减少氧化铁皮的生成，改善线材的机械性能和拉拔性能。

线材高速轧后的控制冷却技术，也被称为在线热处理，是直接关系到最终产品力学性能及其均匀性的关键工艺。

采用轧后控制冷却技术可以增加产品的附加值，同时实现了生产节能。

对提高线材的社会经济效益和促进金属制品生产发展，开拓线材使用的新领域起到良好的作用。

现代高速线材车间轧后控制冷却技术包括两部分:(1)精轧机至吐丝机间的喷水冷却(也称一次水冷)；(2)吐丝机至集卷站间的散卷吹风冷却(也称二次风冷)。

高速线材的轧后控制冷却技术的主要目的:
(1)通过控制冷却生产的线材，可使表而一次氧化铁皮大大减少，节约金属。

(2)简化一次加工工艺，节约能源。

经控制冷却生产的线材，在一次加工中，几乎可以取消拉拔前的退火和铅浴淬火工艺。

(3)由于表面氧化铁皮薄，而且为易于清除的Feo，因此在一次加工时，酸洗时间可以减少一半左右，大大降低了酸洗过程酸的消耗。

(4)经过控制冷却的线材金属组织中细粒状珠光体和索氏体占大部分，从而使线材易于拉拔，断面收缩率可提高到80%一90%以上，Ф5.5 mm线材可一次拉拔到Ф2.0 mm以下。

同时，由于整个盘卷在性能上均匀一致，保证了拉拔机能够用较高的速度操作，由于这些原因可使拉拔费用降低20%左右。

(5)通过控制冷却，可以获得所要求的金相组织结构和机械性能，线材通条机械性能均匀性好，其抗拉强度波动可以控制在30MPa以下。

2.精轧机至夹送辊及吐线机间的一次水冷
轧后一次水冷控制技术主要是控温轧制技术的延续，目
的是使轧件从精轧温度冷却到吐丝机所需的温度，并进一步控制线材奥氏体的晶粒度和减少氧化铁皮的产生。

近年新建的高速线材车间轧制的保证速度超过100m/s。

设计的最大速度可达120 m/s,甚至达到140m/s。

如此高的轧制速度，在轧制过程中金属产生的变形热随轧制速度提高而增大，速度越高，变形热越大,轧件温度急剧升高，精轧机出口线材的温度一般为1000-1050℃。

难以满足吐丝机对轧件温度的要求(吐丝温度一般控制在接近相变的750-850℃)。

为了控制吐丝温度，在精轧机出口至吐丝机间设有多个冷却水箱，采用闭环自动控制系统，根据吐丝温度的波动，自动控制轧后水冷段的水量，目前吐丝温度差值基木可以控制在15℃左右。

通过一次水冷使线材温度急剧降到750-850℃，这不仅可使轧制后形成的细粒奥氏体组织经急冷后保留下来，为相变提供合适的细粒金相组织和温度条件，同时避免了线材在易于氧化的高温状态停留，减少了一次氧化铁皮的生成。

在设计一次水冷段时要考虑到水冷速度不能太快，否则线材芯部与线材表面的温度差太大，不利于线材的质量。

为了使线材均温，设计了间断冷却，一般在水冷箱间加设恢复段。

冷却过程，是水冷-恢复一再水冷一再恢复的过程。

3.吐丝机至集卷站间的二次风冷
作为主要的控制冷却的二次风冷，经过多年发展，效果
最好的为斯太尔摩链式风冷运输线和辊式风冷运输线，国内早期建设的高速线材车间多采用链式风冷运输线，目前被广泛应用的为辊式风冷运输线。

斯太尔摩风冷运输线是一种能满足线材不同冷却要求的灵活系统，它可以保证线材通过不同冷却工艺来获得要求的金相组织和机械性能。

二次控制冷却的斯太尔摩线，按控制冷却的原理分，最常用的有三种控制冷却方式:标准型、延迟型、缓慢型，得到普遍应用的是标准型和延迟型。

对于高碳钢等钢种采用标准型冷却工艺，散落在冷却线上的线圈运行速度快(0.5-1.6 m/s),冷却速度为6-17℃/s，线圈搭接稀疏，保温罩打开,强制送风，在快速冷却过程中完成相变，获得索氏体化的金相组织。

对于低碳钢，低合金钢等钢种，则采用延迟型冷却工艺，散落的线圈搭接密集，线圈在输送机上运行速度缓慢(0.12-0.36m/s)，冷却速度为0.6-1.4℃/s,盖上保温罩，停止送风，在缓慢冷却过程中完成相变。

延迟型辊式运输机虽然造价稍高于标准型，但其适应性强，其冷却速率范围为0.5- 17℃/s，不但可处理高中碳钢，还可处理低碳钢、焊条钢、冷墩钢和部分合金钢。

由于采用辊式运输并设计了多个跌落台阶，且各段辊道采用不同的运行速度，线材搭接形成的热点问题得到很好解决，故近年新建高速线材车间几乎均采用此型式。

衡量二次风冷技术的主要指标是冷却强度。

(m3/(s*kg*m)，既每秒钟·每千克线材在每米盘卷冷却线上获得的风量)。

80年代初期其冷却强度普遍在0.2-0.3范围内，即每台风机的风量小于90000 m3/h，风压<2.49kPa。

90年代新建的高速线材轧机，冷却强度普遍提高到0.5-0.6,即每台风机的风量>150000m3/h，风压>2.49kPa，被称为大风量高风压强冷技术(国外称MORAIR)。

大风量是提高冷却速度的有效手段，高风压可以增加风与线材接触时间，均是提高冷却效率的主要措施。

采用强冷技术可使线材获得高强度、高塑性及良好的再加工性能，特别对钢绳、钢帘线、预应力钢线、高强度螺栓及部分冷墩用线材，其效果更为突出。

获得的性能已接近经铅浴淬火或直接淬火—回火处理的指标，对提高线材再加工的作业率及降低成本都具有明显的经济和社会效益。

某高速线材厂就是选用了10台大风量高风压的风机，每台风机的风量157000 m3/h，后11台风机，每台风机风量：125000 m3/h。

衡量线材质量的另一项指标是力学性能的均匀性，即同盘或同圈的力学性能差。

为缩小强度差，散卷冷却线各段辊道之间增加了速度差和高度差，用来消除线圈热点。

实现风量的合理分布与调节。

随着处理线材直径加大，相应要求风冷能力增大，因而出现了大风量运输机，其每米长度风量增加到常规运输机的3倍，最大风冷速率可达20—30℃/s，对大规格线材则增加水雾冷却，近年国外有的厂家采用了亚音
速超风冷技术，其冷却速率达30℃/s。

此外，为进一步减少搭接造成的影响，设计出台阶式的运输机，在运输机全长上设有3-5个跌落段辊道，落差为200- 250 mm，各段采用交流变频电机传动使各段有不同的运行速度，从而使线材错动。

斯太尔摩辊式冷却输送机近年来的发展和改进主要内容有：
(1)斯太尔摩线的总长度有加长的趋势，目前多为90 m 左右，最近期新建的高速线材车间多采用100 m或更长，某高速线材厂采用的就是116.18 m的延迟型风冷辊道。

(2)辊道段数增多，通常采用9段，也有采用11段的或更多段。

某高速线材厂采用的是20段。

(3)采用大风量高风压冷却风机，使线材的抗拉强度显著提高。

(4)风机台数增加，多数为10台，也有采用11台，近期新建的高速线材车间有采用14台风机的。

某高速线材厂采用21台风机。

(5)设有保温罩的保温段的总长度亦趋于加长，有的已达90m，某高速线材厂采用带保温罩风冷辊道长度85m。

(6)冷却段的各段输送辊道均为爬坡式。

每段辊道间增加跌落段(落差为200- 250mm)，目的在于分开线圈之间的距离，此项措施，不但提高线圈抗拉强度的均匀性，也有利于
集卷操作。

这对于线圈搭接密集进行延迟冷却的线材尤为重要。

(7)实心的耐热铸铁传动辊两端加工有散热的翅片，有良好的散热冷却效果，避免轴承过度受热。

(8)在输送机的2, 4, 6, 8段内设有振动辊，用来改变输送机上线圈的重叠位置，以消除“热死点”效应。

改善通条性能，防止拉拔断裂。

(9)辊道采用交流变频电机，单独进行速度控制。

4结语
国内通过研制和消化移植国外先进的高速线材轧制及
轧后冷却技术，在高速线材轧后冷却技术方面基本上己达到了国际先进水平。

我们在采取了合理的工艺制度后，已经生产出合格的钢帘线、钢绞线、胎圈钢丝等产品。

经用户试验 ,用其制作的回火胎圈钢丝和钢丝绳的检验结果达到了金属
制品标准的要求。

Ф5.5mm 70 钢线材可不经热处理一次拉拔至Ф1.6 mm。

参考文献:
【1】房世兴.高速线材轧机装备技术冶金工业出版社. 1997.
【2】李泽武.宣钢高速线材车间轧后冷却设计首钢科技2002.
【3】李曼云高速轧机线材生产冶金工业出版社
1995
【4】周建男钢铁生产工艺装备新技术冶金工业出版社2004
【5】日本钢铁协会轧制理论及其应用， 1975。