浅析棒材穿水冷却工艺对组织性能的影响

摘 要：针对轧机产量提高后冷床冷却能力不足的问题，研制开发了棒材轧后穿水冷却技术。通过对小规格20MnSiV热轧带肋钢筋进行轧后穿水冷却，钢材上冷床温度降低了90～110℃，提高了产品质量，改善了各项力学性能，抗拉强度平均提高了35～40MPa，钢材性能合格率由97.5%提高到了99.6%，解决了冷床冷却能力不足、制约生产的瓶颈问题。

关键词：20MnSiV；棒材轧制；穿水冷却；上冷床温度

1 前言

现阶段很多钢铁企业都成功实现了列式轧机双线切分轧制，使产量大幅度提高，具备了年产70万t的生产能力。而现有冷床的能力和型式仍为原设计年产15万t的水平，台面由斜辊与部分齿条构成，尺寸为12m×60m。由于冷床冷却能力的不足，使φ12mm以上规格的钢材出现数量较大的性能改判和降级处理，造成很大的经济损失。同时，也制约了轧机能力的发挥及Ⅲ级以上热轧带肋钢筋的开发。

针对这一问题，研制开发了“双线轧后高效冷却系统”。以“轻穿水、低过冷、细晶化”为技术思想，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，解决了限制生产发展的瓶颈问题，实现了在线水冷技术上的突破。

2 工艺简介

小型半连轧合金棒线材生产线，几经改造后，现已具备年产70万t的生产能力，可生产φ14～32mm的中低合金钢、碳素结构钢、建筑用钢等圆钢和热轧带肋钢筋。主体工艺线由三辊开坯轧机、粗连轧机组、轧机组组成，原料为断面120mm×120mm的连铸方坯。改造后的工艺布置和主要工艺设备参数如图1、表1所示。

20世纪80年代初期棒材轧后穿水冷却技术已开始在我国应用，其机理是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。应用此技术，可使Ⅱ级钢筋基本达到Ⅲ级钢筋的强度要求，但焊接性能不够稳定。因此在开发“双线轧后高效冷却系统”时确定了以解决冷床能力为前提，并重细化和均匀微观组织，改善钢材性能的设计思想，保证系统的实用性。

3.1 双线穿水高效化冷却系统原理

细化铁素体晶粒可在提高强度的同时，不破坏材料的韧性。获得细小铁素体晶粒的途径除进行奥氏体未再结晶控制轧制外，在轧后采用加速冷却，抑制晶粒长大也是一种非常有效的方法。

从精轧机出口至上冷床前的加速冷却过程，可分为三个阶段：

（1）轧件由精轧机出口至冷却器入口的冷却过程；

（2）轧件在水冷器中的急剧冷却过程；

（3）轧件出水冷器后到上冷床前的自回火过程。

终轧温度为1020～1050℃的轧件，以10.5～13.0m/s的速度，快速通过湍流水冷却装置。钢材在通过水冷装置时，被2～5kg/cm2压力的水流完全裹覆，水和高温钢材之间形成无汽膜的强制对流的热交换，钢材的表面温度骤降，与芯部产生较大温差，钢材处于自身的“降温―回温”式的热传导过程，从而达到钢材快速降温的目的。

穿水冷却系统参数的设定，一方面取决于水冷系统的设计能力和钢材冷却前的温度及尺寸规格，另一方面则取决于对钢材性能的控制要求。在设定冷却系统参数时，要充分考虑水冷速度对轧后高温钢材组织变化的影响，通过控制轧后金属内部变形能的释放，达到细化晶粒，减少珠光体的片层间距的目的，得到稳定和理想的金相组织结构，保证性能要求。

3.2 实施方案

经反复论证，决定采用“轻穿水、低过冷、细晶化”的冷却方式，在精轧机与2号飞剪之间增设双线轧后高效穿水冷却系统，冷却水温控制在45～50℃之间，只需对系统适当补水，水耗小，可降低运行成本。

该系统主要由在线冷却和供水设备两大部分构成。在线冷却设备总长8m，入口侧距成品轧机4m。包括两组长3200mm 的穿水冷却器，设计成两个带盖箱体，可在线整体快速更换。每组冷却器内设置多个双线环形水冷喷嘴、导管、水封、调整器和固定架；供水设备主要由水箱、变压水泵、过滤器、调节器以及新水补给、供水管、回水管、溢流排渣沉井等组成。

系统主要技术参数：

冷却水压力：1.0MPa，压缩空气压力：0.4～0.6 MPa；

最大降温能力：表面温降不低于200℃，平均温降大于120℃；

冷却器组成：3个水喷嘴，1个气喷嘴；

冷却器长度：3200mm；

冷却器直径：20～40mm；

冷却能力控制方式：由流量调节阀控制冷却效果，单线或双线冷却可随时切换。

通过对多个轧制规格的终轧温度、上冷床温度等数据进行现场实测和统计，根据不同规格产品对水冷系统降温的要求及各钢种的CCT曲线，设定了适应不同钢种和规格产品的穿水冷却调节曲线。

3.3 应用效果

对20MnSiV热轧带肋钢筋(化学成分见表2)冷却效果进行现场实测。以φ16mm热轧带肋钢筋为例，常规轧制时，终轧速度为10.5～11.0m/s，上冷床温度为1020～1050℃；穿水系统投用后，终轧速度提升到11.5～12.0m/s，而上冷床温度为880～900℃，降低了95～110℃，钢材下冷床温度降至260℃以下，使班产平均提高3%～5%。

4 结语

4.1 双线轧后高效冷却系统具有投资小、效率高的特点，解决了冷床冷却能力不足对产量和产品质量的影响。

4.2 以“轻穿水、低过冷、细晶化”为技术创新点，避免了棒材轧后穿水冷却对焊接的不利影响。

4.3 冷却水温控制在45～50℃之间，系统只需适当补水，水耗小，系统运行经济合理。

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