高效冷卻水箱在高速棒材生產線上的應用

楊應東,袁月,胡春林,王隴隴,尹國才

(馬鋼股份公司 安徽馬鞍山 243011)

高速棒材生產線軋制生產螺紋鋼,軋制速度較高,一般達到30m/s以上,新建高速棒材生產線軋制速度能達到45m/s以上,甚至更高。由于在精軋機組軋制速度快,軋件不斷吸收摩擦熱和變形熱,溫度不斷升高,導致終軋溫度高,甚至能到1000 ℃以上,又由于軋制速度快,軋件在冷卻水箱中的停留時間短,冷卻速度低,導致精軋后溫度控制難。生產普通螺紋鋼時,由于國家標準GB/T 1499.2-2018嚴格要求鋼筋基圓上不應出現回火馬氏體組織,因而不需要軋后強穿水,普通水箱能滿足要求。當生產一些特殊品種螺紋鋼,如耐低溫鋼筋,通過高的冷卻速度在螺紋鋼表層形成封閉的回火組織并且心部獲得粒狀貝氏體組織,以提高鋼筋強度和韌性,要求軋后強穿水,這種工藝要求下,普通水箱不能滿足強冷需求,通過增加水量無法獲得需要的冷卻速度,并且冷卻均勻性變差,導致螺紋鋼在冷床上彎曲,散亂,嚴重影響生產穩定性。

目前,馬鋼有一條高速棒材生產線,主要生產φ12-16 mm 小規格螺紋鋼,該生產線建設較早,最高軋制速度30.67 m/s,共計22架:粗軋8架(2架預留軋制大規格方坯)、中軋6架、預精軋2架、精軋6架。精軋前和精軋后各有兩個水箱,分別控制精軋溫度和上冷床溫度,水箱內冷卻水嘴為摩根型,冷卻效率低,均勻性差,生產普通螺紋鋼時尚能滿足生產工藝要求,水箱的冷卻能力和均勻性都不能滿足生產低溫鋼筋的需求。因此需要對冷卻段進行優化設計,以提高水箱冷卻能力。

1 現有水箱冷卻水嘴結構型式以及存在的問題

馬鋼高速棒材生產線于2004年投產,精軋后冷卻長度38 m,布置有兩段水箱,第一段水箱長度8 m,第二段水箱長度6 m,兩段水箱之間距離6 m,第二段水箱至倍尺剪距離18.0 m。水箱內冷卻水嘴布置見表1。

表1 精軋后水箱主要參數(改造前)

1.1 冷卻水嘴結構型式

精軋后水箱內布置有順向冷卻水嘴、逆向清掃水嘴和逆向空氣噴嘴。冷卻水嘴采用摩根型。用重錘壓緊,方便拆卸,冷卻水嘴安裝在水箱內的水梁上,有水孔相通。冷卻水從水箱外面的管道進入水箱內的水梁,然后從水梁進入冷卻水嘴的腔體,通過環形縫隙以一定速度噴射到螺紋鋼表面進行冷卻,冷卻水嘴內導槽段有多個排氣孔用于排除冷卻產生的水蒸汽,冷卻水嘴內部結構型式見圖1。

圖1 摩根型冷卻水嘴內部結構

1.2 存在的問題

該摩根型冷卻水嘴為兩瓣結構,存在冷卻水泄漏情況,導致水嘴中水壓損失大,螺紋鋼表面冷卻水流速較低,由于“膜態沸騰”導致在高溫螺紋鋼表面形成蒸汽膜,阻礙螺紋鋼熱量向冷卻水傳熱,導致冷卻效率低[1]。由于螺紋鋼表面冷卻水流速低,螺紋鋼表面橫肋和商標處對水的阻力不同導致這兩個地方的冷卻速度差異大,造成表面溫度差異大,進而影響力學性能。表2是強穿水時螺紋鋼在上冷床位置長度方向上表面溫度和螺紋鋼性能,橫肋與商標處的表面溫度差值最大達到89 ℃,屈服強度最大差異225 MPa。

表2 上冷床位置螺紋鋼橫肋和商標處表面溫度及力學性能

另外,因為水嘴內水壓小,鋼筋在水嘴中高速前進時不可避免地會出現貼壁現象,導致與水嘴壁接觸的一側冷卻效率低,在鋼筋四周出現冷卻不均勻現象,冷卻越強不均勻性越顯著,在螺紋鋼橫截面上形成溫度差,螺紋鋼各向收縮率不同,造成軋件彎曲,嚴重影響鋼筋質量。

強穿水工藝下螺紋鋼宏觀金相基圓外圍有不封閉環,見圖2,說明冷卻極其不均勻。因冷卻速度不夠,螺紋鋼心部組織為鐵素體+珠光體,未形成粒狀貝氏體組織。

圖2 宏觀金相基圓外圍有不封閉環

2 高效冷卻水箱的應用

2.1 水箱冷卻水嘴選型及水箱改造

國內高速棒材生產線冷卻水箱中的冷卻水嘴普遍采用摩根型或達涅利型[2],以環形噴射冷卻結構為主。唐鋼高速線材廠線材軋機曾采用達涅利型冷卻水嘴[3],管式結構,見圖3。

圖3 達涅利型冷卻水嘴

考慮到高速棒材線強穿水工藝要求,需要較高的冷卻效率,高效冷卻水嘴選擇達涅利型,內部采用湍流管結構,見圖4。由于湍流管采用變截面形狀設計,用最優的幾何角度進行發散和聚斂排列,使冷卻水為紊流狀態。冷卻水沿軸向流動的同時,因截面變化使得壓力同時發生變化,使其在軋件的垂直表面也能夠形成劇烈的攪動,將螺紋鋼表面的蒸汽膜沖開,并將其中的高溫質點擠走,讓熱交換更為充分,從而極大地提高冷卻效率[2]。此設計也可有效避免螺紋鋼在水嘴內運動時的貼壁現象,保證冷卻均勻性。嘴數量重新設計布置,見表3,改造后冷卻水嘴總數量較改造前略有增加。

圖4 高效冷卻水嘴內部結構

表3 精軋后水箱主要參數(改造后)

2.2 高效水箱冷卻能力數值模擬

水箱箱體和水箱外面的冷卻水閥臺無需改造,由于高效冷卻水嘴中心線較原水嘴發生改變,因而將水箱內的水梁和冷卻水嘴全部更換即可,冷卻水設定出精軋螺紋鋼溫度1030℃,1#水箱冷卻水流量250 m3/h,2#水箱170 m3/h,軋制速度24.5 m/s時,根據水箱內螺紋鋼溫度場的模擬結果,在2#水箱冷卻終點處,螺紋鋼表面最低溫度330 ℃,心部溫度778 ℃。表面溫度低于耐低溫鋼筋馬氏體開始轉變溫度Ms且有很高的冷卻速率,因而在螺紋鋼表面形成回火組織。心部溫度高于耐低溫鋼筋馬氏體開始轉變溫度Ms且有較高的冷卻速率,因而在心部形成粒狀貝氏體組織,見圖5和圖6。

圖5 精軋機至倍尺剪之間螺紋鋼各點表面、1/2半徑和心部溫度

圖6 2#水箱冷卻終點處螺紋鋼橫截面溫度分布圖

根據模擬結果,螺紋鋼出2#水箱后經過18 m回溫導槽至倍尺剪,螺紋鋼表面溫度567 ℃,心部溫度591 ℃,心表溫差縮小到23.6 ℃,螺紋鋼截面上溫度趨于均勻。

2.3 高效水箱應用效果

根據模擬的結果,現場工藝條件按照數值模擬設定的強穿水參數控制,測得倍尺剪溫度與模擬結果接近,見表4,上冷床位置螺紋鋼橫肋與商標處溫度差縮小,最大差值只有21℃,力學性能波動減小,最大差值38 MPa,見表5。螺紋鋼宏觀金相基圓外圍有封閉環,見圖7,心部組織為粒狀貝氏體,見圖8。螺紋鋼性能滿足要求,冷床上螺紋鋼未發生彎曲現象。

表4 倍尺剪位置螺紋鋼表面實測溫度與數值模擬結果對比

表5 上冷床位置螺紋鋼橫肋和商標處表面溫度及力學性能

圖7 宏觀金相基圓外圍有封閉環

圖8 心部組織粒狀貝氏體

3 結論

1)通過選用達涅利型高效冷卻水嘴,結合內部湍流管結構形式的設計,在強穿水工藝下冷卻效率高,冷卻均勻性好,滿足強冷工藝要求。

2)通過高速棒材生產線精軋后強冷工藝數值模擬模型,確定強冷相關工藝設計,并用于指導生產,實際冷卻情況與模擬結果基本吻合,對精軋后控制冷卻參數設定有指導意義。

3)通過水箱冷卻改造以及工藝優化,實現了高速棒材生產線精軋后強冷工藝,在耐低溫鋼筋上獲得了封閉的表層回火組織和心部粒狀貝氏體組織,螺紋鋼長度方向溫度差縮小到21 ℃以內,屈服強度波動范圍縮小到38 MPa以內。