轧后穿水冷却工艺对棒材组织性能的影响

1、轧后穿水冷却工艺对棒材组织性能的影响刘慧,齐志新,温华娴(济南钢铁集团总公司，山东 济南 250101)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90110，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3540MPa，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；上冷床温度中图分类号：TG335.6 +2 文献标识码：BEffect of Through Water Cooling

2、Processon Structure and Mechanical Properties of BarLIU Hui, QI Zhi-xin, WEN Hua-xian(Jinan Iron and Steel Group, Jinan 250101, China)Abstract：Pointing to the problem of weak cooling ability of cooling table the passing through water cooling technique of rolled bar is developed. Taking up passing th

3、rough water cooling technique to 20MnSiV hot rolled ribbed bar the temperature of steel bar is decreased by 90110 before it is come up to cooling table. Using this technique can increase the quality of products, improve mechanical properties, increase averagely the resisting intension by 3540MPa, in

4、crease qualified ratio of steel bar from 97.5% to 99.6%.Keywords： 20MnSiV；bar rolling；throug water cooling；temperature on cooling table1 前言2000年济南钢铁集团总公司第一小型轧钢厂（简称济钢第一小型轧钢厂）成功实现了橫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12m60m。由于冷床冷却能力的不足，使12mm以上规格的钢材出现数量较大的性能改判和降

5、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 工艺简介济钢第一小型轧钢厂1959年引进前捷克250mm 小型半连轧合金棒线材生产线，1983年建成投产。几经改造后，现已具备年产70万t的生产能力，可生产1432mm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、橫轧机组组成，原料为断面120mm12

6、0mm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。图1 改造后工艺布置1 加热炉 2 1#轧机 3 27#轧机 4 圆盘剪 5 8#、9#轧机6 10#、11#轧机 7 穿水冷水箱 8 倍尺飞剪表1 主要设备参数表注： N：电机功率,kW；n：电机转速，r/min。3 系统原理、实施方案及效果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，可使级钢筋基

7、本达到级钢筋的强度要求，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10201050的轧件，以10.513

8、.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25kg/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

9、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4550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：0.40.6 MPa；最大降温能力：表面温降不低

10、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：2040mm；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 应用效果济钢第一小型轧钢厂“双线轧后高效冷却系统”项目总投资78.0万元，2000年7月经过两周调试后，投入正常运行，各项指标都达到设计要求。系统投用后大大降低了钢材上冷床温度及因控温对机时产量的影响，彻底解决了400MPa级热轧

11、带肋钢筋性能偏低的问题，级热轧带肋钢筋基本杜绝了性能不合的质量异议，钢材的性能合格率由97.5%提高到99.6%。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16mm热轧带肋钢筋为例，常规轧制时，终轧速度为10.511.0m/s，上冷床温度为10201050；穿水系统投用后，终轧速度提升到11.512.0m/s，而上冷床温度为880900，降低了95110，钢材下冷床温度降至260以下，使班产平均提高3%5%。表2 20MnSiV热轧带肋钢筋化学成分%系统投用后对不同规格20MnSiV钢的终轧温度、穿水冷却系统入/出口温度及上/下冷床温度进行了测量，并对18mm热轧带肋钢筋实施穿水冷却前后的表层组织和性能进行了比较，结果如图2、图3及表3、表4所示。图2 18mm 常规轧制组织图3 18mm轧后穿水冷却组织 表3 穿水冷却系统测试点温度（夏季）表4 穿水冷却前后热轧带肋钢筋力学性能对比注：表中数据为4个批号的平均值。从力学性能的对照表看，穿水冷却后钢材的屈服强度平均提高了1520MPa、抗拉强度平均提高了3540MPa、延伸率5平均提高了2.5%3.0%；钢材的金相组织表明热轧后的20MnSiV热轧带肋钢筋，经穿水冷却，晶粒有了明显