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1、成果展示先进技术 2010年第5期81 棒材生产线及穿水冷却系统 Pass-through Accelerated Cooling System for Bar Production Line 程知松，余伟，刘涛，徐言东，詹智敏/ CHENG Zhi-song， YU Wei， LIU Tao， XU Yan-dong， ZHAN Zhi-ming 棒材通常指螺纹钢和圆钢， 以直条状态交货，国家标准规定 的小型棒材尺寸范围为直径650 mm，定尺长度612 m，如成卷 交货，称为线材。棒线材均属简 单断面的型钢，轧制工艺极为相 似。穿水冷却装置是现代化棒线 材生产线上不可缺少的一个重要 部件，
2、安装在轧机之间或者精轧 机后，分别用于对轧件进行轧制 过程温度控制和成品冷却温度控 制，达到改善产品性能的目的。 在老式棒线材生产线上，由于没 有预留穿水冷却装置的位置，所 以只能生产低档次产品或者通过 添加合金元素来提高产品机械性 能，不具备市场竞争优势。由于 穿水冷却能提高棒材的性能可以 替代钢中某些合金元素的功能， 因此可以降低生产成本，同时， 由于性能的提高，同样的建筑结 构可以少使用钢材，符合低碳时 代的需求，具有广阔的应用前景。 现代化棒材生产线布置 现代化棒材轧机一般由1620 架轧机组成，以18架居多，分粗 轧、中轧、精轧三个机组。在各 机组之间设切头飞剪，在精轧后 设成品倍尺
3、分段飞剪，将成品分 段后上冷床。轧制钢坯采用(120 mm 120 mm)(170 mm170 mm)连铸方坯，长度912m，加 热炉一般采用蓄热燃烧的推钢式或 者步进式连续加热炉。最大轧制速 度17m/s，螺纹钢采用多线切分生 产工艺。年产能力40100万t。图 1 为几种典型的连续式棒材轧机 布置图。 图1(a)为我国较早的连续式 棒材轧机，仅有成品穿水，生产 淬火余热回火钢筋。 图1(b) 在中轧后增加了水 箱，降低轧件进精轧机组的温 度，可以提高钢筋的性能，但由 于精轧是六机架高速轧制，轧件 作者单位：北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京 100083 1加热炉； 2粗轧机组；
4、31#飞剪； 4中轧精轧； 52#飞剪； 6精轧机 组；7立活套； 8成品控冷装置； 93#飞剪； 10冷床； 11机组间控轧 水箱；12精轧机架间控轧水箱 图1 不同的现代化棒材生产线布置 1 1 1 1 23456 789 10 （a） （b） （c） （d） 2 3411 56789 10 234115126 78910 10 9 87234115 6 12 成果展示先进技术 2010年第5期82 冷却水箱 冷却水箱装置由内部冷却 器、箱体、横移小车及替换辊道 组成。替换辊道是根据生产需要 配置的，当不使用穿水时，通过 小车横移将冷却器移离轧制线， 使用辊道将轧件输送至下游轧机 或冷床。
5、冷却器安装在水箱内 部，由若干段组成，便于精确控 制温度，并且可以实现快速更 换。为安全起见，水箱一般采用 盖板密封。对于螺纹钢棒材生 产，冷却器可以布置成五线以适 用切分工艺要求。 目前普遍使用的冷却器有两 种型式，即湍流管式和套管式。 湍流管冷却器由于其紊流效果 强，冷却效率高，适合大断面棒 材。套管冷却器阻力小，适合小 断面棒材和线材的冷却。 穿水对棒材产品性能影响 穿水的应用主要有两方面， 升温明显，产品性能提高有限， 温度控制不灵活，不适合优特钢 生产。 图1(c)为(b)的优化布置，在 精轧机组内部增加了控轧水箱， 进一步控制轧件温度，既适合钢 筋(螺纹钢切分)生产，也适合优 特钢
6、棒材生产。 图1(d)为典型的优特钢生产 线，所有棒材产品均从17#、18# 轧机轧出，通过控制终轧温度和 一定的变形量，获得较好的机械 性能产品。可以在18#轧机后增加 定径机组，单线生产高精度高质 量棒材产品，而不适合螺纹钢切 分生产。 穿水冷却系统构成 穿水冷却系统包括三部分： 供水系统、自动化系统和水箱。 供水系统 供水系统一般是独立于轧机 水处理站以外的，冷却水处理自 成系统，水的循环流程如图2所示。 冷却水首先由高压水泵打入 轧制线上的水箱中的冷却器内， 轧件在冷却器中被降温后，水温 上升510，冷却水进入水沟收 集，通过管路回流到水处理站的 热水池，由泵打入高速过滤器， 然后利用
7、余压上冷却塔，水从冷却 塔下来后进入冷水池，再由高压泵 送到轧制线，完成一个循环。 自动化系统 该系统由检测仪表、执行机 构及PLC组成，为一闭环控制系 统，以一个冷却水箱为例，其控 制原理如图3所示。轧线检测内容 主要是轧件在水箱出入口温度、 控轧回复温度(下游轧机入口)及 控冷回复温度(冷床入口)、冷却 水温度、冷却水压力、进入水箱 的冷却水流量，执行元件主要是 电动调节阀、泄压阀、气动开 闭阀。由一台S7300PLC完成控 制，设一台上位机，系统内 安装一个控制模型，对冷却 参数进行预报，以回复温度 为目标值，并可自学习修正 模型，实现全自动操作。也 可人工设定和修改参数进行 半自动操作
8、。 T0冷却水温度； T1水箱入口测温； T2水箱出口测温； T3回复温度； S气动开闭阀； F0流量计； M电动调节阀； P0冷却水压力； P泄压阀 图3 穿水冷却控制原理 PLC P T0 F0 P0 ? ? SSSS T1T2T3 ? ? ? ? HMI M 图2 冷却水循环流程图 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 成果展示先进技术 2010年第5期83 一是传统的轧后穿水，利用余热 处理改善产品机械性能，二是通 过轧机内部穿水，控制轧制温 度，得到细晶组织，再结合轧后 穿水可以显著提高钢的强度和韧 性。 轧后穿水 轧后快冷实现余热处理工 艺，即将终轧温度为
9、9001100 的钢筋经过水冷器冷却直接进行 表层淬火，使其表面温度快速降 至200300 ，然后在空气中由 轧件心部传出余热，使钢的温度 达到550650的自回火温度，以 达到提高钢材强度、塑性，改善 韧性的目的，使钢材得到良好的 综合性能。由轧后在线冷却过程 中的组织变化可以看出，棒材表 面马氏体层是不可避免的，由于 马氏体属性硬脆，钢中含马氏体 强度提高但韧性下降，在中国GB 标准中钢筋的强/屈比大于1.25， 在英国BS和美国ASTM标准中则 为1.11.15，因此在我国的棒材生 产中希望穿水后得到较少的马氏 体厚度，控制冷却强度(提高回复 温度)和分段冷却(冷却回复 再冷却再回复)是
10、减少马氏体量 的有效途径。 控制轧制冷却 在精轧机组前或者在精轧机 组内部机架间设置冷却水箱或冷 却器，准确控制轧件在精轧机组 内的温度，结合一定的变形量， 获得较好的产品机械性能，这一 过程称为“控制轧制”。对整个 生产线来说，主要采取以下几项 措施2: 控制开轧温度为了在 粗、中轧后获得完全的再结晶组 织，提高成品显微组织的均匀 性， 要求钢坯出加热炉温度不低 于950。 控制粗、中轧工序粗、 中轧采用型控制轧制工艺， 即 通过对加热时粗化的初始晶粒 进行大变形量轧制再结晶使之 得到细化，获得均匀细小晶粒的 组织。 控制精轧工序根据轧制 钢种的不同， 精轧可采用未再 结晶型控制轧制或两相区
11、控制轧 制，统称为低温精轧工艺。采用 未再结晶型控制轧制， 即在奥 氏体未再结晶区进行轧制，晶 粒沿轧制方向伸长，在晶粒内 部产生形变带，提高的形核密 度，促进晶粒的细化。 应用前景 轧后穿水冷却 我国20世纪80年代开始使 用轧后穿水冷却，生产的棒材主 要用于出口，按英国标准组织生 产。由于国标的技术指标及施工 条件的限制，国内很少应用直接 穿水的高强度钢筋，目前广泛用 于通过穿水减少合金元素含量保 持钢筋较高强度，可降低生产成 本6%15%。按BS标准组织生产 钢筋，采用低碳钢穿水后屈服强 度可达450550 MPa，图4为北京 科技大学高效轧制国家工程研究 中心出口到马来西亚的穿水现场
12、照片。 控轧控冷 基于21世纪初我国“973”计 划提出的超细晶粒钢概念，棒材 生产是在精轧最后24架轧机前设 穿水装置控制终轧温度，对于普 钢生产，可以利用两相区轧制的 形变再结晶细化晶粒，结合轧后 图4 马来西亚Antara钢厂棒材穿水现场照片 图5 GCr15钢控轧与未控轧组织对比 (a)常规轧制空冷(网状碳化物级别34 级， 球化退火时间2028 h) (b)控轧控冷(网状碳化物级别1.52 级，球化退火时间10 h左右) 成果展示过程控制 2010年第5期84 快冷得到超细晶粒产品。北京科 技大学高效轧制国家工程研究中 心在辽宁新抚钢全连轧棒材生产 线上应用此技术轧制Q235螺纹钢
13、获得11级晶粒度，屈服强度达到 420475 MPa，强/屈比符合国标 要求。对于特钢生产，通过穿水 控制终轧温度可以抑制某些合金 元素或网状碳化物在晶界上的析 出，再结合轧后快冷，得到合格 的产品，可以部分取代线外热处 理工序。图5为轴承钢控轧控冷组 织对比。 结束语 螺纹钢生产中，轧后穿水冷 却已广泛应用于提高产品机械性 能，降低合金元素含量，节约生 产成本；普碳钢和低合金钢棒材 生产中，可以通过控轧和控冷获 得超细晶粒产品，产品机械性能 可大幅度提高；特殊钢生产中， 通过控轧和控冷可以获得预期 的组织，抑制不利的影响因素出 现，可以部分取代线外热处理工 序，降低生产成本。控轧控冷技 术具
14、有提高棒材产品机械性能、 降低生产成本、节能环保等优 点，有着广阔的应用前景。 参考文献 1 李曼云， 孙本荣. 钢的控制轧制和控制冷却 技术手册. 北京：冶金工业出版社?，1990 2 孙建国. 控轧控冷技术在小型材生产中的应 用. 轧钢， 2004，21(2)：36-38 作者简介 程知松，男，43岁，籍贯安徽， 北京科技大学高效轧制国家工程研 究中心副研究员，从事型钢、棒线 材轧制工艺新技术研究，曾获国家 教委科技进步一等奖，联系电话： 01062332598，E-mail：chzhscn 。 热处理炉过程控制系统 Process Control System on Heat Treat
15、ment Furnace 蔺凤琴，宋勇，张勇军，张智密，李小占/ LIN Feng-qin，SONG Yong， ZHANG Yong-jun，ZHANG Zhi-mi，LI Xiao-zhan 热处理是影响中厚板生产 质量的关键工序之一，而投入在 线控制数学模型则是热处理炉过 程控制系统的核心。我国对中厚 板热处理炉过程控制系统的研究 在不断发展，但由于这方面的科 研开发工作起步较晚，目前对热 处理炉数学模型的研究为数不 多。由北京科技大学高效轧制国 家工程研究中心设计研发的热处 理炉过程控制系统，基于拥有自 主知识产权的过程控制开发平台 (Process Control Develop P
16、latform)， 采用有限差分模型预报炉内钢板 加热过程，实现了热处理计划管 理、工艺参数设定、钢板温度跟 踪、加热过程动态控制、生产数 据统计等功能。本系统具有很强 的稳定性和可靠性，投入运行后 提高了作业率，降低了能耗，产 品合格率达99%以上1。 过程控制系统结构 热处理炉过程控制系统主要 由高性能的PC服务器和各人机界 面(HMI)终端组成。PC服务器采 用Windows 2003操作系统，选用 Oracle 10g数据库软件。本系统 的各应用模块以及HMI画面均采 用Visual Studio 2005开发。过程 控制级(L2级)与基础自动化级(L1 级)采用TCP/IP协议进行通信， 与生产管理级(L3级)之间的数据 交换(接收热处理计划和上传生产 实绩)采用数据库接口表实现。系 统结构如图1所示，为了提高系 统的
