唐钢高速线材厂控制冷却工艺及机构的介绍.docx

唐钢高速线材厂控制冷却工艺及机构的介绍
秦国庆　韩静涛　潘克云　顼会丽　陈永红
摘　要　介绍了唐钢高速线材厂控制冷却工艺的结构布置、工艺及装置的技术特性。
关键词　高速线材　控制冷却　工艺　装置
INTRODUCTION TO CONTROL COOLING TECHNOLOGY AND
ARRANGEMENT OF EQUIPMENTS AND FACILITIES
AT HIGH SPEED WIRE ROD MILL OF
TANGSHAN IRON & STEEL CORP.
Qin Guoqing　Han Jingtao　Pan Keyun
University of Science & Technology,Beijing
Xu Huili
Tang Shan Iron & Steel Corp.
　　Chen Yonghong　　　　
Shi JiaZhuang Iron and Steel Co.Ltd.
Synopsis　The control cooling process, arrangement of the equipments and installations and feature of the technology and equipments are introduced.
Keywords　high speed wire rod　control cooling　technology　installation
1　前　言
　　唐钢高速线材厂轧后生产线主要由以下部分组成:水冷区、成圈区、风冷区、散卷收集区、盘卷运输和精整区等,为了使大家有个初步了解,现逐一介绍如下。
2　唐钢高线厂工艺流程及结构布置
　　唐钢高速线材厂工艺流程及结构布置示意图见图1。

图1　控制冷却工艺生产流程示意图
1.精轧机组　2.水冷段　3.夹送辊　4.吐丝　5.风冷段
6.集卷圈　7.运卷小车　8.打包机　9.电子秤　10.卸卷站
3　水冷区
3.1　水冷结构技术特性
　　水冷区包括精轧机组前、后的水冷装置。精轧机组前的水冷设备称为预水冷箱,精轧机组后的水冷设备称为水冷段。预水冷箱长3m,内设3个正向水喷嘴,一个反向水喷嘴,用于吹干除水,以防轧件将水带出。预水冷箱主要用来预先调节线材精轧形变引起的温升。它使精轧机组前后进出口的轧件温度基本保持一致,以防轧件在精轧机内温度过高。精轧后线材温升30～60℃,它可使轧件最大温降40℃。线材在精轧机组后水冷段中的冷却常称为一次冷却,主要作用是冷却从精轧机轧出来的线材,以控制所要求的吐丝温度,控制线材组织转变的起始温度。它对减少二次氧化、抑制晶粒长大和改善热处理工艺条件,均起着重要作用。图2为水冷段示意图。

图2　水冷段示意图
1.终轧机　2.废品箱　3.水冷箱　4.2号水冷箱　5.3号水冷箱　6.夹送辊　7.吐丝机
　　注:(1)1号水冷箱长8.47m,水冷喷嘴9个,反向水喷嘴1个　(2)2号水冷箱水冷喷嘴6个,反向喷嘴1个　(3)3号冷水箱——水冷喷嘴6个,反向喷嘴1个,反向风嘴1个。
　　水冷段全长为36.3m,由3个水箱组成。每个水箱之间用一段无水冷的导槽隔开,称其为恢复段。这样布置的目的一方面是为了经过一段水冷之后,使线材表面和心部的温度在恢复段趋于一致;另一方面也是为了有效地防止线材因水冷过激而形成马氏体。线材的水冷是在水冷喷嘴和导管里进行的。每个水箱里有若干个水冷喷嘴和水冷导管,当线材从管里通过时,冷却水从喷嘴里沿轧制方向以一定的入射角(顺轧向45°角)环状地喷在线材四周表面上,水流顺着轧件一起向前,从导管内流出,这就减少了轧件在水冷过程中的运行阻力。在每个水箱的出口端各装有一个逆轧向喷水的清扫喷嘴,在最后一个水箱末端还有一个反向风嘴,目的是为了破坏线材表面蒸汽膜和清除氧化铁皮,以加强水冷效果,同时有效地防止水流出水箱,并且也使得线材出水箱时表面不带水,利于减少对夹送辊前的热金属探测器的干扰。图3为冷却喷嘴和清扫喷嘴结构示意图。

图3　水冷喷嘴和清扫喷嘴结构示意图
　　实际生产中,水冷箱内的冷却水不是常开的。因为从精轧机出来的线材速度快、温度高、尺寸小,因而很软。如果让其头部从水中通过则很容易被堵住,所以要让线材头部到达夹送辊后才能通水冷却,即头部不水冷。考虑到走钢时前后两根钢之间的间隔时间很短(一般为5～10s),故在尾部未通过水冷箱之前就要对该水箱断水(即尾部不水冷),以保证下一根钢到来之前水管内的水能随线材尾部的通过而流完。
　　头尾不冷段的长度靠计算机控制,由控冷操作台输入不冷段长度的设定值。当检测元件位于精轧机前的探测器检测到线材头部(或尾部)到达的信号时,立即将信号送给计算机。计算机根据轧制速度和已设定的不冷段长度很快算出通水(或断水)的滞后时间,并送给执行元件——带时间继电器的电磁阀。电磁阀按计算机计算的滞后时间对快速截流三通阀进行通/断水切换控制。这种水阀通水时,将水流导向水冷箱各冷却单元,断水时再将水流导向排水道。实际上水在阀体内是常流不断的。采用这种阀是为了避免高速水流的通/断而引起的水击现象,同时可防止这时出现的水压波动对线材产生不利影响。
　　改进后恢复段是由若干个1m左右的导槽相接而成。相接处留有间隙10mm左右。导槽为上、下两块合并而成,其截面形状如图4所示。其中图4(b)所示是在上、下面各自开有一条不同半径的半园槽,分别用于轧制大小规格的线材(在改轧大规格时将上、下槽块的另一组半圆槽组合起来即可),所以适用性较广。

图4　恢复段导槽截面形状
　　水箱内导向管的固定形式采用重块卡紧装置,利用重块把导管压在V形槽中,此结构利于更换导管,换管时只需把重块抬起。箱体里的内水管是对导管及喷嘴元件冷却的装置,它固定在箱体上,内水管上安装有若干个水嘴。工作时,内水管上水喷嘴及冷却钢的水喷嘴连续喷水可降低导管、喷嘴及轧件的温度。
　　箱体的上盖带有U形槽结构形式,可防止箱体内的冷却水的外溅,箱体靠螺栓与钢结构架联接。
　　在整个水冷段中,冷却水压力为0.6MPa,总用水量235t/h,反向水压力1.0MPa,总用水量65t/h,压缩空气压力0.5～0.7MPa,总用量65m3/h,冷却水温度≤35℃,温升8～10℃。
　　在水冷过程中,线材表面温度最低应降至约650℃,以不形成马氏体或贝氏体为宜。在规定钢种的情况下,精轧机组进口温度与规格有关,而出口温度随轧制速度和材质而变化。当轧件温度低时精轧前水冷箱可关闭不使用,水冷段中冷却元件的数量、流量、压力随线材品种和规格而异,均需设定调整使用。
　　在现代高速线材轧机上,线材从最终轧机出口穿过水冷段至吐丝机的最快时间不足0.5s。为控制线材温度使用1台高温计(设于吐丝机附近),将其镜头焦点对着轧件连续监测,并与比例调节控制阀连接,自动控制出水温度。
3.2　水冷工艺的要求
　　各厂家设计的水冷设施在结构上虽不尽一致,但须与散卷控冷输送机相匹配,设计时使其适应不同品种规格线材的冷却,使之达到降温幅度大而精度高,调整操作方便。
3.2.1　准备工作
　　开机前必须检查冷却程序的设定,各种冷却元件的位置、液、气动元件的控制灵敏度、冷却介质的成分和温度、水压、流量的调节、轧件温度的检测、光电探测器等是否正常。
3.2.2　冷却元件的选择和对中
　　针对不同材质和规格的线材选用不同数量的水冷喷嘴,而清扫喷嘴和干燥喷嘴则随水冷喷嘴的数量而定。各类喷嘴均为缝隙式,其缝隙通过喷嘴偶件装置上添加规定垫片而改变,以满足不同线材的要求。各类喷嘴孔、导管内孔和均温导槽孔宜相应配定,对于5.5～16mm的线材,相应选择孔径为12.7～24mm的导管。
　　冷却元件安装后必须检查各喷嘴孔、导管(槽)孔与轧线的对中。其方法是使1根误差不超过±0.5mm的标准试棒从各元件连线上顺利通过。水冷喷嘴和水冷导管以及恢复段导槽要求安装紧固,不得松动,并保持准确对中,对中偏差不大于±0.5mm。
3.2.3　喷嘴启闭与轧件头尾不冷却
　　除了轧制线温较低的钢种精轧前的水冷箱不使用外,通常处于连续使用状态。此外,若在5min内该水冷箱无轧件通过,则自动关闭供水系统。而精轧后水冷段的水冷元件处于断续使用状态。
　　对于小规格线材,一般要待头部全部通过水冷段3个水冷箱到达成圈器前夹送辊时才通水冷却;其尾部尚未出精轧机组时就要从前至后地使水冷箱逐步断水冷却。对于大规格线材,一般当轧件头部到达下一个水冷箱时,前一个水冷箱才开始通水,其尾部也仍然要保持一段长度不冷却。目的是便于线材顺利穿行,并考虑在轧制间隙时间内使用压气吹除冷却导管内残水的要求。轧件头尾的穿行动作反应,由设置在精轧机组前和成圈器附近的光电探测器执行。由此,每盘轧件头尾端不冷却长度的控制要求,将涉及到经散卷冷却过程后,送至修整取样站时应剪除的散卷头、尾端部的额定圈数。以5.5mm线材为例,散卷头部剪险圈数为8～10圈,尾部为5～6圈,以保证取样检验正确以及通条盘卷性能的均匀性。
3.2.4　水冷介质
　　水箱冷却介质为中性(PH值为7～8.5)净化工业用浊循环水。油含量最大10×10-6,悬浮物＜40mg/l,颗粒尺寸≤30μn,水压要求稳定,波动值≤±0.014MPa。
3.2.5　检测内容
　　通过生产线上设置的有关控冷检测系统,可将影响成品质量的主要工艺参数如喷嘴设置量、水流量、水压、线材终轧温度、随后的吐丝温度和冷却水进出口温度等参数精确地显示或记录,同时设有有关操作情况的故障报警信号装置。
3.3　水冷工艺温度及特性曲线
　　水冷温度的设定范围,对于碳素钢和低合金钢,精轧后温度为1000～1050℃,成圈温度为800～950℃。选择线材成圈温度要依据钢种的淬透性以及成品的用途,也与其碳含量、线材直径有关。控制冷却的温度特性曲线如图5所示。

图5　控制冷却温度特性曲线示意图
a —水冷箱　b —精轧机组　c —水冷段　d —散卷控冷输送机
e —集卷筒　1、2、3.水冷箱　(1)、(2)、(3).回复均温箱
4　成圈区
　　该区的主要设备为夹送辊与吐丝机。夹送辊为气动升、降上辊,辊子成水平悬臂安装,由一台电机同时驱动二辊,本厂夹送辊为平辊。夹送辊对线材的夹持部位有3种方式:夹头、夹尾、全夹。夹送长度由人工设定、计算机控制。各生产厂根据自己生产的钢种、规格、轧制速度等因素,可对夹送方式、夹送长度进行合理的选择,目前本厂为夹尾方式。夹送辊速度一般超前精轧机出口速度的3%～5%,在轧速很高的情况下可以增大些,但一般不应超过10%。其速度设定是由人工向计算机输入夹送辊辊径,再由计算机根据轧制速度和夹送辊超前系数算出夹送辊的速度计算值,该值即为夹送辊速度基准值。夹送辊的张开/闭合动作信号靠置于夹送辊前的探测器发出。当探测器检测到线材头部时,发出信号给计算机,使夹送辊闭合;线材尾部通过夹送辊时,该探测器发出信号使夹送辊延时张开。
　　吐丝机采用卧式,倾角为水平轴线下10°。由直流电动机使吐丝管布线圈直径为1050mm,并配有一台振动测量仪。现场操作台设有吐丝机和夹送辊增减速度的按钮及故障报警信号等,它可以有效地防止事故的发生。
5　风冷区
5.1　技术特性
　　风冷段为辊式延迟型斯太尔摩控冷线,其作用是将吐丝机处形成的线圈运到集卷筒入口的传动装置上,并且使线材从散卷状态连续通风进行控制冷却。此区全长80m,其中运输机长71.2m,可适应生产低、中、高碳素钢和低合金的结构钢、焊条钢、弹簧钢以及轴承钢等不同材质,满足多品种优质线材生产的要求。
5.2　工艺结构
　　如图6为散卷输送机局部示意图。

图6　散卷控制冷却输送机局部示意图
1.运输辊道　2.输送机侧壁　3.隔热保温盖罩
4.风机罩斗　5.布风导向板　6.操作踏板　7.保温材料
　　风冷线主要由运输辊道、冷却风机、保温盖罩及相应的自动控制柜和现场操作台组成。
5.2.1　输送辊道
　　整个风冷线的输送辊子共有357个,分成17组,每组21只辊子。各组由一台直流电机及链子驱动,运输机速度为0.05～1.3m/s。本系统用8台风机控制着8段空冷,在1号空冷段前还有一组辊道,也是21个辊子,一台直流电机驱动,不同之处是这组辊道可上下摆动一定的角度,其主要作用是为了正确接收从吐丝机吐出的线圈,摇动动力来源于辊道支承梁下面的螺旋升降器。在辊道侧面有可活动的挡板,能导引线圈在辊道中央运行。该辊道由一系列耐高温空心钢辊子排列而成,安装在轴承座上,用耐高温油脂润滑。其头部嵌有隔热材料,对轴承有保护作用。当下边工序的设备出故障时,风冷运输机可短时降速(0.05m/s),如低速动行超过30s,14～17组的运转停止,1～13组以往复运动方式运转。这样可防止辊子单侧受热,转动时间大约10s改变一次。正常后,整个运输机各段均回到其正常运转状态。运输机速度设定有:(1)所有电机以同一速度运转,最高1.3m/s;(2)下游每台电机转速逐渐加快。
　　其中,第二种情况所有电机以递增的速度运转。且速度增量相同约40r/min,但15、16、17组除外,这段区域内,一组线材各圈间就分开了距离,使“搭接点”拉开。当运输机速度(第一段)低于0.4m/s时,从吐丝机开始,每根坯料所轧成的散状线圈间必定自动产生间距。间距的产生是通过同时将1～7段的辊速由预定的速度按比例加速到设定的速度。间距的产生利于改善线圈的散热条件,使冷却更均匀。运输机冷却速度1～10℃/s。
5.2.2　冷却风机
　　整个风冷段8台风机是由8台90kW交流电机带动。电机型式为TETC型,其参数为1000r/min、380V、3相、50Hz、鼠笼式。单台风机的风量为99260m3/h,风压为248kg/m2,风量可调范围为0～100%。
5.2.3　保温罩
　　铺设有隔热保温材料的盖罩,适用于低碳钢和某些低合金钢进行缓慢冷却处理,安装于吐丝机后面的前6台风机上面,保温罩共24个,每4个一组,共6组保温罩,每个约2m长。通过电磁指令液压装置可单独设定启闭装置。
5.2.4　现场操作箱
　　其调节和设定的内容包括运输辊道的启动与停止,各段辊道速度调节、尾端输送链速度的调节、风机的开/关、保温罩的启闭等。
6　散卷收集区
6.1　集卷筒
　　集卷筒位于散卷运输机的尾部,其基本功能是把经过风冷的平铺在运输机上的散卷收集成整卷,然后送至运卷小车。
6.2　运卷小车
　　运卷小车作用是从线卷托板上接收线卷,而后将其翻转90°横移后将线卷放置到钩式运输机的C型钩上。
7　盘卷运输和精整区
　　线材经过斯太尔摩冷却线后落入集卷筒,由收集装置收集成卷,盘卷运输小车接受盘卷并将其倾翻成卧卷,然后小车移出,将盘卷送到处于等待状态的积放式悬挂输送机的C形钩上,盘卷挂好后,运输小车返回。挂好卷的C形钩被停止器释放并向前运动。下一个空钩移动到装载位置。
　　载有盘卷的钩子则由输送机带动沿输道运行进行空气自然冷却,然后进入检查取样区,进行宏观检查和表面检查,并取样作拉伸、冷弯等试验,同时人工切去盘卷头部不合格的两圈线材。检查过的线卷进行标记,然后挂在钩子上继续前进到达压紧打捆区,停止器将其自动停止,并由夹紧器将C形钩夹住,以防晃动。然后,压紧打包机将盘卷在C形钩上压紧并捆扎。每卷捆扎4道,捆扎完毕后,夹紧器松开,小车自动放行。在称量处由电子称称出重量并挂标志牌。最后,输送机将盘卷送到卸卷站上,再用电磙吊车,一次吊运两个盘卷至成品库堆放存、发货。
8　结　语
　　唐钢高速线材厂是引进的具有80年代国际装备水平的线材生产线。本文对该厂的水冷区的组成、结构技术特性、水冷工艺要求与控制、夹送辊与吐丝机的工作特点及风冷运输线的结构技术特性、水冷工艺要求与控制、夹送辊与吐丝机的工作特点及风冷运输线的结构技术特性进行了分析介绍。该厂职工经过艰苦努力,刻苦攻关,解决了生产中出现的一个又一个问题,熟练掌握了该生产线的工艺、设备,实现了稳产与高产,同时也积累了丰富的技术、管理经验。相信它定会促进国内其它同类厂的生产与发展,促进国内钢铁行业的发展。
联系人:秦国庆,博士生,副教授,北京市(100083)北京科技大学材料科学与工程学院办公室(压博95)
作者单位：秦国庆　韩静涛　潘克云　北京科技大学
　　　　　顼会丽　石家庄钢铁有限责任公司
　　　　　陈永红　唐山钢铁集团公司