CN102451841B - 高碳钢盘条轧后冷却***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高碳钢盘条轧后冷却***，包括斯太尔摩控制冷却装置和气雾预冷装置，气雾预冷装置设于吐丝机与斯太尔摩控制冷却装置之间的辊道上。本发明还公开了一种高碳钢盘条轧后冷却方法，通过利用气雾预冷中对流蒸汽的高导热性，使得盘体各区域的温差控制在100℃以下，并以650~750℃的温度进入斯太尔摩控制冷却装置进行斯太尔摩冷却，最终所得的盘条与盐处理相比，力学性能及显微组织十分接近，并能够满足冷拔的抗拉强度，但对环境的污染大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及线材冷却技术，更具体地说，涉及一种高碳钢盘条轧后冷却***及方法。
背景技术
目前，现有的高碳钢盘条轧后冷却工艺有两种，一种是斯太尔摩控制冷却方法，另一种是盐浴处理工艺。前者在世界上最为流行，也是使用最为广泛的，其通过调节冷却风机的风量以及调节与盘条运行方向相垂直方向上的风量分配，辅助于盘条跌落装置和不同组辊道的速度差，来控制盘条的显微组织和性能，虽然其对环境影响不大，但仅能满足一般要求的高碳钢盘条生产，而无法生产抗拉强度较高的高性能盘条。而后者是全世界仅新日铁公司拥有，其生产的高碳钢盘条的力学性能及显微组织确实优于前者，但其存在严重的环境污染。
另外，为了提高现有的斯太尔摩控制冷却工艺，也曾考虑增强其冷却风机的冷却风量，即假设拥有足够的冷却风量，理论上是可以生产出抗拉强度高于原有斯太尔摩工艺并接近盐浴工艺的盘条。但是，由于实际生产时，盘条在辊道上的分布于理论情况有差异，请参阅附图1所示，吐丝机1轧后的盘条2两侧边部并不整齐均匀，盘条2各区域所受冷却不均，特别是搭接区域H外侧部分盘条冷却过度，导致冷却后整个盘条2通条上的显微组织波动很大，上贝氏体的比例很高。因此，该方式虽然能够使盘条的力学性能接近盐浴处理，但是，在后序冷拔过程中的断丝率要远远高于普通斯太尔摩工艺或盐浴工艺生产的盘条。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种高碳钢盘条轧后冷却***及方法，用以提高盘条的力学性能及显微组织，并减少对环境的污染。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，高碳钢盘条轧后冷却***包括设于吐丝机出口侧的斯太尔摩控制冷却装置，还包括气雾预冷装置，设于吐丝机与斯太尔摩控制冷却装置之间的辊道上，向吐丝机吐出的盘条搭接区域喷吹气雾进行冷却，并在搭接区域的盘条表面形成强制对流的蒸汽膜，用以将盘体各区域的温差控制在100℃以下，并将盘体进入斯太尔摩控制冷却装置的温度控制在650~750℃。
所述的气雾预冷装置包括两根对称设置在辊道上方的气雾喷管，每根气雾喷管均由内、外套管构成，外套管与风机相连，内通空气，内套管内通有去离子冷却水，内、外套管下端均设有数个喷嘴。
所述的内套管的喷嘴直径为0.5~1.5mm，喷出流量为0~0.8m3/h的去离子冷却水；所述的外套管内通空气流量为600~1000m3/h，并与去离子冷却水旋转混合，并通过直径为5~10mm的外套管喷嘴，喷出30~100um的气雾。
所述的气雾喷管的喷射角度为向下倾斜20~40°，气雾喷管沿辊道布置的长度为1.5~3m。
该冷却***还包括红外成像测温设备，对进入气雾预冷装置和斯太尔摩控制冷却装置的盘条进行温度场测量，用以计算盘条分布不同区域所需的冷却强度，并对气雾预冷装置的冷却量进行相应调整。
另一方面，一种高碳钢盘条轧后冷却方法的具体步骤如下：
A．在吐丝机出口侧辊道上设置一套气雾预冷装置，并在气雾预冷装置之后设置一套斯太尔摩控制冷却装置；
B．通过气雾预冷装置向吐丝机吐出的盘条搭接区域H喷吹气雾进行冷却，并在盘条搭接区域H的盘条表面形成强制对流的蒸汽膜，用以将盘体各区域的温差控制在100℃以下，并将盘体进入斯太尔摩控制冷却装置的温度控制在650~750℃；
C．通过斯太尔摩控制冷却装置对预冷后的盘条进行斯太尔摩冷却；
D．采用红外成像测温设备，对进入气雾预冷装置和斯太尔摩控制冷却装置的盘条进行温度场测量，用以计算盘条分布不同区域所需的冷却强度，并对气雾预冷装置的冷却量进行相应调整。
在步骤A中，所述的气雾预冷装置采用两根对称设于辊道上的气雾喷管，向盘条喷吹30~100um的气雾用以冷却。
所述的气雾喷管采用内、外套管构成，将外套管与风机相连，通入流量为600~1000m3/h的空气，在内套管内通入流量为0~0.8m3/h的去离子冷却水，并且在内、外套管下端分别开设直径为0.5~1.5mm、5~10mm的喷嘴。
将所述的气雾喷管的喷射角度设置为向下倾斜20~40°，并将气雾喷管沿辊道布置的长度设置为1.5~3m。
在上述技术方案中，本发明的高碳钢盘条轧后冷却***及方法，包括斯太尔摩控制冷却装置和气雾预冷装置，气雾预冷装置设于吐丝机与斯太尔摩控制冷却装置之间的辊道上，利用气雾预冷中对流蒸汽的高导热性，使得盘体各区域的温差控制在100℃以下，并以650~750℃的温度进入斯太尔摩控制冷却装置进行斯太尔摩冷却，最终所得的盘条与盐浴处理相比，力学性能及显微组织十分接近，并能够满足冷拔的抗拉强度，但对环境的污染大大降低。
附图说明
图1是传统的斯太尔摩控制冷却工艺中盘条在辊道上的分布俯视图；
图2是本发明的高碳钢盘条轧后冷却***的原理图；
图3是本发明的气雾喷管的径向截面图；
图4是本发明的高碳钢盘条轧后冷却方法的流程图；
图5是本发明的气雾冷却在盘条边部表面形成蒸汽膜的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请参阅图2所示，本发明的高碳钢盘条轧后冷却***包括设于吐丝机1出口侧的斯太尔摩控制冷却装置10，用以对进入其区域内的盘条1进行斯太尔摩冷却（其结构与冷却原理与传统的斯太尔摩冷却基本相同，在此不再赘述）。该冷却***还包括气雾预冷装置20，设于吐丝机1与斯太尔摩控制冷却装置10的第一个冷却风机11之间的辊道3上，向吐丝机1吐出的盘条2的搭接区域H喷吹气雾进行冷却，并在搭接区域H的盘条表面形成强制对流的蒸汽膜，用以将盘体2各区域的温差从原来的200℃控制在100℃以下，并将盘体2进入斯太尔摩控制冷却装置10的温度控制在650~750℃。
请结合图3所示，该气雾预冷装置20包括两根对称设置在辊道3上方的气雾喷管，每根气雾喷管均由内、外套管21、22构成，外套管22与风机相连，内通空气，内套管21内通有去离子冷却水，内、外套管21、22下端均设有数个喷嘴211、221。内套管21的喷嘴211直径为1.0mm，喷出流量为0.43m3/h的去离子冷却水；所述的外套管22内通空气流量为900m3/h，并与去离子冷却水旋转混合，并通过直径为20mm的外套管喷嘴221，喷出30~100um的气雾。而气雾喷管对准盘条2的搭接区域H，喷射角度为向下倾斜20°，气雾喷管沿辊道3布置的长度为2m，整个盘条2通过气雾预冷装置20的时间（即预冷却时间）为1.5s。
另外，该冷却***还包括红外成像测温设备（图中未示出，可采用FLIR公司的型号为P620的产品）对进入气雾预冷装置20和斯太尔摩控制冷却装置10的盘条进行温度场测量，通过控冷模型计算出盘条分布不同区域所需的冷却强度，从而用于对气雾预冷装置20的冷却量进行相应调整，有利于优化冷却效果。上述的控冷模型为传热学领域的通用计算模型，在此不再赘述。
在此需要说明的是，气雾预冷中选择使用风机通入空气而不选择压缩空气的原因是：由于压缩空气相对风机空气压力高，空气流量无法达到风机所产生的风量。而足够的风量是实现强制对流的必要条件，现有工业化的压缩空气最大流量也无法达到500m3/h以上的空气流量要求。请结合图5所示，采用上述流量的空气与去离子冷却水混合后，喷射至盘条2边部表面形成以下三个区域：
最外层a，为空气与水滴混合区，其主要功能是将水滴源源不断地补充到中间层b，并带走来自中间层的热量；
中间层b，位部分水滴开始气化，形成空气、水滴、蒸汽的混合区，其主要功能是通过水的气化吸收大量来自最内层c的热量；
最内层c，因水滴与盘条2边部直接接触，已完全气化，形成蒸汽层。由于蒸汽是动态平衡生成的，同时又高速流动，因此形成强制对流冷却，利用其高导热系数（该导热系数平均为10000W/（m2. K），是强制对流空气导热系数的150倍），迅速将盘条边部的表面温度带走。同时，由于蒸气膜的动态形成，使得蒸气膜的温度始终保持在不低于600℃，从而保证了盘条进入斯太尔摩控制冷却装置10的温度要求，也确保了高温盘条表面不会激冷而产生异常显微组织。
请结合图4所示，该高碳钢盘条轧后冷却方法的主要步骤如下：
A．在吐丝机出口侧的辊道上设置一套气雾预冷装置，并在气雾预冷装置20之后设置一套斯太尔摩控制冷却装置；
B．通过气雾预冷装置向吐丝机吐出的盘条两侧边部喷吹气雾进行冷却，并在盘条边部表面形成强制对流的蒸汽膜，用以将盘体各区域的温差控制在100℃以下，并将盘体进入斯太尔摩控制冷却装置的温度控制在650~750℃；
C．通过斯太尔摩控制冷却装置对预冷后的盘条进行斯太尔摩冷却；
D．采用红外成像测温设备，对进入气雾预冷装置和斯太尔摩控制冷却装置的盘条进行温度场测量，用以计算盘条分布不同区域所需的冷却强度，并对气雾预冷装置的冷却量进行相应调整。
该冷却方法的具体细节及要求与冷却装置实质相同，在此不再赘述。
下面，通过实施例对本发明进行具体举例说明：
以生产Φ6mm的SWRH82B高碳钢盘条为例，当盘条由吐丝机进入气雾预冷区域后，冷却水阀自动开启并启动风机，使得去离子冷却水0.43m3/h流量从Φ1mm的内套管喷嘴喷出，与900h3/h（与上述的达到1000m3/h以上的空气流量要求不符）流量的风机空气产生旋转混合，再从Φ3mm的外套管喷嘴一起喷出。由于气流速差原理，水滴被雾化成60um的气雾，气雾以20°斜角喷吹到盘条的搭接区域H，进行气雾预冷。经测量，预冷后的盘条不同区域的表面温度差从原来的260℃降低到90℃，在进入斯太尔摩控制冷却装置10的第一个冷却风机的盘条表面温度为660℃。最后，经斯太尔摩冷却所得的SWRH82B高碳钢盘条，通过金相显微镜和扫描电镜观察分析及对比，该盘条的显微组织中珠光体的比例远少于采用传统斯太尔摩冷却所得的盘条，与盐浴处理的盘条几乎没有区别，并且与盐浴处理的盘条一样均未发现上贝氏体组织，因此具有良好的力学性能，在冷拔中具有较好抗拉强度。
综上所述，采用本发明的冷却装置及方法所生产的盘条与盐浴处理相比，力学性能及显微组织十分接近，并能够满足冷拔的抗拉强度，但对环境的污染大大降低。另外，还能够方便对现有大多数的斯太尔摩控制冷却生产线的改造和升级，成本较小，产品质量高，效益巨大。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (4)
1.一种高碳钢盘条轧后冷却***，包括设于吐丝机出口侧的斯太尔摩控制冷却装置，其特征在于：
还包括气雾预冷装置，设于吐丝机与斯太尔摩控制冷却装置之间的辊道上，向吐丝机吐出的盘条两侧搭接区域喷吹气雾进行冷却，并在该区域的盘条表面形成强制对流的蒸汽膜，用以将盘体各区域的温差控制在100℃以下，并将盘体进入斯太尔摩控制冷却装置的温度控制在650～750℃ ；
所述的气雾预冷装置包括两根对称设置在辊道上方的气雾喷管，每根气雾喷管均由内、外套管构成，外套管与风机相连，内通空气，内套管内通有去离子冷却水，内、外套管下端均设有数个喷嘴；
所述的内套管的喷嘴直径为0.5～1.5mm，喷出流量为0～0.8m3/h的去离子冷却水；所述的外套管内通空气流量为600～1000m3/h，并与去离子冷却水旋转混合，并通过直径为5～10mm的外套管喷嘴，喷出30～100um的气雾；
该冷却***还包括红外成像测温设备，对进入气雾预冷装置和斯太尔摩控制冷却装置的盘条进行温度场测量，用以计算盘条分布不同区域所需的冷却强度，并对气雾预冷装置的冷却量进行相应调整。
2.如权利要求1所述的高碳钢盘条轧后冷却***，其特征在于：
所述的气雾喷管的喷射角度为向下倾斜20°～40°，气雾喷管沿辊道布置的长度为1.5～3m。
3.一种高碳钢盘条轧后冷却方法，其特征在于，
该冷却方法的具体步骤如下：
A．在吐丝机出口侧辊道上设置一套气雾预冷装置，并在气雾预冷装置之后设置一套斯太尔摩控制冷却装置；
所述的气雾预冷装置包括两根对称设置在辊道上方的气雾喷管，每根气雾喷管均由内、外套管构成，外套管与风机相连，内通空气，内套管内通有去离子冷却水，内、外套管下端均设有数个喷嘴；
所述的内套管的喷嘴直径为0.5～1.5mm，喷出流量为0～0.8m3/h的去离子冷却水；所述的外套管内通空气流量为600～1000m3/h，并与去离子冷却水旋转混合，并通过直径为5～10mm的外套管喷嘴，喷出30～100um的气雾；
B.通过气雾预冷装置向吐丝机吐出的盘条两侧的搭接区域喷吹气雾进行冷却，并在搭接区域的盘条表面形成强制对流的蒸汽膜，用以将盘体各区域的温差控制在100℃以下，并将盘体进入斯太尔摩控制冷却装置的温度控制在650～750℃；
C.通过斯太尔摩控制冷却装置对预冷后的盘条进行斯太尔摩冷却；
D.采用红外成像测温设备，对进入气雾预冷装置和斯太尔摩控制冷却装置的盘条进行温度场测量，用以计算盘条分布不同区域所需的冷却强度，并对气雾预冷装置的冷却量进行相应调整。
4.如权利要求3所述的高碳钢盘条轧后冷却方法，其特征在于：
将所述的气雾喷管的喷射角度设置为向下倾斜20～40°，并将气雾喷管沿辊道布置的长度设置为1.5～3m。
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