温度对高线轧制工艺影响的分析

摘要

线材轧制过程中，线材的温度是直接影响轧机负荷合理分配、最终产品尺寸精度及组织性能的重要因素之一。在整个轧制线上准确模拟和预报线材在不同位置上的温度变化以及线材横截面温度梯度，是有效提高产品质量水平的重要基础，也是指导生产现场进行水冷箱冷却水量调节和选择最优冷却工艺的的基本依据。

研究表明，通过对线材轧制过程温度变化的研究，能够量化的分析轧制过程中现场工艺因素对温度变化规律的影响，为实际生产工艺控制和调节提供有效依据，以获取所要求的线材吐丝温度以及较小的线材截面温度内外温差，从而制定最佳冷却工艺。

线材在轻重工业产业中占有重要的地位，高速线材是轧钢中的一类，对高速线材的生产设备及生产工艺进行研究和设计，对现代钢铁工业的发展和需求有着战略性意义。

关键词:高速线材；轧制过程；温度控制；轧件温度

1绪论

1.1高速线材轧制技术简介

一般将轧制速度大于40m/s的线材轧机称为高速线材轧机。高速线材轧机的生产工艺特点概括起来就是连续,高速、无扭和控冷。其中高速轧制是最主要的工艺特点。大盘重、高精度、性能优良则是高速线材轧机的产品特点。

高线轧后控冷工艺的特点：高线在精轧机（或减定径机组）后至吐丝机间的水冷也称为轧后一次水冷，目的是使轧件从终轧温度快速冷却到所需的吐丝温度，控制线材奥氏体的晶粒度和减少氧化铁皮的产生。最高轧件速度达112m/s，通常设置2~3个水箱，采用闭环自动温控系统来控制温度波动，目前采用引进关键设备和水冷模型可以将吐丝温度差值控制在10℃左右。通过一次水冷可使线材温度急剧降到750~920℃，使轧制后形成的细晶奥氏体组织经急冷后保留下来，为相变提供合适的金相组织和温度条件，也避免了线材在高温状态的停留，减少了二次氧化铁皮的生成。同时考虑到控制线材芯表温差，水箱间（后）设有均温导槽。

1.2研究目的

高速线材轧机的发展是由改造线材轧机的精轧机组和控冷工艺开始的。高速轧机的生产技术成熟以后又广泛地应用于小型和线材轧机的改造，这是因为无扭精轧机组无论是在生产效率上、还是在产品质量上都大大优于横列式轧机，即使在较低速度范围内使用也优于横列式轧机。通常高速线材轧机的工艺特点可以概括为连续、高速、无扭和控冷，其中高速轧制是最主要的工艺特点。大盘重、高精度、性能优良则是高速线材轧机的产品特点。

高速线材轧制过程的温度控制是工艺制度中一项重要内容，会直接影响到成品的质量，如：产品的表面质量、组织性能等。高线粗轧阶段主要的任务是在高温的条件下实现断面大幅度缩减和大延仲变形。但是，轧件在粗轧阶段的温度与变形状况是否会影响后续的轧制过程甚至最终产品质量，其影响程度如何，目前还并不清楚。对高线粗轧过程的温度与变形研究将有助于了解这些问题。

提高轧制速度的目的是提高产量,增加盘重。当轧制速度在30~80m/s时,小时产量和年产量成线性关系增长;当轧制速度超过80m/s,特别是在多线轧制的情况下﹐年产量的增长并不明显。当轧制速度超过80m/s后,人们仍在追求提高轧制速度的目的是为满足增大钢坯断面的需求。

1.3研究意义

轧件温度也是影响高速轧制的重要因素，要保证轧件精度，必须保证轧件温度均匀稳定，所以要求加热温度均匀、控冷设施灵敏。温度制度规定了轧制时的温度区间,即开轧温度和终轧温度。外轧温度足第一道的轧制温度，一般比加热温度低50~100℃。开轧温度的上限取决于钢的允许加热温度，下限主要受终轧温度的限制,钢件在轧制过程中一般应保持单相奥氏体组织。终轧温度是指终轧生产的终了温度。一般情况下,亚共析钢的终轧温度应当高于Ac3;线50~100℃。过共析钢的终轧温度在Acm~A1线之间。

线材轧制过程中，线材的温度是直接影响轧机负荷合理分配、最终产品尺寸精度及组织性能的重要因素之一。在整个轧制线上准确预报线材在不同位置上的温度变化，是有效提高产品质量水平的重要基础，长期以来，对轧制过程中线材温度预报模型的研究，一直是提高轧制过程中数学模型预报精度的重要课题之一。

温度是影响线材组织和性能最主要因素，要控制组织和性能，就必须在生产过程中控制线材温度，对热轧线材尤其是要控制轧制后冷却速度及吐丝温度。准确的计算（预估)各个环节的温度变化是实现热连轧计算机控制和线材力学性能预报的重要前提。热轧过程中，线材内部各质点的变形量、变形速度与变形温度决定了热轧时奥氏体晶粒的回复和再结晶行为。对产品的性能有重要影响的主要是精轧入口温度、精轧出口温度、冷却速度和吐丝温度。

线材温度均匀性，直接影响线材成品几何尺寸的均匀性，进而影响到线材的机械性能的均匀性。线材温度的均匀性包括线材头尾温度的均匀性和线材横断面上温度的均匀性，特别是在吐丝处，如果线材横截面上温差太大，在斯太尔摩线上来不及恢复，线材的性能也就不均匀。因此，通过建立线材轧制及冷却过程中的温度场可以量化的研究线材温度的均匀性，从而确立合理的现场设备工艺参数。

高速线材轧机多道次逐次升温给生产工艺造成了重大影响。当轧制速度超过75m/s时，由于成品温度高，水冷段事故增多。轧制速度过高还会出现水冷段的冷却达不到控冷要求。所以在精轧前增加水冷箱，甚至全线增加水冷，实行控轧，降低开轧温度实行低温轧制。轧制中的大幅度降温与降低开轧温度，为在轧制过程中实现控制中、低碳钢线材的金相组织创造了非常有利的条件。开轧温度低，奥氏体晶粒小，还可使部分道次在未再结晶区轧制。低温轧制又是节能措施。控既是高速线材轧机的客观要求，又是它的突出优点和特点口低温轧制目前实行得不多，主要受原轧机强度和电机能力的限制。

1.4国外内研究现状

1.4.1国外研究现状

在20世纪40年代轧后控制冷却工艺已在某些线材轧机的生产中应用，但由于当时老式线材轧机的产品盘重都不大，自然成盘冷却问题尚不突出，而且用户对产品的要求也不太高，线材轧后控制冷却未被广泛采用，轧后控冷技术也没有得以完善。高速线材轧机问世后，大盘重自然冷却使产品质量恶化的问题变得极为突岀，这就使轧后控制冷却工艺被广泛采用，并随用户对产品日益提高的要求而逐渐完善。轧后控制冷却工艺已成为高速线材轧机不可分割的组成部分，是高速线材轧机区别于老式线材轧机的特点之一。

斯太尔摩控制冷却工艺，斯太尔摩辊式风冷运输线作为主要的二次控制冷却设备，经过多年发展，在国内得到普遍应用，斯太尔摩风冷运输线冷却工艺灵活，可以满足大部分线材的不同冷却速率的要求。斯太尔摩风冷运输线常用的控制冷却方式有标准型和延迟型两种，标准型为在辊道输送的散卷冷却运输线下设若干个风机对运输线上的线圈进行强制风冷，通过调整辊道速度来控制线圈间距，并控制每台风机的风量、开启的风机数量及风量分配来达到一定的冷却速率，以获取要求的产品金相组织。一般标准型的技术参数为：散卷线圈运行速度0.4~2.0m/s，冷却速率5.0~15.0℃/s，适合高碳钢生产。延迟型为在标准型基础上增加保温罩，侧墙、底板、保温罩增加绝热材料。盖上保温罩，停止送风，线圈在输送机上缓慢运行，在此缓慢冷却过程中完成相变以满足缓冷钢种的冷却要求。保温罩打开、强制送风即可按标准型生产，因此适用范围比标准型更广，国内普遍应用的都是延迟型。通常延迟型的技术参数为：散卷线圈运行速度0.1~2.0m/s，冷却速率为0.4~15.0℃/s，可处理低碳钢、冷镦钢、高碳钢等，都是由１个高度可调的输入段（约4.0ｍ）、一个输出段（约5.2ｍ）及若干个冷却段组成（每段约9.3ｍ）。

ＤＬＰ高速线材控冷工艺，ＤＬＰ工艺是20世纪末日本君津制铁所和新日铁公司开发的一种高速线材控制冷却工艺。早期为替代铅淬火处理，以节省工时，节约能源，减少铅尘和铅烟对人体与环境的污染，提出了盐浴处理工艺，后来新日铁在此方向取得突破，开发出了ＤＬＰ新工艺。ＤＬＰ工艺是在线材吐丝机后利用线材轧制后的余热来进行盐浴处理，以得到与铅淬火基本相同的组织及性能。其大致的工艺路线如图2所示，线材经吐丝成卷后在800~850℃进入1＃盐浴槽约60s，盐浴槽中盘条移动速度约为20ｍ／ｍｉｎ，采用电加热方式熔融ＮａＮＯ３和ＫＮＯ３混合盐，线材在槽内迅速冷却到约500℃，以避免奥氏体在高温区转变为粗大的珠光体，然后进入2＃盐浴槽，在550℃的温度下完成奥氏体-索氏体转变后进入清洗线，用温水冲洗掉残留在其表面的残盐，最后集卷成盘。

通过ＤＬＰ工艺的等温转变过程使线材索氏体比例最大化，一般可达95~98％，而斯太尔摩控冷一般只有80％～92％。在性能方面以及性能的波动性方面，ＤＬＰ盘条都与铅淬火盘条接近而优于斯太尔摩控冷盘条。检测及研究表明，ＤＬＰ线材的显微组织是细小的珠光体-索氏体组织，抗拉强度、断面收缩率和扭转次数与经铅淬火拉拔的钢丝基本相同，与传统的斯太尔摩法处理的线材相比，具有强度高、韧性好、性能离散性小等优点，见图3。ＤＬＰ线材特别适合用来制造预应力钢丝、预应力钢绞线、弹簧钢丝、制绳钢丝等产品。

ＥＤＣ高速线材控冷工艺，ＥＤＣ工艺是指热轧线材先经水冷吐丝后散卷浸入热水槽中冷却的在线控制冷却工艺，即散卷热水浴工艺。ＥＤＣ工艺和ＤＬＰ工艺类似，只是采用热水做为冷却介质，最早的ＥＤＣ工艺采用输送辊道升降摆动来控制线材盘卷从热水中通过，通过水淬达到高的冷却速率以提高索氏体化率，调整辊道角度和速度控制盘卷的冷却速率。设备形式上改进为水平可移动框架式布置，将风冷辊道和ＥＤＣ设施整体移动互换，兼顾斯太尔摩风冷和ＥＤＣ工艺的优点来满足多钢种的控冷工艺要求。ＥＤＣ工艺主要是在线强韧化处理，国内在鞍钢高线有实际应用。

1.4.2国内研究现状

国内普遍应用的带“佳灵”装置的斯太尔摩（ＳＴＥＬＭＯＲ）控制冷却，辊道输送并带有跌落段，可改善线材搭接点性能；在线固溶热处理工艺；喷雾冷却等其他线材生产工艺。国内主要使用的是斯太尔摩控制冷却工艺，其发展趋势是风冷线加长和风机风量加大以适应多种钢种的生产需求。

在线固溶热处理工艺，在线固溶热处理工艺主要针对不锈钢热处理，主要有3类：

（１）在成卷时或成卷后直接水淬，设备简单，生产成本低，但不能控制最终晶粒度，只能处理奥氏体不锈钢，只能满足部分产品质量标准；

（２）在辊式隧道退火炉中在线固溶处理，热轧线材经吐丝成连续散卷后在隧道炉保温约5ｍｉｎ后水冷，设备投资高，可控制最终晶粒度，能处理奥氏体、铁素体不锈钢，产品质量和传统离线固溶处理相当；

（３）在吐丝后热卷进入退火炉（包括罩式炉、环型炉等）中在线固溶处理，设备投资大，可控制最终晶粒度，能处理所有不锈钢，也适用于冷镦钢产品在线退火，产品质量比传统离线固溶处理好，但盘卷卷形差。在线固溶处理设备布置示意图见图４。

喷雾冷却等其他轧后控冷工艺，喷雾冷却是指热轧线材吐丝后在风冷线上采用风机和水雾来提高热交换效率，加大线材冷却速率的工艺。也有采用次声波产生的高速脉冲气流来冷却线材的，其可加速线材和周围空气的传热而获得高的冷却速率。

目前,世界上有高速无扭线材轧机约260套,其中摩根式占170套,线材总产量达4500万左右。

控冷线是高线生产技术的重要组成部分。通过轧后水冷、吐丝成圈及散卷冷却,使线材得到所要求的金相组织和均匀的力学性能。国外控冷线材比高达95%。

我国与国外线材生产技术的差距主要表现为线材在钢材中的比例、控冷线材比、硬线比、合金线材比、制品用线材比、线材直径、大规格盘条、盘重、减面率、氧化铁皮量﹑散捆率、尺寸偏差、不圆度、通条屈服应力差、含碳量、含磷量、含硫量等方面。

2控冷系统设备设计

2.1控冷设备设计

2.1.1 水冷线设备

ded6bfbb224ab6981aba420056dcf77a 　　预精轧后水冷段设备1套:包含2个摩根六代水箱。精轧机后水冷段设备1套:包含4个摩根六代水箱,水箱之间使用双孔导槽。水箱喷嘴和双孔导槽的材质均为17-4PH。热处理达到HB 340~360。

2.1.2水箱阀站控制选择

水箱阀站的所有三通阀采用专用于摩根高线水箱的高速三通换向阀–FISHER三通阀。FISHER 三通阀的切换动作迅速,保证水箱对轧件的冷却控制速度准确,减少轧件异常冷却的长度,提高产品收得率。该三通阀由两位四通电磁换向阀控制执行气缸调节阀芯的位置,这个气缸由一个单电磁铁、两位基本冷却阀控制。当轧件脱离水箱后,三通阀立即将冷却水导向冲渣沟。

调节阀位于电磁流量计和三通阀之间，用于调节进入水箱的冷却水流量。进入冲渣沟的冷却水流量由位于换向阀和水槽之间的闸阀控制。调节阀的位置由阀上的I/P调节器给出信号。该I/P单元可以接收来自主控制的4~20 mA 的信号,使阀从最小开至最大。确保冷却水量始终得到有效的控制。水箱阀站的各流量、压力变送元件信号引人现场分线箱。

2.1.3高温计

高温计测量轧件的温度并同PI温度控制回路一起向操作者提供显示。精轧机入口前的1号高温计显示轧件进入精轧机的轧件温度。当进入精轧机的轧件温度过低时,低温报警发出信号警告操作者。2号高温计则显示轧件出精轧机后的温度。吐丝机出口高温计则显示轧件成品的温度。

2.1.4水质

由于冷却水流量的范围大,因此冷却水水质、温度和压力可能对冷却工艺具有很大的影响。该控冷系统对水质要求如下:水箱冷却介质为中性(pH值7~9)净化工业水。水中悬浮颗粒不大于25~30 mg/L,杂质颗粒度不超过250 um;水温允许偏差±5℃;水温最高不超过35℃;水压要求恒稳。

3轧件尺寸变化对温降的影响

实际轧制过程中,轧制线径不同,终轧速度不同，精轧机数量也不同。因此,改变轧制线径,轧件温降将产生变化。从理论可知，在其他条件不变的情况下，线材直径越小，线材中心和表面热传导所需时间越小，冷却也就越快。在预精轧出口温度为971℃时成品规格为@8.0mm的线材在预精轧机组出口值精轧机组入口段的温度模拟曲线。线径由5.5mm增加到8.0mm时，至精轧机组入口处的线材表面温度分别降至873℃、892℃，温降分别为98℃、79℃，横截面温差分别为24℃、37℃。由此可见，在其他条件不变的情况下，线材直径越小，冷却越快，横截面温差也越小。通过模拟精轧机组出口至吐丝机段线材温度变化，也可以得到相同结论。

冷却水温度和空气温度的影响，冷却水和空气作为线材热量交换的对象，其温度越高，线材表面冷却越慢，冷却效果越差，但由于线材表面温度与冷却水温度和空气温度相差太远，而且现场的冷却水和空气温度波动又不大，所以它们对线材温度影响不是非常显著。通过模拟不同冷却水温度和空气温度下的线材温度变化可以验证这种规律。

现代高速轧机技术有哪些新进展：无扭精轧机组。其发展趋势如下：降低机组重心,降低传动轴高度,减少机组的震动;强化轧机,增加精轧机组的大辗径轧机的数量;改进轧机调整性能；采用控温轧制与低温轧制；高精度轧制设备；粗轧机组的改进。

由上述控冷方案和典型钢种的轧后控冷工艺来看，冷镦钢需要缓冷，而高碳需要快冷，斯太尔摩延迟冷却工艺只能满足中低端产品的生产要求，且风机冷却能力受限，加大风机功率又会增加能耗。ＤＬＰ和ＥＤＣ工艺适合高碳钢等拉丝材生产，热集卷工艺适合冷镦钢、不锈钢的生产。通常热集卷布置在风冷线中间，吐丝机出口风冷线输入段后布置热集卷就无法布置风机，因此不适合快冷钢种的生产。为此作者提出一种新的设计方案，即散卷采用转弯辊道输出，在旁边设热集卷，生产快冷钢种时横移带有垂直风机的替换辊道来实现热集卷和快速风冷的结合，。并且可以在后面集成ＤＬＰ或ＥＤＣ设施，采用整体框架横移替换，可以满足多种钢种的轧后控冷需求。

4高速线材轧制工艺的优化

高速线材轧制选用140mm*140mm方坯，长度在14米左右的普通碳素钢进行分析，采用步进式混合煤气加热炉，基本可以满足普通碳素钢的轧制温度要求，其加热温度都是可以智能控制和人为介入。由于碳钢的成形温度范围比较狭窄，对温度特别敏感，会加大轧制的难度。因此，合理的温度对普通碳素钢轧制具有重要作用。

轧制普通碳素钢的高速线材主要工序大致可以分为坯料准备、坯料加热、轧制和冷却制度。其中每一个具体步骤如下∶

(1)坯料的准备∶普通碳素钢线材轧制坯料需要经过熔炼、熔炼、浇注、开坯、连轧而成，高速线材轧制用原料一般为140mm*140mm方坯，长度在14米左右，进行熔炼、轧制等过程，为下一步做准备。

(2)坯料的加热∶由于普通碳素钢在导热方面性能较差，导致其加热方式和加热时间都有着严格的要求，如果其加热时断面温差过大，会导致轧机的轧制效果不佳;另一方面，普通碳素钢具有高反应活性，当温度差异较高时就会发生强烈的反应。因此，对于坯料的加热和加热设备具有严格要求，一般在加热的电热炉会加装感应加热，这样能够有效的控制加热速度和温度，使得普通碳素钢的断面受热更加均匀。

(3)碳钢的轧制∶当普通碳素钢的坯料在加热炉中达到一定的温度后，才能将其送至轧制机进行轧制。轧制保温一般需要5min,普通碳素钢在加热时温度不同,对其温度要进行实时的调整。开轧温度一般设定在850℃~900℃左右,精轧成品速度为1200转/m左右。

(4)碳钢的冷却∶热轧完成之后，需要进行冷却，直至降至室温。对冷却过程的要求也是十分严格的，如果冷却的过程不顺，就可以在应力作用下，出现外部或内部裂纹，因此一般需要采取空冷、水冷等方式。

(5)轧制的速度∶针对轧制而言，其轧制速度也对碳钢轧制具有重要影响，其轧制速度还与轧机的功率和配电设备等相关，如果速度太高，不然增加了轧机的耗电量，对轧机的设备要求也是相当之高，磨损也会比较严重，这会导致产品的合格率受影响，因此选择合适的速度对机械设备和电力设备以及高速线材轧制过程具有重要意义。

对于高速线材轧制过程，需在工艺上要不断的优化和提高其轧制的性能。通过对普通碳素钢线材高速轧制的分析，可以从如下几个方面去提高和优化轧制工艺∶

(1)轧制速度进一步提高使轧机生产能力提高

由于当前的高速线材轧制最高的速度已达到120m/s，稳定的速度也将达到112m/s。其碳钢的直径已经扩大到26mm，如果能将单线轧制优化和提高至双线或者多线进行轧制，这必然会使得轧制的产量得到飞速的发展，间接的降低了轧制成本。

(2)采用连铸坯热送热装工艺

高速线材轧机可以采用铸坯为原料，与初轧坯相比，这样会使得金属的提炼所需的能耗降低10%左右，这样降低燃料消耗,提高加热质量，减少金属损耗。为生产可替代进口的高附加值产品，在不断提高轧制技术水平的同时，要高度重视炼钢，以及连铸技术的同步发展。

为降低精轧机开轧温度，国外新建轧机分别在中轧机组前后增设水冷箱，以保证精轧温度为900℃;可以在无扭精轧机架之间设水冷导管，以使线材终轧温度为800℃，超重型轧机可以满足700～750℃的轧制要求。

采用连铸坯热工艺技术代替传统工艺，在进行高速线材轧制的过程中,可以使用铸坯作为原料替代初轧坯的方式。这样可以大大减少轧制过程中的能耗损失,可以达到10%左右的。这样就可以大量的减少金属在轧制过程中的损失,有效地提高加热质量。为了生产可以具有高质量的高速线材,可以使用连铸空坯工艺技术,这种最先进的技术可以不断的提高轧制的技术水平,生产出高质量的钢铁。为了保证高速线材轧制的质量,要尽量降低开轧的温度。目前,国外的机械设备增设了水冷箱,保证轧制的精轧温度可以控制在900℃。也可在轧制机中设置冷水头导管,这样可以将终轧温度控制在800℃。超重轧制机可以满足700℃~750℃的轧制要求。

轧制的形式，由于轧制采用了单线布置，如果采取全线无扭的方式，就可以减少了因轧件扭转造成的表面和内部缺陷。由于粗轧机的轧件断面较大，不能采用活套无张力轧制，因此需要采用微张力的形式进行控制。为实现无扭精轧机增速，原侧交45°轧机改为顶交45°V型轧机，向下旋转90°，使得设备重心下降，两根传动轴接近底面基础，机组重量较轻，倾动力矩减小。同时轧线标高下降450mm，使设备重心下降，因而具有刚性增大，振动减少，运行稳定，噪音低，视野开阔，换鲲检修方便等优点。

5结论与展望

控轧控冷技术是高速线材发展的主要标志，通过引进关键设备和模型，我国在轧线上的控轧控冷已实现温度闭环控制，同时热机轧制工艺得到充分发展，达到或接近国际先进水平；但轧后控冷工艺与国际一流厂家相尚有差距。需重视并加大轧后控冷工艺的研究，由于各钢种需要的工艺不同，轧后控冷也不可能由一种形式满足所有产品生产的需求，应综合考虑，在吸收、消化国内外各工艺特点的基础上走出企业自己的轧后控冷技术之路，以提高产品质量，降低生产成本。

可以利用该温度模拟软件对影响线材轧制全过程温度变化的工艺因素进行分析，得到如下结论：在其他条件不变的情况下，线材直径越小，冷却越快，横截面温差也越小；在其他条件不变的情况下，精轧出口速度越高,温度下降得越慢,吐丝温度也越高；在其他条件不变的情况下，冷却水水流密度越大，线材与冷却水的热量交换越快，导致线材表面温度下降越快，通过模拟高线轧后水冷过程温度变化可以为现场的水流量调节提供量化的参考。

致谢

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