CN108441611B - 优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金优质大棒材控温冷却生产技术领域，特别公开了一种优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统及生产方法，即先通过环缝式水箱对优质大棒材进行高水压、高流量的快速冷却，再通过喷环进行低水压、低流量的顺序/往复冷却，从而实现优质大棒材“淬火+低温回火”在线热处理工艺，达到控制冷却速度和冷却时间、提高轧件表面温度均匀性、降低热处理成本以及运营成本等目的。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，具体涉及一种优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统及生产方法。
背景技术
近年来，我国钢铁产能过剩、长材市场竞争激烈，竞争形式已从产量竞争向技术竞争与成本竞争转变。轧后控冷技术作为提高棒材机械性能的有效方法在近期得到快速发展。由于该技术可简化甚至省略热处理工序，降低生产成本，缩短线材生产周期，并提高生产效率，因此具有较好的经济效益和社会效益。
由于优质大棒材冷却断面上和圆周上冷却的不均匀性，优质大棒材控温水冷是一项非常难以解决的技术问题，目前国内只有少数几个优质大棒材生产厂家使用优质大棒材轧后控温水冷技术，而且主要集中在对Φ75mm以下圆钢进行冷却。控冷技术可有效提高产品组织性能，尤其是对需热处理的优钢优质大棒材，如42Cr2Mo，该钢为超高强度钢，具有高强度和韧性，淬透性也较好，无明显的回火脆性，淬火时变形小，调质处理后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧度良好,高温时有高的蠕变强度和持久强度。该钢通常生产中需采用热处理生产工艺，包含在线热处理生产工艺及离线热处理工艺，热处理工艺包含淬火及回火工艺，对于小规格棒材由于芯表温差较小，棒材可采用水箱冷却，淬火后芯部可很快冷却至低温。但是表层温度在棒材离开水箱后迅速回复至高温，采用较多的水箱冷却将带来水冷系统成本大幅度提升，采用离线热处理方式需重新加热保温。生产成本更加高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统及生产方法，以解决优质大棒材控冷装置冷却能力不足，冷却过程中冷却强度不够、芯表不均，淬火及回火工艺复杂等问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统，包括轧制机组，还包括沿生产方向依次设置在轧制机组后方的环缝式水箱以及喷环；环缝式水箱主要由正向环缝喷嘴、反向环缝喷嘴以及湍流管组成，正向环缝喷嘴上设有进水管道，反向环缝喷嘴上设有出水管道，正向环缝喷嘴及反向环缝喷嘴对应安装在湍流管两端并与湍流管构成封闭式水路，若干个喷环依次间隔布置。
进一步，各喷环之间设有辊道。
进一步，环缝式水箱两端设有辊道。
进一步，正向环缝喷嘴的喷射角为20°～90°，反向环缝喷嘴的反向喷射角度为20°～90°。
进一步，正、反向环缝喷嘴的公称直径与待冷却棒材直径的差值范围为15mm～50mm。
进一步，环缝式水箱数量为1个或2个，各环缝式水箱的长度为1.0m～2.0m。
进一步，环缝式水箱与喷环一侧还设有旁通辊道。
一种优质大棒材“淬火+低温回火”生产方法，主要包括以下步骤：
(1)将轧制后的优质大棒材送入环缝式水箱内进行快速冷却，后送入喷环中进行顺序冷却或往复冷却；
(2)控制正、反向环缝喷嘴的公称直径与待冷却棒材直径的差值范围在15mm～50mm，正、反向环缝喷嘴的水压为0.01MPa～2.0Mpa，正向喷射角及反向喷射角为20°～90°；
(3)控制喷环喷嘴水压为0.01MPa～0.1Mpa。
进一步，经轧制机组轧制后的棒材表面温度为850℃～1000℃，经环缝式水箱快速冷却后棒材表面温度降至200℃以下。
本发明的有益效果在于：
1)生产冷却线紧凑，冷却距离短，节省了厂房面积；
2)系统结构简单，可操作性强；
3)对冷却设备磨损小，可实现配件部分更换，拆装方便，降低了生产维护成本；
4)适用于生产棒材Φ50.0mm及以上规格范围内所有产品；
5)冷却工艺简单，可实现优质大棒材“淬火+低温回火”在线热处理工艺，有效提高了轧件表面温度均匀性，易实现冷却速度和冷却时间的有效控制；
6)可有效提高优质大棒材控冷生产效率，减少生产运行中能耗，有效降低生产成本，提高生产利润，给企业带来显著经济效益，提升企业竞争力。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的系统示意图(顺序式喷环)；
图2为本发明的系统示意图(往复式喷环)；
图3为环缝式水箱的结构示意图；
图4为环缝式水箱的侧面结构示意图；
图5为喷环结构示意图；
图6为喷环结构俯视图；
图7为喷环喷水状态示意图；
图8为优质大棒材冷却后表层金相组织状态图；
图9为优质大棒材冷却后芯部金相组织状态图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明中的优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统，包括沿生产方向依次设置的轧制机组1、环缝式水箱2以及喷环3；其中环缝式水箱2是由正向环缝喷嘴21、反向环缝喷嘴22以及湍流管23组成，正向环缝喷嘴21上设有进水管道24，反向环缝喷嘴22上设有出水管道25，正向环缝喷嘴21及反向环缝喷嘴22对应安装在湍流管23两端并与湍流管23构成封闭式水路，若干个喷环3依次间隔布置。
该系统中，轧制机组1可为短应力线式棒材轧制机组或牌坊式棒材轧制机组或棒材减定径机组，环缝式水箱2由多个设备组合而成，冷却水从进水管道24进入流经湍流管23再从出水管道25流出实现封闭冷却，而置于其内的优质大棒材因处于封闭环境，使得其受到的水压更大，从而通过该高水压过程实现了优质大棒材的快速降温。为防止因芯表温差导致的棒材表面温升回复，对应的，位于环缝式水箱2后方的喷环3则通过低水压、低流量喷射实现棒材冷却，该过程是在开放环境对优质大棒材进行喷水冷却，此时，优质大棒材受到的水压较小，冷却过程较为平缓，该部分冷却在保证表层温度不返红的同时，通过芯表热量传递，实现了优质大棒材芯部温降。
为保证棒材冷却时间，该系统中的喷环3可有多组，具体数量根据棒材尺寸进行设定，以实现喷环顺序冷却。各喷环3之间可设置辊道，以保证优质大棒材冷却过程中运行稳定。当然，喷环数量也可以仅设置1组～2组，此时棒材在喷环中进行往复冷却，既保证了冷却效果，又节省了场地；最后将水冷后的优质大棒材运至冷床及后续收集装置进行收集。
该生产系统中，正向环缝喷嘴21的喷射角为20°～90°，反向环缝喷嘴22的反向喷射角度为20°～90°；正、反向环缝喷嘴的公称直径与待冷却大棒材直径的差值范围为15mm～50mm。
此处正向环缝喷嘴的朝向/喷射方向与轧件的运行方向一致，而反向环缝喷嘴的朝向/喷射方向与轧件的运行方向相反。通过控制正向环缝喷嘴角度及环缝宽度变化，可提高大棒材单位面积水流密度，从而优化不同规格大棒材的冷却效果。而反向环缝喷嘴则抑制冷却水从湍流管23中流出，使冷却水通过出水管道25流出，保证了冷却水充满整个湍流管23，从而提高了大棒材冷却均匀性。
此处的湍流管23作为冷却管，其通过湍流管段实现冷却通道的发散和聚敛变化，使冷却水具备紊流特征，冷却水除沿着轧向及轴向流动外，还有压力变化，从而在轧件表面形成剧烈扰动，促进水流与棒材充分交流，同时冲击棒材表面蒸汽膜，提高大棒材表面冷却效果，该冷却方式较直管冷却效率提高30％以上。
该生产系统中，为保证冷却过程中优质大棒材与环缝式水箱有更好的同心度，同时提高冷却效果，环缝式水箱2数量可设置成1个或2个，各环缝式水箱2的长度为1.0m～2.0m。对应的，环缝式水箱2两端也设有辊道4，用以保证优质大棒材的运行稳定性。
该生产系统中，环缝式水箱2与喷环3一侧还设有旁通辊道5。不同规格的优质大棒材冷却时需配备对应规格的旁通辊道5，生产时可通过水冷阀台的移动实现对应规格棒材的冷却，优质大棒材进行空冷时，则通过旁通辊道5通过。
利用上述生产系统对优质大棒材进行“淬火+低温回火”的生产方法，主要包括以下步骤：
(1)轧制：采用短应力线式棒材轧机或牌坊式棒材轧机或棒材减定径机组，经多道次轧制得到优质大棒材，轧制时每一架轧机前后均设有导卫，轧制过程中控制每道次的延伸系数为1.10～1.45，每道次宽展系数为0.1～0.25，轧制过程中钢坯运行速度为0.1m/s～12.0m/s，钢坯温度为850℃～1000℃。
(2)喷嘴快速冷却：采用飞剪剪切掉步骤(1)中所述材料的头尾形状不规则处，采用环缝式水箱对优质大棒材进行快速冷却；其中，正向环缝喷嘴的正向喷射角为20°～90°，反向环缝喷嘴的反向喷射角为20°～90°，不同规格的优质大棒材冷却时配备对应规格的冷却喷嘴，即控制环缝式水箱的正、反向喷嘴公称直径(名义直径)与待冷却棒材直径的差值范围15mm～50mm，同时控制正、反向环缝喷嘴的水压为0.01MPa～2.0MPa。
为保证冷却过程中优质大棒材与环缝式水箱有更好的同心度，同时提高冷却效果，单个水箱长度为1.0m～2.0m，水箱数量为1个或2个，喷嘴快速冷却后优质大棒材表面温度降至200℃以下。
(3)喷环顺序冷却或往复冷却：将步骤(2)中所述棒材进行喷环冷却，防止因芯表温差导致的棒材表面温升回复，即“返红”现象，通过喷环低水压、低流量喷射，实现棒材冷却，通过该部分冷却保证表层温度不返红的同时，通过芯表热量传递，实现优质大棒材芯部温降。
控制喷环喷嘴水压为0.01MPa～0.1MPa，喷环数量根据棒材尺寸设定，为节省场地，喷环数量可以设置为1组～2组，此时棒材在喷环中进行往复冷却，例如Φ90mm棒材在喷环中冷却时间不少于3min；各喷环之间设置辊道，保证优质大棒材冷却过程中运行稳定。
(4)收集：最后将水冷后的优质大棒材运至冷床及后续收集装置进行收集。
以Φ100mm某优质钢大棒材为例，在实验室条件下进行该棒材的“淬火+低温回火”实验：
大棒材先进入环缝式水箱进行快速冷却，其中正向环缝喷嘴的正向喷射角为50°，反向环缝喷嘴的反向喷射角为65°，正、反向喷嘴公称直径与棒材直径的差值为30mm，正、反向环缝喷嘴的水压为0.1MPa，将棒材表面温度降至190℃。
后进入喷环冷却区进行往复式冷却，喷环水压为0.05MPa，喷环冷却时间5分钟，冷却完成后大棒材返红温度低于200℃。实验完成后分别检测大棒材表面及心部的显微组织及力学性能。
从棒材不同位置的金相组织可以看出，表面组织全部为马氏体；在棒材心部，出现了占比较多的马氏体、铁素体和少量珠光体混合组织，马氏体含量达到70％。对比棒材不同位置的力学性能由表层至芯部抗拉强度逐渐降低，延伸率逐渐提高，与微观组织的变化规律相同。
| 试样编号 | 取样位置 | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(％) |
| 1 | 距离表层2mm处 | 1326.01 | 16.94 |
| 2 | 距离表层2mm处 | 1421.22 | 17.94 |
| 3 | 距离表层50mm处 | 937.67 | 18 |
| 4 | 距离表层50mm处 | 1086.21 | 20.11 |
表1优质大棒材冷却后力学性能对比表
由此可见，此种生产系统及生产方法可以实现优质大棒材“淬火+低温回火”在线热处理工艺，可有效提高轧件表面温度均匀性，易实现冷却速度和冷却时间的有效控制；且其生产冷却线紧凑，冷却距离短，节省了厂房面积；可大大降低热处理成本，降低了投资及运营成本；可生产棒材Φ50.0mm及以上规格范围内所有产品。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统，包括轧制机组，其特征在于：还包括沿生产方向依次设置在轧制机组后方的环缝式水箱以及喷环；环缝式水箱主要由正向环缝喷嘴、反向环缝喷嘴以及湍流管组成，正向环缝喷嘴上设有进水管道，反向环缝喷嘴上设有出水管道，正向环缝喷嘴及反向环缝喷嘴对应安装在湍流管两端并与湍流管构成封闭式水路，若干个喷环依次间隔布置。
2.根据权利要求1所述的优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统，其特征在于：各喷环之间设有辊道。
3.根据权利要求1所述的优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统，其特征在于：环缝式水箱两端设有辊道。
4.根据权利要求1所述的优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统，其特征在于：正向环缝喷嘴的喷射角为20°～90°，反向环缝喷嘴的反向喷射角度为20°～90°。
5.根据权利要求1所述的优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统，其特征在于：正、反向环缝喷嘴的公称直径与待冷却棒材直径的差值范围为15mm～50mm。
6.根据权利要求1所述的优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统，其特征在于：环缝式水箱数量为1个或2个，各环缝式水箱的长度为1.0m～2.0m。
7.根据权利要求1所述的优质大棒材“淬火+低温回火”生产系统，其特征在于：环缝式水箱与喷环一侧还设有旁通辊道。
8.一种优质大棒材“淬火+低温回火”生产方法，其特征在于主要包括以下步骤：
(1)将轧制后的优质大棒材送入环缝式水箱内进行快速冷却，后送入喷环中进行顺序冷却或往复冷却；
(2)控制正、反向环缝喷嘴的公称直径与待冷却棒材直径的差值范围在15mm～50mm，正、反向环缝喷嘴的水压为0.01MPa～2.0Mpa，正向喷射角及反向喷射角为20°～90°；
(3)控制喷环喷嘴水压为0.01MPa～0.1Mpa。
9.根据权利要求8所述的优质大棒材“淬火+低温回火”生产方法，其特征在于：经轧制机组轧制后的棒材表面温度为850℃～1000℃，经环缝式水箱快速冷却后棒材表面温度降至200℃以下。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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