CN118616480B - 一种提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金中的螺纹钢技术领域，特别涉及一种提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的装置、系统及方法。该装置，包括：轧后轻穿水机构，用于对轧后的钢筋进行初步的轻穿水冷却；垂直提升机构，用于逐层容纳和依次提升经过轧后轻穿水机构的钢筋；气雾冷却机构，在垂直提升机构的每一层上均对应设置气雾冷却机构，用于对通过垂直提升机构的每层钢筋进行气雾冷却。本发明解决了平铺式钢筋(现有冷床中钢筋的分布方式)与水蒸气反应不充分的问题和水蒸气的廉价获得问题，即廉价的获得了水蒸气，又利用了水蒸气受热上升这一物理现象，使水蒸气和钢筋充分反应。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金中的螺纹钢技术领域，特别涉及一种提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的装置、系统及方法。
背景技术
余热处理钢筋是对热轧钢筋进行穿水的钢筋，将热轧钢筋进行穿水冷却，在短时间内钢筋的表面温度由900℃冷却至600℃左右，穿水后钢筋芯部向钢筋表面传输热量，表面回温至800℃左右后上冷床冷却，可提高钢筋强度，减少合金加入量，但余热处理钢筋表面比普通热轧钢筋表面容易生锈，其原因可以进行如下解释：普通热轧钢筋的终轧温度一般在900℃以上，由于不经穿水处理，钢材表面被氧化生成比较厚的氧化铁皮，表层主要是四氧化三铁，氧化铁皮在冷却、收集过程中可能会有部分脱落，但一般不会被大量破坏，由于四氧化三铁常温下在空气中非常稳定，所以这层氧化铁皮包裹在钢筋表面起到保护钢筋基体不易被腐蚀的作用，所以普通热轧钢筋的表面不容易生锈。余热处理钢筋终轧后需要穿水快速冷却，穿水后的钢筋表面温度一般在600℃，在短时间内钢筋的表面温度由900℃冷却下来，由于热胀冷缩的作用，钢筋表面的氧化铁皮与钢筋基体的结合不再紧密，氧化铁皮变得相对比较疏松，与此同时，由于穿水时水的压力较大，一般不小于1.0MPa，于是在水的冲击作用下氧化铁皮发生脱落，经过穿水冷却后的钢筋，经过自回火表面温度有一定的上升，最高可以达到800℃左右，并生成一定厚度的四氧化三铁保护层，但余热处理钢筋表面后期生成的四氧化三铁保护层还是不如热轧钢筋致密，因此造成表面抗锈蚀能力差。
在适当的温度下，钢筋与水蒸汽反应一段时间，由于水蒸气的氧化性比氧气稍差，反应产物主要为Fe3O4，而不是Fe2O3，钢件表面将形成一层深黑色的氧化物(3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2)，其主要成分是Fe3O4，并且水蒸气中的氧元素质量占比(水蒸气中氧元素质量占比94％)远高于空气中的氧元素质量占比(氧气在空气中体积占比21％)，有利于大量Fe3O4的生成，因此生成的这层氧化物较为致密，具有一定的耐磨性且不易脱落，但现有技术中关于水蒸气的廉价获得一直是一个很难解决的问题。专利CN 201210457049公开了提供一种用于钢材生产的矫直板以及矫直方法，该矫直板包括第一部分和在第一部分上形成的第二部分，第二部分包括在第一部分的上表面间隔一定距离地形成的多个格栅，在格栅的顶部设置有多个齿，同一格栅的相邻齿之间形成用于放置钢材的槽口，在矫直板上还形成有表面处理介质储存槽，表面处理介质储存槽由相邻的两个格栅和第一部分的上表面围成，该表面处理介质储存槽存储的表面处理介质吸收钢材冷却时散发的热量，蒸发后达到钢材的表面，改变钢材表面结构而在钢材表面生成致密防锈层。该发明在提供矫直作用的基础上，能够起到对轧件表面氧化铁皮进行改质的作用，达到防锈、提高轧件表面质量的目的，从而简化工艺，减少工序，降低成本。但由于热钢筋不与储存槽中的冷却水直接接触，热钢筋向储存槽中的冷却水传输的热量有限，水蒸气产生量少，不足以生成足够厚度的Fe3O4氧化层。
发明内容
针对以上存在的问题，本发明提供一种提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的装置、系统以及方法，该装置，包括：
轧后轻穿水机构，用于对轧后的钢筋进行初步的轻穿水冷却，钢筋出穿水箱后钢筋表面温度为800～850℃，回温后钢筋表面温度为900～950℃；
垂直提升机构，用于逐层容纳和依次提升经过轧后轻穿水机构的钢筋；
气雾冷却机构，在垂直提升机构的每一层上均对应设置气雾冷却机构，用于对通过垂直提升机构的每层钢筋进行气雾冷却。
优选地，所述垂直提升机构包括沿水平方向间隔布置的若干个托升组件，托升组件位于卸钢侧和冷床之间；托升组件中装有重力感应组件；
所述装置还包括动力机构，用于驱动若干个托升组件以同步长及同步频的方式运行。
优选地，所述每层气雾冷却机构的长度与冷床长度相同，每层气雾冷却机构包括若干冷却喷嘴，气雾喷嘴对准位置均是对准提升装置中的每层钢筋。
本发明提供一种提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的系统，包括：冷却控制模块，用于控制轧后轻穿水机构，垂直提升机构和气雾冷却机构；
冷却控制模块包括测温单元、流量计、压力表、气动调节阀和冷却水量计算模块；
测温模块包括对进垂直提升机构的钢筋表面进行测温、气雾冷却结束时的钢筋表面进行测温；
冷却水量计算单元根据气雾冷却结束时的钢筋表面目标温度设定值、进垂直提升钢筋装置的钢筋表面温度实际检测值、气雾冷却结束时的钢筋表面温度实际检测值以及生产工艺参数计算冷却水喷淋量。
本发明提供一种所述提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的方法，包括以下步骤：
轧后通过轧后轻穿水机构对钢筋进行轻穿水冷却，然后通过垂直提升机构逐层依次提升钢筋，对通过垂直提升机构的每层钢筋采用气雾冷却机构进行冷却，在钢筋被提升至垂直提升机构的最后一层后，进入冷床中冷却。
具体地，本发明采用了如下技术方案：轧后对钢筋进行轻穿水冷却，然后向临上冷床的钢筋进行气雾冷却并产生水蒸气，水蒸气上升过程中与其他钢筋的表面发生氧化反应生成Fe3O4氧化层，包含轧后轻穿水机构、对钢筋进行冷却的气雾冷却机构和垂直提升钢筋机构。
轧后轻穿水机构：穿水水箱共两组，第一组长度为6～7m、第二组长度为5～6m。控制水箱内冷却水总流量为：300～500m3/h水压力为：0.6～1.0MPa，钢筋在水箱内运行速度为3～14m/s，每小时过钢量为：100～150吨，进穿水箱前钢筋表面温度为950～1050℃，出穿水箱后钢筋表面温度为800～850℃，回温后钢筋表面温度为900～950℃。
垂直提升机构：所述垂直提升机构包括沿水平方向间隔布置的若干个托升组件，所述托升组件由驱动齿轮、从动齿轮、链条、钢筋托杆组成，驱动齿轮位于从动齿轮正上方，驱动齿轮圆心点和从动齿轮圆心点之间的距离为1.2-2m，驱动齿轮的齿顶圆直径为30-40cm，齿间距为5-10cm，驱动齿轮和从动齿轮的大小形状相同，钢筋托杆为棒状物，钢筋托杆的长度为10-20cm，钢筋托杆之间的间距为10-20cm，钢筋托杆固定在链条上，并沿链条长度方向均匀分布，钢筋托杆所在的直线与驱动齿轮所在的平面平行，钢筋托杆与链条间的角度为30～60°，链条以环绕方式连接驱动齿轮和从动齿轮，链条随齿轮转动过程中可带动钢筋托杆沿两个齿轮转动。
在紧挨冷床位置沿直线方向布置20-40个托升组件，该20-40个托升组件构成垂直提升机构，垂直提升机构位于卸钢侧和冷床之间，轻穿水后的钢筋经倍尺剪分段后可从卸钢装置直接卸入托升组件的钢筋托杆上，垂直提升钢筋机构的若干个托升组件按步长运行，行走的步长和钢筋托杆之间的间距相同，该20-40个托升组件以同步长、同步频的方式运行，第一次使用时，调整20-40个托升组件，使得每个托升组件中的一个钢筋托杆位于能承接卸钢侧卸下钢筋的位置处，托升组件中装有重力感应装置，每当卸钢侧将钢筋卸入垂直提升机构后，垂直提升钢筋感应到重力增加，该20-40个托升组件同时向上行走一步，然后钢筋提升装置运动暂停，暂停后，每个托升组件中的一个钢筋托杆仍位于能承接卸钢侧卸下钢筋的位置处，下一个钢筋卸入后，托升组件再向上提升一步，如此循环往复。该20-40个托升组件可共同将定尺后的钢筋从下部向上部抬升1.2-2m，并使托升组件的一侧的钢筋沿从下到上成行分布，钢筋被提升至最高点后，沿托升组件的另一侧在重力作用下通过滑轨滑入步进式冷床中冷却，然后步进式冷床以现有技术对钢筋进行冷却和移动。
对钢筋进行冷却的气雾冷却机构：由于垂直提升机构面向卸钢侧的钢筋托杆上有从下到上成行分布的钢筋，对钢筋进行冷却的气雾冷却机构为向成行分布的钢筋喷淋气雾进行冷却的装置，共有四层，分别对垂直提升机构最底部的四层钢筋进行冷却，每层气雾冷却机构的长度与冷床长度相同，每层气雾冷却机构有一条气雾喷嘴冷却线，四层冷却喷嘴的喷淋方向分布为右偏上35-50度方向、左偏上35-50度方向、右偏下35-50度方向、左偏下35-50度方向，冷却喷嘴对准位置均是对准垂直提升机构中的每层钢筋。
冷却控制模块：冷却控制模块由测温单元、流量计、压力表、气动调节阀和冷却水量计算单元组成，测温单元包括对进垂直提升机构的钢筋表面进行测温、气雾冷却结束时的钢筋表面进行测温，冷却水量计算单元根据气雾冷却结束时的钢筋表面目标温度设定值、进垂直提升钢筋装置的钢筋表面温度实际检测值、气雾冷却结束时的钢筋表面温度实际检测值以及生产工艺参数计算冷却水喷淋量，通过流量计、压力表、气动调节阀对水流量进行具体控制，具体计算方法及冷却工艺为：
(1)、模型根据气雾冷却结束时的钢筋表面目标温度设定值、进垂直提升机构的钢筋表面温度实际检测值以及轧制工艺参数计算出冷却水喷淋量，计算公式为：
(A)、单位长度钢筋冷却至目标温度所需的喷水量与钢筋重量、喷雾冷却后产生的温降成正比。
V＝K1*N*7.85*3.14*r2 *(T进-T目标 - T散) ①
(B)、单位长度钢筋以自然散热的方式向空气中散发的热量与钢筋表面积、散热时间、钢筋温度、钢材的散热系数成正比。
Q散＝ K2*N* t*2*3.14*r(T目标+T进)/2 ②
(C)、单位长度钢筋以自然散热的方式向空气中散发的热量与钢筋重量、钢筋比热容、散热温降成正比。
Q散＝ K3*N*7.85*3.14*r2 *T散 ③
(D)、联立①②③式，消掉Q散、T散得：
V＝K1*N*7.85*3.14*r2 *(T进-T目标 - K2* t(T目标+T进)/( K3 *7.85*r)) ④
(E)、气雾冷却结束时，对钢筋表面进行温度检测，并利用下式⑤计算出修正后的比例系数。
K修正＝ V/(N*7.85*3.14*r2 *(T进-T出 - K2* t(T出+T进)/( K3 *7.85*r)) ) ⑤
(F)、气雾冷却总供水量：V总＝V*L ⑥
式①～⑥中V为每分米长度钢筋冷却至目标温度所需的喷水量,(L/dm)；K1为比例系数，(L/(kg·℃))，本发明中为0.002；N为单层钢筋托杆上的钢筋根数；r为钢筋半径，(dm)；T目标为气雾冷却结束时的钢筋表面目标温度设定值，(℃)；T进为进垂直提升机构的钢筋表面温度实际检测值，(℃)；T出为气雾冷却结束时的钢筋表面温度实际检测值，(℃)；T散为钢筋进垂直提升机构至气雾冷却结束阶段以自然散热的方式向空气中散热导致的温度降低值，(℃)；Q散为每分米长度钢筋以自然散热的方式向空气中散发的热量，(W)；K2为钢筋的散热系数(W/dm2·℃)，本发明中取值为0.39；t为钢筋进垂直提升机构至气雾冷却结束阶段的时间，(s)；K3为钢的比热容(J/(kg·℃)，本发明中取值为460；V总为垂直提升机构中的钢筋冷却至目标温度所需的喷水量喷水量，(L)；L为垂直提升钢筋装置的长度，(dm)；
K修正为修正后的比例系数(L/(kg·℃))，如果K修正和K1的偏移量达到10％以上，则以修正后的比例系数K修正代替K1，以式④来计算下一根进入垂直提升钢筋机构的冷却水喷水量，并持续的对随后气雾冷却结束时的钢筋表面进行实时温度、并根据式⑤计算是否需要修正K1。
(2)、冷却工艺：
垂直分布的四层气雾冷却装置从下到上依次为，第一层冷却喷嘴、第二层冷却喷嘴、第三层冷却喷嘴、第四层冷却喷嘴，冷却喷嘴的水压力为：0.2～0.3Mpa，气压力为：0.3～0.4Mpa，气体流量为10-15Nm3/吨钢，第一层冷却喷嘴的总水流量范围设定为：4～14L/s。第二层冷却喷嘴的总水流量设定为：0～12L/s，优选为1～12L/s。第三层冷却喷嘴的总水流量设定为：0～10L/s，优选为1～10L/s。第四层冷却喷嘴的总水流量设定为：0～8L/s，优选为1～8L/s。
气雾冷却喷嘴与钢筋的距离为90-100mm，冷却喷嘴在钢筋长度方向上的喷射角度为90～110°，气雾冷却喷嘴在钢筋长度方向上的间距为160-200mm。
根据冷却水所需的总量来确定冷却喷嘴的开启层数，冷却喷嘴开启的优先级顺序为：第一层冷却喷嘴＞第二层冷却喷嘴＞第三层冷却喷嘴＞第四层冷却喷嘴，使得各层冷却水喷入量之和等于冷却水喷入量的计算值。
垂直提升钢筋的机构面向卸钢侧的钢筋层数为10-12层，控制第四层处的钢筋温度为600～700℃，控制钢筋在垂直提升机构中的气雾冷却段的平均冷速为：
3.5-12℃/s，气雾冷却段对钢筋产生加速冷却效果，在该温度范围和冷速下有利于晶粒细化，但不会生成贝氏体相。产生的水蒸气还能与提升装置里的钢筋表面发生如下氧化反应生成致密的Fe3O4层。
3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2
垂直提升机构底部布置有水槽，用于盛接冷却钢筋后向下滴落的气雾冷却水，水槽中的水流入水循环装置，经过滤后被再次用于钢筋气雾冷却。
与现有技术相比，本发明的优势为：
1、本发明对精轧后的螺纹钢进行三段式冷却，分别为轻穿水冷却、气雾冷却、空冷，从高温到低温的冷速速率逐渐变低。首先减轻了穿水冷却的冷却强度，有利于避免过冷组织的出现，并减少了钢筋表面氧化层脱落现象的发生；在气雾冷却段采用中等冷速对钢筋进行冷却，控制钢筋在气雾冷却段的表面温度高于600℃，由于钢筋在580度以上不发生贝氏体转变，因此在气雾冷却段以中等冷速对钢筋进行冷却既能提高钢筋强度又不会生成贝氏体等不合格组织(国标要求不能有贝氏体环)，气雾冷却段还能产生廉价的水蒸气，水蒸气与钢筋表面发生反应后能生成致密四氧化三铁层，气雾冷却对冷却均匀性的提升也有好处；钢筋600℃以下进行常规空冷，该温度为铁素体+珠光体组织的生成温度，铁素体+珠光体为热轧钢筋最期望生成的组织，钢筋600℃以下进行常规空冷有利于铁素体+珠光体组织的生成。
2、本发明设计了钢筋垂直提升机构，该机构能使多根横向钢筋从下到上依次分布和运动，还能对垂直提升机构中的钢筋进行气雾冷却，气雾遇高温钢筋后产生的水蒸气在上升过程中与垂直分布的钢筋发生反应生成致密的Fe3O4层，解决了平铺式钢筋(现有冷床中钢筋的分布方式)与水蒸气反应不充分的问题和水蒸气的廉价获得问题，即廉价的获得了水蒸气，又利用了水蒸气受热上升这一物理现象，使水蒸气和钢筋充分反应。
3、本发明提供了气雾冷却用水量的计算模型，能根据钢筋表面目标温度和检测温度精确计算不同规格钢筋的冷却水使用量，有利于钢筋组织和强度的精确控制。
附图说明
图1为本发明提供的垂直提升机构示意图；
图2为钢筋在垂直提升机构中的冷却过程示意图；
图3为四层气雾冷却装置中的冷却喷嘴方向示意图；
图4a为实施例1、对比实施例1、对比实施例2所生产出钢筋在户外暴露12天下的耐腐蚀情况对比；图4b为实施例1、对比实施例1、对比实施例2所生产出钢筋在户外暴露25天下的耐腐蚀情况对比；图4c为实施例1、对比实施例1、对比实施例2所生产出钢筋在户外暴露60天下的耐腐蚀情况对比；图4a、4b、4c中的钢筋从左往右依次均是：实施例1生产出的钢筋、对比实施例1生产出的穿水钢筋、对比实施例1生产出的穿水钢筋、对比实施例2生产出的热轧钢筋、对比实施例2生产出的热轧钢筋、实施例1生产出的钢筋；
附图标记：
1、驱动齿轮；2、从动齿轮；3、链条；4、钢筋托杆；5、钢筋；6、第一层冷却喷嘴；7、第二层冷却喷嘴；8、第三层冷却喷嘴；9、第四层冷却喷嘴；10、气体压力表；11、气体流量计；12、第一气动阀门；13、气源；14、冷却水压力表；15、冷却水流量计；16、第二气动阀门；17、水源；18、进垂直提升机构钢筋表面温度检测位置；19、气雾冷却结束时刻钢筋表面温度检测位置；20、第三气动阀门；21、第四气动阀门；22、第五气动阀门；23、第六气动阀门。
具体实施方式
以下配合说明书附图1-4以具体实施例的方式对本发明提供的一种提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的方法作进一步说明。
实施例1：
某钢厂生产牌号为HRB400E的螺纹钢，钢种成分为：C：0.23％、Si：0.30％、Mn：1.40％、V：0.016％、N：98ppm。
采用本发明提供的一种提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的方法对钢筋进行冷却，具体的为：轧后对钢筋进行轻穿水冷却，然后向临上冷床的钢筋进行气雾冷却并产生水蒸气，水蒸气上升过程中与其他钢筋的表面发生氧化反应生成Fe3O4氧化层，包含轧后轻穿水机构、对钢筋进行冷却的气雾冷却机构和垂直提升机构。
轧后轻穿水机构：穿水水箱共二组，第一组长度为6.5m、第二组长度为5.5m。轧制后的成品钢筋规格直径为Φ20mm，采用双切分轧制工艺，轧后控制水箱内冷却水总流量为：400～450m3/h水压力为0.9MPa，钢筋在水箱内运行速度为13.5m/s，每小时过钢量为：120～130吨，进穿水箱前钢筋表面温度为970～1030℃，出穿水箱后钢筋表面温度为800～850℃，回温后钢筋表面温度为900～950℃。
如本发明附图1所示，垂直提升机构包括沿水平方向间隔布置的若干个托升组件，所述托升组件由驱动齿轮1、从动齿轮2、链条3、钢筋托杆4组成，驱动齿轮1位于从动齿轮2的正上方，驱动齿轮1的圆心点和从动齿轮2的圆心点之间的距离为1.5-2m，驱动齿轮1的齿顶圆直径为31.05cm，齿间距为7.5cm，驱动齿轮1和从动齿轮2的大小形状相同，钢筋托杆4为棒状物，钢筋托杆4的长度为15cm，钢筋托杆4之间的间距为15cm，钢筋托杆4固定在链条3上，并沿链条3长度方向均匀分布，钢筋托杆4所在的直线与驱动齿轮1所在的平面平行，钢筋托杆4与链条3之间的角度为45°，链条3以环绕方式连接驱动齿轮1和从动齿轮2，链条3随齿轮转动过程中可带动钢筋托杆4沿两个齿轮转动。
在紧挨冷床位置沿直线方向布置30个托升组件，垂直提升机构位于卸钢侧和冷床之间，轻穿水后的钢筋经倍尺剪分段后可从卸钢装置直接卸入垂直提升机构的钢筋托杆上，托升组件按步长运行，行走的步长和钢筋托杆4之间的间距相同，该30个托升组件以同步长、同步频的方式运行，第一次使用时，调整该30个托升组件，使得每个托升组件中的一个钢筋托杆4位于能承接卸钢侧卸下钢筋5的位置处，托升组件中装有重力感应装置，每当卸钢侧将钢筋5卸入垂直提升机构后，垂直提升钢筋感应到重力增加，该30个托升组件同时向上行走一步，然后托升组件运动暂停，暂停后，每个托升组件中的一个钢筋托杆4仍位于能承接卸钢侧卸下钢筋5的位置处，下一个钢筋5卸入后，托升组件再向上提升一步，如此循环往复。该30个托升组件可共同将定尺后的钢筋5从下部向上部抬升1.6m，并使托升组件的一侧的钢筋5沿从下到上成行分布，钢筋5被提升至最高点后，沿托升组件的另一侧在重力作用下通过滑轨滑入步进式冷床中冷却，然后步进式冷床以现有技术对钢筋5进行冷却和移动。
钢筋5在垂直提升机构中的冷却过程如附图2所示，由于垂直提升机构面向卸钢侧的钢筋托杆4上有从下到上成行分布的钢筋5，对钢筋5进行气雾冷却机构为向从下到上成行分布的钢筋5喷淋气雾进行冷却的机构，共有四层，分别对垂直提升机构最底部的四层钢筋进行冷却，每层气雾冷却机构的长度与冷床长度相同，每层气雾冷却装置有一条气雾喷嘴冷却线，四层冷却喷嘴的喷淋方向分布如本发明附图3所示，为右偏上45度方向、左偏上45度方向、右偏下45度方向、左偏下45度方向，冷却喷嘴对准位置均是对准提升装置中的每层钢筋。
冷却控制模块：冷却控制模块由测温单元、流量计、压力表、气动调节阀和冷却水量计算单元组成，测温单元包括在进垂直提升机构钢筋表面温度检测位置18、气雾冷却结束时刻钢筋表面温度检测位置19对进钢筋表面进行温度检测，冷却水量计算单元根据气雾冷却结束时的钢筋表面目标温度设定值、进垂直提升机构的钢筋表面温度实际检测值、气雾冷却结束时的钢筋表面温度实际检测值以及生产工艺参数计算冷却水喷淋量，通过冷却水流量计15、冷却水压力表14、第二气动阀门16、第三气动阀门20、第四气动阀门21、第五气动阀门22、第六气动阀门23对从水源17中流出的水流量进行具体控制，具体计算方法及冷却工艺为：
(A)、单位长度钢筋冷却至目标温度所需的喷水量与钢筋重量、喷雾冷却后产生的温降成正比：
V＝K1*N*7.85*3.14*r2 *(T进-T目标 - T散) ①
(B)、单位长度钢筋以自然散热的方式向空气中散发的热量与钢筋表面积、散热时间、钢筋温度、钢材的散热系数成正比。
Q散＝ K2*N* t*2*3.14*r(T目标+T进)/2 ②
(C)、单位长度钢筋以自然散热的方式向空气中散发的热量与钢筋重量、钢筋比热容、散热温降成正比。
Q散＝ K3*N*7.85*3.14*r2 *T散 ③
(D)、联立①②③式，消掉Q散、T散得：
V＝K1*N*7.85*3.14*r2 *(T进-T目标 - K2* t(T目标+T进)/( K3 *7.85*r)) ④
(E)、气雾冷却结束时，对钢筋表面进行温度检测，并利用下式⑤计算出修正后的比例系数。
K修正＝ V/(N*7.85*3.14*r2 *(T进-T出 - K2* t(T出+T进)/( K3 *7.85*r)) ) ⑤
(F)、气雾冷却总供水量：V总＝V*L ⑥
式①～⑥中V为每分米长度钢筋冷却至目标温度所需的喷水量,(L/dm)；K1为比例系数(L/(kg·℃)),本发明中为0.002；N为单层钢筋托杆上的钢筋根数；r为钢筋半径，(dm)；T目标为气雾冷却结束时的钢筋表面目标温度设定值，(℃)；T进为进垂直提升机构的钢筋表面温度实际检测值，(℃)；T出为气雾冷却结束时的钢筋表面温度实际检测值，(℃)；T散为钢筋进垂直提升机构至气雾冷却结束阶段以自然散热的方式向空气中散热导致的温度降低值，(℃)；Q散为每分米长度钢筋以自然散热的方式向空气中散发的热量(W)；K2为钢筋的散热系数(W/dm2·℃)，本专利中取值为0.39；t为钢筋进垂直提升机构至气雾冷却结束阶段的时间，(s)；K3为钢的比热容(J/(kg·℃)，本专利中取值为460；V总为垂直提升机构中的钢筋冷却至目标温度所需的喷水量喷水量，(L)；L为垂直提升机构的长度，(dm)；
K修正为修正后的比例系数(L/(kg·℃))，如果K修正和K1的偏移量达到10％以上，则以修正后的比例系数K修正代替K1，以式④来计算下一根进入垂直提升机构的冷却水喷水量，并持续的对随后气雾冷却结束时的钢筋表面进行实时温度、并根据式⑤计算是否需要修正K1。
将本实施例中的参数K1＝0.002L/kg·℃、N＝2、r＝0.1dm、T进＝930℃、T目标＝630℃、K2＝0.78W/dm2·℃、t＝31.12s、K3＝460J/(kg·℃)、冷床总长度1200dm带入式④、⑥得：
V＝K1*N*7.85*3.14*r2 *(T进-T目标 - K2* t(T目标+T进)/( K3 *7.85*r)) ④
＝0.002*2*7.85*3.14*(0.1)2*(930-630-0.39*31.12*(630+930)/(460*7.85*0.1))
＝0.244L/dm
V总＝V*L ⑥
＝0.244*1200
＝293L
气雾冷却结束时的钢筋表面温度实际检测值T出为600℃，将本实施例中的参数N＝2、r＝0.1dm、T进＝930℃、T出＝600℃、K2＝0.39W/dm2·℃、t＝31.12s、K3＝460J/(kg·℃)带入式⑤得：
K修正＝V/(N*7.85*3.14*r2*(T进-T出-K2*t(T出+T进)/(K3*7.85*r)))
＝0.244/(2*7.85*3.14*0.1*0.1*(930-600-0.39*31.12*(930+600)/(460*7.85*0.1)))
＝0.00178
100％*(K修正-K1)/K1＝11％
K修正和K1的偏移量达到10％以上，则以修正后的比例系数K修正代替K1,取K1＝0.00178来计算下一根进入垂直提升钢筋装置的冷却水喷水量。
(2)、冷却工艺：
钢筋在垂直提升机构中的冷却过程如附图2所示，垂直分布的四层气雾冷却机构从下到上依次为，第一层冷却喷嘴6、第二层冷却喷嘴7、第三层冷却喷嘴8、第四层冷却喷嘴9，通过气体流量计11、第一气动阀门12对从气源13中流出的压缩空气进行具体控制，控制气体压力表10的压力值为：0.33Mpa，气体流量为10-15Nm3/吨钢，冷却喷嘴的冷却水压力表14的压力值为：0.25Mpa，第一层冷却喷嘴6的总水流量范围设定为：4～14L/s。第二层冷却喷嘴7的总水流量设定为：1～12L/s。第三层冷却喷嘴8的总水流量设定为：1～10L/s。第四层冷却喷嘴9的总水流量设定为：0～8L/s。气雾冷却喷嘴与钢筋的距离为95mm，冷却喷嘴在钢筋长度方向上的喷射角度为100°，气雾冷却喷嘴在钢筋长度方向上的间距为180mm。
根据冷却水所需的总量来确定冷却喷嘴的开启层数，冷却喷嘴开启的优先级顺序为：第一层冷却喷嘴6＞第二层冷却喷嘴7＞第三层冷却喷嘴8＞第四层冷却喷嘴9，使得各层冷却水喷入量之和等于冷却水喷入量的计算值。
根据生产工艺参数，钢筋出终轧后的运行速度为13.5m/s，将钢筋被倍尺剪分段后的长度为105m，经计算，每7.78秒(105÷13.5＝7.78)有一段钢筋被送入垂直提升机构，垂直提升机构也向上行走一步，钢筋在每层冷却喷嘴下冷却的时间为7.78秒。
第一层冷却喷嘴6的总水流量上限值为14L/s，第二层冷却喷嘴7的总水流量上限值为12L/s。第三层冷却喷嘴8的总水流量上限值为10L/s。第四层冷却喷嘴9的总水流量上限值为8L/s；根据以下两式⑦⑧计算，冷却喷嘴内的水流量开启情况为：第一层冷却喷嘴的第三气动阀门20阀开度全开、第二层冷却喷嘴的第四气动阀门21阀开度全开、第三层冷却喷嘴的第五气动阀门22阀开度全开、第四层冷却喷嘴阀的第六气动阀门23阀开度为20.7％：
14 L/s *7.78S+12 L/s *7.78S+10 L/s *7.78S+1.66 L/s *7.78S ＝293L ⑦
100％*1.66L/s /8 L/s ＝20.7％ ⑧
垂直提升钢筋的装置面向卸钢侧的钢筋层数为11层，控制第四层处(气雾冷却结束时刻)的钢筋目标温度为630℃，控制钢筋在垂直提升机构中的气雾冷却段的平均冷速为：9.64℃/S，气雾冷却段对钢筋5产生加速冷却效果，在该温度范围和冷速下有利于晶粒细化，但不会生成贝氏体相。产生的水蒸气能与垂直提升机构里的钢筋表面发生氧化反应生成致密的Fe3O4层，有利于提高耐腐蚀性能。
3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2
垂直提升机构底部布置有水槽，用于盛接冷却钢筋后向下滴落的气雾喷淋冷却水，水槽中的水流入水循环装置，经过滤后被再次用于钢筋气雾冷却。
钢筋下冷床后，取600mm长的钢筋通过拉伸试验检测钢材的屈服强度，强度检测结果见下表1。取两根600mm长的钢筋通过户外裸露试验检测钢材的耐大气腐蚀性能，耐腐蚀性能情况见下图4a、图4b、图4c。
对比实施例1、
某钢厂生产牌号为HRB400E的螺纹钢，钢种成分为：C：0.23％、Si：0.31％、Mn：1.43％、V：0.017％、N：105ppm。
轧制后的成品钢筋规格直径为Φ20mm，采用双切分轧制工艺，使用现有强穿水技术生产螺纹钢，穿水水箱共三组，第一组长度为7m、第二组长度为6m、第二组长度为5.5m。控制水箱内冷却水总流量为：800～900m3/h水压力为：1.1～1.2MPa，钢筋在水箱内运行速度为13.5m/s，每小时过钢量为：120～130吨，进穿水箱前钢筋表面温度为1000～1030℃，出穿水箱后钢筋表面温度为600～650℃，回温后钢筋表面温度为800～850℃。出穿水箱后钢筋运入现有公开技术中的冷床中自然空冷。
螺纹钢下冷床后，取600mm长的螺纹钢通过拉伸试验检测钢材的屈服强度，强度检测结果见下表1。取两根600mm长的螺纹钢通过户外裸露试验检测钢材的耐大气腐蚀性能，耐腐蚀性能情况见下图4a、4b、4c。
对比实施例2、
某钢厂生产牌号为HRB400E的螺纹钢，钢种成分为：C：0.23％、Si：0.31％、Mn：1.45％、V:0.028％、N：113ppm。
使用现有纯热轧技术生产螺纹钢，轧制后的成品钢筋规格直径为Φ20mm，采用双切分轧制工艺，轧后不穿水冷却，钢筋出精轧后的运行速度为13.5m/s，每小时过钢量为：120～130吨，钢筋出精轧的钢筋表面温度为1030～1060℃，上冷床时的钢筋表面温度为1010～1040℃。轧后的钢筋运入现有公开技术中的冷床中自然空冷，
螺纹钢下冷床后，取600mm长的螺纹钢通过拉伸试验检测钢材的屈服强度，强度检测结果见下表1。取两根600mm长的螺纹钢通过户外裸露试验检测钢材的耐大气腐蚀性能，耐腐蚀性能情况见下图4a、4b、4c。
表1、实施例和对比实施中轧材的拉伸性能检测
将实施例1和对比实施例1进行对比，钢材成分和强度差别均不大。但由图4a、4b、4c。可知，实施例1和对比实施例1的耐大气腐蚀性能差别巨大，由图可看出，实施例1生产的钢筋在户外暴露60天后，钢筋横肋之间的表面仍然为出厂时的青黑色，对比实施例1生产的穿水钢筋在户外暴露60天后，钢筋的表面整体变为锈红色，锈蚀严重，实施例1生产出钢筋的防锈能力明显强于对比实施例1生产出穿水钢筋的防锈能力，其原因如本发明背景技术中所述，穿水钢筋在穿水强冷过程中发生比较剧烈的体积变化，导致钢筋表面氧化铁皮脱落，回温后在冷床缓冷过程中虽然会再次生成一定厚度的氧化铁皮层，但生成的氧化铁皮层较薄、致密性较差，防锈能力差。而本发明所用技术生产钢筋时，首先采用轻穿水工艺，穿水冷却时的冷却强度只要对比实施例1中冷却强度的1/2，钢筋在穿水过程中的体积变化少，钢筋表面的氧化铁皮层不易脱落，其次本发明对垂直提升机构中的钢筋进行气雾冷却并产生水蒸气，水蒸气上升过程中与其他钢筋的表面发生氧化反应生成Fe3O4氧化层，在垂直提升机构中的钢筋层数大于10层，钢筋与水蒸汽反应时间达到60秒以上，由于水蒸气的氧化性比氧气稍差，从而有利于将反应产物的主要成分控制为Fe3O4，而不是Fe2O3，Fe3O4层的防锈能力远强于Fe2O3，钢件表面将形成一层深黑色的氧化物(3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2)，并且水蒸气中的氧元素质量占比(水蒸气中氧元素质量占比94％)远高于空气中的氧元素质量占比(氧气在空气中体积占比22％)，氧元素占比提高有利于Fe3O4的大量生成，因此生成的这层氧化物较厚且较为致密，具有较好的耐磨性且不易脱落，因此将600℃以上的钢筋在水蒸气中熏蒸60秒以上能极大的提高了钢筋表面的耐大气腐蚀能力，明显由于对比实施例1所生产出的穿水钢筋的耐大气腐蚀能力。
将实施例1和对比实施例2进行对比，实施例1和对比实施例2的强度接近，但实施例1中的钒元素含量比对比实施例2中的钒元素含量低0.012％，按目前的钒合金价格(钒品味77％的钒氮合金价格为16.8万/吨)计算，0.012％的钒元素成本为26元/吨钢，实施例1所生产出钢筋的合金成本明显低于对比实施例2，其原因是对比实施例2所生产钢筋为纯热轧钢筋，没有进行穿水冷却和气雾冷却，虽然在缓冷过程中的原始氧化铁皮层不会脱落，但却牺牲了钢筋的强度，没有利用“在奥氏体向铁素体+珠光体转变前通过提高冷却速度细化晶粒来提高钢筋强度”这一技术。而本发明对精轧后的螺纹钢进行三段式冷却，分别为轻穿水冷却、气雾冷却、空冷，从高温到低温的冷速逐渐降低，首先减轻了穿水冷却的冷却强度，有利于避免过冷组织的出现，并减少了钢筋表面氧化层脱落现象的发生，在气雾冷却段采用中等冷速对钢筋进行冷却，控制钢筋在气雾冷却段的表面温度高于600℃，在气雾冷却段以中等冷速对钢筋进行冷却既能提高钢筋强度又不会生成贝氏体等不合格组织，有利于节约合金成本；气雾冷却段产生的水蒸气与钢筋表面发生反应后能生成致密四氧化三铁层，由图4a、4b、4c可知，本发明所生产出钢筋的防锈能力稍好于对比实施例2的纯热轧钢筋，防锈性能也具有优越性。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的装置，其特征在于，包括：
轧后轻穿水机构，用于对轧后的钢筋进行初步的轻穿水冷却；
垂直提升机构，用于逐层容纳和依次提升经过轧后轻穿水机构的钢筋；所述垂直提升机构包括沿水平方向间隔布置的若干个托升组件，托升组件位于卸钢侧和冷床之间；托升组件中装有重力感应组件；
气雾冷却机构，在垂直提升机构的每一层上均对应设置气雾冷却机构，用于对通过垂直提升机构的每层钢筋进行气雾冷却。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述轧后轻穿水机构，包括两组穿水水箱，第一组长度为6～7m、第二组长度为5～6m。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括动力机构，用于驱动若干个托升组件以同步长及同步频的方式运行。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述托升组件由驱动齿轮、从动齿轮、链条和若干钢筋托杆组成，驱动齿轮位于从动齿轮正上方，驱动齿轮圆心点和从动齿轮圆心点之间的距离为1.2-2m，驱动齿轮的齿顶圆直径为30-40cm，齿间距为5-10cm，驱动齿轮和从动齿轮的大小形状相同；
所述钢筋托杆为棒状物，钢筋托杆的长度为10-20cm，相邻钢筋托杆之间的间距为10-20cm，钢筋托杆固定在链条上，并沿链条长度方向均匀分布，钢筋托杆所在的直线与驱动齿轮所在的平面平行，钢筋托杆与链条间的角度为30～60°，链条以环绕方式连接驱动齿轮和从动齿轮，链条随齿轮转动过程中带动钢筋托杆沿两个齿轮转动。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每层气雾冷却机构的长度与冷床长度相同，每层气雾冷却机构包括若干冷却喷嘴，冷却喷嘴的喷淋方向分布为右偏上35-50度方向、左偏上35-50度方向、右偏下35-50度方向、左偏下35-50度方向，气雾喷嘴对准位置均是对准提升装置中的每层钢筋；
冷却喷嘴与钢筋的距离为90-100mm，冷却喷嘴在钢筋长度方向上的喷射角度为90～110°，冷却喷嘴在钢筋长度方向上的间距为160-200mm。
6.一种提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的系统，其特征在于，包括：冷却控制模块，用于控制权利要求1-5任一所述装置中的轧后轻穿水机构、垂直提升机构和气雾冷却机构；
冷却控制模块包括测温单元、流量计、压力表、气动调节阀和冷却水量计算单元；
测温单元包括对进垂直提升机构的钢筋表面进行测温、气雾冷却结束时的钢筋表面进行测温；
冷却水量计算单元根据气雾冷却结束时的钢筋表面目标温度设定值、进垂直提升钢筋装置的钢筋表面温度实际检测值、气雾冷却结束时的钢筋表面温度实际检测值以及生产工艺参数计算冷却水喷淋量。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述冷却水量计算单元包括：
(A)、单位长度钢筋冷却至目标温度所需的喷水量与钢筋重量、喷雾冷却后产生的温降成正比：
V＝K1*N*7.85*3.14*r2*(T进-T目标-T散)
(B)、单位长度钢筋以自然散热的方式向空气中散发的热量与钢筋表面积、散热时间、钢筋温度、钢材的散热系数成正比：
Q散＝K2*N*t*2*3.14*r(T目标+T进)/2
(C)、单位长度钢筋以自然散热的方式向空气中散发的热量与钢筋重量、钢筋比热容、散热温降成正比：
Q散＝K3*N*7.85*3.14*r2*T散
(D)、联立(A)、(B)、(C)式，得到：
V＝K1*N*7.85*3.14*r2*(T进-T目标-K2*t(T目标+T进)/(K3*7.85*r))
(E)、气雾冷却结束时，对钢筋表面进行温度检测，计算出修正后的比例系数：
K修正＝V/(N*7.85*3.14*r2*(T进-T出-K2*t(T出+T进)/(K3*7.85*r)))
(F)、气雾冷却总供水量：V总＝V*L
其中，V为每分米长度钢筋冷却至目标温度所需的喷水量，L/dm；K1为比例系数L/(kg·℃)，N为单层钢筋托杆上的钢筋根数，r为钢筋半径，dm；T目标为气雾冷却结束时的钢筋表面目标温度设定值，℃；T进为进垂直提升机构的钢筋表面温度实际检测值，℃；T出为气雾冷却结束时的钢筋表面温度实际检测值，℃；T散为钢筋进垂直提升机构至气雾冷却结束阶段以自然散热的方式向空气中散热导致的温度降低值，℃；Q散为每分米长度钢筋以自然散热的方式向空气中散发的热量，W；K2为钢筋的散热系数，W/dm2·℃；t为钢筋进垂直提升机构至气雾冷却结束阶段的时间，s；K3为钢的比热容，J/(kg·℃)；V总为垂直提升机构中的钢筋冷却至目标温度所需的喷水量，L；L为垂直提升机构的长度，dm；K修正为修正后的比例系数，L/(kg·℃)；如果K修正和K1的偏移量达到10％以上，则以修正后的比例系数K修正代替K1，以(D)来计算下一根进入垂直提升机构的冷却水喷水量，并持续的对随后气雾冷却结束时的钢筋表面进行实时温度、并根据式(E)计算是否需要修正K1。
8.一种利用权利要求1-5任一所述装置提高螺纹钢强度及表面氧化层致密性的方法，包括以下步骤：
轧后通过轧后轻穿水机构对钢筋进行轻穿水冷却，然后通过垂直提升机构逐层依次提升钢筋，对通过垂直提升机构的每层钢筋采用气雾冷却机构进行冷却，在钢筋被提升至垂直提升机构的最后一层后，进入冷床中冷却。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，轻穿水机构的水箱内冷却水总流量为：300～500m3/h，水压力为：0.6～1.0MPa，钢筋在水箱内运行速度为3～14m/s，每小时过钢量为：100～150吨，进穿水箱前钢筋表面温度为950～1050℃，出穿水箱后钢筋表面温度为800～850℃，回温后钢筋表面温度为900～950℃。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，气雾冷却机构的水压力为：0.2～0.3Mpa，气压力为：0.3～0.4Mpa，气体流量为10-15Nm3/吨钢；
钢筋在垂直提升机构中的气雾冷却段的平均冷速为：3.5-12℃/s。
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