滕培玉,任吉堂,殷向光

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北唐山063009;2.河北鋼鐵集團邯鋼公司,河北邯鄲056001)

0 引 言

控制冷卻技術(shù)是熱軋生產(chǎn)線不可或缺的一項重要技術(shù)。目前,在熱軋鋼板生產(chǎn)線上的層流冷卻、水幕冷卻等控制冷卻技術(shù)都已經(jīng)很成熟;在棒線材生產(chǎn)線上的穿水冷卻技術(shù)也都得到了很廣泛的應(yīng)用。與板帶和棒線材生產(chǎn)線控制冷卻技術(shù)相比,型鋼的控制冷卻技術(shù)相對落后。因此,本文根據(jù)棒材的濁環(huán)水穿水冷卻裝置設(shè)計了一套角鋼軋后穿水冷卻裝置,以解決終軋溫度過高和角鋼力學(xué)性能偏低的問題,同時減輕角鋼軋后冷卻過程中的翹曲和殘余應(yīng)力,節(jié)約冷床面積,提高角鋼的力學(xué)性能及改善其組織狀態(tài),簡化生產(chǎn)工藝。

1 濁水強力冷卻裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 主冷卻器結(jié)構(gòu)

角鋼穿水冷卻裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是主冷卻器及其噴嘴和紊流套的設(shè)計。角鋼主冷卻器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 角鋼穿水冷卻主冷卻器結(jié)構(gòu)圖

1.2 冷卻噴嘴的設(shè)計

由于角鋼異形斷面特點,其在冷卻時角部和腿部的冷卻速度不一致,角部區(qū)域冷卻速度慢、腿部區(qū)域冷卻速度快。因此,考慮到角鋼軋后控冷時要求實現(xiàn)不同的冷卻速度對角鋼進(jìn)行冷卻,設(shè)計的冷卻噴嘴的結(jié)構(gòu)特點是由上下兩部分組合而成,如圖2,上冷卻區(qū)由間隔襯板分為3個冷卻區(qū)和下冷卻區(qū),共4個獨立的冷卻區(qū),每個冷卻區(qū)域?qū)嵭袉为毠┧⑴溆姓{(diào)節(jié)水量的電動調(diào)節(jié)閥,通過自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)冷卻水水壓和水量。在使用中,1區(qū)和2區(qū)兩個冷卻區(qū)域冷卻水常開,角鋼通過冷卻噴嘴時對冷卻速度慢的角部進(jìn)行重點冷卻,進(jìn)入冷卻管后冷卻水在其周邊進(jìn)行均勻冷卻,濁環(huán)水冷卻的效率保證角鋼的冷卻過程中的冷卻強度和冷卻速度;3區(qū)和4區(qū)是輔助調(diào)節(jié)冷卻區(qū)域,其作用是根據(jù)角鋼冷卻過程中冷卻不均產(chǎn)生的溫度差和造成的內(nèi)并、外擴和扭曲等形狀變形量大小,由冷卻裝置出口處的測溫儀和位移傳感器反饋信號,通過自動控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)其壓力和水量來調(diào)整控制角鋼冷卻過程中的冷卻不均,從而實現(xiàn)角鋼控制冷卻過程中的冷卻均勻性。

圖2 角鋼穿水冷卻裝置斷面結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。設(shè)計的濁環(huán)水穿水冷卻裝置冷卻噴嘴的導(dǎo)流錐結(jié)構(gòu)具有的特點:在導(dǎo)流錐與導(dǎo)流錐套之間設(shè)計了收斂的矩形截面弧形導(dǎo)流錐槽(圖4),可以有效防止在采用濁環(huán)水冷卻時重懸浮顆粒堵塞冷卻噴嘴,并且使冷卻水流動阻力小、噴射速度大,有效的保持了噴出的冷卻水以流股形式匯集到角鋼表面的動能,可有效打破熾熱角鋼表面的蒸汽套膜,提高了角鋼的冷卻能力和冷卻效果。

圖3 導(dǎo)流錐三維結(jié)構(gòu)

圖4 導(dǎo)流錐槽截面圖

1.4 紊流套的設(shè)計

紊流套的設(shè)計采用上下兩部分組合構(gòu)成,上、下紊流套的結(jié)構(gòu)圖如圖5、圖6所示。在角鋼穿水冷卻裝置的冷卻管內(nèi)設(shè)置的紊流套可以迫使?jié)岘h(huán)冷卻水在冷卻管內(nèi)作紊態(tài)流動,提高冷卻管內(nèi)角鋼與濁環(huán)水的換熱效率,從而提高角鋼的冷卻強度。

圖5 上紊流套結(jié)構(gòu)圖

圖6 下紊流套結(jié)構(gòu)圖

2 實驗方案及結(jié)果分析

2.1 實驗方案

采用12.5#角鋼,普碳鋼Q235作為試件,試件長度為300mm,取6根試件并依次編號為1#～6#,角鋼的化學(xué)成分為C:0.13%;M n:0.66%;Si:0.24%;S:0.017%;P:0.013%。

把角鋼試件在加熱爐中加熱到980℃,保溫25分鐘,在循環(huán)冷卻水的恒溫水箱(22℃)中進(jìn)行水浴快冷2 s、冷卻時角鋼要不停的攪拌,然后取出空冷10 s,并使用數(shù)據(jù)采集儀對每一根試件測定、記錄控冷的初始溫度、水冷冷卻時間、終冷溫度和空冷溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

為保證模擬實驗和角鋼濁環(huán)水穿水冷卻的效果接近,在恒溫水箱的冷卻水中加入重懸浮顆粒,根據(jù)國家自然基金“冷卻介質(zhì)中的重懸浮顆粒對冷卻效果的作用機理”(項目批準(zhǔn)號:50476084)研究結(jié)果表明,冷卻水中加入的重懸浮顆粒直徑為80μm,濃度為0.35%,冷卻水的循環(huán)流速為1.5 m?s-1,此方案冷卻效果最佳。之后在萬能試驗機上測定試件的力學(xué)性能參數(shù)和在金相顯微鏡下觀察試件斷面各部的微觀金相組織。

2.2 實驗結(jié)果

表1 試驗結(jié)果

表2 冷卻后角鋼的力學(xué)性能

與實驗前角鋼試件的力學(xué)性能相比,屈服強度提高約70～100MPa、抗拉強度提高約80～150MPa;韌塑性仍良好。因此,通過控制冷卻可以改善和提高角鋼的綜合力學(xué)性能。

2.3 角鋼控冷后微觀組織分析

對控冷后的角鋼試件分別在角部和腿部的表層、中間層和心部處取樣,制備金相試樣,然后在金相顯微鏡下觀察角鋼斷面角部和腿部的表層、中間層以及心部微觀組織。在500×金相顯微鏡下觀察結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 角部表面組織

圖8 腿部表面組織

圖9 角部中間過渡組織

圖10 腿部中間過渡組織

圖11 角部心部組織

圖12 腿部心部組織

角鋼試件在濁環(huán)水穿水冷卻工藝實驗后,取樣試樣觀察結(jié)果分析:圖7、圖8為角鋼的角部和腿部表層微觀組織金相照片,主要組織為回火馬氏體,晶粒尺寸約為5～7μm,它具有高的強度和硬度;圖9、圖10為角鋼角部和腿部的中間過渡層微觀組織金相照片;圖11、圖12為角鋼角部和腿部的心部組織金相照片,微觀組織為細(xì)鐵素體加細(xì)珠光體,晶粒尺寸約為10～15μm,它們具有良好的韌性和塑性。因此,角鋼濁環(huán)水穿水冷卻工藝就是利用軋后余熱進(jìn)行軋后余熱淬火(QTB工藝)處理,將形變強化和相變強化相結(jié)合,提高角鋼的強韌性,簡化生產(chǎn)工藝。

3 結(jié) 論

(1)利用濁環(huán)水中重懸浮氧化鐵顆粒的動能來有效打破熾熱角鋼表面的蒸汽套膜,顯著提高角鋼的換熱效率和冷卻效果。

(2)冷卻噴嘴流動阻力小、噴射速度大,有效的保持了噴出的冷卻水流股匯集到角鋼表面前的動能,保證角鋼的冷卻強度,且可以有效防止噴嘴的堵塞;另外,4個獨立的冷卻區(qū)域,可以實現(xiàn)對角鋼斷面的各部進(jìn)行不同冷速和冷卻強度的單獨調(diào)節(jié)和控制,從而保證角鋼冷卻過程中的冷卻均勻性。

(3)在冷卻管內(nèi)設(shè)置了多組紊流套,可顯著提高角鋼在冷卻管內(nèi)的冷卻強度。

(4)實驗表明:角鋼試件的屈服強度提高70～100 MPa,抗拉強度提高80～150MPa,且性能均勻;角鋼的表面微觀組織為回火馬氏體,中間層為過渡層組織,心部為細(xì)珠光體加細(xì)鐵素體。因此,角鋼濁環(huán)水穿水冷卻工藝可提高角鋼的綜合力學(xué)性能和改善角鋼的微觀組織狀態(tài)。

[1] 吳迪,趙憲明.我國型鋼生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步20年及展望[J].軋鋼,2004,21(6):23～27.

[2] 王有銘,李曼云,韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995:88～91.

[3] 任吉堂,徐樹成等.一種新型的熱軋棒線材強力穿水冷卻裝置[J].鋼鐵,2005,3(38):57～60

[4] 殷向光,任吉堂.角鋼濁環(huán)水穿水冷卻工藝探討[J].河北理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,32(3):70.