控制冷卻工藝及裝備在提高熱軋鋼筋強度中的應用

楊彥光 強十勇 徐子涵

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029）

1 前言

目前我國熱軋鋼筋的強度以335MPa和400MPa級為主，日本與美國的主力強度級別為400MPa～420MPa，歐洲、澳大利亞、加拿大等地區的主力強度級別為500MPa。我國政府明確提出，要加速淘汰335MPa級螺紋鋼筋，優先使用400MPa 級螺紋鋼筋，并積極推廣500MPa級螺紋鋼筋。提高鋼筋強度是節約礦石、合金、能源等戰略性資源，滿足我國鋼鐵業、建筑業可持續發展的必經之路。而控制冷卻工藝則在高強鋼筋的生產中起到節約生產成本及保證產品質量的作用，采用合適的控制冷卻工藝是提高熱軋鋼筋強度的重要途徑。

2 提高熱軋鋼筋強度的控制冷卻工藝

目前鋼筋生產企業提高鋼筋強度主要采用微合金化、超細晶粒、余熱處理三種工藝手段。熱軋鋼筋終軋后尚處于高溫狀態，須配合合適的冷卻制度，才能得到具有優良組織性能的鋼筋，因此軋后控制冷卻工藝在生產熱軋高強鋼筋中起著至關重要的作用。

2.1 微合金化鋼筋的控制冷卻工藝

通過微合金化提高鋼筋強度是指在鋼中添加微量釩、鈮、鈦等合金化元素，利用這些元素的碳（氮）化物在鋼中的沉淀析出，達到細晶強化和沉淀析出強化的目的。

對于含釩微合金化鋼筋，通常會添加一定比例的氮元素，利用V（C、N）在鋼中的析出以及固溶釩的存在達到細晶強化、沉淀強化和固溶強化的效果。軋后控制冷卻主要通過抑制軋后晶粒長大、增大碳氮化物彌散程度、細化鐵素體晶粒尺寸和珠光體片層間距等途徑來提高鋼筋性能。終軋溫度主要從加熱能源消耗、軋機能力、軋后組織方面加以綜合考慮，冷卻速度與終冷溫度則以最大程度保存軋制畸變能和不出現馬氏體組織為原則。以某鋼廠用20MnSiV 生產HRB400E鋼筋為例，其控冷前溫度不低于900℃，經過控制冷卻和回復，鋼筋表面溫度在700℃左右［1］，以此控冷工藝生產出合格的HRB400E鋼筋。

對于含鈮微合金化鋼筋，控制冷卻工藝一般基于以下兩方面考慮，一方面，因為在鋼筋軋制過程中因碳氮化物析出而產生的細晶強化作用會由于較高的軋制溫度而大大減弱，所以需要通過軋后控制冷卻使鋼筋快速冷卻從而充分發揮相變鐵素體中碳氮化物的析出強化作用。另一方面，由于固溶于奧氏體中的Nb可以降低鐵素體相變開始溫度Ar3，提高鐵素體相變結束溫度，即降低鐵素體轉變速率，提高了貝氏體轉變溫度，大量貝氏體的存在惡化了鋼筋的性能，通過軋后快速冷卻，可以保留細小的奧氏體晶粒及較高的位錯密度，提高鐵素體相變開始溫度，提高鐵素體轉變速率，從而減少貝氏體組織的生成，改善鋼筋的組織性能。

2.2 超細晶粒鋼筋的控制冷卻工藝

超細晶粒鋼筋不需要添加或少添加合金元素，通過控軋控冷工藝方法，主要利用形變誘導相變原理獲得超細晶粒組織，從而達到提高鋼筋強度的目的。

生產超細晶粒熱軋鋼筋要求在軋制過程中誘導形變奧氏體發生鐵素體相變，并且利用鐵素體的動態再結晶獲得超細晶組織。在精軋后的冷卻過程中超細晶粒組織很容易因高溫而發生長大，從而影響到最終鋼筋的性能，所以精軋后須配以較大的冷卻速度，以使超細晶粒組織得以保留［2］。我國某鋼廠不添加Nb、V、Ti等微合金元素，通過適當增加Si、Mn含量，精軋入口溫度控制在900℃～950℃，通過調整冷卻系統水流量、壓力、溫度和段數等參數，使上冷床溫度控制在820℃～860℃之間，生產出合格的HRB400鋼筋［3］。

2.3 余熱處理鋼筋的控制冷卻工藝

余熱處理鋼筋是指普通鋼筋利用表面淬火＋自回火，在表層獲得強度較高的回火組織，在心部獲得韌性較好的珠光體＋鐵素體組織。

其基本原理是鋼筋從成品機架軋出后，經冷卻裝置使鋼筋表面快速冷卻至Ms溫度以下形成馬氏體組織，此時由于受鋼筋材料傳熱系數的限制，心部熱量不能及時傳遞至表面，鋼筋心部仍處于奧氏體狀態，在隨后的冷卻過程中，心部熱量向表層傳遞，使表層溫度升高而發生回火產生回火組織。鋼筋的軋后余熱處理包含表面直接淬火、自回火和心部組織轉變三個階段［4］。

余熱處理鋼筋由于可焊性差和在我國的施工適用性低，其應用范圍受到限制。

3 熱軋鋼筋控制冷卻裝備

圖1為棒材生產線熱軋鋼筋的控制冷卻裝備示意圖，它主要由水冷卻單元（或冷卻水箱）、輸送輥道、橫移小車、機旁配管四部分構成。

由供水系統送來的冷卻水經機旁配管進入水冷卻單元對軋件進行冷卻，冷卻后的水進入水處理系統進行處理并重新利用。控制冷卻系統可采用閉環控制，通過檢測儀表反饋的數據對冷卻水壓、冷卻水流量等進行自動調節，使控冷后的軋件達到設定的溫度?？刂评鋮s裝備是控軋控冷中重要的直接執行機構，其設置方式及性能直接影響到產品的組織性能。

圖1 小型棒材生產線熱軋鋼筋控制冷卻裝備示意圖

3.1 控冷水箱在軋制生產線上的設置

目前棒材的控制冷卻有兩種方式，一種為精軋前預穿水精軋后穿水的兩段式冷卻，另一種為僅精軋后穿水的一段式冷卻。

對于精軋前預穿水和精軋后穿水兩段式控制冷卻方式，精軋前的預穿水可以控制精軋溫度及終軋溫度，在一些合金鋼棒材及超細晶鋼筋的生產過程中，需要嚴格控制精軋溫度及終軋溫度，以防止精軋過程晶粒尺寸過分長大或終軋溫度過高及終軋后冷卻能力不足而使產品質量降低，這種情況下通常采用精軋前預穿水和精軋后穿水兩段式控制冷卻方式。

對于精軋前不設水箱僅精軋后穿水的一段式控制冷卻方式，由于鋼筋的精軋速度高，精軋過程是升溫軋制，精軋過程溫度的急劇升高會使精軋過程產生的畸變能釋放，從而大大減弱控制軋制的效果，所以，對于微合金化鋼筋及余熱處理鋼筋的生產可以采用不設預穿水段而只設精軋后穿水的控制冷卻方式，在軋機能力允許的情況下生產超細晶粒鋼筋也可通過低溫開軋來降低終軋溫度，這種情況下也可以不設預穿水段。

3.2 水冷卻單元

水冷卻單元是控制冷卻裝備的核心，目前國內鋼鐵生產企業應用的水冷卻單元主要包括但不限于四種結構。

1）文氏管式（湍流管）冷卻單元

文式管式冷卻單元的結構如圖2所示，其主要特點是在中間管內密集排列著一組文氏管元件。文式管中的水呈紊流狀態，具有較高的換熱效率，水中如果有氧化鐵等懸浮物顆粒存在，則懸浮物顆粒隨著水流方向的變化更容易擊破棒材表面的蒸汽膜，更加提高了控冷裝置的冷卻能力。但采用這種冷卻方式會造成軋件冷卻溫度梯度大，難以精確控制軋件溫度，另外，由于水流方向的反復變化，會影響軋件在穿水管中的平穩運行，增加小規格鋼筋在穿水管中發生堆鋼的事故率。

圖2 文氏管式冷卻單元示意圖

2）套筒式冷卻單元

圖3 套筒式冷卻單元示意圖

圖4 直噴式冷卻單元示意圖

套筒式冷卻單元的結構如圖3所示，主要由噴嘴、套筒和尾套三部分組成，其噴嘴的環形通道大小可以通過調整墊片調整大小。冷卻水從噴嘴底部通過環形通道噴射到軋件上，以平流狀態在套筒內運行，套筒末端的尾套會阻擋冷卻水，使水與軋件充分接觸，增加冷卻強度。

3）直噴式冷卻單元

直噴式冷卻單元的結構如圖4所示，其實質就是一個環形噴嘴，數組噴嘴串列布置組成水冷裝置。這種結構的冷卻單元受到噴嘴數量和冷卻水流量狀態的影響，其冷卻能力受到限制。

4）組合式冷卻單元

圖5 組合式冷卻單元示意圖

組合式冷卻單元的結構如圖5所示，其噴嘴的大小可由調整螺母調節，一個冷卻單元包括一組湍流套，湍流套與湍流套及湍流套與噴嘴之間由套筒連接。這種組合式冷卻單元，湍流套的設置增強了設備的冷卻能力，由于湍流套排列密度較小，軋件在冷卻管內擾動較小，可避免在冷卻管內發生堆鋼事故。

3.3 控制冷卻中其他重要影響因素

1）冷卻水質量

濁環水中的大密度固體顆粒是可以利用的載能體，噴嘴噴射時產生的能量作用在熾熱棒材表面，能有效地破壞不斷生成的絕熱蒸汽膜［5］，從而大大強化軋件與冷卻介質之間的熱交換效率。采用濁環水進行冷卻，要重視冷卻噴嘴的堵塞與相關部件的磨損情況。

2）冷卻水壓力

噴嘴噴射出的冷卻水壓力一般在1MPa～2MPa，較高的冷卻水壓力可以更有效地擊破軋件表面的蒸汽膜，提高設備的冷卻能力。供冷卻單元的水壓，不應因冷卻水量的變化而變化，為此，供水系統應有一套穩壓控制。

4 結論

控制冷卻在高強鋼筋的生產中起著重要的作用，對于鋼筋生產企業如果能結合本企業自身的現實狀況與長遠規劃，根據不同的控制冷卻機理，合理配置控冷裝備，在實際生產中制定科學的控制冷卻工藝，能夠起到降低鋼筋生產成本、提高鋼筋組織性能進而提高企業自身競爭力的作用。

［1］許后昌，魯慶文，王健等.HRB400E 抗震鋼筋研制與開發［J］.四川冶金，2011，Vol.33（1）：29－33.

［2］全國高強鋼筋推廣應用生產技術指導組.高強鋼筋生產技術指南［M］.北京：冶金工業出版社，2013.

［3］秦延慶，燕旭東.采用控軋控冷工藝生產HRB400鋼筋的工藝參數［J］.軋鋼，2012，Vol.29（5）：67－70.

［4］王有銘，李曼云，韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻［M］.北京：冶金工業出版社，2009.

［5］琚錦琨，王會鳳，張琪佳等.棒材濁環水強力穿水冷卻設備［J］.中國材料科技與設備，2006（6）：105－108.