学位论文基于对螺纹钢控轧控冷工艺的研究.docx

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学位论文基于对螺纹钢控轧控冷工艺的研究

摘要

螺纹钢筋的生产多采20MnSiV轧制HRB400螺纹钢，以及更高级别钢筋。

为了达到需要的使用性能，需要在钢中添加一定数量的微合金元素，因此造成了生产成本的增加。

控轧控冷工艺就是通过轧制与冷却过程的控制，可减少微合金元素的使用量，降低生产成本，实现带肋钢筋的晶粒细化和性能强化，整个过程既不会对现有过程产生不良影响，又能使钢筋的强度有了一定的提高，钢筋性能稳定性得以保证。

同时还可以解决轧机产量提高后冷床冷却能力不足的问题。

同时，由于性能的提高，同样的建筑结构可以少使用钢材，符合低碳时代的需求，具有广阔的应用前景。

本课题基于对螺纹钢控轧控冷工艺的研究，了解控轧控冷生产工艺过程以及控轧控冷前后螺纹钢组织性能的变化，在保证性能的前提下，减少合金使用量，优化生产，达到降低生产成本的目的。

关键词：

控轧，控冷，

Abstract

Screwthreadsteel production as 20MnSiVrolling HRB400screwsteel, and ahigherlevelofreinforcement. Inordertoachieve theuseof performancerequirements, theneedtoadd anumberofmicroalloyelement insteel, resultingin theincreaseofproductioncost. Controlledrollingandcontrolled coolingprocess isthrough controlledrollingand coolingprocess, andcanreducetheuse amount ofmicroalloyingelements, reducetheproductioncost, realizethegrainrefinement andpropertiesof ribbedsteelbar reinforcement, thewhole processwillnotproduce adverseeffectsonthe existingprocess, butalsocanmakethe steel strengthwereimproved.The reinforced performancestability to ensurethe. Atthesametime, canalsosolvethe coolingabilityofcoolingtablethe shortageproblem. Atthesametime, duetotheincreasedperformance, buildingstructure also canuseless steel, withlow carbonerademand, hasthebroadapplicationprospect.

Theresearch onthe screwthreadsteel ofcontrolledrollingandcontrolledcoolingprocessbasedon controlled rollingandcontrolledcooling, thechangeof production processandcontrolledrollingandcontrolledcooling after screwsteel organization understandingofperformance, underthepremiseofguaranteeingtheperformances, reducethe alloy usage,optimizeproduction, achieve theaimofreducingtheproductioncost.

Keywords:

 controlledrolling，controlledcooling，

目录

摘要1

Abstract2

引言1

1.2课题研究的目的1

1.3本文的主要工作1

2控轧控冷工艺原理2

2.1控轧原理2

2.2控冷原理2

2.3控制轧制冷却2

2.4我国几种典型的连续式棒材轧机布置图。

3

3控轧控冷后常见缺陷分析6

3.1表面裂纹6

3.2表面没有完全淬透6

3.3表面组织粗大6

3.4穿水装置冷却效果影响因素分析6

4本厂控轧控冷工艺实施条件7

4.1基本条件7

4.2控轧控冷工艺及设备要求7

4.3控轧控冷设备的选型要求8

结束语9

引言

1.1选题背景

钢筋是重要的建筑用钢材,其应用非常广泛,用量也很大。

随着建筑行业的迅猛发展,对热轧螺纹钢筋的性能要求越来越高。

为了达到需要的使用性能，需要在钢中添加一定数量的微合金元素，因此造成了生产成本的增加。

控轧控冷工艺就是通过轧制与冷却过程的控制，实现带肋钢筋的晶粒细化和性能强化，整个过程既不会对现有过程产生不良影响，又能使钢筋的强度有了一定的提高，钢筋性能稳定性得以保证。

同时可减少微合金元素的使用量，降低生产成本。

1.2课题研究的目的

本课题基于对螺纹钢控轧控冷工艺的研究，了解控轧控冷生产工艺过程以及控轧控冷前后螺纹钢组织性能的变化，在保证性能的前提下，减少合金使用量，优化生产，达到降低生产成本的目的。

1.3本文的主要工作

1.3.1理解控轧控冷工艺原理。

1.3.2依据理论优化本厂螺纹钢生产工艺。

1.3.3对控轧控冷后螺纹钢进行理论分析。

2控轧控冷工艺原理

2.1控轧原理

所谓控制轧制，是对奥氏体硬化状态的控制，即通过变形在奥氏体中积累大量的能量，在轧制过程中获得处于硬化状态的奥氏体，为后续的相变过程中实现晶粒细化做准备。

硬化的奥氏体内存在大量的“缺陷”，例如变形带、位错、孪晶等,它们是相变时铁素体形核的核心。

这种“缺陷”多，则铁素体的形核率越高，得到的铁素体晶粒越细。

得到硬化奥氏体的基本手段是“低温大压下”和添加微合金元素。

“低温”是为了抑制奥氏体的再结晶，保持其硬化状态；“大压下”则是为了增加硬化奥氏体所储存的变形能。

增加微合金元素，例如Nb，可以提高奥氏体的再结晶温度，使奥氏体在比较高的温度即处于未再结晶区，因而便于利用常规的轧制（温度）制度实现奥氏体的硬化。

为了突破控制轧制的限制，同时也是为了进一步强化钢材的性能，在控制轧制的基础上，又开发了控制冷却技术。

控制冷却的核心思想，是对硬化奥氏体的相变过程进行控制，以进一步细化铁素体晶粒，以及通过相变强化得到贝氏体等强化相，进一步改善材料的性能。

2.2控冷原理

螺纹钢筋具有一定的淬透性，在终轧后其温度仍在Ac3以上，在合适的穿水冷却工艺控制下，避开珠光体型和中温贝氏体相变区域，在钢筋表面一定厚度内发生马氏体相变，而心部基体组织在短时的水冷条件下，未能发生马氏体相变，只能发生扩散性珠光体相变，形成晶粒度细小的等轴的铁素体和珠光体组织。

在穿水冷却后，由于心部仍具有较高的温度，使得边缘的马氏体组织自回火获得了强度较高、综合性能良好的回火索氏体组织，并消除了淬火所引起的组织应力，改善了材料内部应力分布，这种应力分布有利于提高材料的综合力学性能。

因此，在相同的化学成份和合金元素含量（主要是碳和锰）的前提下，穿水冷却钢筋将比传统轧制钢筋具有更高的强度。

因此生产相同强度级别的螺纹钢筋如采用穿水冷却工艺，可适当降低锰元素含量。

在这里所谓的合适的工艺控制，是指在钢坯加热后的轧制过程中，利用电气控制系统以及传感器、温度计等，控制的钢坯温度，控制水量大小，控制轧机转速等。

在设定冷却参数时要充分考虑水冷速度对轧后高温钢材组织变化的影响，通过控制轧后金属内部变形能的释放，达到细化晶粒，减少珠光体的片层间距的目的，达到稳定和理想的金相组织结构，保证性能要求。

棒材穿水冷却采用“轻穿水、低过冷、细晶化”的冷却方式，在精轧机与倍尺剪之间增设双线轧后高效穿水冷却系统，冷却水温度控制在45～50℃，只需对系统适当补水，水耗小，可降低运行成本。

2.3控制轧制冷却

在精轧机组前或者在精轧机组内部机架间设置冷却水箱或冷却器，准确控制轧件在精轧机组内的温度，结合一定的变形量，获得较好的产品机械性能，这一过程称为“控制轧制”。

对整个生产线来说，主要采取以下几项措施

2.3.1控制开轧温度，为了在粗、中轧后获得完全的再结晶组织，提高成品显微组织的均匀性，要求钢坯出加热炉温度不低于950℃。

控制粗、中轧工序，即通过对加热时粗化的初始γ晶粒进行大变形量轧制—再结晶使之得到细化，获得均匀细小晶粒的γ组织。

2.3.2控制精轧工序，根据轧制钢种的不同，精轧可采用未再结晶型控制轧制或两相区控制轧制，统称为低温精轧工艺。

采用未再结晶型控制轧制，即在奥氏体未再结晶区进行轧制，γ晶粒沿轧制方向伸长，在γ晶粒内部产生形变带，提高α的形核密度，促进α晶粒的细化。

2.4我国几种典型的连续式棒材轧机布置图。

图1（a）为我国较早的连续式棒材轧机，仅有成品穿水，生产淬火余热回火钢筋。

图1（b）在中轧后增加了水箱，降低轧件进精轧机组的温度，可以提高钢筋的性能，但由于精轧是六机架高速轧制，轧件升温明显，产品性能提高有限，温度控制不灵活，不适合优特钢生产。

图1（c）为（b）的优化布置，在精轧机组内部增加了控轧水箱，进一步控制轧件温度，既适合钢筋（螺纹钢切分）生产，也适合优特钢棒材生产。

图1（d）为典型的优特钢生产线，所有棒材产品均从17#、18#轧机轧出，通过控制终轧温度和一定的变形量，获得较好的机械性能产品。

可以在18#轧机后增加定径机组，单线生产高精度高质量棒材产品，而不适合螺纹钢切分生产。

2.5穿水冷却系统构成

穿水冷却系统包括三部分：

供水系统、自动化系统和水箱。

2.5.1供水系统

供水系统一般是独立于轧机水处理站以外的，冷却水处理自成系统，水的循环流程如图2所示。

冷却水首先由高压水泵打入轧制线上的水箱中的冷却器内，轧件在冷却器中被降温后，水温上升5~10℃，冷却水进入水沟收集，通过管路回流到水处理站的热水池，由泵打入高速过滤器，然后利用余压上冷却塔，水从冷却塔下来后进入冷水池，再由高压泵送到轧制线，完成一个循环。

图2冷却水循环流程图

2.5.2自动化系统

该系统由检测仪表、执行机构及PLC组成，为一闭环控制系统，以一个冷却水箱为例，其控制原理如图3所示。

轧线检测内容主要是轧件在水箱出入口温度、控轧回复温度（下游轧机入口）及控冷回复温度（冷床入口）、冷却水温度、冷却水压力、进入水箱的冷却水流量，执行元件主要是电动调节阀、泄压阀、气动开闭阀。

图3穿水冷却控制原理

2.5.3冷却水箱

冷却水箱装置由内部冷却器、箱体、横移小车及替换辊道组成。

替换辊道是根据生产需要配置的，当不使用穿水时，通过小车横移将冷却器移离轧制线，使用辊道将轧件输送至下游轧机或冷床。

冷却器安装在水箱内部，由若干段组成，便于精确控制温度，并且可以实现快速更换。

为安全起见，水箱一般采用盖板密封。

对于螺纹钢棒材生产，冷却器可以布置成五线以适用切分工艺要求。

目前普遍使用的冷却器有两种型式，即湍流管式和套管式。

湍流管冷却器由于其紊流效果强，冷却效率高，适合大断面棒材。

套管冷却器阻力小，适合小断面棒材和线材的冷却。

3控轧控冷后常见缺陷分析

3.1表面裂纹

边缘裂纹是一种最常见的质量缺陷，也是穿水冷却工艺控制的重点和难点。

通常深达0.15～0.25mm。

产生表面裂纹的原因有几种可能：

①钢筋轧后入水温度过高，边缘形成粗大的马氏体组织，产生较高的组织应力，当超过材料本身强度极限时形成淬火裂纹，这种裂纹容易在带肋拐角部形成；②母材本身存在表面脱碳，脱碳层在淬水时，由于其相变温度与基体存在差异，产生较大应力，加之脱碳部位强度低，易在淬水时形成表面龟裂；③母材本身存在表面缺陷或小裂纹，淬水时产生应力集中，进一步加深或扩展。

3.2表面没有完全淬透

没有完全淬透的组织表现为回火索氏体+网状淬火屈氏体（图8），其实质是表面组织没有完全发生马氏体转变而发生了珠光体型转变，形成淬火索氏体组织。

这种组织将明显降低材料的强度，应避免出现这种不完全淬火组织。

出现这种缺陷组织的原因主要是在生产过程中穿水速度过快所致。

3.3表面组织粗大

表面组织晶粒粗大，易出现边缘淬火裂纹，甚至在淬硬层内部形成沿晶裂纹严重影响钢筋冷弯性能和焊接性能，焊接时易产生裂纹。

这种缺陷组织主要原因是钢筋轧后入水温度过高所致。

3.4穿水装置冷却效果影响因素分析

3.4.1流速的影响

在穿水装置中，水流速度起到关键的作用。

热量传导的速度与温差成正比。

两个物体之间的温差越大，热量传导的速度越快，也就是热传导效率越高。

轧件在穿过文氏管过程中，始终处于冷却水的包围。

高温的轧件将迅速把热量传递给冷却水，使水温上升。

如果轧件周围的水流速较慢，则水温迅速上升，减少了与轧件之间的温度差，从而降低传热效率。

另一方面，水流速度慢时，轧件表面的水将迅速汽化，形成汽膜，阻挡轧件与水的接触，大大降低冷却效果。

而高速流动的冷却水不仅能消除汽膜，迅速带走热量，使得轧件始终与低温的冷却水接触，提高传热效率，同时冷却水高速流动产生强烈的紊流，增加了局部的热交换性能。

3.4.2水温的影响

从上述分析中可以看出，水温越高，冷却水与轧件之间的温差越小，则换热效率越低。

反之，水温越低，换热效率越高。

根据冷却水系统热负荷计算，供水温度提高5℃，冷却水用量将需增加30%，才能达到相同的冷却效果。

3.4.3水压、水量的影响

在相同管径中，提高供水压力就意味着提高水流速度，就能有效提高换热效率。

而水量是维持水压的必要条件。

因此，水压、水量和流速是一个同一体的三个侧面，不能分离。

4本厂控轧控冷工艺实施条件

4.1基本条件

4.1.1本公司轧钢棒材车间共有21架水平安装轧机，轧制规格及最大线速度：

∮12×3（14m/s）、∮14×2（15m/s）、∮16×2（14m/s）、∮20（15m/s）、∮22（13m/s）、∮25（11.5m/s）、∮28（9m/s）、∮32（8m/s）。

推钢式加热炉加热能力为冷钢坯加热120吨/小时；

4.1.2开轧温度：

950-1000℃左右；终轧温度：

900-1000℃左右；

4.1.321＃成品轧机出口到3#倍尺飞剪前入口空间距离为23.7米；

4.1.43#倍尺飞剪中心到冷床入口距离为62米；

4.1.5轧机钢种为低合金钢：

HRB400（E）、HRB500（E）；

4.1.6轧制规格12~36）mm螺纹钢。

4.2控轧控冷工艺及设备要求

4.2.1控轧控冷后轧件不得有扭曲的问题；

4.2.2控轧控冷后轧件不能有冷却不均匀引起的波浪弯问题；

4.2.3控轧控冷后钢材满足国标关于GB1499.2－2007的第1号修改的技术要求；

4.2.4成品机架中心线与3#剪中心线的距离为22～23.7米；

4.2.5满足机时产量120吨的需要，轧制规格及最大线速度∮12×3（14m/s）、∮14×2（15m/s）、∮16×2（14m/s）、∮20（15m/s）、∮22（13m/s）、∮25（11.5m/s）、∮28（9m/s）、∮32（8m/s）、∮36（7m/s）。

4.2.6切分的成品机架孔型中心距分别为∮12×3：

152毫米；∮14×2：

220mm；∮16×2：

216mm；

4.2.7改造前工艺温度分布：

加热炉出口红钢温度：

950~1000°C

中轧（15#轧机）出口红钢温度：

850~900℃

精轧机（16#轧机）入口温度：

850~900°C

成品轧机（21#轧机）出口温度：

850~900°C

冷床入口温度：

850℃~900°C

4.2.8中轧出口（15#轧机）轧件尺寸∮32-∮45；

4.3控轧控冷设备的选型要求

4.3.1控制轧制设备应采用二段水冷控制，控冷设备采用四段水冷控制；

4.3.2控轧控冷设备需满足∮12规格螺纹钢4切分轧制要求；

4.3.3控轧控冷设备安装在横移小车上，横移小车按控轧控冷段分段控制，带自锁功能；

4.3.4控轧水冷系统采用开环手动控制，控冷系统按温度和流量实现闭环自动控制；

4.3.5安装高温计实现开轧、中轧、精轧、冷床4点温度可监控。

4.3.6横移小车设置相同的5个穿水冷却装置安装工位，即单线Φ22~Φ28，单线Φ32~Φ50，双线Φ14~Φ16，双线Φ18~Φ20，四线Φ10~Φ21对于不需穿水的规格，由旁路输送辊道通过。

结束语

螺纹钢生产中，轧后穿水冷却已广泛应用于提高产品机械性能，降低合金元素含量，节约生产成本；普碳钢和低合金钢棒材生产中，可以通过控轧和控冷获得超细晶粒产品，产品机械性能可大幅度提高；特殊钢生产中，通过控轧和控冷可以获得预期的组织，抑制不利的影响因素出现，可以部分取代线外热处理工序，降低生产成本。

控轧控冷技术具有提高棒材产品机械性能、降低生产成本、节能环保等优点，有着广阔的应用前景。