水冷改造方案计划计划马部长起草.docx
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水冷改造方案计划计划马部长起草
新兴铸管新疆有限责任公司
棒材生产线穿水冷改造
技术方案
北京京诚瑞信长材工程技术有限公司
日期：
2013年5月日
1工程概况
新兴铸管新疆有限责任公司二厂棒材生产线2012年建成投产，设计年产量：
60万吨/年，品种规格：
Φ12～36mm螺纹钢筋，Φ16～50mm光面圆钢，坯料尺寸：
160×160×12000mm，单根坯料重量：
2335kg。
车间±0.000布置，没有平台，目前主要生产Φ12～36mm螺纹钢筋。
原设计在12#轧机后预留预水冷的位置，12、13#轧机间距31.8m，预水冷设备预留。
原设计在18#轧机出口设有穿水冷设备，有三通道、两通道、单通道及旁通通道各一条，文氏管结构，水压6bar。
由于水量及水压的缘故，投产后很少使用。
2改造目的
生产高强度螺纹钢筋主要方法有微合金化、余热淬火、低温轧制和细晶轧制几种，具体描述如下：
（1）微合金化生产工艺是在20MnSi的基础上增加少量的Nb、V、Ti等微合金元素，以达到抑制加热过程奥氏体晶粒长大、轧后铁素体晶粒长大和析出强化来达到提高钢筋强度的目的，但是采用微合金化生产最大的缺点在于生产成本增加了，降低产品在市场上的竞争力。
目前本生产线就是采用该生产工艺，在20MnSi的基础上增加V-Fe或V-N合金，一般加入量V=0.04~0.08%，按照螺纹钢等级不同，各成分详见下表：
钢类
钢种
CE
C
Si
Mn
V
圆钢
HPB235
0.3283
0.22
0.30
0.65
HPB300
0.4700
0.22
0.30
1.50
螺纹钢
HRB335
0.5167
0.25
0.80
1.60
HRB400（E）
0.5267
0.25
0.80
1.60
0.05
HRB500（E）
0.5287
0.25
0.80
1.60
0.06
备注：
由于对贵单位炼钢工艺及实际技术水平没有具体调研，上述数据仅作为分析吨钢成本的一个假设条件。
按照目前V-Fe的价格，生产一吨HRB400（E）吨钢成本增加约80元，生产一吨HRB500（E）吨钢成本增加约100元；
（2）余热淬火工艺是轧件终轧后通过强力穿水冷水箱快速冷却至~400°C以下，使钢筋表面形成具有一定厚度的淬火马氏体，在随后的回复阶段形成回火马氏体，而芯部为铁素体和珠光体，这种组织具有较高的抗拉强度。
但是利用该工艺生产的钢筋存在比较大的内应力，在随后的使用过程中存在时效问题，而且对焊接性能影响比较大，因此在最新发布的GB1499.2-2007《钢筋混凝土用钢第2部分：
热轧带肋钢筋》国家标准第1号修改单中明确指出不得有影响使用性能的其它组织（如基圆上出现的回火马氏体组织）存在，不允许采用该生产工艺，但是东南亚、中东及欧洲国家和地区由于螺纹钢的连接不采用焊接方式，因此出口材仍然可采用该工艺制度；
（3）低温轧制工艺：
是采用~950°C开轧，全线控温轧制，终轧温度控制在~750°C。
该工艺方法使得轧制力、轧制力矩大幅上升，导致轧机设备重量和电机容量要增加20~30%，实现起来较为困难，不仅会增加轧钢成本，而且由于温度低，事故率高作业率低，很少有企业采用该工艺制度；
（4）控轧控冷工艺，或称为细晶轧制工艺：
是采取1000~1050°C常温开轧，粗中轧为常规轧制，在精轧区控制进精轧温度在未再结晶区域，轧后快速水冷，以获得细小的晶粒尺寸，提高钢筋的抗拉强度，改善最终的组织性能。
改造后，增加预水冷和水冷，采用形变诱导铁素体相变（DIFT）和形变强化相变技术，以实现细晶粒轧制。
形变诱导铁素体相变（DIFT）的机理为奥氏体冷却到Ad3~Ar3温度范围内通过形变使其转变为铁素体。
借助形变诱导铁素体相变产生的铁素体，晶粒细小，变形后继续快冷抑制铁素体的长大，会达到更好的效果。
为了保证诱导铁素体有足够的形核率，总变形量越大越好。
具体的工艺描述为：
将钢加热到1000~1100°C出炉，经过1H~12V粗轧中轧制12道次，终轧温度在950°C左右，通过预水冷和温度回复段，将轧件温度降到800~860°C左右进入精轧机组，经过2~6道次轧制变形，总变形量约为32~74%，终轧速度3.14~18.0m/s，850~880°C完成精轧后立即进入穿水冷却，快速冷却至相变区域600~700°C，控制奥氏体晶粒和铁素体晶粒长大，倍尺分段后轧件上冷床后继续完成相变过程。
为了充分发挥细晶粒轧制工艺的特点，可结合现有的速比和孔型系统的特点，将Φ25、Φ28、Φ32等成品规格的轧制空过放在精轧机组前几道次，一方面延长了预水冷的回复段，获得更好的截面温度梯度，另一方面轧制后在最短的时间内就进入穿水冷，防止晶粒的快速长大。
按照该生产工艺，可以采用HRB335的成分稳定生产HRB400（E），采用HRB400的成分稳定生产HRB500（E）。
以HRB400（E）为例，采用该工艺可节约冶炼成本约80元/吨钢，轧钢工序由于13~18#轧机轧制温度低，用电负荷增加，同时轧辊和导卫的消耗也增加，每吨钢轧制成本增加约20~30元，综合成本可降低约50元/吨钢。
3改造范围及改造内容
3.1预水冷水箱及阀台
目前生产线没有预水冷装置，需要全部新建。
1套预水冷冷却系统包括：
水箱、与之配套的控制阀台、水箱进出口输送导槽和旁通辊道。
位置：
位于中轧机组后，2#飞剪前。
共2段水箱
作用：
为了控制轧件进入精轧机组温度，提高产品质量。
组成：
预水冷却装置由入口导槽、水冷通道、旁通辊道、横移小车、水冷阀台、随机配管及控制系统组成。
结构：
水冷通道和旁通辊道安装在横移小车上。
横移小车由液压缸进行驱动，轧件需要水冷时，将水冷通道对准轧制线，根据轧件规格调节阀门进行水量控制；轧件不需水冷时，则移动小车将旁通辊道对准轧制线。
控制系统：
预穿水冷却装置采用开环手动控制；
水冷阀台：
供水总管设置流量计、压力传感器、流量调节阀。
水箱进出口设有高温计；
主要技术参数：
预水冷装置长度：
约6000mm
轧制中心线标高：
+800mm
轧件穿水前温度：
920~1050℃
冷却能力：
每段水冷最大温降150℃
冷却水最大压力：
MAX=1.8Mpa
冷却水最大耗量：
200m3/h
反吹气压力：
0.4-0.6Mpa
3.2水冷水箱及阀台
目前18V#后水冷装置有如下几个问题：
1）水压不足，采用文氏管结构的水冷装置要求水压至少1.6Mpa，而目前的供水压力仅为0.6Mpa；
2）冷却管长度偏长。
目前共有四段文氏管，每段长度约5m，即使压力提高后，也会由于冷却管长度太长，等到管子尾端的时候压力不足，导致冷却不均匀，最终轧件容易弯曲，或者堆钢造成事故；
3）没有任何水冷控制手段：
目前没有高温计，进出水箱的工艺温度无法测量，水箱上没有流量计和压力计，不知道实际供水情况，主管路上没有调节阀，即使水量不合理，也只能通过手动调节，灵敏度和准确性不足。
针对上述原因，建议利用现有的车体，修改水冷管，增加水冷管路上的阀台和控制系统，以达到控制冷却的工艺要求。
修改后的轧后水冷系统描述如下：
位置：
位于精轧机组后、3#飞剪前，共4段水箱。
作用：
对带肋钢筋进行水冷及输送，控制终轧后轧件冷却温度。
能够解决表层温降较快，心部冷却效果较差的问题；使心部冷却满足工艺要求，又保证棒材表层温度不能过低，而影响材料性能。
轧件可以获得细小均匀的铁素体组织，避免不良表层组织的产生，使棒材具有良好焊接性能。
组成：
穿水冷却装置共4组单元，每个单元由入口导槽、水冷通道、旁通辊道、横移小车、水冷阀台、随机配管及阀台组成。
结构：
穿水冷装置利用现有的4组横移小，每台小车长约5米左右，横移小液压缸旁通辊道利旧，改造现有的水冷通道，安装单线、两线、四线，满足现有生产，同时预留4切分的可能。
控制系统：
穿水冷却装置采用开环手动控制；
水冷阀台：
供水总管设置流量计、压力传感器、流量调节阀。
水箱进出口设有高温计；
主要技术参数
水冷前轧件温度：
950~1050℃
水冷后轧件最低温度：
550℃
冷却水最大压力：
MAX=1.8Mpa
水量最大耗量：
650m3/h
反吹压缩空气压力：
0.4-0,6Mpa,
文氏管等材质：
耐磨不锈钢
3.3控制系统
改造后轧线轧线增加高温计、流量计、调节阀、压力计等原件，需要增加一套PLC系统，控制上述设备，同时与轧线PLC通讯连锁，以满足自动轧钢的要求。
鉴于目前的现状，建议控制系统采用开环控制即可，随着以后操作水平和对设备的熟悉和操作水平的提高，再根据需要适当改造。
轧后穿水冷采用自动控制，可实现的主要功能：
——流量闭环控制
——电动调节阀手动控制
——流量控制/手动控制两种模式的无扰动切换
——冷却模式设定
——水冷参数表设定和存储
——不同品种/不同温度的水冷参数自学习
——温度/流量曲线显示及存储
正常生产时，控制系统为自动状态，通过HMI手动输入或者根据轧制工艺调用预存相应的水冷参数，对各段水冷管路气动调节阀进行调节控制，达到控制所需的水量及水压，以满足生产所需的轧件温降；根据水冷出口和冷床入口的温度显示，可由工艺师实时对水冷参数加以修正。
该电气控制系统主要是由CP2HMI人机界面工控机、PLC控制柜、现场I/O箱以及现场传感器等组成。
上位机与现有轧线控制系统及PLC通过以太网传输数据，轧件在各轧机的出口速度通过电缆由现有轧线控制系统传入，现场远程I/O接线箱与PLC柜通过PROFIBUS通传输数据，现场各传感器的信号通过电缆传送到PLC控制系统中。
温度检测系统主要用于轧制生产过程中的轧件温度检测。
在棒材精轧机出口口、3#飞剪前均安装有红外线温度检测仪；当红钢通过时红外线检测仪就会发出一个4～20mA信号输入到PLC，通过运算处理在HMI人机画面上进行温度显示。
温度控制系统的目标水量、压力和温度等参数，通过对总管调节阀的控制和对各段穿水冷的选择，以控制进入各水箱的水流量和压力，使轧件经过各段穿水冷时达到均匀有效的冷却。
该系统主要有红外线温度检测仪、主流量控制阀、流量变送器、压力变送器等元器件组成，其功能如下：
a）红外线温度检检测仪（Pyro）：
在穿水冷温度控制系统中，在精轧出口、3#飞剪前都有红外线检测仪，它主要用于检测轧件到达各区域时的轧件温度。
并把数据传送到控制系统中进行处理并在HMI人机界面上显示；
b）流量阀（coolflowvalve）、流量变送器（FT）：
流量调节阀是用来控制各段传水冷的水流量。
FT是流量变送器，它直接把流量阀的实际值转化为4~20mA的模拟量输入到PLC中，进行处理并在并在HMI人机界面上显示。
3.4水处理系统
目前水处理系统泵供水能力为670t/h，压力6bar，本穿水冷却需要的供水压力为18bar，流量约850t/h，流量和压力均无法满足工艺要求，有两种改造方案：
1、将供水泵更换，满足压力和流量要求。
由于现有穿水冷的供水时单独一路管道从泵房到车间，而且设计耐压等级是10bar，需要将该管路全部改造，管路总长度约250m；
2、供水泵和供水主管均不更换，在车间穿水冷却旁边设增压泵组，将穿水水压提高到18bar。
预水冷的喷嘴方式和设备结构更换为可用低压水的设备，由现有的轧辊冷却水系统供水，核实现有粗中轧供水泵的能力是否可满足新增预水冷的供水要求；
3.52#飞剪的移位改造
目前2#飞剪紧邻12#轧机出口，增加预水冷后需要将2#飞剪移位改造，安装在13#轧机入口，相应的设备基础、电缆及检测元件等需要移位改造。
3.63#飞剪剪切能力评估
型式：
曲柄回转式工作制度：
启停工作制
最大剪切断面：
Φ55mm最大剪切力：
60t
最低剪切温度：
550℃
轧件运行速度：
3～18m/s
剪切速度：
3.3～20m/s
倍尺剪切精度：
0～100mm
3#倍尺飞剪力能参数满足剪切要求，不需要做更改。
4供货清单
序号
设备名称
单位
数量
重量（t）
备注
单重
总重
一
工艺机械设备
1
预水冷水箱
套
1
1.1
单线入口导管及水冷总成
套
4
1.2
横移小车（含液压缸及辅件）
套
1
1.3
旁通辊道
套
1
1.4
进水干管及支管装配
套
1
1.5
进气干管及支管装配
套
1
1.6
金属软管及快换接头6m
套
1
2
预水冷阀台
2.1
泄水阀
套
1
2.2
压力传感器、压力表
套
1
2.3
高温计
套
2
2.4
电磁流量计
套
1
2.5
流量控制阀
套
1
2.6
气动切断阀
套
2
2.7
压力表、手阀
套
2
3
穿水冷水箱
套
4
3.1
单线入口导管及水冷总成
套
4
3.2
双线入口导管及水冷总成
套
3
3.3
四线入口导管及水冷总成
套
3
3.4
导槽安装底座
套
1
3.5
二线缓冷段
套
2
3.6
二线替换段
套
1
3.7
四线缓冷段
套
2
3.8
四线替换段
套
1
3.9
横移小车（含液压缸及辅件）
套
1
利旧
3.10
旁通辊道
套
1
利旧
3.11
进水干管及支管装配
套
1
3.12
进气干管及支管装配
套
1
3.13
金属软管及快换接头6m
套
1
4
阀台
4.1
泄水阀
套
1
4.2
压力传感器、压力表
套
4
4.3
高温计
套
2
4.4
电磁流量计
套
4
4.5
流量控制阀
套
4
4.6
气动切断阀
套
16
4.7
压力表、手阀
套
16
二
电气设备
1.1
PLC系统软件
套
1
1.2
工控机PIV/1600MHz/1GDVD-RW/120G
套
2
1.3
HMI系统软件WINCC
套
1
1.4
PLC电源模块
块
1
1.5
CPU模块
块
1
1.6
数字量输入模块
块
1
1.7
数字量输出模块
块
1
1.8
模拟量输入模块
块
1
1.9
模拟量输出模块
块
1
1.10
连接器
各
3
1.11
连接器
各
1
1.12
DIN导轨
块
1
1.13
直流电源（SW-100-24）
1.14
光纤网络交换机（A01ynkS1008A）
台
2
1.15
ETHERNETCABLE（以太网电缆）
m
1.16
ETHERNETFIBEROPTICCABLE（以太网光缆）
m
1.17
PLC柜
个
1
1.18
计算机桌
台
1
1.19
空气开关（C45N,2P,32A）
个
1
国产
1.20
空气开关（C45N,2P,6A）
个
5
国产
1.21
水冷工艺软件包
套
1
5投资估算及工期
5.1预水冷装置
预水冷装置全部新建，设备本体及阀台总投资约50万元；
5.2穿水冷装置
水冷装置部分利旧，设备本体及阀台总投资约150万元；
5.3电控系统
预水冷及水冷的电控系统，总投资约80万元；
5.4水处理系统
按照方案1改造，更换泵及供水管路，总投资约100万元；
5.5建安费用
建安费用包括预水冷设备基础、2#飞剪设备基础，上述所有设的安装，以及电控系统和现有系统的数据通讯和衔接等费用，初步估算约50万元。
5.6工期
上述设备订货及制造周期约12周，安装调试考虑尽量缩短时间，减少对正常生产的影响，考虑1~2周时间，项目总工期约13~14周。
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