天鋼二高線水箱中水嘴的優化及應用

于 鑫，曹英杰

（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

0 引言

天鋼高速線材廠二號軋機是引進美國摩根公司的5 代高速線材軋機。該生產線共有26 架軋機，采用“方—箱—橢圓—圓”孔型系統，最高終軋速度100 m/s；斯太爾摩風冷線輥道長90 米，并配有10臺大風量風機。該軋機年設計生產能力60 萬噸，選用150 mm×150 mm 連鑄方坯，產品規格為Φ5.5～Φ20.0 mm 光面盤條和Φ6.0～Φ14.0 mm 熱軋帶肋鋼筋盤條。軋制鋼種有碳素結構鋼，優質碳素結構鋼，合金結構鋼，軸承鋼，冷鐓鋼，彈簧鋼，焊絲鋼等。

1 二高線生產工藝流程及問題

1.1 二高線生產工藝流程

天鋼二高線配置有設計能力為110 t/h 步進蓄熱式加熱爐1 臺，軋線共有粗軋機6 架，中軋機6架，預精軋機4 架，精軋機10 架，其中精軋機采用頂交45 度設計。在預精軋和精軋之間設置有1 號冷卻水箱，在精軋機和吐絲機之間設置有2～5 號冷卻水箱，吐絲機后設置有斯太爾摩風冷線，成品線材通過風冷輥道后進入集卷筒，隨后下到5 米平臺以下，通過集卷小車，進入PF 線，經剪尾，打包，掛牌，稱重等工序，即可進入成品庫。

1.2 二高線控冷設施

隨著線材軋制速度的提高，控制軋制和軋后控制冷卻已成為必不可少的一部分。控制軋制簡化了生產工藝流程，同時可以細化晶粒，提高鋼的強度和韌性。控制冷卻在軋鋼領域內屬于控制軋制的范疇，其是對熱軋產品通過人為調整，有目的地進行控制的一種方法，可以理解為利用熱軋后軋件的軋制余熱，以一定的控制手段控制其冷卻速度，從而獲得所需要的組織和性能的冷卻方法。

二高線控冷設施包括：精軋機前的1 號水箱；精軋機和吐絲機之間的2～5 號水箱；吐絲機后的斯太爾摩風冷線。1 號水箱的作用是保證盤條進入到精軋機的溫度，而2～5 號水箱的作用就是按照工藝要求，控制線材進入斯太爾摩風冷線前的吐絲溫度，為斯太爾摩風冷線的空冷工藝創造條件。斯太爾摩風冷線設有大風量冷卻風機，輥道上部設有可開啟的絕熱蓋，可根據處理的鋼種、規格的不同，按工藝制度對輥道的速度、風量、開啟或關閉保溫罩進行設定，通過控制線材的冷卻速度，使成品線材具有良好的金相組織和所需要的機械性能。

1.3 Φ8.0 及Φ10.0 螺紋鋼軋制過程中的問題

現代化的高速軋機，其終軋速度均高達70 m/s以上，而終軋溫度一般也高于750 ℃，盤重也達到2噸以上。在這種情況下再采用常規自然冷卻方法，極易導致冷卻不均勻，盤卷的內外溫差加大，造成金相組織的不理想、性能的不均勻、氧化鐵皮過厚甚至產生Fe3O4，對于高碳鋼而言，非常容易造成二次脫碳，對后續的拉拔工序和使用帶來很大的困難[1]。

天鋼二號高速線材軋機，在Φ8.0 及Φ10.0 螺紋鋼軋制的過程中就出現了一系列問題，堆鋼頻發，吐絲溫度在880 ℃～950 ℃之間徘徊，金相組織結構不穩定，造成了整個生產節奏的紊亂，非計劃停車時間增加。為了查明原因，高線廠組織對整個生產過程進行了跟蹤，在跟蹤中我們發現，2～5號水箱原有水嘴的小孔規格內孔直徑為Φ12.0 mm，紅坯在通過的過程中，極易發生堆鋼，而且吐絲溫度一直居高不下，吐絲后極易在溫度轉變的過程中得到索氏體結構，而普通的熱軋帶肋鋼筋金相組織主要是鐵素體加珠光體。有關鋼的內部組織結構相變，可以通過鐵碳合金相圖得知。如圖1 所示。

圖1 鐵碳合金相圖

2 水嘴優化及應用

2.1 水嘴問題的原因

二高線在軋制規格為Φ8.0 及Φ10.0 的螺紋鋼時，2～5 號水箱內的冷卻水嘴及恢復段導槽，摩根公司設計的原有內孔直徑只有兩種規格，分別為小孔Φ12.0 mm 及大孔Φ26.0 mm，在使用小孔導槽時由于內孔直徑與螺紋鋼大點尺寸空間過小，極易引起堆鋼，同時由于紅坯表面與水嘴內孔之間空間過小，極易造成氧化鐵皮堵塞冷卻水嘴，同時氧化鐵皮也容易劃傷盤螺表面，影響盤螺的表面質量及冷卻效果。控制軋制工藝主要是通過控制軋制工藝參數，如變形速度、應變速率、加熱溫度及終軋溫度等，使其通過奧氏體向鐵素體和珠光體相變后，形成細化的鐵素體晶粒和較細小的珠光體球團，從而達到提高鋼的強度、韌性的目的。控制冷卻是為了細化鐵素體晶粒，減小珠光體片層間距，以提高析出強化效果。因此，我們通過生產統計的數據分析，水冷導槽呈密閉狀，穿水冷卻能力明顯不足，與工藝要求的吐絲溫度有一定的差距，會造成后續的盤螺達不到性能指標[3]。

如果使用大孔導槽，雖解決了紅坯的尺寸上限問題，但由于空間過大，已達到±7.3 mm，上下空間最大值已達到14.6 mm（以Φ10.0 L 橫肋高上限計算），在軋制過程中，由于精軋機26 架到夾送輥之間通道很長，紅坯在水箱及恢復段的運動過程中，極易引起大的抖動，從而引發堆鋼現象，造成連續生產的中斷，形成非計劃停車時間[4]。同時，由于水量過于充沛，也會造成吐絲溫度低于工藝要求。這就要求不得不考慮第三種內孔直徑方案，經過分析和測算，決定在原有內孔直徑規格的基礎上增加一組內孔直徑為Φ16.0 mm 的水嘴。Φ8.0L 及Φ10.0L的尺寸要求如表2 所示

2.2 對比實驗方案制定

為了驗證Φ16.0 mm 冷卻水嘴及恢復段導槽規格的軋制和控冷效果，實驗方案確定在2～5 號水箱內分別使用Φ12.0 mm、Φ16.0 mm 及Φ26.0 mm 的冷卻水嘴及恢復段導槽，軋制Φ8.0 及Φ10.0 的螺紋鋼，并記錄每種冷卻水嘴規格在生產中的堆鋼次數及堆鋼位置和原因。

為快速進行生產對比實驗，嘗試用替換下來已經磨出不規則溝壑舊的小孔Φ12.0 mm 冷卻水嘴及恢復段導槽，將其內孔直徑加工成Φ16.0 mm，即節省了實驗的工裝費用，有加快了實驗的進度。

2.3 對比實驗

表2 Φ8.0L 及Φ10.0L 的尺寸要求 /mm

通過在生產中的多次對比實驗，在分別使用Φ12.0 mm、Φ16.0 mm 及Φ26.0 mm 的冷卻水嘴及恢復段導槽，軋制同種規格螺紋鋼時，得出了以下數據。各規格冷卻水嘴堆鋼次數對比見表3。

表3 各規格冷卻水嘴堆鋼次數對比

經過分析和實驗對比，我們可以直觀的看到，在軋制Φ8.0 及Φ10.0 的螺紋鋼時，如果使用內孔直徑為Φ16.0 mm 的冷卻水嘴及恢復段導槽，可以有效地避免堆鋼事故的發生，按處理一次堆鋼時間為20 分鐘，每天可節約非計劃停車時間約80 分鐘，全年排除計劃檢修等時間因素，可節約非計劃停車24000 分鐘。提高了鋼材的日產量、年產量及產品的成材率。也間接降低了調整工的勞動強度。

同時，由于使用了內孔直徑為Φ16.0 mm 的冷卻水嘴及恢復段導槽，控冷效果也得到了很好的改善，保證了吐絲溫度，為盤螺的性能指標打下了良好的基礎和保證。

3 結語

通過優化2～5 號水箱冷卻水嘴及恢復段導槽內徑，有效地減少了Φ8.0 及Φ10.0 的盤螺軋制的非計劃停車時間，提高了盤螺鋼軋制的生產效率和成材率。同時，對舊有備件進行了修舊利廢，節約了備品、備件的采購成本及時間周期。經過工藝調整、跟蹤及實驗數據的統計，目前在2 號至5 號水箱這段區域，因為水嘴內徑不符這一原因造成的堆鋼及吐絲溫度不達標的情況，次數已基本為零，在后續的生產實踐中還將繼續在細節上進行優化，本著精益求精的原則，為進一步提高軋線的生產效率和成材率做更多的工作。