冷軋連續退火爐冷卻技術的發展和應用

李凱

摘 要 連續冷卻退火爐的連續冷卻散熱速率對汽車冷軋后退火處理產品的性能，尤其是強度起著一個決定性的作用。為充分適應當前汽車市場對冷軋退火產品耐熱強度越來越高的技術要求，本文簡要介紹分析了汽車連續式冷軋退火爐的熱冷卻速率技術在國內外的應用發展趨勢概況，分析了各種冷卻技術的優缺點，并指出了其今后的發展方向。

關鍵詞 冷軋 冷卻技術 發展應用

中圖分類號：TC307 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）03-0017-02

隨著我國汽車制造工業的快速發展，對大型汽車退火的耐熱強度控制要求越來越高，汽車板的開發生產對用于連退、鍍鋅和退火爐用鋼冷卻后的速率控制提出了更高的技術要求。為不斷提汽車鋼退火爐的熱冷卻系統能力，滿足高強型汽車板甚至超高溫壓強鋼的研發生產應用需求，近年來鑄鋼退火爐的熱冷卻系統技術快速進步發展，各種新型冷卻系統技術的研發和生產推廣應用也越來越多。

1 退火爐連冷工藝的發展及現狀

1.1 NSC連續退火處理技術

NSC公司開發的卡普爾，退火導線一般采用兩種方式冷卻帶鋼。20世紀70年代，他們發明了噴射冷卻，簡稱為GJC，采用新型h2-n2輥型復合金屬氣體對熱軋帶筋板鋼鋼筋表面涂層進行均勻加熱處理，使熱軋帶筋板鋼快速受熱冷卻并達至過于平時效率的溫度[1]。據此，80年代發展了氣-水-氣加速冷卻技術，目的是為了提高噴射設備的板帶厚度和冷卻速度，使板帶溫度降至5～30℃/S。這種加熱方法主要是把含有水和其他氣體的加熱輥合物進行升壓后將水浸入這種帶厚型鋼板的表面，其工業生產加熱效率大大提高，冷卻加熱速度一般可達50～300℃/s，對工業生產高耐熱強度的帶鋼板非常有利。但是熱帶不銹鋼經過acc電鍍處理后，其鍍層表面會迅速出現大量蒸汽和鍍膜，需反復進行多次酸洗、漂洗、干燥、鍍鎳等復雜工序，生產成本和前期投資費用較高。

1.2 NKK連續退火過程

由日本鋼管公司開發的連續退火生產線，板帶冷卻有三種冷卻方式。七十年代，出現了水冷法，簡稱WQ法，采用這種方法，浸在水中淬火，它是目前已知最快的連續退火冷卻方法之一。其冷卻速度一般在500～2000℃/s之間，由于其前所未有的冷卻速度，可以生產高強度鋼板，但不能生產軟鋼。為了節約能源，降低成本，日本在70年代后期發展了輥冷技術，這種技術通過內冷方式使帶鋼與軋輥接觸，并通過傳熱來冷卻帶鋼[2]。本發明冷卻速度可達到100～400℃/S，可根據板帶厚度調節冷卻速度，節省30%的能源。可生產深沖壓板、高強鋼板。其主要缺點是接觸不均勻、冷卻不均勻。

1.3 KM連續退火技術

Hgjc方法在80年代得到發展，熱噴冷卻是在帶鋼表面高速噴射冷卻的一種干式冷卻方式，制冷機還有調節氫含量的裝置。增加氫含量，可提高熱導率和冷卻速率;其一般冷卻速度可達30～90℃/S，但這種冷卻方式對厚板帶的冷卻效果不明顯，因此適用于薄板生產。

2 退火爐制冷技術發展動向

退火冷卻技術的發展，一直是鋼鐵行業關注的焦點。連續高溫退火爐和熱冷卻系統技術的任何重大突破和技術改進，都將大大提高了特鋼廠的質量生產管理效率和社會經濟效益。但連續退火爐冷卻工藝受多種因素的制約，其中隨機因素占主要影響，因此為了提高連續退火爐冷卻工藝水平，必須不斷改進工藝，以提高產品質量。隨著現代科技的不斷發展和現代信息電子技術的不斷進步，智能時變控制退火技術尤其適用于那些具有非線性、時變控制特性的家用退火爐，是連續式退火爐冷卻技術的時代變革和進步。隨著軟件工程的成熟和機電一體化的發展，智能技術逐漸融入到連續式退火爐冷卻技術中，并在采用連續式智能退火爐的熱冷卻控制技術的專家系統智能控制、模糊控制系統、人工神經網絡系統控制、遺傳算法、人工智能免疫系統控制等智能控制系統理論中已經得到越來越廣泛的研究應用[3]。這些自動控制加熱方法已逐漸廣泛應用于現代工業的爐窯，例如退火爐，熱冷卻部分是退火爐的核心和關鍵部件。為了準確穩定地控制退火爐的溫度，國內外許多專家、學者對此進行了長期而深入的研究。目前，溫度控制手段和方法仍然是連續退火爐冷卻技術研究的方向。

3 薄板連續退火爐的研制及爐輥設計

在生產退鋼止火線上面當生產超深冷軋工藝帶鋼時，其材料規格逐漸變薄，最可達0.3mm左右，拉伸時的速度越來越快，工藝截面最大可達1000m2，退火線的溫度也越來越高，如生產超深均熱型可拉拔冷軋軟鋼的退火溫度一般為870℃。為了充分滿足大型薄板高溫高速加熱退火的使用要求，爐輥一般都是采用正凸爐輥設計。但是凸度過大容易導致帶材熱屈曲，凸度過小容易導致帶材變形。結果表明，爐輥錐度與熱軋帶鋼的臨界張力有密切關系。高爐輥筒為雙錐型設計，以滿足產品規格變化大的要求。通過大量的視頻模擬錐角試驗，優化了錐角，使之更加適用于普通寬板和大型窄板的批量生產。在新型退火爐輥的設計中，采用了多種可以控制退火爐輥熱度和凸度的控制措施。為了避免輻射管加熱對加熱爐爐筒頂部造成影響，在每一爐筒下方安裝保溫板，有些企業也將冷卻的空氣輸送到隔熱板，以保證保溫效果。該加熱爐4-7個加熱輥腔分別控制爐溫，在輥身兩端各注入冷卻保護氣體，避免帶鋼溫度過低影響輥身頂部的穩定孔型，從而避免帶鋼輥身凸度變化。另外，在快冷爐進出口處，為了防止皮帶溫度過高對爐輥頂部的影響，還在快冷爐進出口處設置了一個爐輾室，并安裝了管狀加熱元件，用來分別控制爐溫，以防受冷滾動[4]。

4 高速冷卻技術的發展

4.1 輥冷工藝

軋輥冷卻技術是將帶鋼與爐內的冷卻水接觸，通過傳熱冷卻。在100～300℃范圍內接觸冷卻率均為100%，其冷卻率可根據帶鋼移動速度和水冷輪移動位置進行調節。該工藝成本低，冷卻速度快，適合生產冷軋板材。但是由于對板形的高度依賴，缺少有效的寬度方向均勻性控制方法。側噴冷和水冷輥后噴冷系統的配合使用，可以減小板料的溫度偏差，但也會影響到冷卻速度。此外，由于接觸輥數量較大，不可避免地會出現大量的輥印。

4.2 高速噴射冷卻法

它是將保護性氣體高速噴射到鋼帶表面，實現帶鋼快速冷卻的新工藝。因為立式噴淋機的冷卻系統具有溫度收斂自穩的加熱特點，即是說當內部帶熱的鋼氣體溫度不均勻時，高溫氣體部分與低熱氣體內部溫差大，冷卻加熱速度快;反之，在高熱氣體內部溫差小，冷卻速度慢的情況下，帶鋼溫度較低，使整個坯料表面溫度均勻。新日鐵研制的高速噴射冷卻系統，將帶鋼寬度方向分為五段，出口側設有5塊擋板，并配有掃描溫度計，可對帶鋼橫向溫度進行控制，使其均勻分布。將高速噴冷與輪冷技術相結合，形成川鋼高速氣冷-輾冷復合工藝（rgcc）。新日鐵和川崎鐵的主要區別在于噴口，新日鐵采用了凸出式水口，川鋼采用了窄縫式水口，并且還采取了一些有效可以減少油管煤氣冷卻回流的控制措施，如在油管水口寬度橫向進行移動以便于保證水管帶不銹鋼水口寬度不同方向的均勻煤氣冷卻，與傳統狹縫式煤氣噴嘴系統相比，圓筒式煤氣噴嘴仍然具有相同的煤氣冷卻回流能力，且能耗較低[5]。

4.3 冷水淬冷卻

該工藝冷卻速度快，可達到1000～2000℃，生產高強度鋼所需合金量少，產品的焊接性和延緩損傷能力強。特別適用于生產高強鋼、超高強鋼。但是，由于連續退火生產線的產品種類較多，通常軟鋼是由優質軟鋼和其他高強度不銹鋼制成，軟鋼不一定需要使用水淬，一般可以采用高速高壓噴射加熱冷卻、輥冷等多種冷卻加熱方式。該線路按需分別采用兩種不同冷卻加熱方式，設備簡單投資大，生產成本高，采用了熱水淬火的工藝。由于生產鋼帶爐輥表面上的蒸汽和鍍膜對生產爐輥板的表面質量可能有一定影響，不過更適合用于生產高溫低質量的爐輥冷卻塔和鋼板。20世紀80年代，新日鐵粉廠鋼水兩相氣流冷卻（acc）公司研制成功了仿鋼琴式新型氣流冷卻霧化器的水冷冷卻噴嘴，并成功地廣泛應用于多個連續式的退火冷卻機組。冷卻水的速度一般介于水的噴射和提高冷卻水平的冷卻之間，中速度的冷卻速度能為您提供最佳的鋼板碳化及過濾物飽和度，促進鋼板后續處理過程中所有碳化物的快速析出，有利于工業生產耐老化強度深沖低溫高碳鋼和生產工業化高溫低強度深沖冷軋低碳鋼板。由于亞熱帶材料的表面經過了acc加熱處理后，形成了一層薄的蒸汽保護膜，退火后一般需要用水進行多次酸洗、漂洗、干燥和閃蒸等處理，以提高其鍍層性能。這是因為工藝復雜，設備投資大，生產成本高。

4.4 濕閃冷技術

濕式閃蒸冷卻技術是在現有閃蒸冷卻技術的基礎上開發的。該技術旨在通過將氮氣和水的混合物注入閃蒸冷卻段來加快冷卻速度。分配器確保氮氣和水均勻分布在整個噴霧箱的寬度上，混合管帶有翅片以確保氮氣和水均勻混合，噴嘴和兩個排放槽噴射裝置。

5 結語

退火爐冷卻速率對高強汽車板的強度具有較大影響，從退火爐連續冷卻技術的發展可以看出，中高速氣體噴射冷卻是一項比較先進和通用的技術，它適用于各種受力較強的產品，既能生產軟鋼，又能使鋼廠生產高強度鋼。在連續退火爐冷卻過程中，高速氣體射流冷卻方式運行穩定，板材適應性強，成品質量好，板材尺寸不受孔隙限制。為客戶生產更高強度等級的高強乃至超高強度的汽車板材提供了專業技術支持，有著廣泛的應用市場前景。

參考文獻：

[1] 趙龍.研討冷軋連續退火爐冷卻技術的發展及應用[J].科學與財富，2020（12）：105.

[2] 孫志斌，王林建.新技術在冷軋帶鋼連續退火爐上的應用[J].工業爐，2017（01）：14-17.

[3] 鄭海燕.冷軋連續退火爐冷卻技術的發展和應用[J].軋鋼，2018（01）：52-56.

[4] 胥平.冷軋連續退火爐溫度控制系統設計與研究[J].電子技術與軟件工程，2016（09）：137-141.

[5] 李玉.冷軋連續退火爐冷卻技術的發展和應用[J].內燃機與配件，2021（03）：32-33.