棒材推广超细晶粒生产技术可行性研究

棒材推广超细晶粒生产技术可行性研究本文对萍钢棒材线设备进行分析，计算出中轧及精轧电机负荷，提出适合棒材线超细晶粒工艺的温度制度，并针对此温度制度，给出详细的穿水方案。关键词：超细晶粒电机负荷水压水量1．前言萍钢公司棒材轧制线始建于1998年10月，投产于1999年4月，全线为半连续布置。粗轧三辊轧机往复轧制7道，将170方连铸坯轧制为80方轧件。中轧7架轧机水平布置，电机为1拖2和1拖3配置，后因孔型优化，中轧只使用6架轧机。精轧为6架平立交替布置轧机，轧制Φ22及以上规格螺纹钢筋时甩掉K3和K4机架。棒材线年设计能力30万吨，目前已达50万吨的水平。因为棒材线没有采用超细晶粒轧制工艺，为实现公司效益最大化，棒材线只轧制Φ18～Φ25规格Ⅱ级钢筋。萍钢于2004年4月开发出超细晶粒钢筋，并于今年1月将超细晶粒钢筋生产工艺推广到新区高棒线。超细晶粒生产工艺投资省、见效快，且其经济效益十分显著，生产Ⅲ级钢筋吨钢降低成本200元以上，Ⅱ级钢筋吨钢也能降低30元左右的成本。该工艺虽然不需对现有设备进行大的改造，但因为采用低温轧制及轧后快冷，故对加热炉能力、机组间冷却能力、电机功率及轧后快冷能力提出较高要求。棒材线受以上因素的限制，至今未采用该生产工艺。经过对棒材线设备进行大量分析，包括对机组间和轧后可安装冷却水管的段数、长度的计算，水量、水压及水温能否保证，电机负荷能否承受等诸多因素的分析，最终得出结论，只需对设备进行一些改造，棒材线采用超细晶粒生产工艺是可行的。2．电机校核在孔型、料型不变的前提下，计算出各规格中、精轧各道电机所能承受最小轧制温度，为机架间穿水强度提供依据。此处以Ф25规格K2机架为例，叙述校核过程。2.1平均单位轧制力计算采用艾克伦得公式，其计算出的结果比较符合实际，公式为：p=(1+m)(K+ηε)(2.1)——m为外摩擦对单位压力的影响系数，由公式m＝1.6?R△h-1.2△hH+h计算，式中?为摩擦系数，对于铸铁轧辊，?＝0.8（1.05－0.0005t）－V0.05t，假设温度为900℃，得?＝0.36；△h为压下量，H＝F1/B＝23.55mm，h＝F2/b＝16.55mm△h＝H-h＝6.99mm；R为轧辊半径，此处为163.22mm；则m=0.276。——K由经验公式K＝9.8(1.4-0.01t)(1.4+C+Mn)计算，对于超细晶粒钢筋，C％＝0.25，Mn％＝1.0，则K＝149.45N/mm2，——η为粘性系数，由经验公式η＝0.1(1.4-0.01t)计算，此处η＝0.5。——ε为平均变形速度，由公式ε＝2V△hRH+h计算，此处ε＝55.70s-1。将以上数据带入公式（2.1），得平均单位轧制压力p＝226.22kN。2.2总轧制力计算总轧制力由公式P＝p﹒F计算，其中F为接触面积,为：F＝B+b2R△h=1145.2mm2则总轧制力P＝259.1kN。2.3传动力矩计算轧制过程中，经过主电机轴传动轧辊所需的力矩M由以下几部分组成：M＝Mzi+Mm+Mk+Md(2.2)?????——Mz为轧制力矩，轧制中两个轧辊所需要的总轧制力矩为：Mz=6PψL。式中L为接触弧长，L＝R△h＝33.77mm；ψ为力臂系数，取ψ＝0.55。则Mz=9.62kN.m。???——Mm为附加摩擦力矩，摩擦力矩由两部分组成：①轧辊轴承间的附加摩擦力矩Mm1＝3?P2??1?d12?4,d1为轧辊辊颈直径，d1＝180mm；?1取0.004，则Mm1＝0.1865kN.m；②传动机构中的摩擦力矩Mm2=(1η1-1)?Mz+Mm1i,η1为传动效率，取η1＝0.97，则Mm2＝0.3034kN.m。i为传动比，该电机减速箱传动比为1.0，则附加摩擦力矩Mm＝0.4899kN.m。——Mk为空转力矩，空转力矩按经验公式计算，Mk＝（0.03～0.06）MH，MH＝9550Nn=18.71kN.m，则Mk估算为0.561kN.m。——为动力矩，因棒材可看成近似匀速运转，动力矩可忽略不及。将以上数据代入式（2.2），得电机传动力矩M＝10.674kN.m。忽略轧机间隔时间，取过载系数为1.2，M＜1.2MH，电机没有超载。2.4计算各架所能承受最低轧制温度按上述公式及方法，建立数学模型，以Ф18规格为例，计算出中、精轧各道所能承受的最低温度（以1.2为安全过载系数），见表1。由表1初步看出，中轧3＃电机和K1机架电机是限制低温轧制的重要因素。另外，将表1数据与老区高棒和新区高棒比较得出结论，单从电机负荷方面考虑，棒材线条件要优于两条高棒线。表1规格道次温度传动力矩额定力矩过载系数Ф18中19006.149.561.02中29003.61中39206.7811.511.08中49205.62中59606.7411.271.10中69705.65精17509.0469.6590.94精27507.4278.4630.88精38008.3039.5650.87精48008.29410.2070.81精58509.78611.4560.85精69308.1357.7881.043．穿水管的配置根据现场考察和查阅图纸，棒材线机架布置不紧凑，可安装穿水管的位置较多。中轧可安装两段穿水管，位置在2＃与3＃、4＃与5＃之间；精轧可安装两段，位置在K4与K5、K2与K3之间；轧后可安装两段。根据机架间距与料型的不同，穿水管具体长度与内径见表2。穿水管均采用萍钢与东北大学合作研制的新型高效冷却器，其冷却速度在100℃/s以上。表2穿水管号位置长度，m内径,mm1中轧2＃与3＃之间2.6802中轧4＃与5＃之间6.5803精轧K4与K5之间2.4504精轧K2与K3之间2.4505轧后首段3.1506轧后第二段3.1504．制定合理温度制度制定温度制度主要依据为：①开轧温度受加热炉能力和粗轧机能力影响，目前加热炉炉况不好，降低炉温幅度过大将造成炉温严重不均匀；粗轧机采用堆焊轧辊，钢温过低会大大降低轧辊疲劳寿命，轧辊断裂可能性增加，故开轧温度不能太低。②各机架轧制温度受轧件温降、机组间冷却水管的冷却能力及电机负荷等的综合影响，应找到各因素最佳结合点。③轧件上冷床温度受终轧温度和轧后穿水管冷却能力影响，轧件上冷床温度对钢材性能影响很大，温度过低影响钢筋焊接性能和抗震性能，温度过高，起不到细化晶粒的作用，故上冷床温度应尽量控制在800℃左右。根据以上因素，制定出各规格温度制度，见表3。表3内温度制度，除Ф18和Ф20规格中轧3＃电机过载系数在1.0～1.2之间外，其它均小于1.0。由表3看出，除Φ20规格外，其它三个规格处于未再结晶终轧阶段（950℃）。未再结晶终轧后立即进行强制水冷，拟制轧后奥氏体晶粒静态再结晶及晶粒长大，保留热轧变形引起的大量位错等晶体缺陷，增加铁素体形核率，对细化铁素体晶粒作用明显，其效果将好于两条高棒线的再结晶型控制冷却。表3，各规格温度制度，℃Ф18Ф20Ф22Ф25开轧1080108010801080中11000100010001000中2990990990990中3970980970970中4970980970970中5960990950950中69701000960960精19701000960960精29801010960970精3950970空过空过精4960980空过空过精5930940910910精6940950930930上冷床8008008008005．确定穿水冷却要求受篇幅限制，此处仅以Φ25规格为例，详细阐述其穿水工艺的制订。5.1各穿水管降温量根据表3温度制度，可大致估算出各段穿水管对轧件温降所起的作用，见表4。表4穿水管123456温降，℃2025403090605.2各穿水管流量、压力轧件温降受轧件直径、穿水时间、冷却水流量、压力及水温等因素综合影响。当压力一定的情况下（如1.4MPa），为了保证穿水效果，穿水管内径与流量存在一定关系，见图1。在轧件直径、冷却时间及水温不变的前提下，穿水压力与温降存在一定关系，如直径为Φ25轧件穿水2s的情况下，其关系见图2。根据以上关系，测算出棒材线Φ25穿水工艺，详见表5。表5穿水管压力，MPa流量，m3/h11.011520.89531.414041.010051.414061.21206．存在的问题从工艺角度说，一轧使用超细晶粒工艺是完全可行的，但是棒材线设备相对落后，尤其是一些辅助设施的能力令人担忧，如水泵房供水能力，冷却塔冷却能力等，这些问题都会不同程度阻碍超细晶粒钢在一轧的推广，有的问题更是必须尽快解决，否则推广工作将无法进行。1．目前棒材线水泵房最大供水压力为0.4MPa。为了保证穿水压力，必须增设至少3台增压泵，其中两台常用，一台备用。2．水泵房最大供水量为800m3/h,当水量无法满足时，优先关闭1＃穿水管，轧后穿水一定要保证上冷床温度不超过850℃。如果现有流量无法保证轧件上冷床温度，则可重新调整品种分配，棒材线只轧制Φ22核Φ25规格钢筋，精轧固定甩两架轧机，并将K1和K2前移，增加轧后穿水强度，保证轧件上冷床温度。3．1＃飞剪必须恢复切头功能。轧件在中轧穿水后容易出现黑头，1＃飞剪不切头精轧堆钢事故将会增多。目前棒材线每月因精轧或精轧后轧件头部开裂引起的堆钢达30起，对成材率和作业率造成极大影响，恢复1＃飞剪切头功能同时能够解决这个问题。4．高温季节冷却水温是制约超细晶粒钢筋推广的重要因素。为了保证钢筋力学性能，冷却水温度不得超过35℃，而棒材线冷却水的冷却塔难以满足该要求，有必要对冷却塔进行较大改造。5．棒材线K1机架与倍尺飞剪距离20m，轧后穿水管出口与倍尺剪信号探测器距离约10m，轧件回火时间不充分，倍尺飞剪有可能探测不到信号，故有必要更换为低温探测仪。7．结语从工艺角度考虑，棒材线采用超细晶粒轧制工艺是可行的，但设备需要进行一些改造，根据初步测算，以上几项改造共需费用300～400万元。如果超细晶粒钢筋在棒材线推广成功，则其带来的经济效益将在一年内收回以上投资。