1、棒材穿水研究王立丁（馬鋼第三鋼軋總廠設備保障部）摘要穿水冷卻是一套用于棒材生產線的在線熱處置設備。軋制普通鋼坯通過穿水冷卻處置能夠使綜合機械性能大大提高，取得高質量產品。穿水冷卻裝置是由預冷段、噴咀段、水冷文氏管、出水段及其回水管組成。通過調出閥對穿水文氏管水量進行調1葭以達到調節冷卻速度的目的。前言馬鋼第三鋼軋總廠棒材生產線以單線年產130余萬噸的產能在國內長期獨占鰲頭，所生產的帶肋螺紋鋼筋以優秀的質量成為知名品牌。這其中穿水冷卻工藝的研究和利用功不可沒，其功效也處于國內絕對領先的地位。經研究和生產實踐表明，棒材通過穿水處置后，其機械性能能夠提高幾個品級，軋制普碳鋼坯經穿水能夠達到低合金鋼的

2、機械性能。尤其是在用HRB335鋼坯生產出口三級螺紋鋼筋G460時，充分利用了國際行業標準在化學成份方面的有利因素，大大降低煉鋼生產的原料本錢，使棒材穿水冷卻成為三鋼軋降本增效的一個亮點。穿水冷卻工藝原理通過成品機架軋制后，棒材已達到成品材尺寸，現在的終軋溫度為1100C左右。在此溫度下，棒材內部金相組織為奧氏體組織。在軋制進程中，因反復擠壓變形，使晶粒取得細化。爾后如不對冷卻速度和上冷床溫度加以控制，必然使棒材在軋后冷卻進程中，內部產生晶粒粗大現象，最終致使機械性能下降，且冷卻時刻很長。穿水冷卻起到了對棒材進行軋后熱處置，提高機械性能的作用。實際上就是一個軋后高溫淬火加自回火的熱處置進程，所

3、不同是其淬火的時刻比較短，金相轉變不完全。如在用HRB335鋼坯軋制出口材G460時，棒材在終軋1100C溫度下進入穿水冷卻裝置，先通過預冷段，將棒材溫度降低至1000C左右，再經穿水裝置的噴咀段和水冷導管進行快速冷卻處置,相當于進行高溫淬火。由于文氏管的壯大冷卻效果，使表面溫度在2-3秒時刻內，迅速降低至400以下，形成淬火馬氏體。由于淬火時刻短，芯部溫度仍然很高，棒材內外部溫度梯度較大，因此，淬火層的厚度是有限的，實際大約有厚，而且淬火層中的金相組織也不完盡是馬氏體，其中含有貝氏體等組織。通過調吊j水量可控制出口溫度，在上冷床時的溫度一般控制在650c左右。現在，開始了利用棒材芯部余熱進行

4、高溫回火的處置進程。最終取得的金相組織是表面主要為回火索氏體，芯部為珠光體和鐵素體。正是由于表面層索氏體的存在,同時有淬火進程的細化晶粒作用，使得棒材綜合機械性能大大提高。另一方而，穿水冷卻加速了棒材冷卻速度，減少冷卻時刻，使得大幅提高產量成為可能。在軋制普通螺紋鋼時，若是不用穿水冷卻，則上冷床時溫度太高，可達到950C,到下冷床時表面溫度仍將超過350C,芯部溫度更高。在通過精整打包后，內部散熱更慢，相當于進行長時刻的低溫回火，使表而硬度和機械性能在打包乃至發貨以后繼續下降，以至于不能不采取降低軋制速度來保證冷卻效果。當利用穿水冷卻時，棒材上冷床溫度在800c以下,出冷床時表而溫度能降至20

5、0c以下。此溫度下棒材金相組織不會繼續轉變，機械性能穩固,從而為提高軋制速度創造條件。穿水冷卻裝置實際生產中利用的穿水冷卻裝置是由預冷段、噴咀段、水冷導管、出水段及其回水管組成。噴咀段包括一組噴咀，是提供冷卻水源的裝置。冷卻水在接觸紅鋼時，棒材表面的水將產生汽化，形成汽膜，如不清除這層汽膜，將使水和紅鋼離開接觸，影響冷卻效果。所以噴咀噴出的水流必需有必然的流速和入射角。壓力水通過噴咀以必然角度順軋制方向噴入水冷導管。由于那個角度的存在，使水流產生向前的流速，這一部份流體動能的分量保證水流克服水冷導管及軋件的阻力，并與軋件產生必然的相對速度，從而提高冷卻效果。同時，這一貫前的速度對軋件產生附加驅

6、動力，可有效避免堵鋼。但如果是流速過快則會使軋件在出了終軋機架后運動速度加速，即產生推尾作用，影響軋件穩固運行，也影響軋件上冷床時的定位。因此，需要控制噴咀的角度。一般在30°左右。中I川,噴咀水冷導管是穿水冷卻裝置的核心部件，軋件在水冷導管中與水直接接觸，并進行熱量互換。水冷導管由若干個短導管拼接而成，導管內徑形成份段的漸縮管形狀，咱們稱之為“文氏管”，但它與流體力學實驗裝置中的文氏管不能相提并論。穿水冷卻中的“文氏管”只是利用類似于文氏管的形狀來實現快速、均勻冷卻。“文氏管”中可分為縮徑區和擴徑區，縮徑區較短，主要起支撐軋件及導向作用。在擴徑區，軋件從近似的水流中心穿過，形成真正

7、意義上的穿水冷卻。與普通等直徑的水冷導管相較，“文氏管”的長處在于實現了穿水均勻冷卻。在普通水冷管中，軋件因重力作用而切近下方運行，不能保證軋件周圍的水量均衡,也就不能保證軋件的均勻冷卻。另一方面，由于“文氏管”不同區域直徑不同，流速不同，使得“文氏管”內的水流方向和流速都在不斷猛烈轉變，產生強烈的紊流，從而能夠提高換熱效率。水冷卻原理圖預冷段設置在穿水裝置的入口，由一個通水的空腔組成。它的作用主要阻止氣體進入“文氏管”，以保證冷卻效果。因為噴咀存在一個噴射角度，高速噴出的水流會在入口處產負壓，外部的空氣因此能夠進入“文氏管”中。而空氣的導熱性能極差，水中的氣泡會在軋件表而形成隔熱層，大大降低

8、換熱效率。預冷段通過平衡水管，從穿水裝置的出水口引水以填補噴咀射流引發的真空，消除負壓，避免空氣進入。同時，因有水存在，故也可起到預先冷卻的作用。預冷水也能夠從其他水源引水冷卻，水量需要進行調節，水量過大將從穿水裝置入口噴出，水量過小則不能有效封住氣體。出水段的作用是將水冷導管的出水聚集、減壓、排放。出水段由一個虹吸管排水，這一方面能夠減小出水段的壓力，另一方面能夠形成一個水頭高度，使部份水能夠通過平衡水管供給預冷水箱。住回水箱出口裝有緊縮空氣噴咀，能夠將軋件表面附帶的水吹掃掉，以避免表面水珠引發的不均勻冷卻。穿水裝置冷卻效果影響因素分析1流速的影響在穿水裝置中，水流速度起到關鍵的作用。熱量傳

9、導的速度與溫差成正比。兩個物體之間的溫差越大，熱量傳導的速度越快，也就是熱傳導效率越高。軋件在穿過文氏管進程中,始終處于冷卻水的包闈。高溫的軋件將迅速把熱量傳遞給冷卻水，使水溫上升。若是軋件周圍的水流速較慢，則水溫迅速上升，減少了與軋件之間的溫度差，從而降低傳熱效率。另一方而，水流速度慢時，軋件表面的水將迅速汽化，形成汽膜，阻擋軋件與水的接觸，大大降低冷卻效果。而高速流動的冷卻水不僅能消除汽膜，迅速帶走熱量，使得軋件始終與低溫的冷卻水接觸，提高傳熱效率，同時冷卻水高速流動產生強烈的紊流，增加了局部的熱互換性能。2水溫的影響從上述分析中能夠看出，水溫越高，冷卻水與軋件之間的溫差越小，則換熱效率越

10、低。反之，水溫越低，換熱效率越高。按照冷卻水系統熱負荷計算，供水溫度提高5C,冷卻水用量將需增加30%,才能達到相同的冷卻效果。3水壓、水量的影響在相同管徑中，提高供水壓力就意味著提高水流速度，就可以有效提高換熱效率。而水量是維持水壓的必要條件。因此，水壓、水量和流速是一個同一體的三個側面，不能分離。在棒材穿水冷卻進程中，需要冷卻水帶走的熱量主要包括三部份：離開軋機后棒材所含有的物理熱量（熱含量）：棒材單位重量的熱含量=比熱（千卡/kg*）*溫度（）如為低碳鋼，1000C時，貝ij1kg棒材的熱含量為：IkgXIOOOCX千卡/kg*=120千卡相變進程所產生的熱：由奧氏體轉變成珠光體新相時，

11、每kg鋼材可放出4千卡熱量。金屬氧化進程中所釋放的熱量：NF+1/202FeNO+63千卡/分子。在穿水冷卻段，棒材氧化很少，而相變產生的熱量也很少，所以冷卻水主如果降低棒材本身的物理熱。當流速不變時，增加水量不能有效提高冷卻效果，顯然是一種浪費。而當流速過快時，將產生推尾作用，影響軋件穩固運行，這在軋小規格棒材時尤其突出。同時，水壓受到供水設備的限制，不能無窮提高。4文氏管通徑的影響文氏管的通徑必需能夠保證軋件順利通過。當通徑過小時，有可能引發堆鋼。而通徑過大時，要維持冷卻水的流速和壓力，就必需增加水量。當供水設備一按時，通徑過大就會降低冷卻效果。穿水冷卻系統來自水處置站冷卻塔高位水池的水，

12、經管路自流方式輸送到棒材成品軋機旁的穿水增壓泵組。冷卻水經加壓后達到壓力，通過管路分派到5個冷卻段。可按照鋼種和軋制規格肯定利用冷卻段的數量。每一段用一只氣動調節閥進行流量調行，以控制溫度。每一段有一套流量檢測裝置和一套壓力檢測裝置。在運算機畫而上能顯示流量和壓力和調行閥開度。流量的調節操作在3#臺進行。通過運算機別離對五段穿水文氏管水量進行調節，以達到調行冷卻速度的目的。安仝同按照生產工藝和設備配置設定穿水系統的檢測點參數如下。1水泵入口壓力壓力檢測元件設在水泵入口總管上。壓力范圍。用于反映水處置供水狀況。2系統壓力壓力檢測元件設在主管道，安全閥支管前。壓力范圍。用于反映系統運行狀況。3冷卻

13、段壓力壓力檢測元件設在各段調行閥后，軟管接頭前。壓力范圍。用于反映冷卻段供水狀況。4供水溫度溫度檢測元件設在主管道，增壓泵支管前。溫度范闈050C。用于反映系統供水溫度。5回水溫度溫度檢測元件設在穿水提升泵出口主管道上。溫度范圍080。用于反映系統回水溫度。6系統流量流量檢測裝置設在增壓泵入口總管上。量程。1800m3/h。用于檢測系統總流量。7冷卻段流量流量檢測裝置設在各冷卻段支管上。量程。650m3/h。用于檢測冷卻段用水量。水處置設備穿水系統水處置設備的功能主要有過濾和冷卻。從穿水裝置排出的廢水溫度高達60至70C,并含有氧化鐵皮，必需通過處置以循環利用。水處置的工藝是：提升一一過濾一一冷卻-一過濾-一循環加壓。軋線廢水經搜集后排到提升泵房集水池，用提升泵加壓后送往高速過濾器處置，利用余壓上高位冷卻塔冷卻，冷卻后進高位集水池，然后利用落差供給增壓泵加壓利用。在高位水池出口裝有管道過濾器，以過濾冷卻塔填料碎片等雜物。在水處置設備中，冷卻塔的效能對穿水工藝的影響專門大。因為穿水系統的熱負荷特別大，需要強有力的冷卻設備才能將水溫降下來，不然供水溫度太高，將使穿水裝置能力大大下降。另一方面，穿水系統回水溫度常超過60C,常規冷卻塔的填料不能適應如此的高溫，很容易損壞，因此需要采用高溫型冷卻塔。結束語近兩年來，馬鋼第三鋼軋總廠在棒材生產中利用穿水冷卻取得了專門好的效果。在設備