冷軋連續(xù)退火爐冷卻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

李凱

摘 要 連續(xù)冷卻退火爐的連續(xù)冷卻散熱速率對汽車?yán)滠埡笸嘶鹛幚懋a(chǎn)品的性能，尤其是強度起著一個決定性的作用。為充分適應(yīng)當(dāng)前汽車市場對冷軋退火產(chǎn)品耐熱強度越來越高的技術(shù)要求，本文簡要介紹分析了汽車連續(xù)式冷軋退火爐的熱冷卻速率技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用發(fā)展趨勢概況，分析了各種冷卻技術(shù)的優(yōu)缺點，并指出了其今后的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 冷軋 冷卻技術(shù) 發(fā)展應(yīng)用

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

隨著我國汽車制造工業(yè)的快速發(fā)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(fā)生產(chǎn)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(shù)要求。為不斷提汽車鋼退火爐的熱冷卻系統(tǒng)能力，滿足高強型汽車板甚至超高溫壓強鋼的研發(fā)生產(chǎn)應(yīng)用需求，近年來鑄鋼退火爐的熱冷卻系統(tǒng)技術(shù)快速進(jìn)步發(fā)展，各種新型冷卻系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)和生產(chǎn)推廣應(yīng)用也越來越多。

1 退火爐連冷工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 NSC連續(xù)退火處理技術(shù)

NSC公司開發(fā)的卡普爾，退火導(dǎo)線一般采用兩種方式冷卻帶鋼。20世紀(jì)70年代，他們發(fā)明了噴射冷卻，簡稱為GJC，采用新型h2-n2輥型復(fù)合金屬氣體對熱軋帶筋板鋼鋼筋表面涂層進(jìn)行均勻加熱處理，使熱軋帶筋板鋼快速受熱冷卻并達(dá)至過于平時效率的溫度[1]。據(jù)此，80年代發(fā)展了氣-水-氣加速冷卻技術(shù)，目的是為了提高噴射設(shè)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(jìn)行升壓后將水浸入這種帶厚型鋼板的表面，其工業(yè)生產(chǎn)加熱效率大大提高，冷卻加熱速度一般可達(dá)50～300℃/s，對工業(yè)生產(chǎn)高耐熱強度的帶鋼板非常有利。但是熱帶不銹鋼經(jīng)過acc電鍍處理后，其鍍層表面會迅速出現(xiàn)大量蒸汽和鍍膜，需反復(fù)進(jìn)行多次酸洗、漂洗、干燥、鍍鎳等復(fù)雜工序，生產(chǎn)成本和前期投資費用較高。

1.2 NKK連續(xù)退火過程

由日本鋼管公司開發(fā)的連續(xù)退火生產(chǎn)線，板帶冷卻有三種冷卻方式。七十年代，出現(xiàn)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(xù)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(chǎn)高強度鋼板，但不能生產(chǎn)軟鋼。為了節(jié)約能源，降低成本，日本在70年代后期發(fā)展了輥冷技術(shù)，這種技術(shù)通過內(nèi)冷方式使帶鋼與軋輥接觸，并通過傳熱來冷卻帶鋼[2]。本發(fā)明冷卻速度可達(dá)到100～400℃/S，可根據(jù)板帶厚度調(diào)節(jié)冷卻速度，節(jié)省30%的能源?？缮a(chǎn)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(xù)退火技術(shù)

Hgjc方法在80年代得到發(fā)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(diào)節(jié)氫含量的裝置。增加氫含量，可提高熱導(dǎo)率和冷卻速率;其一般冷卻速度可達(dá)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(chǎn)。

2 退火爐制冷技術(shù)發(fā)展動向

退火冷卻技術(shù)的發(fā)展，一直是鋼鐵行業(yè)關(guān)注的焦點。連續(xù)高溫退火爐和熱冷卻系統(tǒng)技術(shù)的任何重大突破和技術(shù)改進(jìn)，都將大大提高了特鋼廠的質(zhì)量生產(chǎn)管理效率和社會經(jīng)濟效益。但連續(xù)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(xù)退火爐冷卻工藝水平，必須不斷改進(jìn)工藝，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展和現(xiàn)代信息電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能時變控制退火技術(shù)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(xù)式退火爐冷卻技術(shù)的時代變革和進(jìn)步。隨著軟件工程的成熟和機電一體化的發(fā)展，智能技術(shù)逐漸融入到連續(xù)式退火爐冷卻技術(shù)中，并在采用連續(xù)式智能退火爐的熱冷卻控制技術(shù)的專家系統(tǒng)智能控制、模糊控制系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制、遺傳算法、人工智能免疫系統(tǒng)控制等智能控制系統(tǒng)理論中已經(jīng)得到越來越廣泛的研究應(yīng)用[3]。這些自動控制加熱方法已逐漸廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的爐窯，例如退火爐，熱冷卻部分是退火爐的核心和關(guān)鍵部件。為了準(zhǔn)確穩(wěn)定地控制退火爐的溫度，國內(nèi)外許多專家、學(xué)者對此進(jìn)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(xù)退火爐冷卻技術(shù)研究的方向。

3 薄板連續(xù)退火爐的研制及爐輥設(shè)計

在生產(chǎn)退鋼止火線上面當(dāng)生產(chǎn)超深冷軋工藝帶鋼時，其材料規(guī)格逐漸變薄，最可達(dá)0.3mm左右，拉伸時的速度越來越快，工藝截面最大可達(dá)1000m2，退火線的溫度也越來越高，如生產(chǎn)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?fàn)t輥設(shè)計。但是凸度過大容易導(dǎo)致帶材熱屈曲，凸度過小容易導(dǎo)致帶材變形。結(jié)果表明，爐輥錐度與熱軋帶鋼的臨界張力有密切關(guān)系。高爐輥筒為雙錐型設(shè)計，以滿足產(chǎn)品規(guī)格變化大的要求。通過大量的視頻模擬錐角試驗，優(yōu)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(chǎn)。在新型退火爐輥的設(shè)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(yè)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(hù)氣體，避免帶鋼溫度過低影響輥身頂部的穩(wěn)定孔型，從而避免帶鋼輥身凸度變化。另外，在快冷爐進(jìn)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(jìn)出口處設(shè)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(shù)的發(fā)展

4.1 輥冷工藝

軋輥冷卻技術(shù)是將帶鋼與爐內(nèi)的冷卻水接觸，通過傳熱冷卻。在100～300℃范圍內(nèi)接觸冷卻率均為100%，其冷卻率可根據(jù)帶鋼移動速度和水冷輪移動位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。該工藝成本低，冷卻速度快，適合生產(chǎn)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(cè)噴冷和水冷輥后噴冷系統(tǒng)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(shù)量較大，不可避免地會出現(xiàn)大量的輥印。

4.2 高速噴射冷卻法

它是將保護(hù)性氣體高速噴射到鋼帶表面，實現(xiàn)帶鋼快速冷卻的新工藝。因為立式噴淋機的冷卻系統(tǒng)具有溫度收斂自穩(wěn)的加熱特點，即是說當(dāng)內(nèi)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(nèi)部溫差大，冷卻加熱速度快;反之，在高熱氣體內(nèi)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(tǒng)，將帶鋼寬度方向分為五段，出口側(cè)設(shè)有5塊擋板，并配有掃描溫度計，可對帶鋼橫向溫度進(jìn)行控制，使其均勻分布。將高速噴冷與輪冷技術(shù)相結(jié)合，形成川鋼高速氣冷-輾冷復(fù)合工藝（rgcc）。新日鐵和川崎鐵的主要區(qū)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(jìn)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(tǒng)狹縫式煤氣噴嘴系統(tǒng)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?yán)鋮s速度快，可達(dá)到1000～2000℃，生產(chǎn)高強度鋼所需合金量少，產(chǎn)品的焊接性和延緩損傷能力強。特別適用于生產(chǎn)高強鋼、超高強鋼。但是，由于連續(xù)退火生產(chǎn)線的產(chǎn)品種類較多，通常軟鋼是由優(yōu)質(zhì)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(shè)備簡單投資大，生產(chǎn)成本高，采用了熱水淬火的工藝。由于生產(chǎn)鋼帶爐輥表面上的蒸汽和鍍膜對生產(chǎn)爐輥板的表面質(zhì)量可能有一定影響，不過更適合用于生產(chǎn)高溫低質(zhì)量的爐輥冷卻塔和鋼板。20世紀(jì)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(yīng)用于多個連續(xù)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(jìn)鋼板后續(xù)處理過程中所有碳化物的快速析出，有利于工業(yè)生產(chǎn)耐老化強度深沖低溫高碳鋼和生產(chǎn)工業(yè)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(jīng)過了acc加熱處理后，形成了一層薄的蒸汽保護(hù)膜，退火后一般需要用水進(jìn)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(fù)雜，設(shè)備投資大，生產(chǎn)成本高。

4.4 濕閃冷技術(shù)

濕式閃蒸冷卻技術(shù)是在現(xiàn)有閃蒸冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的。該技術(shù)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(jié)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(xù)冷卻技術(shù)的發(fā)展可以看出，中高速氣體噴射冷卻是一項比較先進(jìn)和通用的技術(shù)，它適用于各種受力較強的產(chǎn)品，既能生產(chǎn)軟鋼，又能使鋼廠生產(chǎn)高強度鋼。在連續(xù)退火爐冷卻過程中，高速氣體射流冷卻方式運行穩(wěn)定，板材適應(yīng)性強，成品質(zhì)量好，板材尺寸不受孔隙限制。為客戶生產(chǎn)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(yè)技術(shù)支持，有著廣泛的應(yīng)用市場前景。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 李玉.冷軋連續(xù)退火爐冷卻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件，2021（03）：32-33.