冷軋連續(xù)退火爐冷卻技術(shù)的發(fā)展和應用

李玉

摘要：連續(xù)退火爐的冷卻速率對冷軋后退火處理產(chǎn)晶的性能，尤其是強度起著決定性的作用。為適應汽車市場對冷軋產(chǎn)品強度越來越高的要求，本文簡要分析了連續(xù)式退火爐冷卻技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況，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：退火爐;冷卻技術(shù);現(xiàn)狀與發(fā)展

Abstract： The cooling rate of the continuous annealing furnace plays a decisive role in the performance of the annealing treatment after cold rolling， especially the strength. In order to meet the increasingly higher requirements of the automotive market for cold-rolled products， this article briefly analyzes the development of continuous annealing furnace cooling technology at home and abroad， analyzes the advantages and disadvantages of various cooling technologies， and points out its future development direction.

Key words： annealing furnace;cooling technology;status quo and development

0? 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車用鋼的強度要求越來越高，高強鋼的生產(chǎn)對冷軋、連退鍍鋅線退火爐冷卻速率提出了更高的要求。為提高退火爐冷卻能力，滿足高強鋼甚至超高強鋼的生產(chǎn)需求，近年來退火爐冷卻技術(shù)快速發(fā)展，各種新型冷卻技術(shù)的研發(fā)和推廣應用也越來越多。

1? 退火爐連冷工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀

目前，連續(xù)式退火爐發(fā)展最關(guān)鍵的是冷卻技術(shù)，冷卻技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)系到最終帶鋼的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也會直接關(guān)系到鋼廠的經(jīng)濟效益，因此，應重視退火爐冷卻技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀。目前用于連續(xù)退火爐子的最常用的冷卻技術(shù)有：新日鐵公司的nsc-capl，日本鋼管公司的nkk-cal，川崎和三菱公司的km-cal，它對于現(xiàn)有的連續(xù)退火爐冷卻技術(shù)具有深遠的意義。兩者之間的主要差異在于冷卻方式和冷卻速度，本文以連續(xù)退火爐冷卻速度2000℃/s為例，闡述了連續(xù)退火爐冷卻技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀[1]。

1.1 NSC連續(xù)退火處理技術(shù)

NSC公司開發(fā)的卡普爾，退火導線一般采用兩種方式冷卻帶鋼。20世紀70年代，他們發(fā)明了噴射冷卻，簡稱為GJC，采用H2-N2混合氣體對帶鋼表面進行均熱處理，使帶鋼快速冷卻至過時效溫度。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。這種方法是把水和氣體的混合物升壓后浸入帶鋼表面，其生產(chǎn)效率提高，冷卻速度可達50～300℃/S，對生產(chǎn)高強度鋼板非常有利。但帶鋼經(jīng)ACC處理后，其表面會出現(xiàn)蒸汽膜，需進行酸洗、漂洗、干燥、鍍鎳等工序，生產(chǎn)成本和投資較高。

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。本發(fā)明冷卻速度可達到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[2]。

1.3 KM連續(xù)退火技術(shù)

KM連續(xù)退火技術(shù)由日本的川崎和三菱公司開發(fā)，又稱多功能連續(xù)退火。鋁制冷有兩種方法。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(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)退火爐冷卻技術(shù)的任何突破和改進，都將大大提高鋼廠的生產(chǎn)效率和經(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，必須不斷改進工藝，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。隨著科技的發(fā)展和信息技術(shù)的進步，智能控制技術(shù)尤其適用于具有非線性、時變特性的退火爐，是連續(xù)式退火爐冷卻技術(shù)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(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，并在連續(xù)式退火爐冷卻技術(shù)的專家系統(tǒng)控制、模糊控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法、人工免疫控制等控制理論中得到越來越廣泛的應用。這些控制方法已逐漸應用于工業(yè)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。為了準確穩(wěn)定地控制退火爐的溫度，國內(nèi)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(xù)退火爐冷卻技術(shù)研究的方向[3]。

3? 薄板連續(xù)退火爐的研制及爐輥設(shè)計

在退火線上生產(chǎn)冷軋帶鋼時，其規(guī)格變薄，最薄可達0110mm左右，拉伸速度越來越快，工藝截面最大可達1000m/min，退火溫度也越來越高，如超深均熱拉拔軟鋼的溫度為870℃。為了滿足薄板高溫高速退火的要求，爐輥一般采用正凸設(shè)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(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。通過大量的模擬試驗，優(yōu)化了錐角，使之適用于寬板和窄板的生產(chǎn)。在退火爐設(shè)計中，采用了多種控制爐輥熱凸度的措施。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(shè)置了一個爐輥室，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? 高速冷卻技術(shù)的發(fā)展

快速冷卻是連續(xù)退火生產(chǎn)線的核心技術(shù)，因為板帶的冷卻速度非常重要。目前主要的冷卻方式是噴射冷卻（GJC）、高速噴射冷卻（hgjc）、輥冷（GC）、氣水兩相冷卻（ACC）、水冷（WQ）、熱水冷卻（howac）、噴射冷卻（rgcc）和輥冷聯(lián)合冷卻（rgcc）。

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輥移動位置進行調(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。因為噴淋冷卻具有收斂自穩(wěn)的特點，即當帶鋼溫度不均勻時，高溫部分與氣體溫差大，冷卻速度快;反之，在氣體溫差小，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行控制，使其均勻分布。將高速噴冷與輥冷技術(shù)相結(jié)合，形成川鋼高速氣冷-輥冷復合工藝（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，并采取了一些有效減少煤氣回流的措施，如在水口橫向移動以保證帶鋼寬度方向的均勻冷卻，與狹縫式噴嘴相比，圓筒式噴嘴具有相同的冷卻能力，且能耗較低。

4.3 閃冷工藝

國內(nèi)、外，首鋼京唐鋼鐵有限公司2230mm連續(xù)退火線等連續(xù)退火線上，鋼條經(jīng)緩冷段冷卻后，進入高氫閃速冷卻段，已被廣泛使用。利用閃冷技術(shù)可以提高氫氣含量，達到新品種所要求的冷卻速度。經(jīng)過多年研究，閃蒸冷卻工藝得到了改進，在空氣成分和壓力控制方面有7項技術(shù)專利，如鋼帶防抖措施，不暴露耐火概念，避免纖維襯里或磚與鋼帶粘連，穩(wěn)定生產(chǎn)，以及過渡階段的安全保障（法國認證，德國和英國當局），該方法適用于所有路況和產(chǎn)品。由于閃冷工藝氫比重大于超高壓快冷工藝氫比重，所以需要分別設(shè)置氮氣和氫氣混合站，為閃冷段注入保護性氣體，對整個閃冷段的安全性要求很高，所有設(shè)備必須具有一定的防爆等級;另外，閃冷段出口管路上必須設(shè)置密封機構(gòu)，使閃冷段與前后爐段的氣體隔離。

4.4 冷水淬冷卻

該工藝冷卻速度快，可達到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，通常是由軟鋼和高強度鋼制成，軟鋼不需要水淬，一般采用高速噴射冷卻、輥冷等冷卻方式。該線需采用兩種冷卻方式，設(shè)備投資大，生產(chǎn)成本高，采用水淬工藝。由于鋼帶表面蒸汽膜對爐輥表面質(zhì)量有影響，不適合生產(chǎn)高質(zhì)量的冷卻鋼板。20世紀80年代，新日鐵粉水兩相冷卻（ACC）研制成功了口琴式氣流霧化水冷噴嘴，并成功地應用于多個連續(xù)退火機組。冷卻速度介于噴射和冷卻水冷卻之間，中速冷卻能提供最佳的碳過飽和度，促進后續(xù)處理過程中碳化物的析出，有利于生產(chǎn)耐老化深沖低碳鋼和工業(yè)化高強度冷軋鋼板。由于帶材表面經(jīng)ACC處理后，形成了一層蒸汽膜，退火后需要進行酸洗、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(shè)備投資大，生產(chǎn)成本高。

5? 結(jié)束語

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，板材適應性強，成品質(zhì)量好，板材尺寸不受孔隙限制。為生產(chǎn)更高等級的高強乃至超高強汽車板提供了技術(shù)支持，有著廣泛的應用前景。

參考文獻：

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