摘要：介绍了国内外高速线材轧后控制冷却工艺的典型技术，比较了不同技术的设备和工艺特点，分析了典型钢种的冷却工艺特点及其对产品质量的影响，提出了一种能满足多钢种要求的新型轧后冷却工艺布局。
1. 概述
高速线材轧后控制冷却也称在线热处理，主要包括精轧机（或定径机组）后的水冷和吐丝机与卷取站之间的空冷（包括其他冷却形式）。轧后控制冷却的主要目的是获得各钢种所要求的均匀组织和力学性能，控制盘条性能的均匀性钢材的控制轧制和控制冷却，减少二次氧化铁皮量，简化二次加工工艺，减少或取消拉拔前的下游退火工序等。
高速线材轧后控制冷却的主要工序有：
（1）采用国内广泛应用的“嘉陵”装置的斯太尔摩（）控制冷却，配以带落料段的滚筒输送机，可改善导线搭接点的性能；
（2）DLP（）丝材在线熔盐浴直接钢化工艺；
（3）在线固溶热处理工艺；
（4）EDC（Easy）高速线材控制冷却工艺；
（5）喷水冷却等其他线材生产工艺。我国主要采用斯太尔摩控冷工艺，其发展趋势是加长空冷线、加大风机风量，以满足各类钢材的生产需要。本文将对国内外有代表性公司的冷镦钢、预应力钢绞线等钢材轧后控冷工艺进行分析，为我国自主开发新技术提供参考。
2 高速线材轧后控制冷却工艺特点
高速线材在精轧机（或定径机组）与旋压机之间的水冷又称轧后第一次水冷，目的是使轧件从终轧温度迅速冷却到要求的旋压温度，控制线材奥氏体晶粒大小，减少氧化铁皮的生成。最高轧制速度为112m/s。通常设置2~3个水箱，采用闭环自动控温系统控制温度波动。目前引进的关键设备和水冷机型，可将旋压温差控制在10℃左右。通过第一次水冷，线材温度可急剧降至750~920℃，使轧后形成的细晶粒奥氏体组织在快速冷却后得以保留，为相变提供适宜的金相组织和温度条件，避免线材停留在高温状态，减少二次氧化铁皮的生成。 同时考虑到控制线材芯部与表面温差，在水槽（后）之间设置均温导槽。国内大部分高速线材轧后控冷工艺第一次水冷工艺基本类似，主要区别体现在二次空冷方面，下面主要就这一部分进行分析。
2.1 控制冷却工艺
作为主要的二次控制冷却设备，滚筒风冷输送线经过多年的发展，在国内得到了广泛的应用。风冷输送线的冷却工艺灵活，能满足大多数线材不同冷却速度的要求。风冷输送线常用的控制冷却方式有两种：标准型和延迟型。标准型是在滚筒输送机上设置若干台风机，对输送线上的卷材进行强制风冷，通过调节滚筒转速来控制卷材间距，控制每台风机的风量、风机开启台数及风量分配，以达到一定的冷却速度，从而得到所要求的产品金相组织。标准型的一般技术参数为：松卷运行速度为0.4~2.0m/s，冷却速度为5.0~15.0℃/s，适用于高碳钢生产。延迟型是在标准型的基础上增加保温罩，在侧壁、底板及保温罩上加保温材料。 盖上保温罩，停止送风，卷材在输送机上缓慢运行。在此缓冷过程中，完成相变，以达到缓冷钢种的冷却要求。标准型只需打开保温罩，强制送风即可生产，因此应用范围比标准型广。国内一般采用延迟型，延迟型的技术参数通常为：松卷运行速度为0.1~2.0m/s，冷却速度为0.4~15.0℃/s，可加工低碳钢、冷镦钢、高碳钢等。由高度可调的输入段（约4.0m）、输出段（约5.2m）及若干个冷却段（每段约9.3m）组成。图1为典型的“摩根”型风冷线布置图。
为了满足高质量高速线材的生产需要，应用最为广泛的延迟斯太尔摩控冷工艺及设备也在不断改进，由早期的链式发展到辊式，风量分布、风扇数量、风量也在不断提高。从形式上看，主要分为“摩根式”、“阿希洛式”、“西马克式”和“达涅利式”。但随着摩根对风冷线的不断创新和专利控制，“摩根式”逐渐成为市场的主流。国内风冷线以“摩根式”、国产移植转换式和少量“达涅利式”为主。风扇布置形式分为倾斜式和垂直向上式。“达涅利式”以垂直式为主，“摩根式”以倾斜式为主，国产移植转换式有倾斜式和垂直式两种，近来“摩根式”也有垂直布置设计。 从国内各代表企业代表钢种的实际应用情况看，高速线材轧后控冷工艺呈现以下发展趋势：
（1）轧后控冷闭环控制，放线机温度逐步降低。进口优质高线生产线均采用全线闭环冷却系统，如宝钢高线、兴钢5#线、兴澄特钢高线、南钢高线、青钢高线等，同时放线温度逐步降低，提高产品性能和均匀性。
（2）空冷线总长度趋于较长，保温段较长。空冷线长度逐渐由宝钢高速线的70m增加到103m，再到杏钢5#线的113m，近期新建高速线长度已增加到130m以上。空冷线对钢种的适应性不断提高，适用规格和范围更广。
（3）风机数量、风量、风压均有所提高。风机数量由早期的6台、风量不足9万m3/h、风压2.0kpa逐步发展到宝钢高速线14台风机、风量15.4万m3/h、风压3.0kpa。前5个冷却段每段2台风机，后6个冷却段每段1台风机，每段3台保温罩。杏钢5#线14台风机，前6台风机风量提高到19.4万m3/h，后8台风机风量提高到15.4万m3/h。 青钢高速线已将风机风量提高到26万m3/h，风机数量也达到了18台。近期也有新设计的高速线，将冷却段风机数量由每段2台增加到3台。
（4）提高冷却速度，考虑采用冷风、水雾等辅助冷却方式，提高热交换效率。为了提高冷却速度，一些企业开始尝试降低风温，采用水雾冷却来提高冷却速度。鞍钢集团也进行了类似的改进。
2.2 DLP高线控制冷却工艺
DLP工艺是20世纪末日本君津制钢所和新日铁公司共同开发的一种高速线材控制冷却工艺。早期为了代替铅淬火处理节省工时、节省能源，减少铅尘、铅烟对人体和环境的污染，提出了盐浴处理工艺。后来新日铁在这个方向上取得突破，开发了新的DLP工艺。DLP工艺利用线材轧制后的余热，在排线机后进行盐浴处理，可获得与铅淬火同样的组织和性能。其大致工艺路线如图2所示。线材纺成卷后进入800～850℃的1号盐浴，时间约60秒，线材在盐浴中以约20m/min的速度移动，用电加热熔化NaNO3和KNO3的混合盐。 线材在槽内快速冷却到500℃左右，避免奥氏体在高温区转变为粗大的珠光体。然后进入2号盐浴，在550℃温度下完成奥氏体-屈氏体转变，进入清洗线。用温水冲洗掉其表面残留的盐分，最后卷成卷。
DLP工艺的等温转变过程使钢丝中屈氏体的比例达到最大，一般可达95~98%，而控冷一般只有80%~92%。在性能和性能波动性方面，DLP盘条接近铅淬火盘条，优于控冷盘条。试验研究表明，DLP钢丝的组织为细小的珠光体-屈氏体组织，抗拉强度、截面收缩率、扭转次数与铅淬火拉拔钢丝基本相同。与传统法处理的钢丝相比，具有强度高、韧性好、性能离散性小等优点，如图3所示。DLP钢丝特别适合制造预应力钢丝、预应力钢绞线、弹簧钢丝、制绳钢丝等产品。
2.3 EDC高速线材控制冷却工艺
EDC工艺是指将热轧线材先进行水冷，再将松卷浸入热水槽冷却的在线控制冷却工艺，即松卷热水浴工艺。EDC工艺与DLP工艺类似，只是以热水为冷却介质。最早的EDC工艺利用输送辊的升降摆动控制线材卷通过热水，通过水淬达到较高的冷却速度以提高索氏体化率，调节辊角和转速来控制卷材的冷却速度。设备形式已改进为水平移动框架布置，风冷辊与EDC设施整体移动互换，兼顾风冷和EDC工艺的优点，满足多种钢种的控制冷却工艺要求。EDC工艺主要是在线韧化处理，在我国鞍钢高速线材已有实际应用。
2.4 在线固溶热处理工艺
在线固溶热处理工艺主要针对不锈钢热处理，主要有三种类型：
（1）卷取时或卷取后直接水淬，设备简单，生产成本低，但无法控制最终晶粒大小，只能加工奥氏体不锈钢，且只能满足部分产品质量标准；
（2）在辊道隧道退火炉进行在线固溶处理，将热轧线材旋制成连续的松卷，然后在隧道炉内保温约5分钟后进行水冷。设备投资高，最终晶粒尺寸可控制，可加工奥氏体和铁素体不锈钢。产品质量与传统离线固溶处理相当。
（3）热卷经旋压后进入退火炉（包括罩式炉、环式炉等）进行在线固溶处理。设备投资大，可控制最终晶粒大小，可加工所有不锈钢。也适用于冷镦钢产品的在线退火。产品质量比传统的离线固溶处理好，但卷板形状较差。在线固溶处理设备布置示意图如图4所示。
2.5 喷雾冷却及其他轧后控制冷却工艺
喷雾冷却是指热轧线材旋压后，在空气冷却线上采用风扇、水雾等方式，提高热交换效率，提高线材的冷却速度。也有利用次声产生的高速脉冲气流对线材进行冷却，可加速线材与周围空气之间的热传递，达到较高的冷却速度。
3. 高速线材典型钢种轧后控制冷却工艺
3.1 冷镦钢
作为原材料，既要满足客户对合格产品的要求，又要帮助客户减少后续加工工序，降低生产成本。2013年，我国冷镦钢消费量约680万吨，其中40%为高强度冷镦钢。制造8.8级复杂形状螺栓、螺母的钢材，在拉拔、冷镦前，必须经过退火处理；制造12.9级紧固件的钢材，必须先经过软化退火，然后拉拔、球化退火、定尺拉拔钢材的控制轧制和控制冷却，最后冷镦。控制冷镦钢轧后冷却的关键是实现免退火冷镦，日本新日铁、神户公司已率先在该类型产品上取得进展，他们推出的在线退火冷镦钢产品，其性能水平已达到离线退火的水平。
离线软化退火及球化退火工艺：35K钢丝离线软化退火需12~15h，钢丝离线球化退火需25~40h。结合盘条热机械轧制工艺，可大大缩短在线退火时间。马钢已开发出一些免退火冷镦钢产品，但与国外相比还有差距，对轧后控冷工艺还需进一步研究。试验表明，离线软化退火加热至690℃，保温40min左右即可达到软化效果。图5为盘条在线退火与离线退火的组织对比。笔者认为，冷镦钢轧后控冷工艺采用热卷退火炉工艺，可实现在线热处理，达到软化退火效果。 通过实验可以确定退火时间来控制炉长、炉数，达到产量与生产节奏的匹配。
3.2 预应力钢绞线及其他高碳钢
PC钢丝及高强度桥梁钢等高碳钢不仅在冶炼过程中需要降低夹杂物、控制元素含量，最终的产品组织也至关重要。通常要求有良好的拉拔性能和较高的强度，其组织为索氏体。为得到这种组织，需要较高的冷却速度，减少铁素体的析出，从而得到单一的珠光体组织，同时在较低的温度范围内使珠光体形成，得到索氏体组织。基于此，高强度预应力钢绞线轧后控制冷却工艺的关键是实现较高的冷却速度。增加空冷线前几台风机的风量和台数是提高冷却速度的有效手段。因此，有的钢厂采用大风量风机，每段风机台数由2台增加到3台，取得了良好的效果。 提高热交换效率的方案，如增加水雾、增加冷风降低空气温度等，都是提高冷却速度的有效方案。DLP工艺也是生产高端钢丝、钢绞线的有效工艺，目前最高端的产品都是采用DLP工艺生产的，日本钢铁企业对此项技术严格保密。
4. 新的冷却工艺布局
根据上述控冷方案及典型钢种的轧后控冷工艺，冷镦钢要求缓慢冷却，高碳钢要求快速冷却。延时冷却工艺只能满足中低端产品的生产要求，且风机的冷却能力有限，增加风机功率会增加能耗。DLP、EDC工艺适用于高碳钢等拉丝材的生产，热卷工艺适用于冷镦钢、不锈钢的生产。通常热卷布置在空冷线的中段，若将热卷布置在放线机出口空冷线输入段之后，则无法布置风机，不适用于快冷钢种的生产。为此，笔者提出了一种新的设计方案，即松卷由翻辊输出，热卷布置在其旁边。 生产快冷钢种时，将装有立式风扇的更换辊水平移动，实现热卷与快速空冷相结合，如图6所示。另外可在后部集成DLP或EDC设施，整体机架水平更换，可满足各钢种轧后控冷需求。
5 结论
控轧控冷技术是高速线材发展的主要标志，我国通过引进关键设备和机型，已实现轧制线上温度闭环控制。同时，热机械轧制工艺也已得到充分发展，达到或接近国际先进水平；但轧后控冷工艺与世界一流厂家相比还有较大差距，必须重视并加大对轧后控冷工艺的研究。由于每种钢种所需工艺不同，轧后控冷不可能一刀切地满足所有产品的生产需要，应综合考虑，在吸收、消化国内外各类工艺特点的基础上，走适合企业自身特点的轧后控冷技术道路，提高产品质量，降低生产成本。
