新一代TMCP技术的发展.pdf

2 0 1 2年 2月 第 2 9 卷 第 1期 Fe b 2 01 2 Vo1 2 9 No 1 轧 钢 S TEEL R0L LI NG 1 专 家论坛 新 一代 T MC P技术的发展 王国 栋 ( 东 北大学轧制技术及连轧 自动 化国家重点实验室 ，辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 4 ) 摘要 ： 新一代 TMC P技术是 以 自主研发 的冷却 速率可调( 空冷 至超 快速冷却无级调整) 、 冷却温 度精确控制 的先进 冷却 技术和装备为手段 ， 根据不 同钢材成分 、 性能要求 和相变 规律设计 相应 的冷 却路径和冷 却过程控 制参数 ， 对钢材 热轧和冷却过程 中的微观组织 进行 有效调控 ， 实现 细晶强化 、 纳米 析出强化 、 相变组 织强化等 各种强 化机制的综合强化 ， 充分挖掘钢材 的潜 力。与传 统的控制轧制和控制冷却技术 相 比， 新 一代 TMC P技 术 可节省钢材台金用量 3 O 以上 ， 或提高钢材强度 1 0 0 2 0 0 MP a以上 ， 大幅度 提高冲击韧 性 ， 节约钢材使用 量 5 1 O ， 能 1 O 1 5 。该技术 已经完成 实验 室和中试研究 ， 开发 的工 艺技 术 、 冷却装备 目前在热 轧 带钢 、 中厚板 、 H 型钢 、 棒材等生产过程 中转化应 用 ， 开发 出系列 的减量化 钢材产 品 ， 为我 国钢铁产 品的升 级 换代 、 钢铁行业 转变发展方式发挥 了重 要作用。 关键词 ： 新一代 T MC P技术 ； 热轧钢材 ； 减量 化生产 ； 节能 中 图 分 类 号 ： TC - 3 3 5 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 3 9 9 9 6 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 0 1 0 8 De v e l o p me nt of a Ne w Ge n e r a t i o n TM CP Te c h no l o g y W ANG Gu o d o ng ( Th e S t a t e Ke y La b o f Ro l l in g Au t o ma t io n ，No r t h e a s t e r n Un iv e r s it y，Sh e n y a n g 1 1 00 0 4，Ch nia ) Ab s t r a ct ：Th e n e w g e n e r a t io n TM CP t e ch n o l o g y is b a s e d o n a d v a n ce d co o l in g t e ch n iq u e s a n d e q u ip m e n t Th e co o l in g r a t e a n d t e m p e r a t u r e o f p ie ce co u l d b e a ccu r a t e l y co n t r o l l e d b y t h is t e ch n o l o g y Th e r e f o r e ，t h e micr o s t r u ct u r e a n d me ch a n ica l p r o p e r t ie s o f s t e e l p r o d u ct s co u l d b e co n t r o l l e d b a s e d o n ch e m ica l co mp o s it io n ，p e r f o r ma n ce d e ma n d o f s t e e l p r o d u ct s b y co n t r o l l e d t h e co o l in g r o a d，a n d t h e a l l s t r e n g t h e n in g t y p e s o f f in e g r a in， p r e cip it a t ion a nd p ha s e t r a ns f o r ma t ion cou l d be obt a ine d Th e a l l oy co nt e n t s co ul d be s a v e d o v e r 30 ，t he s t r e ng t h of s t ee l pr od uct s cou l d be incr e a s e d ov e r 1 0 0 2 00 M Pa，a nd t h e e ne r gy cou l d be r e du ce d 1 0 1 5 At t he cur r e nt ，t he ne w TM CP t e ch nol o gy ha s a l r e a dy b e e n us e d in pr a ct ica l pr od uct ion o f h ot s t r ip， pl a t e，H be a m a n d ba r Ke y wo r d s ：n e w g e n e r a t io n TM CP t e ch n o l o g y；h o t r o l l e d s t e e l p r o d u ct s ；r e d u ct io n p r o d u ct io n ；s a v in g e n e r g y 1 需求和背景 1 1科学 发展 的 迫切 需 求 我 国正处于工业化进程 中， 钢铁工业作为重 要支柱产业 ， 对国民经 济发展 的贡献 巨大 。持续 稳定 的生产低成本 、 高质量钢铁产 品与掌握石油、 粮食等战略资源具有 同等重要的地位。然而 ， 由 于钢铁产品用量 巨大 ， 其生产过程需 消耗大量能 源和资源 ， 同时会产生大量 的废弃物、 废水 和废 气 ， 如果不合理控制 ， 将对环境、 生态和 自然资源 造成不可逆转的破坏。我国钢铁工业 由于长期的 粗放式管理 ， 面临的资源匮乏 、 环境和 自然生态不 堪重负等 问题尤其 严重 。与 日本等先进 国家相 比， 我国钢铁界在资源节约 、 环境友好 、 低成本 、 减 量化工艺技术和产品研发和使用方面处于明显落 后状态 ， 同级别产 品采用的贵重或稀有合金元素 用量高出 2 o 3 O ， 高技术含量 、 高附加值 产 品 比例 明显 偏 低 。 由此 带 来 的直 接 后 果是 ， 我 国 钢铁工业能耗 占全国总能耗的 1 2 左右 ， 污染物 排 放 接近 于总 排放 的 1 6 ， 重 点 大 中型 钢 铁 企业 的平均吨钢能耗 比国际先进水平 高约 2 0 。至 2 0 1 0年初 ， 我 国粗 钢产能接近世界总量 的 5 0 ， 而我国铁矿石 6 O 以上依赖进 口， 按 目前的生产 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 3 1 作者简介 ： 王 国栋 ( 1 9 4 2 一) ， 男( 汉族) ， 辽宁大连人 ， 教授 ， 中国工程 院院士。 2 轧 钢 2 0 1 2年 2月出版 速度 ， 我国铁矿石 、 锰矿石预计可供开采年限将低 于 1 5年 ； 我国合金矿保障程度更低 ， 属“ 贫镍 、 少 钼 、 无 铬 ” 国家 。因 此 ， “ 十二 五：” 期 间我 国钢 铁 工 业面临的严峻挑战主要来 自于资源 自给能力 环 境负荷能力与巨量需求之间的矛盾 。解决这一问 题的一个重要途径是 ， 减少钢铁材料 中合金元素 的使用量 ， 尽可能使 用相对简单 的化学成分生产 出满 足不 同性 能 要 求 的产 品 ， 从 而 提 高 钢 材 的 可 循环 再利 用 性能 。 当今工 业发 达 国家 钢铁 界都 在积 极追 求绿 色 并 可持 续 的发展 。支撑 这一 理念 的核 心 就是 资源 节 约 型钢 铁产 品 的研发 和广 泛使 用 。与 以往 的钢 铁产品相比， 资源节约型产品不再 以添加合金元 素为调控其力学性能的主要手段 ， 而是更加 注重 通 过 生产 工艺 手段 来调 整 和控 制产 品最 终显 微组 织结 构 ， 从 而 使其 性 能 达 到 甚 至 超 过 以往 同类 产 品的水平 。由于降低 了钢 中合金元素添加量 ， 在 减少资源消耗 的同时 ， 也使钢铁产品 的可 回收和 再利 用性 能 大大增 强 。 胡锦 涛 总 书记 在 2 0 1 0年 中国 工 程 院 院 士 大 会上的讲话 中特别强调应“ 大力发展新材料和先 进 制造科 学 技 术 。要 重 视 材 料 的环 境 友 好 性 、 可 再 生循 环性 、 制 备 使 役 全 过 程 的 节 能 减排 特 性 ” ， “ 着力 突破 制约 我 国产业 升级 的核心 技术 、 关键 技 术 、 共性技术 ， 推动产业从规模优势向技术优势转 变 ， 抢 占未 来 发 展 先 机 ” 。因 此 ， 开 发 资 源节 约 型 钢铁材料的生产技术、 大力发展节约型高性能产 品及 可协 助下 游 用 户 实 现 绿 色 制 造 的 钢 材 品种 ， 从 而实现 大 幅度 节能 、 节 材 ， 减 少对 合金 元 素 的过 度依赖和资源的过度消耗 ， 是实现钢铁工业可持 续 发展 的关 键 要 素 之 一 。其 中 ， 热 轧 结 构 钢 材 占 钢材总量的 8 0 以上 ， 突破 资源节约型热轧材生 产的关键原理和共性技术并实现产业化 ， 将为钢 铁工业今后 的科学发展奠定坚实基础， 它是“ 十二 五” 期间我 国钢铁界必须解决的最为紧迫 的任务 。 1 2 TMC P技 术 的发展 热轧钢材 控制轧制与控制 冷却 ( TMC P) 工 艺是保证钢材强韧性的核心技术 。它的基本冶金 学原理是在再结晶温度以下进行大压下量变形促 进微合金元素 的应变诱导析出并实现奥 氏体晶粒 的细化和加工硬化 ； 轧后采用加速冷却 ， 实现对处 于加工硬化状态 的奥 氏体相变进程的控 制， 获得 晶粒细小 的最终组织。但是 ， 传统 的控制轧制和 控制冷却工艺一般需要提高钢中微合金元素含量 或 进一 步提 高 轧机 能 力 。然 而 ， 前 者会 造 成 钢 材 成 本 的提 升和 资 源 的 消耗 ， 后 者 则 因 现 代 化 轧 机 能 力 已接 近极 限 而无 法 轻 易 实 现 。另 外 ， 长 期 以 来 ， 国 内外 普 遍追 求 通 过 低 温 大 压 下 来 实 现 钢 材 的细晶强化。但实践证 明， 对于普碳钢材而言 ， 晶 粒尺寸小到 2 m 以下时， 尽管钢材 的强度可有效 提升 ， 但其屈强比接近 1 ， 已经失去工程材料 的应 用价值。追求超细晶的生产工艺不仅会降低热轧 生产效率、 增加事故发生率 ， 而且会把过多的负担 转移 到 轧制过 程 ， 忽视 了轧 后 冷 却 对 钢 材 性 能 的 调控 作 用 。此 外 ， 传 统 TMC P技 术在 提 高 热 轧钢 板强 韧 性 的同 时 ， 会 因低 温 轧制 产 生 残 余 应 力 而 带来板形不 良和剪裁瓢 曲等 问题 ； 生产 高强钢厚 板 时 ， 除非 提高 钢 中合 金元 素含 量 或 进 行 轧后 热 处 理 ， 否 则 已无 法 突破 强 度 和 厚 度 规 格 的 极 限 。 热轧钢铁材料 的相 变主要在 轧后冷却 过程 中完 成 ， 它是调控组织结构 、 最终控 制性能 的主要 手 段 。因此 ， 为实现资源节约型高性能钢材的生产 ， 必须对轧后冷却技术进行创 新 ， 通过冷却路径和 冷却速率 的优化控制 ， 实现钢材组织和性能 的调 控 ， 使成分简单 的钢铁材料能够具备满足多样化 要求的性能指标 。 为弥补传统控制冷却技 术的不足， 在欧洲和 日本 相 继 开 发 出 了热 轧 板 带 轧 后 超 快 速 冷 却 技 术 。传统的层流冷却和新一代的超快速冷却具有 共同的特点 ， 即需要使用冷却水 ， 利用冷却水来调 节热轧钢材 的冷却过程 ( 材料 的相 变过程) 。但 是 ， 与传统层流冷却相 比， 超快速冷却可有效打破 汽膜 ， 实现对热轧钢板进行高效率 、 高均匀性的冷 却 ( 对 于 3 ram 厚 钢 板 冷 却 速 率 可 达 4 0 0 K s以 上 ； 5 0 mm 厚 中厚 板 的平均冷却 速率 超过 5 0 K s ) ， 并可避免 因冷却不均 匀而产生 的残余应 力。 轧后超快冷技术使热轧钢板的性能指标有 了质的 飞跃， 而材料成本和生产过程 中的各类 消耗则 大 幅度降低。 目前 ， 轧后超快冷技 术 已经成 为热 轧 板带材生产线改造的重要方 向， 已用于生产中厚 板 、 热轧带钢、 棒线材、 H 型钢、 钢管等 9 O 以上 的热轧钢材。与常规冷却方式相 比， 超快冷不仅 可以提高冷却 速率 ， 且 与常规 AC C配合可实 现 与性能要求相适应 的多种冷却路径优化控制。但 是， 与对传统轧制技术的研究深度和广度相 比， 关 于超快速冷却条件下的各种物理冶金学规律尚未 第 2 9卷 第 1 期 王国栋 ： 新一代 T MC P技术的发展 3 。 开展 深入 的基 础研 究 。 1 3 近 年我 国 TMC P技 术 的发 展 我国在轧后超快冷技术和原理方面也已经开 展了大量探索研究 ， 摸清 了超快冷条件下热轧钢 材的细晶强化、 析出强化 和相变强化 的基本规律 和组 织 、 性能 调控 方法 ， 成 功 开发 出 了轧后 超快 冷 实验设备和现场超快冷设备 。轧后超快冷技术可 以在提高钢材强度 、 塑性 和韧性 的同时有效 降低 微合金元素 的用量 ， 实现节约型减量化生产。例 如 ， 普 通 CMn钢 ， 在 热 轧工 艺 不 需 要 采 用 低 温 轧制 的条件 下 ， 采用 以超 快 冷 为核 心 的新 的 TM C P工 艺 ( NG TMC P ) 可 有 效 实 现 细 晶强 化 、 析 出 强化 、 相 变 强 化 从 而 使 钢 材 强 度 提 高 1 0 0 2 0 0 MP a以上 ， 或合金元素 的用量 与常规产品相 比降低 3 0 以上 ， 取得节 省资源和能源 、 减少排 放的效果， 具有广阔的产业化前景 。可见 ， 开发资 源节约型热轧钢材品种及相关的关键共性技术将 产生重大的经济和社会效益 。研究超快速冷却条 件下热轧钢材显微组织控制关键技术并实现产业 化是 实 现热 轧产 品“ 升 级 换 代 ” 、 由“ 资 源 消耗 型” 向“ 资源节约型” 转化 的合理技术途径 。 2新 一代 T MC P技术的 内涵 2 1 传 统 的 T MC P技 术 TMC P技术 的核 心是 晶粒 细 化 和 细 晶 强 化 。 所谓控制轧制 ， 是对奥氏体硬化状态的控制 ， 得到 硬化 奥 氏体 的基 手 段是 低 温大 压下 和添 加微 合 金元素 。控制冷却的核心思想是对硬化奥氏体 的 相变过程进行控制 ， 以进一步细化铁素体晶粒 。 传统 的控 制 !轧制 常 常加 入微 合 金 元 素 ， 例 如 Nb可 以显 著 提 高 钢 材 的再 结 晶温 度 ， 扩 大 未 再 结 晶 区 ， 这 大 大 强 化 了轧 制 奥 氏 体 的硬 化 状 态 。 加 入 的微 合金 和 合 金 元 素 ， 还 经 常 会 以碳 氮 化 物 的形式析出 ， 对材料实行沉淀强化 ， 从而对材料强 度 的提高做出贡献。但是 ， 加入微合金和合金元 素会提高材料的碳 当量 ， 这会恶化材料的焊接性 能 ， 增加成本也是不言而喻的。因此传统 的 T M C P技术有其局限性 。 今 天 ， 人类 面对 可 持续 发展 这一 重 大议题 ， 必 须对 T MC P技术进行认真思考 ， 突破传统 TMC P 技术 的 局 限 性 ， 开 发 新 的 T MC P技 术 理 论 、 手 段 和方法 ， 更有效地发挥 固溶强化、 细晶强化 、 相变 强化、 析出强化等各种手段的强化作用 ， 加强材料 组织性 能的调控 ， 实现轧制过程 的高效 化、 减量 化 、 高级 化 和 集 约化 ， 充 分 挖 掘钢 铁 材 料 的潜 力 ， 促 进 钢铁 工业 的可 持续 发展 。 2 2 超快 速冷 却在 组 织控 制 中的作用 钢铁 材料 在冷 却 过 程 中会 发 生 复杂 的相 变 。 如果 依据 钢铁 材料 相 变过 程 的特 点 ， 与 其 连续 冷 却相 变 曲线对 应 ， 实 行冷 却路 径控 制 ， 则可 以控 制 冷 却后 的 相 变 组 织 ， 从 而 得 到 需 要 的材 料 性 能 。 因此 ， 可将 冷却 过 程 分 为 两 两彼 此 连 接 在 一起 的 几个冷却阶段 ， 各个 阶段 的冷却速率 和冷却起讫 点按需要设定 ， 并进行精确控制。 冷却装置可提供从空冷到超快速冷却的不同 的冷却速率。通常快速冷却( 或超快速冷却) 可以 提供 3种抑制功能 。一是在可以抑制变形奥氏体 的再结 晶 ， 防止 奥 氏体发 生软 化及 晶粒 粗化 ， 从 而 在后 续 的相变 过 程 中 细化 铁 素 体 晶 粒 ， 实 现 细 晶 强化 。二是可 以抑制 奥氏体 中碳氮化物的析 出， 使析出在较低温度下铁素体相变 中或铁素体区发 生 ， 从 而细 化 析 出粒 子 ， 增 加 析 出粒 子 数量 ， 实 现 析出强化效果 。三是可以抑制较高温度下发生的 相变 ， 促 进 较低 温度 下发 生 的 中温 或低 温相 变 ， 实 现相 变强 化 。 当然在冷却过程 中有时也需 要低速冷却 ， 例 如空冷 ， 这 一过 程可 近似 于保 温 ， 有 利 于相变 和 析 出过 程在 接近 恒温 的条 件下进 行 。 2 3新一 代 T MC P技 术 的强 化 机 制 ( 组 织 调 控 理论 ) 2 3 1 细 晶强 化 控制轧制 和控制冷却技术 主要是针 对 HS L A 钢 ， 通 过 添 加 微 合 金 元 素 提 高 钢 材 的再 结 晶 温度 ， 扩大 未再结 晶区 ， 在 未再 结 晶区进 行低 温 大 压下 ， 促使 材料 内部形成大量的变形带 、 亚 晶、 位 错等晶体“ 缺陷” ， 这些“ 缺陷” 在后续的相变 中成 为铁素体形核的核心 。“ 缺陷” 的大量存在 ， 造成 后 续相 变 中材料 内部 大 量 形 核 ， 因 而 可 以大 幅度 细化 材料 的 晶粒 ， 实 现 细 晶 强化 。在材 料 中添 加 微合金元素 ， 特别是 Nb ， 会在 8 0 0 9 5 0 C的温度 区 间 由于形变 诱 导 而 析 出 大量 碳 氮 化 物 ， 从 而 提 高材料的再结晶温度 ， 强化材料 的硬化效果 。对 于 HS L A钢来 说 ， 细 晶强 化是 主要 的强 化方式 。 当采用 NG TMC P技术时 ， 尽管材料是在较 高的温度下完成热变形过程 ， 但是变形后 的短时 间内， 材料还来不及发生再结晶， 仍然处于含有大 量“ 缺陷” 的高能状态。如 果对其实施超快 速冷 4 轧 钢 2 0 1 2年 2月出版 却 ， 就可以抑制再结晶的发生 ， 从而将材料的硬化 状态保持下来 ， 一直到相变点。在随后的相变过 程中， 保存下来的大量“ 缺陷” 成为形核的核心 ， 因 而可 以得到与低温轧制相似的强化效果 。 2 3 2 析 出强 化 在钢中添加微合金元素和合金元 素， 析 出相 会以微小颗粒析出 ， 造成基体晶格的畸变 ， 提高材 料 的强 度 ， 这 称 为 析 出强 化 。析 出强 化 的效 果 与 析出相粒子数量 、 尺寸等因素有关 ， 在各类钢中都 有应 用 。 自从成 功开 发 HS L A 钢 以来 ， 析 出强 化 的作用 日益显著 ， 目前析出强化 已经成为材料强 化 的重 要 手段 。Gl a d ma n等 人依 据 Or o wa n As h b y模型提 出用下式表示析出强化的效果 ： x a = l g ( Y 2 _ 4 ) ( 1 ) 式 中 ， A a为抗拉 强 度 的 增加 值 ， MP a ； f为 碳 氮 化 物的体积分数 ； 为颗粒在滑移平面上 的平面截 取直径 ， 由 z= = = D( 2 3 ) 。 给出， 其 中 D 为微粒平 均直径 ， m。 依 照式 ( 1 ) 可知 ， 颗粒尺寸越小 ， 析 出物 的数 量越多， 则材料抗拉强度的提高值越大 。采用传 统的控轧控冷工艺时 ， 含铌 HS L A钢通常会在热 加 工 温度 ( 8 0 0 9 5 0 ) 范 围 由于形 变诱 导析 出铌 的碳 氮化 物 ， 因而 可 能 由于 析 出 而 提 高材 料 的 强 度。但是 由于是在奥 氏体 中析出 ， 随后还有析出 粒子 的 长大 ， 所 以最终 析 出粒 子尺 寸达 数 十纳米 ， 强化效果不佳 。在采用新一代 T MC P技术后， 通 过超快冷抑制碳氮化物在奥氏体的析出， 迅速通 过形变诱导析出的温度范 围， 令动态 的铁素体相 变 的温 度 区间和 碳氮 化物 析 出温 度 区间重 叠 。此 时碳 氮 化物 可能 由于很大 的 析 出驱动 力而 发生 相 间析出， 或在铁素体晶内大量 、 微细、 弥散析出， 使 铁素体基体得到强化 ， 大幅度提 高材料 的强度水 平 。Ti 的碳化 物或 V 的碳 氮化 物 大量 析 出 的温 度 在 6 5 0 7 0 O ， 利 用 超 快 冷 冷 却 到 此 温 度 区 间 ， 有 利 于发生 相 间析 出或 铁素 体 内析 出 ， 强 化效 果 十分 明 显 。 因此 ， 采用 NG TMcP技 术 ， 针对不 同合金 元素的析出特点， 制定合理的冷却制度 ， 可以更好 的发挥各种微合金元素的强化作用 ， 提高合金元 素的强化效果 。 2 3 3相 变强 化 相变强化又称组织强化 ， 是 通过相变过程 改 变钢材 的组织组成 ， 从而提高钢材强度的一种 强 化方法。钢铁材料的一个重要 特点 ， 是在冷却过 程 中会发生复杂的相变。如果对冷却条件加 以控 制 ， 即对相变过程进行控制 ， 在钢中引入一定数量 的硬相组织 ， 就可以提高钢材的强度 。先进 高强 钢( AHS S ) 、 超高强钢 ， 即是通过相变来获得含有 硬相马氏体、 贝氏体 的复相组织而得 以强化 。 相变强化的核心是冷却路径控制 ， 即使材料 化学 成分 和轧 制条 件 相 同 ， 但是 冷却 过 程不 同 ， 则 会得到不 同的组织性f l o例 如 DP钢， 在冷却 的 开始 阶段 ， 是利 用 前 部 加 速 冷却 ( 或 超 快 速 冷 却 ) 将奥氏体冷却到铁素体相变开始 温度， 随后进入 保温状态 ， 即材料处于空冷状态 ， 以利于铁素体的 析出。析出一定比例的铁素体( 如 8 5 ) 后 ， 对材 料进行第 2次加速冷却( 或超快速冷却) ， 当终冷 温度在马氏体点 以下 ， 则剩余 的奥 氏体部分或全 部转变为马 氏体 ， 这样可得到 以软相铁素体和硬 相马氏体组成 的复相组织 ， 即双相组织。当终冷 温度 处 于 3 0 0 5 0 0 的贝 氏体 转变 温 度 区间 ， 则 剩余 的奥氏体可全部或部分转变为贝氏体 。如果 剩余奥氏体部分转变为贝氏体 ， 则得到以铁素体、 贝氏体 、 残余奥氏体组成的 TR I P钢 ； 如果剩余奥 氏体全部转变为贝氏体 ， 则得 到铁素体 和贝氏体 组成 的铁 素体 一贝氏体 双相钢。在 热连轧过程 中， 前部和后部冷却应首选超快冷 。前部超快冷 有利于铁素体晶粒的细化， 同时也有 利于铁 素体 的快速析出， 这对于缩短热连轧机输 出辊道 的长 度 是有 利 的 。 同时 ， 前 部 超 快 冷 对 于 析 出 过程 和 相 变 过程 的控 制具 有更 好 的效 果 。后部 超快 冷更 有 利 于 马氏体 相变 。 所 以 ， 在 实施 新 一 代 T MC P技 术 的过 程 中 ， 如果 能够 发挥 超 快 冷 的 优 势 ， 对 冷 却 路 径 进 行 适 当控 制 ， 则 可 以在 更大 的范 围内 ， 按 照需 要 对材 料 的组 织性 能进 行 更 有 效 的 控 制 ， 甚 至 开 发 出全 新 的高性能产品。 3新 一代 T MC P工 艺 装 备 ( 组 织 调 控 装 备 ) 3 1 对 冷却 装 置 的要 求 新一代 TMC P技术冷却 系统应 当具有下述 功 能 ： ( 1 ) 大范围的冷却速率控制。根据需要 ， 可将 冷却区划分为几个区段 。各区段冷速可在空冷与 超快速冷却之间无级调整。 第 2 9卷 第 1 期 王 国栋 ： 新一代 TMC P技术 的发展 5 ( 2 )精细的冷却起讫点温度控制 。可对每个 冷却区段起讫点进行精确的温度控制 。 ( 3 ) 冷却路径控制 。钢铁材料有别于其他材 料的重要特点是其有复杂的相变过程 。为控制钢 材的组织性能 ， 要进行精确的冷却 路径控制 。在 上述各区段冷却速率和冷却起讫点温度得到精确 控制后 ， 即可实现钢铁材料 的精细冷却路径控制 。 3 2 超 快速 冷却 系统 1 3 2 1 国外发 展概 述 1 9 9 8年 ， J F E 西 日本 制 铁 所 福 山 地 区 ( 原 NKK福 山厂) 厚板厂对原有 的冷却系统 OL AC 进行改造 ， 建设 了 S u p e r O L AC ( S u p e r On L in e Acce l e r a t e d C o o l in g ) 新 型加 速冷却 系统 。该 系 统的最大的特点： 是避开 了过渡沸腾和膜沸腾 ， 实 现 了全 面 的核 沸 腾 ， 具 有 可 达 极 限 冷却 的冷 却 速 率和极高 的冷却均匀性。 由于 S u p e r O L AC 系 统 具 有 很 强 的 冷 却 能 力 和很好 的冷却 ： 均匀 性 ， 所 以它 既 可 以实 现加 速 冷却 ， 又可以实现含直接淬火在内的超快速冷却 。 这是新一代控制冷却系统的重要特征。 1 9 8 3年，新 日铁率 先采用 冷却前钢 材矫 直 和约束冷却方式 的冷却 系统， 称之为 C L C( C o n t in u o u s o n L in e C o n t r o l P r o ce s s ) ， 并 应用 于 生产 焊接 性优 良 的高 强 、 高 韧 性 钢 等产 品 。新 日铁 在 C L C应用 的基础上， 开发 了新一代控制冷却系统 C L C 一 ， 在 君津 的厚 板车 间采 用 。 3 2 2 应 用 于 中厚板 轧机 的 AD C OS P M 系统 东北 大学 轧制 技术 及连 轧 自动化 国家重 点实 验室( R AL) 针对热轧钢材冷却技术 这一关键和 共性技术 ， 针对不同的钢材门类 ， 开发了与之相适 应的控制冷却 系统 ， 归为 一个家族 ， 统称为 AD- COS ( Ad v a n ce d Co o l in g S y s t e m) 。 针 对 中厚 板： 生产 ， R AL提 出了 一种 倾斜 喷射 的超快 冷 +层 流 冷却 的新 设 计 概 念 ， 并 申请 了发 明专 利 。2 0 0 7年 在 河 北 敬 业 公 司 的 3 0 0 0 mm 中 厚板轧机上装设 了实验系统 ， 确认 了其冷却能力 和冷却均 匀性。随后 在鞍 钢 4 3 0 0 mm 中厚 板轧 机和首秦 4 3 0 0 mm 中厚板轧机上正式采用 ， 分别 于 2 0 1 0年 3月和 5月投入运行 。该 系统在 中板 产品减量化轧制 、 提高力学性能、 改善板形方面取 得了非常显著的效果 。 3 2 3 应 用于 热连 轧机 的 AD C OS HS M 系统 针 对 热 连 轧 机 ， RAL开 发 了 A DC OS - HS M ( Ho t S t r i p Mil 1 ) 系 统 。根 据 热 连 轧 机辊 道 间距 小、 检修要求高的特点 ， 对超快速冷却系统 的集管 进行 了设计。独特 、 先进的集管设计和优化配置， 可以在热连轧较高轧制速度下 ， 对热轧带钢进行 快速冷却 ， 也可以与后面 的层流冷却进行接力式 冷却 ， 实现高轧制速度下的高速冷却 ， 甚至直接淬 火 。 ， 热连轧机超快速冷却分为前部冷却和后部冷 却 ， 前部冷却可以应用于抑制奥 氏体再结晶、 抑制 某些 相 变 、 抑 制碳 氮化 物 的高温 析 出 ， 可 以得 到细 晶强化、 析出强化 、 相变强化 的效果。后部超快冷 系统可 以应用 于 DP TRI P等钢种的后部快速冷 却 ， 有利于得到需要的复相组织 。 AD C OS HS M 系 统 的 第 1套 实 验 装 置 于 2 0 0 6年 应 用 于 包 钢 C S P热 轧 生 产 线 ， 是 后 部 超 快 冷 系 统 。利 用 该 系 统 成 功 开 发 了 5 5 0 、 6 0 0 MP a 级 c Mn系低成本热轧双相钢 。2 0 0 7 年 ， 在攀 钢 1 4 5 0 mm 热 连 轧 机 安装 了 改进 型 的 超 快 速冷 却实 验 系统 ， 在 C Mn钢 升 级 方 面 取 得 进 展 。2 0 0 9年 ， 在 涟钢 2 2 5 0 mm 热 连轧 机 安装 的快 速 冷却 系统 投入使 用 。 3 2 4 应 用 于棒 材轧 机 的 AD C oS B M 系 统 早在 2 0 0 4年 开发 超级 钢带 肋钢筋 的过程 中 ， R AL针对 低 温大变 形 生产工 艺存 在 的 问题 ， 开 发 了棒 材 超 快 速 冷 却 系 统 ， AD C OS B M 应 用 于 萍 乡 、 三 明 、 辽 宁新抚 钢 、 黑龙 江建 龙等 棒材 厂 。 3 2 5 应用于 H型钢 轧机 的 A D C O S - HB M 系统 对于 H型钢， 由于常规控制冷却系统的冷却 能力较差 ， 需要较大的建设长度 ， 同时翼缘和腹板 冷却条 件 不 同 ， 会 造 成 不 同部 分 极 大 的温 差 。 R AL与马鞍山钢铁公司合作 ， 发挥超快冷技术的 优势 ， 对翼缘和腹板等不 同部位 的冷却装置进行 精细 化设计 ， 开发 的 H 型 钢超 快 冷 系统 可 以对 不 同规格 的 H 型 钢 的 翼 缘 和 腹 板进 行 均 匀化 的快 速 冷却 。 4 新 一代 T MC P技术的组织调控方法 新 一代 T MC P技 术 的组 织 调 控 技 术 包 括 晶 粒细化控制技术 、 相间析出与铁素体 晶内析出控 制技术 、 铁素体晶 内析 出的热轧 +冷轧全程控制 技术 、 含 Nb钢析出控制技术 、 贝氏体相变控制技 术 、 在线热处理取代 ( 或部分取代) 离线热处理技 术 、 双相钢与复相钢冷却路径控制技术 、 集约化轧 制技术 、 高强钢冷却过程 中相变与板形控制技术 、 6 轧 钢 2 0 1 2年 2月出版 厚板与超厚板高质量高效率轧制技术等。 关于各种组织控制技术 的细节 ， 将在另文 中 予 以介 绍 。 5 低成 本 、 高性能钢材 的开发 5 1 纳米 析 出型 高强 钢 J F E 公 司 开 发 了一 种 纳 米 析 出强 化 的 高 强 钢 ， 命 名 为 NANO - HI TE N。在 该 钢 中 以适 当 比 例 添 加 C、 Ti、 M0 ， 在 轧制后 的低 温 区析 出纳 米 级 碳化物。由于 C含量低 ， 又添加抑制珠光体相变 的 Mo ， 可以得到稳定 的单相铁素体基体组织， 在 铁素体基体 上有尺 寸为 3 n m 碳化 物排 列析 出。 由于是 轧后 析 出强化 ， 热 轧 中轧件 变形 抗力 低 ， 轧 制 负荷 小 ， 所 以该钢 种 可 以轧 制超 薄规 格 ， 例 如可 以轧制抗 拉 强 度 为 7 8 0 MP a的厚 1 4 ram 薄 规 格 热 带 产 品 。该 钢 轧 制 工 艺 与 一 般 钢 区 别 不 大 ， 6 0 0 以上 温度 卷 取 ， 所 以对 轧 机 、 控 制 冷 却 系 统 以及卷 取 机无 特 殊要 求 。2 0 0 8年 J F E公 司开 发 出 1 1 8 0 MP a级 超 高强 NANO HI TE N 钢 。由 于 该钢的基体组织是铁素体单相组织 ， 所以在实现 高抗 拉强 度 的 同时 ， 又具有 优 良的加工性 能 ， 例 如 扩孑 L 性 能 ， 达 到 了强度 、 延 伸 和扩孑 L 性 能 的 良好 匹 配 。该钢 用作 轿 车 的结构 件 、 加强 件 ， 例 如 车 门的 抗撞梁 、 侧围中柱内加强件等 ， 减重效果明显。 RAL利用超快速冷却 与冷却路径 的 良好配 合 ， 开发 出含 T i型的低成本高强钢。为了降低成 本 ， 没有添加 昂贵的合金元 素 Mo 。利 用超快冷 的优势 ， 在完成变形之后 ， 将钢材迅速由终轧温度 冷却到 6 0 0 7 0 0 。这样 ， 既抑制 了铁素体相变 的发 生 ， 又抑制 了 TiC的析 出 。在 6 0 0 7 0 0 的 温度下停止冷却后 ， 铁素体 相变和 T iC析出 同时 进 行 ， 由于析 出 大量极 为微 细 的 Ti C， 可 以 明显 提 高钢 材 的强 度 。利 用 这 一 技 术 ， 已经 开 发 出屈 服 强度 7 0 0 8 0 0 MP a的高 强钢 ， 应用 于 重型 汽车 厢 板 、 工 程机 械等 ， 收 到 明显 的减重 效果 。 5 2减量 化热 轧 带钢产 品 的开发 针 对数 量最 大 ( 占钢材 总 量 9 0 以上 ) 、 品种 规格最多的热轧钢材产品， 研 究开发并实 际应用 新一代 TMC P技术 ， 在保持或提高材料塑韧性和 使用性能 的前提下 ， 8 0 以上的热轧钢材 ( 含热 带 、 中厚板 、 棒线材 、 H 型钢 、 钢管等) 强度 指标 可 提高 1 0 0 2 0 0 MP a以上， 或合金元素用量可节省 2 5 以上 ， 实现钢铁材料性能 的全 面提升 。例如 利用 ( C ) 一0 1 6 、 W( Mn ) =0 3 7 的 CMn 钢 ， 可轧 制 出屈 服 强 度 为 3 9 0 4 2 0 MP a的 钢 材 ， 已经 在 涟钢 2 2 5 0 mm 热 连 轧 生 产 线 实 际 应 用 ， 同 时 可 不 再 添 加 Mo等 昂 贵 的合 金 元 素 生 产 X 7 0 管线钢 。利用 UF C和 AC C混合 的间断式冷却 ， 普通 的 CMn钢 可 生 产 低 屈 强 比的 5 1 0 MP a汽 车 大梁 板 ( 已经 应用 于涟 钢 ) 。薄 板 坯连铸 连 轧 生 产线和常规生产线 安装超 快冷系统 ， 可生 产 4 1 3 mm 厚 的低 成 本 双 相 钢 ， 已 在 包 钢 、 涟 钢 、 本 钢 等多家 企 业实 现商 业化 生 产 。 5 3减量 化 中厚 板产 品 的开发 R AL基 于 已有 的热 轧 实验 装 备 ， 即热 轧 实 验 轧机 ( 含 冷却 系统 、 感 应 加 热 装 置 ) 和 热 力模 拟 实 验机 及 离线热 处 理 装 置 ， 进 行 了不 同级 别 的 造 船 板 、 桥 梁 板 、 容 器 板 、 工 程机 械 用板 、 水 电用 钢 的开 发 ， 其生产工 艺技术 已在首秦 4 3 0 0 mm 轧机 、 鞍 钢 4 3 0 0 mm 中厚板 轧 机上 应用 。 2 0 1 0年 1 2月起 ， 首 秦 超 快 冷设 备 应 用 于 1 7 2 ram厚 X 7 0管线钢的生产， 月产管线钢超过 4万 t 。生产 X7 0管线钢的板形合格率 ( 热矫后) 由低于 1 O 9 6 提高到 9 5 9 6 以上， 一次检验性能合格 率 由 7 5 提高到 9 5 3 ， 抽检的 DwTT落锤 性 能合格率超过 9 0 9 6 。三定尺钢 板小时轧制块数 由 1 8块 h提高到最高 2 7块 h ， 两定尺钢板小时 轧制 块数 最高 可 达 3 1块 h 。试 制 钢 板 性 能 满 足 标准 要 求 ， 部分 钢 板 性 能 达 到 X 8 0级 水 平 。X7 0 钢化学成分不含有 Ni、 Mo 、 V 等合金元素 ， 超快 冷后强度有较大提高 ， 经济效益十分明显。其他 高强钢的试轧也取得 了 良好 的效果 ， 高强钢生产 的瓶颈 正在 获得 重要 突破 。 采 用 0 0 2 0 Nb 一 0 0 1 Ti的低 成 本 Q 3 7 0 q板 坯 ( Nb含量 降 低 5 O ) ， 进 行 了超 快 冷 试 制 ， 钢板 的 平均 屈服 强度 为 4 1 8 MP a ， 标 准差 为 1 9 MP a ， 平 均 抗 拉 强度 为 5 4 7 MP a ， 标 准差 为 1 5 MP a ， 平均 伸 长 率 为 2 6 ， 标准 差 为 1 5 ， 冲击 功 为 1 8 5 J ， 标 准 差为 1 9 J ， 均远小于层冷后 的性能波动 ， 适合大规 模稳定生产 。继续降低超快冷终冷温度( 终冷温 度低于 6 o o C) ， Q3 7 O q成分钢板的性能可以满足 Q4 6 o的供货标准。 对4 0 mm厚以 下规 格的 水电 钢 ( 0 7 Mn NiMo VR) 进行超快冷实验 ， 结果表明采用 UF C+AC C工艺对 3 6 、 4 0 mm厚钢板进行冷却 ， 冲击韧性改善较大 ， 一4 O 时钢板 1 4厚度处和 芯 部 冲击 功均 值 大 于 1 5 o J ， 一6 O 时 钢 板 1 4厚 第 2 9卷 第 1期 王 国栋 ： 新一代 T MC P技术的发展 7 度处 冲击 功均值仍 大于 l O O J ， 这较常规 AC C冷 却钢 板 有 明显 改 善 。2 5 ram 厚 钢 板 单 独 采 用 UF C进行冷却 ， 钢板强度 较常规 AC C冷却钢板 提 高 4 0 6 0 MP a ， 且 一 6 0 冲 击 韧 性 均 较 优 异 ， 均值 大于 1 5 0 J 。组 织 分 析 表 明 ， 4 0 、 3 6 、 2 5 mm 厚 水电用钢板经超 快冷冷却后 ， 1 4厚度 处和芯部 均获得 了均匀的粒状 贝氏体组织 ， 表 明超快冷对 于 获得 均匀 、 细 化 的贝 氏体组 织作 用 明显 。 E 3 6 钢 板 超快 冷试 制 的 目的主要 是 解决 钢 板 经 AC C冷却 后 抗 拉 强 度 不 足 的 问题 。对 于 E 3 6 成 分 的钢板 采 用 超 快 冷 冷 后抗 拉 强 度 比经 AC C 冷 却后 提 高 3 0 5 0 MP a ， 可有 效 解 决 目前 低 碳 成 分 E 3 6钢板抗 拉强度不足 的问题 。同时冷却后 一 6 0 冲击功平 均值 可达 2 8 0 J ， 远 高于标 准值 4 5 J 。 5 4减量 化 的 l 型钢 产 品开 发 RAL与 马钢 合 作 ， 利用 RAL在 实 验 室 的研 究 结果 ， 在 马钢 的 H 型 钢 轧 机 后 部 建 设 H 型 钢 超快 冷 生产 线 ， 开发 的减 量化 海 洋用 H 型 钢 已经 批量生产并供货 ， 产品性 能满足了新标准 的苛刻 要求 。 利 用轧 后超 快速 冷却 的基 本 原理 和材 料 的物 理 冶金 特性 ， 开 发 了 不 同强 度 级 别 的低 成 本 热 轧 H 型钢 产 品 系 列 ， 生 产 工 艺 更 加 简 易 、 节 能 、 高 效。开发的低成本高性 能的热轧 H 型钢产品系 列有 ： ( 1 ) 用 Q2 3 5 钢 坯及 控冷 工 艺生产 Q3 4 5热 轧 H 型钢 等 ( 非 合 金化 ) ； ( 2 ) 用 Q3 4 5钢 坯 及 控 冷 工 艺 生 产 Q4 2 0 、 Q4 6 0热 轧 H 型钢 等 ( 非合 金化 ) ； ( 3 ) 用 Q3 4 5钢 坯 ( 微 合 金 化 ) 经 控 冷 工 艺 生 产 Q5 0 0热轧 H 型钢 等 。 6节约资源 、 节能减 排效果初步评析 目前 冶 炼 每 吨铁 约 需 5 0 0 6 0 0 k g焦 炭 ， 排 出 的 C O 量 应为 1 8 3 3 2 2 0 0 k g ； 再 考虑 到其 他过 程 带来 的碳 排 放 ， 吨钢 带 来 的 C O 排 放 量 为 2 0 2 5 t 。计 算 中I 致 平 均值 ， 为 2 2 5 t 。 假设我国每年生产 5亿 t 钢 ， 则每年我 国钢 铁生产带来 的 c O 排放量为 l 1 2亿 t 。假设我 国每年生产 的钢 中， 热轧商 品钢材 占 8 O ， 则这 部分钢材量为 3 6亿 t ， 如热轧钢材中可以通过采 用新一代 T MC F 技术提高性 能的 占 9 O ， 则生 产带来 的 C O 。 排