（材料加工工程专业论文）中厚板轧后多阶段冷却控制策略研究与应用.pdf

ad i s s c r t a t i ) ni nm a t c r i a i sf ( ) r m i n g1 1 ：n g i n c c l l i n g r e s e a r c ha n d a p p “c a t i o no nm 。ul t i s t a g e c o o l i n g c o n t l ) ls t r a t e g yo fho tr o l l e d p l a t e b y 、7 i 内n g1 3 i n g x i n g s u p c r v i s o r s ： p r ( ) l s s ( ) r h a n g1 ) i a n h u a r ( ) i c s s ( ) 1 w a n q 乙l n n ( ) r t l e a s t c r n 【jn i v e r s i t v n ( ) v 2 0 i ；s 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 一r 一一、少 土内久 6 、乏。 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年田 学位论文作者签名：j 两玖 签字嘿1 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文 摘要 中厚板轧后多阶段冷却控制策略研究与应用 摘要 控制冷却是t m c p 技术的重要组成部分，它通过改变轧后冷却条件来控制 相变条件和碳氮化物析出行为从而改善钢板组织和性能。中厚板轧后多阶段冷 却控制策略的研究目的在于对轧后钢板在冷却过程中的温度变化和组织演变 过程进行精细控制，提高冷却均匀性，使之满足复相钢、高强钢等新产品生产 的需求。本文以国家“十一五 科技支撑计划中“节约型钢材减量化轧制技术” 课题为背景，结合新一代轧后快速冷却系统开发项目，针对中厚板轧后多阶段 冷却控制策略进行研究。重点对冷却过程中的换热机理，温度场解析模型等理 论模型以及钢板内部温度变化规律等工艺过程进行系统研究。在此基础上，开 发中厚板多阶段冷却控制系统，研究高精度、均匀化冷却技术，解决工程应用 实际问题，并以高强度c m n 钢为例实现轧后多阶段冷却控制策略的应用。最 后，根据最优控制理论进行了多阶段温度路径最优跟踪控制。本文主要研究内 容和成果如下： ( 1 ) 研究控制冷却系统的理论模型。首先，对超快速冷却和层流冷却状态 下换热模型、冷却效率模型进行研究，分析得到换热系数、冷却效率随各种影 响因素的变化规律。在此基础上，根据能量守恒定律回归水冷换热系数模型， 获得可在线应用的数学模型。 ( 2 ) 采用有限元解析方法求解钢板内部温度场。根据中厚板冷却过程中的 导热微分方程及其初始条件和边界条件，利用有限元法实现对钢板内部温度场 的解析计算。其中，重点研究相变转变产物及其转变量的计算方法，获得相变 潜热的计算模型；合理划分有限单元网格，确定迭代计算时间步长，在保障模 型计算精度的同时，满足在线应用要求。以内能为基础，建立钢板平均温度的 处理方法，计算结果更能真实地反映钢板平均温度变化情况。 ( 3 ) 分析各种冷却条件下中厚板内部温度变化规律。对钢板在各种冷却方 式下钢板温度变化规律进行研究，包括空冷过程，超快速冷却及其返红过程和 加速冷却及其返红过程。阐明各种因素对钢板内部温度变化影响，并揭示了钢 板冷却有效厚度、平衡温差以及返红分界线的变化规律。 东北大学博士学位论文摘要 ( 4 ) 研究多阶段冷却条件下钢板工艺特点。首先，分析钢板在复合冷却方 式，不同冷却模式及集管排布形式条件下的温度变化规律。其次，研究获得各 种冷却策略条件下，钢板冷却速度变化规律。最后，分析指出轧后立即进行超 快速冷却有利于提高钢板力学性能，而采用控制灵活的加速冷却方式，可以实 现对过冷奥氏体相变的灵活控制。 ( 5 ) 建立多阶段冷却控制系统。结合国内某中厚板厂轧后冷却设备的具体 布置形式，建立多阶段冷却控制系统，分别对其基础自动化和过程自动化功能 及时序触发机制进行系统阐述。解决影响系统控制精度及冷却均匀性的关键问 题，满足多阶段冷却控制的工业生产需要。深入研究多阶段冷却过程控制机理， 确定各阶段冷却方式，实现超快速冷却、加速冷却过程控制，并以高强度c m n 钢为例阐述多阶段冷却过程控制原理。 ( 6 ) 基于线性二次型优化算法，实现中厚板轧后多级温度路径的优化控制。 以集管冷却效率、终冷温度和温度路径为目标建立中厚板轧后多级温度路径优 化控制算法。对2 0 m m 厚高强船板d h 3 6 轧后多级温度路径进行工艺优化控制， 实现了各个冷却阶段终冷温度和冷却速度的高精度控制，将优化结果应用于工 业实验，有效避免了钢板厚向温度及组织差异过大，获得了具有理想组织性能 的产品。 关键词：中厚板，控制冷却，超快速冷却，复合式冷却，冷却均匀性，多阶段 冷却，冷却策略，最优化控制 i i p h d d i s s e r t a t i o no fn o r t h e a s t e mu n i v e r s i 哆 a b s t r a c t r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nm u l t i s t a g ec o o l i n g co n t r o ls t r a t e g yo fh o tr o l l e dp l a t e a bs t r a c t c o n t r 0 1 l e dc o o l i n gw a sa ni m p o r t a n tp a r to ft m c pt e c h n 0 1 0 9 yb yw h i c ht h e e f f e c tf a c t o r so fp h a s et r a n s f o r m a t i o na n dt h ep r e c i p i t a t i o nb e h a v i o ro fc a r b i d e w e r ec o n t r 0 1 l e dt oi m p r o v et h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs t e e l m u l t i s t a g ec o o l i n gc o n t r o lw a st o c o n t r o lt h e p h a s et r a n s f 6 r m a t i o np r o c e s s a c c u r a t e l ya n dt oi m p r o v ec o o l i n gu n i f o r m i t ys o a st os a t i s f yt h en e e do ft h e p r o d u c t i o no fn e wp r o d u c t ss u c ha sc o n l p l e xs t e e la n dh i g h - s t r e n g t hs t e e le t c b a s e do nt h es i g n i 6 c a n tt e c h n 0 1 0 9 y s a v i n gt y p es t e e lp r o d u c t sa n di t sr e d u c e d s t e e l r o u i n gt e c h n o l o g y ” o f “11 t hf i v e y e a rp 1 a n k e yt e c h n 0 1 0 9 yr & d p r o g r a m ，t h en e wg e n e r a t i o nc o o l i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e da n dt h em u l t i s t a g e c o o l i n gc o n t r o ls t r a g e t yo fh o tp l a t ew a sr e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l e t h e m e c h a n i s m so fh e a tt r a n s f e rd u r i n ga c c e l e r a t e dc 0 0 1 i n ga n du l t r a - f a s tc o o l i n g p r o c e s sa n dt h ea n a l y t i c a lm o d e lf o rt h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ei n s i d ep l a t ew e r e a n a l y z e d t h ek e yt e c h n 0 1 0 9 yb a s i sf b rc o n t r 0 1 l e dc 0 0 1 i n gw a sr e s e a r c h e d ，w h e r e t h ee m p h a s i sw a st h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ef i l e du n d e rd i f f e r e n t c o o l i n g s t r a t e g y b a s e do nt h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c h e d ，m u l t i s t a g ec 0 0 1 i n g c o n t r 0 1s y s t e mw a sd e v e l o p e d t os a t i s f yt h en e e do fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，t h e h i g h - p r e c i s i o na n du n i f o r mc o o l i n gt e c h n 0 1 0 9 yw a sr e s e a r c h e d o p t i m u mc o n t r o l o fm u l t i s t a g e t e m p e r a t u r ep r o f i l ew a sa c c o m p l i s h e db a s e do no p t i m a lc o n t r o l t h e o r y t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et h e o r e t i c a lm o d e l so ft h ec o n t r o l l e dc o o i i n gs y s t e mw e r er e s e a r c h e d 。 f i r s t ，t h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e np l a t ea n dc o o l a n td u r i n gt h ep r o c e s so fa c c e l e r a t e d c o o i i n g ，u l t r a f a s tc o o l i n ga n da i rc o o l i n ge t c w e r ea n a l y z e dp r o f 6 u n d l y ：b a s e do n e n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l e ，t h eo n 一1 i n er e g r e s s i o ne q u a t i o nf o rt h ec o e f f i c i e n t o fh e a tt r a n s f 色rw a se s t a b l i s h e d i i i p h d d i s s e r t a t i o no f n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y a b s t r a c t ( 2 ) t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oa n a l y z et e m p e r a t u r ef i e l dw a se s t a b l i s h e d t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o na n di t sb o u n d a r yc o n d i t i o n ，i n i t i a lc o n d i t i o nt oa n a l y z e t h e r m a lc o n d u c t i o ni n s i d eh o tp l a t ew e r ei n t r o d u c e d t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o nw a s a n a l y z e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h em o d e l sf o rc a l c u l a t i n g1 a t e n th e a t d u r i n gv a r i o u sp h a s et r a n s f b r m a t i o ni n s i d eh o tp l a t ed e d u c e df t o ma ni m p o r t a n t m o d e lo fw h i c hw a st h et r a n s m u t a t i o n p r o d u c t a n di t s q u o t a o f p h a s e t r a n s f o r m a t i o n t h ef i n i t ee l e m e n tm e s ha n dt i m es t e pf o ri t e r a t i v ec o m p u t a t i o n w e r ed e c i d e da p p r o p r i a t e l ys ot h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o u l db eu s e do n 一1 i n e w i t hh i g h - p r e c i s i o n b a s e do ni n t e r n a le n e r g y ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ei n s i d eh o t p l a t ew a sc a l c u l a t e d t h e c a l c u l a t e dr e s u l t sc o u l dr e n e c tt h ev a r i a t i o no fr e a l a v e r a g et e m p e r a t u r e ( 3 ) t h ev a r i a t i o nr e g u l a ro ft e m p e r a t u r ew a sr e s e a r c h e df b rb u i l d i n go ft h e m u l t i s t a g ec o o l i n gc o n t r o ls y s t e m t h ev a r i a t i o nr e g u l a ro ft e m p e r a t u r ei n s i d eh o t p l a t eu n d e rd i f f 色r e n tc 0 0 1 i n gc o n d i t i o nw a sr e s e a r c h e ds u c ha sa c c e l e r a t e dc o o l i n g ， u l t r a f a s tc o o l i n g ，a n da i rc o o l i n g t h ev a r i a t i o nr e g u l a r so fe f 诧c t i v ec o o l i n g t h i c k n e s s ， b a l a n c e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ea n dr e d b a c kc r i t i c a ll i n ew e r e d i s c l o s u r e d ( 4 ) t h et e c h n 0 1 0 9 yf e a t u r eo fh o tp l a t eu n d e rt h ec o n d i t i o no fm u l t i s t a g e c o o l i n gw a sr e s e a r c h e d f i r s t l y ，t h ev a r i a t i o nr e g u l a ro ft e m p e r a t u r eu n d e rt h e c o m b i n e dt y p ec o o l i n gs y s t e md e v e l o p e db yr a lw a sr e s e a r c h e d s e c o n d l y ，t h e c o o l i n gr a t ew a sr e s e a r c h e du n d e rd i f f e r e n tc 0 0 1 i n gs t r a t e g y b a s eo nc o o l i n gr a t e ， t h ee f f e c t so fc o o l i n gm e t h o do np h a s et r a n s f o r m a t i o nw e r ea n a l y z e d t h e u l t r a f a s tc o o l i n ga n dt h ea c c e l e r a t e dc o o l i n gw e r er e c o m m e n d e dt oc o n t r o lt h e i n c u b a t i o np e r i o do fp h a s et r a n s f o r m a t i o na n dt h ep r o c e s so fp h a s et r a n s f o r m a t i o n r e s p e c t i v e l y ( 5 ) t h em u l t i s t a g ec 0 0 1 i n gc o n t r 0 1s y s t e mw a se s t a b l i s h e dt os a t i s f yt h en e e d o fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fp l a t e b a s eo nc o o l i n ge q u i p m e n tl a y o u t so fs o m ep l a t e p l a n t ，am u l t i s t a g ec 0 0 1 i n gc o n t r 0 1s y s t e mw a sd e v e l o p e d t h ef u n c t i o no fe l e c t r i c a u t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e ma n dt e c h n 0 1 0 9 ya u t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e m ，a n dt r i g g e r m e c h a n i s ma c c o r d i n gt ot i m es e q u e n c ew e r ed e s c r i b e d t h ek e yt e c h n o l o g yt o i m p r o v ec o n t r o la c c u r a c y a n dc o o l i n gu n i f o r m i t yo ft h ec o n t r 0 1s y s t e mw a s i v p h d d i s s e r t a t i o no f n o n h e a s t e mu n i v e r s 耐a b s t r a c t i n t r o d u c e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et e c h n 0 1 0 9 ya u t o m a t i cc o n t r 0 1s y s t e mw a s r e s e a r c h e d h o wt os e l e c tt h ec o o l i n gp a t t e r na n dt or e a l i z et h ec o n t r o lp r o c e s so f u l t r a f a s tc 0 0 1 i n ga n da c c e l e r a t e dc 0 0 1 i n gw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l s t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fm u l t i s t a g ec 0 0 1 i n gc o n t r 0 1s y s t e mw a si n t r o d u c e da sa ne x a m p l et o h i g hs t r e n g t hc m ns t e e l ( 6 ) t h eo p t i m a lc o n t r o lb a s e do nl i n e a rq u a d r a t i cw a si n t r o d u c e dt oc o n t r 0 1 t h em u l t i s t a g et e m p e r a t u r ep r o n l eo fh o tp l a t e t oc o n t r o lc 0 0 1 i n gp r o f i l ew i t h h i g hd e g r e eo fa c c u r a c yu s i n go p t i m a lc 0 0 1 i n ge f f i c i e n c y ，t h ec o n t r 0 1 l e dt a r g e t so f p e r f o r m a n c ef u c t i o nw e r ec 0 0 1 i n ge f n c i e n c yo fc o o l i n gu n i t ， f i n i s h c 0 0 1 i n g t e m p e r a t u r ea n dc o o l i n gp r o f i l e t h ef i n i s hc 0 0 1 i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ec o o l i n g r a t eo f2 0 m md h 36o fe a c hs t a g ew e r ec o n t r o l l e dw i t hh i g h 。p r e c i s i o n t h ei d e a l m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fd h 36 w e r eo b t a i n e d d u r i n g t h e i n d u s t r i a le x p e r i m e n ta ts o m ef a c t o r y k e y w o r d ：h o tp l a t e ，c o n t r o l l e dc o o l i n g ，u l t r a f a s tc o o l i n g ，c o m b i n e dt y p ec 0 0 1 i n g ， 1 卜 c o o l l n gu n l 士o r m l t y ，m u l t l s t a g ec o o l i n g ，c o n t r o ls t r a t e g y ，o p t i m u mc o n t r o l v p h d d i s s e r c a t i o no f n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y a b s t r a c t v i 东北大学博士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 控制冷却技术的新发展2 1 2 1 组织性能监测与控制技术2 1 2 2 均匀化冷却技术5 1 3 热轧板材新型轧后冷却技术：8 1 3 1 轧后超快速冷却技术8 1 3 1 1h o o g o v e n s u g b 开发的超快速冷却技术9 1 3 1 2a d c 0 技术9 1 3 1 3 加强型层流冷却技术l o 1 3 1 4 比利时c r m 冷却技术1 1 1 3 1 5s u p e r 0 l a c 技术1 2 1 3 2 复合式冷却技术的发展1 3 1 3 2 1 加强型与普通层流冷却的联合使用1 3 1 3 2 2 层流冷却与u f c 联合使用1 4 1 3 2 3m a c s 快速冷却系统。1 5 1 3 2 4m u l p i c 多功能冷却系统1 5 1 3 2 。5r a l 复合冷却实验装置1 6 1 4 中厚板轧后多阶段冷却控制思想17 1 4 1 轧后控制冷却目标的演变1 7 1 4 2 多阶段冷却控制思想1 8 1 5 本文研究的主要内容2 0 第2 章钢板冷却过程中的理论模型研究2 2 2 1 钢板冷却过程换热模型2 2 2 1 1 钢板辐射换热2 2 2 1 2 钢板与辊道之间的热传导2 3 2 1 3 超快速冷却条件下的换热2 3 东北大学博士学位论文 目录 2 1 3 1 射流冲击换热基础2 3 2 1 3 2 射流冲击换热机制与影响因素。2 4 2 1 4 加速冷却条件下的换热2 6 2 1 4 1 层流冷却换热基础2 6 2 1 4 2 层流冷却效率2 7 2 1 4 3 层流冷却效率影响因素2 9 2 1 5 水冷换热系数回归方法3 3 2 2 温度场解析模型3 4 2 2 1 导热微分方程3 4 2 2 2 相变潜热计算方法3 5 2 2 2 1 相变开始温度计算3 6 2 2 2 2 相变转变量计算3 7 2 。2 。2 。3 相变潜热计算3 8 2 2 3 钢板热物性参数处理4 1 2 2 3 1 确定热传导率4 1 2 2 3 2 确定钢板密度4 1 2 2 3 3 确定热扩散率4 2 2 2 4 导热问题的有限元解析模型4 2 2 2 5 平均温度处理方法4 5 2 3 本章小结4 9 第3 章多阶段冷却工艺特点研究5 1 3 1 各种冷却方式下的钢板温度变化51 3 1 1 空冷阶段钢板温度变化5 1 3 1 2 超快速冷却方式下钢板温度变化5 2 3 1 2 1 超快速冷却过程中钢板温度变化5 2 3 1 2 2 超快速冷却后钢板返红现象5 3 3 1 2 3 超快速冷却过程中的钢板厚向温度5 5 3 1 3 加速冷却方式下钢板温度变化5 6 3 1 3 1 加速冷却过程中钢板温度变化5 6 3 1 3 2 加速冷却后钢板返红现象6 1 3 1 3 3 加速冷却过程中的钢板厚向温度6 2 东北大学博士学位论文 目录 3 2 多阶段冷却策略工艺特点6 6 3 2 1 各种冷却策略下的温度变化6 6 3 2 2 各种冷却方式下的冷却速度研究7l 3 2 3 冷却策略对过冷奥氏体相变的影响7 4 3 2 3 1 冷却方式对相变前钢板的影响7 4 3 。2 3 2 冷却方式对钢板相变的影响7 6 3 3 本章小结7 7 第4 章中厚板轧后多阶段冷却控制系统7 9 4 1 多阶段冷却控制系统7 9 4 1 1 工艺设备概况7 9 4 1 。2 多阶段冷却软件控制系统8 1 4 1 2 1 基础自动化系统功能8 1 4 1 2 2 过程控制系统功能8 2 4 1 2 3 系统的时序触发机制8 2 4 2 系统中的高精度、均匀化技术8 4 4 2 1 流体系统高精度控制8 4 4 2 1 1 供水系统的稳定性8 4 4 2 1 2 高精度流量控制8 6 4 2 2 超快速冷却区高精度、均匀化技术8 8 4 2 3 加速冷却区高精度、均匀化技术9 0 4 2 4 高精度、均匀化控制技术9 3 4 3 多阶段冷却工艺控制策略的实现9 9 4 3 1 阶段冷却方式选择9 9 4 3 2 超快速冷却过程控制1 0 0 4 3 3 加速冷却过程控制1 0 1 4 3 4 多阶段冷却控制的优先级1 0 2 4 3 5 多阶段冷却控制实例1 0 2 4 4 本章小结1 0 4 第5 章多级温度路径优化控制策略10 6 5 1 线性二次型基础理论1 0 6 5 2 多级温度路径优化控制算法1 0 7 东北大学博士学位论文 目录 5 2 1 差分模型的建立1 0 7 5 2 2 单集管冷却的优化控制算法1 0 9 5 2 3 多集管冷却的优化控制算法1 11 5 2 4 控制参数的共轭梯度解析方法1 1 2 5 3 多级温度路径优化控制实例1 1 4 5 3 1 物性参数及控制参数选定1 1 4 5 3 2 单集管水量变粒度控制1 1 4 5 3 3 多组集管恒定冷却速度控制1 1 6 5 3 4d h 3 6 多级温度路径优化控制1 1 8 5 4 本章小结1 2 0 第6 章结论1 2 1 参考文献1 2 3 攻读博士学位期间完成的论文1 3 1 致谢：1 3 3 作者简介1 3 4 东北大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 当今世界，能源危机已经成为制约经济又好又快增长的关键因素。各个国 家都致力于高性能、低成本、低消耗的新型材料的开发。新型材料的不断涌现， 正使得钢铁这一支撑了人类文明2 0 0 0 多年的结构材料经历着前所未有的挑战。 “新一代钢铁流程 1 3 】论题的提出为钢铁企业指明了方向。钢铁生产企业开 发和生产高档次、高性能、低成本、减量化的产品成为保持企业竞争力的必由 之路。研究表明，合理优化化学成分，改善加热、轧制以及冷却工艺制度，可 以实现钢铁材料的组织优化，提高钢材质量，获得需要的材料使用性能。同时， 实现缩短流程，降低成本，减少能耗，满足经济发展和社会进步的迫切需求。 控制轧制和控制冷却【4 拍1 ( t m c p ，t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) 是2 0 世纪轧制技术最伟大的成果之一，对于高性能钢铁材料的开发和生产具有十分 重要的意义。目前，t m c p 技术在高强度板带钢生产领域得到了广泛应用。控 制冷却技术【_ 卜1 5j 是t m c p 的重要组成部分，它通过改变轧后冷却条件来控制相 变和碳化物析出行为，从而改善钢板组织和性能。热轧钢板轧后快速冷却，可 以充分挖掘钢材潜力，提高钢材强度，改善其塑性和焊接性能。轧后冷却技术 为钢铁材料的进步做出了巨大贡献，而超快速冷却技术以及复合式冷却控制技 术【l 6 。2o j 的开发，更是拓宽了轧后冷却工艺控制手段，有利于直接生产高性能产 品，使产品的轧制和冷却过程同步完成，缩短生产流程，降低能源消耗。 1 1 课题研究背景 目前，国内中厚板行业存在的普遍现象是普通中厚板产能饱和，而高品质 产品如高强船板、桥梁板、压力容器板等产能严重不足。中厚板市场中的主要 矛盾是低端产品生产过剩、高端产品不能满足用户需求。改善生产条件，提高 控制水平，研发高等级、高附加值产品成为企业在激烈的市场竞争中生存的必 由之路。改善提高钢水净化度的钢铁冶炼技术，提高控制轧制技术水平，以及 添加合金元素，这些均是改善产品性能的有效手段。但冶炼工序十分复杂，控 制轧制技术又需要在“低温大压下”条件下进行，添加合金元素更是增加资源 消耗。这些手段均与减量化( r e d u c e ) 、再循环( r e c y c l e ) 、再利用( r e u s e ) 、再制 东北大学博士学位论文第1 章绪论 造( r e m a n u f a c t u r e ) 的4 r 原则背道而驰，因此人们的注意力逐渐转移到轧后控 制冷却技术上。 钢板在轧后冷却过程中发生复杂的相变。不同冷却条件下，奥氏体( a ， a u s t e n i t e ) 经历不同的冷却工艺路径转变成为铁素体( f ，f e r r i t e ) 、珠光体( p ， p e a r l i t e ) 、贝氏体( b ，b a i n i t e ) 以及马氏体( m ，m a r t e n s i t e ) 等组织。如果能够对轧 后钢板相变过程及碳化物析出行为进行严格控制，便可以获得具有理想组织性 能的产品。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室( r a l ，s t a t ek e y l a b o fr 0 1 1 i n ga n da u t o m a t i o n ，n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y ) 从国家和企业的实际需 求出发，开发出具有自主知识产权的新一代轧后快速冷却关键设备和技术。这 对提高我国中厚板控制冷却技术水平和拓展钢种研发手段具有重要的现实意 义。本文结合新一代轧后快速冷却技术研发项目，对中厚板轧后多阶段冷却控 制策略进行研究。中厚板轧后多阶段冷却控制是指综合利用空气冷却、加速冷 却、超快速冷却等冷却方式改变冷却条件，使钢板冷却过程在不同时间、在输 出辊道的不同位置上发生，充分发挥各种冷却方式的作用，来改善产品内部组 织，同时保障其冷却均匀性，从而获得具有良好综合性能的产品。 1 2 控制冷却技术的新发展 一直以来，控制冷却对产品组织性能的作用和冷却过程中的钢板冷却均匀 性始终是控制冷却技术关注的焦点。控制冷却技术以提高产品性能为目标，而 冷却均匀性控制技术是获得理想控制效果的基本保障。下面介绍控制冷却技术 在组织性能监测与控制技术以及均匀化冷却技术方面的新发展。 1 2 1 组织性能监测与控制技术 从热轧钢材的组织转变产物来看，轧后冷却过程控制目标从获得细小的珠 光体、铁素体组织发展成为铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体的双相甚至多相 组织的有机整合体 2 。相变产物与控制冷却方式息息相关，这是由不同的冷却 方式所能够提供的冷却能力决定的。冷却能力由弱到强依次为空气冷却( a i r c 0 0 1 i n g ) 、加速冷却( a c c ，a c c e l e r a t ec o o l i n g ) 和超快速冷却( u f c ，u 1 t r a f a s t c 0 0 l i n g ) 。如果轧后钢板采用空冷方式，通常最终产品由粗大的铁素体和珠光 体晶粒组成，产品的综合力学性能较差。在加速冷却条件下，随着冷却速度的 提高，则4 ，降低，铁素体和珠光体形核动力增加，可以获得细小的珠光体和 东北托学博士学位论文第l 章绪论 铁素体组织2 2 。2 ”。在超快速冷却条件下，钢板的冷却过程在较高的冷却速度下 完成，终冷温度一般较低，组织以细小的贝氏体组织阢2 6 1 为主。直接淬火( d q ， d i r e c tq u e n c h m g ) 是轧后冷却过程中重要的工艺技术，它通过足够大的冷却速 度，抑制奥氏体向铁索体、珠光体以及贝氏体转变，直接将钢板温度冷却至马 氏体转变温度点以下，从而获得更为细小的马氏体组织2 7