（材料加工工程专业论文）中厚板轧制中间冷却过程控制模型研究与应用.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d yo nm o d e l t oc o n t r o li n t e r m e d i a t e c o o l i n gp r o c e s sf o rp l a t er o l l i n g b yh u ow e n f e n g s u p e r v i s o r s ：p r o f e s s o rl i ux i a n g h u a a s s o c i a t ep r o f e s s o rh ux i a n l e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 东北大学硕士学位论文 声明尸刚 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。 学雠文储躲烈 日 期： 2 口- v c 7 。占 学位论文版权使用授权书 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口 学位论文作者签名：料 签字日期： 7 c r o a t 7 、6 导师签名： 签字日期： 一 东北 在中厚板生产中，控制轧制与控制冷却是提高产品质量性能重要技术，在实 际生产中得到了广泛的应用，但控制轧制的应用通常会因待温而降低轧制效率。 研究表明中间冷却技术可以在不影响产品质量的前提下，通过对待温的中间坯进 行喷水冷却，缩短控制轧制待温时间，提高生产效率。本文研究了中间冷却控制 过程和主要影响因素，主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 给出计算中间坯温度场的二维有限差分模型，确定了冷却计算参数的取 值。特别对中间冷却换热过程进行了的介绍，说明高温中间冷却换热以膜沸腾换 热为主，在高温区换热系数随温度变化较小。应用现场实测数据验证了模型和参 数的选取是合理的。 ( 2 ) 基于冷却原理建立了中间冷却控制过程计算模型，根据已知参数实现冷 却过程参数，水流密度、开启集管数量、集管排布、摆动冷却次数等冷却过程参 数的计算和设定。确定了中间坯的摆动范围，并对中间坯的摆动过程进行位置跟 踪，以顺利实现冷却过程。 ( 3 ) 对厚板坯的冷却过程进行了深入研究。得出空冷时随板坯厚度的增加冷 却速率减小，冷却结束时表面与中心的温差增大。水冷时随着水流密度增加，冷 却结束时表面温度降低，厚度方向温度均匀性变差。在水流密度变化较小时水流 密度对返红时间影响较小，水流密度为6 0 - - 1 2 0 v ( m 2 m i n ) 时返红时间为3 1 3 3 s 。 返红时间随着厚度的增大而增加，厚度从3 0 m m 增加到6 0 m m ，返红时间从1 0 s 增加到3 2 s 。 ( 4 ) 分析了不同冷却方式对中间冷却过程温度场的影响。得出通过集管的间 隔开启和分段冷却的方法可以有效降低表面与心部的温差，提高厚度方向温度的 均匀性。经过分析得出中间冷却时水冷温降比的选择范围为0 8 0 9 。 ( 5 ) 中间冷却过程的模拟和热轧实验结果表明：中间冷却可以在不降低产品 综合性能基础上，缩短待温时间3 0 左右，提高生产效率。 关键词：中厚板；中间冷却；过程控制模型；温度场；冷却制度 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nm o d e l t oc o n t r o li n t e r m e d i a t ec o o l i n gp r o c e s sf o r p l a t er o l l i n g a bs t r a c t i nt h ep r o d u c t i o no fm e d i u mp l a t e ，t m c ph a sb e c o m et h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g y i ni m p r o v i n gp r o d u c tq u a l i t yp e r f o r m a n c e ，a n di sw i d e l yu s e di np r o d u c t i o no fp l a t e ， b u ti td e c r e a s e st h er o l l i n ge f f i c i e n c yb e c a u s eo ft h eh o l d i n gt i m e r e s e a r c h e ss h o w t h a ti n t e r m e d i a t ec o o l i n gc a ns h o r t e nt h eh o l d i n gt i m ew i t hw a t e rc o o l i n gw i t h o u t a f f e c t i n gt h ep r o d u c tq u a l i t y , a n di m p r o v et h er o l l i n ge f f i c i e n c y i nt h i sa r t i c l et h e i n t e r m e d i a t ec o o l i n gc o n t r o l l e ds y s t e ma n dt h ef a c t o r so ft h ec o o l i n gp r o c e s sa r e s t u d i e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c e dt h et w o d i m e n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c em o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l d ， a n dd e t e r m i n e dt h ec o o l i n gp a r a m e t e r s i np a r t i c u l a rt h ew a t e r - c o o l i n gc o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fi n t e r m e d i a t ec o o l i n gw a si n t r o d u c e di nd e t a i l t h ec o n v e c t i v e h e a tt r a n s f e rt y p eo fw a sf i l mb o i l i n g ，t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tc h a n g el i t t l ew i t h t h et e m p e r a t u r ea th i 曲t e m p e r a t u r e c a l c u l a t i o nw i t ht h em e a s u r e dd a t av e r i f i e dt h a t t h em o d e la n dt h ev a l u e so ft h ep a r a m e t e r sw e r er e a s o n a b l e ( 2 ) t h ei n t e r m e d i a t ec o o l i n gc o n t r o l l e dm o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t hc o o l i n g t h e o r y i tc a nc a l c u l a t et h ec o o l i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha sw a t e rf l o wr a t e ，t h en u m b e ro f 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i n c r e a s e sw i t ht h et h i c ki n c r e a s i n g ，i ti n c r e a s e sf r o m10 st o3 2 sw h e nt h et h i c k i n c r e a s e sf r o m3 0 m mt o6 0 m m ( 4 ) t h ei n f l u e n c eo ft h ec o o l i n gt y p eo nt h ec o o l i n gp r o c e s sw a ss t u d i e d i t s h o w st h a ti tc a nd e c r e a s et h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nt h i c kd i r e c t i o nt oo p e nt h e h e a d e ro n ea f t e ra n o t h e ro rc o o lt h ep l a t ei ns e v e r a lt i m e s t h et e m p e r a t u r ed r o pr a t i o o f w a t e rc o o l i n gc a nb ec h o s e nb e t w e e n0 8 0 9 ( 5 ) i ts h o w st h a tt h ei n t e r m e d i a t ec o o l i n gc a ns h o r t e nt h eh o l d i n gt i m ew i t h o u t d e t e r i o r a t i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw i t ht h es i m u l a t i o na n dh o tr o l l i n ge x p e r i m e n t i tc a nd e c r e a s et h eh o l d i n gt i m ea b o u t3 0 k e yw o r d s ：p l a t e ；i n t e r m e d i a t ec o o l i n g ；p r o c e s sc o n t r o lm o d e l ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； c o o l i n gp r o c e s s i v 1 2 2 控制冷却简介6 1 2 2 1 控制冷却技术发展6 1 2 2 2 控制冷却基本原理o 7 1 2 3 控制轧制控制冷却的应用8 1 3 中间冷却技术的发展与应用1 1 1 3 1 国外中间冷却发展状况。1 2 1 3 2 国内中间冷却发展状况。1 5 1 4 本文的研究内容与目的1 6 1 4 1 研究目的l6 1 4 2 主要内容1 6 第2 章中间冷却数学模型17 2 1 传热学基本理论17 2 1 1 热传导1 7 2 1 2 导热微分方程17 2 1 3 边界条件确定1 9 2 1 3 1 对流换热2 0 2 1 3 2 辐射换热2 3 2 2 冷却过程物性参数确定2 5 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 1 导热系数2 5 2 2 2 比热容2 6 2 2 3 密度2 6 2 3 导热微分方程有限差分求解2 7 2 4 温度模拟结果合理性确定3 2 2 5 本章小结3 3 第3 章中间冷却过程控制模型3 4 3 1 中间冷却工艺系统概况3 4 3 2 预计算模型3 4 3 2 1 冷却水流密度的确定3 6 3 2 2 冷却集管的设定3 6 3 3 中间冷却摆动过程的实现3 7 3 3 1 摆动冷却规程的确定3 8 3 3 2 摆动区域的确定4 0 3 3 3 摆动过程板坯位置跟踪4 1 3 4 本章小结4 3 第4 章中间冷却过程数值模拟4 4 4 1 空冷过程数值分析4 4 4 2 水冷过程数值分析4 6 4 2 1 厚度与水流密度对温度分布的影响4 6 4 2 2 影响厚板水冷后返红过程的因素4 8 4 3 中间冷却过程温度场研究5 0 4 3 1 冷却策略对中间冷却的影响5 0 4 3 2 中间冷却对待温时间的影响5 2 4 3 3 中间冷却过程水冷温降比的确定。5 2 4 4 本章小结5 4 第5 章中间冷却过程实验研究5 6 5 1 实验材料与轧制工艺5 6 5 2 中间冷却对待温时间的影响5 7 v i 东北大学硕士学位论文 目录 i i i i 罱i ；i 宣；i i i ；i 宣暑i i i ；昌宣暑葺i 昌i 鲁 5 3 中间冷却过程对组织性能影响5 8 5 4 本章小结6 0 第6 章结论与展望6 l 参考文献6 3 致谢6 7 v i i 1 1 课题背景 近年来我国中厚板生产随着钢铁工业的进步，产量、品种、质量均得到了快 速发展，研究工作也越来越深入【1 捌。其中控制轧制和控制冷却技术的研究尤为 突出，逐渐成为提高产品质量性能的重要方法。人们对控制轧制和控制冷却机理 的认识不断深入，使其在生产中得以应用并且日趋完善，尤其在中厚板生产中的 应用越来越广泛【3 4 】。该项生产技术在轧钢生产中的应用，明显地改善和提高了 钢材的强韧性和使用性能，为节约能源，简化生产工艺，开发钢材新品l r b o , j 造了 有利条件，成为钢铁产品生产必不可少的生产技术。 众所周知，控制轧制生产过程比传统轧制生产需要更长的g l n 生产时间，这 是因为控制轧制生产要求较低的终轧温度，轧制力增大；在相同的轧制条件下就 需增d n j f l n 道次来降低道次轧制力，因而增加了轧制时间。另外控制轧制要在规 定的温度下进行g l n ，在轧制过程中要严格控制轧制温度，如在两阶段控制轧制 时，在第一阶段再结晶区轧制完成后，为了避免在奥氏体部分再结晶区内变形， 需要进行待温，当板坯温度达到未再结晶温度以后再继续进行第二阶段的轧制。 因此控制轧制对轧机产量影响较大。因此各中厚板生产厂家，都竭尽全力开发适 合自己厂情的方法来缩短轧制时间，提高轧机的机时产能。 有多种用于提高控制轧制生产效率的方法，例如：降低板坯的加热温度，多 坯交叉轧制、协调轧制、加热和终轧温度的控制来提高轧制节奏。但是当产量较 小时这些方法并不能发挥很好的作用【5 】。控制轧制过程在再结晶区和未再结晶区 轧制之间有一个待温过程，该过程通常采用空冷待温，在很大程度上降低了轧制 节奏。为了提高在该区间的冷却速率，减少冷却时间，出现了采用喷水冷却的方 法来代替空冷进行冷却的研刭5 ，6 1 。研究表明采用中间冷却方法，即在中间坯待 温过程中采用部分水冷的方式加快待温冷却速率，可以在不降低钢板性能的前提 下缩短中间坯待温时间，加快g l n 节奏、提高生产效率【6 ，1 7 1 。 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 1 2 控制轧制控制冷却发展和应用 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 l l e dp r o c e s s i n g ) q - 艺即形变热处理工艺，也 称为控制轧制和控制冷却工艺。如科恩【8 】所指出的，它把金属的组织、性能、加 工工艺综合起来，形成一个紧密联系的材料科学体系，成为轧钢技术发展方向之 一。它是提高钢材强韧综合性能的重要手段，近些年来被广泛地应用于各种类型 i t t s l 钢生产中。形变热处理发展历史如表1 1 所示【1 1 1 。 表1 1 控制轧制和强化机制发展历史 t a b l e1 1h i s t o r yp r o c e s s e so ft m pa n ds t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mu t i l i z e d 悯 l 1 9, 7 0 1 9 ； 19 0 2 0 0 0 i y + 口 摔制轧制 两栩区轧制 超细强钢 s h to l act m c p t m p 低温轧制加速冷却 直接卒火 车l ；i i 过程模型研究 d 6 粒细化 形变强化 马氏体、贝氏体强 超细dl 强化 强化机制 沉淀强化 相芟强化 o o 标准 a s t ma 8 4 1 j i s s n 强度和韧性是钢材产品的两个极其重要的力学性能指标，在一般情况下，强 度的提高往往会导致韧性的下降。钢材的强度由h a l l p e t c h 公式表示【1 0 】： q = o - o + 砖d 一佗 ( 1 - 1 ) 式中：仃。一钢材的屈服应力； 吼一铁素体抵抗滑移的抗力； d 一铁素体晶粒平均直径。 钢材的韧脆性转变温度由c o t t r e l l p e t c h 公式表示： 尉丌= a b l o g d 。1 佗( 1 - 2 ) 式中：f a t t 钢材的脆韧性温度，单位：； d 一铁素体晶粒平均直径，单位：岬； 彳、b 一常数。 由式( 1 ) 和( 2 ) 中可以看出，减小铁素体晶粒尺寸，将能提高钢材的屈服强度， 一2 1 2 1 1 控n s l 韵i 技术的发展 早期的高强度低合金钢的化学成分是按强度设计的，而对焊接性能、成型性 及抗脆性断裂性能没有足够给予重视。自从第二次世界大战中全焊接结构船发生 脆断事故以来，为了确保船体结构的安全，避免全焊接结构船舶的脆性断裂破坏， 要求造船用厚板要具有低温韧性，因此进行了钢的镇静化和正火处理。战后对造 船用钢及其他结构钢，通常采取提高m n c ：1 二，用铝脱氧及进行常化处理等措施 来获得较高的断口韧性。但一些国家，如i ：i ：n 时、瑞典等的钢铁厂当时没有热处 理设备，故在工业生产上首次采用控制轧制来代替常化处理，来解决钢的脆断问 题，这就确立了控n s l 钼j 技术的原始基础。 2 0 世纪6 0 年代后，由于对能源需求量的增加，以北美为中心的输送管线敷设 非常盛行，对用厚板或热轧板卷进行焊接制造管线钢的需求不断增加。因敷设输 送管线需要大量钢材，要求通过材料的高强度化节省钢材和通过提高材料的焊接 性降低现场焊接成本。在确保管线安全性方面，也要求具有防止断裂大规模扩散 的良好的低温韧性。从6 0 年代n t o 年代，管线钢研究成为开发控制轧制以提高钢 材韧性和强度的原动力。各钢铁厂开始采用控a , j 车l a , j 来改善高强度管线用厚板的 低温韧性。 2 0 世纪6 0 年代前后，研究中发现添加微合金元素对提高单纯轧制钢材的强度 效果很有效，通过添加合金进行控制轧制可以生产低温韧性良好的高强钢【1 0 1 。 在1 9 6 0 年后期日本厚板控n s l $ l j 技术得到迅速发展，其对低温韧性、焊接性好的 高强度管线钢开发的需求成为控制轧制技术发展的推动力，取得了很大的进步。 这一趋势在全世界范围不断扩大，并展开了国际间交流，在国际上召开了多次国 际会议。近三十年来，由于控制轧制技术得到国际冶金界的极大重视，全面研究 了铁素体一珠光体各种组织与性能的关系，将细晶强化、沉淀强化、亚晶强化等 规律应用于中厚板生产。随着控$ s j 车l n 技术的不断发展，在生产中应用得到广泛 应用，现在己成为高性能、高质量产品生产的重要技术。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 我国在上世纪6 0 年代初，已开始进行控制轧制工艺技术的研究。1 9 7 8 年后， 开始对控制轧制工艺及有关理论进行系统研究，在变形奥氏体再结晶规律、变形 奥氏体相变机制、微合金化及强韧化机制、碳化物析出沉淀规律及其定量分析和 形变热处理工艺的开发以及中厚板新品种的开发等方面取得了巨大成果。武钢、 鞍钢、太钢、上钢等生产厂家采用控制轧制技术生产出管线钢、造船板、桥梁板、 压力容器板、机械结构钢，填补了国内在这方面的空白。但同国外先进钢铁企业 相比，不论在理论研究或推广应用方面都存在着很大差距。随着控制轧制研究工 作的深入，控制轧制在高性能产品生产中发挥着巨大的作用，在各钢铁企业中得 到广泛的应用。 1 2 i 2 控制轧制原理 控制轧制( c r 即c o n 仃d l l e dr o l l i n g ) 是在热轧过程中通过对金属加热制度、变 形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒 组织，使钢材具有优异综合力学性能的轧制工掣1 3 】。对于低碳钢、低合金钢来 说，采用控制轧制工艺主要是通过控制加热温度、轧制温度、变形制度等工艺参 数，来细化奥氏体晶粒或增多变形奥氏体晶粒内部的滑移带，即增加有效晶界面 积，为相变时铁素体形核提供更多、更分散的形核位置；经过相变，得到细小分 散的铁素体和较为细小的珠光体团或贝氏体组织，从而达到提高钢的强度、韧性 和焊接性能等。 传统的控制轧制工艺特点是在，- - 口相变前或相变过程中，利用奥氏体的加 工硬化，使奥氏体一铁素体相变动力增大，铁素体晶粒得到细化，实现提高组织 性能的目的。 轧制中，随着轧制温度和变形量的不同，奥氏体将分别发生完全再结晶、部 分再结晶和未再结晶，如图1 1 所示。无论是低碳钢、低合金钢、微合金化钢， 还是中碳钢和高碳钢，在奥氏体区热变形时都将存在这三个区域，仅是开始再结 晶和完成再结晶曲线的位置有所区别【1 3 】。 4 东 时问 图1 1 控制轧制的三个阶段 f i g 1 1t h r e ep h a s e so fc o n t r o l l e dr o l l i n g 根据轧制过程中再结晶状态和相变机制的不同，将板带钢的控制轧制过程分 为三个阶段，分别为：奥氏体再结晶型控制轧制；奥氏体未再结晶型控制轧制； 奥氏体和铁素体( 厂+ 口) 两相区控制轧制。 ( 1 ) 奥氏体再结晶区控制轧制是在形变奥氏体完全再结晶区进行轧制，再结 晶和轧制过程同时进行。再结晶型控制轧制变形温度比较高，般在1 0 0 0 以上， 道次变形量必须大于变形温度下奥氏体的再结晶临界变形量。临界变形量与化学 成分和原始奥氏体晶粒的大小有关。 ( 2 ) 7 未再结晶区控制轧制，在此阶段轧制中不发生奥氏体再结晶过程。在 这个阶段，奥氏体经5 0 7 0 变形，晶粒充分破碎，晶界大量增加，高能区大 量产生，变形后，晶粒被拉长，同时产生滑移带，增加了相变时铁素体的形核 区。奥氏体晶界的增加和滑移带的出现，为铁素体形核提供了有利条件，因此在 相变后得到晶粒细化的铁素体。 ( 3 ) ( y + 口) 两相区控制轧制，在该阶段中，使己经相变的铁素体晶粒变形， 引入大量位错和亚结构等，同时使未相变的奥氏体晶粒也引入大量的变形带，作 为相变时铁素体的形核点，因此进一步细化铁素体晶粒，产生加工硬化，提高强 度，改善韧性。 在完全再结晶区下限温度和未再结晶区的上限温度之间的范围为部分再结 晶区。在部分再结晶区轧制时，得到的奥氏体晶粒不均，因此，应当防止在部分 5 东北大学硕士学位论丈 第l 章绪论 再结晶区轧制。特别是在一定变形量条件下，由于应变诱发晶界迁移，在奥氏体 中产生少量特大晶粒，引起组织中出现严重的混晶现象，导致性能下降。因此， 在制定控制轧制工艺时，在这一温度范围内进行待温，而不进行变形。 在实际的控制轧制中，一般采用上述几种方式的组合，即在奥氏体变形高温 阶段，通过奥氏体再结晶区控轧，得到等轴细小的奥氏体再结晶晶粒；在奥氏体 未再结晶区变形得到“薄饼形 未再结晶的晶粒，晶内出现高密度的形变孪晶和 形变带，从而有效增加晶界面积；在( y + 口) 两相区变形时，一方面奥氏体晶粒被 拉长，另一方面己相变的铁素体晶粒内部出现亚结构。同样为铁素体晶粒提供新 的形核点，使形变组织更细。控制轧制生产应用较多的控制轧制类型为两阶段控 制轧制工艺【1 4 , 1 6 】，即完全再结晶型与未再结晶配合的控制轧制工艺。本文主要针 对两阶段控制轧制进行研究。 1 2 1 3 控制轧制对产量的影响 两阶段控制轧制中，在完全再结晶区进行一定道次的变形后，在部分再结晶 区进行待温，避免由于变形而产生不均匀的晶粒，产生混晶，导致性能下降【1 7 】。 然后在奥氏体的未再结晶区继续轧制一定道次，并在未再结晶区结束轧制。 在控制轧制时，为了保证能在奥氏体未再结晶区轧制，避免在部分再结晶区 进行轧制，通常采用在部分再结晶区进行待温的轧制工艺。待温过程将延长轧制 时间，降低机时产量。对单机架厚板轧机来 兑，要影响产量3 2 3 6 ，双机架要 影n l h j 2 5 1 8 , 3 0 】。另外控制轧制要求在较低的温度下进行轧制，因此增大了轧制力， 由于轧机能力的限制就要通过增加轧制道次来降低道次轧制力，这也是控制轧制 增加轧制时间的原因。为了减小控制轧制对产量的影响，各生产厂和研究人员研 究各种方法以减小控制轧制对生产效率的影响。 1 2 2 控制冷却简介 1 2 2 1 控制冷却技术发展 控制冷却( c o n t r o l l e dc o o l i n g ) 在2 0 世纪6 0 年代后半期应用于热轧带钢轧机输 出辊道上用于提高产品的质量。自2 0 世纪6 0 年代第一套层流冷却系统应用于英国 布林斯奥思, 4 3 2 m m ( 1 7 i n ) 窄带钢热轧机以来，几乎每套热带钢轧机输出辊道上都 装有冷却系统。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 2 0 世纪7 0 年代中期，为了制造出适用于北极寒冷地区、对现场焊接性和低温 韧性要求更加严格的管线钢，迫切要求开发新的制造技术。因为生产这些管线钢， 以当时的合金设计，控制轧制技术是很难满足要求的。除合金元素、控制轧制以 外可以考虑的办法就是急冷。水作为一种特殊的合金元素，被用在了控制产品质 量的新的制造技术之中。 日本n k , j k 公司加快了研发的步伐，经1 9 7 7 年调试后，于1 9 8 0 年首次在n k k 的福山制铁所厚板厂配置并使用- j o l a c ( o n l i n ea c c e l e r a t e dc o o l i n g ：在线快速 冷却) 系统。束田等几人对操作实例和这之前的实验室结果进行了综合研究，工 厂车l a f j 的结果证实了实验室的结果。 2 0 世纪8 0 年代，各大公司加紧开展了对控制冷却技术的研究，使该技术得到 迅速发展。1 9 8 2 1 9 8 5 年每年均有世界性控制冷却技术讨论会，内容涉及到对组 织的影响、对性能的影响、材料技术、设备、操作等许多方面。尤其是1 9 8 5 年匹 兹堡召开了“钢的快速冷却( a c c e l e r a t e dc o o l i n go fs t e e l ) ”国际研讨会，许多国 家都参加了这次会议，控制冷却发展呈现出空前的规模。日本在该领域尤其走在 世界的前列。 我国于1 9 8 5 年在鞍钢半连轧厂建成了国内第一套水幕冷却装置。此套装置的 冷却区长度不足，冷却能力不够，冷却不均匀，达不到产品质量的要求。因此， 该厂在1 9 9 5 年的改造过程中将水幕装置改为柱状层流。1 9 9 0 年，钢研院、北科大、 重钢五厂等单位在重钢五厂的中厚板生产线上，采用了控制轧制与水幕冷却装 置，邯钢、柳钢、新余钢厂等也安装水幕冷却装置，但使用都不是非常理想。 上世纪9 0 年代末到现在，中厚板控制冷却技术在我国迅速发展，目前在中厚 板生产中基本都采用轧后控制冷却技术【1 9 - 2 0 , 2 2 - 2 5 】。有些企业的使用情况已经接近 或达到世界先进水平。在近期新建的中厚板厂中，控制冷却装置都成为必不可少 的设备。 1 2 2 2 控制冷却基本原理 控制冷却( c o n t r o l l e dc o o l i n g ) 是控制轧后钢材的冷却速度达到改善钢材组 织和性能的工艺【1 3 】。由于热轧变形的作用，促使变形奥氏体向铁素体转变温度 ( 4 ，) 提高，相变后的铁素体晶粒容易长大，造成力学性能降低。为细化铁素体 晶粒，减小珠光体片层间距，阻止碳化物在高温下析出，以提高析出强化效果而 东北大学石页士学位论丈 第l 章绪论 采用控制冷却工艺【2 1 1 。 对控制轧制后的奥氏体用高于空冷的速度从彳，以上的温度冷却至相变温度 区域，对铁素体进行控制冷却，相变温度下降，铁素体形核速度增大，因而铁素 体形核增多，同时也抑制了铁素体晶粒长大，得到了比经过控制轧制更细化的铁 素体晶粒。控制冷却引起的彳，降低，对再结晶奥氏体水冷效果并不很大，但对 未再结晶奥氏体进行控冷，会明显细化铁素体。控制轧制后细化了的变形奥氏体 组织经快速冷却，相变组织将相应变化，钢中的析出物的大小、数量、析出部位 发生变化，得到所期望的组织，从而提高钢的强韧性。 控制冷却过程通过控制轧后三个不同冷却阶段的工艺参数，可以得到不同的 相变组织。这三个阶段分别称为一次冷却、二次冷却和三次冷却。一次冷却是指 从终轧温度到4 ，温度范围内的冷却，其目的是控制热变形后的奥氏体晶粒状态， 阻止奥氏体晶粒长大和促进碳化物的析出，固定由变形引起的位错，增大过冷度， 降低相变温度，为y - - 口相变做准备，一次开冷温度越接近终轧温度，细化奥氏 体和增大有效晶界面积的效果越明显；二次冷却是指钢材经一次冷却后进入由奥 氏体向铁素体和碳化物析出的相变阶段，控制开冷温度、冷却速度和终冷温度等 参数，来控制相变产物；三次冷却或空冷是指对相变结束到室温这一温度区间的 冷却参数的控制。 应用加速冷却技术的主要优点在于： ( 1 ) 改善含有少量合金元素和低碳当量钢的强度和韧性； ( 2 ) 加入微合金元素增加沉淀强化效果，降低铁素体转变温度范围以产生细 小晶粒； ( 3 ) 降低钢中的碳当量，在不降低强度的情况下可提高钢材的焊接性、成型 性和韧性； ( 4 ) 消除了珠光体条带，形成细小的贝氏体组织，获得相变强化效果； ( 5 ) 轧制道次间和机架间的冷却工序使得钢板控铝i 车l n 时的加热时间缩短， 或在高速轧机上降低终轧温度，使棒材经过热机械处理而改善性能。 1 2 3 控制轧制控制冷却的应用 控制轧制控制冷却技术是现( - i 韦i 材产品生产中的重要技术，可以在节省合金 东北大学硕士学位论丈 第l 章绪论 元素的情况下提高产品的性能，降低生产成本，提高企业的竞争力。通过不同阶 段的控制轧制均能细化铁素体晶粒，改善钢板的强度和韧性。但变形使得相变温 度升高，从而削弱了控制轧制效果。在轧后采用加速冷却工艺，能在原有成分基 础上进一步提高钢的强度，也能在降低碳当量的情况下保持原有的强度，从而改 进钢板的韧性及焊接性能。因此在实际生产中控制轧制控制冷却是联合使用的， 在控制轧制后进行控制冷却过程，综合控制轧制和控制冷却在提高产品性能方面 的作用。 目前，再结晶区轧制+ 未再结晶区轧制的控制轧制配合控制冷却的方式是主 要应用的控制轧制控制冷却方式。通过优化控制轧制和控制冷却过程充分发挥其 细化组织提高产品性能的作用。其优点主要有如下几点： ( 1 ) 代替常化、节约能源、能直接生产综合性能优良的专用板，如造船、容 器、锅炉、桥梁、汽车大梁板等，能降低生产成本； ( 2 ) 有效改善一般热轧钢板的强度和韧性，充分挖掘普通钢种的性能潜力； ( 3 ) 在降低钢的合会含量、碳当量条件下获得与f 火相同等级的钢，提高产 品的焊接性能； ( 4 ) 可以简化传统的生产工序，减少人力、物力的消耗，降低生产成本，提 高产品竞争力； ( 5 ) 在保持同等性能的前提下，可以适当地提高钢板的终轧温度，或者采用 轧制道次和机架之间的冷却工序来加快中间坯冷却，以减少待温时间，提高生产 效率，在控轧的基础上提高产量； ( 6 ) 改善控轧钢的金相组织，如消除带状，减少层状撕裂。 控制轧制和控制冷却技术的不断发展，其在高性能中厚板生产中发挥着巨大 的作用。高性能管线钢、船板和容器钢等生产中通过控制轧制控制冷却技术来提 高产品的组织性能，保证产品的质量，应用控制轧制控制冷却技术丌发新型高性 能产品【3 4 , 3 5 】。 管线钢的生产要求其能在恶劣的坏境如海洋，寒冷地区应用，这就要求其在 低温条件下有良好的强韧性和焊接性。在海洋平台钢、船板钢和结构钢等生产中 也存在这样的要求。强度和韧性时相互矛盾的，同时提高强度和韧性的唯方法 是细化组织的晶粒。控制轧制和控制冷却生产技术可以有效的细化组织晶粒，提 高产品的性能。因此控制轧制和控制冷却技术在生产中得到广泛的应用。 o 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 在管线钢生产中，通过控制轧制和控制冷却技术组合工艺开发出满足不同要 求的高级别管线钢。著名的管线钢供应商迪林根宽厚板厂，8 0 年代术采用三阶段 控制轧制和轧后加速冷却工艺生产高强度x 6 5 、x 7 0 管线钢。9 0 年代初开始改为 采用三阶段控制轧制、中间坯强制水冷及轧后加速冷却工艺，以达到降低合金元 素量、降低碳当量、改善钢的韧性及焊接性能的目的。日本j f e 钢铁公司通过应 用o l a c 在线冷却技术，持续开发出可以满足客户要求的高强度、良好的低温韧 性和焊接性能的管线钢，并且可以商业化生产世界强度最高的管线钢c s a 级6 9 0 ( 相当于x 1 0 0 级管线钢) 。随着管线钢性能要求的不断提高，应用控制轧制控制 冷却技术进行更高级别产品的开发研究也在进行中，如日本新日铁公司进行 x 1 2 0 级别管线钢的研究【3 酬。表1 2 为管线钢性能要求的发展历史。 表1 2 管线钢标准发展历史 t a b l e l 2h i s t o r yc h a n g e si nr e q u i r e m e n t sf o rl i n ep i p es t e e l l 3 8 】 时间 1 9 7 0 1 9 7 5 1 9 8 01 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 52 0 0 0 x 6 5 燃度 l x 7 0 a p i 等级 8 0 t d ( ) 3 5 7 1 2 0 jc h a r p y l1 8 0 j 082j 低温韧性卜2 0 c 厂一 6 2 jl一3 0 3 4 j ll - 4 6 eb d w t t ) 4 5 1 0 4 3 。 0 4 碳当量 l 0 3 9 ( i i w )1 0 3 8 10 3 5 l0 3 2 高强度船板的生产也是应用控制轧制控制冷却相组合的工艺进行生产的。如 日本钢管福山宽厚板厂采用单一化学成分、不同工艺生产2 5 m m 厚3 6 0 m p a ，a 、 d 、e 级高强度船板，且满足各种级别韧性要求。对造船用板进行j 3 h n b ，v ，t i 微合金化处理，在确保强度的前提下降低碳当量，出现了大线能量输入型、预热 自由化的新一代船板，简化了船厂生产工艺。 由于各宽厚板厂家设备装备情况不同，采用的成分系列不同，因而控轧控冷 工艺差异较大，但最终性能均能满足用户的要求。 1 0 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 i 暑i | 一i i _i ii im l 暑i 宣；宣；宣；葺；i ；i 昌置；嗣 我国在经过一段时期的技术研究和生产设备的改造后，目前在中厚板生产中 控制轧制和控制冷却相结合的生产工艺也已得到广泛的应用。应用控制轧制和控 制冷却工艺生产的高性能的产品，进行新产品的开发【3 2 】。应用控轧控冷技术生 产高级管线钢x 7 0 、x 8 0 等不同级别的管线钢产品先后应用于我国西气东输工程、 x 8 0 管线钢应用工程、忠武输气管线工程以及海底输气等一系列国内外大长距离 输送管线工程【3 3 3 4 1 。 控制轧制和控制冷却的综合应用可以通过控制钢板车l s j j 过程总的变形过程 和轧后的冷却过程，使晶粒在变形和轧后冷却过程的相变中得到充分细化，实现 提高强度，并改善韧性，提高产品的综合性能。 1 3 中间冷却技术的发展与应用 随着生产技术和控制技术的不断发展，控制轧制和控制冷却技术在中厚板生 产中得到广泛的使用，并在产品的质量性能方面的提高上发挥着重要的作用。但 控制轧制生产过程的效率比传统轧制要低。控制轧制造成轧制效率较低轧制时间 增加的原因有：由于控制轧制要求在低温进行轧制和较低的轧制温度，因此轧制 力提高，在轧机能力的限制下就要降低减小道次压下率降低轧制力，因而增加轧 制道次，增加了轧制时间。另外为了实现控制轧制过程就必须对轧制过程中的变 形行为和温度进行严格控制，在钢板的再结晶和未再结晶区之间的部分再结晶区 温度范围内须停止轧制，进行待温，以避免出现混晶组织，影响产品质量【3 】。在 两阶段控制轧制过程中板坯在第一阶段的再结晶区轧制完成后，在进行第二阶段 的未再结晶区轧制之前存在约5 0 - , 2 0 0 c 温降【3 , 1 6 。因此在进行第二阶段的轧制前 需进行板坯待温，使板坯温度达到未再结晶区范围内后继续进行轧制过程。通常 中间坯的待温过程都通过在辊道上摆动进行空冷待温来完成中间坯的中间温降 过程【1 9 】。板坯在空气中的冷却过程是一个比较缓慢的温降过程，冷却速率较小， 因此完成整个待温过程需要较长的时间，这在一定程度上影响了产品的生产率。 采用控轧的轧机生产能力一般要降低2 6 。3 0 左右 1 8 , 2 6 】。 为了降低控制轧制对生产效率的影响，提高控制轧制生产效率，通过研究， 出现了多种方法来降低控制轧制过程时间，提高生产效率。 目前在生产中使用方法主要有安装旁侧辊道【1 9 1 ，或者进行多块板坯的交叉 轧制【2 7 】来提高轧机的机时产量，但此方法需要增长轧线的辊道长度，并且控制 1 1 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 也比较困难，特别是对于炉卷轧机，坯料较普通轧制的坯料偏长实现板坯在辊道 上的待温过程就更加困难。另外生产中还有通过降低板坯的再加热温度或通过协 调轧制、加热与终轧温度来降低轧制时间。但是生产数量较小时使用这些方法是 不经济的。在控制轧制过程中在进行终轧前要有一个空冷待温过程以保证终轧温 度，可以通过对此过程进行控制以达到与降低板坯在加热温度降低轧制时间的目 的【3 1 。另一种方法是在轧制过程中进行水冷，该方法在加拿大已经得到研究，并 且取得了理想的效果【2 引。在控制轧制待温过程中采用部分水冷的中间冷却技术 在控制轧制轧制中也逐渐得到应用，在缩短待温时间，提高轧制效率方面取得了 很好的应用效果【3 4 4 1 4 2 】。 1 3 1 国外中间冷却发展状况 中间冷却最初的实现是在双机架轧制中，在粗轧机后安装水冷装置，在完成 粗轧后进行水冷，然后进行空冷回复过程，均匀厚度方向温度分布，再进入精轧 机继续轧制的过程。中间冷却的思想是由a b r a m s 于2 0 世纪八十年代提出的【5 】。 为了提高生产率，减小控制轧制过程中的待温时间，在粗轧机和精轧机之间安装 喷水冷却系统来替代中间板坯的空冷温降过程。通过水冷过程加快中间待温