（材料加工工程专业论文）h型钢超快速冷却技术的研究.pdf

am a s t e r st 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 r e s e a r c ho fh b e a ms t e e la r e ru l t r af a s tc 0 0 1 i n g b yn is h u a i s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a ox i a n m i n g n 0 r t h e a s t e r nu n i v e r s i t v j u n e2 0 0 9 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 亡巴 恩 学位论文作者签名 日期 卅 7 6 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函 学位论文作者签名 签字日期 m 嘲 州趣卅 中 锄 东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 h 型钢作为一种环保型钢种 近年来得到了越来越广泛的应用 随着各行业对h 型钢性能的要求越来越高 经济生产具有高强度 良好的综合性能 性能均匀的h 型 钢 具有非常实际的应用前景 超快速冷却技术是近年来发展的一种具有较高冷却速率的冷却方法 主要应用于钢 材热加工工艺过程中的轧后快速冷却 可提高钢材综合力学性能 使用性能以及生产效 率 在热轧钢板及棒线材生产线上已经逐渐成为成熟技术 而h 型钢生产线目前还没 有形成成熟的冷却理论和冷却工艺技术 本文采用q 2 3 5 钢种的h 型钢以及q 2 3 5 q 3 4 5 和q 4 5 0 钢种不同压下量的钢板 进行超快速冷却技术的研究 在实验室条件下 进行实验和模拟h 型钢轧制和冷却过 程 通过不同工艺参数的冷却实验 对h 型钢冷却过程进行了研究 通过分析显微组 织 研究强化机理以及综合性能的比较 并采用a n s y s 有限元分析软件对冷却过程进 行模拟 本文的主要研究结果及结论如下 1 研究了冷却水压 水流量及冷却时间等条件对h 型钢超快速冷却的影响 通过 改变工艺参数 来实现短时间内降低h 型钢的表面温度 完成强化过程 调节总水压 控制在o 7 m p a 左右为最佳 在2 3 秒的时间内可使温降达到3 0 0 5 0 0 冷速可达 每秒1 5 0 以上 并且冷后各部分温度均匀 无变形 2 研究了冷却过程 分析h 型钢超快速冷却的强化机理 是由于钢在奥氏体温度 时 短时间内大幅度的降温 实现奥氏体在较大的过冷度的情况下 发生贝氏体转变 形成强度和硬度较大贝氏体晶粒 从而进行对钢的强化 经过超快速冷却后的h 型钢 组织晶粒细化 力学性能普遍提高 3 采用a n s y s 有限元分析软件 精确模拟了h 型钢断面不同冷却条件下的温度 变化情况 为使冷后断面温度均匀分布 对不同位置的换热系数进行优化分析 结果显 示 应对r 角内外侧均采用较大的换热系数 翼缘和腰部则相对较小 为h 型钢生产 提供了理论依据 关键词 h 型钢 超快速冷却 控冷装置 有限元 温度场 换热系数 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文目录 a b s t r a c t a sak i n do fe n v i r o m e n t a lp r o t e c t i a ls t e e l h b e a ms t e e li sa t t a c h e di m p o r t a n c ei n r e c e n ty e a r s b e c a u c eo fm o r ea n dm o r es t r i c td e m a i l d so nh b e a ms t e e li na l ls e c t o r s i th a v e ap r a c t i c a la p p l i c a t i o n p r o s p e c tt om a n u f a c t u r et h eh b e a mw h i c hi n c o 印o r a t ef a v o r a b l e i n t e g r a t e d u n i f o 姗m e c h a n i c a lp r o p e n i e so v e rt h e i rc r o s s s e c t i o na n d h i 曲s t r e n 啦 u 1 t r af a s tc o o l i n gt e c h n o l o g yi sah i g hc o o l i n gr a t em e m o d w h i c hd e v e l o p e di nr e c e m y e a r s i ti sm a i n l yu s e di nt h e 蛐a lp r o c e s s i n go fs t e e li nt h ep r o c e s so fr 印i dc o o l i n ga r e r r o l l i n g t oi m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v em e c h a j l i c a lp r o p e r t i e so fs t e e l m eu s eo fp e r f o m a n c e a n dp r o d u c t i v i t y i nt h eh o t r o l l e ds t e e lp l a t ea n dr o d sp r o d u c t i o nl i n eh a sg r a d u a l l yb e c o m ea m a t u r et e c h n 0 1 0 9 y w h i l ei nt h eh b e a mp r o d u c t i o n1 i n e t h e r ed i d n tf o mam a t u r ec o o l i n g t h e o 巧a n dt e c h n o l o g y t h i st h e s i st a k e sq 2 3 5h b e a ms t e e l a n dt h eq 2 3 5 q 3 4 5a n dq 4 5 0p l a t es t e e lo f d i f f e r e n tt h i c k n e s sa sr e s e a r c ho b je c t u s i n gf o ru l t r af a s tc o o l i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h i n l b o r a t o r yc o n d i t i o n s i t e x p e m e n ta n ds i m u l a t i n gt h er o u i n ga n dc o o l i n gp r o c e s so f h b e a m t h ec o o l i n gp r o c e s sw a se x p l o r e da c c o r d i n gt ou s i n gd i f 五e r e n tp a r l i n e t e r s t h e s t r e n 磬h e n i n gp r i n c i p l ew a ss t u d i e db ya n a l y s i st h em i c r o s t m c t u r ea n dt h ec o m p a r i s o n c o m p r e h e n s i v ep r o p e i r t i e s a n du s i n ga n s y sf e ma n a l y s i ss o 腑a r et os i m u l a t et h ec o o l i n g p r o c e s s t h em a i nw o r k sa n dr e s u l t si n v o l v e da r ea sf o l l o w s 1 c o o l i n gw a t e rp r e s s u r e w a t e rn o w a n dc o o l i n gt i m ew e r ec o n s i d e r e df o rt h ee 日 e c t o nh b e 锄u l t r af a s tc o o l i n g b yc h a l l g i n gt h ep r o c e s sp a r 锄e t e r s r e d u c i n gt h es u r f a c e t e m p e r a t u r eo fh b e 锄i nas h o r tt i m ec o u l db ea c h i e v e d a j l dc o m p l e t et h es t r e n 酉h e n i n g p r o c e s s t h et o t a lw a t e rp r e s s u r ec o n t r o l l e do na b o u t0 7 m p aa st h e b e s t i th a sa 3 0 0 5 0 0 t e n l p e r a t u r ed r o p p i n gi n2 3s e c o n d s t h ec o o l i n gr a t er e a c h e d1 5 0 p e r s e c o n d a n dt h ev a r i o u sp a i r c so fs t e e li st e m p e r a t u r eu n i f o m i t y n o n d e f o h n a t i o na r e r c o o h n g 2 b ys t u d y i n gt h ec 0 0 1 i n gp r o c e s s t h es t r e n g t h e n i n gp r i n c i p l eo ft h eh b e a ms t e e l u l t r af a s tc o o l i n gw a sa n a l y s e d b e c a u s et h es t e e lw h i c hi sa b o v et h ea u s t e n i t et e m p e r a t u r e h a v eaw i d e r a n g eo ft e n l p e r a t u r ed r o p p i n gi nas h o r tp e r i o do ft i m e a u s t e n i t ei nal a 唱e r d e g r e eo fs u p e r c 0 0 1 i n g o c c u h e db a i n i t et r a l l s f o n t l a t i o n f o n l l e dt h eh i 曲e rs t r e n g t ha n d h a r d n e s sb a i n i t eg r a i n s t h u st os t r e n g t h e no fs t e e l a r e ru l t r af a s tc o o l i n g t h eh b e a ms t e e l 东北大学硕士学位论文 目录 g r a i n sw e r er e n n b l e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a v eag e n e r a li n c r e a s e 3 t h et e m p e r a t u r ef i e l d so fh b e a ms e c t i o nd u r i n gd i f 免r e n tc o o l i n gc o n d i t i o n sw e r e a c c u r a t es i m u l a t e db yu s i n ga n s y sf e ms o r w a r e t og a i nu n i f o n ns e c t i o nt e m p e r a t u r e a r e rc 0 0 1 i n g h e a tt r a n s f e rc o e m c i e m sa td i f f e r e n tp a r t so ft h es e c t i o nw e r eo p t i m i z e d t h e r e s u l t so ft h eo p t i m i z a t i o ni n d i c a t e dt h a t t h eh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n to fi n n e ra n do u t e r r s e c t i o ns h o u l db el a r g e ra n dt h en a n g ea n dw e bs h o u l db es m a l l er t h et h e s i sp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ep r o d u c t i o no fh b e a ms t e e l k e yw o r d s h b e a m u l t r af a s tc 0 0 1 i n g c o o l i n gd e v i c e f e m t e m p e r a t u r ef i e l d h e a tt r a n s f e r c o e m c i e n t i v 东北大学硕士学位论文 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 引言 1 1 2h 型钢简介 1 1 2 1h 型钢的特点及优势 1 1 2 2h 型钢生产方式的发展趋势 2 1 2 3h 型钢的轧制方法 2 1 2 4h 型钢的国内外生产及应用现状 3 1 3 控制冷却技术及超快速冷却技术 一5 1 3 1 控制冷却技术及其应用 5 1 3 2 超快速冷却技术及其在板带轧制中的应用 7 1 3 3 棒材型钢轧后快速冷却技术开发 1 4 1 3 4h 型钢控制冷却技术的研究 1 6 1 4 本课题研究的意义和主要内容 1 7 1 4 1 本课题研究的意义 1 7 1 4 2 本课题研究的主要内容 1 7 第2 章实验条件及实验方法 1 9 2 1 莱钢大型h 型钢生产线简介 1 9 2 1 1 大型h 型钢生产线现状 1 9 2 1 2 生产线概述 19 2 1 3 主要设备情况 2 0 2 1 4h 型钢产品 一2 0 2 2 实验方法 2 1 2 2 1 实验设备 2 1 2 2 2 实验方案 2 2 2 3 本章小结 2 5 第3 章超快速冷却对h 型钢组织及力学性能的影响 2 6 3 1 控制冷却强化机理 2 6 3 2 超快速冷却对h 型钢组织的影响 2 7 3 2 1h 型钢的组织研究 一2 7 3 2 2q 2 3 5 钢种不同压下量的组织研究 2 9 3 2 30 3 4 5 钢种不同压下量的组织研究 31 3 2 40 4 5 0 钢种不同压下量的组织研究 3 3 3 3 超快速冷却对h 型钢力学性能的影响 3 6 3 3 1h 型钢的力学性能研究 一3 6 3 3 2q 2 3 5 q 3 4 5 和q 4 5 0 钢种不同压下量的力学性能研究 3 8 3 4 本章小结 4 1 第4 章h 型钢超快速冷却的温度场模拟 4 2 东北大学硕士学位论文 目录 4 1 温度场计算的基本原理 4 2 4 2 初始条件和边界条件 4 4 4 2 1 初始条件 4 4 4 2 2 边界条件 4 4 4 3 热物性参数的设置 4 6 4 4 换热系数的确定 4 6 4 5h 型钢超快速冷却过程的温度场模拟 4 7 4 6 本章小结 5 3 第5 章结论 5 5 参考文献 5 7 致谢 6 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 h 型钢是一种截面优化型钢 是截面最合理的钢梁 h 型钢也称宽平行边工字钢或 宽缘钢梁 它与普通的钢粱相比 其翼缘宽 壁薄 单重轻 节省金属 并且高度范围 大 规格多 使用灵活 翼缘内外侧表面基本平行 翼缘端为直角 便于组合铆焊连结 有优良的力学性能其断面模数 惯性矩及相应刚度等力学性能都优于同类工字钢 在不 同要求的金属结构中 不论是重量轻 施工快速 抗震性能好和节能降耗 还是承受弯 曲力矩 压力荷重 偏心荷重都显示出其独特的优点 因此 在高层建筑 工业厂房 火力发电 机械制造 起重机械 石油化工 海洋工程 桥梁闸坝和地铁工程等行业得 到广泛的应用 是一种多用途高效钢材 越来越被人们所重视 随着近年来我国社会经济建设的快速发展和国内钢结构市场的蓬勃兴起 特别是对 环境保护的法律法规逐步健全 国家正逐步将有关设计部门导向使用钢结构代替钢筋混 凝土结构 h 型钢作为一种经济断面型钢 以其独特的承载能力大 节约工时 可回收 再生等优点 在众多钢结构用钢中占据着重要地位 加之有关h 型钢设计应用技术的 规范普及 h 型钢的需求量正日益增加 市场前景十分广阔 1 2h 型钢简介 1 2 1h 型钢的特点及优势 h 型钢是一种新型的经济断面型钢 其产品具有许多特点及优越性 1 壁薄 腿宽 翼缘平行 翼缘端部为直角 断面高度与腿宽之比较小 断面形 状和尺寸合理 抗弯 扭 压等力学性能要优越得多 因此 使用h 型钢可节约大量 钢材 h 型钢作结构件用于建筑业可节约3 0 4 0 用于桥梁可节约钢材1 5 2 0 一般结构可节约钢材1 0 2 5 1 i 2 h 型钢翼缘较宽且内外表面相互平行 便于机械加工 结构连接和安装 不仅 节约钢材 而且大大缩短建设周期 3 在各种以h 型钢为结构的构筑物中 其重量大大减轻 对基础处理要求低 施 工简便快捷 4 采用h 型钢使施工方式发生根本性改变 干式 可避免钢筋混凝土湿式施工所 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 造成的污染 1 2 2h 型钢生产方式的发展趋势 经过了近一个世纪的发展 h 型钢的生产方式也发生了质的变化 2 j 最早的h 型钢 工艺布置均是采用跟踪可逆式布置 基本配置为一架开坯机 b d 一组由一架万能轧机 u 及一架轧边机 e 组成的万能粗轧机组 一架万能精轧机 u f 即b d u e u f 布置 这种布置轧制道次多 产量低 产品质量不高 缺少竞争力 上世纪7 0 年代 由于计算机自动控制技术的飞速发展 微张力控制技术的开发 h 型钢连轧生产方式在中小规格h 型钢生产线上得到应用 并且单线年产规模超过了 百万吨大关 但是 连轧具有投资大 生产品种规格范围有限及大型工器具准备量大的 缺点 限制了它的广泛应用 与此同时 一种投资省 生产品种规格范围较大的串列式 可逆轧机工艺布置也出现了 这就是在传统的万能粗轧机组中增加一架 万能轧机 在万 能精轧机组前增加 架轧边机 万能轧机区呈u e u e u f 布置 由于这时的万能粗轧机 组具有连轧功能 故产量提高幅度较大 上世纪8 0 年代 又出现了三机架 x h 紧凑型串列可逆轧制新工艺 它取消了万 能精轧机组 把第二架万能轧机配置成直腿的 h 形孔型 这种布置可缩短百米左右的 厂房和许多设备 节省了很多投资 现在又发展成把异型坯连铸 热送 均热保温 三 机架 x h 串列式可逆轧制 冷却精整到成品联成一体的 节能紧凑型短流程工艺生 产线 这是一种具有占地少 低投资 低生产成本 高效率和很强竞争 匀的工艺生产方 式 是h 型钢生产技术发展的一次飞跃 1 2 3h 型钢的轧制方法 在一般轨梁轧机上不能轧出翼缘内部无斜度 两翼缘平行的h 型钢 为了生产h 型钢 研制了四辊万能h 型钢轧机 万能轧机除被驱动的上下两根水平辊外 在水平 辊两侧设置被动的立辊 共用四个轧辊形成一个孑l 型 各个轧辊间隙通过运转操作可以 自由地调节 在这个轧辊间 将断面与h 型钢断面相近的坯料轧制若二干二道次 每通过 一道则使轧辊间距缩短一些 从而对坯料施加压下 即腰部在上下水平辊问 而腿部在 水平辊之侧面和立辊间 使其同时轧制成形 由于仅用这些加工没能对腿部前端施以压 下 这样就需在万能轧钢机后设置轧边机 以便对腿部前端施加压下并限制腿高 在轧 制的实际操作中 把这两座机架作为一组使轧件往复通过若干次 而每道次都施加一定 的压下 使坯料轧制成具有所规定形状和尺寸的产品 在腿部压下时 由于水平辊侧面 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 与轧件之间有滑动 轧辊的磨损比较大 即使重车轧辊也不能恢复轧辊的形状 解决此 问题措施是使上下水平辊的侧面以及与其相应的立辊表面呈3 0 8 的倾斜度 为了修 e 腿的角度而配置万能精轧机 其立辊表面是平的 但其水平辊侧面需要有若干倾斜 因 此在产品的内侧残存有倾斜 如图1 1 所示 图1 1h 型钢在万能轧机中的形态 f i g 1 1t h ed e f o n n i n gs t a t eo fh b e a mi nu n i v e r s a lm l s 1 2 4h 型钢的国内外生产及应用现状 h 型钢是在普通工字钢的基础上发展起来的 1 8 4 7 年法国人兹尔发明了工字钢 两年后 采用轧制方法生产了四种工字钢 由于其腿窄只能做钢梁使用 那时的h 型 钢只能焊接生产 1 8 5 0 1 8 6 0 年万能轧机在美国发明 为轧制平行腿的钢梁创造了条件 1 8 9 7 年格林等人在研究报告中指出 仅采用一架万能轧机是不能解决h 型钢腿部宽展 和腿尖加工问题的 必须有一架轧边机与万能轧机连轧才1 能解决问题 这一研究成果极 大地推动了轧制h 型钢的发展 1 9 世纪末期 国外开始建立大批量生产h 型钢的轧钢 厂 2 0 世纪5 0 年代以后 随着建筑业的迅猛发展 掀起了一段高速发展h 型钢的高潮 目前 在国外一些经济比较发达的国家 h 型钢己成为型钢产品的主要品种 占型材总 量的5 0 以上 约占钢材总量的5 据统计世界共有用于工业生产的h 型钢轧机7 0 多套 年生产能力约3 0 0 0 万吨 可轧最大尺寸为1 2 0 0 5 3 0 m m 国外h 型钢的生产己 由在复合型的型钢轧机上生产发展到在专用型的型钢轧机上生产 并且连铸技术 自动 控制技术和计算机管理技术也应用其中 从而极大地提高了产量 降低了成本 保证了 质量 减轻了劳动强度 图1 2 所示为h 型钢发展历程 3 4 j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 2 h 型钢的发展历程 f i g 1 2d e v e l o p m e n t a lc o u r s eo fh b e a m 由于h 型钢的高效经济和广泛用途 己成为消耗量较大的钢铁产品 在各钢铁工 业发达国家产销量几乎与螺纹钢 线材相当 如日本1 9 9 7 年热轧h 型钢的销量达7 5 0 万吨 1 9 9 8 年约6 0 0 万吨 占钢铁产品总量的7 8 在美国 欧洲各国以及其他发 达国家 h 型钢的消耗量一般均占钢铁产品总耗量的4 8 有时甚至更高 5 6 国内h 型钢生产起步较晚 对h 型钢的研究始于2 0 世纪8 0 年代初 1 9 8 6 年东北 重型机械学院完成了h 型钢轧机关键技术研究项目的研究工作 并通过部级鉴定 其 中热轧全波纹腹板h 型钢轧制技术荣获布鲁塞尔第3 5 届世界发明博览会尤里卡金质奖 7 o 但是 由于没有万能轧机 我国长期不能生产经济型断面的h 型钢 1 9 9 8 年前 国外己广泛使用的h 型钢在我国仍未得到推广 当时我国的型钢生产 全部使用横列 式三辊轧机 其装备水平和生产技术相当于2 0 世纪5 0 年代国际一般水平 落后于国际 先进水平5 0 年 1 9 9 8 年 马鞍山钢铁股份有限公司 以下简称马钢 和莱芜钢铁集团 以下简称莱 钢 h 型钢生产线陆续投产 结束了我国不能生产h 型钢的历史 近1 0 年 我国h 型 钢生产技术发展迅速 取得了引人瞩目的进步 已经建成了多条生产线 覆盖了大 中 小多个规格 其生产技术的变化主要表现在 1 采用万能轧机生产经济型断面h 型钢 开拓了我国h 型钢市场 f 2 从横列式轧机发展为连续式 半连续式或三机架可逆轧制 3 精整系统从过去的定尺冷却 定尺矫直发展到长尺冷却 长尺矫直精整新工艺 4 从机械化操作过渡到自动化或计算机控制 随着h 型钢生产技术的不断进步 我国h 型钢市场也在不断扩大 近年来 民用 建筑 工业厂房 管道设备支架 地基处理以及铁路车辆 海上石油平台等领域对h 型钢的需求量越来越大 在上海 北京 深圳等地的高层钢结构中 热轧h 型钢的用 量占总用钢量的4 0 8 0 8 1 国产轧制h 型钢在海洋石油平台 新型高速重载铁路火 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 车专用钢材等领域以及在中华世纪坛 厦门国际会展中心 澳门政府移交大典场馆 宝 钢一期炼钢厂房等一批有影响的重点工程中得到了广泛的应用 2 0 世纪9 0 年代初中期 热轧h 型钢在我国的年消费量只有2 万吨左右 到1 9 9 8 年也才3 万吨左右 而2 0 0 4 年却高达2 4 0 万吨 2 0 0 5 年达到2 8 0 万吨左右 其消耗量 的快速增长是各类钢材中所少见的 1 3 控制冷却技术及超快速冷却技术 1 3 1 控制冷却技术及其应用 在控制冷却技术出现以前 人们曾通过运用控制热轧条件 加热温度以及各轧制道 次的轧制温度 压下量 为主的控制轧制技术 并结合合金元素成分设计来生产强度和 低温韧性均较高的板带材产品 如n b v 系高强度管线钢用厚板的开发生产 后来 这 些技术已难以满足具有更高性能要求的钢铁产品的生产需要 随后 人们将提高钢板性 能的研究开始转向控轧后再水冷 以获得控制冷却的效果 并最终确认了通过控制冷却 可在不破坏钢板韧性的情况下提高其强度 而且在同一强度下 可实现低合金化高强度 钢的生产技术 9 j 19 8 0 年 日本n k k 福山制铁所首次为厚板生产线配置并使用了0 l a c o n l i n e a c c e l e r a t e dc o o l i n g 系统 此后基于厚板性能及钢种开发的需要 重点发展了厚板的在 线快速冷却技术 并相继开发出一系列快速冷却装置 投入厚板的开发生产及应用中 控制冷却设备的普遍应用有力地推动了高强度板带材的开发 加快了提高材质性能方面 的技术进步 控制冷却是在奥氏体相变温度区间进行冷却工艺制度控制 使相变组织比 单纯控制轧制更加细微化 l0 促使钢材获得更高的强度 同时又不降低其韧性 后来 人们将结合控制轧制和控制冷却的技术称为控轧控冷技术t m c p t h e n i l o m e c h a i l i c a l c o n t r 0 1 1 e dp r o c e s s i n g 作为控轧控冷技术的重要组成部分 快速冷却技术发展到现在 其实质是通过控 制轧件的轧制温度 轧后冷却速度 轧件开冷温度和终冷温度来控制钢材的高温奥氏体 组织形态及其演变过程 最终控制钢材的组织类型 形态及分布 以达到提高钢材组织 和力学性能的目的 9 1 1 12 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 1 儿种冷却方式的特点 t a b l e1 1c h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n tc o o l i n gm e t h o d s 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 控轧控冷钢材具有的良好强韧性能和焊接性能 大大地促进了t m c p 技术的推广 及应用 在高性能板带材的开发过程中发挥了巨大的作用 最为典型的应用实例是8 0 年代日本钢铁公司5 0 0 m p a 级船用厚钢板的实际开发生产 现在 t m c p 技术已在船用 厚钢板 海洋结构钢 耐寒管线钢 中高碳钢以及不锈钢等高强度板带钢的开发生产方 面得到了广泛应用 控制冷却设备自六十年代发展到现在 已有压力喷射冷却 层流冷却 喷淋冷却 板湍流冷却 水幕冷却以及水一气喷雾冷却等多种类型 1 3 19 1 各种冷却方式都有其各 自的优点和缺点 具体参见表1 1 所示 2 0 国内于2 0 世纪7 0 年代开展了控轧控冷的研究工作 用于x 6 0 和x 6 5 级管线钢的 研制生产 并于1 9 8 5 年在鞍钢半连轧厂建成国内第一套水幕冷却装置 9 0 年代 重钢 五厂的中厚板生产线上采用了可控水幕冷却装置 武钢1 7 0 0 m m 生产线 从日本引进 以及宝钢2 0 5 0 m m 从德国引进 1 5 8 0 m m 从日本引进 等板带轧制生产线上都采用了 u 型管层流设备 随着国内对控制冷却技术认识的不断深入 在冷却设备 冷却方式等控制冷却技术 方面取得了很大进展 近年来 国内新上的板带材生产线如鞍钢2 5 0 0 m m 首钢中板厂 等 图1 3 国内开发的板带材控制冷却设备 a 热带钢轧后u 型直集管层流冷却设备 b 中厚极轧后高密度直集管层流冷却设备 f i g 1 3c o o l i n ge q u i p m e n to fb o a r ds t r i pd e v e l o p e dd o m e s t i c 1 3 2 超快速冷却技术及其在板带轧制中的应用 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 窄带钢热轧机 2 1 1 由加速冷却带来的带钢晶粒细化和组织强化的效果 使人们深刻认识到 水是最廉 价的合金元素 并开始把注意力集中到轧后的加速冷却工艺上 但直到上世纪8 0 年代 第一套中厚板在线加速冷却装置o l a c 在j f e 原日本钢管福山厚板厂 投入工业化运 黪羧 攀i 懿缫黼攀蠛 辫纛 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 行后 冷却技术才 获得了长足的发展 主要表现在工艺技术 各种冷却装置和冷却工艺 等 的进步和控制技术 控制策略 控制模型 的发展 按照换热区域来分类 控制冷却技术可以分为单相强制对流换热形式的冷却技术 膜沸腾换热形式的冷却技术 2 2 和核沸腾换热形式的冷却技术 1 3 2 1 单相强制对流换热形式的冷却技术 无论是管层冷还是水幕冷却 其击破汽膜的范围都是很有限的 仅限于在连续水流 正下方的局部区域内 离开这个区域 在钢板和冷却水之间的界面上仍然有大面积的汽 膜存在 如何大面积的击破汽膜 是提高冷却效率的一个关键问题 2 川 为了进一步提高冷却效率 比利时c r m 研究设计了一种新型的冷却装置u f c 其 要点是 减小每个出水口的孔径 加密出水口 增加水的压力 保证小流量的水流也能 有足够的能量和冲击力 能够大面积地击破汽膜 保证有更多的新水与钢板表面直接接 触 提高换热效率 实现短时间内大幅度降温 世界上第一套超快冷却实验设备是由h o o g o v e n s u g b 厂开发的 2 4 2 5 j 它是在1 4 米的冷却区上安装了三组集管 水流量1 0 0 0 m 3 1 1 对于1 5 m m 带钢冷却速度大致为9 0 0 s 在6 5 0 以上 水流密度为6 0 7 0l m 2 s 时冷却能力为4 5m w m 2 并且在长度 和宽度方向上冷却均匀 板形也没有因为强冷而受到影响 由于冷却区 太短 温降只能 达到1 5 0 2 0 0 难于获得实际的金属学效果 因此又开发了七组集管的原型冷却线 它的主要特征是 输出辊道长5 m 冷却区长3 m 冷却宽度1 6 m 最大水流量2 3 0 0 m 3 h 最大水压0 3 5 m p a 下集管安装在辊道辊之问 上集管距辊道线6 0 0 m m 对于厚度为 1 5 m m 和4 0 m m 的带钢 当水流密度为6 0 7 0 l m 2 s 时 冷却速度可以分别达到1 0 0 0 s 和3 8 0 s 温降能达到6 0 0 对于厚度为2 0 m m 的c m n 钢和钒钢 相对于常 规冷却可以提高抗拉强度和屈服强度1 0 0 m p a 以上 目前国外开发的超快冷却系统 由高位水箱 集管组 挡辊 侧喷 端喷 卷取机 前的气墙和冷却辊道 一般冷却区很短5 1 0 m 左右 大约为层冷区的1 1 0 这几部分组 成 图1 4 为c a l 锄热带钢轧机的u f c 系统示意图 该装置的特点是 1 压力为o 3 1 o m p a 的供水系统 2 由5 1 0 个喷水枕组成的喷水枕组 每个喷水枕上布满密集的出水口 3 u f c 装置入口和出口处设有挡水辊 以把冷却水隔挡在指定的区域内 4 为有效击破汽膜 出水口距轧件较近 一般为5 0 0 6 0 0 m m 5 为防止轧件翘头撞坏喷水枕 在u f c 的入口设有保护装置 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 幽1 4c a l a m 热带钢轧机的u f c 系统 f i g 1 4u f cs y s t e mo f h o tr o l l i n gm i l li nc a l a m 轧制过程中需要精确控制温度的点主要有精轧入口温度 终轧温度 卷取温度以及 双相钢第二相析出冷却开始温度 因此u f c 系统应用范围也比较广 可以应用于中间 坯冷却 机架问冷却和轧后冷却 一般与层流冷却配合使用 2 6 1 表1 2 所示为国际上 u f c 系统的典型应用厂家以及应用区域 表1 2u f c 的典型应用 r a b l e1 2t y p i c a la p p l i c a t i o n so fu f c 由于冷却区短 冷却能力大 所以要求超快冷却系统的控制非常精确 在冷却过程 中 如果散热能力不足 会导致冷却过后还有部分奥氏体转化为铁素体 在基体中就存 在部分晶粒尺寸较大的铁素体 如果散热能力过大 会出现部分奥氏体向贝氏体转变 尽管贝氏体的屈服强度高于铁素体 但材料的塑性会降低 另外也很有必要研究在超快 冷却条件下冷却的均一性和带钢的板形问题以及冷却对产品的表面和力学性能的影响 关系 2 8 同时也要建立新的冷却数学模型特别是对流换热系数模型 2 9 3 1 1 1 3 2 2 膜沸腾换热形式的冷却技术 a d c o a d j u s t a b l ec o o l i n gt e c l l n o l o g y 水一气喷雾加速冷却技术 3 2 3 4 j 是2 0 世纪8 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 年代法国b e r t i n 公司开发研制的专利技术 在奥钢联 v a i 公司广泛应用 一般的冷 却方式都力图使水穿透因汽化而形成的水膜 使水直接与热钢板接触或使热钢板浸泡在 冷却水中 带走热量 提高冷却效果 而a d c o 技术则是充分利用气流把水分散成液 滴 并带到整个钢板表面形成气流膜层 利用不断更新的气流膜层使钢板均匀冷却 水一气喷雾冷却系统是以模块式结构设计的 一般由4 7 个组件组成 每个组件包 括4 5 个喷嘴 上 下对称 其喷嘴是由连续的线性狭缝组成 中间的一条用于喷水 两侧的用于喷射空气 喷嘴喷出恒定的低压水和空气 空气将水雾化为许多小液滴 将 它们均匀地喷射到带钢表面上 避免局部最大水流的产生 水流量在很大范围内调节 喷水的狭缝有足够宽 6 m m 可避免出现阻塞问题 每个组件还配有气水分离器和蒸汽 收集装置 同时在边部设有遮蔽系统 下部喷雾器的工作原理与上部喷雾器相同 图 1 5 是a d c o 水一汽喷雾冷却装置示意图 情况 蠡 图1 5 水一汽喷雾加速冷却装置 f i g 1 5d e v i c eo fa d j u s t a b l ec 0 0 1 i n g 表1 3 给出了a d c o 技术在国际上的应用 图1 6 恒冷却通量和恒冷却水量控制比较 f i g 1 6c o m p a r i s o no fc o n s t a n tc o o l i n gf l u xa n d c o n s t a n tc o o l i n gw a t e rc o n t r o l 一般加速冷却工艺在采用恒水流量冷却时 最大的冷却通量是膜沸腾冷却区的 2 2 5 倍 冷却温度一旦低于过渡点温度而使冷却进入过渡区 冷却通量急剧增加 冷 却控制非常困难 a d c o 系统是通过采用水量调节来保证恒冷却通量 如图1 6 所示 在给定开冷温度和终冷温度后 恒冷却通量控制策略比恒水流量冷却控制策略具有 以下优点 1 冷却初期即可获得较高的冷却速率 2 冷却结束前可控制较低的冷却速率 减少核沸腾向膜沸腾的过渡 从而有利于 终冷温度和冷却速率的控制 3 钢板冷却处理后心部与表面温差较小 1 3 2 3 核沸腾换热形式的冷却技术 在核沸腾换热情形下 冷却水和钢板直接接触 热量通过不断生成的气泡带走 相 反在膜沸腾情形下 热量通过带钢和冷却水之间形成的汽膜带走 因此核沸腾具有较高 的冷却能力 传统冷却方法比如喷射冷却 层流冷却 一旦提高冷却水流密度 冷却过 程就迅速地转向瞬态过程 冷却变得不稳定 结果导致板带冷却不均匀 日本j f e 公司最近开发的s u p e 卜o l a c 冷却技术 3 5 3 6 能够在整个板带冷却过程中实 现核沸腾换热冷却 冷却水从离轧制线很低的集管顺着轧制方向流出 在板带表面形成 水廊冷却 而带钢下表面通过密布的集管喷射冷却 图1 7 反映了s u p e r o l a c 冷 却技术能够实现的冷却换热能力 图1 7s u p e r o l a c 冷却速度和换热热流密度 f i g 1 7t h ec o o l i n gr a t ea n dc o n v e c t i o no fs u p e r o l a c s u p e r o l a c 冷却技术具有很高的冷却速度 接近水冷理论极限 实现了上下表面 对称冷却和均匀冷却 温度偏差接近空冷 通过冷却区分区大幅度提高了带钢头尾部温 度精度 37 1 目前主要应用在热轧厚板的轧后冷却过程中 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 2 4 复合冷却技术 复合冷却技术是在热输出辊道上布置多套不同的冷却设备 充分发挥每一种冷却技 术的特点 实现不同的冷却效果 满足产品最终微观组织和力学性能的要求 下面是目 前出现的几种典型的组合冷却装置 1 m u l p i c m u l t i p u 印o s ei n t e m l p t e dc o o l i n g 冷却装置 d i l l i n g e n 厚板厂和浦项光阳厚板厂就采用m u l p i c 装置 通过复合高压和低压a c c 来实现 a c c a c c e l e r a t e dc o o l i n g d q d i r e c tq u e n c h i n g q s t q u e n c l l i n g s e l f t e m p e r i n g 等多种冷却方式 如图1 8 所示 图1 8m u l p i c 轧后冷却系统布置 f i g 1 8a r r a n g e m e n t0 fc o o l i n gs y s t e ma r e rr o l l i n go fm u l p i c 2 普通层流冷却 加强型层流冷却 3 8 加强型层流冷却i l c i n t e n s i v el 锄i n a rc o o l i n g 与普通层流冷却l c l a m i n a rc o o l i n g 的主要区别是 同样长度的情况下 其下部冷却水量增大 水量约为l c 的1 2 倍 上 部冷却水集管加密 水量约为l c 的2 倍 冷却强度达1 7 0 m 3 m 2 h 以冷却段长度为 1 7 m 水量为6 9 1 0 m 3 1 1 带钢厚度3 m m 带钢速度9 5 州s 为例 带钢冷却速率可达 2 0 0 s 图1 9 对比显示了普通层流冷却和加强型层流冷却的设备布置 左图为i l c 右图为l c 图1 9 普通层流冷却和加强型层流冷却的设备布置 f i g 1 9t h ea h a n g e m e n to fi n t e n s i v e1 a m i n a rc o o l i n ga n dl a m i n a rc o o l i n ge q u i p m e n t 1 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 3 普通层流冷却 超快速冷却 超快速冷却u f c u l t r af a s tc o o l i n g 系统在输出辊道上的布置方式有两种 即u f c 布置在l c 前面和u f c 布置在l c 后面 如图1 1 0 所示 u f c 布置在精轧机和层冷之 问将使轧后带钢迅速冷却 抑制晶粒长大 快速进入铁素体区 可用于开发双相钢 t r j p 等钢种 当u f c 布置在卷取机和层冷之间 用于控制铁素体 贝氏体转变量 当铁素 体 贝氏体达到所要求的百分比后 立即快速冷却 得到马氏体组织 最 a n d 葬7 譬酗董f 嘲f 7 一 p 譬肇 嚣 牛r t c 1 i a 删 rc 娃嘲 再i 二丢 二茹 母r 痹州n e 秘辟羁9 一 l 酣n i l 牺rc c 嘲嘲嘧 毪竺竺竺竺竺竺 产 剞 悄 常 审h 紫卅 w t a删州 u k 争r 利自奢帅c 曝憾r 图1 1 0 层流冷却与超快速冷却的组合 f i g 1 10c o m b i n a t i o no 儿a m i n a rc o o l i n ga n du l t r af a s tc 0 0 1 i n g 上述三种新型轧后冷却系统都是复合两种冷却能力不同的水冷装置对轧后带钢进 行冷却控制 经过近5 0 年的发展 控制冷却方式概括起来有高压喷嘴冷却 管层流冷却 水幕 冷却 压力喷射冷却 雾化冷却 喷淋冷