钢材控制冷却技术理论与生产实践的认识

1、钢材控制冷却技术理论与生产实践的认识李团菊辽宁科技大学 材料成型及控制工程12级 摘要控制冷却是提高中厚板产品性能和附加值的重要手段。它能简化生产工艺并提高生产效率，节约能源及昂贵合金元素，并有很大的经济效益。本文以某新建中厚板厂控制冷却系统为课题背景，针对控制冷却系统的难点，进行了一系列的研究与开发。对热连轧带钢生产线上超快速冷却技术的发展过程!冷却原理!设备组成!布置形式!应用实例做系统介绍"。轧钢的连续化生产和控轧控冷技术、氧气转炉炼钢和精炼、连续铸钢并列为20世纪推动钢铁工业技术进步的三大技术，三大技术彻底改变了传统的钢铁生产工艺流程，为21世纪的紧凑式生产工艺流程奠定了基础

2、。关键词控制冷却；中厚板；温度模拟；过程控制系统；热轧带钢；超快速冷却 UFC；层流冷却Abstract ： Accelerated Controlled Cooling is an important way to improve plate performance and additional value. It can simplify process and improve production efficiency, save energy and expensive alloying elements, which has great economic benefits. This

3、 paper is based on controlled cooling system of a new plate mill in China. To solve the difficulties of controlled cooling system, we have a series of studies and developments.Rolling of continuous production and controlled rolling technology of controlled cooling,oxygen converter steelmaking and re

4、fining,continuous casting and listed as the 20th century to promote technology progress of three major iron and steel industry technology,the three major technology completely changed the traditional production process of the steel,compact type of production process in the 21st century laid a founda

5、tion.Keywords：Accelerated Controlled Cooling；Medium plate；Temperature simulation；Process Control System； strip tandem hot mill；ultra fast cooling（UFC）；laminarCooling.1 文献综述1.1  课题来源及研究意义  控制轧制和控制冷却工艺(Controlled Rolling and Cooling,CRC)是现代钢铁工业最大的技术成就之一。对于一些钢材，控轧控冷后不必实施常规轧制的轧后热处理工艺，从而简化

6、了生产工艺，提高了生产效率，并且可以节约能源，省去昂贵的合金元素，具有很大的社会效益和经济效益。随着用户对中厚板质量和性能的要求越来越高，控制轧制和控制冷却新工艺逐渐应用于中厚板生产领域。控制冷却是中厚板生产中提高产品质量、开发高附加值产品的最重要的手段。但是我国有些钢厂的控制冷却装置使用效果并不理想，有的甚至基本不用，成为一种摆设。不少厂家采用的是简易喷淋冷却装置及用控温轧制来替代控制轧制。而控轧控冷技术在日本应用率达 70%以上。国内许多中厚板厂只是引进国外的控轧控冷设备，对国外工艺技术消化不彻底，没有充分发挥出控轧控冷技术的潜力。近几年，各中厚板厂在残酷的市场竞争中充分认识到控制冷却的优

7、越性，相继安装了控制冷却设备，同时积极开发冷却控制系统。1.2  控制冷却技术  热机械控制工艺(The r mo mechanical Controlled Process,TMCP)是控制轧制 (Controlled Rolling,CR)和控制冷却 (Accelerated Controlled Cooling, ACC)技术的综合，即通过合理的控制热轧中的温度制度，变形制度，冷却制度等工艺措施，以获得细小的晶粒组织，从而达到提高钢材强度、韧性和焊接性性能等综合力学性能的目的。由于受轧制温度和变形量的影响，变形诱发相变，促使变形奥氏体向铁素体转变温度 Ar3提高，相变

8、后铁素体晶粒容易长大，造成力学性能降低，因此控制轧制后必须配合控制冷却。控制冷却的实质是控制轧后钢材的冷却速度以达到改善钢材组织和性能的目的。由于目前我国控制轧制通常是采用再结晶轧制+未再结晶轧制的方式，所以控制冷却工艺通常是从高于相变温度 Ar3且尽量接近终轧温度时开始加速冷却，在相变温度区域(760780至 600500)以 315/S 的冷速冷却，之后进行空冷，以最终控制钢板奥氏体组织状态，相变条件，碳化物析出行为，及相变后钢的组织性能。从以上内容可知，控制冷却就是控制轧制后的 3 个不同冷却阶段的工艺条件和参数。这 3 个冷却阶段分别称为一次冷却、二次冷却、三次冷却(空冷)。3 个冷却

9、阶段的目的和要求各不相同。  一次冷却：一次冷却指轧制结束到开始发生相变温度范围内的冷却过程。其目的是控制热变形后的奥氏体状态，阻止奥氏体晶粒长大或碳化物析出，固定由于变形而引起的位错，加大过冷度以降低相变温度，为相变做好组织上的准备。相变前的组织状态直接影响相变机制和相变产物的形态和性能。一次冷却的开始快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：二次冷却是指相变过程中的冷却过程。钢板经过一次冷却后，立即进入由奥氏体向铁素体或碳化物析出的相变阶段，在相变过程中控制相变冷却开始温度，冷却速度和终冷温度，通过控制以上参数，就相当于控制整个相变

10、过程。上述参数的不同会得到不同的相变产物，不同的钢材性能。  三次冷却：三次冷却是相变结束后冷却到室温的过程，通常为空冷。对于大部分钢材，相变完成后金相组织已定型，此时采用空冷进行缓慢冷却，可以减少带钢的内应力，使钢板冷却均匀，保证板形。另外，固溶在铁素体中的过饱和碳化物在空冷中不断弥散析出，使其沉淀强化。影响控制冷却工艺的主要参数有开冷温度，终冷温度，冷却速度。   开冷温度  开冷温度的大小直接与终轧温度有关，即它一定程度上决定了终轧后的组织。研究表明，对再结晶奥氏体进行控制冷却时，铁素体细化效果不够明显。对未再结晶奥氏体进行控制冷却，则能在奥氏体晶

11、界和变形带上生成铁素体核，使得铁素体大量的细化。同时促使变形奥氏体转变成分散的贝氏体。开冷温度应高于钢的奥氏体开始转变温度，并尽量接近终轧温度，以防止奥氏体的再结晶和奥氏体长大，防止产生比较粗大的先共析铁素体，降低产品性能。   冷却速度  冷却速度对抗拉强度和脆性转化温度有明显影响。冷却速度增加抗拉强度提高，当冷却速度大于 15/s 时，脆性转化温度提高，韧性恶化。对于 SiMn 钢、含 Nb、V 低合金钢来说，最佳的冷却速度范围为 1015/s，所得到的分散贝氏体不会恶化脆性转化温度，而能提高强度。高的冷却速度会扩大钢板表面和芯部的冷却速度差、终冷温度差，造成

12、表面和芯部的组织结构类型、比例的差别，硬度的差别。冷却速度选择必须考虑这两方面因素。因此，实际选用的冷却速度随板厚的增大而减少 终冷温度 终冷温度应低于材料的相变终了温度。通常控制在 500以上。在此温度前后冷却机理发生变化，容易造成温度的不均匀分布，助长板形不良。其次，随着终冷温度降低，其对矫直机的能力要求更高。总之，典型的控制冷却工艺应是在控制轧制后从高于相变温度开始，在相变温度区域(760780至 600500)以 315/s 的冷速冷却之后进行空冷的过程。最终获得较高强度、良好焊接性和优良韧性的钢板。 2 提高热轧钢筋强度的控制冷却工艺 目前钢筋生产企业提高钢筋强度主要采用微

13、合金化、超细晶粒#余热处理三种工艺手段%热轧钢筋终轧后尚处于高温状态，须配合合适的冷却制度，才能得到具有优良组织性能的钢筋，因此轧后控制冷却工艺在生产热轧高强钢筋中起着至关重要的作用。2.1微合金化钢筋的控制冷却工艺 通过微合金化提高钢筋强度是指在钢中添加微量钒、铌、钛等合金化元素,利用这些元素的碳!氮"化物在钢中的沉淀析出，达到细晶强化和沉淀析出强化的目的,对于含钒微合金化钢筋，通常会添加一定比例的氮元素,利用V（C,N)在钢中的析出以及固溶钒的存在达到细晶强化#沉淀强化和固溶强化的效果。轧后控制冷却主要通过抑制轧后晶粒长大、增大碳氮化物弥散程度#细化铁素体晶粒尺寸和珠光体片层间距

14、等途径来提高钢筋性能,终轧温度主要从加热能源消耗、轧机能力、轧后组织方面加以综合考虑，冷却速度与终冷温度则以最大程度保存轧制畸变能和不出现马氏体组织为原则。以某钢厂用20MnSiV生HRB400E钢筋为例，其控冷前温度不低900°经过控制冷却和回复钢筋表面温度在700°左右，以此控冷工艺生产出合格的HRB400E钢筋。 对于含铌微合金化钢筋"控制冷却工艺一般基于以下两方面考虑"一方面"因为在钢筋轧制过程中因碳氮化物析出而产生的细晶强化作用会由于较高的轧制温度而大大减弱"所以需要通过轧后控制冷却使钢筋快速冷却从而充分发挥相变铁素体中碳氮

15、化物的析出强化作用!另一方面"由于固溶于奥氏体中的Nb可以降低铁素体相变开始温度Ar3提高铁素体相变结束温度"即降低铁素体转变速率"提高了贝氏体转变温度"大量贝氏体的存在恶化了钢筋的性能"通过轧后快速冷却"可以保留细小的奥氏体晶粒及较高的位错密度"提高铁素体相变开始温度"提高铁素体转变速率"从而减少贝氏体组织的生成"改善钢筋的组 织性能。2.2超细晶粒钢筋的控制冷却工艺 超细晶粒钢筋不需要添加或少添加合金元素"通过控轧控冷工艺方法"主要利用形变诱导相变原理获得超细晶粒组织&q

16、uot;从而达到提高钢筋强度的目的。生产超细晶粒热轧钢筋要求在轧制过程中诱导形变奥氏体发生铁素体相变"并且利用铁素体的动态再结晶获得超细晶组织!在精轧后的冷却过程中超细晶粒组织很容易因高温而发生长大"从而影响到最终钢筋的性能"所以精轧后须配以较大的冷却速度"以使超细晶粒组织得以保留。我国某钢厂不添加Nb、V、Ti等微合金元素通过适当增加Si、Mn含量"精轧入口温度控制在900°-950°通过调整冷却系统水流量压力温度和段数等参数"使上冷床温度控制在 820°-860°之间"生产出合格的

17、HRB400钢筋。3 超快速冷却UFC3.1 超快速冷却 （UFC） 技术的发展 为了满足控制冷却的需求，荷兰厂开发出世界上第1套超快速冷却实验设备，该设备冷却区段总长1.4米，由 5 组集管组成，冷却水量1000m2/h冷却效率高!效果好，水流密度 :60-70l/m2·s时，厚带钢冷却速度可达900°C/s. 20世纪80年代，为满足钢种开发需求，日本在工业化大生产过程中提出了OLAC控冷方式，且日本JFE公司最先将该技术成功应用于厚板生产.20世纪90年代初期.比利时CRM研究所开发出超快速冷却装置，在 CRM 中厚板厂应用成功"水流密度 :60-70l/m

18、2·s时，6.3mm厚带钢冷却速度可达250-500°C/s。此后在世界范围内掀起超快速冷却技术的研发热潮。至20世纪90年代中期，日本JFE公司在新产品带钢对轧后冷却速度要求越来越快的形势下开发出超级加速冷却super-OLAC技术并成功应用于热带钢生产，3mm 厚带钢冷却速度可达700°C/s。 3.2 UFC的原理 在热轧带钢生产线中广泛使用的层流冷却装置，是冷却水在高位水箱产生的压力作用下自然流出，使低压力的水从集水管中通过鹅颈管的作用形成一种无旋和无脉动的流股，这种层流态的水在一定压力下冲击到带钢表面上，在冲击区钢板表面不形成汽膜，水会平稳地向四周流去，

19、从而扩大了冷却水同板材的有效接触，提高冷却效率问题在于层流冷却水击破带钢表面汽膜的能力有限，除水流正下方区域外，在带钢和冷却水膜之间仍存在大面积汽膜，严重影响带钢冷却效果"对此可以采用以下方法： 1提高冷却水系统压力 2增大喷嘴分布密度，使冷却水与带钢的接触面积尽可能加大 3 增加水量比利时CRM研究所设计的新型快速冷却装置使冷却效率进一步提高，其主要特点是：喷嘴孔径小，排列密集，冷却水系统压力大，在带钢表面单位面积内可增大击破汽膜面积，实现超快速冷却以日本 JFE公司开发的super-OLAC为代表的超快速冷却技术，与传统快速冷却形式相比较，避开了过渡沸腾和膜沸腾，可以通过调整冷却

20、系统喷嘴喷射角度!喷水方式!喷嘴与带钢的距离等实现全面核沸腾，大大提高冷却能力。超快速冷却可以将在高温奥氏体区获得的硬化态奥氏体保持到不同的动态相变点温度而获得不同的相变组织和性能。4发展情况从20世纪60年代起人们就开始了对控制冷却的研究，并取得了一定的成果。20世纪70年代后期控制冷却工艺产生。控制冷却工艺出现后，在全世界得以迅速推广。到目前为止，经过近50年的理论研究与设备开发，特别是对中厚板的控制冷却，在理论上已较为深入，在设备上已较为完善。在线控冷工艺已成为中厚板生产的主导工艺，为中厚钢板生产带来了很大的经济效益。中国在近10多年来除引进国外技术和设备外，国内自行开发研制成功的中厚板

21、控冷技术也得以推广和使用。并且，随着国内中厚板控冷技术的研制成功和推广使用，使得从国外引进技术和设备的价格大幅度降低。20世纪80年代中后期，我国冶金科技工作者对控轧控冷的研究主要为国内外情况的收集、整理与理论上的探讨。北京科技大学王有铭教授等于1993年对钢材的控制轧制和控制冷却进行了理论总结。但是当时还很少有具体设备的开发研制，所开发研制的仅有的几套设备，有的一试车就告失败，有的投产后不太好使用。直到1999年，北京科技大学李谋渭教授带领控冷科研课题组与鞍钢等单位合作，为鞍钢厚板厂4300单机架四辊可逆式厚板轧机开发研制的轧后控冷设备一次试车成功。这是我国自行开发研制的第一套最成功的并且是

22、最接近当时的国际先进水平的中厚板轧后加速快冷控冷设备。此后，李谋渭教授科研课题组又相继为太钢五轧厂2300双机架不锈钢中板轧机、舞钢4200厚板轧机、武钢轧板厂2800中板轧机、新钢中板厂2500和3800中板轧机、重钢中板厂2600中板轧机、邯钢中板厂3500中板轧机、临汾钢铁公司中板厂3000中板轧机、三明钢铁公司中板厂3000中板轧机、东北特钢模具钢预硬化生产线等开发研制了各种性能的控冷设备。国产钢板轧后控冷设备的特色：高密度管层流冷却，可大幅度提高和控制钢板的性能；具备强、弱冷系统及淬火和调质两种功能；能很好地满足变化着的冷却工艺；对钢板冷却各向均匀，不易发生钢板局部过冷；使用水压、水量相对小，对水质要求低；对冷却能力的调控灵活方便；设备的制造和维护维修简单，造价低，设备投资约为进口设备的1/5。例如，舞钢4200厚板轧机的国产控冷设备具有对厚度范围为12250 mm的钢板轧后控冷能力，并具有对厚度为60 mm以下的钢板进行直接淬火的功能。设备投产后解决了我国当时亟需的“西气东输”管线钢的在线控冷问题，其中X70钢填补了我国宽厚钢板生产的空白。