热轧双相钢控轧控冷技术的应用与发展

热轧双相钢控轧控冷技术的应用与发展

控制夹紧和冷却技术是现代钢铁工业最重要的技术成就之一。所谓控制轧制和控制冷却技术,就是在钢材化学成分一定的情况下,通过对轧制温度、压下量和轧后冷却过程参数的控制,细化钢材显微组织,提高钢材的性能,获得具有良好综合性能的钢铁材料。由于加速冷却具有晶粒细化和组织强化的作用,使人们已经充分认识到水是最廉价的合金元素。对于一些钢材,控轧控冷后不必实施常规轧制时的轧后再加热热处理工艺,从而简化了生产工艺,提高了生产效率,并且可以节约能源和昂贵的合金元素,具有很大的社会效益和经济效益。1正在开发和应用冷却技术的发展和现状1.1日本控轧控冷装置自60年代第1套层流冷却系统应用于英国布林斯奥思公司432mm窄带钢热轧机以来,目前几乎每套热带钢轧机输出辊道上都安装了冷却系统,但直到80年代以前,其应用只限于厚度小于16mm的板带。1980年,日本钢管公司福山厚板厂首次研制成功第1套中厚板加速冷却装置,即在线快速冷却设备,并在日本福山厚板厂投产。这标志着控制冷却已从实验室研究阶段进入了生产实际应用阶段。随后,有关热轧双相钢控制轧制和控制冷却的基本理论研究,在日本开展得非常迅速。目前,世界上许多国家,如日本、意大利、美国、法国、英国、德国、加拿大和前苏联等都利用控轧控冷工艺生产高寒地区输油、输气管道用钢板、低碳铌合金的低合金、高强度、高韧性钢板以及造船板、桥梁板和压力容器板等。表1为日本及欧洲典型的板材加速冷却设备。1.2控轧控冷技术随着欧洲和日本于80年代研制应用水幕的热潮,我国也紧步其后。1985年,在鞍山钢铁集团有限公司(简称鞍钢)半连轧厂建成了国内第1套水幕冷却装置。但由于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1995年的改造过程中将水幕装置改为柱状层流装置。90年代,重庆钢铁公司第五钢铁厂(简称重钢五厂)的中厚板生产线采用了控制轧制+可控的水幕冷却装置,邯郸钢铁集团有限公司(简称邯钢)、柳州钢铁厂(简称柳钢)和新余钢铁有限责任公司(简称新余钢厂)等也装备了水幕冷却装置,但都未能正常使用。近几年,酒泉钢铁集团有限公司(简称酒钢)的气雾冷却、济南钢铁集团有限公司(简称济钢)的水幕冷却以及鞍钢的高密集管层流冷却等都应用成功,实现了应有的经济效益,而且目前首都钢铁集团有限公司(简称首钢)、南京钢铁股份有限公司(简称南钢)中板厂正在进行的改造项目中,都引进了控轧控冷技术。同时,控轧控冷技术在我国的带钢生产上也得到了成功的应用,上海宝钢有限公司(简称宝钢)2050mm(从德国引进)和1580mm(从日本引进)生产线采用了柱状层流冷却方式后,设备运行稳定,卷取温度精度高;武汉钢铁集团公司(简称武钢)1700mm轧机的层流冷却装置是80年代从日本引进的,武钢将其控冷模型改进后移植到新一代计算机中,不仅得到了本厂的实践验证,而且在太原钢铁(集团)有限公司(简称太钢)和梅山钢铁集团公司(简称梅钢)得到推广。表2列出了我国一些中厚板轧机上的控制冷却设备。2控制冷却功能控制冷却的作用可概括为:(1)氢致裂纹抗力①力学性能:提高强度,改善韧性;②工艺性能:改善可焊性,提高氢致裂纹抗力,提高成形性;③组织与结构:增强组织的分散度,可获得复相组织,细化晶粒,增强析出;④表面质量:减少表面划伤和裂纹,减少氧化铁皮,无表面脱碳。(2)降低生产成本节省合金成分,节约能源,简化工艺流程,提高成材率。(3)提高社会效率减轻构件或设备重量,节省自然资源,减少环境污染。3冷却设备的选择扁平材的冷却方式主要有:压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、气雾冷却、喷淋冷却、板湍流冷却、水-气喷雾法加速冷却和直接淬火等。各种冷却方式都有其各自的优点和缺点,详见表3。当前,中厚板轧后控制冷却设备中使用最多的是密集管层流冷却、水幕冷却和气水混合的气雾冷却。这几种冷却系统相关性能的比较见表4。具体采用哪种冷却方式应根据具体工艺环境和限定条件来确定。4钢板冷却均匀程度的影响因素控制冷却时,钢板均匀冷却的控制能力及其程度,既决定着待冷钢板性能的均匀性,也决定着每批钢板性能的再现性水平。更重要的是,钢板冷却均匀程度决定着钢板冷却过程中的变形程度。因此,必须搞清冷却过程中钢板变形的内在原因及诱导因素。冷却过程中引起钢板翘曲的内在因素是相变、屈服应力和导热系数,其诱导因素是不均匀冷却。下面讨论影响均匀冷却的各种因素,以便采取有效的措施避免诱导因素的出现,使控制冷却技术更快实用化。4.1冷却方法4.2水+气控制冷却所使用的冷却介质为水和水+气两种。以水+气为冷却介质时,一般用压缩空气将水雾化,先到达钢板表面的水珠汽化,在钢板表面形成气膜,而后来的水珠大部分还未到达钢板表面便已汽化,所以其冷却能力较低,加之水的回收率低,因而厚板控制冷却时不用(水+气)作为冷却介质。4.3喷射+可调冷却冲击区与中小企业表面冷却曲线的比较冷却水在钢板表面上的流量分布主要取决于冲击区的分布。不同的喷流形式下钢板表面的冷却水冲击区分布存在差异,因而冲击钢板时的冷却水流量分布也不同。幕状层流条件下冲击区高度集中,喷射+可调冷却冲击区均匀覆盖钢板表面;柱状层流条件下冲击区分布介于幕状层流和喷射+可调冷却两者之间,呈散点状分布于钢板表面。从钢板表面的冷却曲线可见,幕状层流呈锯齿形,柱状层流呈细锯齿形,喷射+可调冷却则为较光滑的曲线。总之,冷却水在钢板表面上的流量分布主要取决于冲击区的配置。对钢板上表面来说,还与冷却水的流动和下喷水的回落有关。4.4钢板的冷却冷却温度钢板自身条件是指钢板温度、钢板形状和表面质量等,它们对钢板冷却均匀程度影响显著。一般而言,钢板温度分布不均匀极易导致钢板冷却的不均匀。钢板温度的分布不均有如下多种情况:①钢板的头部和尾部的温度比板身温度低,而钢板边部温度又低于钢板中部的温度;②加热造成的温度分布不均和水印温度差;③轧制过程中,轧辊冷却水和除鳞水也可能造成钢板温度分布不均匀;④加热时上下供热不匹配和上下除鳞水不匹配,造成钢板上下表面温度不对称。对于板形而言,无论采用何种厚度和板形控制技术,所轧制产品总会存在同板差和板凸度。同板差的存在将导致板长方向和板厚方向的冷却不均匀;板凸度的存在致使板宽方向和板厚方向的冷却不均匀。如果钢板存在着浪形和翘曲,将会严重地破坏钢板的均匀冷却。因为钢板不平必然会引起冷却水的分布不均匀。此外,如果钢板表面存在氧化铁皮,由于其与钢的导热系数不同,将降低水的冷却效果;氧化铁皮的不均匀分布会导致钢板冷却不均匀。一般来说,钢板边部存在压应力,再加上冷却不均匀引起的热应力和组织应力,就会诱发钢板变形。5消除不利因素的措施影响钢板冷却均匀性的各种因素往往是交互作用的,因此,很难找到一种有效的方法来消除这些不利因素,只能对其中的主要因素采取一些措施,同时兼顾其它因素的影响。钢板均匀冷却的控制,其实质是控制钢板冷却过程中的温度分布和冷却速度。5.1钢板冷却方式的选择为使钢板长度方向冷却均匀,在板长允许的条件下,应采用同时冷却方式。如果钢板长度接近或大于冷却装置长度,就应采用连续冷却方式。采用同时冷却方式时,如果冲击区纵向间距较大,应选用较高的摆动速度,反之则改用较低的摆动速度。采用连续冷却方式时,为了沿钢板长度方向获得一致的终冷温度,并尽量减小板长方向开始冷却的温差,可以选择如下措施:①进入控冷区后,钢板以匀加速运动方式通过冷却装置,使钢板在整个长度方向上冷却的终止温度均匀;②使钢板以匀速运动方式通过冷却装置,但要逐渐减少冷却装置的喷水量。由于冷却水量的调节对钢板温度变化非常敏感,一般不易采用这种控制方式;③由于钢板头部和尾部的温度低于板身温度,可以根据钢板的位置,对头部和尾部对应的区段采取减少水量或遮蔽措施;也可以根据钢板头尾位置使相应冷却段延迟开启或超前关闭,使头尾部的终冷温度和其它部位一致;④为了克服冷却区之外的附加冷却,可在冷却装置的入口和出口端设置截水辊或吹扫机构。不同的控制冷却方式对钢板头部和尾部温差的影响如图2所示。5.2横向温度分布的控制造成钢板宽度方向上冷却不均匀的原因可以归结为下述几个方面:①轧制时已经形成了横向的温度分布不均匀,这种不均匀会延续到冷却过程中;②冷却装置的横向冷却能力如果相同,则边部由于与水接触更多会产生更大的温度降;③边部的下喷水回落到板面上。因此,应控制横向温度的分布,控制方法如下:①边部遮蔽法。采用边部遮蔽机构,以防止钢板边部过冷;②横向水量控制法。采用缝隙式喷嘴时,应使喷头中部缝隙宽,而两边逐渐变窄,实现各喷头喷出水流量中凸;采用排式喷嘴时,可通过改变各排喷嘴的间距或喷嘴规格,实现各喷头喷出水流量中凸。应注意下喷头喷出水流量中凸程度应低于上喷头;③采用左右两侧向外斜喷的方法,以克服下喷水回落板面的问题。5.3冷却水的冲击钢板厚度方向的均匀冷却包括两层含义:一是指钢板表面与其心部的冷却均匀;二是指钢板上、下表面的冷却均匀。前者用温度梯度来衡量,后者用温度对称程度描述。钢板冷却后的温度梯度是由冷却速度和板厚决定的,为使其控制在一定范围内,应根据钢板的材质、厚度以及对产品性能的要求选择适宜的冷却速度,并在冷却过程中适时调低冷却速度,这既可以缩小断面温度差,又有利于减小钢板变形。由于水在钢板上、下表面的停留时间和流动状态不同,所以造成钢板上、下表面冷却的不均匀性。如:冷却水以加速运动方式冲击钢板上表面,而以减速运动方式冲击钢板下表面。冲击钢板表面后,冷却水在其上下表面的流动状态又有很大差别,上表面冷却水产生的二次冷却效果远大于下表面。因此,对于上、下表面的冷却水量应当分段进行控制,设计时上、下冷却系统采用不同的水量(一般上水量与下水量之比约为1.5～2.5),可在线调整这一流量比。6钢板的均匀性主要受水冲击、被冲击面系控制冷却技术是一个多影响因素并存的复杂过程。为了更有效地指导生产,增加效益,有必要进行更深入的研究,从而更充分地挖掘钢材的潜力,大幅度提高钢材的综合性能。采用连续冷却方式时,钢板受冷却介质冲击的时间有先有后,因而使钢板长度方向温度分布不一致。此外,冷却介质还有一定的流动性,特别是钢板上表面,冷却介质的流动产生二次冷却,进一步加剧了钢板冷却的不均匀程度。在钢板的头部和尾部,冷却介质在钢板上表面除了横向流动之外,还有明显的纵向流动。在钢板的头部,除上喷水之外,下喷水也会冲击钢板的上表面,而且,由于水在钢板表面上的横向和纵向流动,再加上钢板运动促进了水的纵向流动,将水带出冷却区的情形尤为常见,它们会导致钢板三维方向的不对称冷却,这种不均匀冷却往往导致钢板头部变形。因此采用连续冷却方式时既明显存在时间上的冷却不均匀,又存在空间上的冷却不均匀。当以高的冷却速度冷却钢板时,这种时间和空间上的不均匀冷却,就很可能使被冷却钢板发生变形,特别是那些导热系数低、屈服应力高、相变对冷却速度不敏感的钢材尤为明显。采用同时冷却方式时,由于是同时向整块钢板喷射冷却介质,在冷却过程中钢板往复摆动,使冲击区的均匀分布程度进一步提高。其次,钢板的摆动也使冷却介质在上表面沿长度方向的流动均匀化。由于钢板下表面被辊子遮蔽和非遮蔽部分交替接受冷却介质的冲击,若能适当提高宽度方向中心部位冲击区的密度,并控制好头尾端的