新一代控制軋制和控制冷卻技術(shù)與創(chuàng)新的熱軋過程_圖文

1、本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。福昕軟件（），版權(quán)所有，僅供試用。第30卷第7期2009年7月東北大學學報(自然科學版 Journal of Northeastern University (Natural Science Vol 130,No. 7J ul. 2009新一代控制軋制和控制冷卻技術(shù)與創(chuàng)新的熱軋過程王國棟(東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室, 遼寧沈陽110004摘要:針對傳統(tǒng)控制軋制和控制冷卻(TMCP 技術(shù)存在的問題, 提出了以超快冷為核心的新一代的TMCP 技術(shù), 并詳述了作為實現(xiàn)新一代TMCP 技術(shù)核心手段的超快冷技術(shù)的科學內(nèi)涵和工業(yè)裝備開發(fā)情況指出新一代TMCP

2、技術(shù)綜合采用細晶強化、析出強化、, 潛力, 節(jié)省資源和能源, 優(yōu)化現(xiàn)有的軋制過程, 為特征的創(chuàng)新軋制過程的案例, 關(guān)鍵詞:鋼; 熱軋; ; :A 100523026(2009 0720913210N ew TMCP and Innovative H ot R olling ProcessW A N G Guo 2dong(The State K ey Laboratory of Rolling and Automation , Northeastern University , Shenyang 110004, China.Correspondent :WAN G Guo 2dong , pr

3、ofessor , E 2mail :wanggd mail. neu. edu. cn Abstract :A new 2generation TMCP (thermo 2mechanical control process with ultra fast cooling as core technique was suggested instead of the conventional TMCP in which some problems are to be solved. Describes the ultra fast cooling technique theoretically

4、 and relevant equipment developed for commercial applications in detail. With the grain refining , precipitation and phase transformation strengthening , the new 2generation TMCP was verified available to make full use the potential of steels , save resources and energy and optimize existing rolling

5、 process , thus providing beneficially a sustainable development for iron and steel industry. Some examples are given to show the characteristics of the new 2generation TMCP in the rolling processes of different products especially its broad prospects in application.K ey w ords :steel ; hot rolling

6、; new generation TMCP ; ultra fast cooling ; strengthening1新一代TMCP (N G 2TMCP 1. 1傳統(tǒng)TMCP制軋制, 是對奧氏體硬化狀態(tài)的控制, 即通過變形在奧氏體中積累大量的能量, 在軋制過程中獲得處于硬化狀態(tài)的奧氏體, 為后續(xù)的相變過程中實現(xiàn)晶粒細化做準備硬化的奧氏體內(nèi)存在大量的 缺陷”, 例如變形帶、位錯、孿晶等它們是相變時這種“缺陷”越多, 則鐵素體的形核率越高, 得到的鐵素體晶粒越細得到硬化奧“低溫大壓下”和添加微合金元“低溫”是為了抑制奧氏體的再結(jié)晶, “; 大壓下”則是為了增加硬化奧氏體所儲增加微合金元素, 例如

7、控制軋制和控制冷卻技術(shù), 即TMCP , 是20世紀鋼鐵業(yè)最偉大的成就之一正是因為有了TMCP 技術(shù), 鋼鐵業(yè)才能源源不斷地向社會提供越來越優(yōu)良的鋼鐵材料, 支撐人類社會的發(fā)展和進步控制軋制和控制冷卻技術(shù)的核心是晶粒細化和細晶強化1在控制軋制和控制冷卻技術(shù)的發(fā)展歷程中, 人們首先認識到的是控制軋制所謂控收稿日期:2009205211基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2003AA33G 010 作者簡介:王國棟(1942- , 男, 遼寧大連人, 東北大學教授, 博士生導師, 中國工程院院士914本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。福昕軟件（），版權(quán)所有，僅供試用。東北大學學報(自然科學版 第30

8、卷獲得高附加值、可循環(huán)的鋼鐵產(chǎn)品這種TMCP技術(shù)就是以超快冷技術(shù)為核心的新一代TMCP 技術(shù), 即N G 2TMCP 31. 2. 1HTP 軋制工藝熱連軋過程通常是高速連續(xù)大變形的軋制過程, 即使軋制溫度較高, 在連軋過程完成之后, 也可以得到硬化的充滿缺陷的奧氏體換言之, 在現(xiàn)代的熱連軋機上, 即使不用“低溫大壓下”, 也可以實現(xiàn)奧氏體的硬化由于連軋中的連續(xù)大變形和應變積累, 硬化的獲得不僅不需要低溫大壓下, 甚至也不一定必須添加合金或微合金元素所以, 新一代TMCP 技術(shù)的第一個重要特點是“高溫”軋制過程( 這個“高溫”“低溫大壓, , 在軋制溫度制度上不再堅持“低溫大壓下”的原則所以,

9、 與“低溫大壓下”過程相比, 軋制負荷(包括軋制力和電機功率 可以大幅度降低, 設備條件的限制可以大為放松, 軋機等軋制設備的建設不必追求高強化, 建設投資可以大幅度降低適宜的軋制溫度大大提高軋制的可操作性, 避免軋制工藝事故, 例如卡鋼、堆鋼等, 同時也延長了軋輥、導衛(wèi)等軋制工具的壽命這對于提高產(chǎn)量、降低成本是十分有利的對于一些原來需要在粗軋和精軋之間實施待溫的材料, 有可能通過超快速冷卻的實施而不再需要待溫, 或者提高待溫的溫度, 這對于提高生產(chǎn)效率具有重要的意義1. 2. 2超快速冷卻奧氏體的再結(jié)晶溫度 , 即處于未再結(jié)晶區(qū), 度 為了突破控制軋制的限制, 同時也是為了進一步強化鋼材的性

10、能, 在控制軋制的基礎(chǔ)上, 又開發(fā)了控制冷卻技術(shù)控制冷卻的核心思想, 是對硬化奧氏體的相變過程進行控制, 以進一步細化鐵素體晶粒, 以及通過相變強化得到貝氏體等強化相, 進一步改善材料的性能控制冷卻的理念可以歸納為“水是最廉價的合金元素”這樣一句話作為控制冷卻的極限結(jié)果, DQ (direct quench 的作用早已為人們所認識但是, 其潛在的能力一直未得到發(fā)揮, 原因在于直接淬火條件下冷卻均勻性的問題一直沒有得到很好的解決, DQ 情況下板形控制一直困擾人們, 化狀態(tài), , 由于鈮等微合金元素的加入, 顯著提高了鋼材的再結(jié)晶溫度, 使材料很大一部分熱加工區(qū)間位于未再結(jié)晶區(qū), 這大大強化了奧

11、氏體的硬化狀態(tài)應當注意的是加入顯然這會惡化材料的焊接性能加入的微合金或合金元素, 除了部分固溶強化奧氏體外, 還經(jīng)常會以碳氮化物的形式析出, 對材料進行沉淀強化, 從而對材料強度的提高做出貢獻例如Nb 通常在800950的溫度區(qū)間內(nèi), 在進行材料變形的同時, 析出Nb 的碳氮化物, 即產(chǎn)生所謂“形變誘導析出”, 一方面提高了材料的再結(jié)晶溫度, 另一方面也強化了材料本身采用“低溫大壓下”, 與人們長久以來形成的“趁熱打鐵”的觀念背道而馳它必然受到設備能力等的限制, 操作方面的問題也自然不容回避為了實現(xiàn)“低溫大壓下”, 人們需要付出代價長期以來, 為此而大幅提升軋制設備能力, 投入了大量資金、人力

12、和資源1. 2NG 2TMCP 的基本概念社會的高速發(fā)展, 使人類面臨越來越嚴重的資源、能源短缺問題, 承受著越來越大的環(huán)境壓力人類必須解決這些問題才能與自然和諧發(fā)展, 保持人類社會的長治久安和子孫后代的幸福安康針對這樣的問題, 在制造業(yè)領(lǐng)域, 人們提出了4R 原則, 即減量化、再循環(huán)、再利用、再制造2具體到TMCP 技術(shù)本身, 必須堅持減量化的原則, 即采用節(jié)約型的成分設計和減量化的生產(chǎn)方法,在這種情況下, 考慮的第一個問題是軋件的溫度由于采用常規(guī)軋制, 終軋溫度較高, 如果不加控制, 材料會由于再結(jié)晶而迅速軟化, 失去硬化狀態(tài)因此, 在終軋溫度和相變開始溫度之間的冷卻過程中, 應努力設法避

13、免硬化奧氏體的軟化, 即設法將奧氏體的硬化狀態(tài)保持到動態(tài)相變點近年出現(xiàn)的超快速冷卻技術(shù), 可以對鋼材實現(xiàn)每秒幾百度的超快速冷卻, 因此可以使材料在極短的時間內(nèi), 迅速通過奧氏體相區(qū), 將硬化奧氏體“凍結(jié)”到動態(tài)相變點附近這就為保持奧氏體的硬化狀態(tài)和進一步進行相變控制提供了重要基礎(chǔ)條件在國外, 比利時的CRM 率先開發(fā)了超快速冷卻(U FC 系統(tǒng)4, 可以對4mm 的熱軋帶鋼實現(xiàn)400/s 的超快速冷卻日本的J FE 福山廠開發(fā)的Super OLAC H 系統(tǒng), 應用于熱軋帶鋼軋機, 可以對3mm 的熱軋帶鋼實現(xiàn)700/s 的超快速冷卻5國內(nèi), 東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化第7期王國棟:新一代控

14、制軋制和控制冷卻技術(shù)與創(chuàng)新的熱軋過程國家重點實驗室(RAL 開發(fā)的帶材高冷速系統(tǒng)也可以達到相似的冷卻效果RAL 開發(fā)的棒材超快速冷卻系統(tǒng)對20mm 直徑的棒材, 可以實現(xiàn)400/s 的超快速冷卻對板帶材而言, 確保高速冷卻條件下的平直度, 是一個關(guān)鍵性、瓶頸性的問題RAL 已經(jīng)針對熱帶和中厚板生產(chǎn)過程開發(fā)出高效率、高均勻性的新式冷卻系統(tǒng)利用這種系統(tǒng), 可以突破高速冷卻時的冷卻均勻性這一瓶頸, 實現(xiàn)板帶材全寬、全長上均勻化的超快速冷卻, 因而可以得到平直度極佳的板帶材產(chǎn)品1. 2. 3超快速冷卻終止點的精確控制軋后鋼材由終軋溫度急速快冷, 迅速穿過奧氏體區(qū), 達到快速冷卻條件下的動態(tài)相變點在軋件

15、達到預定的溫度控制點后, 速冷卻, , 以及高精度的預控數(shù)學模型, 可以保證終止溫度的精確控制1. 2. 4冷卻路徑的控制915金屬晶格畸變, 也可以提高材料的強度這兩種情況分別被稱為間隙固溶和置換固溶在熱軋過程中, 固溶元素的存在, 可以提高材料的變形抗力, 所以在軋機設計中, 應當考慮固溶強化對變形抗力的貢獻, 并在軋機設計中采取相應的強化措施對于C 2Mn 鋼, 固溶強化是主要的強化機制2. 2細晶強化控制軋制和控制冷卻技術(shù)主要是針對HSLA 鋼, 通過添加微合金元素提高鋼材的再結(jié)晶溫度, 擴大未再結(jié)晶區(qū), 在未再結(jié)晶區(qū)進行低溫大壓下, 使材料內(nèi)部形成大量的變形帶、亞晶、位錯等晶體“缺陷

16、”, 這些“缺陷”在后續(xù)的相變中成為鐵素體形核的核心“的大量存在, , , , 特別, 的溫度區(qū)間由于變形的, 從而提高材料的再結(jié)晶溫度, 強化材料的硬化效果對于HSLA 鋼來說, 細晶強化是主要的強化方式當采用N G 2TMCP 時, 盡管材料是在較高的溫度下完成熱變形過程, 但是變形后的短時間內(nèi), 材料還來不及發(fā)生再結(jié)晶, 仍然處于含有大量“缺陷”的高能狀態(tài)如果對它實施超快速冷卻, 就可以將材料的硬化狀態(tài)保持下來, 在隨后的相變過程中, 保存下來的大量“缺陷”成為形核的核心, 因而可以得到與低溫軋制相似的強化效果2. 3析出強化實施超快速冷卻后的鋼材還要依據(jù)所需要的組織和性能要求, 進行冷

17、卻路徑控制, 這就為獲得多樣化的相變組織和材料性能提供了廣闊的空間利用這樣一個特點, 有可能利用簡單的成分設計獲得不同性能的材料, 實現(xiàn)柔性化的軋制生產(chǎn), 提高煉鋼和連鑄的生產(chǎn)效率在冷卻路徑的精確控制方面, 現(xiàn)代的控制冷卻技術(shù)已經(jīng)可以提供良好的控制手段, 相變強化仍然是可以利用的重要強化手段這樣一來, 再與固溶強化、細晶強化、析出強化等手段互相配合, 新一代的TMCP 將在提高材料的強度、改善綜合性能、滿足人類對材料的要求方面發(fā)揮重要作用有了這一系列以超快速冷卻為核心的高速連軋技術(shù)和控制冷卻技術(shù), 完全可以有更多、更有效的手段, 實現(xiàn)奧氏體硬化狀態(tài)的控制和硬化狀態(tài)下奧氏體相變過程的控制, 完全

18、可以達到TMCP 控制的目標在鋼中添加微合金元素和合金元素, 會在鋼中形成一些析出相以微小顆粒析出, 造成基體晶格的畸變, 提高材料的強度, 這稱為析出強化析出強化的效果與析出相數(shù)量、顆粒尺寸等因素有關(guān), 在各類鋼中都有應用自從開發(fā)HSLA 鋼成功以來, 析出強化在材料高強化方面的作用也日益顯著, 目前析出強化已經(jīng)成為材料強化的重要手段G ladman 等人依據(jù)Orowan 2Ashby 模型提出用式(1 表示析出強化的效果6:=1/2x ln (x /2. 5×10-4 (12N G 2TMCP 的強化機制2. 1固溶強化為抗拉強度的增加值, MPa ; f 為碳氮化其中:物的體積

19、分數(shù); x 為顆粒在滑移平面上的平面截取直徑, 由x =D (2/3 1/2給出, 其中D 是平均微粒直徑, m 依照式(1 可知, 顆粒尺寸越小 , 析出物的數(shù)量越多, 則材料抗拉強度的提高值越大采用傳統(tǒng)的控軋控冷工藝時, 含鈮的HSLA 鋼通常會在熱加工溫度范圍內(nèi), 即800950的溫度區(qū)間, 由于變形誘導析出鈮的碳氮化物, 因而固溶強化是普遍采用的強化機制C ,N 等小半徑的原子, 以間隙原子的形式與金屬形成固溶體, 造成基體金屬晶格的畸變, 提高材料的強度; 而Mn ,Cu ,Ni ,Cr 等金屬原子, 通過置換基體金屬原子而溶于金屬中, 由于原子半徑不同, 造成基體916東北大學學報

20、(自然科學版 第30卷條件, 但是冷卻過程不同, 即采用不同的冷卻路徑,也會得到不同的組織, 因而會有不同的材料性能圖1所示為幾種典型的AHSS 鋼, 即EP 、TRIP 、貝氏體鋼的冷卻工藝路徑圖在冷卻的開始階段, 利用前部加速冷卻(或超快速冷卻 將奧氏體冷卻到鐵素體相變開始溫度, 隨后進入保溫狀態(tài), 即材料處于空冷狀態(tài), 以利于鐵素體的析出當析出一定體積分數(shù)的鐵素體之后, 例如85%, 對材料進行第二次加速冷卻(或超快速冷卻 , 如果終冷溫度在馬氏體點以下, 則剩余的奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體, 這樣便得到以軟相鐵素體和硬相馬氏體組成的復相組織, 即雙相鋼; 如果冷卻的300500, 則得TR

21、IP ; 如果剩余的奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w, 則得到鐵素體和貝氏體組成的復相組織鋼, 即貝氏體鋼關(guān)于前部和后部具體是采用常規(guī)加速冷卻還是超快速冷卻的問題, 超快速冷卻具有一定的優(yōu)點, 應當是首選前部超快冷有利于鐵素體晶粒的細化, 同時也有利于鐵素體的快速析出, 這對于縮短熱連軋機輸出輥道的長度是有利的后部超快冷更有利于馬氏體相變可能由于析出而提高材料的強度但是, 在采用N G 2TMCP 時, 材料在比較高的溫度被加工成形, 在通常形變誘導析出的溫度范圍, 被迅速冷卻通過碳氮化物大量析出的溫度區(qū)間, 碳氮化物的析出受到了抑制超快速冷卻在適當?shù)臏囟缺唤K止, 例如在鐵素體相變的“鼻尖”溫度被終止,

22、 然后進行空冷, 此時碳氮化物可能由于很大的析出驅(qū)動力而在鐵素體晶內(nèi)大量、微細、彌散地析出, 使鐵素體基體得到強化, 大幅度提高材料的強度水平因此, 采用N G 2TMCP 技術(shù), 可以更好地發(fā)揮鈮等微合金元素的強化作用, 發(fā)揮合金元素的強化效果2. 4相變強化相變強化又稱組織強化, 它是通過相變過程改變鋼材的組織組成, 從而提高鋼材強度的一種強化方法, 組織, 硬相所占的比例不同, 就能得到不同的材料強度水平相變強化正是利用了鋼鐵材料的這一特點先進高強鋼(AHSS 、超高強鋼主要是通過相變來獲得含有硬相馬氏體、貝氏體的復相組織, 從而實現(xiàn)材料的強化即使使用相同的材料化學成分和相同的軋制圖1冷

23、卻路徑對AHSS 鋼組織的影響Fig. 1E ffect of cooling path on micro structure of AHSS steel所以, 在實施N G 2TMCP 的過程中, 如果能夠發(fā)揮超快冷的優(yōu)勢, 對冷卻路徑進行適當?shù)目刂? 則可以在更大的范圍內(nèi), 按照人們的需要對材料的組織和性能進行更有效的控制, 甚至開發(fā)出全新的軋制過程件的奧氏體組織產(chǎn)生強烈大變形, 形成細的、強烈硬化的、具有大量缺陷的奧氏體晶粒對上述奧氏體施以高強度的快速冷卻, 直到相變溫度點附近, 從而保持奧氏體的硬化狀態(tài), 并抑制奧氏體晶粒長大細小的奧氏體晶粒在適當?shù)睦鋮s條件下, 轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я４笮∵m度的鐵

24、素體和珠光體, 在提高鋼筋屈服強度和抗拉強度的同時, 也使其屈強比降低實現(xiàn)熱軋帶肋鋼筋軋后超快速冷卻的關(guān)鍵工藝設備是超快冷水冷器(圖2 7, 水冷器由多節(jié)3超快速冷卻的工業(yè)實現(xiàn)3. 1 棒線材超快冷的工業(yè)實現(xiàn)在熱軋帶肋鋼筋的精軋連軋過程中, 軋件溫度處于再結(jié)晶區(qū), 在較高或很高的變形速度下, 軋第7期王國棟: 新一代控制軋制和控制冷卻技術(shù)與創(chuàng)新的熱軋過程冷卻管組成, 總長度一般不大于20m , 在軋速小于20m/s 時, 水冷器總長度小于13m 每節(jié)冷卻管在軋件入口端由環(huán)狀縫隙噴射一定壓力的冷卻水, 冷卻水與軋件同方向運動, 但是速度高于軋件冷卻水在軋件的出口端流出由于采用環(huán)狀縫隙冷卻, 軋件

25、冷卻均勻, 可以徹底消除現(xiàn)有的余熱淬火水冷器存在的大規(guī)格產(chǎn)品上冷床后彎曲、小規(guī)格堵鋼的問題在大生產(chǎn)條件下可以徹底解決<10mm 熱軋直條鋼筋4切分軋制的堵鋼問題要保證所使用每一節(jié)冷卻管的水量充足, 即不用的水管要求關(guān)閉冷卻水盡管冷卻時間短, 水冷器還是具有前段強冷和后段強冷的區(qū)別, 根據(jù)軋件的不同規(guī)格和成分的區(qū)別, 通過調(diào)節(jié), 可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的屈強比國內(nèi)現(xiàn)有的余熱淬火水冷器, 需要進行改造, 才可以提高冷卻效率, 實 917圖3熱連軋過程中的軟化現(xiàn)象Fig. 3Softening in hot strip rolling proce ssRAL 針對熱軋帶鋼軋機層流冷卻存在的問

26、題, 向企業(yè)提出對熱軋帶鋼軋機層流冷卻系統(tǒng)進行改造, 增設超快冷裝置, 以適應新一代TMCP CSP 生產(chǎn)(, , 供應汽車廠、車梁、轎車車輪等產(chǎn)品9攀枝花鋼鐵公司1450熱連軋機的精軋出口增設超快速冷卻裝置, 投運后證實了該裝置具有更好的冷卻特性, 已經(jīng)可以實現(xiàn)Q235,Q345升級和部分高強鋼的生產(chǎn)吸取前兩套超快冷裝置的經(jīng)驗, 漣鋼2250熱連軋生產(chǎn)線的控制冷卻系統(tǒng)采用了“傾斜式超快冷+ACC ”的混合配置方式, 正在進行安裝, 相應的品種開發(fā)已經(jīng)在實驗室進行, 鋼種包括普通碳錳鋼、HSLA 鋼、高強鋼、管線鋼等圖4所示為漣鋼2250熱連軋生產(chǎn)線上可以實施N G 2TMCP 的冷卻系統(tǒng)的配

27、置其前部10m 左右超快冷裝置, 采用縫隙式幕狀噴射式噴嘴和圓管噴射式噴嘴混合配置, 冷卻水具有一定的壓力, 以一定的角度沿軋件運動方向, 噴射到帶鋼上傾斜布置的噴嘴, 可以對鋼板全寬實行均勻的“吹掃式”冷卻, 掃除鋼板表面存在的氣膜, 達到全板面的均勻核沸騰, 不僅可以大大提高冷卻效率, 實現(xiàn)高速率的超快速冷卻, 而且可以突破高速冷卻時冷卻均勻性這一瓶頸問題, 實現(xiàn)板帶材全寬、全長上的均勻化的超快速冷卻, 因而可以得到平直度極佳的無殘余應力的帶材產(chǎn)品為了對超快冷部分進行高精度的控制, 上下集管的供水系統(tǒng)除了使用開閉閥之外, 還配置了冷卻水流量控制系統(tǒng), 可以對上下集管的水量進行精準的控制超快

28、冷的控制系統(tǒng)已經(jīng)融入到軋機整個控制冷卻系統(tǒng)之中, 通過高精度數(shù)學模型的開發(fā)、前饋預控和反饋控制的結(jié)合以及控制冷卻裝置硬件的細分, 可以對帶鋼的冷卻進行高精度的控制, 精確控制超快速冷卻的終止點目前尚有幾套2000mm 以上寬度的熱連軋圖2軋后超快冷水冷器的形式Fig. 2Cooling device for ultra fast cooling after rolling該工藝的使用可以做到不改造主要設備, 不需降低作業(yè)率, 不需低溫軋制, 不需余熱淬火由于強化了冷卻效果, 可以提高冷床的冷卻效率, 從而提高產(chǎn)量利用熱軋帶肋鋼筋超快速冷卻技術(shù), 可以在少用或者不用合金元素的情況下, 利用335

29、MPa 級的20MnSi 生產(chǎn)HRB400, HRB500螺紋鋼筋, 大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量, 降低生產(chǎn)成本3. 2熱軋帶鋼超快冷的工業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代的熱軋帶鋼采用高速連續(xù)大變形軋制過程, 即使在較高的溫度下, 也可以通過連續(xù)大變形和應變積累, 在軋后得到硬化的、充滿“缺陷”的奧氏體換言之, 在現(xiàn)代的熱連軋機上, 即使不用“低溫大壓下”, 也可以實現(xiàn)奧氏體的硬化圖3所示為Q235鋼熱連軋過程中發(fā)生再結(jié)晶的模擬計算結(jié)果8, 可見在熱連軋的后部道次再結(jié)晶軟化受到了極大的抑制3現(xiàn)在的關(guān)鍵是, 盡快開發(fā)適用于板帶材的超快速冷卻裝置, 以將奧氏體的硬化狀態(tài)保持到動態(tài)相變點, 避免硬化奧氏體的軟 化918東北大學學

30、報(自然科學版 第30卷品種的研發(fā)與生產(chǎn) 機考慮采用超快冷裝置, 以利于減量化和高強化圖4漣鋼2250熱連軋機軋后控制冷卻系統(tǒng)的配置Fig. 4Layout of cooling control system after rolling on the hot strip mill in Lian Steel , Hunan , China3. 3中厚板超快冷及其工業(yè)實現(xiàn)中厚板軋機與連續(xù)式軋機不同, 是可逆式軋制, 且軋后冷卻系統(tǒng)與軋機的距離較遠, 硬化狀態(tài)的保持有一定的難度, 但是也有可能利用超快速冷卻實現(xiàn)新一代TMCP , 的質(zhì)量, 1998年,J FE (原N KK 福山廠 采用了所謂的S

31、uper 2OLAC (super on 2line accelerated cooling 新型加速冷卻系統(tǒng)10( 圖5 其最大的特點是避開了過渡沸騰和膜沸騰, 實現(xiàn)了全面的核沸騰, 具有可達極限冷卻的冷卻速率和極高的冷卻均勻性Super 2OLAC 冷卻系統(tǒng)的噴嘴與鋼板的距離較近, 以一定的角度沿軋制方向?qū)⒁欢▔毫Φ乃畤娚涞桨迕? 將板面殘存水與鋼板之間形成的氣膜吹掃掉, 從而達到鋼板和冷卻水之間的完全接觸, 實現(xiàn)核沸騰這不僅提高了鋼板和冷卻水之間的熱交換, 達到較高的冷卻速率, 而且可以實現(xiàn)鋼板的均勻冷卻, 大大抑制了鋼板由于冷卻不均引起的翹曲統(tǒng)兼有直接淬火和加速冷卻兩種功能, 是新一代

32、控制冷卻系統(tǒng)的重要特征RAL , 該方m 長冷卻段組成, 全部采用噴嘴傾斜布置的壓力噴射式超快速冷卻集管考慮到現(xiàn)有設備改造時與已有ACC 系統(tǒng)的配合與銜接, 最終推出了噴嘴傾斜布置的壓力噴射式超快速冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)集管層流冷卻系統(tǒng)混合配置的方案前部采用超快冷系統(tǒng), 長度約8 10m ; 后部采用傳統(tǒng)ACC 系統(tǒng), 長度保持不變2007年開始, 與河北石家莊敬業(yè)鋼鐵公司(民營企業(yè) 合作, 在其3000中厚板軋機上裝設U FC +ACC 的新式冷卻系統(tǒng), 目前已經(jīng)投入運行調(diào)試(圖6 鞍鋼已經(jīng)決定, 在其4300中厚板軋機上采用全新的U FC +ACC 冷卻系統(tǒng), 首秦4300中厚板軋機則在其引進硬件

33、系統(tǒng)中預留DQ 裝置的位置上裝設具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的超快冷系統(tǒng), 與原有的ACC 系統(tǒng)配合, 為實施新一代TMCP 作設備條件的準備圖5J FE 福山廠安裝的Super 2OLAC 系統(tǒng)Fig. 5Super 2OLAC system in J FE plant2003年和2004年J FE 倉敷地區(qū)水島廠(即原川崎制鐵水島廠 和東日本地區(qū)京浜廠也分別采用了Super 2OLAC 系統(tǒng)11由于Super 2OLAC 系統(tǒng)具有很強的冷卻能力, 同時又具有很好的冷卻均勻性, 所以它既可以實現(xiàn)加速冷卻, 又可以實現(xiàn)在線直接淬火一套系圖6安裝在敬業(yè)公司的中厚板超快冷裝置Fig. 6Ultra fas

34、t cooling system of the platemill in Jingye corporation , Hebei , China3. 4H 型鋼超快冷由于常規(guī)控制冷卻系統(tǒng)的冷卻能力較差, 需要較大的建設長度, 同時翼緣和腹板冷卻條件不第7期王國棟:新一代控制軋制和控制冷卻技術(shù)與創(chuàng)新的熱軋過程同, 會造成不同部分極大的溫差, 所以我國H 型鋼軋機的控制冷卻一直是空白, 這在一定程度上限制了H 型鋼軋機的技術(shù)進步和高附加值減量化產(chǎn)品的開發(fā)目前, 東北大學RAL 正在與有關(guān)的廠家合作, 發(fā)揮超快冷技術(shù)的優(yōu)勢, 對翼緣和腹板等不同部位的冷卻裝置進行精細化設計, 開發(fā)H 型鋼超快冷系統(tǒng)相信

35、通過產(chǎn)學研的密切合作, 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的H 型鋼超快冷系統(tǒng)將取得突破, 為我國H 型鋼的升級換代作出貢獻919出, 從而達到破除網(wǎng)狀碳化物的目的軋后快速冷卻, 過冷度增大, 降低組元的擴散系數(shù), 可以減小珠光體球團直徑和縮小珠光體片層間距, 減小二次碳化物尺寸, 這對于改善軸承鋼的質(zhì)量也是十分重要的寶鋼特鋼工業(yè)應用結(jié)果表明, 采用超快速冷卻, 可以有效破除網(wǎng)狀碳化物, 提高軸承鋼的質(zhì)量這說明超快冷技術(shù)對于析出過程的控制是極為有效的4. 3HSLA 鋼:碳氮化物析出過程的控制(工程機械用高強鋼 傳統(tǒng)控軋過程中, 低溫奧氏體區(qū)產(chǎn)生一定量的沉淀析出, 2中, 使用, 更多的微合金, 進入到鐵素體相

36、變區(qū), 沉淀相在鐵素體相中微細形成, 尺寸在210nm , 可以大幅度地提高鋼材的強韌性在RAL 進行了HSLA 鋼的傳統(tǒng)TMCP 和N G 2TMCP 兩種軋制試驗, 試驗鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù), % 為01075C ,0128Si ,1178Mn ,01079Mo ,01060Ti ,01055Nb 圖7給出了N G 2TMCP4基于N G 2TMCP 的創(chuàng)新軋制過程:典型案例4. 1連續(xù)冷卻+后置式超快冷:低成本雙相鋼的生產(chǎn)(包鋼雙相鋼是重要的汽車用高強鋼, 鋼生產(chǎn)需要100m , 需RAL 在, 與包鋼合作, 在包鋼CSP 短流程生產(chǎn)線上增設超快速冷卻裝置, 利用普通碳錳鋼軋制出540M

37、Pa 級和590MPa 級的雙相鋼雙相鋼中鐵素體析出量決定其塑性和強度水平, 因此, 必須精確控制其在雙相鋼中的含量注意到亞共析鋼中鐵素體析出的飽和值受鋼中C 含量影響在一定碳含量的情況下, 在鐵素體體積分數(shù)接近飽和后, 繼續(xù)增加時間, 鐵素體體積分數(shù)基本不變, 因而其工藝“窗口”變寬鐵素體體積分數(shù)接近飽和值所需時間也是一個重要的參數(shù), 這一時間越短, 在輸出輥道上的長度越短對于相變, 當鐵素體晶核大量增加, 鐵素體最終晶粒尺寸減小, 從其形核到完全長大所需時間必然減少, 因此, 可以利用細化鐵素體晶粒的辦法, 如未再結(jié)晶區(qū)累積形變、快速冷卻等手段, 來減少鐵素體體積分數(shù)接近飽和值所需時間4.

38、 2軸承鋼超快冷:網(wǎng)狀碳化物的抑制GCr15軸承鋼在軋后奧氏體狀態(tài)下的冷卻過鋼微觀組織中析出顆粒的統(tǒng)計分布圖8顯示出, 采用N G 2TMCP , 析出物平均尺寸為9166nm , 而采用傳統(tǒng)TMCP , 鋼的粒子平均尺寸為33181nm 可見N G 2TMCP 明顯細化了析出物,圖7析出粒子尺寸的統(tǒng)計結(jié)果Fig. 7Statistical re sults of the size of the precipitation程中, 二次碳化物在奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出, 這是惡化軸承鋼質(zhì)量的一個關(guān)鍵問題GCr15網(wǎng)狀碳化物析出的溫度范圍一般在700900, 大量析出碳化物溫度為700850為了有效控

39、制網(wǎng)狀碳化物的析出,RAL 與寶鋼特鋼公司合作12, 在軸承鋼專用棒材軋機后裝設了超快冷裝置, 對軋件實行超快冷卻通過這一措施, 可以使材料迅速通過網(wǎng)狀碳化物析出溫度區(qū)間, 抑制碳化物的大量網(wǎng)狀析出快冷到較低的溫度后, 再予以保溫(空冷 , 讓碳化物分散細小析圖8不同工藝條件下析出粒子尺寸的比較Fig. 8Comparison of the size of the precipitation indifferent technologie s920東北大學學報(自然科學版 第30卷4. 4管線鋼:碳氮化物析出過程的控制可以取得更好的析出強化的效果圖9給出了強度提高的情況可見采用N G 2TMC

40、P 與采用傳統(tǒng)TMCP 相比, 強度水平有明顯的提高 針對高鋼級管線鋼, RAL 進行了實驗室研究, 摸清采用超快冷技術(shù)在提高管線鋼終軋溫度方面的潛力, 目的在于盡可能減少待溫“擺鋼”時間, 加快生產(chǎn)節(jié)奏, 提高產(chǎn)量試驗鋼的化學成分如表1所示表2給出了實驗工藝和材料的力學性能, 其中工藝1是常規(guī)控制軋制, 工藝2工藝4是采用不同終軋溫度和終冷溫度的使用U FC 的工藝可見, 當終軋溫度提高到877 , 仍然可以得到滿足要求的力學性能, 這一溫度相較于通圖9不同處理工藝材料強度的比較Fig. 9Comparison of material strength bydifferent treatme

41、nt technologie s常的TMCP 工藝, 已經(jīng)有顯著的提高, 可以減少軋制待溫時間, 提高軋制效率圖10為試驗鋼的%Cr 0. 26Ni 0. 25表1(Table 1Chemical (C0. 047Si Mn 002Al 0. 0. 0220. 23Cu 0. 22表2工藝參數(shù)和材料性能工藝二段開軋溫度編號1234919924924925終軋溫度出U FC 溫度終冷溫度794840864877屈服強度MPa550635628574抗拉強度 MPa777762755723延伸率%18. 716. 216. 717. 7屈強比0. 710. 830. 830. 79-20沖擊功J1

42、85258186339672765805482525480460013%014%的鋼鐵材料在奧氏體變形后快速通過發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間, 就會抑制共析轉(zhuǎn)變的發(fā)生然后在低于共析轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間保溫, 發(fā)生碳化物的析出, 結(jié)果原先在珠光體中的片狀碳化物在鐵素體基體中以粒狀析出J FE 利用0135%C-0119%Si-0175%Mn的材料, 采用這圖10管線鋼的金相組織Fig. 10Micro structure s of pipeline steel(a 工藝3; (b 工藝24. 5中碳鋼:擴孔性能的改善(J FE 在采用超快冷的情況下, 如果碳質(zhì)量分數(shù)為種超快冷技術(shù), 控制碳化物的形態(tài), 提高

43、了材料的擴孔性能13圖11b 所示為傳統(tǒng)方法得到的顯微組織, 共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為片狀珠光體; 而圖11a 所示為超快冷條件下得到的顯微組織, 此時在鐵素體的基體上, 均勻、彌散地分布著微細的碳化物圖11中碳鋼的顯微組織Fig. 11Micro structure s of medium 2carbon steel(a 超快冷條件; (b 傳統(tǒng)方法第7期王國棟:新一代控制軋制和控制冷卻技術(shù)與創(chuàng)新的熱軋過程這種鋼有較高的力學性能和良好的擴孔性能, 在日本和韓國已經(jīng)應用于汽車制造中4. 6UFC +DQ +Online T (HOP 所謂“U FC 2DQ ”是利用超快冷裝置的DQ 功能, 實現(xiàn)軋件的

44、在線淬火而“Online T ”的設備被(heat treatment on 2line process , 是利稱為“HOP ”用大功率電磁感應線圈對DQ 后的鋼板進行在線回火14 HOP 是目前世界上惟一的一套中厚板在線熱處理設備,2003年開始安裝于J FE 西日本制鐵所福山廠,2004年5月投產(chǎn), 可以處理的鋼板寬度達到415m HOP 采用幾臺高頻電源并聯(lián)式同步傳動, 鋼板內(nèi)部的感應發(fā)熱量由通過線圈的電流精密控921制, 感應發(fā)熱量可以方便地換算成熱流量由感應加熱的熱通量約為102104kW/m 2, 而這一數(shù)值大約比煤氣加熱高100倍, 因此可以實現(xiàn)極大能量密度的加熱該系統(tǒng)安裝于矯

45、直機之后(圖12 經(jīng)過Super 2OLAC 淬火的鋼板通過HOP 時, 利用高效的感應加熱裝置進行快速回火, 可以對碳化物的分布和尺寸進行控制, 使其非常均勻、細小地分散于基體之上, 從而實現(xiàn)調(diào)質(zhì)鋼的高強度和高韌性基于碳化物的微細、分散、均勻控制, 通過最優(yōu)組織設計, 可以大幅度地提高材料的性能, 生產(chǎn)的抗拉強度6001100MPa 級調(diào)質(zhì)鋼具有良好的低圖12具有在線熱處理裝置的中厚板生產(chǎn)線Fig. 12Plate production line with on 2line heat treatmentHOP 與Super 2OLAC 組合在一起, 可以靈活0. 75 、未添加或少添加Cu

46、,Cr ,Ni ,Mo 等合金元地改變軋制線上冷卻、加熱的模式, 所以與傳統(tǒng)的離線熱處理相比, 過去不可能進行的在線淬火-回火熱處理, 可以依照需要自由的設計和實現(xiàn), 組織控制的自由度大幅度的增加利用HOP 生產(chǎn)的鋼板, 材質(zhì)均勻、屈強比低, 特別適用于生產(chǎn)在寒冷地區(qū)和酸氣環(huán)境中使用的高強、高韌管線鋼J FE 已經(jīng)完成了多批耐酸氣的X65,X70管線鋼的供貨任務利用這種熱處理裝素的590MPa 和780MPa 級建筑用鋼板的U FC 2DL 2T 生產(chǎn)工藝, 并成功用于現(xiàn)場同類級別鋼種的試制 該工藝的原理是:軋制完成后, 通過快冷(或者超快冷 冷卻至兩相區(qū), 在兩相區(qū)停留一段時間, 鐵素體析出

47、一定量之后, 從兩相區(qū)開始, 利用淬火將軋件冷卻到室溫, 然后離線進行回火與傳統(tǒng)工藝相比, 這種新技術(shù)具有流程短、合金元素用量少、焊接性能好等優(yōu)點, 代表了新一代高性能、高強建筑用鋼板的發(fā)展方向?qū)τ诳勾笞冃蔚墓芫€鋼, 這也是一個可以考慮采用的新工藝4. 8UFC 2F :低成本厚鋼板的開發(fā)置開發(fā)的610MPa 級容器板, 可以不進行預熱, 實行大熱輸入量焊接, 從而降低客戶的施工成本在工程機械領(lǐng)域, 用于大型阻尼屏及其加強件的780MPa 級鋼材, 可以保證-40下的低溫韌利用超快冷進行冷卻路徑控制, 是一個極有潛力的新的領(lǐng)域超快冷的終止溫度如果設定在CCT 曲線的鐵素體析出區(qū)域, 稱之為U

48、FC 2F 此性, 同時又具有優(yōu)良的彎曲加工性能, 焊接預熱溫度也可以大幅度降低吊車用的抗拉強度1100MPa 級的超高強鋼, 可以提高其耐氫脆特性, 為時保持硬化狀態(tài)的過冷奧氏體會發(fā)生鐵素體相變, 得到晶粒細化的鐵素體基體組織同時, 超快冷過程中受到抑制的微合金鋼的碳氮化物會在鐵素體中析出, 明顯增加其強化效果J FE 利用這一特點, 采用Super 2OLAC 系統(tǒng), 進行產(chǎn)品開發(fā), 取得了明顯的效果11為了應對造船行業(yè)集裝箱船鋼板加厚和高強化的趨勢, 改善鋼板熱影響區(qū)的組織,J FE 利用Super 2OLAC 高冷速和高均勻性的特點, 開發(fā)厚規(guī)格高強度船板這種厚規(guī)格船板用戶合理設計和降

49、低施工成本創(chuàng)造了條件在提高高強厚板質(zhì)量的同時, 由于淬火-回火處理的連續(xù)化, 制造工期可以縮短到20天左右, 高強厚板的供貨能力也可以超過1萬噸/月, 在交貨期和數(shù)量等方面滿足客戶需求154. 7UFC 2DL 2T 生產(chǎn)工藝:低屈強比高強度鋼板的生產(chǎn)工藝在實驗室條件下成功開發(fā)出低屈強比(低于922東北大學學報(自然科學版 第30卷3與傳統(tǒng)船板有同樣水平的碳當量, 但是強度更高,焊接性能也不惡化, 滿足了用戶的要求為滿足城市高層建筑建設的需要, 開發(fā)了具有良好抗震性能、焊接性能的屈服強度385590MPa 級的厚鋼板在橋梁用鋼方面, 添加微量合金元素控制淬透性, 得到強度、韌性最佳平衡的非調(diào)質(zhì)

50、鋼SM570TMC 以及碳質(zhì)量分數(shù)低于0102%的極低碳貝氏體高強度鋼等新型鋼種為了實現(xiàn)工程機械的輕量化, 開發(fā)了大型吊車臂和支撐架用780MPa 級高強度鋼, 該鋼在-40下具有優(yōu)良的低溫韌性4. 9UFC 2B :一個有前景的強化方法如果超快冷的終止溫度設定在CCT 曲線的貝氏體相變區(qū), 稱為U FC 2B 這一過程目前正在研究中的貝氏體基體, , 過程, 、的析出粒子, 然后進一步實施快冷, 有可能得到貝氏體與馬氏體, 甚至殘余奧氏體的復相組織, 材料的組織可能得到進一步的調(diào)控超快冷的起始溫度、終止溫度、貝氏體中溫轉(zhuǎn)變停留時間等將是決定最終組織和性能的重要因素利用U FC 2B 有可能得

51、到新的有特色的組織, 從而得到新的材料性能, 是一個很有潛力的研究領(lǐng)域王國棟以超快速冷卻為核心的新一代TMCP 技術(shù)J上海金屬, 2008,30(2 :1-5(Wang Guo 2dong. The new generation TMCP with the key technology of ultra fast coolingJ.S hanghai Metals , 2008, 30(2 :1-5. 4Houyoux C , Herman J C , Simon P , et al . Metallurgical aspects of ultra fast cooling on a hot strip millJ.Rev ue deMetall urgie , 1997,97:58-59.5N KK S Fukuyama. Super 2OLAC H introduced at hot strip mill for automotive steel sheet productionEB/OL .(2002-07-15 . http :www. jfe 2holdings. co. jp/en/release/nkk/42-5/art06. html.6G ladman T , Dulieu D , Mclvor I D. Structure 2property r