新一代超快冷控制軋制和控制冷卻技術

新一代超快冷控制軋制和控制冷卻技術

1下一代tpng-tp1.1鐵素體晶粒越細對實際晶粒硬化的作用控制壓迫和冷卻技術，即tcm，是20世紀鋼鐵工業(yè)最重要的成就之一。通過th技術，鋼鐵工業(yè)能夠不斷向社會提供更好的鋼鐵材料，以支持人類社會的發(fā)展和進步?？刂栖堉坪涂刂评鋮s技術的核心是晶粒細化和細晶強化·在控制軋制和控制冷卻技術的發(fā)展歷程中,人們首先認識到的是控制軋制·所謂控制軋制,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·硬化的奧氏體內存在大量的“缺陷”,例如變形帶、位錯、孿晶等,它們是相變時鐵素體形核的核心·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·得到硬化奧氏體的基本手段是“低溫大壓下”和添加微合金元素·“低溫”是為了抑制奧氏體的再結晶,保持其硬化狀態(tài);“大壓下”則是為了增加硬化奧氏體所儲存的變形能·增加微合金元素,例如Nb,可以提高奧氏體的再結晶溫度,使奧氏體在比較高的溫度即處于未再結晶區(qū),因而便于利用常規(guī)的軋制(溫度)制度實現(xiàn)奧氏體的硬化·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能,在控制軋制的基礎上,又開發(fā)了控制冷卻技術·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果,DQ(directquench)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·為了提高再結晶溫度,利于保持奧氏體的硬化狀態(tài),同時也為了對硬化狀態(tài)下奧氏體的相變過程進行控制,控制軋制和控制冷卻始終與微合金化緊密聯(lián)系在一起·由于鈮等微合金元素的加入,顯著提高了鋼材的再結晶溫度,使材料很大一部分熱加工區(qū)間位于未再結晶區(qū),這大大強化了奧氏體的硬化狀態(tài)·應當注意的是,微合金元素的加入,甚至合金元素的加入,會提高材料的碳當量·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800～950℃的溫度區(qū)間內,在進行材料變形的同時,析出Nb的碳氮化物,即產生所謂“形變誘導析出”,一方面提高了材料的再結晶溫度,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、人力和資源·1.2新一代控制變量:壓力式產品tmcp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)領域,人們提出了4R原則,即減量化、再循環(huán)、再利用、再制造·具體到TMCP技術本身,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方法,獲得高附加值、可循環(huán)的鋼鐵產品·這種TMCP技術就是以超快冷技術為核心的新一代TMCP技術,即NG-TMCP·1.2.1高溫、高溫和高壓力制氫耦合過程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技術的第一個重要特點是“高溫”軋制過程(HTP)·這個“高溫”只是相對于“低溫大壓下”而言的“高溫”,實際上通常采取正常軋制溫度,而不必采用接近相變點的較低溫度·新一代的TMCP采用適宜的正常軋制溫度進行連續(xù)大變形,在軋制溫度制度上不再堅持“低溫大壓下”的原則·所以,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,這對于提高生產效率具有重要的意義·1.2.2解決高速冷卻條件下冷卻均勻性的要求在這種情況下,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,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,迅速通過奧氏體相區(qū),將硬化奧氏體“凍結”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條件·在國外,比利時的CRM率先開發(fā)了超快速冷卻(UFC)系統(tǒng),可以對4mm的熱軋帶鋼實現(xiàn)400℃/s的超快速冷卻·日本的JFE福山廠開發(fā)的SuperOLACH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·國內,東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室(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,是一個關鍵性、瓶頸性的問題·RAL已經針對熱帶和中厚板生產過程開發(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品·1.2.3冷卻條件的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·在軋件達到預定的溫度控制點后,應當立即停止超快速冷卻·由于超快速冷卻的終止點對后續(xù)相變過程的類型和相應的相變產物有重要影響,所以需要精確控制超快速冷卻的終止點·通過控制冷卻裝置的細分和精細調整手段的配置,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冷卻路徑的精確控制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,提高煉鋼和連鑄的生產效率·在冷卻路徑的精確控制方面,現(xiàn)代的控制冷卻技術已經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和控制冷卻技術,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,完全可以達到TMCP控制的目標·2ng-tp的加強機制2.1金屬原子強化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-Mn鋼,固溶強化是主要的強化機制·2.2材料的細晶強化控制軋制和控制冷卻技術主要是針對HSLA鋼,通過添加微合金元素提高鋼材的再結晶溫度,擴大未再結晶區(qū),在未再結晶區(qū)進行低溫大壓下,使材料內部形成大量的變形帶、亞晶、位錯等晶體“缺陷”,這些“缺陷”在后續(xù)的相變中成為鐵素體形核的核心·“缺陷”的大量存在,造成后續(xù)相變中材料內部大量形核,因而可以大幅度細化材料的晶粒,實現(xiàn)細晶強化·在材料中添加微合金元素,特別是Nb,會在800～950℃的溫度區(qū)間由于變形的誘導而大量析出微合金元素的碳氮化物,從而提高材料的再結晶溫度,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NG-TMCP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,材料還來不及發(fā)生再結晶,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碳氮化物的2.2響應面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,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,目前析出強化已經成為材料強化的重要手段·Gladman等人依據(jù)Orowan-Ashby模型提出用式(1)表示析出強化的效果:Δσ=5.9f1/2xˉln(xˉ/2.5×10?4)[JX*4]?[JX?*4](1)Δσ=5.9f1/2xˉln(xˉ/2.5×10-4)[JX*4]?[JX-*4](1)其中:Δσ為抗拉強度的增加值,MPa;f為碳氮化物的體積分數(shù);xˉxˉ為顆粒在滑移平面上的平面截取直徑,由xˉ=D(2/3)1/2xˉ=D(2/3)1/2給出,其中D是平均微粒直徑,μm·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,即800～950℃的溫度區(qū)間,由于變形誘導析出鈮的碳氮化物,因而可能由于析出而提高材料的強度·但是,在采用NG-TMCP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,然后進行空冷,此時碳氮化物可能由于很大的析出驅動力而在鐵素體晶內大量、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NG-TMCP技術,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材料的強化ahss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·鋼鐵材料的一個重要特點,是在冷卻過程中會發(fā)生復雜的相變·如果對冷卻條件加以控制,即對相變過程進行控制,在鋼中引入一定數(shù)量的硬相組織,就能提高鋼材的強度·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;如果冷卻的終冷溫度是處于300～500℃的貝氏體轉變溫度區(qū)間,則剩余的奧氏體可以全部或者部分轉變?yōu)樨愂象w;如果剩余奧氏體部分轉變?yōu)樨愂象w,則得到以鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體組成的TRIP鋼;如果剩余的奧氏體全部轉變?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·所以,在實施NG-TMCP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,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·3在先進快速冷卻的行業(yè)3.1u3000冷卻工藝設計在熱軋帶肋鋼筋的精軋連軋過程中,軋件溫度處于再結晶區(qū),在較高或很高的變形速度下,軋件的奧氏體組織產生強烈大變形,形成細的、強烈硬化的、具有大量缺陷的奧氏體晶?！ι鲜鰥W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,轉變?yōu)榫Я４笮∵m度的鐵素體和珠光體,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鍵工藝設備是超快冷水冷器(圖2),水冷器由多節(jié)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)格產品上冷床后彎曲、小規(guī)格堵鋼的問題·在大生產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,通過調節(jié),可以在一定范圍內調節(jié)材料的屈強比·國內現(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,實現(xiàn)熱軋帶肋鋼筋軋后超快速冷卻·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,從而提高產量·利用熱軋帶肋鋼筋超快速冷卻技術,可以在少用或者不用合金元素的情況下,利用335MPa級的20MnSi生產HRB400,HRB500螺紋鋼筋,大幅度提高產品質量,降低生產成本·3.2增設超快冷裝置現(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)生再結晶的模擬計算結果,可見在熱連軋的后部道次再結晶軟化受到了極大的抑制·現(xiàn)在的關鍵是,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·RAL針對熱軋帶鋼軋機層流冷卻存在的問題,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技術發(fā)展的需要·開發(fā)的第一套垂直噴射式熱帶超快速冷卻實驗裝置已經應用于包鋼CSP生產線冷卻段的后部(卷取機之前),利用該套裝置已經生產出550,600MPa級的雙相鋼,供應汽車廠生產卡車車輪、車梁、轎車車輪等產品·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,已經可以實現(xiàn)Q235,Q345升級和部分高強鋼的生產·吸取前兩套超快冷裝置的經驗,漣鋼2250熱連軋生產線的控制冷卻系統(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熱連軋生產線上可以實施NG-TMCP的冷卻系統(tǒng)的配置·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·超快冷的控制系統(tǒng)已經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以上寬度的熱連軋機考慮采用超快冷裝置,以利于減量化和高強化品種的研發(fā)與生產·3.3超快速冷卻系統(tǒng)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的功能,提高中厚板產品的質量·為了解決冷卻均勻性和高冷卻速率的問題,1998年,JFE西日本制鐵所福山地區(qū)厚板廠(原NKK福山廠)采用了所謂的Super-OLAC(superon-lineacceleratedcooling)新型加速冷卻系統(tǒng)(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-OLAC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將一定壓力的水噴射到板面,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·2003年和2004年JFE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-OLAC系統(tǒng)·由于Super-OLAC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·一套系統(tǒng)兼有直接淬火和加速冷卻兩種功能,是新一代控制冷卻系統(tǒng)的重要特征·東北大學RAL在開發(fā)成功中厚板輥式淬火機的基礎上,吸取淬火機的優(yōu)點,提出了應用于中厚板軋機的超快速冷卻系統(tǒng)的初步設計方案·該方案由約20m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UFC+ACC的新式冷卻系統(tǒng),目前已經投入運行調試(圖6)·鞍鋼已經決定,在其4300中厚板軋機上采用全新的UFC+ACC冷卻系統(tǒng),首秦4300中厚板軋機則在其引進硬件系統(tǒng)中預留DQ裝置的位置上裝設具有我國自主知識產權的超快冷系統(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·3.4我國h型鋼超快冷系統(tǒng)的開發(fā)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型鋼軋機的技術進步和高附加值減量化產品的開發(fā)·目前,東北大學RAL正在與有關的廠家合作,發(fā)揮超快冷技術的優(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)·相信通過產學研的密切合作,具有自主知識產權的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·4基于ng-tp的創(chuàng)新和遏制過程：典型示例4.1鐵素體晶粒的加工制備雙相鋼是重要的汽車用高強鋼,傳統(tǒng)的雙相鋼生產需要100m甚至更長的層流冷卻系統(tǒng),需要采用價格比較昂貴的合金進行成分設計,這在一定程度上限制了雙相鋼的生產和應用·RAL在實驗室研究的基礎上,與包鋼合作,在包鋼CSP短流程生產線上增設超快速冷卻裝置,利用普通碳錳鋼軋制出540MPa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γ→α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·4.2轉化超快冷技術GCr15軸承鋼在軋后奧氏體狀態(tài)下的冷卻過程中,二次碳化物在奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出,這是惡化軸承鋼質量的一個關鍵問題·GCr15網(wǎng)狀碳化物析出的溫度范圍一般在700～900℃,大量析出碳化物溫度為700～850℃·為了有效控制網(wǎng)狀碳化物的析出,RAL與寶鋼特鋼公司合作,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量也是十分重要的·寶鋼特鋼工業(yè)應用結果表明,采用超快速冷卻,可以有效破除網(wǎng)狀碳化物,提高軸承鋼的質量·這說明超快冷技術對于析出過程的控制是極為有效的·4.3hcla鋼的模糊性傳統(tǒng)控軋過程中,低溫奧氏體區(qū)產生一定量的沉淀析出,析出物尺寸較大,不利于通過析出進一步提高鋼材的強韌性·在NG-TMCP中,使用超快冷使軋件迅速通過碳氮化物大量析出的溫度區(qū)間,抑制了碳氮化物的沉淀析出·更多的微合金元素仍然保持固溶狀態(tài),進入到鐵素體相變區(qū),沉淀相在鐵素體相中微細形成,尺寸在2～10nm,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NG-TMCP兩種軋制試驗,試驗鋼化學成分(質量分數(shù),%)為0.075C,0.28Si,1.78Mn,0.079Mo,0.060Ti,0.055Nb·圖7給出了NG-TMCP鋼微觀組織中析出顆粒的統(tǒng)計分布·圖8顯示出,采用NG-TMCP,析出物平均尺寸為9.66nm,而采用傳統(tǒng)TMCP,鋼的粒子平均尺寸為33.81nm·可見NG-TMCP明顯細化了析出物,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NG-TMCP與采用傳統(tǒng)TMCP相比,強度水平有明顯的提高·4.4試驗鋼的化學成分針對高鋼級管線鋼,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,加快生產節(jié)奏,提高產量·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UFC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,這一溫度相較于通常的TMCP工藝,已經有顯著的提高,可以減少軋制待溫時間,提高軋制效率·圖10為試驗鋼的顯微組織照片·4.5碳化物的制備在采用超快冷的情況下,如果碳質量分數(shù)為0.3%～0.4%的鋼鐵材料在奧氏體變形后快速通過發(fā)生共析轉變的溫度區(qū)間,就會抑制共析轉變的發(fā)生·然后在低于共析轉變的溫度區(qū)間保溫,發(fā)生碳化物的析出,結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·JFE利用0.35%C-0.19%Si-0.75%Mn的材料,采用這種超快冷技術,控制碳化物的形態(tài),提高了材料的擴孔性能·圖11b所示為傳統(tǒng)方法得到的顯微組織,共析轉變的產物為片狀珠光體;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·這種鋼有較高的力學性能和良好的擴孔性能,在日本和韓國已經應用于汽車制造中·4.6應力加熱系統(tǒng)所謂“UFC-DQ”是利用超快冷裝置的DQ功能,實現(xiàn)軋件的在線淬火·而“OnlineT”的設備被稱為“HOP”(heattreatmenton-lineprocess),是利用大功率電磁感應線圈對DQ后的鋼板進行在線回火·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JFE西日本制鐵所福山廠,2004年5月投產,可以處理的鋼板寬度達到4.5m·HOP采用幾臺高頻電源并聯(lián)式同步傳動,鋼板內部的感應發(fā)熱量由通過線圈的電流精密控制,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102～104?kW/m2,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)安裝于矯直機之后(圖12)·經過Super-OLAC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)調質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,生產的抗拉強度600～1100MPa級調質鋼具有良好的低溫韌性和焊接性能等·HOP與Super-OLAC組合在一起,可以靈活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生產的鋼板,材質均勻、屈強比低,特別適用于生產在寒冷地區(qū)和酸氣環(huán)境中使用的高強、高韌管線鋼·JFE已經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,為用戶合理設計和降低施工成本創(chuàng)造了條件·在提高高強厚板質量的同時,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