控制冷却技术在中厚板生产中的应用

控制冷却技术在中厚板生产中的应用

吕斌

新疆八一钢铁股份有限公司

摘要：中厚板生产的控制轧制、控制冷却及其相结合的TMCP技术是改善组织和力学性能的重要手段。控制轧制用于控制奥氏体晶粒大小和形态，新发展了中间冷却（IC）、驰豫-析出控制（RPC）和高温终轧（HTP）等奥氏体晶粒控制方法；控制冷却用于控制相变组织类型，促进了细化晶粒和相变强化，先后开发了直接淬火（DQ）、间断直接淬火（IDQ）、在线热处理（HOP）和直接淬火-分配（DQP）等新技术。介绍了其基本原理、特点和对钢板组织和力学性能的控制效果。分析了各种TMCP新技术的发展路径，以及通过TMCP降低生产成本、提高企业经济效率中的优势及存在的问题。

关键词：中厚板；控制轧制；控制冷却；组织；力学性能；成本

1、前言

近儿年来，由于国内中厚板生产能力的不断扩大，受国际金融危机和后金融危机影响导致钢材消费市场滞涨，原料成本不断增加，中厚板生产厂的利润空问不断被压缩。冶金企业如何在这一轮经济调整中，实现产品转型、技术升级和成本控制成了决定企业经营效益的关键。

2、控制轧制技术

经过多年的建设，国内很多中厚板生产厂具备了一定技术装备优势、产品和技术的研发能力，根据市场需求和技术装备特点，确立白己的产品战略定位。但是，由于技术和产品的趋同日益明显，现在已经很难找到大批量的、独家生产的短线、高附加值的产品。中厚板生产企业开始在不断挖掘成本潜力、精细化生产上投入力量，力求提高效益，摆脱目前企业的困境。这种经营思维的转变是从粗放管理向精细化管理迈出的重要步伐。本文就控制轧制和控制冷却技术的发展轨迹做出简单的阐述，认识新材料、新工艺、新装备在提高产品性能、降低生产成本中的作用，给国内中厚板技术开发进步提供参考。

研究表明：在奥氏体再结晶温度区问，增加变形量可以细化再结晶奥氏体晶粒，过渡增加变形量，再结晶奥氏体晶粒细化趋势减弱，如图1所示[fll。微合金元素对再结晶温度的影响规律在没有被发现之前，碳钢或碳一锰钢控制轧制的基本手段是“低温大压下”，即是在接近奥氏体向铁素体相变温度上进行变形，主要原因是没有微合金元素的影响，钢的奥氏体再结晶温度和相变温度接近，低温大变形可以保证奥氏体的再结晶细小，阻止奥氏体晶粒的长大。如果实现未再结晶控轧和两相区控轧，就需要更低的温度。而在未再结晶区变形不需要“低温大压下”，通过多道次的累积变形可以达到同样的效果，同样可以增加奥氏体内部储存的变形能，提高奥氏体“硬化”程度。

微合金元素（如Ti，Nb，Al，Zr、V）可以提高奥氏体的再结晶温度，使奥氏体在比较高的温度仍处于未再结晶区，因而可以实现在奥氏体未再结晶区的多道次的累积大变形量。添加更多Nb实现控制轧制的HTP工艺，就是利用高Nb对未再结晶区温度的进一步提高，达到提高终轧温度，降低轧制负荷的控轧工艺。当然，HTP工艺中添加的高Nb，其高温析出对未再结晶控轧产生影响的只占添加量的极少部分，大部分Nb是起到固溶强化作用。另外，微合金元素的析出物还可以阻止再结晶奥氏体晶粒的长大，加强控制轧制细化晶粒的效果如图2所示。中厚板的控制轧制技术除了HTP技术以外，新技术还包括：中问坯冷却技术（IC[#]和驰豫一析出一控制技术（RPC）技术，为奥氏体组织控制、析出控制、冷却相变组织创造了条件。

3、控制冷却技术

板带钢轧后冷却技术的发展经历了不断的技术更新。从控制冷却技术的发展来看，主要集中在提高冷却速度（冷却效率）、温度均匀性、设备可靠性、提高组织均匀性、控冷板形平直度等儿个方面做出努力，如图3所示。按照冷却技术特点可以将板带的冷却技术划分为3代

第1代1980's：以喷淋冷却为代表的冷却技术，冷却水流密度小（小于300L/（mimmz）喷水压力在0.20^-0.50MPa为主，倾斜喷射或垂直喷射。

第2代（1980's}：以1980's年代以后出现的层流喷射（Laminarjet）冷却技术，如日本住友金属DAC（DynamicAcceleratedCooling）采用水幕冷却，日本JFE的OLAC（On-LineAcceleratedCooling）采用柱状层流。其冷却水流密度在380-700L/（mimmz），冷却水压力不高，但是动量较大，可以击破钢板表面残水膜，获得较强的冷却效果。1990's年代后，以改进型层流喷射（Modifiedlaminarjet）冷却技术为主。气一水混合冷却（气雾冷却）也是这一时代的产物，如CLECIM公司的ADCOCAdjustableDynamicCooling）技术。

第3代（2000's}：白2000's年代以来，强化冷却（IntensiveCooling）技术逐步得到开发与应用。代表性的是欧洲开发的UFCCUltraFastCooling、VAI的MULPIC技术，JFE公司的Super-OLAC}NSC开发的IC（IntensiveCooling）技术，POSCO开发的HDCCHighDensityCooling。特征是：提高供水压力、流速、水流密度来，抑制冷却过程中的过渡沸腾和膜沸腾，尽可能实现核沸腾，提高换热效率，水流密度多在1800-3400L/（mimmz）。这种冷却方式多用在加速冷却装置的前部（或称DQ段），很少单独使用。对照国内外儿种DQ设备，发现冷却速度相近，接近冷却速度物理极限。

钢板的冷却效率可以通过上述多种方法实现，但是理论研究表明：中厚板的冷却速率不完全取决于外界的冷却条件，更重要的是材料的导热特性一导热系数决定，如图5Cb）所示。因此，应根据产品的厚度规格来在选择采用何种冷却方4TMCP技术及其发展

TMCP技术是在控制轧制技术或热机械处理工艺（TMP-Thermo-MechanicalProcessing）技术基础上开发出来的。1977年在美国举行的“微合金化”大会上，日本的研究者Kozasu提出了TMCP理论至1988年陆续得以完善。TMCP就是将控制轧制和轧后加速冷却技术结合的工艺，也是日本的专利技术。这种工艺极把奥氏体晶粒细化、加工硬化和相变结合，极大加强细化晶粒的效果，并把铁素体一珠光体相变扩展到铁素体一贝氏体相变，提高钢材的性能。

1979年川崎制钢公司开发出在中厚板线加速冷却工艺（On-lineacceleratedcoolingprocess）作为TMCP技术标志性的应用。日本和欧洲的钢铁企业在同期也纷纷开发了不同形式的冷却装置，用TMCP生产晶粒细化钢板，以降低生产成本、降低钢的碳含量、改善钢的焊接性能。新的冷却装置由于冷却速度很高，使直接淬火（DQ）成为可能，DQ工艺将TMCP进一步延仲因此，因此TMCP工艺也包括了DQ工艺。

近年来，有学者提出以超快速冷却为核心的新一代TMCP技术（NG-TMCP或UFC-TMCP技术），其要点是：在现代的高温轧制提供加工硬化奥氏体的基础上，以超快速冷却为核心，对轧后硬化奥氏体进行超快速冷却，并在动态相变点终止冷却，随后进行冷却路径控制。

TMCP白提出之初，其控制冷却已经包含了冷却路径的控制，满足不同组织的控制需要。早在20年前带钢控制策略中，冷却路径控制思想就在热轧DP钢、硅钢、汽车用钢中得到应用。冷却路径控制是根据钢种的性能和组织要求，在冷却过程中根据钢的相变特性和设备能力状况所做出的冷却方式选择。钢材的不同性能与组织要求、不同的成分设计，其冷却路径各异。在中厚板生产中，通过冷却速度和终冷温度控制来实现的路径控制。因此，要求冷却设备具备生产钢种所需的冷却速度调节范围。

例如：铁素体一珠光体（F+P）钢采用IAC工艺，冷却速度较低，终冷温度多在600℃以上，典型钢种如低合金钢、EH36以下船用钢板、X60以下管线钢；而针状铁素体AF铁素体贝氏体FB）或贝氏体钢CB），采用IDQ工艺，冷却速度较低，终冷温度多在320-600℃之问、冷却速度较高，典型钢种如X65-X120管线钢、Q460-Q785级别高强度工程机械用钢、高强度容器板等；对于马氏体（M）或回火马氏体钢CM'采用DQ工艺，以最高的冷却速度冷却到畴温度以下，典型的如耐磨钢、Q785级以上高强/超高强度钢等。

TMCP生产时可以高温终轧降低轧制能耗、提高生产效率，其优点十分突出。但是，在再结晶区高温终轧，其“硬化”是不可能被快速冷却“冻结”，因为再结晶早已消除了加工硬化，再结晶的奥氏体晶粒度也只有8级左右；而未再结晶区轧制过程中，奥氏体晶粒被压扁，在厚度尺

4、结束语

控制轧制与控制冷却技术及其结合形成的TMCP工艺在控制高温奥氏体组织和低温相变组织中的作用突出，是改善中厚板力学性能的重要手段。采用TMCP基础上开发出来的DQ，IDQ，HOP，DQP等在线热处理新技术，在生产高强度钢时可以部分替代离线QT技术，缩短流程、降低能耗，提升经济效益。

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