熱軋板帶材控冷裝備的發(fā)展趨勢(shì)研究

余偉，唐荻，何春雨，劉濤

隨著板帶材產(chǎn)品品種的開發(fā)、生產(chǎn)鋼級(jí)的提高，板帶鋼軋制后加速冷卻已經(jīng)成為生產(chǎn)高品質(zhì)、低成本熱軋鋼材必不可少的手段。同時(shí)，隨著制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)熱軋帶鋼的板形也提出了更高的要求。據(jù)相關(guān)研究，軋后冷卻會(huì)對(duì)最終板形產(chǎn)生影響，而且會(huì)改變鋼板的表面氧化鐵皮結(jié)構(gòu)，影響鋼板表面質(zhì)量。因此，控制冷卻技術(shù)在板帶材質(zhì)量控制中的作用已經(jīng)更加突出。

向多功能和快冷卻方向發(fā)展

新型控冷裝備具有多功能特征。傳統(tǒng)冷卻裝置的缺點(diǎn)有冷卻速率低、冷卻策略缺乏、工藝適應(yīng)性不強(qiáng)、可軋制鋼種規(guī)格受限等問題，已經(jīng)嚴(yán)重制約了新熱軋帶鋼品種的開發(fā)。新型冷卻裝置的配置按照冷卻能力和可實(shí)現(xiàn)的工藝功能劃分，冷卻區(qū)還可以劃分為多個(gè)冷卻段，在適應(yīng)普碳鋼、低碳鋼生產(chǎn)的同時(shí)，還能用于生產(chǎn)熱軋雙相鋼、TR口鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、復(fù)相鋼等高強(qiáng)度鋼。在工藝上，該設(shè)備適應(yīng)了連續(xù)快冷、連續(xù)快冷+適中冷卻、兩段冷卻、后段快冷等要求，能實(shí)現(xiàn)加速冷卻、間斷淬火、分段冷卻、直接淬火、直接淬火碳分配等功能，滿足了高強(qiáng)度鋼冷卻過程中的冷卻速度控制和路徑控制的要求。熱軋板帶材軋后冷卻采用不同的冷卻速度、不同卷取溫度，可以得到不同的終冷組織。如采用普通的AC冷卻，可以得到多邊形鐵素體+珠光體組織。進(jìn)一步提高冷卻速度并降低終冷溫度，可以得到細(xì)小鐵素體和退化珠光體組織；進(jìn)一步加快冷卻到貝氏體相變溫度以下，可以得到貝氏體組織。

20世紀(jì)90年代，中厚板生產(chǎn)中以快速冷卻為基礎(chǔ)發(fā)展了直接淬火技術(shù)，代替再加熱淬火。直接淬火時(shí)，將處于奧氏體區(qū)或兩相區(qū)的熱軋后的鋼材直接水淬到室溫，這種技術(shù)不僅節(jié)能、降耗，還能改善鋼板性能，降低合金消耗。

新型控冷裝備追求更高的冷卻速率。控制冷卻技術(shù)的發(fā)展歷史，就是冷卻裝置不斷提高冷卻速率的歷史。隨著冷卻技術(shù)的發(fā)展，提高冷卻速度的方法也呈現(xiàn)多樣性。歸根結(jié)底，提高冷卻速率還是需要不斷提高冷卻過程的換熱效率。鋼板冷卻過程影響冷卻速度的參數(shù)較多，而其中重要的參數(shù)包括水流密度、水流流速(或動(dòng)能)、水流分布、鋼板表面狀態(tài)等。常用的方法包括：增加水流密度，提高流量；增加噴水壓力，改變水流分布；改變流動(dòng)狀態(tài)等。但是，根據(jù)傳熱學(xué)理論，鋼板的冷卻過程還受鋼板本身導(dǎo)熱系數(shù)的影響，在工藝生產(chǎn)允許的介質(zhì)條件下，鋼的冷卻速率不可能無限制提高。當(dāng)鋼板的外壁面溫度始終與介質(zhì)溫度一致時(shí)，即會(huì)達(dá)到極限冷卻速率，這時(shí)傳熱由鋼導(dǎo)熱系數(shù)決定。

解決均勻冷卻和板形控制難題

板帶鋼在控制冷卻過程中的一個(gè)突出問題就是寬度方向冷卻不均勻。鋼板邊部冷卻不均，不僅會(huì)導(dǎo)致鋼板寬度方向的組織性能不均勻，還可能導(dǎo)致潛在的板形不良。新型控制冷卻裝備采用以下技術(shù)克服此類問題：

一是邊部遮蔽技術(shù)。采用邊部遮蔽裝置，遮擋板帶鋼邊部冷卻水，可控制鋼板寬度方向溫度分布，達(dá)到控制鋼板橫向板形的目的。遮蔽技術(shù)在帶鋼層流冷卻中得到越來越多的應(yīng)用。該技術(shù)在帶鋼建立張力后可以穩(wěn)定使用，但是帶頭和帶尾在軋制過程中的橫向位置穩(wěn)定性問題，使得邊部遮蔽效果大打折扣。如果中厚板鋼板在軋后輸送過程中跑偏嚴(yán)重，也會(huì)使邊部遮蔽技術(shù)失效。

二是頭尾避讓技術(shù)。在鋼板軋制過程中，鋼板的頭尾受軋制和高壓水除磷的影響易出現(xiàn)溫度降低以及存在于頭尾一定長度區(qū)間的板形不良問題，在軋后控制冷卻過程中采用高精度鋼板位置跟蹤技術(shù)，對(duì)鋼板的頭尾進(jìn)行精確跟蹤，可實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，達(dá)到控制鋼板長度方向冷卻的均勻性以及調(diào)整鋼板頭尾板形的目的。采用頭尾避讓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頭部弱冷，可以減少鋼板切頭切尾的浪費(fèi)，提高鋼板的成材率。

三是對(duì)稱冷卻技術(shù)。鋼板上下表面的冷卻條件不同。為了達(dá)到上下表面相同的冷卻效果，往往需要在鋼板的下表面噴灑更多的冷卻水。也就是說，上下表面的冷卻水量需要按照鋼板厚度以及冷卻條件來調(diào)節(jié)其比例，以維持上下兩部分冷卻的對(duì)稱性。上下表面冷卻水比例是控制鋼板平直度的十分重要的參數(shù)。

四是約束分水技術(shù)。如果采用高壓水實(shí)現(xiàn)加速冷卻，還需要考慮采用約束分水(分流)技術(shù)，通過螺旋輥或平輥來部分或全部阻擋水，增強(qiáng)排水效果，實(shí)現(xiàn)上下表面的對(duì)稱冷卻和板帶鋼寬度方向的均勻冷卻。

五是配套預(yù)矯直技術(shù)或平整技術(shù)。盡管采用了眾多冷卻板形控制技術(shù)，也不可能保證在冷卻過程中鋼板完全不變形。但是，開冷前板形良好一定會(huì)改善冷卻均勻性，提高控冷后鋼板的平直度或降低殘余應(yīng)力。在鋼板進(jìn)入控冷區(qū)之前進(jìn)行預(yù)矯直，可以充分降低鋼板軋制過程中的板形不良問題，提高鋼板橫向與縱向的板形平直度，為軋后冷卻裝置提供良好的開冷鋼板板形，達(dá)到提高冷卻后鋼板平直度的目的。對(duì)開卷后不平的鋼板，采用平整機(jī)進(jìn)行平整軋制是改善薄板板形的重要補(bǔ)充手段。

控冷裝備發(fā)展須思考的幾個(gè)問題

目前，新型控冷裝備技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到較好的應(yīng)用。如國內(nèi)開發(fā)的SUPIC技術(shù)應(yīng)用于中厚板生產(chǎn)，SLYPIC—L冷卻速度比常規(guī)加密層流提高30％，20mm厚度冷卻速率能夠達(dá)到42℃／s，并成功應(yīng)用在線淬火工藝開發(fā)了Q55~Q800級(jí)別高強(qiáng)度工程機(jī)械用鋼和高強(qiáng)度容器板N610E等產(chǎn)品。高壓型的SUPIC—H冷卻速度達(dá)到物理極限的62℃／s，正用于實(shí)際生產(chǎn)。而國內(nèi)開發(fā)的ADCOS—PM技術(shù)也開始用于生產(chǎn)：X70、X80管線鋼等。

通過對(duì)傳統(tǒng)的帶鋼層流技術(shù)改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型的超快速冷卻，在投資、管理、設(shè)備維護(hù)上體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。更為重要的是，將影響板形的對(duì)稱冷卻技術(shù)應(yīng)用于帶鋼冷卻裝備，可改變傳統(tǒng)層流冷卻只管卷取溫度的弊端，在板形和冷卻速度上都有明顯進(jìn)步。該技術(shù)在國內(nèi)某鋼廠1780mm熱軋帶鋼生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。

重視冷卻速度在提高性能中的作用。從控制冷卻技術(shù)提高鋼板力學(xué)性能角度看，提高強(qiáng)度的途徑有兩個(gè)：一個(gè)是改變組織類型，另一個(gè)是直接細(xì)化晶粒。直接細(xì)化晶粒是在組織類型一樣的條件下，細(xì)化晶粒，減小鐵素體晶粒直徑、珠光體片層間距、貝氏體板寬度等。冷卻速度在一定范圍內(nèi)對(duì)晶粒尺寸和組織類型會(huì)產(chǎn)生影響。以Nb—V鋼為例，在相同組織轉(zhuǎn)變時(shí)性能不會(huì)產(chǎn)生很大的變化。因此，對(duì)鋼種是否采取超快速冷卻需要結(jié)合鋼種相變特性來決定，單純強(qiáng)調(diào)提高冷卻速率并無實(shí)際價(jià)值。另外，晶粒細(xì)化還受軋制過程影響，導(dǎo)致僅靠提高冷卻速率細(xì)化晶粒的效果受到嚴(yán)重制約。因此，在不改變組織類型的前提下，通過超快冷增強(qiáng)性能的效果有限，增強(qiáng)性能更多依靠的是降低終冷溫度或卷取溫度，這已經(jīng)為生產(chǎn)實(shí)踐證明。》

含Nb鋼因?yàn)楦邷刈冃螘r(shí)Nb形變誘導(dǎo)析出和對(duì)奧氏體晶界的釘扎，可以有效改善組織與性能。實(shí)驗(yàn)證明，X70級(jí)管線鋼在終軋溫度為936℃時(shí)，超快速冷卻(80℃／s)至終冷溫度610℃，鋼板綜合力學(xué)性能達(dá)到了X90級(jí)管線鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)注設(shè)備運(yùn)行可靠性的提高。在生產(chǎn)中還需要考慮設(shè)備運(yùn)行的可靠性，尤其是在高速運(yùn)行的帶鋼生產(chǎn)中，控制冷卻設(shè)備的安全可靠性值得關(guān)注。冷卻噴頭過低可以提高冷卻速度，但是會(huì)增加設(shè)備運(yùn)行的危險(xiǎn)性，輸送輥道的運(yùn)行故障會(huì)對(duì)冷卻設(shè)備造成致命的破壞，這種現(xiàn)象在國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)過。因此，除Carlam超快冷設(shè)備距輥面600mm外，國外開發(fā)的其他快速冷卻設(shè)備距輥面高度都在1m以上的。傳統(tǒng)層流冷卻設(shè)備上集管距輥面的高度在1．4m～1．7m，更多是出于對(duì)設(shè)備檢修維護(hù)和運(yùn)行安全性的考慮。

今年以來，縫隙噴頭似乎成了超快速冷卻的代表，但是從國內(nèi)外控制冷卻技術(shù)的發(fā)展來看，得到的結(jié)論可能有所不同。輥式淬火機(jī)的縫隙噴頭維護(hù)量一直較大。忽視軋線設(shè)備運(yùn)行安全性和可靠性，可能會(huì)舍本逐末。

注重效益與成本的經(jīng)濟(jì)合理性。控制冷卻技術(shù)以前是一種低成本的生產(chǎn)技術(shù)。而隨著水資源和電資源的漲價(jià)，目前該技術(shù)的應(yīng)用成本逐漸為生產(chǎn)企業(yè)重視。根據(jù)相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，層流冷卻的綜合成本每噸鋼在25元—30元左右。提高冷卻用水水量和供水壓力，從工藝的角度講可以提高鋼板冷卻速度，改善鋼材性能，降低合金成本，但冷卻水能耗卻會(huì)數(shù)倍增加。采用快速冷卻技術(shù)取得的效益與冷卻設(shè)備和工藝成本是否合理經(jīng)濟(jì)，值得技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)管理者共同探討。