1、控制冷卻技術的應用曹操（1. 遼寧科技大學材料成型及控制工程 12 級，） 摘要 詳細介紹了軋后控制冷卻技術對鋼板組織性能的影響 , 及國內對于控制冷 卻技術的應用，著重介紹了中厚板的控制冷卻技術和熱扎帶剛的控制冷卻技術。對于熱扎冷卻的先進技術超快冷卻技術（UFC）作了細致的介紹，例舉了 3 500 mm軋 機生產線控冷系統主要設備及工藝布置，進一步補充說明了控制冷卻技術在生產 線上的應用。對我國鋼鐵軋制事業的發展進行了深入的研究，同時也為我們了解 本行業提供了方便。關鍵詞 控制冷卻，超快冷卻，控制結構 , 超快冷卻Abstract : This paper introduces the co

2、oling control technology effect on the microstructure and properties of steel plate, and the application of controlled cooling technology, emphatically introduces the cooling technology and hot plate control cooling technology with the control. For the advanced technology of ultra fast cooling techn

3、ology in hot cooling （UFC） made a detailed introduction, 3500 examples of MM mill controlled cooling system of main equipment and process layout, further added that the controlled cooling technology in the production line. The development of China's iron and steel rolling industry has carried ou

4、t a deep research, but also for us to understand the industry provides a convenientKey Words： Controlled cooling； ultra fast cooling；the control structure；super fast cooling1 引言隨著鋼材市場競爭日趨激烈 , 迫使作為鋼材主要品種之一的中厚板 生產廠家改進生產工藝、降低生產成本、提高產品的質量和產量 , 并開 發高性能、高技術含量和高附加值優質產品。軋后控制冷卻技術在降 低合金元素含量和碳當量 , 從而降低生產成本的同時

5、, 能夠提高鋼材強 韌綜合性能 , 因而被國內外很多軋鋼廠所采用 , 并成為當代軋鋼技術的 重要發展方向之一。日本神戶制鋼公司加古川廠用控軋控冷 KCL法生 產出APIX70鋼板，所采用的控軋終軋溫度為 740780C ,控冷速度為 9C/s,終冷溫度550C,結果抗拉強度提高2050 MPa,屈服強度提高 2030MPa,沖擊韌性也有所提高，而碳當量則從0.37%降至0.28%性能 均勻穩定。馬鋼中板廠則采用控軋控冷方法生產 16MnR容器板、16Mng 鍋爐板以及 ZC-A、 ZC-B 級船板等專用鋼板 ,取得了良好成效。2 軋后控制冷卻對鋼板組織性能的影響眾所周知 ,軋后快冷能比再加熱的

6、等軸奧氏體加速冷卻產生更大的強 韌化效果。在細化鐵素體晶粒的同時使珠光體分布均勻 ,還可消除帶狀 珠光體。對于微合金化鋼 ,調整冷卻速度將對鐵素體晶粒寸和貝氏體含 量有明顯影響。一般認為 ,控軋后的快冷會增加鋼板的強度而不損害脆 性轉化溫度 ,脆性轉化溫度取決于快冷前的控制軋制效果。加速冷卻使 強度增加的原因是晶粒細化、貝氏體數量增加和微量元素碳化物的沉 淀強化的結果。而脆性轉化溫度 FATTC）則受多種因素的影響，如下式 所示2 FATT二A-Bd-1/2+C%pt+D%isi+Efsp（1）,式中 A、B、C、D、E常 數;d 鐵素體晶粒直徑；鈿、si沉淀和亞結構強化fsp第二相如珠 光體

7、和貝氏體的體積分量。軋后快冷對脆性轉變溫度的影響是通過晶 粒細化而實現的。這一改善通常會被其它強化機制所抵銷。冷速太高 , 往往使脆性轉變溫度升高 ,這是由于低溫相變產物貝氏體數量增多而引 起的。快速冷卻的停止溫度決定了生成貝氏體的數量 ,因此影響鋼材的 強韌性。根據有關文獻介紹2,3,含鈮鋼快冷停止溫度在450C以上時，鋼 的韌性變化不大,而在450C以下韌性急劇惡化。當前，西歐、日本和少 數發展中國家推行熱機械軋制 ,精軋在非再結晶溫度區 ,以大變形量軋 制后,水淬強化冷卻 ,得到最細的鐵素體和貝氏體組織 ,從而顯著提高了 鋼材的綜合性能。德國蒂森鋼鐵公司生產的海洋石油工程用鋼板采用 鈮微

8、合金化鋼 ,最后一道次軋完后 ,鋼板通過水冷直接進行淬火強化冷 卻（冷卻速度為15 C /s）,為避免產生高的硬化組織，強冷的終止溫度為 550C左右。這種軋制技術生產的鋼板屈服強度比普通熱機械軋制的鋼 材高50 MPa,比正火狀態鋼材高150 MPa,并且在提高強度的同時可降低合金含量 ,減少生產成本 ; 在規定的屈服強度下降低碳當量 ,改善焊接 性能。日本的住友、川崎 ,盧森堡的 Arbed Differdage 工廠采用該技術 , 于 20 世紀 80 年代后期生產出了最低屈服強度為 420 MPa 和 355 MPa 的海上采油平臺用鋼。3 冷卻方式(1) 高壓噴嘴冷卻。水以一定壓力從

9、噴嘴噴出 ,水流連續呈紊流狀態噴到 鋼板表面。這種冷卻方法穿透性好 ,一般在水氣膜比較厚的條件下采用。 但是這種冷卻方式用水量大、水飛濺厲害、冷卻不均勻、水質要求高、 噴嘴易被堵住、水的利用率較低。(2) 噴淋冷卻。將水加壓 ,由噴嘴噴出的水 ,超過連續噴流的流速 ,水流破 斷形成液滴沖擊被冷卻的鋼板表面。這種噴嘴冷卻能力大,冷卻較為均勻,但是需要更高的水壓、冷卻能力的調節范圍較窄 ,且對水質要求高。(3) 層流冷卻。水以較低壓力從水嘴口自然連續流出 ,形成平滑水流。水 流落到鋼板表面后在一段距離內仍保持平滑層流狀態 ,可獲得很強的冷 卻能力,冷卻均勻。目前鋼板熱軋后的層流冷卻一般采用管層流

10、(U 形管 層流)和板層流 (水幕冷卻 )兩種方式。水幕冷卻水量大、冷卻效果強 ,但 是不易控制和調節 ;管層流冷卻對鋼板冷卻比較緩和、 均勻 ,冷卻區較長 , 容易控制冷卻參數。(4) 霧化冷卻。用加壓的空氣使水霧化而冷卻鋼板。這種冷卻方法冷卻 均勻、調節范圍大 ,可以實現單獨風冷、弱水冷、噴水冷。缺點是要有 風、水兩套系統 ,并且設備費用高 ,線路復雜、噪音大、車間霧氣大、設 備易腐蝕。4 控制冷卻4.1 中厚板控制冷卻中厚板控制冷卻設備的型式及冷卻方式各不相同。目前國內中厚板廠所采用的控制冷卻方主要有以下幾種方式見表一。表1國內-弊融采鮒控冷方式和裝置輔五廠踰戕上笹二幅中機上水椰SIS水

11、幕水幕下水桶水聶比壓購水幕安馳點勰屁脯前帶詬/嘶前勰樂熾前由于普通層流冷卻能力有限，為了滿足卷取溫度需要，國內外部分 熱軋帶鋼和中厚板生產線相繼開發并使用超快速冷卻(UFC)技術，此技術可實現短時、快速、準確達到目標冷卻溫度的目的，是研制開發 雙相鋼、多相鋼、復相鋼、超級鋼、相變誘導塑性鋼、鐵素體區熱軋 無間隙原子鋼的有效手段，與傳統層流冷卻相配合完成熱軋板帶和中 厚板的控制冷卻，通過控制鐵素體分布以及細化珠光體片層間距，在不 降低終軋溫度的同時，取得優良的力學性能、焊接性能，既節省資源和 能源，又有利于鋼鐵材料的循環利用。從冷卻能力看，普通管層流最大 冷卻速度一般為25 C /s,最快不會超

12、100 C/s,而UFC對熱軋帶鋼 的平均冷卻速度至少也有 100 C /s。如今，人們已將通過軋后控制冷 卻來改善軋件的性能做為熱軋產品開發的常用手段。4.2熱軋帶鋼冷卻技術自第一套層流冷卻系統應用于熱軋帶鋼生產以來，軋后控制冷卻技 術得到迅速發展：一是工藝技術的發展，體現在冷卻工藝和層流冷卻 裝置的進步；二是控制技術的發展，體現在控制模型、控制策略的進 步。出現的先進的技術包括：(1 )在普通層流冷卻的基礎上增加了加強型層流冷卻段ILC ,Intensive Laminar Cooling 或超快速冷卻裝置 UFC, Ultra Fast Cooling, 使冷卻速度提高了 510倍，滿足

13、了不同鋼種的生產、開發要求，特 別是多相鋼、超強鋼、超細晶粒鋼等冷卻需求，獲得了很好的細晶強 化和析出強化效果。（2）較先進的層流冷卻裝置采用細化精調段，可以實現單獨控制一排 鵝頸管，使熱軋帶卷曲溫度控制在土2C。（3）新型層流冷卻裝置采用水塔供水加機旁高位水箱的結構方式，穩 定了噴嘴處壓力，達到了提高冷卻效率和冷卻效果的目的。水塔供水 可以節能，采用較小的泵就可以獲得短期的大水量。根據冷卻水最大 耗水量和水泵供水能力的差值可確定水塔容積，在層流冷卻控制閥門 頻繁開閉和供水系統壓力波動的情況下可以采用機旁高位水箱來穩定 噴嘴壓力。進加熱制度等措施，加強對熱軋原料板形的控制，嚴格控 制中浪、邊浪

14、等浪形缺陷 5 ；同時，冷軋廠經過優化拉矯機拉矯量、彎 輥調節、張力調節、軋輥傾斜調節等措施優化板形，保證了冷硬卷良 好的板形，從而減少在退火過程由于鋼卷層間應力分布不均程度帶來 的粘結現象。4.2.1 提高帶鋼表面粗糙度 表面粗糙度越低的帶鋼經罩式退火爐退火后，越容易產生粘結。目 前柳鋼冷軋機組末機架采用光輥軋制，帶鋼表面的粗糙度 Ra 通常為 0.20.3卩m,鋼卷層間接觸點的數量多、間隙小。一方面由于鋼卷層 間接觸點的數量多，加大了鋼板表面原子相互擴散滲透的幾率；另一 方面,鋼卷層間間隙過小,在退火過程不利于帶鋼傳熱,鋼卷的內外 溫差大,徑向熱應力增加,容易產生粘結。在生產實踐過程,由于

15、沒 有條件使用毛化工作輥,為提高帶鋼表面粗糙度,通過提高工作輥磨 削粗糙度來實現,軋輥粗糙度 Ra 由 0.30.5um 提高到 0.50.8 um。帶鋼表面粗糙度有一定提高，增大了鋼卷層間間隙，也增強了爐 內鋼卷的熱輻射,提高了鋼卷內部溫度場的均勻性,少溫度差帶來的熱應力。422優化卷取張力控制連軋機卷取張力過大將直接增大鋼卷在退火過程層間的壓應力，經 高溫保溫后，會加大粘結的幾率；另外，張力波動，帶鋼容易易產生 局部浪形，增加鋼卷局部粘結的幾率。優化后卷取張力控制見表2表2冷軋廠典型厚度規格的卷取張力值成品厚度 血m0.50.81.01.2卷取張力/(N *1111113464240385

16、超快速冷卻(UFC )技術的發展為了滿足控制冷卻的需求，荷蘭Hoogove ns-UGB廠開發出世界上第1套超快速冷卻實驗設備。該設備冷卻區段總長1.4 m,由3組集 管組成，冷卻水量1 000 m3/h。冷卻效率高、效果好，水流密度6070 l/m2 s時，1.5 mm厚帶鋼冷卻速度可達 900 °C /s。20世紀80年 代，為滿足鋼種開發需求，日本在工業化大生產過程中提出了OLAC(On- LineAccelerated Cooling )控冷方式，且日本 JFE公司最先將該 技術成功應用于厚板生產。20世紀90年代初期，比利時CRM研究 所開發出超快速冷卻(UFC, ultr

17、a fast cooling)裝置，在CRM中厚板 廠應用成功。水流密度 6070 l/m2 s時，6.3 mm厚帶鋼冷卻速度可 達250500 C /s。此后在世界范圍內掀起超快速冷卻技術的研發熱潮。至20世紀90年代中期，日本JFE公司在新產品帶鋼對軋后冷卻速 度要求越來越快的形勢下開發熱扎帶鋼軋后控制冷卻技術出超級加速 冷卻Super-OLAC技術并成功應用于熱帶鋼生產，3 mm厚帶鋼冷卻速度可達700 C/s。超快速冷卻研究在國內的起步較晚，與國外相比還存在一定差距。但近年來，超快速冷卻在國內的研發力度越來越大 且已初見成效。北京科技大學開發的快速冷卻系統在武鋼和舞鋼的現 場使用取得了

18、良好效果，其局限性在于所采用的還是層流冷卻原理； 東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室(RAL)開發的高冷速系統，與國外同類設備冷卻效果相當，覫 20 mm棒材的冷卻速度已 達到 200 C /s。6系統工藝6.1系統工藝布置軋板廠軋后控制冷卻系統的工藝布置主要分為：雙機架精軋機、機后 待溫區、控冷區、返紅區、矯直機：%列舉3 500 mm軋機生產線控冷系統主要設備及工藝布置如圖1所示lb 17 円 20211223o112 I ' 1(81 -UQffiS軋機;2.5*8.10一待姑恫熱金局檢測計；仁9一持辿區商監訃.4軋機機后吹掃裝置;II. I2-17JS-控冷人口出口上F

19、rHjM計；13，" 控冷世人口出口畋Fl製餐；14 一控冷像管I戈一側唏製就:19,21 返置區熱金睛檢彌計20 返虹式測溫悅;立一返紅區高溫計43矯宜機.圖13 500 mm軋機生產線控冷系址上要設備及工藝布胃(1) 軋后待溫區在精軋機出口輥道上，安裝了吹掃裝置，其功能是吹掃掉軋后鋼板表面的熱水膜和蒸汽膜，以便于測厚儀精確測量板材厚度。(2) 控冷區控冷區在軋后待溫區與鋼板返紅區之間。控冷區入口距精軋機中心線72 m，由36組集管和調寬裝置、19組側噴裝置、2組吹掃裝置和 1 個高位水箱等設備組成。( 3) 返紅區返紅區在控冷區與矯直機之間。此時鋼板處于自然冷卻狀態，鋼板 中心部

20、熱量向表面部分傳導，于是鋼板表面返紅。當鋼板運到矯直機 時，鋼板內外溫度基本一致，在此處檢測的溫度作為鋼板的實際溫度。 6. 2 控冷區域主要設備 控冷區域主要設備由輔助設備、 檢測裝置和各種控制裝置三大類組成。(1) 輔助設備。包括高位水箱及配套水泵、冷卻塔、過濾器和提供循環 供水的中位水箱 ; 還包括提供閥門動力和吹掃氣源的氣動裝置。(2) 檢測裝置。包括水溫計、水位儀、遠紅外測溫儀、電磁流量計、熱 金屬檢測器和編碼器等設備。(3) 流量控制裝置。由流量調節閥和電磁流量計共同控制完成。(4) 吹掃控制裝置。在控冷區的入、出口處各安裝吹掃控制裝置，用于 將鋼板表面上的積水和蒸汽膜吹掃掉，有效保護冷卻區內設置的電氣 儀表，并可以檢測到更加精確的實用數據。(5) 側噴控制裝置。 在控冷區輥道的內部兩側裝有側吹噴嘴， 用于把鋼 板表面的積水噴吹掉，這樣每組控制集管的冷卻效率會得以提高，還 可實現不同的冷卻工藝要求。(6) 冷卻控制裝置。冷卻裝置包括由 U 型管及圓管噴嘴組