新一代超快冷控制軋制和控制冷卻技術(shù)

1下一代tpng-tp1.1鐵素體晶粒越細(xì)對(duì)實(shí)際晶粒硬化的作用控制壓迫和冷卻技術(shù)，即tcm，是20世紀(jì)鋼鐵工業(yè)最重要的成就之一。通過(guò)th技術(shù)，鋼鐵工業(yè)能夠不斷向社會(huì)提供更好的鋼鐵材料，以支持人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步。控制軋制和控制冷卻技術(shù)的核心是晶粒細(xì)化和細(xì)晶強(qiáng)化·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(rèn)識(shí)到的是控制軋制·所謂控制軋制,是對(duì)奧氏體硬化狀態(tài)的控制,即通過(guò)變形在奧氏體中積累大量的能量,在軋制過(guò)程中獲得處于硬化狀態(tài)的奧氏體,為后續(xù)的相變過(guò)程中實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化做準(zhǔn)備·硬化的奧氏體內(nèi)存在大量的“缺陷”,例如變形帶、位錯(cuò)、孿晶等,它們是相變時(shí)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(xì)·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(jié)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(chǔ)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(jié)晶溫度,使奧氏體在比較高的溫度即處于未再結(jié)晶區(qū),因而便于利用常規(guī)的軋制(溫度)制度實(shí)現(xiàn)奧氏體的硬化·為了突破控制軋制的限制,同時(shí)也是為了進(jìn)一步強(qiáng)化鋼材的性能,在控制軋制的基礎(chǔ)上,又開(kāi)發(fā)了控制冷卻技術(shù)·控制冷卻的核心思想,是對(duì)硬化奧氏體的相變過(guò)程進(jìn)行控制,以進(jìn)一步細(xì)化鐵素體晶粒,以及通過(guò)相變強(qiáng)化得到貝氏體等強(qiáng)化相,進(jìn)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(jià)的合金元素”這樣一句話·作為控制冷卻的極限結(jié)果,DQ(directquench)的作用早已為人們所認(rèn)識(shí)·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(wèn)題一直沒(méi)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(jié)晶溫度,利于保持奧氏體的硬化狀態(tài),同時(shí)也為了對(duì)硬化狀態(tài)下奧氏體的相變過(guò)程進(jìn)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(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(qiáng)化了奧氏體的硬化狀態(tài)·應(yīng)當(dāng)注意的是,微合金元素的加入,甚至合金元素的加入,會(huì)提高材料的碳當(dāng)量·顯然,這會(huì)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(qiáng)化奧氏體外,還經(jīng)常會(huì)以碳氮化物的形式析出,對(duì)材料進(jìn)行沉淀強(qiáng)化,從而對(duì)材料強(qiáng)度的提高做出貢獻(xiàn)·例如Nb通常在800～950℃的溫度區(qū)間內(nèi),在進(jìn)行材料變形的同時(shí),析出Nb的碳氮化物,即產(chǎn)生所謂“形變誘導(dǎo)析出”,一方面提高了材料的再結(jié)晶溫度,另一方面也強(qiáng)化了材料本身·采用“低溫大壓下”,與人們長(zhǎng)久以來(lái)形成的“趁熱打鐵”的觀念背道而馳·它必然受到設(shè)備能力等的限制,操作方面的問(wèn)題也自然不容回避·為了實(shí)現(xiàn)“低溫大壓下”,人們需要付出代價(jià)·長(zhǎng)期以來(lái),為此而大幅提升軋制設(shè)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(chǎn)品tmcp社會(huì)的高速發(fā)展,使人類(lèi)面臨越來(lái)越嚴(yán)重的資源、能源短缺問(wèn)題,承受著越來(lái)越大的環(huán)境壓力·人類(lèi)必須解決這些問(wèn)題才能與自然和諧發(fā)展,保持人類(lèi)社會(huì)的長(zhǎng)治久安和子孫后代的幸福安康·針對(duì)這樣的問(wèn)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·具體到TMCP技術(shù)本身,必須堅(jiān)持減量化的原則,即采用節(jié)約型的成分設(shè)計(jì)和減量化的生產(chǎn)方法,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NG-TMCP·1.2.1高溫、高溫和高壓力制氫耦合過(guò)程熱連軋過(guò)程通常是高速連續(xù)大變形的軋制過(guò)程,即使軋制溫度較高,在連軋過(guò)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(jī)上,即使不用“低溫大壓下”,也可以實(shí)現(xiàn)奧氏體的硬化·由于連軋中的連續(xù)大變形和應(yīng)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(gè)重要特點(diǎn)是“高溫”軋制過(guò)程(HTP)·這個(gè)“高溫”只是相對(duì)于“低溫大壓下”而言的“高溫”,實(shí)際上通常采取正常軋制溫度,而不必采用接近相變點(diǎn)的較低溫度·新一代的TMCP采用適宜的正常軋制溫度進(jìn)行連續(xù)大變形,在軋制溫度制度上不再堅(jiān)持“低溫大壓下”的原則·所以,與“低溫大壓下”過(guò)程相比,軋制負(fù)荷(包括軋制力和電機(jī)功率)可以大幅度降低,設(shè)備條件的限制可以大為放松,軋機(jī)等軋制設(shè)備的建設(shè)不必追求高強(qiáng)化,建設(shè)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(shí)也延長(zhǎng)了軋輥、導(dǎo)衛(wèi)等軋制工具的壽命·這對(duì)于提高產(chǎn)量、降低成本是十分有利的·對(duì)于一些原來(lái)需要在粗軋和精軋之間實(shí)施待溫的材料,有可能通過(guò)超快速冷卻的實(shí)施而不再需要待溫,或者提高待溫的溫度,這對(duì)于提高生產(chǎn)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(gè)問(wèn)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(huì)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(kāi)始溫度之間的冷卻過(guò)程中,應(yīng)努力設(shè)法避免硬化奧氏體的軟化,即設(shè)法將奧氏體的硬化狀態(tài)保持到動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)·近年出現(xiàn)的超快速冷卻技術(shù),可以對(duì)鋼材實(shí)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(shí)間內(nèi),迅速通過(guò)奧氏體相區(qū),將硬化奧氏體“凍結(jié)”到動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)附近·這就為保持奧氏體的硬化狀態(tài)和進(jìn)一步進(jìn)行相變控制提供了重要基礎(chǔ)條件·在國(guó)外,比利時(shí)的CRM率先開(kāi)發(fā)了超快速冷卻(UFC)系統(tǒng),可以對(duì)4mm的熱軋帶鋼實(shí)現(xiàn)400℃/s的超快速冷卻·日本的JFE福山廠開(kāi)發(fā)的SuperOLACH系統(tǒng),應(yīng)用于熱軋帶鋼軋機(jī),可以對(duì)3mm的熱軋帶鋼實(shí)現(xiàn)700℃/s的超快速冷卻·國(guó)內(nèi),東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(RAL)開(kāi)發(fā)的帶材高冷速系統(tǒng)也可以達(dá)到相似的冷卻效果·RAL開(kāi)發(fā)的棒材超快速冷卻系統(tǒng)對(duì)20mm直徑的棒材,可以實(shí)現(xiàn)400℃/s的超快速冷卻·對(duì)板帶材而言,確保高速冷卻條件下的平直度,是一個(gè)關(guān)鍵性、瓶頸性的問(wèn)題·RAL已經(jīng)針對(duì)熱帶和中厚板生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)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(shí)的冷卻均勻性這一瓶頸,實(shí)現(xiàn)板帶材全寬、全長(zhǎng)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冷卻條件的控制軋后鋼材由終軋溫度急速快冷,迅速穿過(guò)奧氏體區(qū),達(dá)到快速冷卻條件下的動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)·在軋件達(dá)到預(yù)定的溫度控制點(diǎn)后,應(yīng)當(dāng)立即停止超快速冷卻·由于超快速冷卻的終止點(diǎn)對(duì)后續(xù)相變過(guò)程的類(lèi)型和相應(yīng)的相變產(chǎn)物有重要影響,所以需要精確控制超快速冷卻的終止點(diǎn)·通過(guò)控制冷卻裝置的細(xì)分和精細(xì)調(diào)整手段的配置,以及高精度的預(yù)控?cái)?shù)學(xué)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(shí)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(jìn)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(gè)特點(diǎn),有可能利用簡(jiǎn)單的成分設(shè)計(jì)獲得不同性能的材料,實(shí)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(qiáng)化仍然是可以利用的重要強(qiáng)化手段·這樣一來(lái),再與固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等手段互相配合,新一代的TMCP將在提高材料的強(qiáng)度、改善綜合性能、滿足人類(lèi)對(duì)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(shí)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(guò)程的控制,完全可以達(dá)到TMCP控制的目標(biāo)·2ng-tp的加強(qiáng)機(jī)制2.1金屬原子強(qiáng)化固溶強(qiáng)化是普遍采用的強(qiáng)化機(jī)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(qiáng)度;而Mn,Cu,Ni,Cr等金屬原子,通過(guò)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(qiáng)度·這兩種情況分別被稱(chēng)為間隙固溶和置換固溶·在熱軋過(guò)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(jī)設(shè)計(jì)中,應(yīng)當(dāng)考慮固溶強(qiáng)化對(duì)變形抗力的貢獻(xiàn),并在軋機(jī)設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的強(qiáng)化措施·對(duì)于C-Mn鋼,固溶強(qiáng)化是主要的強(qiáng)化機(jī)制·2.2材料的細(xì)晶強(qiáng)化控制軋制和控制冷卻技術(shù)主要是針對(duì)HSLA鋼,通過(guò)添加微合金元素提高鋼材的再結(jié)晶溫度,擴(kuò)大未再結(jié)晶區(qū),在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行低溫大壓下,使材料內(nèi)部形成大量的變形帶、亞晶、位錯(cuò)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(nèi)部大量形核,因而可以大幅度細(xì)化材料的晶粒,實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化·在材料中添加微合金元素,特別是Nb,會(huì)在800～950℃的溫度區(qū)間由于變形的誘導(dǎo)而大量析出微合金元素的碳氮化物,從而提高材料的再結(jié)晶溫度,強(qiáng)化材料的硬化效果·對(duì)于HSLA鋼來(lái)說(shuō),細(xì)晶強(qiáng)化是主要的強(qiáng)化方式·當(dāng)采用NG-TMCP時(shí),盡管材料是在較高的溫度下完成熱變形過(guò)程,但是變形后的短時(shí)間內(nèi),材料還來(lái)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(duì)它實(shí)施超快速冷卻,就可以將材料的硬化狀態(tài)保持下來(lái),在隨后的相變過(guò)程中,保存下來(lái)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(qiáng)化效果·2.3碳氮化物的2.2響應(yīng)面在鋼中添加微合金元素和合金元素,會(huì)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(qiáng)度,這稱(chēng)為析出強(qiáng)化·析出強(qiáng)化的效果與析出相數(shù)量、顆粒尺寸等因素有關(guān),在各類(lèi)鋼中都有應(yīng)用·自從開(kāi)發(fā)HSLA鋼成功以來(lái),析出強(qiáng)化在材料高強(qiáng)化方面的作用也日益顯著,目前析出強(qiáng)化已經(jīng)成為材料強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的增加值,MPa;f為碳氮化物的體積分?jǐn)?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(qiáng)度的提高值越大·采用傳統(tǒng)的控軋控冷工藝時(shí),含鈮的HSLA鋼通常會(huì)在熱加工溫度范圍內(nèi),即800～950℃的溫度區(qū)間,由于變形誘導(dǎo)析出鈮的碳氮化物,因而可能由于析出而提高材料的強(qiáng)度·但是,在采用NG-TMCP時(shí),材料在比較高的溫度被加工成形,在通常形變誘導(dǎo)析出的溫度范圍,被迅速冷卻通過(guò)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(dāng)?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(jìn)行空冷,此時(shí)碳氮化物可能由于很大的析出驅(qū)動(dòng)力而在鐵素體晶內(nèi)大量、微細(xì)、彌散地析出,使鐵素體基體得到強(qiáng)化,大幅度提高材料的強(qiáng)度水平·因此,采用NG-TMCP技術(shù),可以更好地發(fā)揮鈮等微合金元素的強(qiáng)化作用,發(fā)揮合金元素的強(qiáng)化效果·2.4材料的強(qiáng)化ahss相變強(qiáng)化又稱(chēng)組織強(qiáng)化,它是通過(guò)相變過(guò)程改變鋼材的組織組成,從而提高鋼材強(qiáng)度的一種強(qiáng)化方法·鋼鐵材料的一個(gè)重要特點(diǎn),是在冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相變·如果對(duì)冷卻條件加以控制,即對(duì)相變過(guò)程進(jìn)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(qiáng)度·硬相所占的比例不同,就能得到不同的材料強(qiáng)度水平·相變強(qiáng)化正是利用了鋼鐵材料的這一特點(diǎn)·先進(jìn)高強(qiáng)鋼(AHSS)、超高強(qiáng)鋼主要是通過(guò)相變來(lái)獲得含有硬相馬氏體、貝氏體的復(fù)相組織,從而實(shí)現(xiàn)材料的強(qiáng)化·即使使用相同的材料化學(xué)成分和相同的軋制條件,但是冷卻過(guò)程不同,即采用不同的冷卻路徑,也會(huì)得到不同的組織,因而會(huì)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(kāi)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(kāi)始溫度,隨后進(jìn)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(dāng)析出一定體積分?jǐn)?shù)的鐵素體之后,例如85%,對(duì)材料進(jìn)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(diǎn)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(fù)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(zhuǎn)變溫度區(qū)間,則剩余的奧氏體可以全部或者部分轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w;如果剩余奧氏體部分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w,則得到鐵素體和貝氏體組成的復(fù)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(wèn)題,超快速冷卻具有一定的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)當(dāng)是首選·前部超快冷有利于鐵素體晶粒的細(xì)化,同時(shí)也有利于鐵素體的快速析出,這對(duì)于縮短熱連軋機(jī)輸出輥道的長(zhǎng)度是有利的·后部超快冷更有利于馬氏體相變·所以,在實(shí)施NG-TMCP的過(guò)程中,如果能夠發(fā)揮超快冷的優(yōu)勢(shì),對(duì)冷卻路徑進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?則可以在更大的范圍內(nèi),按照人們的需要對(duì)材料的組織和性能進(jìn)行更有效的控制,甚至開(kāi)發(fā)出全新的軋制過(guò)程·3在先進(jìn)快速冷卻的行業(yè)3.1u3000冷卻工藝設(shè)計(jì)在熱軋帶肋鋼筋的精軋連軋過(guò)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,軋件的奧氏體組織產(chǎn)生強(qiáng)烈大變形,形成細(xì)的、強(qiáng)烈硬化的、具有大量缺陷的奧氏體晶粒·對(duì)上述奧氏體施以高強(qiáng)度的快速冷卻,直到相變溫度點(diǎn)附近,從而保持奧氏體的硬化狀態(tài),并抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大·細(xì)小的奧氏體晶粒在適當(dāng)?shù)睦鋮s條件下,轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я４笮∵m度的鐵素體和珠光體,在提高鋼筋屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的同時(shí),也使其屈強(qiáng)比降低·實(shí)現(xiàn)熱軋帶肋鋼筋軋后超快速冷卻的關(guān)鍵工藝設(shè)備是超快冷水冷器(圖2),水冷器由多節(jié)冷卻管組成,總長(zhǎng)度一般不大于20m,在軋速小于20m/s時(shí),水冷器總長(zhǎng)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(yùn)動(dòng),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(chǎn)品上冷床后彎曲、小規(guī)格堵鋼的問(wèn)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(wèn)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(shí)間短,水冷器還是具有前段強(qiáng)冷和后段強(qiáng)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(guò)調(diào)節(jié),可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的屈強(qiáng)比·國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的余熱淬火水冷器,需要進(jìn)行改造,才可以提高冷卻效率,實(shí)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(shè)備,不需降低作業(yè)率,不需低溫軋制,不需余熱淬火·由于強(qiáng)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335MPa級(jí)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增設(shè)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(guò)程,即使在較高的溫度下,也可以通過(guò)連續(xù)大變形和應(yīng)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(jī)上,即使不用“低溫大壓下”,也可以實(shí)現(xiàn)奧氏體的硬化·圖3所示為Q235鋼熱連軋過(guò)程中發(fā)生再結(jié)晶的模擬計(jì)算結(jié)果,可見(jiàn)在熱連軋的后部道次再結(jié)晶軟化受到了極大的抑制·現(xiàn)在的關(guān)鍵是,盡快開(kāi)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(dòng)態(tài)相變點(diǎn),避免硬化奧氏體的軟化·RAL針對(duì)熱軋帶鋼軋機(jī)層流冷卻存在的問(wèn)題,向企業(yè)提出對(duì)熱軋帶鋼軋機(jī)層流冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造,增設(shè)超快冷裝置,以適應(yīng)新一代TMCP技術(shù)發(fā)展的需要·開(kāi)發(fā)的第一套垂直噴射式熱帶超快速冷卻實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)應(yīng)用于包鋼CSP生產(chǎn)線冷卻段的后部(卷取機(jī)之前),利用該套裝置已經(jīng)生產(chǎn)出550,600MPa級(jí)的雙相鋼,供應(yīng)汽車(chē)廠生產(chǎn)卡車(chē)車(chē)輪、車(chē)梁、轎車(chē)車(chē)輪等產(chǎn)品·攀枝花鋼鐵公司1450熱連軋機(jī)的精軋出口增設(shè)超快速冷卻裝置,投運(yùn)后證實(shí)了該裝置具有更好的冷卻特性,已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)Q235,Q345升級(jí)和部分高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)·吸取前兩套超快冷裝置的經(jīng)驗(yàn),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(jìn)行安裝,相應(yīng)的品種開(kāi)發(fā)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,鋼種包括普通碳錳鋼、HSLA鋼、高強(qiáng)鋼、管線鋼等·圖4所示為漣鋼2250熱連軋生產(chǎn)線上可以實(shí)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?chē)娚涫絿娮旎旌吓渲?冷卻水具有一定的壓力,以一定的角度沿軋件運(yùn)動(dòng)方向,噴射到帶鋼上·傾斜布置的噴嘴,可以對(duì)鋼板全寬實(shí)行均勻的“吹掃式”冷卻,掃除鋼板表面存在的氣膜,達(dá)到全板面的均勻核沸騰,不僅可以大大提高冷卻效率,實(shí)現(xiàn)高速率的超快速冷卻,而且可以突破高速冷卻時(shí)冷卻均勻性這一瓶頸問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)板帶材全寬、全長(zhǎng)上的均勻化的超快速冷卻,因而可以得到平直度極佳的無(wú)殘余應(yīng)力的帶材產(chǎn)品·為了對(duì)超快冷部分進(jìn)行高精度的控制,上下集管的供水系統(tǒng)除了使用開(kāi)閉閥之外,還配置了冷卻水流量控制系統(tǒng),可以對(duì)上下集管的水量進(jìn)行精準(zhǔn)的控制·超快冷的控制系統(tǒng)已經(jīng)融入到軋機(jī)整個(gè)控制冷卻系統(tǒng)之中,通過(guò)高精度數(shù)學(xué)模型的開(kāi)發(fā)、前饋預(yù)控和反饋控制的結(jié)合以及控制冷卻裝置硬件的細(xì)分,可以對(duì)帶鋼的冷卻進(jìn)行高精度的控制,精確控制超快速冷卻的終止點(diǎn)·目前尚有幾套2000mm以上寬度的熱連軋機(jī)考慮采用超快冷裝置,以利于減量化和高強(qiáng)化品種的研發(fā)與生產(chǎn)·3.3超快速冷卻系統(tǒng)中厚板軋機(jī)與連續(xù)式軋機(jī)不同,是可逆式軋制,且軋后冷卻系統(tǒng)與軋機(jī)的距離較遠(yuǎn),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(shí)現(xiàn)新一代TMCP的功能,提高中厚板產(chǎn)品的質(zhì)量·為了解決冷卻均勻性和高冷卻速率的問(wèn)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(diǎn)是避開(kāi)了過(guò)渡沸騰和膜沸騰,實(shí)現(xiàn)了全面的核沸騰,具有可達(dá)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?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(dá)到鋼板和冷卻水之間的完全接觸,實(shí)現(xiàn)核沸騰·這不僅提高了鋼板和冷卻水之間的熱交換,達(dá)到較高的冷卻速率,而且可以實(shí)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(cāng)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(qiáng)的冷卻能力,同時(shí)又具有很好的冷卻均勻性,所以它既可以實(shí)現(xiàn)加速冷卻,又可以實(shí)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(xué)RAL在開(kāi)發(fā)成功中厚板輥式淬火機(jī)的基礎(chǔ)上,吸取淬火機(jī)的優(yōu)點(diǎn),提出了應(yīng)用于中厚板軋機(jī)的超快速冷卻系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)方案·該方案由約20m長(zhǎng)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(shè)備改造時(shí)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(zhǎng)度約8～10m;后部采用傳統(tǒng)ACC系統(tǒng),長(zhǎng)度保持不變·2007年開(kāi)始,與河北石家莊敬業(yè)鋼鐵公司(民營(yíng)企業(yè))合作,在其3000中厚板軋機(jī)上裝設(shè)UFC+ACC的新式冷卻系統(tǒng),目前已經(jīng)投入運(yùn)行調(diào)試(圖6)·鞍鋼已經(jīng)決定,在其4300中厚板軋機(jī)上采用全新的UFC+ACC冷卻系統(tǒng),首秦4300中厚板軋機(jī)則在其引進(jìn)硬件系統(tǒng)中預(yù)留DQ裝置的位置上裝設(shè)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超快冷系統(tǒng),與原有的ACC系統(tǒng)配合,為實(shí)施新一代TMCP作設(shè)備條件的準(zhǔn)備·3.4我國(guó)h型鋼超快冷系統(tǒng)的開(kāi)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(shè)長(zhǎng)度,同時(shí)翼緣和腹板冷卻條件不同,會(huì)造成不同部分極大的溫差,所以我國(guó)H型鋼軋機(jī)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(jī)的技術(shù)進(jìn)步和高附加值減量化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)·目前,東北大學(xué)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(shì),對(duì)翼緣和腹板等不同部位的冷卻裝置進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì),開(kāi)發(fā)H型鋼超快冷系統(tǒng)·相信通過(guò)產(chǎn)學(xué)研的密切合作,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的H型鋼超快冷系統(tǒng)將取得突破,為我國(guó)H型鋼的升級(jí)換代作出貢獻(xiàn)·4基于ng-tp的創(chuàng)新和遏制過(guò)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(chē)用高強(qiáng)鋼,傳統(tǒng)的雙相鋼生產(chǎn)需要100m甚至更長(zhǎng)的層流冷卻系統(tǒng),需要采用價(jià)格比較昂貴的合金進(jìn)行成分設(shè)計(jì),這在一定程度上限制了雙相鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用·RAL在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上,與包鋼合作,在包鋼CSP短流程生產(chǎn)線上增設(shè)超快速冷卻裝置,利用普通碳錳鋼軋制出540MPa級(jí)和590MPa級(jí)的雙相鋼·雙相鋼中鐵素體析出量決定其塑性和強(qiáng)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?jǐn)?shù)接近飽和后,繼續(xù)增加時(shí)間,鐵素體體積分?jǐn)?shù)基本不變,因而其工藝“窗口”變寬·鐵素體體積分?jǐn)?shù)接近飽和值所需時(shí)間也是一個(gè)重要的參數(shù),這一時(shí)間越短,在輸出輥道上的長(zhǎng)度越短·對(duì)于γ→α相變,當(dāng)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(zhǎng)大所需時(shí)間必然減少,因此,可以利用細(xì)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(lái)減少鐵素體體積分?jǐn)?shù)接近飽和值所需時(shí)間·4.2轉(zhuǎn)化超快冷技術(shù)GCr15軸承鋼在軋后奧氏體狀態(tài)下的冷卻過(guò)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(zhuān)用棒材軋機(jī)后裝設(shè)了超快冷裝置,對(duì)軋件實(shí)行超快冷卻·通過(guò)這一措施,可以使材料迅速通過(guò)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(xì)小析出,從而達(dá)到破除網(wǎng)狀碳化物的目的·軋后快速冷卻,過(guò)冷度增大,降低組元的擴(kuò)散系數(shù),可以減小珠光體球團(tuán)直徑和縮小珠光體片層間距,減小二次碳化物尺寸,這對(duì)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(yīng)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(shuō)明超快冷技術(shù)對(duì)于析出過(guò)程的控制是極為有效的·4.3hcla鋼的模糊性傳統(tǒng)控軋過(guò)程中,低溫奧氏體區(qū)產(chǎn)生一定量的沉淀析出,析出物尺寸較大,不利于通過(guò)析出進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)韌性·在NG-TMCP中,使用超快冷使軋件迅速通過(guò)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(jìn)入到鐵素體相變區(qū),沉淀相在鐵素體相中微細(xì)形成,尺寸在2～10nm,可以大幅度地提高鋼材的強(qiáng)韌性·在RAL進(jìn)行了HSLA鋼的傳統(tǒng)TMCP和NG-TMCP兩種軋制試驗(yàn),試驗(yàn)鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(jì)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(jiàn)NG-TMCP明顯細(xì)化了析出物,可以取得更好的析出強(qiáng)化的效果·圖9給出了強(qiáng)度提高的情況·可見(jiàn)采用NG-TMCP與采用傳統(tǒng)TMCP相比,強(qiáng)度水平有明顯的提高·4.4試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分針對(duì)高鋼級(jí)管線鋼,RAL進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)間,加快生產(chǎn)節(jié)奏,提高產(chǎn)量·試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示·表2給出了實(shí)驗(yàn)工藝和材料的力學(xué)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(jiàn),當(dāng)終軋溫度提高到877℃,仍然可以得到滿足要求的力學(xué)性能,這一溫度相較于通常的TMCP工藝,已經(jīng)有顯著的提高,可以減少軋制待溫時(shí)間,提高軋制效率·圖10為試驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.4%的鋼鐵材料在奧氏體變形后快速通過(guò)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間,就會(huì)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·JFE利用0.35%C-0.19%Si-0.75%Mn的材料,采用這種超快冷技術(shù),控制碳化物的形態(tài),提高了材料的擴(kuò)孔性能·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(shí)在鐵素體的基體上,均勻、彌散地分布著微細(xì)的碳化物·這種鋼有較高的力學(xué)性能和良好的擴(kuò)孔性能,在日本和韓國(guó)已經(jīng)應(yīng)用于汽車(chē)制造中·4.6應(yīng)力加熱系統(tǒng)所謂“UFC-DQ”是利用超快冷裝置的DQ功能,實(shí)現(xiàn)軋件的在線淬火·而“OnlineT”的設(shè)備被稱(chēng)為“HOP”(heattreatmenton-lineprocess),是利用大功率電磁感應(yīng)線圈對(duì)DQ后的鋼板進(jìn)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(shè)備,2003年開(kāi)始安裝于JFE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(dá)到4.5m·HOP采用幾臺(tái)高頻電源并聯(lián)式同步傳動(dòng),鋼板內(nèi)部的感應(yīng)發(fā)熱量由通過(guò)線圈的電流精密控制,感應(yīng)發(fā)熱量可以方便地?fù)Q算成熱流量·由感應(yīng)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(shí)現(xiàn)極大能量密度的加熱·該系統(tǒng)安裝于矯直機(jī)之后(圖12)·經(jīng)過(guò)Super-OLAC淬火的鋼板通過(guò)HOP時(shí),利用高效的感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行快速回火,可以對(duì)碳化物的分布和尺寸進(jìn)行控制,使其非常均勻、細(xì)小地分散于基體之上,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)質(zhì)鋼的高強(qiáng)度和高韌性·基于碳化物的微細(xì)、分散、均勻控制,通過(guò)最優(yōu)組織設(shè)計(jì),可以大幅度地提高材料的性能,生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度600～1100MPa級(jí)調(diào)質(zhì)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(guò)去不可能進(jìn)行的在線淬火-回火熱處理,可以依照需要自由的設(shè)計(jì)和實(shí)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(qiáng)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(qiáng)、高韌管線鋼·JFE已經(jīng)完成了多批耐酸氣的X65,X70管線鋼的供貨任務(wù)·利用這種熱處理裝置開(kāi)發(fā)的610MPa級(jí)容器板,可以不進(jìn)行預(yù)熱,實(shí)行大熱輸入量焊接,從而降低客戶的施工成本·在工程機(jī)械領(lǐng)域,用于大型阻尼屏及其加強(qiáng)件的780MPa級(jí)鋼材,可以保證-40℃下的低溫韌性,同時(shí)又具有優(yōu)良的彎曲加工性能,焊接預(yù)熱溫度也可以大幅度降低·吊車(chē)用的抗拉強(qiáng)度1100MPa級(jí)的超高強(qiáng)鋼,可以提高其耐氫脆特性,為用戶合理設(shè)計(jì)和降低施工成本創(chuàng)造了條件·在提高高強(qiáng)厚板質(zhì)量的同時(shí),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(qiáng)厚板的供貨能力也可以超過(guò)1萬(wàn)