1、本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。福昕軟件(0 2005-2008，版權 所有，僅供試用。第 30卷第 7期 2009年7月東北大學學報 (自然科學版 Journal of Northeastern University (Natural ScienceVol 130,No. 7J ul. 2009新一代控制軋制和控制冷卻技術與創新的熱軋過程王國棟(東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室, 遼寧沈陽 110004摘要:針對傳統控制軋制和控制冷卻 (TMCP 技術存在的問題 , 提出了以超快冷為核心的新一代的TMCP 技術, 并詳述了作為實現新一代 TMCP 技術核心手段的超快冷技術的科 學內涵

2、和工業裝備開發情況 ?指出新一代 TMCP 技術綜合采用細晶強化、析出強化、 , 潛力, 節省資源和能 源, 優化現有的軋制過程 , ? 為特征的創新軋制過程的案例 , ? 關 鍵 詞:鋼; 熱 軋; ; :A 100523026(2009 0720913210N ew TMCP and Innovative H ot R olling ProcessW A N G Guo 2dong(The State K ey Laboratory of Rolling and Automation , Northeastern University , Shenyang 110004, China.Co

3、rrespondent :WAN G Guo 2dong , professor , E 2mail :wanggd mail. neu. Abstract :A new 2ge nerati on TMCP (thermo 2mecha ni cal con trol process with ultra fast cooli ng as core tech nique was suggested in stead of the conven ti onal TMCP in which some problems are to be solved. Describes the u

4、ltra fast cooling technique theoretically and releva nt equipme nt developed for commercial applicati ons in detail. With the grain refining , precipitation and phase transformation strengthening , the new 2generation TMCP was verified available to make full use the potential of steels , save resour

5、ces and en ergy and optimize existi ng rolli ng process , thus provid ing ben eficially a susta in able developme nt for iron and steel in dustry. Some examples are give n to show the characteristics of the new 2ge neratio n TMCP in the rolli ng processes of differe nt products especially its broad

6、prospects in application.K ey w ords :steel ; hot rolling ; new generation TMCP ; ultra fast cooling ; stre ngthe ning1 新一代 TMCP (N G 2TMCP1. 1 傳統 TMCP制軋制，是對奧氏體硬化狀態的控制，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的奧氏體，為后續的相變過程中實現晶粒細化做準備 ？硬化的奧 氏體內存在大量的P-!缺陷”例如變形帶、位錯、孿晶等它們是相變時 ？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

7、奧 低溫大壓下”和添加微合金元 低 溫”是為了抑制奧氏體的再結晶 , “大; 壓下 ”則是為了增加硬化奧氏體所儲 ? 增加微 合金元素 , 例如控制軋制和控制冷卻技術 , 即 TMCP , 是 20世紀鋼鐵業最偉大的成就之一 ? 正是因為有了 TMCP 技術, 鋼鐵業才能源源不 斷地向社會提供越來越優良的鋼鐵材料 , 支撐人類社會的發展和進步 ?控制軋制和控制冷卻技術的核心是晶粒細化和細晶強化 1? 在控制軋制和控 制冷卻技術的發展歷程中 , 人們首先認識到的是控制軋制 ? 所謂控收稿日期 :2009205211基金項目:國家高技術研究發展計劃項目 （2003AA33G 010 ?作者簡介:王

8、國棟（1942- , 男, 遼寧大連人, 東北大學教授 , 博士生導師, 中國工程 院院士?914本頁已使用福昕閱讀器進行編輯。福昕軟件（0 2005-2008，版權 所有，僅供試用。東北大學學報 （自然科學版第 30 卷獲得高附加值、可循環的鋼鐵產品 ? 這種 TMCP技術就是以超快冷技術為核心的新一代 TMCP 技術, 即 N G 2TMCP 3 ? 1. 2. 1 HTP 軋制工藝熱連軋過程通常是高速連續大變形的軋制過程 , 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, 在現代的熱連軋機上 , 即 使不用 “低溫大壓下 ”,也可以實現奧氏

9、體的硬化 ? 由于連軋中的連續大變形和應變 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（？這個高溫”“ 溫大壓,?,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

10、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超快速冷卻奧氏體的再結晶溫度rt T x*i!.a1! 14,即處于未再結晶區，度？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 （direct quench的作用

11、早已為人們所認識？但是, 其潛在的能力一直未得到發揮，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？, 化狀態 , , ? 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間位于未再結晶區 , 這大大強化了奧氏體的硬化狀態 ? 應當 注意的是加入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800950C的溫度區間內，在進行材料 變形的同時，析出Nb的碳氮化

12、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 “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 NG 2TMCP 的基本概念社會的高速發展 , 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 大的環境壓力 ? 人類必須解決這些問題才能與自然和諧發展 , 保持人類社會的長治 久安和子孫后代的幸福安康

13、?針對這樣的問題 , 在制造業領域 , 人們提出了 4R 原則, 即減量化、再循環、再 利用、再制造2?具體到TMCP技術本身,必須堅持減量化的原則，即采用節約型 的成分設計和減量化的生產方法 ,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? 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 奧氏體的硬化狀態保持到動態相變點 ? 近年出現的超快速冷卻技術 , 可以對鋼材實 現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 ,

14、 迅速通過奧氏體相區 將硬化奧氏體 “凍結”到動態相變點附近 ? 這就為保持奧氏體的硬化狀態和進一步進 行相變控制提供了重要基礎條件 ?在國外, 比利時的 CRM 率先開發了超快速冷卻 (U FC 系統4, 可以對 4mm 的 熱軋帶鋼實現400C/s的超快速冷卻？日本的J FE福山廠開發的Super OLAC H系統,應用于熱軋帶鋼軋機,可以對3mm的熱軋帶鋼實現700C /s的超快速冷卻5?國內 , 東北大學軋制技術及連軋自動化第 7 期王國棟 :新一代控制軋制和控制冷卻技術與創新的熱軋過程國家重點實驗室 (RAL 開發的帶材高冷速系統也可以達到相似的冷卻效果 ? RAL 開 發的棒材超快

15、速冷卻系統對20mm直徑的棒材，可以實現400C/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出高效率、高均勻性的新式冷卻系統 ? 利用這種系統 , 可以突破高速冷卻時的冷卻均勻性這一瓶頸 , 實現板帶材全寬、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 超快速冷 卻終止點的精確控制軋后鋼材由終軋溫度急速快冷 , 迅速穿過奧氏體區 , 達到快速冷卻條件下的動態 相變點? 在軋件達到預定的溫度控制點后 , 速冷卻? , ? , 以及高精度的預控數學模 型, 可以

16、保證終止溫度的精確控制 ? 1. 2. 4 冷卻路徑的控制915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 2Mn 鋼, 固溶強化是主要的強化機制 ? 2. 2 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 , 在未再結晶區進行低溫大壓下 , 使材料內部形成大 量的變形帶、亞晶、位錯等晶體 “缺陷”這,

17、 些“缺陷”在后續的相變中成為鐵素體形 核的核心？的大量存在，?,特別，C的溫度區間由于變形的，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 N G 2TMCP 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, 材料還來不及發生再結晶 , 仍然處于含有大量 “缺陷”的高能狀態? 如 果對它實施超快速冷卻 , 就可以將材料的硬化狀態保持下來 , 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 析出強化實施超快速冷卻后的鋼材還要依據

18、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

19、、更有效的手段 , 實現奧氏體硬化狀態的控制和硬化狀態下奧氏體相變過程 的控制, 完全可以達到 TMCP 控制的目標 ?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 數量、顆粒尺寸等因素有關 , 在各類鋼中都有應用 ? 自從開發 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？ G ladman等人依據Orowan 2Ashby模型提出用式（1表示析出強化的效 果6: c =1/2x In (x 12. 5 1

20、0-4?(12 N G 2TMCP的強化機制2. 1固溶強化c為抗拉強度的增加值,MPa ; f為碳氮化其中：物的體積分數；x為顆粒在滑移平面上的平面截取直徑,由x =D (2/3 1/2給出,其中D是平均微粒直徑,卩m依照式(1可知,顆粒尺寸越小1V嚴,析出物的數量越多，則材料抗拉強度的提高值越大？采用傳統的控軋控冷工藝 時,含鈮的HSLA鋼通常會在熱加工溫度范圍內,即800950C的溫度區間，由于變 形誘導析出鈮的碳氮化物，因而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

21、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916東北大學學報(自然科學版第30卷條件,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，即材料處于空冷狀態，以利于鐵素體的析出？當析 出一定體積分數的鐵素體之后，例如85%,對材料進行第二次加速冷卻（或超快速冷 卻，8006002(X)馬氏體改進If* 卅牛 ii: pwunj 臭 聲.iki tvmibH如果終

22、冷溫度在馬氏體點以下，則剩余的奧氏體全部轉變為馬氏體，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300500,則得 TRIP ;如果剩余的奧氏體全部轉變為貝氏體，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？可能由于析出而提高材料的強度 ? 但是, 在采用 N G 2TMCP 時, 材料在比較高 的溫度被加工成形 , 在通常形變

23、誘導析出的溫度范圍 , 被迅速冷卻通過碳氮化物大量 析出的溫度區間 , 碳氮化物的析出受到了抑制 ? 超快速冷卻在適當的溫度被終止 , 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 N G 2TMCP 技術, 可以更好地發揮鈮等微合金元素的強化作用 , 發 揮合金元素的強化效果 ? 2. 4 相變強化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 ? , 組織, ? 硬相所占的

24、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 , 從而實現材料的強化 ?即使使用相同的材料化學成分和相同的軋制圖 1 冷卻路徑對 AHSS 鋼組織的影響Fig. 1 E ffect of cooling path on micro structure of AHSS steel所以, 在實施 N G 2TMCP 的過程中, 如果能夠發揮超快冷的優勢 , 對冷卻路徑 進行適當的控制 , 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 ,

25、 甚至開發出全新的軋制過程 ?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 氏體晶粒 ? 對上述奧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 , 并抑制奧氏體晶粒長大 ? 細小的奧氏體晶粒在適當的冷卻條件下 , 轉變為晶粒大小適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 7,水 冷器由多節3超快速冷卻的工業實現3. 119M-20IO China Academic JounuJ Elect棒線材超快冷的工業實現在熱軋帶肋鋼

26、筋的精軋連軋過程中，軋件溫度處于再結晶區，在較高或很高的變形速度下,軋第7期王國棟:新一代控制軋制和控制冷卻技術與創新的熱軋過程冷卻管組成，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 ?每節冷卻管在軋件入口 端由環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？由于采用環狀縫隙冷卻，軋件冷卻均勻，可以徹底消 除現有的余熱淬火水冷器存在的大規格產品上冷床后彎曲、小規格堵鋼的問題？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 所使用每一節冷卻管的水量充足，即不用的水管要求關閉冷卻水？盡管

27、冷卻時間短， 水冷器還是具有前段強冷和后段強冷的區別，根據軋件的不同規格和成分的區別，通過調節,可以在一定范圍內調節材料的屈強比？國內現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A AT917圖3熱連軋過程中的軟化現象Fig. 3 Softe ning in hot strip rolli ng proce ssRAL針對熱軋帶鋼軋機層流冷卻存在的問題,向企業提出對熱軋帶鋼軋機層流冷卻系統進行改造 ，增設超快冷裝置，以適 應新一代TMCP ? CSP生產（,供應汽車廠、車梁、轎車車輪等產品9?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

28、好的冷卻特性,已經可以實現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 N G 2TMCP 的冷卻系統的配置 ? 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

29、“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除了使用開閉閥之外 , 還配置了冷卻水流量控制系統 , 可 以對上下集管的水量進行精準的控制 ? 超快冷的控制系統已經融入到軋機整個控制 冷卻系統之中 , 通過高精度數學模型的開發、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

30、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 以上寬度的熱連軋圖 2 軋后超快冷水冷器的形式Fig. 2 Cooling device for ultra fast cooling after rolling該工藝的使用可以做到不改造主要設備 , 不需降低作業率 , 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

31、, 降低生產成本 ? 3. 2 熱軋帶鋼超快冷的工業實現現代的熱軋帶鋼采用高速連續大變形軋制過程 , 即使在較高的溫度下 , 也可以通 過連續大變形和應變積累 , 在軋后得到硬化的、充滿 “缺陷”的奧氏體? 換言之, 在現 代的熱連軋機上 , 即使不用“低溫大壓下” ,也可以實現奧氏體的硬化 ? 圖3所示為 Q235鋼熱連軋過程中發生再結晶的模擬計算結果8,可見在熱連軋的后部道次再結晶軟化受到了極大的抑制3?現在的關鍵是，盡快開發適用于板帶材的超快速冷卻裝置，以將奧氏體的硬化狀態保持到動態相變點，避免硬化奧氏體的軟第30卷918東北大學學報（自然科學版品種的研發與生產超快速冷卻機冷段一-T40

32、2-1上T402-2 下HMD1-1 T401-1HMD 1-2 T4O1-212 3 4 5 6 7O)OiQ(QiQW W to一一一_一. 小 0 00 0 Q QJliiLMllLMMlLM超快冷段集管III:層冷粗冷集管掘：層冷精冷集管機考慮采用超快冷裝置，以利于減量化和高強化圖4漣鋼2250熱連軋機軋后控制冷卻系統的配置Fig. 4 Layout of cooling control system after rolling on the hot strip mill in LianSteel , Hu nan , Chi na3. 3中厚板超快冷及其工業實現中厚板軋機與連續式軋機

33、不同，是可逆式軋制,且軋后冷卻系統與軋機的距離較遠，硬化狀態的保持有一定的難度，但是也 有可能利用超快速冷卻實現新一代 TMCP ,的質量?,1998年 J FE (原 N KK 福山廠 采用了所謂的 Super 20LAC (super on 2line accelerated cooling新型加速冷卻系統10(超快速冷卻粗冷段一HMDP1 T40M HMDl-2 T40H2T402-1 上T4O2-2下 囉謚胡穩隘! :超快冷段集管:層冷粗冷糜:層冷精冷雋圖5?其最大的特點是避開了過渡沸騰和膜沸騰，實現了全面的核沸騰，具有可 達極限冷卻的冷卻速率和極高的冷卻均勻性 ？ Super 2OL

34、AC冷卻系統的噴嘴與鋼 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？統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的重要特征？RAL , ?該方m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？考慮到現有設備改造時與已有ACC系統的配合與銜接，最終推出了噴嘴傾斜布置的壓力噴射式超快速冷卻系統與傳統集管層流冷卻系統混合配置的方案前部采用超快

35、冷系統，長度約8趙快速冷卻一粗冷段HMD1-1 T40 卜 1 HMD1-2 T401-2T4O2-1 上T4O2-2 下12 3 4 5 6軸塩輛I血QU血HDQUUDI 3Dg：趙快冷段集管皿：層冷押冷集9 :層冷精冷集10m ;后部采用傳統ACC系統,長度保持不變？2007年開始，與河北石家莊敬業鋼鐵公司（民營企業 合作，在其3000中厚板軋 機上裝設U FC +ACC的新式冷卻系統,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, 首秦 4300中厚板軋機則在其引進硬件系統中預留 DQ 裝 置的位置上裝設具有我國自主知識產權的

36、超快冷系統 , 與原有的 ACC 系統配合 , 為 實施新一代 TMCP 作設備條件的準備 ?圖 5 J FE 福山廠安裝的 Super 2OLAC 系統 Fig. 5 Super 2OLAC system in J FE plant2003年和 2004年 J FE 倉敷地區水島廠 （即原川崎制鐵水島廠 和東日本地區京 浜廠也分別采用了 Super 2OLAC 系統11 ?由于 Super 2OLAC 系統具有很強的冷卻能力 , 同時又具有很好的冷卻均勻性 , 所以它既可以實現加速冷卻 , 又可以實現在線直接淬火 ? 一套系圖 6 安裝在敬業公司的中厚板超快冷裝置Fig. 6 Ultra f

37、ast cooling system of the platemill in Jingye corporation , Hebei , China3. 4 H 型鋼超快冷由于常規控制冷卻系統的冷卻能力較差 , 需要較大的建設長度 , 同時翼緣和腹板 冷卻條件不第 7 期王國棟 : 新一代控制軋制和控制冷卻技術與創新的熱軋過程同, 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 ? 目前, 東 北大學 RAL 正在與有關的廠家合作 , 發揮超快冷技術的優勢 , 對翼緣和腹板等不同 部位的冷卻裝

38、置進行精細化設計，開發H型鋼超快冷系統？相信通過產學研的密切 合作, 具有自主知識產權的 H 型鋼超快冷系統將取得突破 , 為我國 H 型鋼的升級換 代作出貢獻 ?919出, 從而達到破除網狀碳化物的目的 ? 軋后快速冷卻 , 過冷度增大 , 降低組元的 擴散系數 , 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 ?寶鋼特鋼工業應用結果表明 , 采用超快速冷卻 , 可以有效破除網狀碳化物 , 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. 3 HSLA 鋼:碳氮化物析出過程的控制 （工程機械用高強鋼

39、 傳統控軋過程中 , 低溫奧氏體區產生一定量的沉淀析出 , 2中, 使 用, ? 更多的微合金, 進入到鐵素體相變區 , 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TMCP和N G 2TMCP兩種軋制試驗,試驗鋼化學成分（質量分數,% 為 01075C ,0128Si ,1178Mn ,01079Mo ,01060Ti ,01055Nb?1Bso1005 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80 9C 析出粒子尺寸/mm圖7給出了 N G 2TMCP4 基于N G 2TMCP的創新軋

40、制過程:典型案例4. 1連續冷卻+后置式超快冷：低成本雙相鋼的生產（包鋼雙相鋼是重要的汽車用高強鋼，鋼生產需要100m ,需？ RAL在，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，在鐵素體體積分數接近飽和后，繼續增加時間， 鐵素體體積分數基本不變，因而其工藝 窗口 ”變寬？鐵素體體積分數接近飽和值所需時間也是一個重要的參數,這一時間越短,在輸出輥道上的長度越短？

41、對于丫 a 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，如未再結晶區累積形變、快 速冷卻等手段，來減少鐵素體體積分數接近飽和值所需時間？ 4. 2軸承鋼超快冷：網狀碳化物的抑制GCr15軸承鋼在軋后奧氏體狀態下的冷卻過 鋼微觀組織中析出顆粒的統計分布？圖8顯示 出，采用N G析出粒子尺寸/mm2TMCP ,析出物平均尺寸為9166nm ,而采用傳統TMCP ,鋼的粒子平均尺寸為33181nm ?可見N G 2TMCP明顯細化了析出物,圖7析出粒子尺寸的統計結果Fig.wn7 Statistical re suit

42、s of the size of the precipitati on程中,二次碳化物在奧氏體晶界呈網狀析出，這是惡化軸承鋼質量的一個關鍵問 題？ GCr15網狀碳化物析出的溫度范圍一般在 700900E ,大量析出碳化物溫度為 700850E ?為了有效控制網狀碳化物的析出，RAL與寶鋼特鋼公司合作12,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 使材料迅速通過網狀碳化物析出溫度區間，抑制碳化物的大量網狀析出？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圖8 不同工藝條件下析出粒子尺寸的比較Fig. 8 Comparison of the

43、size ofthe precipitati on indiffere nt tech no logie s920東北大學學報（自然科學版第30卷4. 4管線鋼:碳氮化物析出過程的控制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N G 2TMCP與采用傳統TMCP相比,強度水平有明顯的提高780760740720700680660640620600050100150200250300A0/T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，加快生產節奏，提高 產量？試驗鋼的化學成分如表1所示？表

44、2給出了實驗工藝和材料的力學性能，其 中工藝1是常規控制軋制，工藝2工藝4是采用不同終軋溫度和終冷溫度的使用 U FC的工藝？可見，當終軋溫度提高到877C傳統TMCPvt 1660 MPa * 610 MPaPE05010015020025C0/兀,仍然可以得到滿足要求的力學性能，這一溫度相較于通圖9 不同處理工藝材料強度的比較 Fig. 9 Comparison of material strength by differe nt treatme nt tech no logie s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？Cr 0.Eds

45、ttRSEm 初2QQQQQ旳必 m傳統TMCPivtNG-TMCP .；720MP 注u-660 MPai t t t %? 610 MPa i一rfeL o Rm050100150200250300A9/r26Ni 0. 25表1(Table IChemical (C0. 047Si Mn 002Al 0. 0. 0220. 23Cu 0. 22表2工藝參數和材料性能工藝二段開軋溫度編號C1234919924924925終軋溫度出U FC溫度終冷溫度794840864877屈服強度MPa550635628574抗拉強度QOOlMPa777762755723延伸率%18. 716. 216.

46、 717. 7屈強比0. 710. 830. 830. 79-20 C沖擊功J185258186339672765805482525480460013%014%的鋼鐵材料在奧氏體變形后快速通過發生共析轉變的溫度區間 , 就會抑制共析轉變的發生 ? 然后在低于共析轉變 的溫度區間保溫 , 發生碳化物的析出 , 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？ J FE利用0135%C-0119%Si-0175%Mn的材料,采用這圖 10 管線鋼的金相組織 Fig. 10 Micro structure s of pipeline steel(a 工藝 3; (b 工藝 2?4. 5 中

47、碳鋼:擴孔性能的改善 (J FE在采用超快冷的情況下 , 如果碳質量分數為種超快冷技術 , 控制碳化物的形態 , 提高了材料的擴孔性能13?圖11b所示為傳統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 ?圖 11 中碳鋼的顯微組織Fig. 11 Micro structure s of medium 2carbon steel(a 超快冷條件; (b 傳統方法?第7期王國棟:新一代控制軋制和控制冷卻技術與創新的熱軋過程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

48、車制造中 ? 4. 6 UFC +DQ +0nline T (HOP所謂“ U FC 2DQ是利用超快冷裝置的 DQ功能, 實現軋件的在線淬火？而“Online T的設備被(heat treatment on 2line process是利稱為“ HOP用大功率電磁感應線圈對 DQ 后的鋼板進行在線回火14? 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J FE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415m ?HOP采用幾臺高頻電源并聯式同步傳動，鋼板內部的感應發熱量由通過線圈的 電流精密控921制,感應發熱量可以方便地換算成熱流量？由感應加熱

49、的熱通量約為102 104kW/m 2,而這一數值大約比煤氣加熱高100倍，因此可以實現極大能量密度的加 熱?八、該系統安裝于矯直機之后(圖12 ?經過Super 2OLAC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，通過最優組織設計，可以大幅度地提高材料的性能，生 產的抗拉強度6001100MPa級調質鋼具有良好的低？圖12具有在線熱處理裝置的中厚板生產線Fig. 12 Plate producti on line with on 2l

50、i ne heat treatme ntHOP與Super 2OLAC組合在一起,可以靈活0. 75、未添加或少添加Cu ,Cr ,Ni ,Mo等合金元地改變軋制線上冷卻、加熱的模式，所以與傳統的離線熱處理相比，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，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和酸 氣環境中使用的高強、高韌管線鋼？J FE已經完成了多批耐酸氣的X65,X70管線 鋼的供貨任務？利用這種熱處理裝素的590MPa和780MPa級建筑用鋼板的U FC 2DL 2T生產工藝，并成功用于 現場同類級別鋼

51、種的試制W 廠 ” I ?該工藝的原理是：軋制完成后，通過快冷（或者超快冷 冷卻至兩相區，在兩相區 停留一段時間，鐵素體析出一定量之后，從兩相區開始，利用淬火將軋件冷卻到室溫 然后離線進行回火？與傳統工藝相比，這種新技術具有流程短、合金元素用量少、 焊接性能好等優點，代表了新一代高性能、高強建筑用鋼板的發展方向？對于抗大變形的管線鋼，這也是一個可以考慮采用的新工藝？ 4. 8 UFC 2F :低成本厚鋼板的 開發置開發的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-40C下的低溫韌利用

52、超快冷進行冷卻路徑控制 , 是一個極有潛力的新的領域 ? 超快冷的終止溫 度如果設定在 CCT 曲線的鐵素體析出區域 , 稱之為 U FC 2F ? 此性, 同時又具有優良的彎曲加工性能 , 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 , 為時保持硬化狀態的過冷奧氏體會發生鐵素體相變 , 得到晶粒細化的鐵素體基體 組織? 同時, 超快冷過程中受到抑制的微合金鋼的碳氮化物會在鐵素體中析出, 明顯增加其強化效果？ J FE利用這一特點,采用Super 20LAC系統,進行產品開發,取得 了明顯的效果 11? 為了應對造船行業集裝箱船

53、鋼板加厚和高強化的趨勢 , 改善鋼 板熱影響區的組織 ,J FE 利用 Super 20LAC 高冷速和高均勻性的特點 , 開發厚規格 高強度船板 ? 這種厚規格船板用戶合理設計和降低施工成本創造了條件 ? 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 萬噸/月, 在交貨期和數量等方面滿足客戶需求 15?4. 7 UFC 2DL 2T 生產工藝 :低屈強比高強度鋼板的生產工藝在實驗室條件下成功開發出低屈強比 （低于922東北大學學報 （自然科學版第 30 卷3與傳統船板有同樣水平的碳當量 , 但是強度更高

54、 ,焊接性能也不惡化 , 滿足了用戶的要求 ? 為滿足城市高層建筑建設的需要 , 開發 了具有良好抗震性能、焊接性能的屈服強度 385590MPa級的厚鋼板？在橋梁用 鋼方面, 添加微量合金元素控制淬透性 , 得到強度、韌性最佳平衡的非調質鋼 SM570TMC 以及碳質量分數低于 0102%的極低碳貝氏體高強度鋼等新型鋼種 ? 為 了實現工程機械的輕量化 , 開發了大型吊車臂和支撐架用 780MPa 級高強度鋼 , 該鋼 在-40C下具有優良的低溫韌性？ 4. 9 UFC 2B :一個有前景的強化方法如果超快冷的終止溫度設定在 CCT曲線的貝氏體相變區，稱為U FC 2B ?這 一過程目前正在

55、研究中 ? 的貝氏體基體 ? , , 過程, 、的析出粒子 , 然后進一步實施快 冷, 有可能得到貝氏體與馬氏體 , 甚至殘余奧氏體的復相組織 , 材料的組織可能得到 進一步的調控 ? 超快冷的起始溫度、終止溫度、貝氏體中溫轉變停留時間等將是決 定最終組織和性能的重要因素？利用U FC 2B有可能得到新的有特色的組織,從而 得到新的材料性能 , 是一個很有潛力的研究領域 ?王國棟？以超快速冷卻為核心的新一代 TMCP技術J?上海金屬,2008,30(2 :1-5?(Wang Guo 2dong. The new generation TMCP with the key technology of ultra fast coolingJ.S hanghai Metals , 2008, 30(2 :1-5.4 Houyoux C , Herman J C , Simon P , et al . Metallurgical aspects of ultra fast cooling on a hot strip