1、控軋控冷技術的研究現狀及發展摘要：本文介紹了控軋控冷工藝的發展歷史、工藝原理以及控軋控冷工藝，敘述了近些年來國內外發展與應用以及今后的展望。關鍵詞：控扎控冷；TMCP; 超快冷技術；熱軋一、概述控扎控冷是一項具有豐富理論內容和較大實用價值的軋鋼新技術，其特點是把利用塑性變形得到鋼材外部幾何形狀的熱加工成形過程與控制改善鋼材的組織狀態，提高鋼材性能的物理冶金過程有機結合起來，簡單地說就是把將鋼的熱變形與相變有機的結合起來。其突出的優點是：可大幅度提高低碳鋼、低合金鋼鋼材的強韌性；提高熱軋鋼材性能合格率；同時可簡化工序，節省能耗，節約合金，具有顯著地經濟效益和社會效益1。控制軋制(C - R) 和

2、控制冷卻(C - C) 技術的研究始于1890年至二次世界大戰期間的德國,當時科研人員對鋼鐵制品的熱加工條件、材質及顯微金相組織之間的關系進行了非系統的零散研究,只是定性地揭示了熱加工條件和材質間的關系。到了20世紀60年代初期, 在美國科研人員定性地解釋了熱軋后的鋼材繼續發生奧氏體再結晶的動力學變化后, 這才從理論上某種程度地解釋了控制軋制技術。到了20世紀60年代末期, 科研人員通過試驗發現, 添加微量元素鈮(Nb) 對提高單純軋制鋼。材的強度有效。隨后進一步的研究表明, 造成鈮系鋼材高強度的原因,是由于微細鈮碳氮化合物的鐵素體析出相強化造成的。同期英國鋼鐵研究機構對軋制鋼材的顯微結構和機

3、械性能的定量關系、鈮、釩(V)的強化機理, 控制軋制原理等進行研究, 證實了依靠物理冶金基礎, 進行合理的合金成分的設計和軋制條件的設定, 便能達到所期望的鋼材目標性能值和顯微組織。到了20世紀70年代，對鋼材強度、低溫韌性、焊接性能要求更高了,而此時僅僅依靠傳統的控制軋制技術遠遠不夠。于是在奧氏體控制軋制的基礎上, 還需要控制冷卻速度來控制相變本身, 于是開始了真正意義的控軋控冷技術的應用2。二、控扎控冷的原理控軋控冷技術的基本原理就是控制熱軋條件,經過相變過程在奧氏體()的基體上,形成高密度的鐵素體()晶核,從而在相變后, 達到細化鋼材的組織結構3。經過研究發現鐵素體的形核位置通常是在奧氏

4、體的相界面、由熱變形和變形帶造成的退火孿晶的內界面。傳統意義上的熱軋產品鐵素體相晶核大量在奧氏體晶界上產生,而控軋控冷軋制后產品的鐵素體相晶核既可以在晶粒內部成核,也可以在晶界上成核,這就導致了兩者在鐵素體晶粒最后結構上的不同。可分為控制軋制和控制冷卻兩個過程4-5。2.1 控扎技術控制軋制是在調整鋼的化學成分的基礎上，通過控制加熱溫度、軋制溫度、變形制度等工藝參數，控制奧氏體狀態和相變產物的組織狀態，從而達到控制鋼材組織性能的目的。控制軋制技術的關鍵有二：一是控制軋制溫度，尤其是終軋階段溫度；二是控制變形程度。按照變形溫度和再結晶程度控制軋制通常劃分為三個階段6-7：1) 在奧氏體再結晶區（

5、溫度：TTnr 未再結晶溫度）結束終軋的一階段軋制；2) 在奧氏體末再結晶區(溫度：Ar3TTnr)結束終軋的兩階段控制軋制；3) 在奧氏體+鐵素體兩相區（溫度：Ar3(Ar3-40 )）結束終軋的三階段控制軋制。研究表明：在奧氏體再結晶溫度區間，增加變形量可以細化再結晶奧氏體晶粒，過渡增加變形量，再結晶奧氏體晶粒細化趨勢減弱，如圖1所示8-9。圖1. 再結晶奧氏體的晶粒直徑2.2控制冷卻技術控制冷卻：是通過控制熱軋鋼材軋后的冷卻條件來控制奧氏體組織狀態、控制相變條件、控制碳化物析出行為、控制相變后鋼的組織和性能10-13。板帶鋼軋后冷卻技術的發展經歷了不斷的技術更新。從控制冷卻技術的發展來看

6、，主要集中在提高冷卻速度（冷卻效率）、溫度均勻性、設備可靠性、提高組織均勻性、控冷板形平直度等幾個方面做出努力。按照冷卻技術特點可以將板帶的冷卻技術劃分為3代14-16：圖2. 控扎控冷發展過程第1 代（1980s）：以噴淋冷卻為代表的冷卻技術，冷卻水流密度小（小于300 L/(min·m2)），噴水壓力在0.200.50 MPa 為主，傾斜噴射或垂直噴射。第2 代（1980s）：以 1980s 年代以后出現的層流噴射冷卻技術，如日本住友金屬DAC（Dynamic Accelerated Cooling）采用水幕冷卻,日本JFE 的OLAC(On-Line Accelerated C

7、ooling)采用柱狀層流。其冷卻水流密度在380-700 L/(min·m2)，冷卻水壓力不高，但是動量較大，可以擊破鋼板表面殘水膜，獲得較強的冷卻效果。1990s 年代后，以改進型層流噴射（Modified laminar jet）冷卻技術為主。氣-水混合冷卻（氣霧冷卻）也是這一時代的產物，如CLECIM 公司的ADCO（ Adjustable Dynamic Cooling）技術。第3代（2000s）：自2000s 年代以來，強化冷卻（Intensive Cooling）技術逐步得到開發與應用。代表性的是歐洲開發的UFC（Ultra Fast Cooling）、VAI的MULP

8、IC技術，JFE公司的Super-OLAC，NSC 開發的IC(Intensive Cooling)技術， POSCO 開發的HDC （ High Density Cooling）。特征是：提高供水壓力、流速、水流密度來，抑制冷卻過程中的過渡沸騰和膜沸騰，盡可能實現核沸騰，提高換熱效率，水流密度多在1800-3400 L/(min·m2)。這種冷卻方式多用在加速冷卻裝置的前部（或稱DQ 段），很少單獨使用。對照國內外幾種DQ 設備，發現冷卻速度相近，接近冷卻速度物理極限17。2.3 TMCPTMCP是把控制軋制和控制冷卻技術結合起來，能夠進一步提高鋼材的強韌性和獲得合理的綜合性能，并

9、能夠降低合金元素含量和碳含量，節約貴重的合金元素，降低生產成本18-20。與普通生產工藝相比，通過控軋控冷生產工藝可以使鋼板的抗拉強度和屈服強度平均提高約4060MPa，在低溫韌性、焊接性能、節能、降低碳當量節省合金元素以及冷卻均勻性、保持良好板形方面都有無可比擬的優越性。圖3. TMCP工藝特征三、國內外發展狀況及應用TMCP技術是在控制軋制技術或熱機械處理工藝（TMPThermo -Mechanical Processing）技術基礎上開發出來的。1977 年在美國舉行的“微合金化”大會上，日本的研究者Kozasu 提出了TMCP 理論至1988 年陸續得以完善9-10。TMCP就是將控制

10、軋制和軋后加速冷卻技術結合的工藝，也是日本的專利技術。這種工藝極把奧氏體晶粒細化、加工硬化和相變結合，極大加強細化晶粒的效果，并把鐵素體-珠光體相變擴展到鐵素體-貝氏體相變，提高鋼材的性能21-23。1979 年川崎制鋼公司開發出在中厚板線加速冷卻工藝（On-line accelerated cooling process）作為TMCP 技術標志性的應用。日本和歐洲的鋼鐵企業在同期也紛紛開發了不同形式的冷卻裝置，用TMCP 生產晶粒細化鋼板，以降低生產成本、降低鋼的碳含量、改善鋼的焊接性能。新的冷卻裝置由于冷卻速度很高，使直接淬火（DQ）成為可能，DQ 工藝將TMCP 進一步延伸因此，因此TM

11、CP 工藝也包括了DQ 工藝24-26。近年來，有學者提出以超快速冷卻為核心的新一代TMCP 技術（NG-TMCP 或UFC-TMCP 技術），其要點是26：在現代的高溫軋制提供加工硬化奧氏體的基礎上，以超快速冷卻為核心，對軋后硬化奧氏體進行超快速冷卻，并在動態相變點終止冷卻，隨后進行冷卻路徑控制。TMCP技術就是以超快冷技術為核心的新一代TMCP技術。超快速冷卻國內外發展情況：（1）在國外，比利時的CRM率先開發了超快速冷卻（UFC）系統，可以對4mm的熱軋帶鋼實現400/s的超快速冷卻。（2）日本的JFE-福山廠開發的Super OLAC H系統，可以對3mm的熱軋帶鋼實現700/s的超快

12、速冷卻。（3）國內，東北大學RAL開發的高冷速系統也可以達到相似的冷卻效果。RAL開發的棒材超快速冷卻系統對20 mm直徑的棒材，可以實現1000/s的超高速冷卻 。 四、設想及今后發展建議4.1 TMCP在鋼管軋制中的應用設想迄今為止，TMCP在熱軋板材及型材方面的生產應用已十分廣泛，但在無縫鋼管，尤其是中大直徑無縫鋼管領域，其工業推廣目前尚處起步階段，需經制管企業根據各自工藝及裝備條件有步驟地組織實施，不斷實踐、不斷完善27-28。鋼管在線熱處理的工藝構思方案1：加熱穿孔連軋定（減）徑在線冷卻系統冷床熱處理爐采用超快速冷卻系統（含直接淬火功能，即DQ）熱處理爐， 圓環狀縫隙噴嘴、 圓錐水幕

13、圓周布置，中壓水冷卻，具有ACC、 DQ和超快速冷卻多種功能，各單元單獨控制，可實現冷卻路徑的控制。冷卻單元結構和布置如下圖所示。圖4. 冷卻單元結構及布置示意鋼管在線熱處理的工藝構思方案2：加熱穿孔連軋定（減）徑超快冷卻（含DQ）冷床采用固定式超快速冷卻系統，離線處理方式，全長方向旋轉，軸向縫隙噴嘴周向均勻分布，中壓水冷卻，具有ACC、 DQ和超快速冷卻多種功能。方案2的特點和優點：利用鋼管可以側向滾動的特點，在鋼管離開軋機后，使其向一側滾動，可以有足夠的時間和空間進行鋼管本身的熱處理。這與板帶、型材沿直線前進的運動軌跡完全不同。根據鋼管可以轉動的特點，實行定點轉動式的熱處理，可以在固定的位

14、置上進行鋼管的周期性冷卻。這一點與普通的板帶、型材的冷卻過程不同。通過冷卻系統的開閉、壓力和流量的調整，可以控制定點轉動冷卻時的冷卻路徑（包括冷卻速度、冷卻模式、冷卻速度轉變點等），可以同時應用于超快速冷卻或者加速冷卻。 可以依據軋制周期和冷卻周期，在軋機出口一側或者兩側安裝冷卻裝置，滿足生產過程產量匹配的需要。27-284.2發展建議（1）發展型線材、熱軋鋼管控扎控冷迄今為止主要應用熱軋板材生產，而在型線材及熱軋管中應用較少，今后應當將這一項技術繼續擴大應用于除板材外的其他品種熱軋鋼生產中。（2）發展中高碳鋼、合金鋼控扎控冷迄今為止對低碳鋼、低合金鋼的控扎控冷已進行許多研究，并在實際生產中成

15、功應用。但對中高碳鋼、合金鋼控扎控冷的理論與應用技術研究所做工作較少，今后應擴大控扎控冷的應用鋼種。（3）研究開發與連鑄坯熱送裝置、直接軋制、薄板坯連鑄連軋不同層次連鑄軋鋼生產連續化新工藝相適應的控扎控冷技術。（4）根據各鋼材產品特點，研制、開發適用的、能滿足控冷工藝要求的軋后控冷裝置，以促進控冷技術的廣泛應用。（5）將現有的鋼的成分、工藝、組織性能之間關系的定性研究上升到定量化、數模化及優化控制，使我國軋制技術的發展上一個新臺階。11參考文獻1馮光純. 控軋控冷技術的現狀與發展.四川冶金，19942 於亮 , 劉軍會 , 宋惠改.控扎控冷技術的發展的應用J.河北冶金，2006,1：153 徐

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