新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程

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第30卷第7期2009年7月东北大学学报(自然科学版 Journal of Northeastern University (Natural Science Vol 130,No. 7J ul. 2009新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程王国栋(东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 辽宁沈阳110004摘要:针对传统控制轧制和控制冷却(TMCP 技术存在的问题, 提出了以超快冷为核心的新一代的TMCP 技术, 并详述了作为实现新一代TMCP 技术核心手段的超快冷技术的科学内涵和工业装备开发情况・指出新一代TMCP 技术综合采用细晶强化、析出强化、, 潜力, 节省资源和能源, 优化现有的轧制过程, ・为特征的创新轧制过程的案例, ・关键词:钢; 热轧; ; :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.Correspondent :WAN G Guo 2dong , professor , E 2mail :wanggd @mail. neu. edu. cnAbstract :A new 2generation TMCP (thermo 2mechanical control process with ultra fast cooling as core technique was suggested instead of the conventional TMCP in which some problems are to be solved. Describes the ultra fast cooling technique theoretically and relevant equipment developed for commercial applications 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 resources and energy and optimize existing rolling process , thus providing beneficially a sustainable development for iron and steel industry. Some examples are given to show the characteristics of the new 2generation TMCP in the rolling processes of different products especially its broad prospects in application.K ey w ords :steel ; hot rolling ; new generation TMCP ; ultra fast cooling ; strengthening1新一代TMCP (N G 2TMCP1. 1传统TMCP制轧制, 是对奥氏体硬化状态的控制, 即通过变形在奥氏体中积累大量的能量, 在轧制过程中获得处于硬化状态的奥氏体, 为后续的相变过程中实现晶粒细化做准备・硬化的奥氏体内存在大量的缺陷”, 例如变形带、位错、孪晶等它们是相变时・这种“缺陷”越多, 则铁素体的形核率越高, 得到的铁素体晶粒越细得到硬化奥“低温大压下”和添加微合金元“低温”是为了抑制奥氏体的再结晶, “; 大压下”则是为了增加硬化奥氏体所储・增加微合金元素, 例如控制轧制和控制冷却技术, 即TMCP , 是20世纪钢铁业最伟大的成就之一・正是因为有了TMCP 技术, 钢铁业才能源源不断地向社会提供越来越优良的钢铁材料, 支撑人类社会的发展和进步・控制轧制和控制冷却技术的核心是晶粒细化和细晶强化[1]・在控制轧制和控制冷却技术的发展历程中, 人们首先认识到的是控制轧制・所谓控收稿日期:2009205211基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2003AA33G 010 ・作者简介:王国栋(1942- , 男, 辽宁大连人, 东北大学教授, 博士生导师, 中国工程院院士・914本页已使用福昕阅读器进行编辑。

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东北大学学报(自然科学版第30卷获得高附加值、可循环的钢铁产品・这种TMCP技术就是以超快冷技术为核心的新一代TMCP 技术, 即N G 2TMCP [3]・1. 2. 1HTP 轧制工艺热连轧过程通常是高速连续大变形的轧制过程, 即使轧制温度较高, 在连轧过程完成之后, 也可以得到硬化的充满缺陷的奥氏体・换言之, 在现代的热连轧机上, 即使不用“低温大压下”, 也可以实现奥氏体的硬化・由于连轧中的连续大变形和应变积累, 硬化的获得不仅不需要低温大压下, 甚至也不一定必须添加合金或微合金元素・所以, 新一代TMCP 技术的第一个重要特点是“高温”轧制过程( ・这个“高温”“低温大压, ・, 在轧制温度制度上不再坚持“低温大压下”的原则・所以, 与“低温大压下”过程相比, 轧制负荷(包括轧制力和电机功率可以大幅度降低, 设备条件的限制可以大为放松, 轧机等轧制设备的建设不必追求高强化, 建设投资可以大幅度降低・适宜的轧制温度大大提高轧制的可操作性, 避免轧制工艺事故, 例如卡钢、堆钢等, 同时也延长了轧辊、导卫等轧制工具的寿命・这对于提高产量、降低成本是十分有利的・对于一些原来需要在粗轧和精轧之间实施待温的材料, 有可能通过超快速冷却的实施而不再需要待温, 或者提高待温的温度, 这对于提高生产效率具有重要的意义・1. 2. 2超快速冷却奥氏体的再结晶温度, 即处于未再结晶区, 度・为了突破控制轧制的限制, 同时也是为了进一步强化钢材的性能, 在控制轧制的基础上, 又开发了控制冷却技术・控制冷却的核心思想, 是对硬化奥氏体的相变过程进行控制, 以进一步细化铁素体晶粒, 以及通过相变强化得到贝氏体等强化相, 进一步改善材料的性能・控制冷却的理念可以归纳为“水是最廉价的合金元素”这样一句话・作为控制冷却的极限结果, DQ (direct quench 的作用早已为人们所认识・但是, 其潜在的能力一直未得到发挥, 原因在于直接淬火条件下冷却均匀性的问题一直没有得到很好的解决, DQ 情况下板形控制一直困扰人们・, 化状态, , ・由于铌等微合金元素的加入, 显著提高了钢材的再结晶温度, 使材料很大一部分热加工区间位于未再结晶区, 这大大强化了奥氏体的硬化状态・应当注意的是加入显然这会恶化材料的焊接性能・加入的微合金或合金元素, 除了部分固溶强化奥氏体外, 还经常会以碳氮化物的形式析出, 对材料进行沉淀强化, 从而对材料强度的提高做出贡献・例如Nb 通常在800～950℃的温度区间内, 在进行材料变形的同时, 析出Nb 的碳氮化物, 即产生所谓“形变诱导析出”, 一方面提高了材料的再结晶温度, 另一方面也强化了材料本身・采用“低温大压下”, 与人们长久以来形成的“趁热打铁”的观念背道而驰・它必然受到设备能力等的限制, 操作方面的问题也自然不容回避・为了实现“低温大压下”, 人们需要付出代价・长期以来, 为此而大幅提升轧制设备能力, 投入了大量资金、人力和资源・1. 2NG 2TMCP 的基本概念社会的高速发展, 使人类面临越来越严重的资源、能源短缺问题, 承受着越来越大的环境压力・人类必须解决这些问题才能与自然和谐发展, 保持人类社会的长治久安和子孙后代的幸福安康・针对这样的问题, 在制造业领域, 人们提出了4R 原则, 即减量化、再循环、再利用、再制造[2]・具体到TMCP 技术本身, 必须坚持减量化的原则, 即采用节约型的成分设计和减量化的生产方法,在这种情况下, 考虑的第一个问题是轧件的温度・由于采用常规轧制, 终轧温度较高, 如果不加控制, 材料会由于再结晶而迅速软化, 失去硬化状态・因此, 在终轧温度和相变开始温度之间的冷却过程中, 应努力设法避免硬化奥氏体的软化, 即设法将奥氏体的硬化状态保持到动态相变点・近年出现的超快速冷却技术, 可以对钢材实现每秒几百度的超快速冷却, 因此可以使材料在极短的时间内, 迅速通过奥氏体相区, 将硬化奥氏体“冻结”到动态相变点附近・这就为保持奥氏体的硬化状态和进一步进行相变控制提供了重要基础条件・在国外, 比利时的CRM 率先开发了超快速冷却(U FC 系统[4], 可以对4mm 的热轧带钢实现400℃/s 的超快速冷却・日本的J FE 福山厂开发的Super OLAC H 系统, 应用于热轧带钢轧机, 可以对3mm 的热轧带钢实现700℃/s 的超快速冷却[5]・国内, 东北大学轧制技术及连轧自动化第7期王国栋:新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程国家重点实验室(RAL 开发的带材高冷速系统也可以达到相似的冷却效果・RAL 开发的棒材超快速冷却系统对20mm 直径的棒材, 可以实现400℃/s 的超快速冷却・对板带材而言, 确保高速冷却条件下的平直度, 是一个关键性、瓶颈性的问题・RAL 已经针对热带和中厚板生产过程开发出高效率、高均匀性的新式冷却系统・利用这种系统, 可以突破高速冷却时的冷却均匀性这一瓶颈, 实现板带材全宽、全长上均匀化的超快速冷却, 因而可以得到平直度极佳的板带材产品・1. 2. 3超快速冷却终止点的精确控制轧后钢材由终轧温度急速快冷, 迅速穿过奥氏体区, 达到快速冷却条件下的动态相变点・在轧件达到预定的温度控制点后, 速冷却・, ・, 以及高精度的预控数学模型, 可以保证终止温度的精确控制・1. 2. 4冷却路径的控制915金属晶格畸变, 也可以提高材料的强度・这两种情况分别被称为间隙固溶和置换固溶・在热轧过程中, 固溶元素的存在, 可以提高材料的变形抗力, 所以在轧机设计中, 应当考虑固溶强化对变形抗力的贡献, 并在轧机设计中采取相应的强化措施・对于C 2Mn 钢, 固溶强化是主要的强化机制・2. 2细晶强化控制轧制和控制冷却技术主要是针对HSLA 钢, 通过添加微合金元素提高钢材的再结晶温度, 扩大未再结晶区, 在未再结晶区进行低温大压下, 使材料内部形成大量的变形带、亚晶、位错等晶体“缺陷”, 这些“缺陷”在后续的相变中成为铁素体形核的核心・“的大量存在, , , ・, 特别, ℃的温度区间由于变形的, 从而提高材料的再结晶温度, 强化材料的硬化效果・对于HSLA 钢来说, 细晶强化是主要的强化方式・当采用N G 2TMCP 时, 尽管材料是在较高的温度下完成热变形过程, 但是变形后的短时间内, 材料还来不及发生再结晶, 仍然处于含有大量“缺陷”的高能状态・如果对它实施超快速冷却, 就可以将材料的硬化状态保持下来, 在随后的相变过程中, 保存下来的大量“缺陷”成为形核的核心, 因而可以得到与低温轧制相似的强化效果・2. 3析出强化实施超快速冷却后的钢材还要依据所需要的组织和性能要求, 进行冷却路径控制, 这就为获得多样化的相变组织和材料性能提供了广阔的空间・利用这样一个特点, 有可能利用简单的成分设计获得不同性能的材料, 实现柔性化的轧制生产, 提高炼钢和连铸的生产效率・在冷却路径的精确控制方面, 现代的控制冷却技术已经可以提供良好的控制手段, 相变强化仍然是可以利用的重要强化手段・这样一来, 再与固溶强化、细晶强化、析出强化等手段互相配合, 新一代的TMCP 将在提高材料的强度、改善综合性能、满足人类对材料的要求方面发挥重要作用・有了这一系列以超快速冷却为核心的高速连轧技术和控制冷却技术, 完全可以有更多、更有效的手段, 实现奥氏体硬化状态的控制和硬化状态下奥氏体相变过程的控制, 完全可以达到TMCP 控制的目标・在钢中添加微合金元素和合金元素, 会在钢中形成一些析出相以微小颗粒析出, 造成基体晶格的畸变, 提高材料的强度, 这称为析出强化・析出强化的效果与析出相数量、颗粒尺寸等因素有关, 在各类钢中都有应用・自从开发HSLA 钢成功以来, 析出强化在材料高强化方面的作用也日益显著, 目前析出强化已经成为材料强化的重要手段・G ladman 等人依据Orowan 2Ashby 模型提出用式(1 表示析出强化的效果[6]:Δσ=1/2x ln (x /2. 5×10-4 ・(12N G 2TMCP 的强化机制2. 1固溶强化σ为抗拉强度的增加值, MPa ; f 为碳氮化其中:Δ物的体积分数; x 为颗粒在滑移平面上的平面截取直径, 由x =D (2/3 1/2给出, 其中D 是平均微粒直径, μm ・依照式(1 可知, 颗粒尺寸越小, 析出物的数量越多, 则材料抗拉强度的提高值越大・采用传统的控轧控冷工艺时, 含铌的HSLA 钢通常会在热加工温度范围内, 即800～950℃的温度区间, 由于变形诱导析出铌的碳氮化物, 因而固溶强化是普遍采用的强化机制・C ,N 等小半径的原子, 以间隙原子的形式与金属形成固溶体, 造成基体金属晶格的畸变, 提高材料的强度; 而Mn ,Cu ,Ni ,Cr 等金属原子, 通过置换基体金属原子而溶于金属中, 由于原子半径不同, 造成基体916东北大学学报(自然科学版第30卷条件, 但是冷却过程不同, 即采用不同的冷却路径,也会得到不同的组织, 因而会有不同的材料性能・图1所示为几种典型的AHSS 钢, 即EP 、TRIP 、贝氏体钢的冷却工艺路径图・在冷却的开始阶段, 利用前部加速冷却(或超快速冷却将奥氏体冷却到铁素体相变开始温度, 随后进入保温状态, 即材料处于空冷状态, 以利于铁素体的析出・当析出一定体积分数的铁素体之后, 例如85%, 对材料进行第二次加速冷却(或超快速冷却 ,如果终冷温度在马氏体点以下, 则剩余的奥氏体全部转变为马氏体, 这样便得到以软相铁素体和硬相马氏体组成的复相组织, 即双相钢; 如果冷却的300～500, 则得TRIP ; 如果剩余的奥氏体全部转变为贝氏体, 则得到铁素体和贝氏体组成的复相组织钢, 即贝氏体钢・关于前部和后部具体是采用常规加速冷却还是超快速冷却的问题, 超快速冷却具有一定的优点, 应当是首选・前部超快冷有利于铁素体晶粒的细化, 同时也有利于铁素体的快速析出, 这对于缩短热连轧机输出辊道的长度是有利的・后部超快冷更有利于马氏体相变・可能由于析出而提高材料的强度・但是, 在采用N G 2TMCP 时, 材料在比较高的温度被加工成形, 在通常形变诱导析出的温度范围, 被迅速冷却通过碳氮化物大量析出的温度区间, 碳氮化物的析出受到了抑制・超快速冷却在适当的温度被终止, 例如在铁素体相变的“鼻尖”温度被终止, 然后进行空冷, 此时碳氮化物可能由于很大的析出驱动力而在铁素体晶内大量、微细、弥散地析出, 使铁素体基体得到强化, 大幅度提高材料的强度水平・因此, 采用N G 2TMCP 技术, 可以更好地发挥铌等微合金元素的强化作用, 发挥合金元素的强化效果・2. 4相变强化相变强化又称组织强化, 它是通过相变过程改变钢材的组织组成, 从而提高钢材强度的一种强化方法・, 组织, ・硬相所占的比例不同, 就能得到不同的材料强度水平・相变强化正是利用了钢铁材料的这一特点・先进高强钢(AHSS 、超高强钢主要是通过相变来获得含有硬相马氏体、贝氏体的复相组织, 从而实现材料的强化・即使使用相同的材料化学成分和相同的轧制图1冷却路径对AHSS 钢组织的影响Fig. 1 E ffect of cooling path on micro structure of AHSS steel所以, 在实施N G 2TMCP 的过程中, 如果能够发挥超快冷的优势, 对冷却路径进行适当的控制, 则可以在更大的范围内, 按照人们的需要对材料的组织和性能进行更有效的控制, 甚至开发出全新的轧制过程・件的奥氏体组织产生强烈大变形, 形成细的、强烈硬化的、具有大量缺陷的奥氏体晶粒・对上述奥氏体施以高强度的快速冷却, 直到相变温度点附近, 从而保持奥氏体的硬化状态, 并抑制奥氏体晶粒长大・细小的奥氏体晶粒在适当的冷却条件下, 转变为晶粒大小适度的铁素体和珠光体, 在提高钢筋屈服强度和抗拉强度的同时, 也使其屈强比降低・实现热轧带肋钢筋轧后超快速冷却的关键工艺设备是超快冷水冷器(图2 [7], 水冷器由多节3超快速冷却的工业实现3. 1棒线材超快冷的工业实现在热轧带肋钢筋的精轧连轧过程中, 轧件温度处于再结晶区, 在较高或很高的变形速度下, 轧第7期王国栋:新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程冷却管组成, 总长度一般不大于20m , 在轧速小于20m/s 时, 水冷器总长度小于13m ・每节冷却管在轧件入口端由环状缝隙喷射一定压力的冷却水, 冷却水与轧件同方向运动, 但是速度高于轧件・冷却水在轧件的出口端流出・由于采用环状缝隙冷却, 轧件冷却均匀, 可以彻底消除现有的余热淬火水冷器存在的大规格产品上冷床后弯曲、小规格堵钢的问题・在大生产条件下可以彻底解决<10mm 热轧直条钢筋4切分轧制的堵钢问题・要保证所使用每一节冷却管的水量充足, 即不用的水管要求关闭冷却水・尽管冷却时间短, 水冷器还是具有前段强冷和后段强冷的区别, 根据轧件的不同规格和成分的区别, 通过调节, 可以在一定范围内调节材料的屈强比・国内现有的余热淬火水冷器, 需要进行改造, 才可以提高冷却效率, 实917图3热连轧过程中的软化现象Fig. 3Softening in hot strip rolling proce ssRAL 针对热轧带钢轧机层流冷却存在的问题, 向企业提出对热轧带钢轧机层流冷却系统进行改造, 增设超快冷装置, 以适应新一代TMCP ・CSP 生产(, , 供应汽车厂、车梁、轿车车轮等产品[9]・攀枝花钢铁公司1450热连轧机的精轧出口增设超快速冷却装置, 投运后证实了该装置具有更好的冷却特性, 已经可以实现Q235,Q345升级和部分高强钢的生产・吸取前两套超快冷装置的经验, 涟钢2250热连轧生产线的控制冷却系统采用了“倾斜式超快冷+ACC ”的混合配置方式, 正在进行安装, 相应的品种开发已经在实验室进行, 钢种包括普通碳锰钢、HSLA 钢、高强钢、管线钢等・图4所示为涟钢2250热连轧生产线上可以实施N G 2TMCP 的冷却系统的配置・其前部10m 左右超快冷装置, 采用缝隙式幕状喷射式喷嘴和圆管喷射式喷嘴混合配置, 冷却水具有一定的压力, 以一定的角度沿轧件运动方向, 喷射到带钢上・倾斜布置的喷嘴, 可以对钢板全宽实行均匀的“吹扫式”冷却, 扫除钢板表面存在的气膜, 达到全板面的均匀核沸腾, 不仅可以大大提高冷却效率, 实现高速率的超快速冷却, 而且可以突破高速冷却时冷却均匀性这一瓶颈问题, 实现板带材全宽、全长上的均匀化的超快速冷却, 因而可以得到平直度极佳的无残余应力的带材产品・为了对超快冷部分进行高精度的控制, 上下集管的供水系统除了使用开闭阀之外, 还配置了冷却水流量控制系统, 可以对上下集管的水量进行精准的控制・超快冷的控制系统已经融入到轧机整个控制冷却系统之中, 通过高精度数学模型的开发、前馈预控和反馈控制的结合以及控制冷却装置硬件的细分, 可以对带钢的冷却进行高精度的控制, 精确控制超快速冷却的终止点・目前尚有几套2000mm 以上宽度的热连轧图2轧后超快冷水冷器的形式Fig. 2Cooling device for ultra fast cooling after rolling该工艺的使用可以做到不改造主要设备, 不需降低作业率, 不需低温轧制, 不需余热淬火・由于强化了冷却效果, 可以提高冷床的冷却效率, 从而提高产量・利用热轧带肋钢筋超快速冷却技术, 可以在少用或者不用合金元素的情况下, 利用335MPa 级的20MnSi 生产HRB400, HRB500螺纹钢筋, 大幅度提高产品质量, 降低生产成本・3. 2热轧带钢超快冷的工业实现现代的热轧带钢采用高速连续大变形轧制过程, 即使在较高的温度下, 也可以通过连续大变形和应变积累, 在轧后得到硬化的、充满“缺陷”的奥氏体・换言之, 在现代的热连轧机上, 即使不用“低温大压下”, 也可以实现奥氏体的硬化・图3所示为Q235钢热连轧过程中发生再结晶的模拟计算结果[8], 可见在热连轧的后部道次再结晶软化受到了极大的抑制[3]・现在的关键是, 尽快开发适用于板带材的超快速冷却装置, 以将奥氏体的硬化状态保持到动态相变点, 避免硬化奥氏体的软化・918东北大学学报(自然科学版第30卷品种的研发与生产・机考虑采用超快冷装置, 以利于减量化和高强化图4涟钢2250热连轧机轧后控制冷却系统的配置Fig. 4Layout of cooling control system after rolling on the hot strip mill in Lian Steel , Hunan , China3. 3中厚板超快冷及其工业实现中厚板轧机与连续式轧机不同, 是可逆式轧制, 且轧后冷却系统与轧机的距离较远, 硬化状态的保持有一定的难度, 但是也有可能利用超快速冷却实现新一代TMCP , 的质量・, 1998年,J FE (原N KK 福山厂采用了所谓的Super 2OLAC (super on 2line accelerated cooling 新型加速冷却系统[10](图5 ・其最大的特点是避开了过渡沸腾和膜沸腾, 实现了全面的核沸腾, 具有可达极限冷却的冷却速率和极高的冷却均匀性・Super 2OLAC 冷却系统的喷嘴与钢板的距离较近, 以一定的角度沿轧制方向将一定压力的水喷射到板面, 将板面残存水与钢板之间形成的气膜吹扫掉, 从而达到钢板和冷却水之间的完全接触, 实现核沸腾・这不仅提高了钢板和冷却水之间的热交换, 达到较高的冷却速率, 而且可以实现钢板的均匀冷却, 大大抑制了钢板由于冷却不均引起的翘曲・统兼有直接淬火和加速冷却两种功能, 是新一代控制冷却系统的重要特征・RAL , ・该方m 长冷却段组成, 全部采用喷嘴倾斜布置的压力喷射式超快速冷却集管・考虑到现有设备改造时与已有ACC 系统的配合与衔接, 最终推出了喷嘴倾斜布置的压力喷射式超快速冷却系统与传统集管层流冷却系统混合配置的方案・前部采用超快冷系统, 长度约8～10m ; 后部采用传统ACC 系统, 长度保持不变・2007年开始, 与河北石家庄敬业钢铁公司(民营企业合作, 在其3000中厚板轧机上装设U FC +ACC 的新式冷却系统, 目前已经投入运行调试(图6 ・鞍钢已经决定, 在其4300中厚板轧机上采用全新的UFC +ACC 冷却系统, 首秦4300中厚板轧机则在其引进硬件系统中预留DQ 装置的位置上装设具有我国自主知识产权的超快冷系统, 与原有的ACC 系统配合, 为实施新一代TMCP 作设备条件的准备・图5J FE 福山厂安装的Super 2OLAC 系统Fig. 5Super 2OLAC system in J FE plant2003年和2004年J FE 仓敷地区水岛厂(即原川崎制铁水岛厂和东日本地区京浜厂也分别采用了Super 2OLAC 系统[11]・由于Super 2OLAC 系统具有很强的冷却能力, 同时又具有很好的冷却均匀性, 所以它既可以实现加速冷却, 又可以实现在线直接淬火・一套系图6安装在敬业公司的中厚板超快冷装置Fig. 6Ultra fast cooling system of the platemill in Jingye corporation , Hebei , China3. 4H 型钢超快冷由于常规控制冷却系统的冷却能力较差, 需要较大的建设长度, 同时翼缘和腹板冷却条件不第7期王国栋:新一代控制轧制和控制冷却技术与创新的热轧过程同, 会造成不同部分极大的温差, 所以我国H 型钢轧机的控制冷却一直是空白, 这在一定程度上限制了H 型钢轧机的技术进步和高附加值减量化产品的开发・目前, 东北大学RAL 正在与有关的厂家合作, 发挥超快冷技术的优势, 对翼缘和腹板等不同部位的冷却装置进行精细化设计, 开发H 型钢超快冷系统・相信通过产学研的密切合作, 具有自主知识产权的H 型钢超快冷系统将取得突破, 为我国H 型钢的升级换代作出贡献・。