第7章 钢材控制冷却理论基础

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第二类是采用膜沸腾的换热形式,管层流和水幕冷却中的主要冷却形式属此。法 国BERTIN公司开发的ADCO技术(气雾式加速冷却)则是充分利用气流把水分散成 液滴,并带到整个钢板表面形成气流膜层,利用不断更新的气流膜层使钢板均匀冷 却,采用恒冷却通量控制。 第三类是核沸腾换热形式,最近日本JFE公司开发的super-OLAC冷却技术,能够在
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面上仍然有大面积的汽膜存在。因 此限制了冷却能力的进一步提高(图 辽宁科技大学 材料与冶金学院 井玉安 7.3)。
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热轧钢材生产中使用了各种冷却装置 这些冷却装置结构形式、尺寸,冷却设备与轧件之间的距离、角度,水量、水压等 都各不相同。 按其冷却机理可分为三类: 一类是单相强制对流换热形式,当前广泛使用的湍流管冷却及管层流和水幕冷却 中水冲击区及其附近的小范围属此类。近年比利时CRM研究设计了一种新型的 冷却装置UFC(utra Fast cooling)亦属此,其要点是:减小管状冷却每个出水管口的 孔径,加密出水口,增加水的压力,保证小流量的水流也能有足够的能量和冲击力,能 够大面积地击破汽膜。这样,在单位时间内就有更多的新水直接作用于钢板表面, 大幅度提高换热效率(图7.4)。
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3、连续水流冷却(幕状或管状层流冷却)的情况 是以低压的水流连续冲击在一个特定的面上,该表面很难形成稳定的蒸汽膜,表 面温度迅速下降。结果在冲击点上产生气泡沸腾,而且这一气泡沸腾区迅速扩展。 当冷却水均匀地喷在钢的整个表面时,其边缘在两个方向上受到冷却,边缘的冷却 比中心快些,因此气泡沸腾从边部开始逐渐向中心扩展。因此层流冷却有高于一 般喷水冷却的冷却能力。但是无论 是管层流冷却还是水幕冷却,其击破 汽膜的范围都是有限的,仅限于在连 续水流正下方的局部区域内,而在这 个区域外,在钢板和冷却水之间的界
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图7.6是在各个冷却温度 阶段super-OLAC冷却技 术实现了核态沸腾和常 规水冷条件时其换热能 力的比较，显然前者有 更高的冷却能力。
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2、相变热释放现象
钢在高温奥氏体区进行轧制,随后在冷却过程中,由面心立方结构的奥氏体组织 状态向体心立方结构的铁素体组织状态转变,钢发生体积膨胀,同时释放出相变热。 这种相变热释放的温度范围和释放的热量主要受钢的化学成分和冷却速度的影 响。在图表和手册中所给出的表观比热容和热含量是处于平衡状态的值。 而钢材在实际冷却过程中的转 变现象却符合CCT曲线图。低 碳钢在冷却过程中的表观比热 容和平衡状态下的表观比热容 的对比如图7.7所示。 当计算冷却过程中的热传导 或根据测量值计算换热系数时, 必须谨慎处理相变热。
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一、微钢材水冷过程中的物理现象 1、水冷时的沸腾换热现象
根据zumbrunnen提出的冷却水冲击平板时的换热区域划分为单相强制对流 区、核态沸腾和过渡沸腾区、膜状沸腾区、小液态聚集区和空冷辐射区。 图⒎1是普通层流水流落到热钢板表面上的传热情况示意图。
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对微合金高强度钢采用控制轧制,并紧接着加速强行冷却,使轧后组织转变为 更细的铁素体+贝氏体或单一的贝氏体,屈服强度更高,韧性和焊接性也更好。以 海上平台用的含铌微合金钢为例,经从800℃强冷到550℃(冷却速度15℃/s),比一 般 控 温 轧 制 的 钢 板 的 屈 服 强 度 可 提 高 50MPa, 与 正 火 处 理 的 相 比 , 约 可 提 高 150MPa。 对于中、高碳钢和中、高碳合金钢轧制后控制冷却的目的是防止变形后的 奥氏体晶粒长大,降低以致阻止网状碳化物的析出量和降低级别,保持其碳化物固 溶状态,达到固溶强化目的,减小珠光体球团尺寸,改善珠光体形貌和片层间距等,
第七章
钢材控制冷却理论基础
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内容提要
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一、钢材水冷过程中的物理现象 二、控制冷却各阶段的冷却目的
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三、轧后快速冷却工艺参数对钢材强韧性的影响 四、控制冷却中的控制策略和数学模型
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高温钢材的水冷却有三种主要的方法
喷水冷却(包括小水滴的雾状冷却和大水滴的喷水冷却等)、连续水流冷却(包括水 幕冷却和管层流冷却等)、浸水冷却(包括湍流管冷却和水槽冷却等)。 1、炽热钢块浸入水中时传热系数的变化：如图7-2. 初接触时：钢和水之间的巨大温差引起迅速热传导，但钢块表面迅速形成隔热的 蒸汽膜（膜状沸腾）降低了导热。 此后钢件逐渐冷却，待至蒸汽不再 稳定地附着在钢块表面时，钢和水 重新接触进入“核沸腾”期，此时产
单相强制对流区域：冷却水到达热钢板表面后,在水流下方和几倍宽度的扩展区 域内,形成具有层流流动特性的单相强制对流区域,也称为射流冲击区域。该区域 内,由于流体直接冲击换热表面,使流动边界层和热边界层大大减薄,从而提高热/ 质传递效率,因此换热强度很高。 核态沸腾和过渡沸腾区域：随着冷却水的径向流动,流体逐渐由层流向湍流过渡, 流动边界层和热边界层厚度增加,同时接近平板的冷却水由于被加热开始出现沸 腾,形成范围较窄的核态沸腾和过渡沸腾区域。该区域由于沸腾气泡的存在,带走 大量热量,因此仍可有较高的换热强度。 膜状沸腾区：随着加热面上稳定蒸汽膜层的形成,钢板表面出现膜状沸腾区,在该 区域内,由于热量传递必须穿过热阻较大的汽膜,因此其换热强度远小于前两个区
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从而改善钢材性能。 还有一些钢材则是利用轧后快冷实现在线余热淬火或表面淬火自回火,之后 又发展了形变热处理。这些工艺既能节约能源、缩短生产周期,又能提高钢材性 能。由此看来,控制冷却后的钢材性能取决于轧制条件和冷却条件。轧材冷却之 前的组织取决于控制轧制工艺参数(其中也包括中间冷却对轧制工艺的影响),而控 制冷却的条件(开冷温度、冷却速度、终冷温度等)对相变前的组织和相变后的相 变产物、析出行为、组织状态都有影响。 因此为获得理想的控制冷却钢材的性能,就要将控制轧制和控制冷却很好的 结合起来。
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域的换热强度。 小液态聚集区：随着流体的沸腾汽化,在膜状沸腾区之外,冷却水在表面聚集形成 不连续的小液态聚集区。 直接辐射区：小液态聚集区的水最终或被汽化,或从钢板的边缘处流下,裸露的钢 板就直接向空气中辐射热量。这里描述的是在一块钢板的不同部位上有不同的 传热现象。
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轧后冷却的目的是为了改善钢材最终的组织状态,提高钢材性能,即 在不降低钢材韧性的前提下继续提高钢的强度。此外,控制冷却还能缩 短热轧钢材在控轧过程中和轧后的冷却时间,提高轧机生产能力。 基本原理：控制冷却能防止奥氏体晶粒长大,从而细化铢素体晶粒。此
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外，还能减少网状碳化物的析出量、降低其级别、保持其碳化物固溶状态,以 达到固溶强化的目的。再者，减小珠光体球团尺寸,改善珠光体形貌和片层间 距,从而改善钢材性能。
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Q= α（t f- t w） A
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因为A和Δt较容易确定,而α的变化却错综复杂,所以计算对流换热量Q就变成如 何根据各种具体情况确定对流换热系数α的问题。 换热系数的测定一般由水冷时的钢材冷却曲线求出,即所谓非稳定实验方法, 或者通过测定水冷同时加热钢材使其保持一定温度所需的热量求出,此即稳定冷 却实验方法。这些实验结果的报告很多,但由于实验条件不同,其结果将不相符合。 因此在使用这些结果时要给以注意。具体的实验方法和参考数据可参看有关文 献。
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2、对流换热系数α及其确定方法
钢的对流换热系数α是表示各种冷却条件的冷却能力的重要指标。 钢材冷却时,流动的冷却介零通过与热钢材表面的接触,利用两者之间温度的 不同,产生了热量的传递,这个过程称为对流换热。对流换热既具有流体分子间的 微观导热作用,又具有流体宏观位移的对流作用,所以它必然受到导热规律和流体 流动规律的支配,因而是一种复杂的热传递过程。 计算对流换热时冷却介质所带走的热量Q,迄今还采用牛顿冷却公式,即:
（a）
（ b ）
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（c）
（ d ）
图6 不同气水混合比时喷出的气雾状态 （雾锥高度600mm，锥角30°，水量4m3/h；气压（a）0MPa、（b）0.15 MPa、（c）0.25 MPa、（d）0.30 MPa）
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图2 大喷头
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图4 在线冷喷雾时的情况
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图1试验用单头喷雾冷却器
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图3 九头喷雾冷却试验进行中 辽宁科技大学 材料与冶金学院 （喷嘴距φ80棒材表面450mm，棒材初始温度950℃）
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（a）
（ b ）
（c）
（ d ）
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图5 不同气水混合比时喷出的气雾状态 （雾锥高度600mm，锥角30°，水量8m3/h；气压（a）0MPa、（b）0.15 MPa、（c）0.25 MPa、（d）0.30 MPa）
所得组织：通过调整控制冷却的冷却速度、冷却温度等工艺参数还可以
使钢材获得除铁素体-珠光体组织以外的其他组织,如粒状贝氏体、马氏体等,以 满足用户对钢材的不同性能要求。
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冷却介质：可以是气体、液体以及它们的混合物。其中以水最为常用。
具体的冷却方法因产品品种、轧后冷却目的不同而异。
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图3 在线喷雾时的情况
二、控制冷却各阶段的冷却目的
泛指的控制冷却包括轧制中间阶段的冷却和轧后的冷却两类。 轧制中间阶段的控制冷却通常指在精轧阶段前的冷却。这个阶段冷却的目的 在于控制精轧阶段的轧制温度和终轧温度。它对于保证控制轧制工艺的实现是很 重要的。冷却方式可采用空冷或水冷。如中厚板生产中的中间待温以实现两阶段 轧制或三阶段轧制,连续线材生产中精轧前的穿水冷却等。 轧后控制冷却的重要目的之一是通过控制冷却能够在不降低材料韧性的前提 下进一步提高材料的强度。 控制轧制特别对改善低碳钢、低合金钢和微合金钢材的强韧性最有效。高 温终轧的钢材,轧后处于奥氏体完全再结晶状态,如果轧后慢冷(空冷),则变形奥氏 体就会在相变前的冷却过程中长大,相变后得到粗大的铁素体组织。 由于冷却缓慢,由奥氏体转变的珠光体粗大,片层间距加厚。这种组织的力学 性能是较低的。对于低温终轧的钢材,终轧时奥氏体处于未再结晶温度区域,由于 变形的影响Ar3温度提高,终轧后奥氏体很快就相变,形成铁素体。这种在高温下 形成的铁素体成长速度很快。如果轧后采用的是慢冷,铁素体就有足够的长大时 间,到常温时就会形成较粗大的铁素体,从而降低了控制轧制细化晶粒的效果。 辽宁科技大学 材料与冶金学院 井玉安
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生很大的热传导。 随后钢件逐渐变冷，不久就更冷,热 传导再次降低。这里描述的是静态 的情况,而实际生产中,不仅钢材是 运动的,水也是流动的。如在棒线材 生产中广为应用的湍流管。“动”的 结果就使钢材表面不易形成蒸汽膜,
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从而提高了冷却能力。
2、喷水冷却的情况. 喷水冷却的水是不连续的水滴或连续的水流(紊流),当水流最初冲击到热钢材 表面时,由于冷却水过冷度很大,热传导(冷却能力)非常大，并迅速形成一层膨胀的 蒸汽层,随后喷来的水滴为这层蒸汽所排斥，此时热传导效果降低,钢材不能很好 冷却。
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整个板带冷却过程中实现核沸腾冷却。冷却水从离轧制线很低的集管顺着轧制方 向以一定压力喷射到板面,将水与钢板表面之间形成的蒸汽膜和板面残存的水吹 扫掉，在带钢表面形成“水枕冷却”（水 枕冷却是指高密集的冷却集管，用高水 压增加水流量,在钢板表面产生一个湍流 拌水层的冷却方式图7.5)）从而达到钢 板和冷却水之间的完全接触,避开了过渡 沸腾和膜态沸腾,实现了全面的核态沸腾, 提高了钢板与冷却水之间的热交换,达到 较高的冷却能力。而且提高了钢板冷却 的均匀性。