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1、TMCP 技术的新进展柔性化在线热处理技术与装备摘 要 TMCP 技术是改善产品质量的重要轧制工艺技术。近年来，在传统的加速冷却和直接淬火的基础上，柔性化的轧后在线热处理得到了快速发展，成为 TMCP 技术发展的前沿和热点。重点介绍了在线热处理过程中应用的超快速冷却技术和再加热设备，并以实例说明了柔性化在线热处理技术在开发产品、降低成本方面的作用。关键词 TMCP柔性化在线热处理 技术与装备1 传统的在线热处理技术近年，在线热处理技术受到普遍重视。这是因为在线热处理利用轧制余热对钢材进行热处理，可省去离线热处理必须的二次加热，因而节省能源，简化操作，缩短了产品的交货期。同时，在线热处理可以利用
2、材料热轧过程中积累的应变硬化，在有些情况下可得到比离线热处理更优良的产品性能和质量。传统的在线热处理技术包括加速冷却技术和直接淬火（DQ）技术。1.1 加速冷却技术加速冷却是指在控制轧制后，在奥氏体向铁素体相变的温度区间进行某种程度的快速冷却，使相变组织比单纯控制轧制更加微细化，以获得更高的强度。加速冷却是在“控制奥氏体状态”的基础上，再对被控制的奥氏体相变进行控制。加速冷却设备依据产品形状进行设计，通常板带材采用棒状层流或者水幕层流冷却装置，冷却水压力 0.060.07 MPa，冷却水压力不高，但是动量较大，可以击破钢板表面残水膜，获得较强的冷却效果。冷却系统的设计应保证在钢板的纵向、横向和
3、厚度方向冷却均匀。加速冷却技术与控制轧制技术一起构成了 TMCP 技术的核心。日本 JFE 福山厂（原NKK 福山厂）于 1980 年首次在中厚板轧机后成功采用加速冷却系统，命名为 OLAC（On-Line Accelerated Cooling）。该冷却系统安装于精轧机与矫直机之间，上冷却系统是管层流式，下冷却通过安装与辊道辊之间的喷射式喷嘴对钢板进行冷却。住友金属鹿岛厂也在 20 世纪 80 年代装备了加速冷却系统，命名为 DAC（Dynamic Accelerated Cooling），安装于轧机与矫直机之间。该系统是住友金属与 IHI 公司合作开发的。上冷却系统为水幕冷却，共有 12
4、个集管：下冷却为喷射式冷却，共有 39 个集管。上、下冷却系统均可以在 100%300% 的范围内进行水流量调节，最大用水量为 90 m3/min。根据轧制品种的不同，上、下冷却系统的流量比可以调整为 1：（2.0 2.5）。川崎制铁（现 JFE）水岛厂多动能加速冷却系统，命名为 MACS（Multifunctional Accelerated Cooling System），该系统由加速冷却和直接淬火两个独立的部分组成。加速冷却的上集管为直管式，管理上属于水枕式冷却系统；下集管是特殊设计的带翼片集管。主集管侧面的一排孔喷出的高压水沿翼片分两股以水幕状喷向钢板下表面，其中位于上游方向的一股被钢
5、板带回，重新落入翼片，可以重复使用，提高了水的利用效率。该冷却系统长 40 m，总用水量为 200 m3/min，对于 50 mm 厚的钢板，冷却速率可以在 211/s 的范围内进行调节。其他各厂，例如 NSC 开发了 CLC 系统，而神户制钢开发了 KCL 系统，各具特色。1.2 直接淬火（DQ）技术20 世纪八九十年代，在加速冷却技术的基础上发展了直接淬火（DQ）技术，其可代替再加热淬火（RQ），将处于奥氏体区域两相区的热轧后的钢材直接水淬到室温。应用比较成功的例子是生产高层建筑用钢的 DQQT 工艺（直接淬火两相区淬火回火）和DQ T 工艺（两相区直接淬火回火）。直接淬火装备是初期的压力
6、淬火机和后来发展的辊式淬火机。日本的主要钢厂，如 JFE、NSC、住友、神户等均设有在线直接淬火设备。川崎制铁水岛厂开发的 MACS 系统中的直接淬火装置安装于加速冷却系统后面，长 13 m。直接淬火装置类似一个水箱，容积 2 300 m3，钢板在箱内浸没在冷却水中。冷却水箱有进水口和出水口。箱内安装有叶片式的搅动辊，加速水的流动，加强冷却水与钢板的热交换。高压淬火时，水压 0.5 MPa，最大耗水量 60 m3/min，低压淬火时，水压 0.2 MPa，最大耗水量 180 m3/min。住友金属在常规加速冷却系统中安装了自主开发的 DAC 系统（长 14 m），该系统采用高压水上、下对称地喷
7、射到钢板上、下表面，事先对钢板的冷却。2 柔性化在线热处理装备传统的在线热处理工艺和装备存在两个问题：一是轧后冷却过程是调整材料相变组织性能的重要阶段。为了得到所需组织性能，仅仅依靠冷却是不够的，有时还需加热，例如 Q&P过程。二是不能仅依靠加速冷却（低冷速）和直接淬火，而应能在低冷速与直接淬火之间进行宽范围的冷却速度控制，控制冷却路径，甚至可以在线加热。这样，就可以依据材料所需的组织性能，在线控制材料的冷却路径、加热或冷却，即采用柔性化的热处理工艺。通过轧后柔性化的在线热处理，提升材料性能的空间极为广阔。在这种情况下，各种在线热处理新设备、新工艺应运而生。应当注意的是，除了加热和冷却设备外，
8、生产线上的其他设备，例如热连轧的卷取机及各类钢材的精整设备也可能需要进行适应性的改造。2.1 超快速冷却系统2.1.1 Super-OLAC1998 年，JFE 西日本制铁所对福山地区（原 NKK 福山厂）厚板厂对原有的冷却系统OLAC 进行了改造，建设了 Super-OLAC（Super On-Line Accelerated Cooling）新型加速冷却系统。该系统的最大特点是避开了冷却过程中的过度沸腾和膜沸腾阶段，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-OLAC 上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
9、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解除，实现核沸腾，成为“新的水流控制冷却” 。该系统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。其下冷却系统是由配置在水槽内的高密度喷嘴喷射冷却水，以其随半流的方式进行冷却，称为“带高密度导管的吸入式喷水冷却”。采用 Super-OLAC 系统，钢板冷却后表面温度分布均匀，与轧后钢板温度分布是一致的。Super-OLAC 系统为福山厂的产品开发、成本降低发挥了巨大作用。在川崎和 NKK 合作成立 JFE 后，JFE 仓敷地区水岛厂（即原川崎制铁水岛厂）于
10、 2003年采用了 Super-OLAC 系统，对于 20 mm 厚钢板，最大冷却速率可达到 65/s 。2004 年，东日本地区京浜厂也采用了 Super-OLAC 系统。由于 Super-OLAC 系统具有很强的冷却能力，同时又具有很好的冷却均匀性，既可以实现加速冷却，又可以实现在线直接淬火，是新一代控制冷却系统。2.1.2 CLC-u 系统新日铁于 1983 年率先采用冷却前钢材矫直和约束冷却方式的冷却系统，称之为CLC（Continuous on Line Control Process），并应用于生产焊接性有良好的高强、高韧性钢材产品。在 CLC 应用的基础上，新日铁又开发了新一代控
11、制冷却系统 CLC-u，应用于君津厂的厚板车间。该系统 2005 年 3 月竣工，当年 7 月正式投产。在“CLC”后面增加字母“u” ，有几层意思：一是表示可以实现精确的冷却控制，在物理冶金方面是“万能的”（Universal）；二是表示高水平的组织控制，晶粒尺寸细小，达到微米级；三是取Ultra，Ultimate ，Unrivaled，Universal，Uniform，Unique，Unliimted，等词的头一个字母，表示优良的性质之意。CLC 具有世界最高水平的冷却速率，CLC-u 仍采用约束型的控制冷却方式，但在冷却喷嘴的形式和水量控制方法等方面进行了根本性改变，大大提高了冷却控制
12、性能。CLC-u 系统可实现由高冷却速率到低冷却速率的极宽范围的稳定控制，冷却后钢板的温度偏差比通常减少一半，冷却均匀性大幅度提高，从而提高了板厚方向的硬度均匀性及钢板组织控制精度。利用 CLC-u 技术，新日铁开发了焊接区高韧性的钢种 HTUFF（r）、X80 以上级别的高强度抗大变形管线钢、40 以下极寒冷地区使用的焊接性优良和焊接接头韧性优良的海洋结构用钢等新钢种，并大量供应市场。2.1.3 东北大学 RAL 开发的 ADCOS 系统 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）针对不同的钢材种类，开发了与之相适应的控制冷却系统，归为一个家族，统称之为 ADCOS（Advance
13、d Cooling System）系统。针对中厚板，RAL 提出了一种倾斜喷射的超快冷层流冷却的新设计概念，并申请了发明专利。该系统命名为 ADCOS-PM（Plate Mill）。其借鉴辊式淬火机实施淬火过程的基本原理，采用斜喷缝隙式喷嘴高密管式喷嘴的混合布置，将两者优点结合起来，极其均匀地将板面残存水与钢板之间形成的气膜清除，从而达到钢板和冷却水之间的完全接触，实现钢板和冷却水均匀接触的全面核沸腾。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，而且钢板冷却均匀，大大抑制了钢板由于冷却不均引起的翘曲。为了保证钢板顺利通过超快冷系统，超快冷系统前面最好采用预矫直机对钢板进行预矫直。
14、这种新型的冷却系统既可以对钢板实施超快速冷却，也可以进行直接淬火。将 ADCOS0PM 的思想延伸，进一步应用到热连轧机，开发了 ADCOS-HSM（Hot Strip Mill）系统。其安装于精轧机出口，可以对钢板实施超快速冷却。在超快速冷却系统后面，是常规的加速冷却装置，它可以单独使用，进行加速冷却，也可以与超快冷进行接力式冷却，实现高轧制速度下的高冷却速率的直接淬火。对棒材，RAL 开发了 ADCOS-BM（Bar Mill）系统，其核心是超快冷水冷器。水冷器由多节冷却管组成，总长度一般不大大于 20 m，在轧制速度小于 20 m/s 时，水冷器总长度小于 13 m。每节冷却管在轧件入口
15、端由换装缝隙喷一定压力的冷却水，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 10 mm 热轧直角钢筋四线切分轧制的堵钢问题。由于强化了冷却效果，所以可以提高冷床的冷却效率，从而提高产量。此外，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 335 MPa 级的20MnSi 生产 HRB400、HRB500 带肋钢筋，大幅度提高产品质量，降低生产成本。同时，该工艺的使用可以不改造主要设备，不降低作业率，不
16、低温轧制，不余热淬火。对 H 型钢，RAL 开发了 ADCOS-HBM（H Beam Mill）系统。由于常规控制冷却系统的冷却能力较差，冷却系统长度较长，同时 H 型钢翼缘和腹板冷却条件不同，温差较大。东北大学 RAL 与有关厂家合作，发挥超快冷技术的优势，对 H 型钢翼缘何腹板等不同部位的冷却装置进行精细化设计，可以对翼缘和腹板进行均匀匀化的快速冷却。2009 年底，ADCOS-HBM 系统在马鞍山钢铁公司投入使用，为我国 H 型钢的升级换代做出了贡献。2.2 在线加热装置2.2.1 在线感应加热装置 对中厚板进行热处理是生产高强度、厚规格产品的重要手段，因此各中厚板厂均配备相应的热处理设备，实现常化、调质、回火等热处理工艺。2003 年，JFE 西日本制铁所福山厂安装了一套中厚板在线热处理设备，2004 年 5 月投产，可以处理钢板宽度达 4.5 m。该系统被称为 HOP（Heat Treatment On-line Process），是目前世界唯一一套中厚板在线热处理装置。HOP 安装
