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1、-轧制技术的新进展 王国栋 作者单位： 东北大学 文摘： 关键词： New progress of rolling technologyWANG Guo-dong（Northeastern University）1 热轧控制冷却技术的发展1.1 Super-OLAC1998 年，JFE 西日本制铁所福山地区厚板厂对原有的冷却系统进行改造，建设了Super-OLAC(Super On-LineAccelerated Cooling 超级在线加速冷却)新型加速冷却系统。该系统的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。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
2、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，所以可达到极限冷却速率和极高的冷却均匀性。Super-OLAC 系统既可以实现超快速冷却，又可以实现在线直接淬火，也可以进行加速冷却。一套系统兼有多种冷却功能，是新一代控制冷却系统的重要特征。1.2 CLC-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 ControlProcess 连续在线控制)，并应用于生产焊接性优良的高强、高韧性钢板等产品。新日铁在CLC 应用的基础上，开发了新一代控制冷却系统CLC-。CLC- 继续采用约束型的控制冷却方式，但在冷却喷嘴的形
3、式和水量控制方法等方面进行了根本性改变，大大增强了冷却控制性能。它可以实现由高冷却速率到低冷却速率的极宽范围的稳定控制，冷却后钢板内的温度偏差比以往减少一半，在全部温度区间内冷却均匀性大幅增强。由于这种高水平的冷却均匀性控制，板厚方向硬度均匀性增强，钢板组织控制精度也得以大幅提高。1.3 ADCOSRAL（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点试验室，下同）针对热轧钢材冷却技术这一关键和共性技术，开发了适用于不同热轧钢材品种的轧后冷却装置( 含UFC 和ACC)，实施新型的控制轧制和控制冷却过程，提高产品的质量，降低产品的成本，为钢材的升级换代做贡献。这个控制冷却系统构成一个家族，统称之为ADC
4、OS(AdvancedCooling System 先进的冷却系统)。最先开发成功的是用于热轧棒材的超快速冷却系统(ADCOS-BM)，该系统安装于棒材热连轧机组之后，对正常温度轧制的轧件进行超快速冷却（20mm 圆钢，冷速可达200300 /s 的高冷速）。可以进行DQ，也可以冷却到某一特定温度，再进行后续冷却。该技术用于钢筋，可以与常规的轧制制度相配合，减少控制轧制的难度，节省微合金元素，生产高级别的产品，不仅可以同时提高材料的强度和韧性（相应提高一个强度级别），而且产品具有低的屈强比，生产钢筋具有良好的力学性能、焊接性能、抗震性能、时效性。这项技术保持棒材连轧机高速轧制、高产、高效率的优
5、势和小规格切分轧制的特点，可以在不改造主要设备、不降低作业率、不低温轧制、不余热淬火的条件下提高产量、质量和产品的强度级别，是一项减量化、低成本、高效率的生产工艺。该系统还应用于轴承钢的生产，可以有效地降低网状碳化物的级别，改进轴承钢的质量，已经应用于宝钢特钢公司。RAL 针对常规热轧带钢轧机层流冷却存在的问题，开发了用于热轧带钢的超快速冷却装置，第一套试验性的热带超快速冷却试验装置已经应用于包钢CSP 生产线冷却段的后部（卷取机之前），利用该套装置已经生产出550，600MPa 级的低成本双相钢。攀枝花钢铁公司1450 热连轧机的精轧出口增设倾斜式喷射和垂直式喷射混合配置的超快速冷却装置，已
6、经可以实现Q235、Q345 升级和部分高强钢的生产。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，其前部10 m 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（低）残余应力的带材产品。该冷却系统已经于2009 年9 月热负荷试车，陆续进行了材料性能改进和品种开发的试验工作。利用Mn 含量仅0.34% 的材料轧制
7、出低成本的Q345(TS500 MPa，YS400 MPa，EL%)，利用含Nb、Ti 综合不超过0.03%的微合金添加，生产出700 MPa 级低成本的双相钢；利用Ti 微合金化，生产出屈服强度800 MPa 的低成本高强钢。针对中厚板提出了一种倾斜喷射的超快冷+ 层流冷却的新设计概念，采用斜喷缝隙式喷嘴+ 高密管式喷嘴的混合布置，将这两种冷却方式的优点结合起来，极其均匀的将板面残存水与钢板之间形成的气膜清除，从而实现钢板和冷却水均匀接触的全面的核沸腾。这不仅提高了钢板和冷却水之间的热交换效率，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。这一系统命名为ADCOS-PM（
8、PlateMill 中厚板轧机），这一系统首先在敬业公司3000 中厚板轧机上试用，证实了晶粒细化效果和优良的板形质量。进一步对鞍钢4300 轧机进行改造，采用倾斜式UFC+ 管层流ACC，已经于2010 年3月份投产。在首钢秦皇岛公司，在引进的4300 轧机预留DQ 的位置上，装设了超快速冷却系统，于今年4 月份投产，目前这两套轧机已经利用冷却系统调试的机会，进行减量化产品的开发工作，已经在345 升级460，高强工程机械用钢方面取得明显进展。河北普阳3500 中厚板轧机目前正在进行冷却系统( 超快冷+ACC) 的安装工作，预计10 月份投产。通过产学研的密切合作，针对H 型钢开发了ADCO
9、S-HBM（H Beam Mill H型钢轧机），可以对H 型钢的翼缘和腹板进行均匀化的快速冷却，这种具有自主知识产权的H 型钢超快冷系统已经于去年底在马钢大型H 型钢之际上投入使用。以Q345B 和55C 钢为对象，通过研究其轧后超快冷条件下的组织转变规律和细晶强化和相变强化机制，开发减量化、高效化的热轧过程和相应的工艺制度，在保证综合性能满足要求的前提下，Q345B 钢性能提高70 MPa 以上；55C 钢强度提高90 MPa 以上；或者强度级别不变，减少微合金元素和主要合金元素用量20% 以上。冷却后，H 型钢平直，满足轧后矫直工序的要求，其他各项性能指标也均满足国标/ 日标/ 欧标的要
10、求。目前正在与莱钢合作，进行该公司控制冷却系统的改造工作，预计年内可以完成。2 在线与离线热处理技术与装备2.1 中厚板在线热处理(HOP) 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。该系统被称为HOP（Heat treatment On-line Process 在线处理），是目前世界上唯一的一套中厚板在线热处理装置，可以处理的钢板宽度达到4.5 m。HOP 安装于矫直机之后，为了提高加热效率，简化装置，采用巨大的感应线圈，可以对钢板进行高速率的加热；采用几台高频电源并联式同步传动，钢板内部的感应发热量由通过线圈的电流精密控制，感应发热量
11、可以方便地换算成热流量。经过Super-OLAC 淬火的钢板通过HOP 时，利用高效的感应加热装置进行快速回火，可以对碳化物的分布和尺寸进行控制，使其非常均匀、细小地分散于基体之上，从而实现调质钢的高强度和高韧性。基于碳化物的微细、分散、均匀控制，通过最优组织设计，可以大幅度地提高材料的性能，生产的抗拉强度6001 100 MPa 级调质钢具有良好的低温韧性和焊接性能等。2.2 应用ADCOS 的中厚板在线热处理技术在采用ADCOS-PM 作为中厚板的轧后冷却系统时，由于超快冷设备的采用，为轧后冷却控制提供了多种可供选择的热处理方案。在轧制阶段，依据钢种的设计要求在高温轧制和低温轧制之间进行轧
12、制温度的优化选择。终轧之后，可以采用超快冷或者ACC（层流冷却），实现从低冷速到高冷速的各种不同的冷却速度。如果采用超快冷，可以对终冷温度进行控制；如果终冷温度处于铁素体相变温度区间，可以称为UFC（超快速冷却）-F；如果终冷温度处于贝氏体相变温度区间，可以称为UFC-B；如果终冷温度处于马氏体相变温度以下，可以称为UFC-M，或称为DQ。对于UFC-F、UFC-B 和DQ，后续还可以采用不同的热处理方式，例如不同速率的冷却、不同速率的加热、不同的加热温度区间、不同的保温时间等。通过这些冷却、加热过程，可以获得多种多样的组织，因而得到多种多样的材料性能。因此，采用ADCOS-PM 与各种不同的
13、后续冷却、加热过程配合，会使得轧后的热处理过程变得丰富多彩，具有极大的创新空间。2.3 钢轨在线热处理技术创新与发展为了满足我国铁路对在线热处理钢轨的迫切需求，在20 世纪90 年代中期，攀钢在国内率先建成具有完全知识产权的一条在线热处理生产线，解决了高温钢轨精确导向、热矫直、翻钢及上料等一系列技术难题，在控制组织和稳定性能的工艺研究基础上，采用在线连续、高效风冷和自学习功能的程序控制技术，实现了轧制与热处理的连续生产，且生产线操作、维护简便，生产过程实现了程序全自动控制，所生产的热处理钢轨质量稳定可靠，综合性能达到或优于国外同类产品。由于前述创新，攀钢是世界上唯一能够连续对100 m 长钢轨
14、进行在线热处理的企业，具备年生产60 万t 100m 长定尺热处理钢轨的能力。经使用，攀钢在线热处理钢轨寿命是普通钢轨2倍以上，较好地满足铁路发展的需要。2.4 棒材在线热处理意大利ABS Luna 棒线材厂，轧机区域后布置着90 m 长的水冷- 淬火线(DQS)，在(DQS) 后面装设一台退火炉(ONA)。90 m 长的DQS 线由一系列水箱组成，可以处理直径20105 mm 的圆钢，生产能力为130 t/h。钢材在进入退火和回火设备(ONA) 前，在DQS 冷却和控制钢材温度，可以是直接淬火，也可以是加速冷却。DQS 水箱（每个水箱有4条线）可以根据产品的品种，进行快速更换。ONA 炉是一
15、座可以实现退火或回火的步进梁式加热炉，燃料为天然气。根据需要，冷却或者淬火的钢材在热处理炉ONA 中进行回火等热处理。钢材进入ONA 炉的温度范围为100750。新型换热式燃烧器节省了燃料的消耗，气体循环系统保证了炉内温度的均匀性。ONA 炉有先进的程序控制系统QSC（质量控制系统）和热电偶系统。通过程序，热电偶系统控制钢材的温度，并保证ONA 炉内的温度均匀一致。控制系统QCS 还具有统计处理控制功能。2.5 线材DQ+ 成卷回火新日铁的室兰厂建设了一条在线的线材淬火- 回火热处理线，其设备包括淬火装置和回火炉。吐丝后的成环线材在辊道上运输，此段运输的另一层含义是控制进入线材后面淬火水槽的温
16、度。辊道后面是淬火用的水槽，成环线材进入水槽后淬火。利用链式运输机拖动成环线材在水槽内运动，并将其拖出水槽。根据不同的钢种要求，水槽内可以选用冷水或热水。热水应用于高裂纹敏感性的合金钢，由于在线材表面形成沸水膜，所以热水提供的是软淬火条件。冷水是应用于低裂纹敏感性的中碳钢。调整冷水喷入淬火池中的方向可以得到不同的搅动方式。冷却后的线材在集卷器中集卷，然后钢卷悬挂在吊钩上，由钩式运输机送入回火炉，成卷进行回火处理。采用低温回火，以释放溶于钢中的氢，并降低线材的硬度，防止线材的延迟断裂。回火温度需要控制，以防止钢卷在回火中变形。2.6 离线调质热处理技术与装备调质热处理是高强度级别、高档中厚板产品重要生产设备，调质线的核心设备和技术多年来一直依靠进口。东北大学与太钢合作，解决了高效率、高均匀性喷嘴、高可靠性升降结构、高精度控制系统、模型及软件等技术难题，掌握了制造中厚板辊式淬火设备及开发中厚板辊式淬火生产工艺的关
