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1、（接第 12 期 B05 版）3 热 轧 板 带 钢 新 一 代 TMCP 装备及工艺技术开发 历程及工业实践3.1 超快速冷却技术装备的 开发历程及推广应用 2008 年， 东北大学 RAL 在 包钢 CSP、 攀钢 1450mm 轧后超 快速冷却实验或中试装置开发基 础上， 依托湖南华菱涟钢产品质 量提升技改工程 2250mm 轧后 冷却系统项目， 合作开发国产首 套基于超快速冷却技术的热轧带 钢新一代控制冷却系统。技术方 案制定过程中， 一方面从产品定 位和工艺需要出发， 在吸取国内 外已投产同类轧线经验基础上， 自主创新配置高水平轧后冷却系 统， 以满足多品种开发需求； 另 一方面，
2、RAL 提出了一种倾斜喷 射的超快速冷却系统设计理念， 采用斜喷缝隙式喷嘴 + 高密管 式喷嘴的混合布置。考虑到兼顾 特殊品种如双相钢等后段强冷需 求， 后段层流冷却采用基于层冷 机理的适度加密方案， 提出热轧 带钢新一代控制冷却技术方案： 前置式超快冷 + 层冷粗冷段 + 加密冷却段 + 精冷段 （已申报专 利） ， 如图 10 所示。 RAL 提出的基于倾斜喷射 的超快速冷却系统设计理念， 通 过有效去除带钢表面残留水与钢 板之间形成的汽膜， 使钢板与冷 却水完全接触， 实现对钢板的射 流冲击冷却和全面的核态沸腾换 热， 从而大大提高钢板和冷却水 之间的热交换。此外， 通过喷嘴 结构的优化
3、设计实现喷嘴出口流 量沿带钢宽度方向的合理分布， 实现带钢高强度冷却条件下的均 匀冷却， 避免了钢板由于冷却不 均引起的翘曲。RAL 将该系统 命名为 ADCOS-HSM （Advanced Cooling System-Hot Strip Mill） 。 2009 年 9 月 6 日， 涟 钢 2250mm 热轧线热负荷试车成 功； 2009 年 12 月， 超快速冷却系 统全面进入工程调试阶段； 2010年 3 月， 减量化 Q345 首批次系 列规格产品试制成功， 产品力学 性能稳定， 焊接及成形性能优于 常规产品， 系统应用进入试生产 及批量化阶段。基于超快冷技术 的新一代 TMCP
4、工艺在提高产 品性能、 降低生产成本方面显示 出独特的技术优势。同时， 调试 过程全面转入工程技术完善和产 品新工艺技术开发阶段。双方 在低级别产品及规格上稳步推 进工艺和批量化生产的基础上， 进一步推进高级别高等级钢种 的新工艺开发、 试制及批量化生 产工作。基于超快冷工艺， 2011 年 4 月， 低成本高性能 600MPa、 700MPa 热轧态高强钢完成产品 试制及批量供货； 2011 年 10 月， 低成本高性能管线钢 X70 顺利 完成产品大批量生产供货。新 一代 TMCP 工艺技术优势得到 进一步充分体现。截至目前， 基 于新一代 TMCP 工艺， 累计生产 40 万 t 以上，
5、 品种涵盖普碳钢、 高 强钢、 管线钢、 汽车结构钢等多个 产品系列。当前， 基于超快冷工 艺进一步扩大产品工艺覆盖面， 开发和生产低成本高性能热轧带 钢产品， 为企业创造更大的生产 效益， 已成为企业及至双方进一 步扩大和深化产学研合作的广泛 共识。 作为一项我国钢铁工业轧制 技术领域的原始性技术创新， 其 技术开发和工程实施过程历经喷 嘴结构设计及优化开发、 超快速 冷却喷水系统的优化配置、 满足 连续稳定生产要求的超快速冷却 工程技术开发与实现、 高精度模 型控制系统的开发与应用、 系列 品种及规格产品基于超快冷的新 一代 TMCP 减量化工艺开发与 实现等过程。在项目依托企业 湖南华菱
6、涟钢的大力支持下， 双 方合作开展了卓有成效的理论 研究和工程技术开发与研究工 作， 并取得重大突破和成果， 完成 了工艺理论到工程实践的实现 及工业化大批量应用过程， 开发 和形成了涵盖装备技术、 自动控 制、 冷却工艺、 减量化产品工艺等在内的完善的热轧带钢新一代 TMCP 装备及工艺成套技术。 基于超快速冷却技术的新一 代 TMCP 工艺在低成本高性能 热轧带钢产品生产过程中体现 出的技术优势和工艺潜力得到 了钢铁企业、 行业以及国家和政 府部门的高度认可。2009 年， 涟 钢与东大合作在其 CSP 热轧生 产线新增轧后超快速冷却系统， 2009 年底该系统投入运行。双 方基于涟钢 C
7、SP 薄规格产品轧 制工艺优势， 合作开发高等级薄 规格产品及工艺。2011 年， 在前 期相关科研开发工作基础上， 由 东北大学联合国内钢铁企业、 科 研院所联合申报的 “热轧板带钢 新一代 TMCP 装备及工艺技术 开发与应用” 项目列入国家科技 部 “十二五”科技支撑计划项目 “钢铁行业绿色制造关键技术集 成应用示范” ， 标志着热轧带钢新 一代 TMCP 装备及工艺技术获 得政府高度认可， 自主创新及技 术攻关和项目实施工作得到了国 家和政府部门的大力支持。2012 年 3 月， 首钢迁钢与东北大学正 式签订超快冷系统项目合同， 项 目涵盖 2160mm 热轧线新增超快 速冷却系统的装
8、备、 自动化、 模型 以及新产品工艺开发等工作， 全 面实施基于超快速冷却的新一代 TMCP 装备及工艺技术。这是 首钢总公司以及首钢迁钢各级领 导和技术人员在综合考察分析国 内外相关技术厂家实际技术水平 和应用情况的基础上做出的慎重 选择， 尤其是在当前钢铁行业严 峻的形势下， 充分体现了对东北 大学 RAL 自主创新技术的高度 认可和信任， 也充分体现了东北 大学 RAL 热轧带钢超快冷技术 的先进性和可靠性。目前， RAL 开发的以超快速冷却为特征的热 轧带钢新一代 TMCP 装备及工 艺技术已在业界得到高度认可， 真正体现了自主创新的新一代 TMCP 技术的生命力。 3.2 装备及工艺
9、技术特点 1） 冷却强度大， 冷却均匀性 良好， 满足热轧带钢全系列规格轧钢技术Steel Rolling Technology 编辑：任秀平热轧板带钢新一代TMCP装备及工艺技术B042012 年 4 月 10 日下转第 B05 版立项建设二十周年自主创新系列成果（7）东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 （简称RAL） ， 其前身是东北工学院轧钢实验室， 1991年获批立项建设， 1995年通过国家验收， 成为我国轧制技术及其自动化领域唯一的国家重点实验室。 RAL 秉承 “开放、 流动、 联合、 竞争” 的运行机制， 以国民经济需求为导向， 取得了一系列具有自主知识产权的科研创 新
10、成果。 为庆祝RAL建设二十周年， 本报特组织相关报道， 以飨读者。产品的冷却工艺需求。 ADCOS-HSM 系 统 的 冷 却能力在现场应用实践中表明， 对 于 3mm 带 钢， 冷 却 速 率 可 达到 300 /s 以上；与常规层 流冷却相比， 全系列厚度规格 （1.2-25.4mm）带钢冷却速率可 达到常规层流冷却速率的 2-5 倍及至以上。同时， 独特、 先进的 超快冷喷嘴集管结构设计具备水 压和流量的大范围调节功能， 可 实现冷却能力的大范围无级调 整， 这就为特殊产品生产过程中 超快速冷却系统实现层流冷却功 能提供了应用条件。 在冷却均匀性上， 实际应用 过程中， 开发的 ADC
11、OS-HSM 系统曾用于生产最薄至 1.2mm 厚度的带钢超快速冷却工艺， 冷 却后板形良好， 体现了良好的冷 却均匀性。同时也为生产低残余 应力或无残余应力板带钢奠定了 良好工艺条件。 必须指出的是， 热轧带钢轧 后冷却过程的板形问题实际与热 轧工艺过程的温度均匀性密切相 关， 如精轧过程机架间冷却均匀 性、 轧制辊印等都会对卷取前的 板形产生影响。尤其是对于宽幅 达到 1900mm 甚至 2000mm 以上 超宽幅面的带钢冷却， 因热轧带 钢轧后冷却通常需要超快冷系统 与后面的层冷进行接力式冷却， 由于后续层冷区域带钢因幅面过 宽造成带钢边部与冷却区域侧挡 板之间间距过小， 往往造成带钢
12、表面残留水存积不能快速排出， 残留水与带钢表面的不均匀热交 换极易造成板形不良。因此对于 宽幅面的带钢冷却过程， 必须考 虑在后续层冷区域具备有效的残 留水去除手段， 以确保板形良好， 否则宽幅面带钢实际生产过程中 即使仅仅采用层流冷却工艺也往 往会产生瓢曲、 浪形等板形问题。 2） 工艺模型控制精度高， 实 现了超快速冷却条件下的温度多 目标精确控制， 满足新产品工艺 的开发需求， 采用的与现有控冷 系统的并行控制系统方案确保了 新增超快冷系统实施过程中的工 艺及产品生产过渡稳定性。 热 轧 钢 铁 材 料 新 一 代 TMCP 工艺要求超快速冷却能 够在工艺所需的动态相变点附近 停止冷却，
13、 这就要求控制系统具 备对带钢超快速冷却后的温度具 备良好的控制精度。因此， 考虑 卷取温度、 冷却速率等控制要求， 实际上基于超快速冷却的新一代 TMCP 工艺是多温度目标的控 制过程。开发的工艺模型通过采 用 TVD 曲线计算与前馈控制相 结合， 有效提高了温度控制精度， 满足了大型热连轧机生产线升速 轧制的工艺要求。实际应用过程 中， 典型的热轧带钢温度控制情 况如图 11 所示。 实际对比应用表明， 在卷取 温度控制上， 东北大学 RAL 开发 的热轧带钢控冷模型达到或优于 国外引进的先进控冷模型， 尤其 在厚规格低温卷取工艺上， 控温精度明显优于引进的国外先进系 统实际控制水平， 为
14、厚规格产品 的连续稳定生产和产品性能批次 稳定性做出了重要贡献。 前已述及， 热轧钢铁材料新 一代 TMCP 工艺实际上从成分设 计开始， 及至冶炼、 轧钢工序都要 系统开展相关的工艺技术开发工 作， 涉及整个流程工艺过程的再 造。因此， 在现有轧线基础上新 增超快速冷却系统， 必须确保产 品工艺及生产过渡过程稳定性， 消除对产品现有工艺及生产过程 的影响， 在此基础上稳步实现和 扩大低成本高性能钢铁材料的新 工艺开发与推广应用。东大 RAL 采用的与现有控冷系统的并行控 制系统方案， 确保了新增超快冷 系统实施过程中的产品工艺及生 产过渡稳定性， 得到了企业的高 度认可， 为项目实施和产品生
15、产 的稳顺过渡提供了有效手段。 3）系统冷却工艺控制方式 灵活， 为热轧带钢丰富多彩的冷 却路径控制、 热轧带钢产品组织 调控以及低成本高性能带钢产品 和新工艺的开发提供了有效手 段。 热轧带钢生产工艺的重要突 出特点在于注重冷却路径的控 制。与传统层流冷却系统相比， 前置式超快速冷却系统的存在， 强化了对热轧后带钢晶粒度、 析 出物控制以及组织相变的控制能 力。同时与后续层流冷却的联合 使用， 大大丰富了热轧带钢轧后 的冷却路径控制策略， 在热轧带 钢材料强化机制和冷却过程控制 等组织调控手段和途径方面有了 重大创新与突破。 在晶粒度控制方面， 在奥氏 体未再结晶区的较高温度范围 内完成热轧
16、过程， 钢铁材料不能 发生再结晶， 仍然处于含有大量 “缺陷”的高能状态。通过轧后 的立即超快速冷却可以抑制奥氏 体晶粒的长大， 并将材料的 “硬 化”状态保持到终冷温度， 即相 变点附近。 在随后的相变过程中， 保存下来的大量 “缺陷”为新相 的生成提供更多的形核位置， 从 而可以得到与低温轧制相似的强 化效果， 在不添加或少添加 Nb 元素的低成本条件下实现对组织 的细晶强化。 在析出物控制方面， 传统控 轧控冷条件下， 析出物在奥氏体 中析出， 随后析出粒子不断长大， 最终析出粒子尺寸达数十纳米， 强化效果不佳。采用轧后的超快 冷可以抑制碳氮化物在奥氏体中 析出， 迅速穿过通常的形变诱导 析出温度范围区间， 使得碳氮化 物在铁素体或贝氏体相变区间内 析出。其中铁素体中的析出又可 分为相间析出以及在铁素体晶内 大量、 微细、 弥散的过饱和析出， 进而起到强化铁素体基体的作 用， 可大幅度提高材料的强度水 平， 从而低成本地增强析出强化 效果。图 10 合作开发的热轧带钢新一代控制冷却系统配置方案 （已申报专利）超快冷段集管层冷粗冷集管 层冷精冷集管层冷加密强化冷却集管压空
