热轧板带钢新一代tmcp装备及工艺技术

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1、 第 1 页 共 6 页 世界金属导报/2012 年/4 月/10 日/第 B04 版 轧钢技术 热轧板带钢新一代热轧板带钢新一代 TMCP 装备及工艺技术装备及工艺技术 (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

2、 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，RAL 提出了一种倾斜喷射的超快速冷却系统设计理念，采用 斜喷缝隙式喷嘴一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

3、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(AdvancedCooing 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

4、于超快冷技术的新 一代 TMCP 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， 品

5、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-湖南华菱涟钢的大力支持下，双方 合作开展了卓有成效的理论研究

6、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 的技术优势和工艺替力得到了钢铁企业、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 CSP 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，在前期相关第

7、2 页 共 6 页 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 2160nun 热轧线新增超快速冷却系 统的装备、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

8、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 自主创新技犬的高度认可和信任，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

9、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 ADCOS-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

10、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

11、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，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

12、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，在现有轧线基础上第 3 页 共 6 页 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

13、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

14、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

15、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。 在组织相变控制方面，其核心是冷却路径控制。将超快速冷却具有的冷却速率调整功能作为 手段，可以更有效的进行相变强化控制，实现理想的相变强化。传统的控制相变强化的方法是添 加合金元素，如为了实现贝氏体

16、相变，往往添加 Mo 或 B，使 CCT 曲线的铁素体相变区右移，以 利于在传统层流冷却系统的较低冷却速率条件下得到贝氏体组织。但是，添加合金元素会提高生 产成本，消耗资源。如果采用超快速冷却，情况会完全不同。如同样为了发生贝氏体相变，可以 不添加合金元素，而是采用超快速冷却，抑制铁素体相变的发生，而使相变在更低的温度下进行。 如果超快速冷却的终止温度位于贝氏体相变温度范围，则可以得到贝氏体组织。如果这一终止温 度位于马氏体相变点以下，则得到马氏体组织，因此是一种减量化的相变强化方法。 在冷却路径控制方面，热轧带钢常规层流冷却系统的冷却策略主要有前段主冷策略、无反馈 段优先开启的前段主冷策略、后段主冷策略以及稀疏冷却策略。采用超快速冷却，根据不同钢种、 不同规格以及不同的性能要求，对超快冷出口温度、卷取温度和冷却速度提出要求，整个冷却系 统有多种组合的冷却路径。在常规生产过程中常用的三种冷却路径控制策略为:UFC+LFC 前段冷 却、UFC+LFC 后段冷却、UFC+LFC 稀疏冷却模式，如图 12 所示。 作为调控组织结构并最终控制性能的主要手段，超快速冷却为实现热轧钢铁材料冷