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1、中厚板控制冷却技术牟凯（五矿营口中板有限责任公司）摘 要：本文对控制冷却系统选择提出一些分析意见。主要讨论以下内容：冷却方式、冷却设备型式的选择、设备的位置、冷却设备的长度以及控制冷却的最新发展。关键词：加速冷却 直接淬火 中厚板 方案比较1 控制冷却技术的发展在线加速冷却系统（ACC）于1979年在日本首次投入使用，并在80年代广泛应用在日本和欧洲的中厚板轧机上。在线加速冷却和控制轧制（CR）共同控制钢材组织结构及性能称为热机轧制（TMCR）。采用加速冷却的热机轧制最初主要用于船板和管线钢的生产，1985年美国ASTM将TMCP生产的钢板列入标准。日本在1983年至1991年期间应用热机轧制
2、技术生产了404.1万t船板和174.1万t管线钢板，分别占同期船板和管线钢产量的85%，ACC技术已广泛应用于建筑、桥梁、压力容器等钢板的生产。部分生产厂的冷却装置具有高速冷却能力，可以对轧后钢板直接淬火（DQ）。和传统的热处理后淬火相比，直接淬火不但可以节能，而且在冷却速度相同的前提下可以得到更高的硬化程度，可以降低钢中的碳含量和碳当量，从而提高钢板的焊接性能，因此大多数先进的加速冷却装置具有直接淬火的能力。通常强度超过580MPa的钢板可采用直接淬火工艺生产。2 控制冷却系统的分类2.1 冷却方式 加速冷却具有多种设备型式，按冷却方式可以归纳为三种类型：2.1.1 同时冷却方式：即钢板进
3、入冷却装置后，同时向钢板全长喷水使钢板达到规定的温度。为了避免因辊道与钢板下表面的长时间接触造成冷却不均，冷却装置所在辊道具有摆动功能。冷却装置的长度比最长的控冷轧件略长。同时冷却方式可减少钢板头尾温差。2.1.2 连续冷却方式：即钢板在通过控制冷却装置的过程中，边前进、边冷却，使之从头至尾渐次达到规定的终冷温度，这是目前世界上采用最多的冷却方式。2.1.3 兼容冷却方式：当钢板较厚较短时，可采用同时冷却方式；当钢板较长时，可采用连续冷却方式。2.2 冷却状态 冷却状态是指钢板的控制冷却是否处于压力约束状态。钢板在辊压状态下称为约束型冷却；反之称为非约束型冷却。约束型冷却装置主要用于直接淬火处
4、理。2.3 喷水方式按喷水方式主要可以将冷却系统分为：层流、水幕、高压喷嘴、气水冷却方式。主要特点比较见表1。表1 喷水方式的比较型式特点高压喷嘴（MLPIC）高密度、高压力的冷却水可连续到达钢板表面并形成紊流，水压可高达5bar，冷却水渗透性高，适合汽膜较厚的情况；冷却速度调节范围较宽，可用于加速冷却和直接淬火。耗水量大，对水质要求高，喷咀易堵塞。集管层流冷却水流为层流状，钢板冷却均匀。可冷却厚度2050mm厚的钢板；需要的冷却区长，不易实现高冷速，不适合直接淬火冷却。对水质要求较高。水幕冷却水流为层流状，没有相邻水柱在冲击钢板时形成的干扰；冷却效率最高，对水质要求不严。冷却速度调节范围小，
5、对需要低速冷却的厚钢板不适用。气水冷却（ADCO）采用压缩空气使水雾化，钢板冷却均匀，冷却速度调节范围最宽。设备管线复杂，噪声大。3 影响冷却质量的主要因素3.1 冷却速度 为了使钢板获得均匀的组织和机械性能，冷却装置的冷却速度应随钢板厚度增加而降低。如果厚钢板的冷却速度太高，钢板的表面和中部温差会过大。对厚规格钢板而言，沿厚度方向的热传导系数是限制因素；对薄钢板而言，表面的热传递系数才是关键因素。加速冷却应用的温度范围一般为800500，处于稳定膜态沸腾区，因此热交换系数的稳定是控制冷却速度的关键因素；典型直接淬火的温度范围为900200，冷却过程通过部分膜态沸腾区，热交换系数对冷却效果不产
6、生主要影响。3.2 钢板平直度 如果进入冷却区的钢板平直度差，就会造成钢板冷却不均，并使板形更加恶化。因此，坯料的均匀加热和轧机具有良好的平直度控制水平是取得良好板形的前提条件。如果以生产薄规格钢板为主，75%以上的钢板厚度在20mm一下，可以考虑在冷却装置前设置预矫直机。3.3 钢板表面状态 由于氧化铁皮的导热系数较钢低，残留的氧化铁皮会破坏稳定的膜态沸腾，导致钢板的不均匀冷却。轧制过程中的有效除鳞是很重要的。3.4 钢板温度的均匀性 包括提高钢板进入冷却装置时的均匀性和避免冷却过程的头尾和边部过冷。采用低的冷却速度时（通常钢板以低速运行），要提高钢板进入冷却装置时头尾温度的均匀性，应限制钢
7、板的长度；也可以采取同时冷却方式。随钢板宽度的增大，钢板横向冷却不均匀的趋势也增加。可采用边部罩、水量中凸分配避免边部过冷。避免钢板头尾过冷需要可靠的计算机模型和快速冷却介质开闭速度。增加下部喷咀供水比例避免钢板上表面过冷。4 确定冷却装置位置的因素4.1 冷却装置应靠近轧机。轧件在轧机中结束变形后，将产生晶粒组织的回复和静态结晶。以0.2%C，变形量30%的钢为例，950时变形完成后的第10s 60%的奥氏体晶粒发生了再结晶。钢板终轧至冷却开始的时间不宜超过20s。4.2 避开易受到冷却水及蒸汽干扰的工艺仪表。为测厚仪、测宽仪、钢板平面形状测量仪、镰刀弯测量仪留出安装位置。4.3 控制轧制中
8、交叉轧制必要的辊道长度。4.4 矫直机对控制冷却装置位置的影响 有少部分厂将矫直机设置在控制冷却装置前；还有一些在控制冷却装置前设预矫直机，在控制冷却装置后在设矫直机；其目的是保证钢板进入控制冷却段时具有平直的板形，也因为高强度钢板在冷却后很难再进行矫直。在冷却装置前设置（预）矫直机将拉大主轧线的设备距离，同时增加钢板终轧至开始控制冷却的时间，会降低了控轧控冷的效果。4.5 冷却方式 采取同时冷却方式时，钢板完全进入冷却段后才开始喷水冷却，冷却装置更易于靠近轧机布置；采取连续冷却方式时，钢板应以较快速度进入冷却段，冷却装置和轧机之间应留出钢板减速需要的辊道长度。5 冷却段长度的确定 连续冷却方
9、式冷却装置的长度主要取决于要求的冷却速率CR和钢板的移动速度V0，CR可由产品的厚度方向的硬度梯度H、碳当量Ceq、钢板厚度h等参数确定。a=2.8610-3m/w，K0=4.63，C=比热， e=比重 CR=（H+ K0Ceq）/(aeCH2Ceq) 为了保证钢板冷却后的平直度，钢板的移动速度不宜太低，可参考生产节奏选定，必须在最低速度和最小板厚的基础上确定一个最短长度。 采取同时冷却方式时，以需控制冷却的最大钢板长度为基础确定控制冷却段设备长度。 组合冷却方式由连续冷却和同时冷却两种方式组成。6 冷却装置与矫直机的关系6.1 紧凑式 控制冷却装置与热矫直机紧靠布置，同步操作，适合于厂房受限
10、制的旧厂改造。6.2 分离式 控制冷却的钢板完全离开控制冷却设备后再进入矫直机。 矫直速度和冷却装置内钢板移动速度一般均为02.5m/s，两者工艺速度存在同步的条件，但同步也存在不利的影响。冷却段钢板的速度根据钢种和规格确定，而矫直速度还应参照板形情况；薄规格钢板冷却时移动速度一般较快，如果钢板强度高，钢板与矫直辊的接触面减小，摩擦力小，矫直速度高时可能出现打滑。7 冷却技术的最新应用成果 日本和欧洲控制冷却技术的发展水平见表2和表3。表2 冷却方式和对应的钢种钢种抗拉强度b（MPa/ mm2）490590690780950船板AC海洋结构板ACAC管线钢ACACAC建筑结构板ACDCDCDC
11、桥梁板ACDCDCDC低温容器板ACDC超低温容器板ACDC工程机械ACDCDCDCDC AC为加速冷却，DC为直接淬火。表3 控制冷却技术生产钢种的主要性能钢种板厚mmCeqsbDWTT85%Akv（J）AkvvE（J）X80190.55907015030319X100200.397188873040186船板250.3337251550169海洋结构650.3442251890302HT590800.43493663222HT5901000.44453601272HT980340.50795861206HT98050943996219参 考 文 献1 崔忠圻：金属学与热处理，机械工业出版社，20032 齐克敏：金属塑性加工学，冶金工业出版社，2001
