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1、热轧板带材控制冷却装备热轧板带材控制冷却装备的发展及应用的发展及应用Prof.唐荻北 京 科 技 大 学热轧板带钢控冷072141页B课件1.概述控冷技术关乎冶金厂经济效益的五个层面。组织控制：1)奥氏体晶粒大小2)相变组织 F / P/ B / MA / M资源消耗尺寸精度组织性能板形表面质量生产效率经济效益2. 板带控冷装备的发展第三代第三代第二代第二代第一代第一代1980s2000s指标指标：冷却速度、冷却均匀性、可靠性国内控制冷却技术国内控制冷却技术2. 板带控冷装备的发展 第一代第一代(1980s)喷淋冷却喷淋冷却水流密度水流密度300l/minm2 压力压力0.20-0.50MPa
2、倾斜喷射或垂直喷射。倾斜喷射或垂直喷射。 特点：特点：设备及控制方式简单设备及控制方式简单 钢板冷却速率低钢板冷却速率低相变强化效果不明显相变强化效果不明显2. 板带控冷装备的发展第二代第二代(1980s)层流喷射冷却技术（Laminar jet）p日本住友金属DAC （水幕冷却）p日本JFE的OLAC技术（普通柱状层流）特点：特点：水流密度：380-700 l/minm2压力0.06-0.15MPa2. 板带控冷装备的发展第二代第二代(1990s)改进型层流冷却技术(Modified laminar jet )p加密柱状层流技术pSMS-ACC气-水混合冷却pCLECIM公司的ADCO特点：
3、特点：水流密度：600-1200 l/minm2压力水冷：0.08-0.20MPa气雾：0.50MPa2. 板带控冷装备的发展第三代第三代(2000s)新型强化冷却技术新型强化冷却技术（Intensive cooling）代表：pD欧洲开发的UFC（Ultra Fast Cooling）pVAI的MULPIC技术pJFE公司的Super OLACpNSC的IC(Intensive Cooling)技术pPOSCO的HDC（High Density Cooling）特点：特点：水流密度：1760-3600 l/minm2压力0.40-0.80MPa喷射方式直喷斜喷直喷/斜喷组合2. 板带控冷装备
4、的发展Laminar CoolingConventional Accelerated CoolingSpray CoolingMist Cooling3G Cooling DeviceSmallLargeCooling rate K/SThermal DistortionNon-uniformity in MicrostructureGoodSmallBadLargeReliabilityTemperature DeviationTheoreitical limit2. 板带控冷装备的发展带钢新型强化冷却装置强化冷却设备 Carlam 超快冷设备 国内控制冷却技术u1989年前，部分厂家采用普
5、通集管层流或喷淋冷却。u1989年，北京科技大学和钢铁研究总院与重钢五厂联合研制了国内首套水幕冷却装置水幕冷却装置。 到2005年为止，国内再也没有新建一套水幕冷却装置，早前建设的水幕层流冷却装置逐渐被淘汰。u1999年，鞍山钢铁公司与北京科技大学联合开发了新型加密柱状层流加密柱状层流冷却技术及装备。 上集管采用高密度U形集管形式，下集管采用直喷管形式，可实现在线加速冷却。u2009年以来，国内先后开发了超密度冲击射流冷却技术超密度冲击射流冷却技术SUPIC（Super Intensive Impinging Cooling - SUPIC）和ADCOS-PM。国内控制冷却技术 喷淋冷却201
6、02000197019801990水幕层流普通层流加密层流2020冷速均匀性喷射强化冷却集管层流长久的生命力是一个有趣的现象，也值得我们冶金工作者思考。3. 新型控制冷却装备的技术特征传统冷却装置的缺点传统冷却装置的缺点 冷却速率低冷却策略缺乏工艺适应性不强新型控冷装备特征新型控冷装备特征多功能特征高冷却速率均匀冷却及板形控制Laminar CoolingConventional Accelerated CoolingSpray CoolingMist Cooling3G Cooling DeviceSmallLargeCooling rate K/SThermal DistortionNon
7、-uniformity in MicrostructureGoodSmallBadLargeReliabilityTemperature DeviationTheoreitical limit3.1 多功能特征多功能特征适应连续快冷、连续快冷+适中冷却、两段冷却、后段快冷等要求强冷段粗冷段强冷段精冷段强冷段粗冷段精冷段强冷段3.1 多功能特征多功能特征基本功能加速冷却AC(Accelerated Cooling)、间断淬火IDQ(Interrupt Direct Quenching)、分段冷却(DC-Dual stage Cooling)、直接淬火DQ ( Direct Quenching)、
8、直接淬火碳分配DQP (Direct Quenching & Partitioning)等功能在适应普碳钢、低碳钢生产的同时，还能用于生产热轧双相钢、TRIP钢、贝氏体钢、马氏体钢、复相钢等高强度钢。3.2 高冷却速率增加水流密度增加水流密度提高流量，能够提高对流换热系数。增加喷水压力增加喷水压力射流冲击区钢板表面流动边界层和热边界层大为减薄，大大提高了热质传递效率。其换热能力与射流速度以及冲击压力密切相关。水流密度l/min.m2：喷淋冷却：300普通层流：300-600水幕层流：430-900加密层流：600-1200高密射流：750-2200缝隙射流：Max.3600气雾冷却：？喷水压力
9、MPa：层流：0.06-0.15射流：0.25-0.803.2 高冷却速率改变水流分布改变水流分布水喷射的驻点附近是核沸腾冷却区，增加直接喷射点和冲击区面积，减少过渡冷却区和沸腾冷却区面积，可以提高换热效率。改变流动状态改变流动状态以一定的角度将高流量水喷射到板面，依靠帖服钢板表面高速水流冲刷，抑制蒸汽膜的形成和驻留，有效增加核沸腾冷却区面积。普通层流水幕层流加密层流超密层流3.2 高冷却速率中薄板冷却速率3.2 高冷却速率中厚板冷却速率3.3 均匀冷却及板形控制温度温度温度温度高强钢高强钢高强钢高强钢应力应力应力应力相变相变相变相变123456钢卷冷却轧后层流冷却3.3 均匀冷却及板形控制
10、Q3454mmX8017.5mm3.3 均匀冷却及板形控制边部遮蔽技术边部遮蔽技术头尾避让技术头尾避让技术无张力时带头带尾跑偏边部遮蔽不均3.3 均匀冷却及板形控制对称冷却技术对称冷却技术(厚向厚向) 约束分水技术约束分水技术HT00.50.54. 新控冷装备应用国内开发的SUPIC技术、ADCOS-PM技术SUPIC-L ：冷却速度比常规加密层流提高30%，20mm厚度冷却速率能够达到42/s开发DQT型高强度钢Q550-Q800和高强容器板N610ESUPIC-H：冷却速度达到62/s。4. 新控冷装备应用SUPIC-L重钢1780mm热轧带钢强化冷却装置 不同冷却系统的带钢冷却速率对比
11、4. 新控冷装备应用力学性能低冷却速率中间冷却速率高冷却速率屈服强度/MPa421455483抗拉强度/MPa504552573伸长率/ %262623冲击功/J211211081224116102120-7779491-18838688-29374980低碳Nb-V钢在不同的冷却速度和终冷温度条件下，屈服强度提高约60-70MPa，伸长率略有下降，低温冲击性能改善。4. 新控冷装备应用POSCO对低碳钢进行超快冷后，抗拉强度大幅度提高。Rm提高42MPa 到484MPaRm提高73MPa 到515MPaHDC模式1HDC模式2HDC High Density Cooling常规工艺：常规工艺
12、：Rm= 442MPaPFAFPF5. 值得思考的几个问题5.1 冷却速度问题5.2 运行可靠性问题5.3 效益与成本问题5.1 冷却速度问题控制冷却提高强度的途径：改变组织类型细化晶粒 ：在组织类型一样的条件下，减小铁素体晶粒直径、珠光体片层间距、贝氏体板宽度等 。常规工艺UFC工艺5.1 冷却速度问题C-Mn钢冷却速率1000Cs-1，冷却前停留时间接近0s，晶粒尺寸在1-2m，停留时间0.5 s，相变后晶粒尺寸约3m。带钢和中厚板生产中，轧制后到冷却前的时间远超过0.5s，高温再结晶奥氏体晶粒长大作用更突出。提高性能通过超快冷效果有限，更多依靠降低终冷温度或卷取温度。细化晶粒：添加Nb=
13、TMCP5.1 冷却速度问题高Nb钢（HTP）Ref: 钢铁研究总院结构材料研究所 刘清友等再结晶区变形细化奥氏体晶粒作用有限，可依靠提高冷速率改变组织类型和形态未再结晶区变形可缩短相变BF板条长度5.1 冷却速度问题0.034C-0.17Si-1.80Mn-0.12Nb-0.012Ti0.062C-0.25Si-1.53Mn-0.057Nb-0.23Mo-0.019TiBFAFLBBFMAMA有时为了性能稳定，还是采取含少量Mo5.1 冷却速度问题Nb-V钢在相同组织转变时性能不会产生很大的变化。对钢种是否采取超快速冷却需要结合钢种相变特性来决定。单纯强调提高冷却速率并无实际价值。 A-R（
14、再结晶区轧制）B-NR（未再结晶区轧制）5.1 冷却速度问题15/s52/s编号冷速/sRm/MPaRp0.2/MPa屈强比/%-20Ak/J12-1167776720.861724612-2248437470.891621012-3358507430.871621012-4529358120.8714203X100钢BFMA5.1 冷却速度问题含Cu钢：不需要过高的冷却速率35/S35/S5.1 冷却速度问题无限提高冷却速率不是改善钢材性能的最佳路线，冷却路径也只是部分钢种冷却策略选择。综合考虑钢材的成分设计、轧制制度、冷却制度(包括冷却速度和冷却路径)，才是提高钢材各种性能的有效途径。产品
15、组织和综合性能包括：组织：组织及均匀性；力学性能：拉伸、冲击等力学性能、落锤性能其他性能：焊接、抗腐蚀、抗蠕变性能。5.2 运行可靠性问题控冷设备安全可靠性值得关注 p冷却喷头：降低高度可提高冷却速度，但增加设备危险性p输送辊道：运行故障会对冷却设备造成致命破坏 p缝隙喷头：辊式淬火机的缝隙喷头维护量从来没有少过p忽视设备运行安全性和可靠性，可能会舍本逐末 5.2 运行可靠性问题安全/维护/长寿命其次，不要忘记水幕冷却装置是如何退出舞台的。层流集管都会堵塞。5.2 运行可靠性问题1.4m-1.7m1.4m-1.7m1.4m5.3 效益与成本问题层流冷却的综合成本：每吨钢在25-30元左右提高冷却速度=提高冷却水量和供水压力优点：提高钢板冷却速度，改善钢材性能，降低合金成本。缺点：冷却水能耗数倍增加采用快速冷却技术取得的效益与冷却设备与工艺成本是否合理经济，值得技术开发和生产管理者共同探讨。谢谢 谢！谢！谢谢 谢！谢！
