新一代TMCP技术内涵和工艺装备.docx

新一代TMCP技术内涵和工艺装备1 传统TMCP控制轧制和控制冷却技术，即TMCP，是20世纪钢铁业最伟大的成就之一，是钢铁业得以发展的关键和共性技术。TMCP的核心是晶粒细化和细晶强化。所谓控制轧制，是对奥氏体硬化状态的控制，得到硬化奥氏体的基本手段是“低温大压下”和添加微合金元素。控制冷却的核心思想是对硬化奥氏体的相变过程进行控制，以进一步细化铁素体晶粒，以及通过冷却控制相变，得到贝氏体等强化相，进一步改善材料的性能。采用“低温大压下”，与人们长久以来形成的“趁热打铁”的观念背道而驰。它必然受到设备能力等的限制，操作方面的问题也自然不容回避。铌等微合金元素的加入，可以显著提高钢材的再结晶温度，扩大未再结晶区，这大大强化了轧制奥氏体的硬化状态。加入的微合金和合金元素，还经常会以碳氮化物的形式析出，对材料实行沉淀强化，从而对材料强度的提高作出贡献。但是，微合金和合金元素加入，会提高材料的碳当量，这会恶化材料的焊接性能，增加成本也是不言而喻的。因此，传统的TMCP有其局限性。今天，人类面对可持续发展这一重大议题，必须对TMCP技术进行认真思考，突破传统TMCP的局限性，开发新的TMCP理论、手段和方法，更有效的发挥固溶强化、细晶强化、相变强化、析出强化等各种手段的作用，加强材料组织性能的调控，实现轧制过程的高效化、减量化、高级化和集约化，充分挖掘钢铁材料的潜力，促进钢铁工业的可持续发展。作为钢铁生产过程的共性和关键技术，传统的TMCP究竟存在哪些问题，归纳起来有：1）如何避开“低温大压下”，放宽传统TMCP对轧制过程的严苛要求，实现钢材的高效化轧制；2）如何发挥钢铁材料的潜力，降低优质钢材对合金元素和微合金元素的依赖，节省资源和能源，实现减量化轧制；3）如何发挥强化机制的作用，提升钢材的性能，实现钢材的高级化，发挥先进钢材对社会发展的引领作用。2 新一代TMCP的要点针对上述问题，提出了利用超快冷技术的新一代TMCP的主体思路，其要点如下。2.1 HTP轧制工艺新一代的TMCP应当在产品性能允许的条件下，尽量采用适宜的正常轧制温度进行连续大变形，在轧制温度制度上不一定坚持“低温大压下”的原则。这样轧制负荷（包括轧制力和电机功率）可以大幅度降低，设备条件的限制可以大为放松，轧机等轧制设备的建设也不必追求高强化，建设投资可以大幅度降低。同时大大提高轧制的可操作性，避免轧制工艺事故，例如卡钢、堆钢等，同时也延长了轧辊、导卫等轧制工具的寿命。这对于提高产量、降低成本、提高轧制效能是十分有利的。2.2 超快速冷却在这种情况下，考虑的第一个问题是轧件温度。由于采用常规轧制，终轧温度较高，如果不加控制，材料会由于再结晶而迅速软化，失去硬化状态。因此，在终轧温度和相变开始温度之间的冷却过程中，应努力设法通过快速冷却，避免硬化奥氏体的软化，即设法将奥氏体的硬化状态保持到动态相变点。对板带材而言，确保高速冷却条件下的平直度是一个关键性、瓶颈性的问题。针对热带和中厚板生产过程开发出高效率、高均匀性的新式冷却系统，以得到平直度极佳的板带材产品。2.3 超快速冷却终止点的精确控制轧后钢材由终轧温度急速快冷，迅速穿过奥氏体区，达到需要的终冷温度，例如铁素体区温度或者贝氏体区温度等。在轧件达到预定的温度控制点后，应当立即停止超快速冷却。应当通过控制冷却装置的细分和精细调整手段的配置，以及高精度的预控数学模型来保证终止温度的精确控制。2.4 冷却路径的控制依据钢铁材料有别于其他材料的重要特点，即钢铁材料复杂的相变过程，对实施超快速冷却后的钢材还要进行冷却路径控制，这就为获得多样化的相变组织和材料性能提供了广阔的空间。利用这一特点，有可能利用简单的成分设计获得不同性能的材料，实现减量化、集约化的轧制生产。有了这一系列以超快速冷却为核心的高速连轧技术和控制冷却技术，可以有更多、更有效的手段，实现奥氏体硬化状态的控制和硬化状态下奥氏体相变过程的控制，实现细晶强化、析出强化、相变强化等多种强化机制的联合、共同作用，实现钢材轧制过程的高效化、减量化、集约化和产品的高级化。3 新一代TMCP强化机制3.1 细晶强化控制轧制和控制冷却技术主要是针对HSLA钢，通过添加微合金元素提高钢材的再结晶温度，扩大未再结晶区，在未再结晶区进行低温大压下，造成材料内部形成大量的变形带、亚晶、位错等晶体“缺陷”，这些“缺陷”在后续的相变中成为铁素体形核的核心。“缺陷”的大量存在，造成后续相变中材料内部大量形核，因而可以大幅度细化材料的晶粒，实现细晶强化。在材料中添加微合金元素，特别是Nb，会在800-950的温度区间由于变形的诱导而大量析出微合金元素的碳氮化物，从而提高材料的再结晶温度，强化材料的硬化效果。对于HSLA钢来说，细晶强化是主要的强化方式。当采用新一代TMCP时，尽管材料是在较高的温度下完成热变形过程，但是变形后的短时间内，材料还来不及发生再结晶，仍然处于含有大量“缺陷”的高能状态。如果对它实施超快速冷却，就可以将材料的硬化状态保持下来。在随后的相变过程中，保存下来的大量“缺陷”成为形核的核心，因而可以得到与低温轧制相似的强化效果。3.2 析出强化在钢中添加微合金元素和合金元素，会在钢中形成一些析出相以微小颗粒析出，造成基体晶格的畸变，提高材料的强度，这称为析出强化。析出强化的效果与析出相数量、颗粒尺寸等因素有关，在各类钢中都有应用。自从开发HSLA钢成功以来，析出强化在材料高强化方面的作用也日益显著，目前析出强化已经成为材料强化的重要手段。Gladman等人依据Orowan-Ashby模型提出用下式表示析出的强化效果，5.9f1/2=ln(x/2.510-4)(1) x其中，为抗拉强度的增加值，单位为MPa，f表示碳氮化物的体积分数，x表示颗粒在滑移平面上的平面截取直径，由x=D(2/3)1/2给出，其中D是平均微粒直径，单位为m。依照式（1）可知，颗粒尺寸越小，析出物的数量越多，则材料抗拉强度的提高值越大。采用传统的控轧控冷工艺时，含铌的HSLA钢通常会在热加工温度范围内，即800-950的温度区间，由于变形诱导析出铌的碳氮化物而提高材料的强度。但是，在采用新一代TMCP时，在比较高的温度材料被加工成型，在通常形变诱导析出的温度范围，材料被迅速冷却通过碳氮化物大量析出的温度区间，碳氮化物的析出受到了抑制。超快速冷却在适当的温度被终止，例如在铁素体相变的“鼻尖”温度被终止，然后进行空冷。此时碳氮化物可能由于很大的析出驱动力而在铁素体晶内大量、微细、弥散析出，使铁素体基体得到强化，大幅度提高材料的强度水平。因此，采用新一代TMCP技术，可以更好的发挥铌等微合金元素的强化作用，发挥合金元素的强化效果。3.3 相变强化相变强化又称组织强化，它是通过相变过程改变钢材的组织组成，从而提高钢材强度的一种强化方法。钢铁材料的一个重要特点，是在冷却过程中会发生复杂的相变。如果对冷却条件加以控制，即对相变过程进行控制，在钢中引入一定数量的硬相组织，就可以提高钢材的强度。硬相所占的比例不同，就可以得到不同的材料强度水平。相变强化正是利用了钢铁材料的这一特点。先进高强钢（AHSS）和超高强钢主要是通过相变来获得含有硬相马氏体、贝氏体的复相组织，从而实现材料的强化。即使使用相同的材料化学成分和轧制条件，但是冷却过程不同，即采用不同的冷却路径则会得到不同的组织，因而会有不同的材料性能。典型的AHSS钢，即DP、TRIP、铁素体-贝氏体双相钢的冷却工艺路径各不相同。在冷却的开始阶段，是利用前部加速冷却（或超快速冷却）将奥氏体冷却到铁素体相变开始温度。随后进入保温状态，即材料处于空冷状态，以利于铁素体的析出。当析出一定比例的铁素体之后，例如85，对材料进行第二次加速冷却（或超快速冷却），如果终冷温度在马氏体点以下，则剩余的奥氏体全部转变为马氏体，这样便得到以软相铁素体和硬相马氏体组成的复相组织，即双相钢。如果冷却的终冷温度是处于300-500的贝氏体转变温度区间，则剩余的奥氏体可以全部或者部分转变为贝氏体。如果剩余奥氏体部分转变为贝氏体，则得到以铁素体、贝氏体、残余奥氏体组成的TRIP钢；如果剩余的奥氏体全部转变为贝氏体，则得到铁素体和贝氏体组成的铁素体-贝氏体双相钢。关于前和后部具体是采用常规加速冷却还是超快速冷却的问题，超快速冷却具有一定的优点，应当是首选。前部超快冷有利于铁素体晶粒的细化，同时也有利于铁素体的快速析出，这对于缩短热连轧机输出辊道的长度是有利的。后部超快冷更有利于马氏体相变。所以，在实施新一代TMCP的过程中，如果能够发挥超快冷的优势，对冷却路径进行适当控制，则可以在更大的范围内，按照需要对材料的组织和性能进行更有效的控制，甚至开发出全新的轧制过程。4 新一代TMCP装备4.1 超快速冷却系统1）Super-OLAC1998年，JFE西日本制铁所福山地区（原NKK福山厂）厚板厂对原有的冷却系统OLAC进行改造，建设了所谓的Super-OLAC（Super On-Line Accelerated Cooling）新型加速冷却系统。该系统的最大特点是避开了过渡沸腾和膜沸腾，实现了全面的核沸腾，具有可达极限冷却的冷却速率和极高的冷却均匀性。Super-OLAC冷却系统的喷嘴与钢板的距离较近，以一定的角度沿轧制方向将一定压力的水喷射到板面，将板面残存水与钢板之间形成的气膜吹扫掉，从而达到钢板和冷却水之间的完全接触，实现核沸腾。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。由于冷却的均匀性，即使采用这种上、下表面的强冷方式，也不必担心发生上、下表面的非平衡冷却。Super-OLAC冷却后钢板表面的温度分布均匀，与轧后钢板温度分布是一致的。Super-OLAC系统为福山厂的产品开发、成本降低发挥了巨大作用。在川崎和NKK合并成立JFE后，JFE仓敷地区水岛厂（即原川崎制铁水岛厂）2003年采用Super-OLAC，该冷却系统对于厚度20mm钢板，最大冷却速度可以达到65/s。2004年，东日本地区京浜厂也采用Super-OLAC系统。由于Super-OLAC系统具有很强的冷却能力，同时又具有很好的冷却均匀性，所以它既可以实现加速冷却，又可以实现在线直接淬火。一套系统兼有直接淬火和加速冷却两种功能，是新一代控制冷却系统的重要特征。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 Control Process），并应用于生产焊接性优良的高强、高韧性钢等产品。新日铁在CLC应用的基础上，开发了新一代控制冷却系统CLC-，在君津的厚板车间采用。该系统2005年3月竣工，当年7月正式投产。在“CLC”后面增加字母“”，有下面几层意思。其一，“”表示可以实现精确的冷却控制，在物理冶金方面是“万能的”（Universal）；其二，表示高水平的组织控制，晶粒尺寸细小，达到微米级；其三，取Ultra， Ultimate， Unrivaled， Universal， Uniform， Unique， Unlimited， 等词的头一个字母，表示优良的性质之意。CLC具有有史以来世界最高水平的冷却速度，新CLC-系统继续采用约束型的控制冷却方式，但在冷却喷嘴的类型和水量控制方法等方面进行了根本性的改变，大大提高了冷却控制性能。它可以实现由高冷却速度到低冷却速度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度提高。由于这种高水平的冷却均匀性控制，板厚方向硬度均匀性提高，所以钢板组织控制精度得以大幅度提高。利用CLC-技术，新日铁开发了焊接区高韧性的钢种HTUFF R、X80以上级别的高强度抗大变形管线钢、-40以下极寒冷地区使用的优良焊接性和焊接接头韧性的海洋结构用钢等新钢种，大量供应市场。3）东北大学RAL开发的ADCOS系统东北大学RAL针对热轧钢材冷却技术这一关键和共性技术，针对不同的钢材类型，开发了与之相适应的控制冷却系统，归为一个家族，统称为ADCOS（Advanced Cooling System）。针对中厚板，RAL提出了一种倾斜喷射的超快冷层流冷却的新设计概念，并申请了发明专利。该系统命名为ADCOS-PM（Plate Mill）。该系统借鉴辊式淬火机实施淬火过程的基本原理，采用斜喷缝隙式喷嘴高密管式喷嘴的混合布置，将上述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，从而达到钢板和冷却水之间的完全接触，实现钢板和冷却水均匀接触的全面核沸腾。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。为了保证钢板顺利通过超快冷系统，在超快冷系统的前面最好采用预矫直机对钢板进行预矫直。这种新型的冷却系统既可以对钢板实施超快速冷却，也可以进行直接淬火。将ADCOS-PM的思想延伸，进一步应用到热连轧机，开发了ADCOS-HSM（Hot Strip Mill），它在精轧机出口安装超快速冷却装置，可以对钢板实施超快速冷却。在超快速冷却系统后面，是常规的加速冷却装置。它可以单独使用进行加速冷却，也可以与超快冷进行接力式冷却，实现高轧制速度下的高冷却速度的直接淬火。对棒材，RAL开发了ADCOS-BM（Bar Mill）。实现热轧带肋钢筋轧后超快速冷却的关键工艺设备是超快冷水冷器，水冷器由多节冷却管组成，总长度一般不大于20m，在轧速小于20m/s时，水冷器总长度小于13m。每节冷却管在轧件入口端由环状缝隙喷射一定压力的冷却水，冷却水与轧件同方向运动，但是速度高于轧件。冷却水从轧件的出口端流出。由于采用环状缝隙冷却，轧件冷却均匀，可以彻底消除现有的余热淬火水冷器存在的大规格产品上冷床后弯曲、小规格堵钢的问题。在大生产条件下可以彻底解决10mm热轧直条钢筋4切分轧制的堵钢问题。该工艺的使用可以做到不改造主要设备，不降低作业率，不低温轧制，不余热淬火。由于强化了冷却效果，所以可以提高冷床的冷却效率，从而提高产量。利用热轧带肋钢筋超快速冷却技术，可以在少用或者不用合金元素的情况下，利用335MPa级的20MnSi生产HRB400、HRB500螺纹钢筋，大幅度提高产品质量，降低生产生本。对H型钢，RAL开发了ADCOS-HBM（H Beam Mill）。由于常规控制冷却系统的冷却能力较差，需要较大的建设长度。同时翼缘和腹板冷却条件不同，会造成不同部分极大的温差。东北大学RAL与有关的厂家合作，发挥超快冷技术的优势，对翼缘和腹板等不同部位的冷却装置进行精细化设计，开发的H型钢超快冷系统可以对翼缘和腹板进行均匀化的快速冷却。通过产学研的密切合作，具有自主知识产权的H型钢超快冷系统已经取得突破，2009年底在马鞍山钢铁公司投入使用，为我国H型钢的升级换代作出了贡献。4.2 在线加热装置新一代TMCP技术的一个重要特点是轧后的在线热处理过程不仅仅限于冷却或保温，某些情况下还会进行一定条件的加热，例如淬火后的在线回火，Q&P过程等。所以，常常需要某些性能优良的在线加热装置。1）在线感应加热装置对中厚板进行热处理是生产高强度、厚规格产品的重要手段，因此各中厚板厂均配备相应的热处理设备，实现常化、调质、回火等热处理工艺。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，可以处理的钢板宽度达到4.5m。该系统被称为HOP（Heat treatment On-line Process），是目前世界上唯一的一套中厚板在线热处理装置。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