控制冷却技术的应用

1、控制冷却技术的应用曹操（1. 辽宁科技大学材料成型及控制工程 12 级，） 摘要 详细介绍了轧后控制冷却技术对钢板组织性能的影响 , 及国内对于控制冷 却技术的应用，着重介绍了中厚板的控制冷却技术和热扎带刚的控制冷却技术。对于热扎冷却的先进技术超快冷却技术（UFC）作了细致的介绍，例举了 3 500 mm轧 机生产线控冷系统主要设备及工艺布置，进一步补充说明了控制冷却技术在生产 线上的应用。对我国钢铁轧制事业的发展进行了深入的研究，同时也为我们了解 本行业提供了方便。关键词 控制冷却，超快冷却，控制结构 , 超快冷却Abstract : This paper introduces the co

2、oling control technology effect on the microstructure and properties of steel plate, and the application of controlled cooling technology, emphatically introduces the cooling technology and hot plate control cooling technology with the control. For the advanced technology of ultra fast cooling techn

3、ology in hot cooling （UFC） made a detailed introduction, 3500 examples of MM mill controlled cooling system of main equipment and process layout, further added that the controlled cooling technology in the production line. The development of China's iron and steel rolling industry has carried ou

4、t a deep research, but also for us to understand the industry provides a convenientKey Words： Controlled cooling； ultra fast cooling；the control structure；super fast cooling1 引言随着钢材市场竞争日趋激烈 , 迫使作为钢材主要品种之一的中厚板 生产厂家改进生产工艺、降低生产成本、提高产品的质量和产量 , 并开 发高性能、高技术含量和高附加值优质产品。轧后控制冷却技术在降 低合金元素含量和碳当量 , 从而降低生产成本的同时

5、, 能够提高钢材强 韧综合性能 , 因而被国内外很多轧钢厂所采用 , 并成为当代轧钢技术的 重要发展方向之一。日本神户制钢公司加古川厂用控轧控冷 KCL法生 产出APIX70钢板，所采用的控轧终轧温度为 740780C ,控冷速度为 9C/s,终冷温度550C,结果抗拉强度提高2050 MPa,屈服强度提高 2030MPa,冲击韧性也有所提高，而碳当量则从0.37%降至0.28%性能 均匀稳定。马钢中板厂则采用控轧控冷方法生产 16MnR容器板、16Mng 锅炉板以及 ZC-A、 ZC-B 级船板等专用钢板 ,取得了良好成效。2 轧后控制冷却对钢板组织性能的影响众所周知 ,轧后快冷能比再加热的

6、等轴奥氏体加速冷却产生更大的强 韧化效果。在细化铁素体晶粒的同时使珠光体分布均匀 ,还可消除带状 珠光体。对于微合金化钢 ,调整冷却速度将对铁素体晶粒寸和贝氏体含 量有明显影响。一般认为 ,控轧后的快冷会增加钢板的强度而不损害脆 性转化温度 ,脆性转化温度取决于快冷前的控制轧制效果。加速冷却使 强度增加的原因是晶粒细化、贝氏体数量增加和微量元素碳化物的沉 淀强化的结果。而脆性转化温度 FATTC）则受多种因素的影响，如下式 所示2 FATT二A-Bd-1/2+C%pt+D%isi+Efsp（1）,式中 A、B、C、D、E常 数;d 铁素体晶粒直径；钿、si沉淀和亚结构强化fsp第二相如珠 光体

7、和贝氏体的体积分量。轧后快冷对脆性转变温度的影响是通过晶 粒细化而实现的。这一改善通常会被其它强化机制所抵销。冷速太高 , 往往使脆性转变温度升高 ,这是由于低温相变产物贝氏体数量增多而引 起的。快速冷却的停止温度决定了生成贝氏体的数量 ,因此影响钢材的 强韧性。根据有关文献介绍2,3,含铌钢快冷停止温度在450C以上时，钢 的韧性变化不大,而在450C以下韧性急剧恶化。当前，西欧、日本和少 数发展中国家推行热机械轧制 ,精轧在非再结晶温度区 ,以大变形量轧 制后,水淬强化冷却 ,得到最细的铁素体和贝氏体组织 ,从而显著提高了 钢材的综合性能。德国蒂森钢铁公司生产的海洋石油工程用钢板采用 铌微

8、合金化钢 ,最后一道次轧完后 ,钢板通过水冷直接进行淬火强化冷 却（冷却速度为15 C /s）,为避免产生高的硬化组织，强冷的终止温度为 550C左右。这种轧制技术生产的钢板屈服强度比普通热机械轧制的钢 材高50 MPa,比正火状态钢材高150 MPa,并且在提高强度的同时可降低合金含量 ,减少生产成本 ; 在规定的屈服强度下降低碳当量 ,改善焊接 性能。日本的住友、川崎 ,卢森堡的 Arbed Differdage 工厂采用该技术 , 于 20 世纪 80 年代后期生产出了最低屈服强度为 420 MPa 和 355 MPa 的海上采油平台用钢。3 冷却方式(1) 高压喷嘴冷却。水以一定压力从

9、喷嘴喷出 ,水流连续呈紊流状态喷到 钢板表面。这种冷却方法穿透性好 ,一般在水气膜比较厚的条件下采用。 但是这种冷却方式用水量大、水飞溅厉害、冷却不均匀、水质要求高、 喷嘴易被堵住、水的利用率较低。(2) 喷淋冷却。将水加压 ,由喷嘴喷出的水 ,超过连续喷流的流速 ,水流破 断形成液滴冲击被冷却的钢板表面。这种喷嘴冷却能力大,冷却较为均匀,但是需要更高的水压、冷却能力的调节范围较窄 ,且对水质要求高。(3) 层流冷却。水以较低压力从水嘴口自然连续流出 ,形成平滑水流。水 流落到钢板表面后在一段距离内仍保持平滑层流状态 ,可获得很强的冷 却能力,冷却均匀。目前钢板热轧后的层流冷却一般采用管层流

10、(U 形管 层流)和板层流 (水幕冷却 )两种方式。水幕冷却水量大、冷却效果强 ,但 是不易控制和调节 ;管层流冷却对钢板冷却比较缓和、 均匀 ,冷却区较长 , 容易控制冷却参数。(4) 雾化冷却。用加压的空气使水雾化而冷却钢板。这种冷却方法冷却 均匀、调节范围大 ,可以实现单独风冷、弱水冷、喷水冷。缺点是要有 风、水两套系统 ,并且设备费用高 ,线路复杂、噪音大、车间雾气大、设 备易腐蚀。4 控制冷却4.1 中厚板控制冷却中厚板控制冷却设备的型式及冷却方式各不相同。目前国内中厚板厂所采用的控制冷却方主要有以下几种方式见表一。表1国内-弊融采鮒控冷方式和裝置輔五厂踰戕上笹二幅中机上水椰SIS水

11、幕水幕下水桶水聶比压購水幕安馳点勰屁脯前帶诟/嘶前勰乐熾前由于普通层流冷却能力有限，为了满足卷取温度需要，国内外部分 热轧带钢和中厚板生产线相继开发并使用超快速冷却(UFC)技术，此技术可实现短时、快速、准确达到目标冷却温度的目的，是研制开发 双相钢、多相钢、复相钢、超级钢、相变诱导塑性钢、铁素体区热轧 无间隙原子钢的有效手段，与传统层流冷却相配合完成热轧板带和中 厚板的控制冷却，通过控制铁素体分布以及细化珠光体片层间距，在不 降低终轧温度的同时，取得优良的力学性能、焊接性能，既节省资源和 能源，又有利于钢铁材料的循环利用。从冷却能力看，普通管层流最大 冷却速度一般为25 C /s,最快不会超

12、100 C/s,而UFC对热轧带钢 的平均冷却速度至少也有 100 C /s。如今，人们已将通过轧后控制冷 却来改善轧件的性能做为热轧产品开发的常用手段。4.2热轧带钢冷却技术自第一套层流冷却系统应用于热轧带钢生产以来，轧后控制冷却技 术得到迅速发展：一是工艺技术的发展，体现在冷却工艺和层流冷却 装置的进步；二是控制技术的发展，体现在控制模型、控制策略的进 步。出现的先进的技术包括：(1 )在普通层流冷却的基础上增加了加强型层流冷却段ILC ,Intensive Laminar Cooling 或超快速冷却装置 UFC, Ultra Fast Cooling, 使冷却速度提高了 510倍，满足

13、了不同钢种的生产、开发要求，特 别是多相钢、超强钢、超细晶粒钢等冷却需求，获得了很好的细晶强 化和析出强化效果。（2）较先进的层流冷却装置采用细化精调段，可以实现单独控制一排 鹅颈管，使热轧带卷曲温度控制在土2C。（3）新型层流冷却装置采用水塔供水加机旁高位水箱的结构方式，稳 定了喷嘴处压力，达到了提高冷却效率和冷却效果的目的。水塔供水 可以节能，采用较小的泵就可以获得短期的大水量。根据冷却水最大 耗水量和水泵供水能力的差值可确定水塔容积，在层流冷却控制阀门 频繁开闭和供水系统压力波动的情况下可以采用机旁高位水箱来稳定 喷嘴压力。进加热制度等措施，加强对热轧原料板形的控制，严格控 制中浪、边浪

14、等浪形缺陷 5 ；同时，冷轧厂经过优化拉矫机拉矫量、弯 辊调节、张力调节、轧辊倾斜调节等措施优化板形，保证了冷硬卷良 好的板形，从而减少在退火过程由于钢卷层间应力分布不均程度带来 的粘结现象。4.2.1 提高带钢表面粗糙度 表面粗糙度越低的带钢经罩式退火炉退火后，越容易产生粘结。目 前柳钢冷轧机组末机架采用光辊轧制，带钢表面的粗糙度 Ra 通常为 0.20.3卩m,钢卷层间接触点的数量多、间隙小。一方面由于钢卷层 间接触点的数量多，加大了钢板表面原子相互扩散渗透的几率；另一 方面,钢卷层间间隙过小,在退火过程不利于带钢传热,钢卷的内外 温差大,径向热应力增加,容易产生粘结。在生产实践过程,由于

15、没 有条件使用毛化工作辊,为提高带钢表面粗糙度,通过提高工作辊磨 削粗糙度来实现,轧辊粗糙度 Ra 由 0.30.5um 提高到 0.50.8 um。带钢表面粗糙度有一定提高，增大了钢卷层间间隙，也增强了炉 内钢卷的热辐射,提高了钢卷内部温度场的均匀性,少温度差带来的热应力。422优化卷取张力控制连轧机卷取张力过大将直接增大钢卷在退火过程层间的压应力，经 高温保温后，会加大粘结的几率；另外，张力波动，带钢容易易产生 局部浪形，增加钢卷局部粘结的几率。优化后卷取张力控制见表2表2冷轧厂典型厚度规格的卷取张力值成品厚度 血m0.50.81.01.2卷取张力/(N *1111113464240385

16、超快速冷却(UFC )技术的发展为了满足控制冷却的需求，荷兰Hoogove ns-UGB厂开发出世界上第1套超快速冷却实验设备。该设备冷却区段总长1.4 m,由3组集 管组成，冷却水量1 000 m3/h。冷却效率高、效果好，水流密度6070 l/m2 s时，1.5 mm厚带钢冷却速度可达 900 °C /s。20世纪80年 代，为满足钢种开发需求，日本在工业化大生产过程中提出了OLAC(On- LineAccelerated Cooling )控冷方式，且日本 JFE公司最先将该 技术成功应用于厚板生产。20世纪90年代初期，比利时CRM研究 所开发出超快速冷却(UFC, ultr

17、a fast cooling)装置，在CRM中厚板 厂应用成功。水流密度 6070 l/m2 s时，6.3 mm厚带钢冷却速度可 达250500 C /s。此后在世界范围内掀起超快速冷却技术的研发热潮。至20世纪90年代中期，日本JFE公司在新产品带钢对轧后冷却速 度要求越来越快的形势下开发热扎带钢轧后控制冷却技术出超级加速 冷却Super-OLAC技术并成功应用于热带钢生产，3 mm厚带钢冷却速度可达700 C/s。超快速冷却研究在国内的起步较晚，与国外相比还存在一定差距。但近年来，超快速冷却在国内的研发力度越来越大 且已初见成效。北京科技大学开发的快速冷却系统在武钢和舞钢的现 场使用取得了

18、良好效果，其局限性在于所采用的还是层流冷却原理； 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)开发的高冷速系统，与国外同类设备冷却效果相当，覫 20 mm棒材的冷却速度已 达到 200 C /s。6系统工艺6.1系统工艺布置轧板厂轧后控制冷却系统的工艺布置主要分为：双机架精轧机、机后 待温区、控冷区、返红区、矫直机：%列举3 500 mm轧机生产线控冷系统主要设备及工艺布置如图1所示lb 17 円 20211223o112 I ' 1(81 -UQffiS轧机;2.5*8.10一待姑恫热金局检测计；仁9一持辿区商監讣.4轧机机后吹扫装置;II. I2-17JS-控冷人口出口上F

19、rHjM计；13，" 控冷世人口出口畋Fl製餐；14 一控冷像管I戈一侧唏製就:19,21 返置區热金睛检彌计20 返虹式测温悅;立一返红区高温计43矫宜机.图13 500 mm轧机生产线控冷系址上要设备及工艺布胃(1) 轧后待温区在精轧机出口辊道上，安装了吹扫装置，其功能是吹扫掉轧后钢板表面的热水膜和蒸汽膜，以便于测厚仪精确测量板材厚度。(2) 控冷区控冷区在轧后待温区与钢板返红区之间。控冷区入口距精轧机中心线72 m，由36组集管和调宽装置、19组侧喷装置、2组吹扫装置和 1 个高位水箱等设备组成。( 3) 返红区返红区在控冷区与矫直机之间。此时钢板处于自然冷却状态，钢板 中心部

20、热量向表面部分传导，于是钢板表面返红。当钢板运到矫直机 时，钢板内外温度基本一致，在此处检测的温度作为钢板的实际温度。 6. 2 控冷区域主要设备 控冷区域主要设备由辅助设备、 检测装置和各种控制装置三大类组成。(1) 辅助设备。包括高位水箱及配套水泵、冷却塔、过滤器和提供循环 供水的中位水箱 ; 还包括提供阀门动力和吹扫气源的气动装置。(2) 检测装置。包括水温计、水位仪、远红外测温仪、电磁流量计、热 金属检测器和编码器等设备。(3) 流量控制装置。由流量调节阀和电磁流量计共同控制完成。(4) 吹扫控制装置。在控冷区的入、出口处各安装吹扫控制装置，用于 将钢板表面上的积水和蒸汽膜吹扫掉，有效保护冷却区内设置的电气 仪表，并可以检测到更加精确的实用数据。(5) 侧喷控制装置。 在控冷区辊道的内部两侧装有侧吹喷嘴， 用于把钢 板表面的积水喷吹掉，这样每组控制集管的冷却效率会得以提高，还 可实现不同的冷却工艺要求。(6) 冷却控制装置。冷却装置包括由 U 型管及圆管喷嘴组