熱軋板帶材控冷裝備的發展趨勢研究

余偉，唐荻，何春雨，劉濤

隨著板帶材產品品種的開發、生產鋼級的提高，板帶鋼軋制后加速冷卻已經成為生產高品質、低成本熱軋鋼材必不可少的手段。同時，隨著制造業的發展，對熱軋帶鋼的板形也提出了更高的要求。據相關研究，軋后冷卻會對最終板形產生影響，而且會改變鋼板的表面氧化鐵皮結構，影響鋼板表面質量。因此，控制冷卻技術在板帶材質量控制中的作用已經更加突出。

向多功能和快冷卻方向發展

新型控冷裝備具有多功能特征。傳統冷卻裝置的缺點有冷卻速率低、冷卻策略缺乏、工藝適應性不強、可軋制鋼種規格受限等問題，已經嚴重制約了新熱軋帶鋼品種的開發。新型冷卻裝置的配置按照冷卻能力和可實現的工藝功能劃分，冷卻區還可以劃分為多個冷卻段，在適應普碳鋼、低碳鋼生產的同時，還能用于生產熱軋雙相鋼、TR口鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、復相鋼等高強度鋼。在工藝上，該設備適應了連續快冷、連續快冷+適中冷卻、兩段冷卻、后段快冷等要求，能實現加速冷卻、間斷淬火、分段冷卻、直接淬火、直接淬火碳分配等功能，滿足了高強度鋼冷卻過程中的冷卻速度控制和路徑控制的要求。熱軋板帶材軋后冷卻采用不同的冷卻速度、不同卷取溫度，可以得到不同的終冷組織。如采用普通的AC冷卻，可以得到多邊形鐵素體+珠光體組織。進一步提高冷卻速度并降低終冷溫度，可以得到細小鐵素體和退化珠光體組織；進一步加快冷卻到貝氏體相變溫度以下，可以得到貝氏體組織。

20世紀90年代，中厚板生產中以快速冷卻為基礎發展了直接淬火技術，代替再加熱淬火。直接淬火時，將處于奧氏體區或兩相區的熱軋后的鋼材直接水淬到室溫，這種技術不僅節能、降耗，還能改善鋼板性能，降低合金消耗。

新型控冷裝備追求更高的冷卻速率。控制冷卻技術的發展歷史，就是冷卻裝置不斷提高冷卻速率的歷史。隨著冷卻技術的發展，提高冷卻速度的方法也呈現多樣性。歸根結底，提高冷卻速率還是需要不斷提高冷卻過程的換熱效率。鋼板冷卻過程影響冷卻速度的參數較多，而其中重要的參數包括水流密度、水流流速(或動能)、水流分布、鋼板表面狀態等。常用的方法包括：增加水流密度，提高流量；增加噴水壓力，改變水流分布；改變流動狀態等。但是，根據傳熱學理論，鋼板的冷卻過程還受鋼板本身導熱系數的影響，在工藝生產允許的介質條件下，鋼的冷卻速率不可能無限制提高。當鋼板的外壁面溫度始終與介質溫度一致時，即會達到極限冷卻速率，這時傳熱由鋼導熱系數決定。

解決均勻冷卻和板形控制難題

板帶鋼在控制冷卻過程中的一個突出問題就是寬度方向冷卻不均勻。鋼板邊部冷卻不均，不僅會導致鋼板寬度方向的組織性能不均勻，還可能導致潛在的板形不良。新型控制冷卻裝備采用以下技術克服此類問題：

一是邊部遮蔽技術。采用邊部遮蔽裝置，遮擋板帶鋼邊部冷卻水，可控制鋼板寬度方向溫度分布，達到控制鋼板橫向板形的目的。遮蔽技術在帶鋼層流冷卻中得到越來越多的應用。該技術在帶鋼建立張力后可以穩定使用，但是帶頭和帶尾在軋制過程中的橫向位置穩定性問題，使得邊部遮蔽效果大打折扣。如果中厚板鋼板在軋后輸送過程中跑偏嚴重，也會使邊部遮蔽技術失效。

二是頭尾避讓技術。在鋼板軋制過程中，鋼板的頭尾受軋制和高壓水除磷的影響易出現溫度降低以及存在于頭尾一定長度區間的板形不良問題，在軋后控制冷卻過程中采用高精度鋼板位置跟蹤技術，對鋼板的頭尾進行精確跟蹤，可實現溫度的精確控制，達到控制鋼板長度方向冷卻的均勻性以及調整鋼板頭尾板形的目的。采用頭尾避讓技術，實現頭部弱冷，可以減少鋼板切頭切尾的浪費，提高鋼板的成材率。

三是對稱冷卻技術。鋼板上下表面的冷卻條件不同。為了達到上下表面相同的冷卻效果，往往需要在鋼板的下表面噴灑更多的冷卻水。也就是說，上下表面的冷卻水量需要按照鋼板厚度以及冷卻條件來調節其比例，以維持上下兩部分冷卻的對稱性。上下表面冷卻水比例是控制鋼板平直度的十分重要的參數。

四是約束分水技術。如果采用高壓水實現加速冷卻，還需要考慮采用約束分水(分流)技術，通過螺旋輥或平輥來部分或全部阻擋水，增強排水效果，實現上下表面的對稱冷卻和板帶鋼寬度方向的均勻冷卻。

五是配套預矯直技術或平整技術。盡管采用了眾多冷卻板形控制技術，也不可能保證在冷卻過程中鋼板完全不變形。但是，開冷前板形良好一定會改善冷卻均勻性，提高控冷后鋼板的平直度或降低殘余應力。在鋼板進入控冷區之前進行預矯直，可以充分降低鋼板軋制過程中的板形不良問題，提高鋼板橫向與縱向的板形平直度，為軋后冷卻裝置提供良好的開冷鋼板板形，達到提高冷卻后鋼板平直度的目的。對開卷后不平的鋼板，采用平整機進行平整軋制是改善薄板板形的重要補充手段。

控冷裝備發展須思考的幾個問題

目前，新型控冷裝備技術在國內已經得到較好的應用。如國內開發的SUPIC技術應用于中厚板生產，SLYPIC—L冷卻速度比常規加密層流提高30％，20mm厚度冷卻速率能夠達到42℃／s，并成功應用在線淬火工藝開發了Q55~Q800級別高強度工程機械用鋼和高強度容器板N610E等產品。高壓型的SUPIC—H冷卻速度達到物理極限的62℃／s，正用于實際生產。而國內開發的ADCOS—PM技術也開始用于生產：X70、X80管線鋼等。

通過對傳統的帶鋼層流技術改進，可以實現經濟型的超快速冷卻，在投資、管理、設備維護上體現出一定的優勢。更為重要的是，將影響板形的對稱冷卻技術應用于帶鋼冷卻裝備，可改變傳統層流冷卻只管卷取溫度的弊端，在板形和冷卻速度上都有明顯進步。該技術在國內某鋼廠1780mm熱軋帶鋼生產線上得到應用。

重視冷卻速度在提高性能中的作用。從控制冷卻技術提高鋼板力學性能角度看，提高強度的途徑有兩個：一個是改變組織類型，另一個是直接細化晶粒。直接細化晶粒是在組織類型一樣的條件下，細化晶粒，減小鐵素體晶粒直徑、珠光體片層間距、貝氏體板寬度等。冷卻速度在一定范圍內對晶粒尺寸和組織類型會產生影響。以Nb—V鋼為例，在相同組織轉變時性能不會產生很大的變化。因此，對鋼種是否采取超快速冷卻需要結合鋼種相變特性來決定，單純強調提高冷卻速率并無實際價值。另外，晶粒細化還受軋制過程影響，導致僅靠提高冷卻速率細化晶粒的效果受到嚴重制約。因此，在不改變組織類型的前提下，通過超快冷增強性能的效果有限，增強性能更多依靠的是降低終冷溫度或卷取溫度，這已經為生產實踐證明。》

含Nb鋼因為高溫變形時Nb形變誘導析出和對奧氏體晶界的釘扎，可以有效改善組織與性能。實驗證明，X70級管線鋼在終軋溫度為936℃時，超快速冷卻(80℃／s)至終冷溫度610℃，鋼板綜合力學性能達到了X90級管線鋼的標準要求。

關注設備運行可靠性的提高。在生產中還需要考慮設備運行的可靠性，尤其是在高速運行的帶鋼生產中，控制冷卻設備的安全可靠性值得關注。冷卻噴頭過低可以提高冷卻速度，但是會增加設備運行的危險性，輸送輥道的運行故障會對冷卻設備造成致命的破壞，這種現象在國內已經出現過。因此，除Carlam超快冷設備距輥面600mm外，國外開發的其他快速冷卻設備距輥面高度都在1m以上的。傳統層流冷卻設備上集管距輥面的高度在1．4m～1．7m，更多是出于對設備檢修維護和運行安全性的考慮。

今年以來，縫隙噴頭似乎成了超快速冷卻的代表，但是從國內外控制冷卻技術的發展來看，得到的結論可能有所不同。輥式淬火機的縫隙噴頭維護量一直較大。忽視軋線設備運行安全性和可靠性，可能會舍本逐末。

注重效益與成本的經濟合理性。控制冷卻技術以前是一種低成本的生產技術。而隨著水資源和電資源的漲價，目前該技術的應用成本逐漸為生產企業重視。根據相關企業的生產統計，層流冷卻的綜合成本每噸鋼在25元—30元左右。提高冷卻用水水量和供水壓力，從工藝的角度講可以提高鋼板冷卻速度，改善鋼材性能，降低合金成本，但冷卻水能耗卻會數倍增加。采用快速冷卻技術取得的效益與冷卻設備和工藝成本是否合理經濟，值得技術開發和生產管理者共同探討。