熱軋超快冷技術的發展及應用

摘 要：文章介紹了熱軋超快冷技術的原理，對國內外超快冷技術的應用進行了簡單介紹，最后對超快冷技術的發展提出了一些建議。

關鍵詞：超快冷技術；熱軋帶鋼；熱軋

中圖分類號：TG335.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）27-0013-03

熱軋粗軋后對鋼板的冷卻方式或速度的不同會影響最終產品組織性能，因此隨著對新鋼種的需求以及軋制技術的改革引起了人們對于熱軋后冷卻處理的要求日益增加。近年來，超快速冷卻（Ultra FastCooling），簡稱UFC，是近年來國際上發展起來的一項用于控制帶鋼冷卻的新技術，配合其它一些先進鋼鐵材料的軋制新技術，如鐵素體區軋制雙相鋼、相變誘導塑性鋼的軋制以及薄板坯連鑄連軋（CSP）等，在軋制生產過程中實現快速、準確的溫度控制以獲得相應的相變組織，而獲得所需要的強度性能和較好的塑性變形能力。

其特點有：①位置變換性強，可根據不同需求改變其出現在機架間的順序。②有效降低冷卻時產生的水霧對冷卻速度的影響。③冷卻速度大。④增加冷卻水接觸冷卻效率。⑤水量大，占地面積較小。

1 超快冷技術的原及熱軋線上位置

冷卻水落到熱鋼板表面上以后，立刻沸騰汽化，在冷卻水與鋼板的界面上生成一層汽膜。由于汽膜與鋼板之間的換熱系數遠小于水與鋼板之間的換熱系數，所以汽膜的存在影響了熱交換效率，使進一步提高冷卻速度受到限制。因而提高冷卻速度的一項措施，就是設法打破冷卻水與鋼板之間的汽膜，使更多的新水能夠直接作用于鋼板表面。

目前廣為使用的管層流和水幕冷卻裝置，是使冷卻水在高位水箱產生的壓力作用下自然流出，形成連續水流。水流連續穩定地落到鋼板上后，動量轉化為沖擊力，擊破鋼板與冷卻水之間的汽膜，提高冷卻效率，如圖1所示。這種冷卻方式的問題是無論管層流還是水幕，其擊破汽膜的范圍都是很有限的，僅限于在連續水流正下方的局部區域內，離開這個區域，在鋼板和冷卻水之間的界面上仍然有大面積的汽膜存在。如何大面積的擊破汽膜，是提高冷卻效率的一個關鍵問題。

因此可以從以下方面考慮提高冷卻速度：①適當增加下沖高度，提高水的壓力，加大沖擊力沖破汽膜。②增加水流密度，減小單位孔徑，提高單位時間內鋼板與水接觸面積。③增大水霧散逸速度，減小汽膜影響。

為了實現這一目的，比利時的CRM研究所設計了一種新型的冷卻裝置，其要點是：減小每個出水口的孔徑，加密出水口，增加水的壓力，保證小流量的水流也能有足夠的能量和沖擊力，能夠大面積地擊破汽膜（如圖1所示）。這樣，在單位時間內有更多的新水直接作用于鋼板表面，大幅度提高換熱效率，實現超快速冷卻。

根據不同熱軋帶鋼需要的冷卻溫度不同的影響，UFC裝置在熱軋生產線上有四個位置，如圖2（a）、（b）、（c）、（d）所示。

①布置在精軋機和層冷之間（熱軋前冷）：如圖2（a）所示，使熱軋帶鋼在軋后迅速冷卻，降低相變溫度，快速得到細化鐵素體晶粒，提高鋼材綜合性能，不需要添加任何合金元素，較以前添加合金元素以達到所需強度的方法更經濟，實用性更強。適用于開發生產高強度雙向鋼、TRIP鋼等。

②布置在層冷和卷取機之間（熱軋后冷）：如圖2（b）所示，通過層冷控制鐵素體轉變量，由于層冷冷卻速度較慢，使得部分奧氏體轉變為鐵素體，達到所需奧氏體含量后，由于UFC冷卻速度較快，將會抑制高溫區鐵素體相變，使殘余奧氏體向非平衡相（貝氏體、馬氏體）轉變，通過卷曲的溫度控制，實現TRIP鋼的生產。

③布置在保溫輥道和精軋機之間：如圖2（c）所示，用于生產要求精軋溫度較低的超級鋼、高級別管線鋼的生產。采用UFC裝置可以降低熱軋帶鋼表面與內部溫差，加速冷卻減小待溫時間。

④布置在保溫輥道和粗軋機之間：原理同3，如圖2（d）所示，由于粗軋出口溫度和精軋入口溫度差在70～120 ℃左右，中間坯依靠自然空冷所需時間較長，容易降低生產效率，故采用此方法，幫助中間坯減少待溫時間，加快生產節奏。

2 國外超快冷技術的應用

UTC裝置在熱軋生產線的影響最為顯著，如果能成功利用此技術將會對熱軋板生產起到巨大作用。

Hoogovens-UGB廠最初應用超快冷技術，使1.5 mm厚熱軋帶材在實現高冷卻速率的同時，還具有良好的橫向和縱向板形；日本JFE公司開發的NANOHITEN熱軋帶材也是超快速冷卻工藝在品種開發方面的突出代表，該產品組織為單相鐵素體基體上分布大量1～5 nm尺寸的TiC粒子，使其抗拉強度最高可達到1 180 MPa，同時具有良好的塑性。目前，超快速冷卻技術在國外熱軋帶鋼生產線上已得到較廣泛的應用，西馬克·德馬格公司（SMS-DEMAG）向國內推介的薄板坯連鑄連軋（CSP）生產線也己采用了該技術。在JFE、CORUS、SpainABS、蒂森克虜伯、浦項No.2等企業中，UFC技術的最大降溫能力在100～400 ℃/s之間。國外UFC技術應用實例見表1。

由表1可看出，日本、韓國等企業的超快冷（UFC）主要安裝方式是精軋機后和層流冷卻之間，傳統熱連軋機組、中厚板機組和薄板坯連鑄連軋機組均有使用，超快冷裝置若安裝在精軋后和層流冷卻裝置之間，往往與在線或離線熱處理工藝（HOP）相結合，產品以開發高強度熱軋板及中厚板為主；若安裝在層流冷卻裝置后和卷取機之間，可以通過UFC和層流冷卻的最佳結合來控制層流冷卻和超快冷之間的中間溫度、冷卻時間和卷取溫度來開發雙相鋼。

3 國內超快冷技術的應用

我國目前擁有的熱軋帶鋼生產線達到70多條，絕大多數均建立了軋后層流冷卻裝置。但是傳統的熱軋帶鋼控制冷卻裝置由于其設計的局限性，存在冷卻速度不高的問題。

2005年以后，隨著我國鋼鐵產量的大幅度增加，鋼鐵工作者對熱軋帶鋼控制冷卻技術有了更深的認識，部分新建和改造的熱軋帶鋼生產線采用了加密型快速冷卻及加壓型超快冷卻技術。

加密型快速冷卻是通過增加軋后層流冷卻裝置上下集管數量或增加集管上U形管或噴管數量的方法，將層流冷卻裝置改造為加密型快速冷卻裝置。這種方法不改變冷卻水的壓力，僅改變水流密度。2008年寶鋼2 050 mm生產線層流冷卻裝置改造為加密型快速冷卻裝置，以滿足生產厚規格管線鋼的需求。邯鋼2 250 mm熱軋生產線原本采用常規的層流冷卻裝置，為滿足X80管線鋼、汽車鋼等高等級鋼種控冷工藝的需求，于2013年3月將層流冷卻裝置改造為加密型快速冷卻裝置。太鋼2 250 mm熱軋生產線2013年也將層流冷卻裝置改造為加密型快速冷卻裝置。加密型快速冷卻冷卻技術因具有投資低、運行成本低、冷卻速度快等特點，得到了良好的推廣應用。

加壓型超快速冷卻裝置的冷卻噴頭為直噴式或斜噴式。該裝置使用具有一定壓力（0.5～0.6 MPa）的冷卻水，水處理系統與常規的層流冷卻水（0.07 MPa）系統分開。寶鋼1 880 mm和本鋼2 300 mm生產線超快冷裝置的噴頭為直噴式，漣鋼2 250 mm熱軋帶鋼生產線的超快冷裝置的噴頭為斜噴式。國內UFC技術應用情況見表2。

中國包鋼1 700 mm、攀鋼1 450 mm、漣鋼2 250 mm和鞍鋼

2 150 mm等熱連軋機組，鞍鋼4 300 mm、沙鋼5 000 mm和首秦

4 300 mm等寬厚板廠均對超快冷系統感興趣（或已經建成）。其中包鋼薄板坯連鑄連軋機組的UFC裝置也是國內第一套，雖然超快冷裝置比較簡陋，但已經采用C-Mn鋼做為原料，生產出性能優良的雙相鋼。部分專業院校和科研機構也爭相進行了UFC冷卻技術的研究，其中東北大學在實驗室研究和工業推廣方面開展了大量的工作，并建成了擁有自主知識產權的超快冷實驗室研究手段。

4 超快冷技術的展望

相比于傳統的層流冷卻技術，加密型快速冷卻技術具有高冷卻速率、高冷卻均勻性、滿足雙相鋼等鋼種需求的多種冷卻工藝的特點。

UFC是一種快速冷卻能力極強的新型控制冷卻裝置，UFC特別適合于開發超級鋼、IF鋼、雙相鋼、TRIP鋼等高附加值產品，能夠達到生產超細晶粒鋼、先進高強鋼所要求的冷卻速度和冷卻溫度，并能夠實現對溫降路徑的精確控制。在新建和改造的冷卻線上設置UFC裝置，可以為一大批對冷卻速度控制有特殊要求的高附加值產品開發提供條件。

然而由于UFC冷卻能力極強，軋件在冷卻過程中的溫度變化過快，控制時間較短，冷卻速度對軋件組織性能影響較大，在國內UFC技術主要應用于基本勻速軋制的CSP產線、軋制速度較慢的中厚板產線，控制系統能較容易確定冷卻起始時間以及冷卻水水量，從而能較好獲得性能良好且具有高附加值的產品。但是對于常規熱連軋，由于軋件速度變化很大且軋制速度較高，給精確控制冷卻速度帶來了很大的難度，因此，UFC技術在國內常規熱連軋產線還缺乏成熟的經驗，需要進一步研究。可以相信通過不斷努力，UFC技術一定會能滿足鋼鐵企業產品質量與成本控制的需要，解決實際應用中可能出現的板型、組織性能、表面質量等問題。

參考文獻：

[1] 王國棟.以超快冷卻為核心的新一代TMCP技術[J].上海金屬，2008，（2）.

[2] 劉相華，王國棟，杜林秀，等.普碳鋼產品升級換代的現狀與發展前景[A].中國金屬學會第7屆軋鋼年會論文集[C].2002.