热轧板带材控冷装备的发展趋势研究

热轧板带材控冷装备的发展趋势研究

余伟，唐荻，何春雨，刘涛

随着板带材产品品种的开发、生产钢级的提高，板带钢轧制后加速冷却已经成为生产高品质、低成本热轧钢材必不可少的手段。同时，随着制造业的发展，对热轧带钢的板形也提出了更高的要求。据相关研究，轧后冷却会对最终板形产生影响，而且会改变钢板的表面氧化铁皮结构，影响钢板表面质量。因此，控制冷却技术在板带材质量控制中的作用已经更加突出。

向多功能和快冷却方向发展

新型控冷装备具有多功能特征。传统冷却装置的缺点有冷却速率低、冷却策略缺乏、工艺适应性不强、可轧制钢种规格受限等问题，已经严重制约了新热轧带钢品种的开发。新型冷却装置的配置按照冷却能力和可实现的工艺功能划分，冷却区还可以划分为多个冷却段，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、TR口钢、贝氏体钢、马氏体钢、复相钢等高强度钢。在工艺上，该设备适应了连续快冷、连续快冷+适中冷却、两段冷却、后段快冷等要求，能实现加速冷却、间断淬火、分段冷却、直接淬火、直接淬火碳分配等功能，满足了高强度钢冷却过程中的冷却速度控制和路径控制的要求。热轧板带材轧后冷却采用不同的冷却速度、不同卷取温度，可以得到不同的终冷组织。如采用普通的AC冷却，可以得到多边形铁素体+珠光体组织。进一步提高冷却速度并降低终冷温度，可以得到细小铁素体和退化珠光体组织；进一步加快冷却到贝氏体相变温度以下，可以得到贝氏体组织。

20世纪90年代，中厚板生产中以快速冷却为基础发展了直接淬火技术，代替再加热淬火。直接淬火时，将处于奥氏体区或两相区的热轧后的钢材直接水淬到室温，这种技术不仅节能、降耗，还能改善钢板性能，降低合金消耗。

新型控冷装备追求更高的冷却速率。控制冷却技术的发展历史，就是冷却装置不断提高冷却速率的历史。随着冷却技术的发展，提高冷却速度的方法也呈现多样性。归根结底，提高冷却速率还是需要不断提高冷却过程的换热效率。钢板冷却过程影响冷却速度的参数较多，而其中重要的参数包括水流密度、水流流速(或动能)、水流分布、钢板表面状态等。常用的方法包括：增加水流密度，提高流量；增加喷水压力，改变水流分布；改变流动状态等。但是，根据传热学理论，钢板的冷却过程还受钢板本身导热系数的影响，在工艺生产允许的介质条件下，钢的冷却速率不可能无限制提高。当钢板的外壁面温度始终与介质温度一致时，即会达到极限冷却速率，这时传热由钢导热系数决定。

解决均匀冷却和板形控制难题

板带钢在控制冷却过程中的一个突出问题就是宽度方向冷却不均匀。钢板边部冷却不均，不仅会导致钢板宽度方向的组织性能不均匀，还可能导致潜在的板形不良。新型控制冷却装备采用以下技术克服此类问题：

一是边部遮蔽技术。采用边部遮蔽装置，遮挡板带钢边部冷却水，可控制钢板宽度方向温度分布，达到控制钢板横向板形的目的。遮蔽技术在带钢层流冷却中得到越来越多的应用。该技术在带钢建立张力后可以稳定使用，但是带头和带尾在轧制过程中的横向位置稳定性问题，使得边部遮蔽效果大打折扣。如果中厚板钢板在轧后输送过程中跑偏严重，也会使边部遮蔽技术失效。

二是头尾避让技术。在钢板轧制过程中，钢板的头尾受轧制和高压水除磷的影响易出现温度降低以及存在于头尾一定长度区间的板形不良问题，在轧后控制冷却过程中采用高精度钢板位置跟踪技术，对钢板的头尾进行精确跟踪，可实现温度的精确控制，达到控制钢板长度方向冷却的均匀性以及调整钢板头尾板形的目的。采用头尾避让技术，实现头部弱冷，可以减少钢板切头切尾的浪费，提高钢板的成材率。

三是对称冷却技术。钢板上下表面的冷却条件不同。为了达到上下表面相同的冷却效果，往往需要在钢板的下表面喷洒更多的冷却水。也就是说，上下表面的冷却水量需要按照钢板厚度以及冷却条件来调节其比例，以维持上下两部分冷却的对称性。上下表面冷却水比例是控制钢板平直度的十分重要的参数。

四是约束分水技术。如果采用高压水实现加速冷却，还需要考虑采用约束分水(分流)技术，通过螺旋辊或平辊来部分或全部阻挡水，增强排水效果，实现上下表面的对称冷却和板带钢宽度方向的均匀冷却。

五是配套预矫直技术或平整技术。尽管采用了众多冷却板形控制技术，也不可能保证在冷却过程中钢板完全不变形。但是，开冷前板形良好一定会改善冷却均匀性，提高控冷后钢板的平直度或降低残余应力。在钢板进入控冷区之前进行预矫直，可以充分降低钢板轧制过程中的板形不良问题，提高钢板横向与纵向的板形平直度，为轧后冷却装置提供良好的开冷钢板板形，达到提高冷却后钢板平直度的目的。对开卷后不平的钢板，采用平整机进行平整轧制是改善薄板板形的重要补充手段。

控冷装备发展须思考的几个问题

目前，新型控冷装备技术在国内已经得到较好的应用。如国内开发的SUPIC技术应用于中厚板生产，SLYPIC—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，并成功应用在线淬火工艺开发了Q55~Q800级别高强度工程机械用钢和高强度容器板N610E等产品。高压型的SUPIC—H冷却速度达到物理极限的62℃／s，正用于实际生产。而国内开发的ADCOS—PM技术也开始用于生产：X70、X80管线钢等。

通过对传统的带钢层流技术改进，可以实现经济型的超快速冷却，在投资、管理、设备维护上体现出一定的优势。更为重要的是，将影响板形的对称冷却技术应用于带钢冷却装备，可改变传统层流冷却只管卷取温度的弊端，在板形和冷却速度上都有明显进步。该技术在国内某钢厂1780mm热轧带钢生产线上得到应用。

重视冷却速度在提高性能中的作用。从控制冷却技术提高钢板力学性能角度看，提高强度的途径有两个：一个是改变组织类型，另一个是直接细化晶粒。直接细化晶粒是在组织类型一样的条件下，细化晶粒，减小铁素体晶粒直径、珠光体片层间距、贝氏体板宽度等。冷却速度在一定范围内对晶粒尺寸和组织类型会产生影响。以Nb—V钢为例，在相同组织转变时性能不会产生很大的变化。因此，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。另外，晶粒细化还受轧制过程影响，导致仅靠提高冷却速率细化晶粒的效果受到严重制约。因此，在不改变组织类型的前提下，通过超快冷增强性能的效果有限，增强性能更多依靠的是降低终冷温度或卷取温度，这已经为生产实践证明。》

含Nb钢因为高温变形时Nb形变诱导析出和对奥氏体晶界的钉扎，可以有效改善组织与性能。实验证明，X70级管线钢在终轧温度为936℃时，超快速冷却(80℃／s)至终冷温度610℃，钢板综合力学性能达到了X90级管线钢的标准要求。

关注设备运行可靠性的提高。在生产中还需要考虑设备运行的可靠性，尤其是在高速运行的带钢生产中，控制冷却设备的安全可靠性值得关注。冷却喷头过低可以提高冷却速度，但是会增加设备运行的危险性，输送辊道的运行故障会对冷却设备造成致命的破坏，这种现象在国内已经出现过。因此，除Carlam超快冷设备距辊面600mm外，国外开发的其他快速冷却设备距辊面高度都在1m以上的。传统层流冷却设备上集管距辊面的高度在1．4m～1．7m，更多是出于对设备检修维护和运行安全性的考虑。

今年以来，缝隙喷头似乎成了超快速冷却的代表，但是从国内外控制冷却技术的发展来看，得到的结论可能有所不同。辊式淬火机的缝隙喷头维护量一直较大。忽视轧线设备运行安全性和可靠性，可能会舍本逐末。

注重效益与成本的经济合理性。控制冷却技术以前是一种低成本的生产技术。而随着水资源和电资源的涨价，目前该技术的应用成本逐渐为生产企业重视。根据相关企业的生产统计，层流冷却的综合成本每吨钢在25元—30元左右。提高冷却用水水量和供水压力，从工艺的角度讲可以提高钢板冷却速度，改善钢材性能，降低合金成本，但冷却水能耗却会数倍增加。采用快速冷却技术取得的效益与冷却设备和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。