熱軋雙相鋼控軋控冷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

熱軋雙相鋼控軋控冷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

控制夾緊和冷卻技術(shù)是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)最重要的技術(shù)成就之一。所謂控制軋制和控制冷卻技術(shù),就是在鋼材化學(xué)成分一定的情況下,通過(guò)對(duì)軋制溫度、壓下量和軋后冷卻過(guò)程參數(shù)的控制,細(xì)化鋼材顯微組織,提高鋼材的性能,獲得具有良好綜合性能的鋼鐵材料。由于加速冷卻具有晶粒細(xì)化和組織強(qiáng)化的作用,使人們已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到水是最廉價(jià)的合金元素。對(duì)于一些鋼材,控軋控冷后不必實(shí)施常規(guī)軋制時(shí)的軋后再加熱熱處理工藝,從而簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝,提高了生產(chǎn)效率,并且可以節(jié)約能源和昂貴的合金元素,具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。1正在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用冷卻技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀1.1日本控軋控冷裝置自60年代第1套層流冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于英國(guó)布林斯奧思公司432mm窄帶鋼熱軋機(jī)以來(lái),目前幾乎每套熱帶鋼軋機(jī)輸出輥道上都安裝了冷卻系統(tǒng),但直到80年代以前,其應(yīng)用只限于厚度小于16mm的板帶。1980年,日本鋼管公司福山厚板廠首次研制成功第1套中厚板加速冷卻裝置,即在線快速冷卻設(shè)備,并在日本福山厚板廠投產(chǎn)。這標(biāo)志著控制冷卻已從實(shí)驗(yàn)室研究階段進(jìn)入了生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用階段。隨后,有關(guān)熱軋雙相鋼控制軋制和控制冷卻的基本理論研究,在日本開(kāi)展得非常迅速。目前,世界上許多國(guó)家,如日本、意大利、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、加拿大和前蘇聯(lián)等都利用控軋控冷工藝生產(chǎn)高寒地區(qū)輸油、輸氣管道用鋼板、低碳鈮合金的低合金、高強(qiáng)度、高韌性鋼板以及造船板、橋梁板和壓力容器板等。表1為日本及歐洲典型的板材加速冷卻設(shè)備。1.2控軋控冷技術(shù)隨著歐洲和日本于80年代研制應(yīng)用水幕的熱潮,我國(guó)也緊步其后。1985年,在鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱鞍鋼)半連軋廠建成了國(guó)內(nèi)第1套水幕冷卻裝置。但由于此套裝置的冷卻區(qū)長(zhǎng)度不足,冷卻能力不夠,冷卻不均勻,達(dá)不到產(chǎn)品質(zhì)量的要求,因此,該廠在1995年的改造過(guò)程中將水幕裝置改為柱狀層流裝置。90年代,重慶鋼鐵公司第五鋼鐵廠(簡(jiǎn)稱重鋼五廠)的中厚板生產(chǎn)線采用了控制軋制+可控的水幕冷卻裝置,邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱邯鋼)、柳州鋼鐵廠(簡(jiǎn)稱柳鋼)和新余鋼鐵有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱新余鋼廠)等也裝備了水幕冷卻裝置,但都未能正常使用。近幾年,酒泉鋼鐵集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱酒鋼)的氣霧冷卻、濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱濟(jì)鋼)的水幕冷卻以及鞍鋼的高密集管層流冷卻等都應(yīng)用成功,實(shí)現(xiàn)了應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益,而且目前首都鋼鐵集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱首鋼)、南京鋼鐵股份有限公司(簡(jiǎn)稱南鋼)中板廠正在進(jìn)行的改造項(xiàng)目中,都引進(jìn)了控軋控冷技術(shù)。同時(shí),控軋控冷技術(shù)在我國(guó)的帶鋼生產(chǎn)上也得到了成功的應(yīng)用,上海寶鋼有限公司(簡(jiǎn)稱寶鋼)2050mm(從德國(guó)引進(jìn))和1580mm(從日本引進(jìn))生產(chǎn)線采用了柱狀層流冷卻方式后,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,卷取溫度精度高;武漢鋼鐵集團(tuán)公司(簡(jiǎn)稱武鋼)1700mm軋機(jī)的層流冷卻裝置是80年代從日本引進(jìn)的,武鋼將其控冷模型改進(jìn)后移植到新一代計(jì)算機(jī)中,不僅得到了本廠的實(shí)踐驗(yàn)證,而且在太原鋼鐵(集團(tuán))有限公司(簡(jiǎn)稱太鋼)和梅山鋼鐵集團(tuán)公司(簡(jiǎn)稱梅鋼)得到推廣。表2列出了我國(guó)一些中厚板軋機(jī)上的控制冷卻設(shè)備。2控制冷卻功能控制冷卻的作用可概括為:(1)氫致裂紋抗力①力學(xué)性能:提高強(qiáng)度,改善韌性;②工藝性能:改善可焊性,提高氫致裂紋抗力,提高成形性;③組織與結(jié)構(gòu):增強(qiáng)組織的分散度,可獲得復(fù)相組織,細(xì)化晶粒,增強(qiáng)析出;④表面質(zhì)量:減少表面劃傷和裂紋,減少氧化鐵皮,無(wú)表面脫碳。(2)降低生產(chǎn)成本節(jié)省合金成分,節(jié)約能源,簡(jiǎn)化工藝流程,提高成材率。(3)提高社會(huì)效率減輕構(gòu)件或設(shè)備重量,節(jié)省自然資源,減少環(huán)境污染。3冷卻設(shè)備的選擇扁平材的冷卻方式主要有:壓力噴射冷卻、層流冷卻、水幕冷卻、氣霧冷卻、噴淋冷卻、板湍流冷卻、水-氣噴霧法加速冷卻和直接淬火等。各種冷卻方式都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),詳見(jiàn)表3。當(dāng)前,中厚板軋后控制冷卻設(shè)備中使用最多的是密集管層流冷卻、水幕冷卻和氣水混合的氣霧冷卻。這幾種冷卻系統(tǒng)相關(guān)性能的比較見(jiàn)表4。具體采用哪種冷卻方式應(yīng)根據(jù)具體工藝環(huán)境和限定條件來(lái)確定。4鋼板冷卻均勻程度的影響因素控制冷卻時(shí),鋼板均勻冷卻的控制能力及其程度,既決定著待冷鋼板性能的均勻性,也決定著每批鋼板性能的再現(xiàn)性水平。更重要的是,鋼板冷卻均勻程度決定著鋼板冷卻過(guò)程中的變形程度。因此,必須搞清冷卻過(guò)程中鋼板變形的內(nèi)在原因及誘導(dǎo)因素。冷卻過(guò)程中引起鋼板翹曲的內(nèi)在因素是相變、屈服應(yīng)力和導(dǎo)熱系數(shù),其誘導(dǎo)因素是不均勻冷卻。下面討論影響均勻冷卻的各種因素,以便采取有效的措施避免誘導(dǎo)因素的出現(xiàn),使控制冷卻技術(shù)更快實(shí)用化。4.1冷卻方法4.2水+氣控制冷卻所使用的冷卻介質(zhì)為水和水+氣兩種。以水+氣為冷卻介質(zhì)時(shí),一般用壓縮空氣將水霧化,先到達(dá)鋼板表面的水珠汽化,在鋼板表面形成氣膜,而后來(lái)的水珠大部分還未到達(dá)鋼板表面便已汽化,所以其冷卻能力較低,加之水的回收率低,因而厚板控制冷卻時(shí)不用(水+氣)作為冷卻介質(zhì)。4.3噴射+可調(diào)冷卻沖擊區(qū)與中小企業(yè)表面冷卻曲線的比較冷卻水在鋼板表面上的流量分布主要取決于沖擊區(qū)的分布。不同的噴流形式下鋼板表面的冷卻水沖擊區(qū)分布存在差異,因而沖擊鋼板時(shí)的冷卻水流量分布也不同。幕狀層流條件下沖擊區(qū)高度集中,噴射+可調(diào)冷卻沖擊區(qū)均勻覆蓋鋼板表面;柱狀層流條件下沖擊區(qū)分布介于幕狀層流和噴射+可調(diào)冷卻兩者之間,呈散點(diǎn)狀分布于鋼板表面。從鋼板表面的冷卻曲線可見(jiàn),幕狀層流呈鋸齒形,柱狀層流呈細(xì)鋸齒形,噴射+可調(diào)冷卻則為較光滑的曲線?？傊?冷卻水在鋼板表面上的流量分布主要取決于沖擊區(qū)的配置。對(duì)鋼板上表面來(lái)說(shuō),還與冷卻水的流動(dòng)和下噴水的回落有關(guān)。4.4鋼板的冷卻冷卻溫度鋼板自身?xiàng)l件是指鋼板溫度、鋼板形狀和表面質(zhì)量等,它們對(duì)鋼板冷卻均勻程度影響顯著。一般而言,鋼板溫度分布不均勻極易導(dǎo)致鋼板冷卻的不均勻。鋼板溫度的分布不均有如下多種情況:①鋼板的頭部和尾部的溫度比板身溫度低,而鋼板邊部溫度又低于鋼板中部的溫度;②加熱造成的溫度分布不均和水印溫度差;③軋制過(guò)程中,軋輥冷卻水和除鱗水也可能造成鋼板溫度分布不均勻;④加熱時(shí)上下供熱不匹配和上下除鱗水不匹配,造成鋼板上下表面溫度不對(duì)稱。對(duì)于板形而言,無(wú)論采用何種厚度和板形控制技術(shù),所軋制產(chǎn)品總會(huì)存在同板差和板凸度。同板差的存在將導(dǎo)致板長(zhǎng)方向和板厚方向的冷卻不均勻;板凸度的存在致使板寬方向和板厚方向的冷卻不均勻。如果鋼板存在著浪形和翹曲,將會(huì)嚴(yán)重地破壞鋼板的均勻冷卻。因?yàn)殇摪宀黄奖厝粫?huì)引起冷卻水的分布不均勻。此外,如果鋼板表面存在氧化鐵皮,由于其與鋼的導(dǎo)熱系數(shù)不同,將降低水的冷卻效果;氧化鐵皮的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致鋼板冷卻不均勻。一般來(lái)說(shuō),鋼板邊部存在壓應(yīng)力,再加上冷卻不均勻引起的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力,就會(huì)誘發(fā)鋼板變形。5消除不利因素的措施影響鋼板冷卻均勻性的各種因素往往是交互作用的,因此,很難找到一種有效的方法來(lái)消除這些不利因素,只能對(duì)其中的主要因素采取一些措施,同時(shí)兼顧其它因素的影響。鋼板均勻冷卻的控制,其實(shí)質(zhì)是控制鋼板冷卻過(guò)程中的溫度分布和冷卻速度。5.1鋼板冷卻方式的選擇為使鋼板長(zhǎng)度方向冷卻均勻,在板長(zhǎng)允許的條件下,應(yīng)采用同時(shí)冷卻方式。如果鋼板長(zhǎng)度接近或大于冷卻裝置長(zhǎng)度,就應(yīng)采用連續(xù)冷卻方式。采用同時(shí)冷卻方式時(shí),如果沖擊區(qū)縱向間距較大,應(yīng)選用較高的擺動(dòng)速度,反之則改用較低的擺動(dòng)速度。采用連續(xù)冷卻方式時(shí),為了沿鋼板長(zhǎng)度方向獲得一致的終冷溫度,并盡量減小板長(zhǎng)方向開(kāi)始冷卻的溫差,可以選擇如下措施:①進(jìn)入控冷區(qū)后,鋼板以勻加速運(yùn)動(dòng)方式通過(guò)冷卻裝置,使鋼板在整個(gè)長(zhǎng)度方向上冷卻的終止溫度均勻;②使鋼板以勻速運(yùn)動(dòng)方式通過(guò)冷卻裝置,但要逐漸減少冷卻裝置的噴水量。由于冷卻水量的調(diào)節(jié)對(duì)鋼板溫度變化非常敏感,一般不易采用這種控制方式;③由于鋼板頭部和尾部的溫度低于板身溫度,可以根據(jù)鋼板的位置,對(duì)頭部和尾部對(duì)應(yīng)的區(qū)段采取減少水量或遮蔽措施;也可以根據(jù)鋼板頭尾位置使相應(yīng)冷卻段延遲開(kāi)啟或超前關(guān)閉,使頭尾部的終冷溫度和其它部位一致;④為了克服冷卻區(qū)之外的附加冷卻,可在冷卻裝置的入口和出口端設(shè)置截水輥或吹掃機(jī)構(gòu)。不同的控制冷卻方式對(duì)鋼板頭部和尾部溫差的影響如圖2所示。5.2橫向溫度分布的控制造成鋼板寬度方向上冷卻不均勻的原因可以歸結(jié)為下述幾個(gè)方面:①軋制時(shí)已經(jīng)形成了橫向的溫度分布不均勻,這種不均勻會(huì)延續(xù)到冷卻過(guò)程中;②冷卻裝置的橫向冷卻能力如果相同,則邊部由于與水接觸更多會(huì)產(chǎn)生更大的溫度降;③邊部的下噴水回落到板面上。因此,應(yīng)控制橫向溫度的分布,控制方法如下:①邊部遮蔽法。采用邊部遮蔽機(jī)構(gòu),以防止鋼板邊部過(guò)冷;②橫向水量控制法。采用縫隙式噴嘴時(shí),應(yīng)使噴頭中部縫隙寬,而兩邊逐漸變窄,實(shí)現(xiàn)各噴頭噴出水流量中凸;采用排式噴嘴時(shí),可通過(guò)改變各排噴嘴的間距或噴嘴規(guī)格,實(shí)現(xiàn)各噴頭噴出水流量中凸。應(yīng)注意下噴頭噴出水流量中凸程度應(yīng)低于上噴頭;③采用左右兩側(cè)向外斜噴的方法,以克服下噴水回落板面的問(wèn)題。5.3冷卻水的沖擊鋼板厚度方向的均勻冷卻包括兩層含義:一是指鋼板表面與其心部的冷卻均勻;二是指鋼板上、下表面的冷卻均勻。前者用溫度梯度來(lái)衡量,后者用溫度對(duì)稱程度描述。鋼板冷卻后的溫度梯度是由冷卻速度和板厚決定的,為使其控制在一定范圍內(nèi),應(yīng)根據(jù)鋼板的材質(zhì)、厚度以及對(duì)產(chǎn)品性能的要求選擇適宜的冷卻速度,并在冷卻過(guò)程中適時(shí)調(diào)低冷卻速度,這既可以縮小斷面溫度差,又有利于減小鋼板變形。由于水在鋼板上、下表面的停留時(shí)間和流動(dòng)狀態(tài)不同,所以造成鋼板上、下表面冷卻的不均勻性。如:冷卻水以加速運(yùn)動(dòng)方式?jīng)_擊鋼板上表面,而以減速運(yùn)動(dòng)方式?jīng)_擊鋼板下表面。沖擊鋼板表面后,冷卻水在其上下表面的流動(dòng)狀態(tài)又有很大差別,上表面冷卻水產(chǎn)生的二次冷卻效果遠(yuǎn)大于下表面。因此,對(duì)于上、下表面的冷卻水量應(yīng)當(dāng)分段進(jìn)行控制,設(shè)計(jì)時(shí)上、下冷卻系統(tǒng)采用不同的水量(一般上水量與下水量之比約為1.5～2.5),可在線調(diào)整這一流量比。6鋼板的均勻性主要受水沖擊、被沖擊面系控制冷卻技術(shù)是一個(gè)多影響因素并存的復(fù)雜過(guò)程。為了更有效地指導(dǎo)生產(chǎn),增加效益,有必要進(jìn)行更深入的研究,從而更充分地挖掘鋼材的潛力,大幅度提高鋼材的綜合性能。采用連續(xù)冷卻方式時(shí),鋼板受冷卻介質(zhì)沖擊的時(shí)間有先有后,因而使鋼板長(zhǎng)度方向溫度分布不一致。此外,冷卻介質(zhì)還有一定的流動(dòng)性,特別是鋼板上表面,冷卻介質(zhì)的流動(dòng)產(chǎn)生二次冷卻,進(jìn)一步加劇了鋼板冷卻的不均勻程度。在鋼板的頭部和尾部,冷卻介質(zhì)在鋼板上表面除了橫向流動(dòng)之外,還有明顯的縱向流動(dòng)。在鋼板的頭部,除上噴水之外,下噴水也會(huì)沖擊鋼板的上表面,而且,由于水在鋼板表面上的橫向和縱向流動(dòng),再加上鋼板運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了水的縱向流動(dòng),將水帶出冷卻區(qū)的情形尤為常見(jiàn),它們會(huì)導(dǎo)致鋼板三維方向的不對(duì)稱冷卻,這種不均勻冷卻往往導(dǎo)致鋼板頭部變形。因此采用連續(xù)冷卻方式時(shí)既明顯存在時(shí)間上的冷卻不均勻,又存在空間上的冷卻不均勻。當(dāng)以高的冷卻速度冷卻鋼板時(shí),這種時(shí)間和空間上的不均勻冷卻,就很可能使被冷卻鋼板發(fā)生變形,特別是那些導(dǎo)熱系數(shù)低、屈服應(yīng)力高、相變對(duì)冷卻速度不敏感的鋼材尤為明顯。采用同時(shí)冷卻方式時(shí),由于是同時(shí)向整塊鋼板噴射冷卻介質(zhì),在冷卻過(guò)程中鋼板往復(fù)擺動(dòng),使沖擊區(qū)的均勻分布程度進(jìn)一步提高。其次,鋼板的擺動(dòng)也使冷卻介質(zhì)在上表面沿長(zhǎng)度方向的流動(dòng)均勻化。由于鋼板下表面被輥?zhàn)诱诒魏头钦诒尾糠纸惶娼邮芾鋮s介質(zhì)的沖擊,若能適當(dāng)提高寬度方向中心部位沖擊區(qū)的密度,并控制好頭尾端的