層流冷卻對高性能鋼板板形的影響與控制*

李娜 于愛民 劉揚 田曉霞

(1.安陽鋼鐵集團有限責任公司; 2.南京鋼鋒實業(yè)有限公司)

層流冷卻對高性能鋼板板形的影響與控制*

李娜1于愛民1劉揚2田曉霞1

(1.安陽鋼鐵集團有限責任公司; 2.南京鋼鋒實業(yè)有限公司)

良好的板形是高性能鋼板質(zhì)量保證的一個重要指標。由于高性能鋼板要求的冷卻速率較大，鋼板在冷卻過程中極易產(chǎn)生厚度方向和寬度方向的冷卻不均而形成瓢曲。本文結(jié)合現(xiàn)場實際，分析了由于寬度方向冷卻不均導致鋼板瓢曲的影響形式，制定了相應的改進措施，改善了板形。

高性能鋼板 板形缺陷 板形控制 控制冷卻

0 前言

安鋼爐卷軋機的層流冷卻是爐卷生產(chǎn)工藝的一個重要環(huán)節(jié)，熱軋后的控制冷卻可以控制產(chǎn)品的組織形態(tài)和晶粒尺寸，對改善產(chǎn)品的性能具有重要意義，但由于軋后控冷在實際生產(chǎn)中受到的制約因素比較多，如冷卻速率與軋制溫度、冷卻水量、冷卻水的溫度、鋼板的運行速度等，使得鋼板在經(jīng)過層流冷卻的過程中容易產(chǎn)生板形缺陷，而控制鋼板的橫向和厚度方向冷卻的對稱性是控制鋼板平直度的主要手段，也是保持鋼板板形平直、保證生產(chǎn)順行的關(guān)鍵。

安鋼爐卷軋機的控制冷卻技術(shù)在生產(chǎn)上已得到了成功運用，目前通常采用調(diào)整上下冷卻水量的比例以保證厚度方向冷卻的均勻性，而橫向冷卻均勻一般采用邊部遮蔽技術(shù)或調(diào)整橫向冷卻水量的辦法。由于層流冷卻方式的設(shè)計是保證鋼板板形的基礎(chǔ)條件，而實際生產(chǎn)中的運行條件又往往和層流設(shè)計時的理想條件存在著一定的差距，這主要表現(xiàn)在橫向冷卻均勻性的控制上。因為軋制時鋼板存在一定的鐮刀彎，同時鋼板也不可能完全在輥道中心線上運行，存在著一定的偏移。這種不均勻性會隨著冷卻能力的加大矛盾更加突出，尤其是對高性能鋼板的板形影響較大。筆者對冷卻過程中最常見的板形缺陷進行了分析，找出了影響板形的主要因素并采取相應措施，保證板形良好。

1 層流冷卻板形缺陷及原因分析

鋼板在層流過程中產(chǎn)生瓢曲，主要是由于組織相變過程中各部分體積變化不同引起的。鋼板冷卻過程中，當從奧氏體化溫度開始冷卻，隨溫度降低，鋼板各部分基本上呈線性收縮，當開始發(fā)生相變時，曲線開始出現(xiàn)拐折，體積處于膨脹階段，直到大部分相變完成后，在溫度的影響下體積又會基本上呈線性收縮狀態(tài)，其體積變化曲線如圖1所示［1］。

圖1 鋼板冷卻過程中體積變化曲線

由圖1可以看出，組織發(fā)生相變，體積出現(xiàn)膨脹的溫度區(qū)間在550℃左右，如果鋼板冷卻均勻，各部分會同時進入收縮和膨脹階段，各單元之間不存在應力，板形保持良好。但實際冷卻過程中，鋼板各部分的冷卻不可能是絕對均勻的，因此相變過程中會產(chǎn)生應力，在不同的冷卻狀態(tài)會產(chǎn)生不同的板形缺陷。

目前高性能鋼板在控制冷卻過程中容易出現(xiàn)的板形缺陷主要有邊部浪形、中間拱形、中間凹形、兩頭下扣等幾種形式。以下是幾種板形缺陷產(chǎn)生的原因分析。

1.1 邊部浪形

邊部浪形缺陷常見于相對薄規(guī)格的控制冷卻過程中，對于相對較厚規(guī)格由于抗變形能力較強，對于內(nèi)應力不是很大時，一般不宜表現(xiàn)出邊部浪形缺陷。邊部浪形缺陷產(chǎn)生的主要原因是鋼板冷卻過程中橫向冷卻不均產(chǎn)生的。

層流冷卻集管的流量，在橫向上一般都是均勻分布的。但鋼板冷卻過程中，鋼板邊部冷卻較快，中間部分冷卻較慢，同時由于層流冷卻下集管冷卻水的回落，造成鋼板邊部冷卻進一步加快，橫向不均勻性進一步加大。這種矛盾隨冷卻水量的加大而更加突出。在CCT冷卻曲線圖中繪制出兩部分的連續(xù)冷卻曲線，如圖2所示。

圖2 鋼板邊部和中間部分的CCT曲線

從圖2中可以看出，鋼板邊部和中間部分的相變開始時間存在著一個時間差。由于鋼板邊部冷卻較快，相對于中間部分提前發(fā)生相變，體積進入膨脹階段，而中間部分還未進行相變，體積仍處于收縮過程，隨著溫度的繼續(xù)降低，這種矛盾逐步加劇，這樣鋼板邊部部分和中間部分之間會存在一定應力，當這種應力增大到或超過鋼板抗變形能力的時候，鋼板就會出現(xiàn)邊部浪形缺陷。

1.2 中間拱形

中間拱形缺陷常見于相對較厚規(guī)格的控制冷卻過程中，中間拱形缺陷產(chǎn)生的主要原因是由于厚度方向上的冷卻不均產(chǎn)生的。層流冷卻上下集管的冷卻水量比例一般為1︰2～2.3。當比例較小也就是上集管水量相對較大時，在冷卻過程中鋼板上表面部分提前進入相變區(qū)，體積發(fā)生膨脹，鋼板形成拱形，當下表面部分隨后相變，體積膨脹時，金屬單元受壓應力作用，無法消除拱形，最終形成中間拱形缺陷。

1.3 中間凹形

中間凹形缺陷的形成機理和中間拱形缺陷的形成機理是一致的。當下集管水量相對較大時，在冷卻過程中鋼板下表面部分提前進入相變區(qū)，體積發(fā)生膨脹，鋼板形成凹形，當上表面部分隨后相變，體積膨脹時，金屬單元受壓應力作用，無法消除凹形，最終形成中間凹形缺陷。對于采用邊部遮蔽的冷卻方式最容易出現(xiàn)這種板形缺陷，當采用邊部遮蔽時，如果遮蔽量較大，對于鋼板邊部，下表面的冷卻能力會相對較大，容易形成凹形缺陷。

1.4 兩頭下扣

兩頭下扣缺陷常見于相對偏厚規(guī)格的控制冷卻過程中，兩頭下扣缺陷產(chǎn)生的主要原因同樣是由于厚度方向上的冷卻不均產(chǎn)生的，這種缺陷非常容易和中間拱形缺陷同時存在。這種缺陷一般在鋼板分切前不易表現(xiàn)出來，而在鋼板分切后，由于外區(qū)影響減小，縱向方向內(nèi)應力較大時，則表現(xiàn)出兩頭下扣。

2 板形改善措施及效果

鋼板在冷卻過程中都會存在不同程度上的冷卻不均，合理的冷卻方式能夠使冷卻不均勻程度相對減小，組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織應力也就相對減小，缺陷形式不易表現(xiàn)出來。因此選擇合理的冷卻方式，減小冷卻不均勻性是保證板形良好的關(guān)鍵。從安鋼層流的使用情況看，鋼板在冷卻過程中主要為厚度方向上的冷卻不均，這種情況一般容易形成中間拱形、中間凹形和兩頭下扣等缺陷。根據(jù)板形缺陷的形成機理，采取以下調(diào)整措施。

2.1 邊部遮蔽

采用邊部遮蔽主要是在一定程度上減小橫向冷卻不均勻性，遮蔽量的選擇和鋼板厚度、冷卻速度、冷卻程度等有關(guān)，遮蔽量過大，會形成中間凹形缺陷，遮蔽量過小，不能有效改善橫向不均勻性，對于遮蔽量的設(shè)定，在文獻［2］中已經(jīng)較為詳細的進行了闡述。另外，邊部遮蔽的設(shè)定要根據(jù)層流冷卻上下集管的水量比例進行設(shè)計，隨著上下集管冷卻水比例的減小，遮蔽量相應減小。

邊部遮蔽在一定程度上能夠改善了橫向不均勻性的分布狀態(tài)，從而改善板形。但實際控制中并不能達到理想的設(shè)計效果，這是因為實際生產(chǎn)中，鋼板會存在著“鐮刀彎”和偏離中心線的現(xiàn)象，造成遮蔽量不均勻。為了盡量使冷卻均勻化，可采取部分集管遮蔽的方式，這樣會使冷卻更加相對均勻。

2.2 鋼板初始板形

鋼板橫斷面的板形一般 為平直斷面、正凸度斷面和負凸度斷面。平直斷面是一種理想斷面，實際生產(chǎn)中一般不易得到。對于正凸度斷面如果凸度過大會形成軋制雙邊浪形，這種浪形在控制冷過程中會進一步惡化，無法矯正形成廢品。對于微正凸度板形，由于邊部偏偏薄，冷卻過程中會使邊部冷卻更快，進一步加大了橫向不均勻性。對于負凸度板形，如果凸度過大會形成中間浪形，這時軋制時的內(nèi)應力會較大，同時由于橫縱向壁厚不均，會增大橫向和縱向冷卻的不均勻性，這種情況形成的板形缺陷，矯正的難度很大。如果鋼板橫斷面呈微負凸度斷面板形，這樣中間部分冷卻速度會相對加快，減小由于邊部冷卻快而帶來的橫向不均勻性。因此軋制過程應以微負凸度軋制進行控制。

2.3 間斷式冷卻

冷卻的不均勻性導致組織相變時鋼板各部分單元的體積變化存在著時間上的差異。對于低碳貝氏體鋼的控制冷卻，一般采用連續(xù)式冷卻，為了改善冷卻過程的均勻性可以采用間斷式冷卻，這樣會使鋼板在冷卻到一定程度后，有一個溫度回復和重新分布的過程，鋼板縱橫向溫度差得以減小，從而改善冷卻不均勻性。根據(jù)分析，鋼板由800℃連續(xù)冷卻至550℃左右，然后空冷一段時間，這樣中間部分和邊部的溫差會迅速減小，隨后冷卻到工藝要求的終冷溫度。這樣鋼板冷卻過程中，在體積膨脹區(qū)間內(nèi)，中間部分和邊部的體積變化基本上處于一種同步變化狀況，體積變化的矛盾相對緩和。

2.4 提高鋼的淬透性

鋼的淬透性主要決定于鋼的成分設(shè)計但也受終軋溫度，冷卻能力等軋制參數(shù)的影響。冷卻過程中，如果淬透性高，鋼板各部分相變時的時間差就相對減小，一定程度上也減小了冷卻過程中的不均勻性。

3 結(jié)語

經(jīng)過調(diào)整上下集管冷卻水量比例，使厚度方向冷卻相對均勻;采用邊部遮蔽技術(shù)，改善冷卻過程中的橫向不均勻性，減少邊部浪形的出現(xiàn);采用微負凸度板形軋制，改善鋼板的軋制板形，減小冷卻的橫向不均勻性;采用間斷式冷卻，保證鋼板表面無冷卻積水，減輕冷卻的不均勻性;控制軋制過程參數(shù)，不致惡化鋼的淬透性等調(diào)整措施，使高性能鋼板軋態(tài)平直度控制在6 mm/2 m以內(nèi)。

［1］陰樹標，劉清友，張志波，等.熱變性參數(shù)對含鈮鋼奧氏體未再結(jié)晶區(qū)變形相變的影響.微合金化技術(shù)，2008，28(2):1－3.

［2］李國彬，皮昕宇.中厚板控制冷卻的板形控制與實踐.武鋼技術(shù)，2006，44(5):1 －4.

INFLUENCE AND CONTROL OF LAMINAR COOLING ON PROFILE OF HIGH PERFORMANCE STEEL PLATE

Li Na1Yu Aimin1Liu Yang2Tian Xiaoxia1
(1.Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd; 2.Nanjing and Gangfeng Industral Co.，Ltd)

Good profile is an important index of quality assurance for high performance steel.As the high performance steel needs the larger cooling rate，it is easy to produce buckling from uneven cooling along the thickness and width direction.Combining the site practice，it analyzes the plate buckling form from uneven cooling along the width direction and draws up some corresponding improvement measures to improve the shape.

high performance plate profile defection profile control control cooling

*聯(lián)系人:于愛民，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團有限責任公司技術(shù)中心;

2011—3—30