控制冷卻技術(shù)知多少？

供稿|張少軍，李忠富 / ZHANG Shao-jun, LI Zhong-fu

軋鋼的連續(xù)化生產(chǎn)和控軋控冷技術(shù)是20世紀(jì)鋼鐵工業(yè)標(biāo)志性的技術(shù)進(jìn)步，它和氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼和精煉、連續(xù)鑄鋼并列為推動鋼鐵工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的三大技術(shù)。三大技術(shù)徹底改變了傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)工藝流程，為21世紀(jì)的緊湊式生產(chǎn)工藝流程奠定了基礎(chǔ)。

在控制冷卻技術(shù)得以應(yīng)用之前，人們?yōu)榱思涌鞜彳埡箐摬睦鋮s的速度，以提高軋制生產(chǎn)線的生產(chǎn)率，于是向熱鋼材表面吹空氣或噴水。但為了使鋼材的組織狀態(tài)滿足要求，于是在向熱鋼材吹空氣或噴水冷卻時(shí)就需要進(jìn)行控制，從而使控制冷卻技術(shù)得以開發(fā)應(yīng)用。再以后，人們發(fā)現(xiàn)，如果在吹空氣或噴水冷卻時(shí)控制得好，還可以改變鋼材的組織狀態(tài)，改善和提高鋼材的性能（這就是AC、ACC工藝和技術(shù)），進(jìn)一步，利用軋后余熱，還可進(jìn)行直接在線淬火處理（這就是QD工藝和技術(shù)），于是人們加強(qiáng)了對控冷工藝和技術(shù)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，要使鋼材能得到合理冷卻，使其組織形態(tài)符合要求且均勻，避免冷卻不合理而產(chǎn)生不均勻變形從而造成鋼材的扭曲和彎曲，以及內(nèi)應(yīng)力大、分布不均勻等，這是技術(shù)上的難點(diǎn)。

傳統(tǒng)熱處理

常化（normalizing）

?；幚?，也稱為正?；幚?。金屬熱處理工藝中的?；幚韺?shí)際就是正火處理。通常在熱加工過程中，鋼鐵材料組織改變，性能也隨之改變，為了使組織恢復(fù)常態(tài)，常常采用正火處理，因此也把正火處理稱作?；幚怼３；幚砜梢宰鳛樽罱K熱處理，也可作為預(yù)先熱處理，還可改善加工性能。一般情況下，碳鋼正火處理就是將加熱到高溫并完成奧氏體化的碳鋼工件，直接在空氣中冷卻，以獲得細(xì)小珠光體組織的熱處理工藝。正火熱處理的組織具有較好的綜合機(jī)械性能。

淬火（hardenning，quenching）

鋼的淬火是將鋼加熱到奧氏體化溫度即臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。

另外，通常也將鋁合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理或帶有快速冷卻過程的熱處理工藝稱為淬火。

調(diào)質(zhì)（quenching and high temperature tempering）

調(diào)質(zhì)處理是淬火加高溫回火的雙重?zé)崽幚?。調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能和材質(zhì)得到很大程度的調(diào)整，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。

調(diào)質(zhì)淬火時(shí)，使鋼件的淬火部位得到以細(xì)針狀淬火馬氏體為主的顯微組織。

高溫回火是指在500～650℃之間進(jìn)行回火，高溫回火后得到回火索氏體(tempered sorbite)?；鼗鹚魇象w是馬氏體于回火時(shí)形成的，在光學(xué)金相顯微鏡下放大500～600倍以上才能分辨出來，其為鐵素體基體內(nèi)分布著碳化物（包括滲碳體）球粒的復(fù)合組織。也就是說，回火索氏體是鐵素體與粒狀碳化物的混合物。此時(shí)的鐵素體已基本無碳的過飽和度，碳化物也為穩(wěn)定型碳化物，常溫下是一種平衡組織。

在線熱處理

作為工業(yè)基石材料的鋼鐵材料可以通過熱處理賦予其更多的優(yōu)良特性。很多高級鋼材生產(chǎn)過程中往往會采用常化或淬火加回火等熱處理生產(chǎn)工藝。在使用熱處理工藝的生產(chǎn)過程中，經(jīng)過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)和鋼材組織結(jié)構(gòu)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)：如果熱軋終了的鋼組織結(jié)構(gòu)與經(jīng)過淬火或常化熱處理的鋼組織結(jié)構(gòu)同樣能處于奧氏體(g)區(qū)，那么將是保證連續(xù)生產(chǎn)的非常理想的狀況，于是在線熱處理的概念應(yīng)運(yùn)而生。

將熱軋后的鋼材在軋制線上進(jìn)行噴吹空氣、噴水或噴水霧冷卻，賦予鋼材必要的冶金特性的工藝處理，稱為在線熱處理工藝。在線熱處理統(tǒng)一稱為TMCP工藝（Thermo Mechanical Controlled Processing，熱機(jī)械控制工藝或在線熱處理），包括加速冷卻AC（Accelerate Cool）和直接淬火DQ（Direct Quench）。20世紀(jì)70年代后期，國外開發(fā)研制了軋后余熱淬火和加速冷卻工藝，在控制軋制工藝穩(wěn)定的條件下直接淬火和回火。

控制冷卻

控制軋后鋼材的冷卻速度以達(dá)到改善鋼材組織和性能的目的工藝稱為控制冷卻[1]（Controlled Cooling，簡稱控冷）。熱軋的擠壓變形作用會促使鋼材組織中變形奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的提高，使得相變后的鐵素體晶粒容易長大，造成力學(xué)性能降低。采用控制冷卻工藝，可以細(xì)化鐵素體晶粒，減小珠光體片層間距，阻止碳化物在高溫下析出[1]。理論上，控制冷卻應(yīng)包括?；?、淬火、調(diào)質(zhì)（淬火加高溫回火）。對熱鋼材（熱軋后或常化爐加熱后）進(jìn)行控冷的作用是通過采用?；?、淬火、淬火加回火（即調(diào)質(zhì)）等控冷工藝賦予鋼材必要的冶金特性，從而賦予鋼材種種優(yōu)良性能。熱軋鋼材軋后控制冷卻的優(yōu)點(diǎn)：可以改善鋼材的組織形態(tài)，提高鋼材的強(qiáng)韌性，最終獲得合理的綜合力學(xué)性能；同時(shí)還可以減少鋼材氧化鐵皮損失，并縮短熱軋鋼材的冷卻時(shí)間，提高軋機(jī)的生產(chǎn)能力。

控軋控冷

鋼材的控制軋制（Controlled Roolling，簡稱控軋）是指在熱軋過程中通過對金屬加熱制度、變形制度和溫度制度的合理控制，使熱塑性變形與固態(tài)相變結(jié)合，以獲得細(xì)小晶粒組織，使軋制鋼材具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[1]。

控制軋制和控制冷卻相結(jié)合能將熱軋鋼材的兩種強(qiáng)化效果相加，進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)度、韌性和焊接性能，獲得更合理的綜合力學(xué)性能[1]?？剀埧乩涔に囀且豁?xiàng)提高鋼材質(zhì)量、節(jié)約合金、簡化工序、節(jié)約能源消耗的先進(jìn)軋鋼工藝技術(shù)。它能通過工藝手段充分挖掘鋼材潛力，大幅度提高鋼材的綜合性能，給冶金工業(yè)和社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于控軋控冷具有形變強(qiáng)化、相變強(qiáng)化的綜合作用，因此控軋控冷既能提高鋼材強(qiáng)度又能改善鋼材的韌性和塑性。軋鋼廠生產(chǎn)的中厚鋼板、熱軋板卷、棒、線、型材和鋼管都可以采用控軋控冷工藝。

在線控冷方式

國內(nèi)外中厚板生產(chǎn)線上所采用的軋后在線控冷方式主要有7種：(1)高壓噴嘴冷卻；(2)管層流冷卻；(3)水幕層流冷卻；(4)高密度管層流冷卻；(5)噴霧冷卻(包括高壓水噴霧和氣—水噴霧)；(6)板湍流冷卻；(7)噴淋冷卻。

在中厚板冷卻過程中，為了實(shí)現(xiàn)鋼板縱向溫度控制的均勻性，對鋼板頭部和尾部采取特殊控制處理。同時(shí)，對鋼板縱向進(jìn)行物理分區(qū)，在冷卻過程中對鋼板進(jìn)行分段跟蹤。根據(jù)不同區(qū)段的鋼板溫度，對該區(qū)段的冷卻控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)處理。通過對冷卻鋼板進(jìn)行分段控制處理，可以有效地控制鋼板異常溫度波動，如鋼板表面黑印和軋機(jī)輥身水造成的溫度偏低現(xiàn)象。對于鋼板縱向上的整體溫度梯度，可通過對控冷輥道的微調(diào)速控制來減小或消除。

熱軋型鋼同樣也需要控冷工藝處理。對型鋼控冷技術(shù)和設(shè)備的研究，國際國內(nèi)幾乎與對鋼板控冷的研究同步。但因?yàn)閷π弯摰目乩浼夹g(shù)，特別是對型鋼控冷設(shè)備的研制難度較大，所以，到目前為止，型鋼控冷技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用較少，目前只有如線材、小直徑棒材、螺紋鋼筋、鋼管等這樣的截面形狀簡單且以圓心對稱的鋼材產(chǎn)品多以“穿水冷卻”的工藝方法實(shí)現(xiàn)了控冷處理。而對其它產(chǎn)品的生產(chǎn)如工字鋼、槽鋼、角鋼、H型鋼等異形截面形狀的鋼材產(chǎn)品的控冷仍沒有成功和滿意的工藝技術(shù)能推廣應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

國內(nèi)發(fā)展情況

從20世紀(jì)60年代起人們就開始了對控制冷卻的研究，并取得了一定的成果。20世紀(jì)70年代后期控制冷卻工藝產(chǎn)生。

控制冷卻工藝出現(xiàn)后，在全世界得以迅速推廣。到目前為止，經(jīng)過近50年的理論研究與設(shè)備開發(fā)，特別是對中厚板的控制冷卻，在理論上已較為深入，在設(shè)備上已較為完善。在線控冷工藝已成為中厚板生產(chǎn)的主導(dǎo)工藝，為中厚鋼板生產(chǎn)帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。

中國在近10多年來除引進(jìn)國外技術(shù)和設(shè)備外，國內(nèi)自行開發(fā)研制成功的中厚板控冷技術(shù)也得以推廣和使用。并且，隨著國內(nèi)中厚板控冷技術(shù)的研制成功和推廣使用，使得從國外引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的價(jià)格大幅度降低。

20世紀(jì)80年代中后期，我國冶金科技工作者對控軋控冷的研究主要為國內(nèi)外情況的收集、整理與理論上的探討。北京科技大學(xué)王有銘教授等于1993年對鋼材的控制軋制和控制冷卻進(jìn)行了理論總結(jié)[1]。但是當(dāng)時(shí)還很少有具體設(shè)備的開發(fā)研制，所開發(fā)研制的僅有的幾套設(shè)備，有的一試車就告失敗，有的投產(chǎn)后不太好使用。直到1999年，北京科技大學(xué)李謀渭教授帶領(lǐng)控冷科研課題組與鞍鋼等單位合作，為鞍鋼厚板廠4300單機(jī)架四輥可逆式厚板軋機(jī)開發(fā)研制的軋后控冷設(shè)備一次試車成功。這是我國自行開發(fā)研制的第一套最成功的并且是最接近當(dāng)時(shí)的國際先進(jìn)水平的中厚板軋后加速快冷控冷設(shè)備。此后，李謀渭教授科研課題組又相繼為太鋼五軋廠2300雙機(jī)架不銹鋼中板軋機(jī)、舞鋼4200厚板軋機(jī)、武鋼軋板廠2800中板軋機(jī)、新鋼中板廠2500和3800中板軋機(jī)、重鋼中板廠2600中板軋機(jī)、邯鋼中板廠3500中板軋機(jī)、臨汾鋼鐵公司中板廠3000中板軋機(jī)、三明鋼鐵公司中板廠3000中板軋機(jī)、東北特鋼模具鋼預(yù)硬化生產(chǎn)線等開發(fā)研制了各種性能的控冷設(shè)備。

國產(chǎn)鋼板軋后控冷設(shè)備的特色：高密度管層流冷卻，可大幅度提高和控制鋼板的性能；具備強(qiáng)、弱冷系統(tǒng)及淬火和調(diào)質(zhì)兩種功能；能很好地滿足變化著的冷卻工藝；對鋼板冷卻各向均勻，不易發(fā)生鋼板局部過冷；使用水壓、水量相對小，對水質(zhì)要求低；對冷卻能力的調(diào)控靈活方便；設(shè)備的制造和維護(hù)維修簡單，造價(jià)低，設(shè)備投資約為進(jìn)口設(shè)備的1/5。

例如，舞鋼4200厚板軋機(jī)的國產(chǎn)控冷設(shè)備具有對厚度范圍為12～250 mm的鋼板軋后控冷能力，并具有對厚度為60 mm以下的鋼板進(jìn)行直接淬火的功能，見圖1。設(shè)備投產(chǎn)后解決了我國當(dāng)時(shí)亟需的“西氣東輸”管線鋼的在線控冷問題，其中X70鋼填補(bǔ)了我國寬厚鋼板生產(chǎn)的空白。東北特鋼模具鋼預(yù)硬化生產(chǎn)線的國產(chǎn)在線淬火機(jī)，見圖2，由冷噴頭、氣霧噴頭、水霧噴頭、強(qiáng)噴射頭和側(cè)噴射五種不同冷卻強(qiáng)度噴頭組合調(diào)節(jié)，有利于滿足模具鋼不同冷卻速度控制，使其按設(shè)定冷卻路線淬火，保證最優(yōu)的金相組織。

圖1 4200軋機(jī)軋后ACC

圖2 淬火機(jī)本體外貌

[1]王有銘. 鋼材的控制軋制和控制冷卻. 北京：冶金工業(yè)出版社，1993