楊貴玲

(山東鋼鐵集團 日照有限公司，山東 日照 276827)

山鋼精品基地是國家批準(zhǔn)的鋼鐵建設(shè)項目，該項目加快了山東省的鋼鐵行業(yè)由內(nèi)陸轉(zhuǎn)移到沿海，也肩負著鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的歷史使命.先進的設(shè)備配置、工藝技術(shù)、控制理念等都在該項目中得到充分的論證和應(yīng)用，超快冷就是世界首例在熱連軋產(chǎn)線建設(shè)期同步配備的工藝裝備.根據(jù)山東鋼鐵集團日照鋼鐵精品基地工程的總體規(guī)劃及要求，需建成一條年產(chǎn)500萬t熱軋卷的2050 mm常規(guī)熱軋帶鋼生產(chǎn)線.結(jié)合當(dāng)前軋后冷卻技術(shù)的最新進展，為滿足低成本高性能管線鋼、高強鋼和雙相鋼等產(chǎn)品品種的開發(fā)及穩(wěn)順生產(chǎn)的需要，充分發(fā)揮2050 mm熱軋生產(chǎn)線的設(shè)備能力，增強企業(yè)的市場競爭力，在軋后冷卻區(qū)配置前置式超快速冷卻系統(tǒng)和后置式超快速冷卻系統(tǒng).本文重點闡述了超快冷的工藝原理、縫隙噴嘴和高密噴嘴設(shè)備的區(qū)別與冷卻效果、兩套控制系統(tǒng)并行等，結(jié)合理論與實踐，分析討論了超快冷系統(tǒng)在2050熱軋生產(chǎn)線的工業(yè)應(yīng)用情況.

1 工藝布置及主要的工藝設(shè)備

1.1 主要工藝布置

針對山鋼集團日照2050mm熱軋生產(chǎn)線，超快冷系統(tǒng)工藝布置如圖1所示.

前置式超快速冷卻系統(tǒng)：其冷卻設(shè)備布置在精軋機后，用于將熱軋板帶鋼按給定的工藝要求冷卻到中間溫度(動態(tài)相變點)[1].

中間常規(guī)冷卻系統(tǒng)：其冷卻裝置設(shè)在前置式超快冷后面，用于熱連軋常規(guī)產(chǎn)品的冷卻.

后置式超快速冷卻系統(tǒng)：其冷卻設(shè)備布置在層冷精冷段后卷取機前，將熱軋板帶鋼按給定的工藝要求冷卻到終冷溫度，滿足特殊產(chǎn)品如DP鋼、TRIP鋼等鋼種的生產(chǎn)需求.

圖1 超快冷系統(tǒng)工藝布置Fig.1 Layout of ultra-fast cooling system

1.2 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

(1)前置式超快冷冷卻裝置采用高壓密集射流冷卻裝置，集管數(shù)量4 Bank×10對.噴嘴數(shù)量分縫隙噴嘴12組+高密快冷噴嘴28組，水量參數(shù)在設(shè)備全開啟時最大總流量為13 000 m3/h.

(2)后置式超快冷冷卻裝置采用高壓密集射流冷卻裝置，集管數(shù)量3 Bank×10對噴嘴數(shù)量縫隙噴嘴14組+高密快冷噴嘴16組，水量參數(shù)在設(shè)備全開啟時最大總流量為9 500 m3/h.

(3)常規(guī)層流冷卻裝置采用常規(guī)冷卻裝置，上集管數(shù)量14Bank×4+2Bank×8個，下集管數(shù)量14Bank×12+2Bank×16個，水量參數(shù)在設(shè)備全開啟時最大流量為13 000 m3/h.

(4)縫隙噴嘴和高密噴嘴

縫隙噴嘴在結(jié)構(gòu)上為沿帶鋼寬向狹縫式噴嘴(見圖2a)，為超快速冷卻段的核心噴嘴，它具有最大的單位冷卻強度，可以使鋼板表面溫度快速降低，在鋼板內(nèi)部和中心形成很大的溫度梯度，噴水效果見圖2b所示.縫隙噴嘴控制閥組由1臺流量調(diào)節(jié)閥、1臺氣動開閉閥和1臺手動開閉閥及1臺流量計組成.由流量調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)總流量和上下流量比的調(diào)節(jié)控制，由快速開閉閥實現(xiàn)快速開閉控制，手動開閉閥主要用于檢修.

圖2 縫隙式噴嘴噴水效果及外形圖Fig.2 Spray effect of slot nozzle equipment and its outline drawing(a)—噴嘴結(jié)構(gòu)外形圖；(b)—噴水效果

(5)高密快冷噴嘴

高密快冷噴嘴在結(jié)構(gòu)上為帶有多排小噴嘴的集管噴嘴(見圖3a)，設(shè)置在縫隙噴嘴后，其單位冷卻強度僅次于狹縫式噴嘴，用于進一步降低鋼板表面溫度，保持鋼板內(nèi)部和表面的溫度梯度，噴水效果見圖3b所示.高密快冷嘴控制閥組由1臺流量調(diào)節(jié)閥、1臺氣動開閉閥和1臺手動開閉閥及1臺流量計組成.由流量調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)總流量和上下流量比的調(diào)節(jié)控制，由快速開閉閥實現(xiàn)快速開閉控制，手動開閉閥主要用于檢修.

圖3 高密式噴嘴噴水效果及外形圖Fig.3 Spray effect of high-density nozzle equipment and its outline drawing(a)—噴嘴結(jié)構(gòu)外形圖； (b)—噴水效果

通過配置的前置式超快速冷卻設(shè)備，結(jié)合層流冷卻，采用直接熱軋加超快速冷卻的生產(chǎn)工藝，利用細晶強化、析出強化與相變強化相結(jié)合的機制，提高產(chǎn)品強度、韌性、成形性等力學(xué)性能，改善焊接等使用性能.其目的在于可在不添加合金元素或少添加合金元素的情況下，開發(fā)同等級別的熱軋板帶材，降低生產(chǎn)成本；

配置后置式超快速冷卻設(shè)備，結(jié)合層流冷卻，可經(jīng)濟地實現(xiàn)雙相鋼、TRIP鋼等高附加值產(chǎn)品的大批量連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn).

2 超快速冷卻工藝理念及技術(shù)應(yīng)用

2.1 前置式超快冷工藝考慮及技術(shù)應(yīng)用

利用前段超快冷與常規(guī)層流冷卻的匹配，可實現(xiàn)圖4中的工藝路徑控制，即對熱軋后的鋼板立即進行高強度冷卻至工藝需求溫度點，然后利用常規(guī)層流冷卻至卷取溫度，滿足產(chǎn)品組織性能需要[2].基于前置式超快冷的典型產(chǎn)品的冷卻工藝如圖5所示.

圖4 基于前置式超快冷的工藝路徑控制Fig.4 Process control of front ultra-fast cooling system UFC—超快冷；ACC—層流冷卻；FDT—終軋溫度；UFCT—超快冷終止溫度；CT—卷取溫度

圖5 基于前置式超快冷的典型產(chǎn)品冷卻工藝Fig.5 Cooling process of typical products processed by front ultra-fast cooling system (a)—C-Mn鋼； (b)—析出強化型高強鋼 ； (c)—高鋼級管線鋼

與前置式超快冷相關(guān)的組織調(diào)控及強化機制如圖6所示，主要涉及的強化機制類型包括：

(1)細晶強化(以Q345鋼為例，見圖6a)——利用高速率冷卻，保持奧氏體硬化狀態(tài)，促進形核，細化組織；根據(jù)組織性能需求，控制超快冷終止溫度UFCT(ultra-fast control temperature)，使得富含“缺陷”的硬化狀態(tài)奧氏體被保存至鐵素體區(qū)，同時卷取溫度CT(coiling temperature)在貝氏體相變區(qū)以上，最終獲得細化的鐵素體+珠光體組織.

(2)析出強化(以700MPa級別的析出強化鋼為例，見圖6b)——適度提高終軋溫度FDT并匹配高強度冷卻，抑制應(yīng)變誘導(dǎo)析出，保留更多微合金元素至UFCT(鐵素體或貝氏體區(qū))，細化析出相；適當(dāng)?shù)木砣囟菴T有利于前期超快冷抑制作用而保留下來的微合金元素在卷取中充分析出，提高析出強化效果.

(3)相變強化(以X80管線鋼為例，見圖6c)——超快冷系統(tǒng)具備接近極限冷卻速率的冷卻能力，與層流冷卻配合，可滿足多樣的冷卻路徑控制；UFC-F：終冷溫度控制在鐵素體區(qū)，獲得細化的鐵素體、珠光體組織；UFC-B：終冷溫度降至貝氏體區(qū)，綜合利用各強化機制，實現(xiàn)減量化、高性能化生產(chǎn)；UFC-M：將終冷溫度降至馬氏體相變區(qū)間.

2.2 后置式超快冷工藝考慮及技術(shù)應(yīng)用

后置式超快冷工藝路徑控制的要點在于結(jié)合前置式超快冷及常規(guī)層流冷卻系統(tǒng)，實現(xiàn)靈活的兩階段冷卻控制.

根據(jù)圖1所示的熱軋生產(chǎn)線配置示意圖，適度運用前置式超快冷及常規(guī)層流冷卻進行一階段冷卻，通過控制中間溫度(MT)實現(xiàn)鐵素體組織形態(tài)的控制，然后根據(jù)工藝需求進行一定的空冷處理，利用后置式超快速冷卻系統(tǒng)短時準(zhǔn)確控溫特點，快速冷卻至特定卷取溫度(CT)，進行第二相類型的控制，最終獲得鐵素體 -馬氏體型熱軋雙相鋼或鐵素體-貝氏體型熱軋雙相鋼[3]，詳見圖7.基于前置式超快冷的典型產(chǎn)品的冷卻工藝如圖8所示.

圖6 基于前置式超快冷的組織調(diào)控及強化機制Fig.6 Microstructure control and strengthening mechanisms of typical products processed by front ultra-fast cooling system(a)—細晶強化； (b)—析出強化； (c)—相變強化

圖7 基于后置式超快冷的工藝路徑控制Fig.7 Process control of post ultra-fast cooling systemFDT—終軋溫度；UFC—超快冷；MT—冷卻開始溫度；CT—卷取溫度

與后置式超快冷相關(guān)的組織調(diào)控及強化機制如圖9所示，典型的組織調(diào)控類型包括：

(1) F+M雙相鋼組織控制——利用一階段冷卻控制(MT)，鋼板軋后快速進入鐵素體相變區(qū)，并形成足夠體積分數(shù)鐵素體組織；利用后段超快速冷卻系統(tǒng)的近似極限冷卻能力，避免珠光體、貝氏體組織的形成；足夠低的終冷溫度(CT)，確保馬氏體相變完成；通過兩階段冷卻參數(shù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)F+M雙相組織的調(diào)控.

圖8 基于后置式超快冷的典型產(chǎn)品冷卻工藝Fig.8 Cooling process of typical products processed by post ultra-fast cooling system(a)—F-M熱軋雙相鋼 ； (b)—F-B熱軋雙相鋼

(2) F+B雙相鋼組織控制——利用前、后段超快冷系統(tǒng)及常規(guī)層流冷卻系統(tǒng)，根據(jù)材料成分與相變特征，進行冷卻路徑控制；適度提高后段超快速冷卻終冷溫度(CT)至貝氏體區(qū)，可獲得F+B或F+B/M等復(fù)相組織；亦可根據(jù)性能需求，結(jié)合成分匹配，通過復(fù)合冷卻路徑控制，在最終組織中獲得一定量的殘余奧氏體、M/A組元等組成相，滿足先進高強度鋼的生產(chǎn)工藝.

圖9 基于后置式超快冷的組織調(diào)控及強化機制Fig.9 Microstructure control and strengthening mechanisms of typical products processed by post ultra-fast cooling system(a)—F+M雙相鋼組織控制； (b)—F+B雙相鋼組織控制

3 自動化控制功能及現(xiàn)場并行運行

3.1 二級控制系統(tǒng)功能

軋后冷卻設(shè)備安裝在精軋機末機架出口至卷取機之間，在過程自動化系統(tǒng)和基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的控制之下，根據(jù)帶鋼精軋出口的帶鋼溫度、速度等數(shù)據(jù)和其他工藝設(shè)備參數(shù)，經(jīng)過模型運算(包括預(yù)設(shè)定計算、動態(tài)修正設(shè)定計算、自學(xué)習(xí)計算)，控制軋后冷卻區(qū)的冷卻設(shè)備的集管組態(tài)，實現(xiàn)對帶鋼的冷卻模式、卷取溫度和冷卻速率的控制，將熱軋帶鋼按預(yù)定路徑冷卻到工藝要求的卷取溫度，使其力學(xué)性能和金相組織結(jié)構(gòu)達到預(yù)定的質(zhì)量要求.

軋后冷卻控制系統(tǒng)包括下面四個部分，如表1所示.

3.2 軋后冷卻控制基本思想

軋后冷卻控制的基本思想如圖10所示，將帶鋼按一定長度分成若干樣本段，面向帶鋼每個樣本段進行控制.每一個集管閥門的開/關(guān)是由“帶鋼樣本段”(Segment)上熱量的輸入/輸出所決定的，每個樣本段的熱量輸入/輸出包括：熱輻射、空氣對流換熱、冷卻水對流換熱和輥道導(dǎo)熱等.

通常樣本長度與帶鋼厚度有關(guān)，帶鋼厚度越小，樣本長度越長.系統(tǒng)中有4.56 m，2.28 m和1.14 m三種樣本長度可供用戶選擇.4.56 m對應(yīng)薄規(guī)格帶鋼生產(chǎn)，2.28 m對應(yīng)中間厚度規(guī)格帶鋼生產(chǎn)，1.14 m對應(yīng)厚規(guī)格帶鋼生產(chǎn)，與生產(chǎn)線目前樣本劃分長度基本一致.

表1 軋后冷卻控制系統(tǒng)功能配置Table 1 Configuration of cooling control systems after rolling

圖10 軋后冷卻控制的基本思想示意圖Fig.10 Schematic diagram of post-rolling cooling control principle

3.3超快冷控制系統(tǒng)雙線并行運行

2050 mm主線控制系統(tǒng)是外方總承包，其中包含了層流控制系統(tǒng)，但是為了引入更有調(diào)試經(jīng)驗的超快冷控制系統(tǒng)，采用了雙系統(tǒng)并行的方案.超快冷控制系統(tǒng)與外方控制系統(tǒng)通訊，主要包括兩部分.一是超快冷過程自動化控制系統(tǒng)(UFC-L2)與軋線過程自動化控制系統(tǒng)(外方-L2)進行通訊，簡稱二級通訊；二是超快冷基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)(UFC-L1)與軋線原有基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)(外方-L1)進行通訊，簡稱一級通訊.控制系統(tǒng)方案如圖11所示.

圖11 與外方通訊控制系統(tǒng)方案Fig.11 Scheme of communication control system

4 工業(yè)應(yīng)用

4.1 超快冷在管線鋼產(chǎn)品工藝中的應(yīng)用

(1)利用超快冷系統(tǒng)的高強度冷卻能力，在少添加或不添加Mo等合金元素的條件下，通過高冷速抑制鐵素體及珠光體生成，進而獲得較高體積分數(shù)的針狀鐵素體組織，有利于獲得優(yōu)良的綜合性能.工業(yè)化大批量生產(chǎn)實踐表明，利用超快速冷卻系統(tǒng)生產(chǎn)高鋼級管線鋼，可實現(xiàn)最大程度的降Mo等合金元素的減量化生產(chǎn)[4].

(2)與常規(guī)層流及加密層流冷卻模式相比，超快速冷卻系統(tǒng)具有更大的冷卻強度.根據(jù)針狀鐵素體形成機制、顯微組織特征、力學(xué)性能之間的關(guān)系可知，冷速越大，獲得的針狀鐵素體亞結(jié)構(gòu)越細小，越有利于管線鋼低溫沖擊韌性、DWTT(drop weight tear test)等性能的改善.

(3)超快速冷卻系統(tǒng)具備較為精準(zhǔn)的冷卻控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)超快冷出口溫度UFCT及卷取溫度CT的穩(wěn)定控制，保證了高鋼級管線鋼具備優(yōu)良板形及性能穩(wěn)定性與均勻性.

(4)針對極限厚度規(guī)格管線鋼(25.4 mm厚度規(guī)格X70管線鋼)，超快速冷卻系統(tǒng)具備的高冷卻能力可以保證鋼板心部仍具有較高冷速，使得心部獲得大量細化針狀鐵素體.通過工業(yè)化生產(chǎn)實踐表明，利用超快速冷卻技術(shù)生產(chǎn)25.4 mm厚度規(guī)格X70管線鋼可顯著提升DWTT性能，達到提質(zhì)增效目的[5].

4.2 超快冷在雙相鋼產(chǎn)品工藝中的應(yīng)用

(1)基于后置超快冷系統(tǒng)，F(xiàn)-M雙相鋼馬氏體相變強化并不是依賴提高合金元素(如Cr、Si、Mn)含量甚至添加Mo元素使馬氏體轉(zhuǎn)變臨界冷速降低的方式實現(xiàn)，而是通過超快冷系統(tǒng)的高冷卻速率及強大冷卻能力來實現(xiàn)的.工業(yè)化大批量生產(chǎn)實踐已表明，采用簡單的C-Mn成分設(shè)計即可生產(chǎn)3.0～13.0 mm厚度規(guī)格的DP540-DP600級別熱軋雙相鋼，降低合金成本.

(2)與常規(guī)層流或加密層流冷卻系統(tǒng)相比，后置式超快冷系統(tǒng)可實現(xiàn)對特定卷取溫度CT的穩(wěn)定控制，最終實現(xiàn)硬相馬氏體或貝氏體組織形態(tài)的穩(wěn)定控制.卷取溫度低于300 ℃時超快冷系統(tǒng)仍可保證鋼卷全長溫度的穩(wěn)定性.

(3)采用超快冷/層冷-空冷-超快冷的冷卻模式生產(chǎn)熱軋雙相鋼時，可在保證馬氏體相變的同時擴大鐵素體轉(zhuǎn)變窗口，實現(xiàn)鐵素體基體組織形態(tài)、含量的控制，使產(chǎn)品軟硬兩相比例合理，厚度方向的組織均一性良好，最終獲得強韌匹配良好的熱軋雙相鋼.

(4)超快冷系統(tǒng)在大批量生產(chǎn)過程中體現(xiàn)出的高的控制穩(wěn)定性，對于滿足熱軋雙相鋼的批量化穩(wěn)順生產(chǎn)要求具有顯著優(yōu)勢.生產(chǎn)實踐表明采用超快冷技術(shù)，熱軋雙相鋼產(chǎn)品可實現(xiàn)窄范圍性能控制，同板寬向、縱向性能及異板性能差異小[6].

4.3 超快冷在山鋼精品基地的應(yīng)用

(1) 超快冷直接建設(shè)降低投資成本，一次建設(shè)成本在原層流冷卻的基礎(chǔ)上增加設(shè)備建設(shè)投資約1000萬元，相比后期改造降低約100%.

(2)超快冷裝置的直接建設(shè)方案，降低產(chǎn)品調(diào)試成本，一次建設(shè)后直接采用超快冷工藝調(diào)試產(chǎn)品，不需要進行二次改造升級后的調(diào)試.

(3)前置超快冷和后置超快冷的同時建設(shè)方案，滿足山鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整，產(chǎn)品升級的需要.

5 結(jié) 語

(1) 闡述了超快冷技術(shù)的發(fā)展前沿和山鋼集團日照新建的2050 mm熱軋生產(chǎn)線超快冷的工藝裝備布置.

(2)分析了超快冷的工藝原理、縫隙噴嘴和高密噴嘴設(shè)備的區(qū)別與冷卻效果以及兩套控制系統(tǒng)并行的方案.

(3)結(jié)合生產(chǎn)實例，討論了基于前置式和后置式超快冷的工藝路徑控制、組織調(diào)控以及強化機制原理.

(4)分析了超快冷在管線鋼和雙相鋼中的應(yīng)用前景；在原層流冷卻的基礎(chǔ)上增加設(shè)備建設(shè)投資約1000萬元，相比后期改造降低約100%，該系統(tǒng)滿足了山鋼的結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)品升級.