TMCP技术新进展

TMCP技术的新进展——柔性化在线热处理技术装备王国栋近年来，在线热处理技术受到普遍重视，这是因为在线热处理利用轧制余热对钢材进行热处理，可以省去离线热处理的二次加热工序，因而达到节约能源、简化操作、缩短产品交货期的目的。同时，在线热处理可以利用材料热轧过程中积累的应变硬化，在有些情况下可以得到比离线热处理更优的产品性能和质量。传统的在线热处理包括加速冷却和直接淬火(DQ)。传统的在线热处理工艺和装备有两方面的问题。其一，轧后冷却过程是调整材料相变组织乃至性能的重要阶段。为了得到需要的材料组织和性能，仅仅依靠冷却是不够的，有时候还需要加热。其二，即使是冷却过程，出于冷却路径控制的需要，电不能仅靠简单的加速冷却。人们希望可以在低速到直接淬火之间进行宽范围的冷却速度控制，还希望可以控制冷却的路径，甚至可以在线加热。这样，就可以依据需要的材料组织和性能，在线控制材料的冷却路径，即实施柔性化的热处理过程。通过轧后的热处理，可以得到多种多样的材料组织和性能，实施技术创新、提升材料性能的空间广阔。在这种情况下，各种在线热处理的新设备、新工艺应运而生。应当注意的是，除了加热和冷却设备之外，生产线上的其他设备，如热连轧的卷取机和各类钢材的精整设备也可能须进行适应性改造。超快速冷却系统的发展Super—OLAC：1998年，JFF西日本制铁所福山地区厚板厂对原有的冷却系统进行改造，建设了Super—OLAC(超级在线加速冷却)新型加速冷却系统。该系统的最大的特点是具有可达极限冷却的冷却速率和极高的冷却均匀性。Super—OLAC系统既可以实现加速冷却，又可以实现在线直接淬火。一套系统兼有直接淬火和加速冷却两种功能，是新一代控制冷却系统的重要特征。CLC—μ：新日铁于1983年率先采用冷却前钢材矫直和约束冷却方式的冷却系统，称之为CLC(连续在线控制)，并应用于生产焊接性优良的高强、高韧性钢等产品。新日铁在CLC应用的基础上，开发了新一代控制冷却系统CLC—μ。CLC—μ继续采用约束型的控制冷却方式，但在冷却喷嘴的形式和水量控制方法等方面发生根本性改变，大大增强了冷却控制性能。ADCOS系统：国内有关单位针对热轧钢材冷却技术这一关键和共性技术和不同的钢材门类，开发了与之相适应的控制冷却系统，统称之为ADCOS(先进的冷却系统)。针对中厚板提出了一种倾斜喷射的超快冷十层流冷却的新设计概念——ADCOS-PM(中厚板轧机)，采用斜喷缝隙式喷嘴+高密管式喷嘴的混合布置，将这两种冷却方式的优点结合起来，极其均匀地将板面残存水与钢板之间形成的气膜清除，从而实现钢板和冷却水均匀接触的全面核沸腾。这不仅提高了钢板和冷却水之间的热交换效率，而且可以实现钢板的均匀冷却，大大抑制了钢板由于冷却不均引起的翘曲。将ADCOS—PM的思想延伸，进一步应用到热连轧机，ADCOS—HSM(热连轧机)应运而生。该系统在精轧机出口安装超快速冷却装置，可以对钢板实施超快速冷却。在超快速冷却系统后面，是常规的加速冷却装置。它可以单独使用，进行加速冷却，也可以与超快冷进行接力式冷却，实现高轧制速度下高冷却速度的直接淬火。针对棒材的ADCOS—BM(棒材轧机)工艺可以不改造主要设备，不降低作业率，不低温轧制，不余热淬火，由于强化了冷却效果，可以提高冷床的冷却效率，从而提高产量。利用该技术，可以在少用或者不用合金元素的情况下，利用335MPa级的20MnSi生产HRB400、HRB500螺纹钢筋，大幅度提高产品质量、降低生产生本。针对H型钢的ADCOS-HBM(H型钢轧机)工艺可以对翼缘和腹板进行均匀化快速冷却，通过产学研密切合作，这种具有自主知识产权的H型钢超快冷系统已经取得突破，并于去年底投入使用，为我国H型钢的升级换代作出了贡献。在线加热装置的发展在线感应加热装置：对中厚板进行热处理是生产高强度、厚规格产品的重要手段，因此各中厚板厂均配备相应的热处理设备，实现常化、调质、回火等热处理工艺。200年，JFE西日本制铁所福山厂安装了一套中厚板在线热处理设备，可以处理的钢板宽度达到4．5米。该系统被称为HOP(在线处理)，是目前世界上唯一的一套中厚板在线热处理装置。HOP安装于矫直机之后，为了提高加热效率，简化装置，采用巨大的感应线圈，可以对钢板进行高速率的加热；其采用几台高频电源并联式同步传动，钢板内部的感应发热量由通过线圈的电流精密控制，感应发热量可以方便地换算成热流量。经过Super—OLAC淬火的钢板通过HOP时，利用高效的感应加热装置进行快速回火，可以对碳化物的分布和尺寸进行控制，使其非常均匀、细小地分散于基体之上，从而实现调质钢的高强度和高韧性。基于碳化物的微细、分散、均匀控制，通过最优组织设计，可以大幅度提高材料的性能，生产的抗拉强度600MPa~1100MPa赧调质钢具有良好的低温韧性和焊接性能。热处理炉：在直接淬火装置后面采用热处理炉也是一种常见的热处理方式。例如ABSLuna棒线材厂在水冷一淬火线(DQS)后装设一台退火炉(ONA)。ONA炉是一座可以实现退火或回火的步进梁式加热炉，燃料为天然气。新型换热式燃烧器节省了燃料的消耗，气体循环系统保证了炉内温度的均匀性。ONA炉有先进的程序控制系统QCS(质量控制系统)和热电偶系统控制QCS系统。通过程序，热电偶系统控制钢材的温度，并保证ONA炉内的温度均匀一致。控制系统QCS还具有统计处理控制功能。钢材进入ONA炉的温度范围为100℃～750℃。加强柔性化在线热处理技术装备的开发和应用ADCOS-PM在线热处理工艺的应用：在采用ADCOS-PM作为中厚板轧后冷却系统时，由于超快冷设备的采用，为轧后冷却控制提供了多种选择方案。在轧制阶段，依据钢种的设计要求在高温轧制和低温轧制之间进行优化选择。终轧之后，可以采用超快冷或者ACC(层流冷却)，实现从低冷速到高冷速的各种不同的冷却速度。如果采用超快冷，可以对终冷温度进行控制；如果终冷温度处于铁素体相变温度因司，可以称为UFC(超快速冷却)-F；如果终冷温度处于贝氏体相变温度区间，可以称为UFC-B；如果终冷温度处于马氏体相变温度以下，可以称为UFC-M，或称为DQ。对于UFC-F、UFC-B和DQ，后续还可以采用不同的热处理方式，例如不同速率的冷却、不同速率的加热、不同的加热温度因司等。通过这些冷却、加热过程，可以获得多种多样的组织，因而得到多种多样的材料性能。因此，采用ADCOS—PM与各种不同的后续冷却、加热过程配合，会使轧后的热处理过程变得丰富多彩，具有极大的创新空间。中厚板Super—OLAC+HOP的应用：调质工艺是生产优质板的重要手段。目前生产调质钢板主要有3种工艺，即传统的离线淬火+离线回火工艺，在线淬火+离线回火工艺，在线淬火+在线回火工艺。目前第三种工艺世界上仅JFE有一套，将Super—OLAC与HOP组合起来，在轧制线上完成调质过程，可以灵活地改变轧制线上冷却、加热的模式，因此与传统的离线热处理相比，过去不可能进行的在线淬火一回火热处理，可以依照需要自由地设计和实现，组织控制的自由度大幅度增加。应用该技术，JFE已经完成了多批耐酸气X65、X70管线钢的供货任务。在传统的控制轧制和控制冷却基础上，轧后在线热处理近年来得到迅速发展，成为TMCP(控轧控冷)技术研究的新热点和前沿。在传统的轧后冷却方式(加速冷却和直接淬火)基础上，已经开发出超快速冷却和再加热装置等新型在线热处理设备，并实现实际应用。该技术装备涵盖从加速冷却的低冷速到直接淬火高冷速的全部冷速范围，各种控制方式的开始点和终止点可以依据需要控制，冷却路径可以按照工艺要求进行灵活的控制和调整。因此，材料的相变可以处于工艺过程的精细掌控之中，这就为钢铁材料的减量化生产和性能增强提供了极为广阔的空间。因此，加强轧后柔性化在线热处理工艺、装备、技术、产品的开发和应用已经成为轧制技术研发的重要趋势，我们需要予以极大的重视。