以超快速冷却为核心的新一代技术

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1、以超快速冷却为核心的新一代技术 The New Generation TMCP with rhe Key Technology of Uletra Fast Cooling 王国栋 摘要 针对传统 TMCP 技术采用“低温大压下”和“微合金化”的问题，利用 连续轧制的大变形和应变积累，提出以超快速冷却技术为核心的新一代控制轧制 和控制冷却技术的大变形和应变积累，提出以超快速冷却技术为核心的新一代控 制轧制和控制冷却技术（NG-TMCP）,描述了它的技术特征和材料特点，指出这 是一项节省资源和能源，有利于材料循环利用，促进社会可持续发展的新技术。 1 TMCP技术及其特征控制轧制和控制冷却技术，

2、即TMCP，是20世纪钢铁业最伟大的成就之一。 正是因为有了 TMCP 技术，钢铁业才能源源不断地向社会提供越来越优良的钢 铁材料，支撑着人类社会的发展和进步。控制轧制和控制冷却技术的目标是实现晶粒细化和细晶强化。在控制轧制和 控制冷却技术的发展历程中，人们首先认识到的是控制轧制，其核心思想是对奥 氏体硬化状态的控制，即通过变形的奥氏体中积累大量的能量，力图在轧制过程 中获得处于硬化状态的奥氏体，为后续的相变过程中实现晶粒细化做准备。控制 轧制的基本手段是“低温大压下”和添加微合金元素。所谓“低温”是在接近相 变点的温度进行变形，由于变形温度低，可以抑制奥氏体的再结晶，保持其硬化 状态，“大压

3、下”是指施加超出常规的大压下量，这样可以增加奥氏体内部储存 的变形能，提高硬化奥氏体程度。增加微合金元素，例如Nb,是为了提高奥氏 体的再结晶温度，使奥氏体在比较高的温度即处于未再结晶区，因而可以增大奥 氏体在未结晶区的变形量，实现奥氏体的硬化。图 1为了突破控制轧制的限制，同时也是为了进一步强化钢材的性能，在控制轧 制的基础上，又开发了控制冷却技术，控制冷却的核心思想，是对处于硬化状态 奥氏体相变过程进行控制，以进一步细化铁素体晶粒，甚至通过相变强化得到贝 氏体等强化相，进一步改善材料的性能。控制冷却的理念可以归纳为“水是最廉 价的合金元素”这样一句话。目前控制冷却上存在的主要问题是高冷却速

4、率下材 料冷却不均而发生较大残余应力，甚至翘曲的问题，例如，作为控制冷却的极限 结果，直接淬火的作用早已为人们所认识。但是，其潜在能力一直未得到发挥， 原因在于直接淬火条件下冷却均匀性的问题一直没有得到解决，板型控制一直困 扰人们。为了提高再结晶温度，利于保持奥氏体的硬化状态，同时也为了对硬化状态 下奥氏体的相变过程进行控制，控制轧制和控制冷却始终与微合金化紧密联系在 一起。由于铌等微合金元素的加入，显著提高了钢材的再结晶温度，使材料很大 一部分热加工区间位于未再结晶区，这大大强化了奥氏体的硬化状态。应当注意 的是，微合金元素的加入，甚至合金元素的加入，会大幅度提高材料的碳当量。 显然，这会恶

5、化材料的焊接性能。当然，加入的微合金元素，除了有利于奥氏体 硬化外，还经常会以碳氮化物的形式析出，对材料实行沉淀强化，从而对材料强 度的提高做出贡献。至于合金元素的添加，对于奥氏体相区的控制、淬透性控制、 相变组织控制会有至关重要的影响，在具体材料设计中根据需要予以考虑。采用“低温大压下”，与我们长久以来形成的“趁热打铁”的传统观念背道 而驰，它必然受到设备能力等条件的限制，操作方面的问题也自然不容回避。为 了实现“低温大压下”，人们需要付出代价。长期以来，人们为大幅提升轧制设 备能力，投入了大笔资金、人力和资源，与“低温大压下”的思想不无关系。 2 新一代 TMCP 技术社会的告诉发展，使人

6、类面临越来越严重的资源、能源短缺问题，承受着越 来越大的环境压力。人类必须解决这些问题，才能与自然和谐发展，保持人类社 会的长治久安和子孙后代的幸福安康。针对这样的问题，在制造业领域，提出了 4R原则，即减量化、再循环、再 利用、再制造。具体到 TMCP 技术本身，我们必须坚持减量化的原则，即采用 节约型的成分设计和减量化的生产方法，获得高附加值、可循环的钢铁产品。这 种 TMCP 技术就是以超快冷技术为核心的新一代 TMCP 技术，即 NG-TMCP 。NG-TMCP的中心思想是：在奥氏体区间，趁热打铁，在适于变形的温度 区间完成连续大变形和应变积累，得到硬化奥氏体；轧后立即进行超快冷，使

7、轧件迅速通过奥氏体相区，保持轧件奥氏体硬化状态；在奥氏体向铁素体相变 的动态相变点终止冷却；后续依照材料组织和性能的需要进行冷却路径的控制 （图 3）。图2NG-TMCP与传统TMCP生产工艺的比较采用NG-TMCP技术，也可以得到硬化的奥氏体。现代的热轧带钢过程采用高速连续大变形的连续轧制过程：现代棒线材轧机，横列式布置也已经逐步被淘汰，高速连轧机已经取而代之。因此，即使在较高的温度下，也可以通过连续大变形和应变积累，硬化奥氏体的获得不仅不需要低温大压下，甚至也不一定必须添加合金和微合金元素。图3所示为Q235钢热连轧过程中发生的再结晶的模拟计算结果，可见在热连轧的后部道次再结晶软化受到了极

8、大的抑制。衾Blmi图3 热连轧过程中的软化现象在这种情况下，我们希望尽量采用适于轧件变形的常规的轧制温度。此时， 终轧温度较高，如果不加控制，材料会由于再结晶而迅速软化，失去硬化状态。 因此，在终轧温度和相变开始温度之间的冷却过程中，应努力设法将奥氏体的硬 化状态保持到动态相变点，避免硬化奥氏体的软化。今年出现的超快速冷却技术， 可以对钢材实现每秒几百度的超快速冷却，因此可以使材料在极短的时间内，迅 速通过奥氏体相区，将硬化奥氏体“冻结”到动态相变点。这就是为保持奥氏体 的硬化状态和进一步进行相变控制提供了重要基础条件。在国外，比利时的CRM率先开发了超快速额了那个却(UFC)系统，可以对

9、4mm的热轧带钢实现400C/s的超快速冷却。日本的JFE-福山厂开发的Super OLACH系统，可以对3mm的热轧带钢实现700C/s的超快速冷却。国内RAL 开发的热带超快速冷却装置已经安装于宝钢CSP生产线，生产出550、600MPa 级的双相钢，供应汽车厂生产车轮。 RAL 开发的棒材超快速冷却系统应用于萍 乡、三明等钢厂，通过超高速冷却得到性能优良的棒材。对板带材而言，确保高速冷却条件下的平直度，是一个关键性、瓶颈性的问 题。 RAL 已经针对热带和中厚板生产过程开发出高效率、高均匀性的新式冷却 系统。其核心点是利用具有自主知识产权的倾斜布置的喷嘴，喷射具有一定压力 的冷却水，对钢

10、板全宽实行均与的“吹扫式”冷却，达到全板面的均匀核沸腾， 不仅可以大大提高冷却效率，实现高效率的超快速冷却，而且可以突破高速冷却 时冷却均匀性这一瓶颈问题，实现板带材全宽、全长上的均匀的超快速冷却，因 为可以得到平直度极佳的无残余应力的板带材产品。需要解决的另一个问题是精确控制超快速冷却的终止点，即在到达动态相变 点时及时终止超快速冷却。通过控制冷却装置的细分，可以保证终止温度的精确 控制。应当注意的是，与再结晶奥氏体相比，硬化奥氏体要求更高的淬火冷却速 度，即淬透性差，不易淬火，所以对冷却终止点的控制精度要求可以放松。最后，还有完成超快速冷却后的后续相变过程的控制。这方面，现代的控制 冷却技

11、术已经可以 提 供良好 的 控制手 段 ，实现冷 却路径 的精确控制 ，对 NG-TMCP 而言相变强化仍然是可以利用的重要强化手段。同样，也可以根据需 要，适量加入微合金元素，实现析出强化。因此，NG-TMCP将充分调动各种强 化手段，提高材料的强度，改善综合性能，最大限度地挖掘材料的潜力。有了这一系列以超快速冷却为核心的高速连轧技术和控制冷却技术，完全可 以实现奥氏体硬化状态的控制和硬化状态下奥氏体相变过程的控制，所以可以达 到 TMCP 控制的目标。由于 NG-TMCP 避免了“低温大压下”，贯彻实现“趁热打铁”的思想，所 以对于减轻生产设备负荷、确保轧制过程稳定、改善加工过程的可操作性

12、、提高 材料的可加工性、降低轧制能耗等具有十分重要的意义。由于可以少加或者不加 微合金元素和合金元素，所以可以节省大量的资源和能源，实现减量化的轧制， 降低钢材生产成本，这对于钢材工业的可持续发展和协调发展具有重要的作用。3 NG-TMCP技术的特征3.1低成本、减量化的成分设计采用常规的 TMCP 工艺时，为了提高钢的强度，除了适当提高碳和锰的含 量外，要增加一定量的微合金元素和合金元素，这必然要提高钢材的成本，消耗 更多的资源。但是，由于NG-TMCP技术充分利用高速连续轧制实现奥氏体的硬 化，所以可以大大降低对微合金和合金元素的依赖，在材料设计上实现低成本、 减量化。这对于节省资源和能源

13、，以及钢材材料的再循环利用，实现社会的可持 续发展，具有重要意义。3.2 高速连轧的温度制度“趁热打铁”NG-TMCP 采用适宜的正常轧制温度进行连续大变形，在轧制温度制度上不 再坚持“低温大压下”的原则。所以，与“低温大压下”过程相比，轧制负荷（包 括轧制力和电机电流）可以大幅度降低，设备条件的限制可以大为放松。轧机等 轧制设备的建设不必追求高强化，所以建设投资可以大幅度降低。适宜的轧制温 度，大大提高轧制可操作性，避免轧制工艺事故，例如卡钢、堆钢等，同时也延 长了轧辊、导卫等轧制工具的寿命。这对于提高产量、降低成本是十分有利的。对于一些原来需要在粗轧和精轧之间实施待温的材料，有可能通过超快

14、速冷 却的实施而不再需要待温，这对于提高生产效率具有重要的意义。3.3 精细控制的、均匀化的超快速冷却迅速穿过奥氏体区轧后钢材由终轧温度急速冷却，经过一系列精细控制的、均匀化的超快速冷 却，迅速穿过奥氏体区，达到快速冷却条件下的动态相变点。在轧件温度达到动 态相变点后，立即停止超快速冷却。所以，这种超快速冷却不同于淬火，准确的 超快冷却停止温度是十分重要的。采用高冷却速率时，会由于钢板冷却不均会造 成钢板的翘曲，这是长期以来未很好解决的问题。所以超快速冷却技术至少应当 具有下面 3 个特点（1）具有超快速冷却能力，即其冷却速度可以达到水冷的极 限速度;（2）板面内温度分布均匀；（3）可以实现高

15、精度的冷却终止温度控制。由 RAL开发得新的超快速冷却技术可以全面满足这3条要求。3.4 超快速冷却后的冷却路径控制实施超快速冷却后的钢材在动态相变点终止冷却，随后可以依据所需要的组 织和性能要求，进行相应的冷却路径控制，从而得到多样化的相变组织和多样化 的材料性能。这对于利用简单的成分设计获得不同性能的材料，实现柔性化的轧 制生产，提高炼钢和连铸的生产效率，具有重要的意义。3.5 产品组织、性能特点和应用由于NGTMCP技术仍然坚持传统TMCP的两条原则，即奥氏体硬化的控 制和硬化奥氏体相变过程的控制，所以NGTMCP可以实现材料晶粒细化，发 挥细晶强化的作用。同时在超快速冷却后材料的相变过

16、程可以依据需要进行冷却 路径控制，所以相变组织可以得到控制，从而实现相变强化。所以材料的强度、 塑性、韧性、卷边成形性等综合性能可以大为改善。 （如兼有高强度、高延伸、 良好的卷边性能、低屈强比等）。如果存在碳氮化物析出的问题，由于采用超快速冷却，迅速通过奥氏体区， 碳氮化物会多处、大量形核，同时限制析出物的长大，所以析出的碳氮化物细小、 均匀。这有利于提高材料的强度水平，改进材料的综合性能，开发优良的高强钢。由于采用特殊设计的冷却装置，可以避开过渡沸腾区，实现全板面的均匀、 快速核沸腾冷却，故超快速冷却过程中材料温度均匀，因而最终组织性能均匀， 大大减少了材料中的残余应力。由于材料设计尽量不

17、使用或者少使用微合金元素 和合金元素，材料的碳当量低，裂纹敏感性也低。所以，材料具有良好的焊接性 能，传统材料设计带来的焊接问题可以得到满意的解决。对某些需要预热的钢材 而言，焊接过程中可能不需要预热或者降低预热温度，这有利于节约预热用的能 源。4 新一代 TMCP 的实践和工业应用举例4.1 棒线材控轧控冷新工艺从2002年开始，RAL与鞍钢合作，进行线材控制轧制的研究。由于线材轧 制速度高，材料强烈变形引起剧烈温升，终轧温度高达900-1000C。如何利用线 材轧制中的连续大变形，与轧后冷却配合，实现晶粒细化和强化，是非常迫切的 问题。在此项研究中， RAL 提出了新的工艺路线：连续大变形

18、+轧后超快速冷却+ 吐丝后水雾冷却的工艺路线（图 1）。这一路线充分利用了线材轧机连续大变形 的特点，通过轧后的快速冷却过程抑制线材的再结晶，最后通过相变过程的控制 实现线材的细晶化。2003年，这一研究实现了工业化，200MPa级的Q235可以用 于生产HRB400的线材，实现了线材控轧控冷的突破，图2所示为不同方式生产 线材显微组织的比较。JIf-Ijt:-.：MJLglMrti. t均韜帖m 11 u m,疋卅齿 拧勺 _J r-. ?M牛严*6 6mm, TH）昨JCf 4pm.j.SiOMPa-.-:ff-t/MeOMPa国 fU打女统工艺打迢貂I性产工更阳和的禺锻机织2003年开始

19、，基于线材控制轧制的研究成果，RAL与萍乡钢厂、三明钢厂 等单位合作进行棒材控制轧制控制冷却的研究，开发了冷却速度可以达到 1000C/s （直径20mm棒材）的超快速冷却装置，利用普通的20MnSi，通过连续 高温大变形+超快速冷却+适宜温度终冷的新的技术路线，生产出性能合格的直径 36mm以下的高性能III级螺纹钢棒材。不同冷却工艺的冷却曲线见图31200/B400M10*10时优国3线村挖制轧制的找术跚缕的比投均快冷却自拾冷肚4.2 轴承钢的轧后超快速冷却及对碳化物的影响通常采用低温控轧空冷工艺控制连轧轴承钢网状碳化物析出。尽管控制较 低的终轧温度利于降低网状碳化物级别。但是由于表面急冷

20、，温度控制精度极低； 在精轧前先析出的碳化物轧制中受到有较大变形渗透的塑性加工，从而对网状碳化物进行“破碎”细化，这种破碎所造成晶粒度并不均匀。低温控制控制难度很 大，产品质量也不稳定。次碳化物厚度的作用。图 5 安装于宝钢特殊钢公司的轴承钢超快速冷却装置GCr15 轴承钢在轧后奥氏体状态下的冷却过程中，二次碳化物在奥氏体晶界 呈网状析出。GCrl5网状碳化物析出的温度范围一般在700C900C，大量析 出碳化物温度为700C850C。轧后实行超快冷却，可以使材料迅速通过网状碳化物析出温度区间，尽量减 少在此区间的停留时间，因而可以抑制碳化物的析出，得到分散细小的碳化物， 达到破除网状碳化物的

21、目的。轧后快速冷却，过冷度增大，有减小珠光体球团直径和细化珠光体片层间距作用。快速冷却降低组元的扩散系数，也会达到减小二GCrl5 在轧后快速冷却时 应严格注意防止表面过冷，形成 “淬火”层，出现马氏体组织。 但是快速冷却穿水后的“返红” 的温度不应超过700 C，以防止 在长时间在高温区停留过，使得 碳化物严重析出，从而失去快速 冷却的效果。基于上述思想，提出了轴承钢的新的控制轧制控制冷却思想，在棒材精轧 机的出口设置超快冷装置，使轧后棒材迅速通过奥氏体+渗碳体的两相区，抑制 碳化物在两相区的析出，在材料的动态共析点温度停止冷却，使碳化物微细、弥 散析出。上海宝钢特殊钢公司已经于 RAL 合

22、作，在三条轴承钢连轧生产线上安 装了超快速冷却装置，使碳化物的分布均匀、细化（图 4），大幅度提高了轴承钢 的产品质量。图 5 所示为宝钢特殊钢公司安装的轴承钢超快速冷却系统。轴承钢的应用实践，表明超快速冷却可以在合金钢的生产中发挥重要作 用。目前 RAL 正在研究超快速冷却在不锈钢、硅钢、钛合金的生产中应用的可 能性。4.3利用超快速冷却技术进行热轧带钢组织复相化控制与 Al 等有色金属比较，钢的复杂的相变机制为钢材组织控制、性能提高提 供了巨大的空间。如果我们在与Al等金属材料的竞争中，能够发挥钢铁材料的 这一特点，充分利用相变过程进行材料性能的控制和高级性能的挖掘，必然可以 开发出优良性

23、能的新钢铁材料，解决目前钢铁材料面临的问题。材料细晶化面临的一个严重问题是屈强比过高，即材料失去了加工硬化的能 力，因而大大限制了它的应用。降低屈强比，即提高材料的抗拉强度，一个最有 效的方法是通过相变强化实现材料的复相化。为了研究超快速冷却条件下，带钢 组织复相化控制的可能性和效果，在RAL进行了相应的实验研究。表1为实验用钢的化学成分。坯料尺寸为80mm（厚）X70mm（宽）X 140mm （长）。&，生坯川训化学戎彷欣h一分纵.%）CSiSPAk0.14t.470.2B00甩 aato004aoi2实验采用 RAL450 双辊可逆式热轧实验轧机，控制冷却装置如图 6 所示，包括：前部UF

24、C、中部ACC、后部UFC三个部分。UFC部分最大可实现超过600C/s的冷却速度；ACC部分最大可实现超过70C/s的冷却速度。实验工艺如图7,采用电阻式加热炉，将实验坯料加热至1200C,保温1.5小时;约 1100C开轧，采用相同的压下规程：80-65-52-40-32-26-20-15-10-6-4mm；使用前部UFC、中部ACC和后部UFC组合控制冷却。图2中，T为终轧温度；T01为实施前部UFC后的温度；T为实施后部UFC之前的温度；T为实施后部UFC后 m2的温度。实验分为两组，图2(a)工艺I中的控制冷却总时间为5.3s，图2(b)工艺II中的控制冷却总时间为8.8s。在实验过

25、程中，通过调节UFC和ACC实验装置，得到不同的 T 温度。m3)III艺IUFC1 口IMUUHn Z1* V |.曲乙 nadc7_ J 000000 00利用上述实验，采用普通碳锰钢，研制出F+M、B+M、全B、M+F、全M等不I嚥肚闻b-ZUK：LI人8rn00QQ000Q 同组织和性能的复相材料。材料的屈服强度可以在463-933MPa的范围内变化,抗拉强度可以在570-1136MPa的范围变化，总延伸可以在7-22%的范围内变化,屈强比可以在 0.571-0.927 的范围内变化(图 8)。这一令人鼓舞的结果预示出利用超快速冷却技术，进行TMCP和冷却路径控制，有十分广阔的应用前景

26、。在实验室研究的基础上，与宝钢合作，在宝钢 CSP 生产线上增设超快速冷却装置，利用普通碳锰钢轧制出厚度4-llmm的590MPa级C-Mn低成本热轧双相钢。主要力学性能优良，抗拉强度590-620MPa。屈强比0.620.67,延伸率2636%, n值0.21。经过车轮厂的试用，车轮性能达到国外轻量化车轮性能的要求,将在降低车轮重量、节省钢材、提高企业效益方面发挥重要的作用。4.4新一代TMCP应用于热轧带钢轧机工程的实施情况0.900.850.80757065605 O5 5- o O0.45 t0 40 1|j.I.II.I.I400500 600700800900 1000 1100

27、1200 1300Tensile Strength MPa针对热轧带钢轧机层流冷却存在的问题，RAL向企业提出对热轧带钢轧机层 流冷却系统进行彻底改造，以适应新一代TMCP技术发展的需要。目前已经开始 在攀枝花钢铁公司 1450 热连轧机的精轧出口增设倾斜式喷射的超快速冷却装 置，该装置的特点是可以兼有超快速冷却和高的冷却均匀性。目前正在进行设计， 预计年底之前完成设备安装与调试。在涟钢新上2250 热连轧机上，整个控制冷 却系统上贯彻以超快速冷却为核心的新一代 TMCP 的思想，正在设计阶段，建成 后可能成为新一代 TMCP 热连轧开发新型热轧带钢的基地。其它还有几个热连轧 厂正在筹划增设精

28、轧出口超快冷装置。4.5新一代TMCP应用于中厚板轧机工程的实施情况中厚板轧机与连续式轧机不同，是可逆轧制，但是也有可能利用超快速冷 却实现新一代TMCP的功能，提高中厚板产品的质量。目前与河北石家庄敬业钢 铁公司（民营企业）合作，在其3500 中厚板轧机上预设倾斜式布置的超快速冷 却喷射式冷却系统+ACC的新式冷却系统，年底之前完成设备安装和调试。河北 普阳钢铁公司也正在其新建 3500中厚板轧机上采用“预矫直+超快冷”的新式冷 却系统，为实施新一代 TMCP 作设备条件的准备，目标是建设全世界最好的中厚 板轧机。5 结论新一代 TMCP 技术的要点是：在现代的连轧过程提供加工硬化奥氏体的基础 上，以超快速冷却为核心，对轧后硬化奥氏体进行超快速冷却，并在动态相变点 终止冷却，随后进行冷却路径控制。利用这项技术可以获得具有优良性能、节省 资源、利用循环利用的钢铁材料。