傳統(tǒng)層流冷卻技術(shù)的開、實(shí)發(fā)踐及再認(rèn)識(shí)— —中 厚 板 新一T代MC（P控軋 控 冷）裝 備 及 工 藝技 術(shù)

袁 國

根據(jù)新一代TMCP（控軋控冷）工藝技術(shù)理念，充分利用細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等綜合強(qiáng)化手段，進(jìn)一步挖掘鋼鐵材料潛能，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解“水是最廉價(jià)的合金元素”，采用節(jié)約型的成分設(shè)計(jì)和減量化的生產(chǎn)方法，較低成本實(shí)現(xiàn)高性能鋼鐵材料的開發(fā)與大批量生產(chǎn)，獲得高附加值、可循環(huán)的鋼鐵產(chǎn)品，不僅是新一代TMCP工藝的技術(shù)目標(biāo)，同時(shí)也是當(dāng)前我國鋼鐵行業(yè)眾多中厚板企業(yè)的強(qiáng)烈訴求。

實(shí)施新一代TMCP工藝技術(shù)的關(guān)鍵是要開發(fā)出中厚板超快速冷卻裝備及相應(yīng)的工藝技術(shù)，從而為熱軋中厚板生產(chǎn)過程實(shí)施新一代TMCP工藝提供裝備支撐。傳統(tǒng)中厚板控制冷卻裝備自1980年日本NKK開發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用至今已歷經(jīng)三十余年，尤其是近十年來，國內(nèi)中厚板軋線控制冷卻技術(shù)得到普遍應(yīng)用，企業(yè)工藝技術(shù)人員對控制冷卻技術(shù)所涵蓋的設(shè)備和工藝的認(rèn)識(shí)及理解也得到進(jìn)一步的深化提高。實(shí)際上，在中厚板企業(yè)冶煉和軋制裝備及技術(shù)水平的日益提高、生產(chǎn)工藝組織及管理水平近趨成熟的前提下，決定中厚鋼板組織和性能等級(jí)以及平直度質(zhì)量的軋后控制冷卻技術(shù)及工藝，已成為國內(nèi)外中厚板生產(chǎn)廠家提高產(chǎn)品檔次和競爭力的關(guān)鍵核心技術(shù)。

1．中厚板軋后冷卻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

中厚鋼板軋后冷卻技術(shù)的研究起源于1970年代中期管線原板的開發(fā)與生產(chǎn)需要。NKK（現(xiàn)已與川崎鋼鐵合并為JFE）通過開展控制冷卻設(shè)備的開發(fā)，歷經(jīng)中試于1980年開發(fā)出首套中厚板在線控冷設(shè)備－OLAC（On-line Accelerated Cooling）系統(tǒng)，并在其福山制鐵所的厚板生產(chǎn)線上投入大規(guī)模實(shí)際使用。我國約從2000年開始，在國內(nèi)相關(guān)科研單位如東北大學(xué)、北科大等努力下，依托相關(guān)鋼鐵企業(yè)中厚板軋線建設(shè)及技術(shù)改造，自主研發(fā)出具有當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)水平的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列控冷設(shè)備。此后，國內(nèi)中厚板企業(yè)或采用國產(chǎn)或通過軋線設(shè)備成套引進(jìn)，中厚板軋線相繼都配備了冷卻機(jī)理一致、但設(shè)備形式及功能有所差異的層流冷卻設(shè)備，并在此設(shè)備基礎(chǔ)上，開發(fā)出相關(guān)控制冷卻工藝技術(shù)，在各類中厚板品種及工藝開發(fā)過程中發(fā)揮了巨大作用。

縱觀中厚板軋后冷卻技術(shù)近三十余年的發(fā)展歷程，截至目前，大體可分為兩個(gè)階段，第一階段是1980年代開發(fā)并發(fā)展成熟的以層流冷卻為代表的傳統(tǒng)層流冷卻技術(shù)；第二階段是1998年后以日本JFE鋼鐵公司開發(fā)的Super-OLAC為代表的新一代軋后冷卻技術(shù)。見圖1所示。

對于1980年代開發(fā)并推廣應(yīng)用的傳統(tǒng)層流冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方式有帶壓力噴射冷卻、層流冷卻、噴淋冷卻、板湍流冷卻、水幕冷卻、水-氣噴霧冷卻等多種冷卻方式。國外典型的控制冷卻設(shè)備如表1所示。

但根據(jù)目前國內(nèi)在軋后冷卻技術(shù)領(lǐng)域的多年研發(fā)及應(yīng)用實(shí)踐過程來看，上述系列控制冷卻設(shè)備所實(shí)現(xiàn)的應(yīng)該僅僅是一定冷卻強(qiáng)度的冷卻過程，其所表述具備的直接淬火功能，通過其現(xiàn)在的技術(shù)改造趨勢或現(xiàn)階段我們對它的回顧理解認(rèn)識(shí)來看，應(yīng)該說效果有限，或者理解為其高強(qiáng)度冷卻功能效果不盡滿意，原因具體應(yīng)該體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面在于冷卻能力上，可能不足以滿足實(shí)現(xiàn)在線淬火的工藝?yán)渌僖?，另一方面可能在于冷卻后的鋼板板形難以控制。對于這一問題的理解還可以從1998年JFE依托其Super-OLAC開發(fā)成功后的在線熱處理（HOP）工藝應(yīng)用及品種開發(fā)情況作為佐證。因此，在中厚板軋后冷卻技術(shù)領(lǐng)域，此前發(fā)展重點(diǎn)是中厚板控制冷卻技術(shù)的研究和應(yīng)用。

圖1 中厚板軋后冷卻技術(shù)發(fā)展及技術(shù)演進(jìn)概況

表1 部分典型的板材控制冷卻設(shè)備

同比我國由于鋼鐵軋制技術(shù)發(fā)展起步較晚，冷卻技術(shù)實(shí)際上長期處于跟蹤發(fā)展階段。與日本第一階段控制冷卻技術(shù)可類比的傳統(tǒng)主流層流冷卻設(shè)備，在國內(nèi)從設(shè)備型式及冷卻機(jī)理上，可主要?dú)w納為兩類，一類是直集管型層流冷卻設(shè)備，一類是U型管層流冷卻設(shè)備，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)不同研制單位通過采用加密或稀疏配置集管數(shù)量、改進(jìn)集管出水口管徑大小、以及采用不同類型的均流裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)集管寬向流量分布等技術(shù)方案或手段進(jìn)行一定程度的改良和完善，如適當(dāng)提高冷卻強(qiáng)度或改善冷卻均勻性，但都不能脫離開其實(shí)質(zhì)上的層流冷卻的冷卻機(jī)理核心內(nèi)容。在這一階段，以國內(nèi)寶鋼5000mm、首秦4300mm寬厚板軋線引進(jìn)的國外冶金設(shè)備公司SMS的層流冷卻設(shè)備為標(biāo)志，國內(nèi)層流冷卻設(shè)備水平達(dá)到最高水平，該設(shè)備從冷卻設(shè)備集管設(shè)置、邊部遮蔽功能、集管流量控制以及輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性甚至設(shè)備美觀度上達(dá)到極致。而與此同時(shí)，國內(nèi)圍繞層流冷卻設(shè)備開展的系列完善與改良工作基本結(jié)束，以高密管層流型式為核心的層冷設(shè)備型式確立。

第二階段，即以日本JFE鋼鐵公司開發(fā)的以超快速冷卻技術(shù)為核心的新一代軋后冷卻系統(tǒng)Super-OLAC為代表?；趯LAC等傳統(tǒng)控制冷卻技術(shù)的使用過程中存在的冷卻過程不穩(wěn)定、冷卻進(jìn)程溫度偏差較大，從而造成中厚板性能不穩(wěn)定、鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力較大以及板形惡化等問題，JFE公司在原有OLAC技術(shù)的基礎(chǔ)上通過大量的研究開發(fā)了具有全新概念的新型快速冷卻技術(shù)—Super-OLAC，如圖3所示。Super-OLAC系統(tǒng)全面突破現(xiàn)有層冷設(shè)備冷卻機(jī)理和設(shè)備模式，在冷卻機(jī)理上，主要以射流沖擊換熱和核態(tài)沸騰換熱為主要熱交換方式，冷卻強(qiáng)度可達(dá)到傳統(tǒng)層流冷卻的2-5倍以上，可以以近似理論極限冷卻速度對鋼板實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度冷卻。在設(shè)備模式上，摒棄原有層流冷卻設(shè)備的集管模式，采用可升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備型式更為龐大；冷卻系統(tǒng)以有壓水、噴嘴可升降、近距離噴射鋼板冷卻為特點(diǎn)。在冷卻效果上，可實(shí)現(xiàn)中（寬）厚板全面均勻的高強(qiáng)度冷卻，解決了現(xiàn)有層流冷卻設(shè)備存在的冷卻速度不高、冷卻均勻性不好等問題。

JFE公司通過采用Super－OLAC系統(tǒng)成功開發(fā)出系列低成本高性能的中厚板產(chǎn)品，包括高強(qiáng)度厚規(guī)格船板，低屈強(qiáng)比、高韌性和良好焊接性能的建筑用鋼板（抗拉強(qiáng)度490MPa-590MPa），強(qiáng)度和韌性最佳匹配的超低碳貝氏體橋梁用中厚板（BHS500（W）和700W），低碳當(dāng)量的高強(qiáng)度工程機(jī)械用中厚板（JFEHITEN780LE）、壓力容器鋼板、X100管線鋼等，成為引領(lǐng)日本厚板軋制技術(shù)新潮流的關(guān)鍵技術(shù)。

2. 傳統(tǒng)層流冷卻技術(shù)的問題及再認(rèn)識(shí)

從1980年代開發(fā)并推廣應(yīng)用的傳統(tǒng)層流冷卻技術(shù)，是中厚板軋后冷卻技術(shù)發(fā)展過程中具有重要意義和影響的冷卻技術(shù)方式，與控制軋制組成的TMCP技術(shù)，是20世紀(jì)最偉大的鋼鐵技術(shù)成果之一，在中厚板產(chǎn)品的開發(fā)及生產(chǎn)過程中發(fā)揮了巨大作用，支撐了鋼鐵材料的發(fā)展，對人類文明和社會(huì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，直至目前在國內(nèi)外大多數(shù)鋼鐵企業(yè)仍發(fā)揮著重要的作用。

隨著中厚板產(chǎn)品品種工藝開發(fā)進(jìn)一步深入，低成本、減量化工藝實(shí)現(xiàn)高性能鋼鐵材料的開發(fā)需求進(jìn)一步迫切，目前以層流冷卻機(jī)理為特征的傳統(tǒng)層冷設(shè)備愈發(fā)暴露出其冷卻機(jī)理上的不足，直觀表現(xiàn)在其冷卻能力偏低（即冷卻速率低）、冷卻均勻性差（外在表現(xiàn)為冷卻后鋼板板形較差）兩個(gè)方面。根據(jù)東北大學(xué)在軋后冷卻技術(shù)以及控軋控冷工藝技術(shù)領(lǐng)域多年來的研發(fā)及應(yīng)用實(shí)踐，結(jié)合其應(yīng)用需求，簡要分析如下：

（1）冷卻強(qiáng)度偏低，難以滿足先進(jìn)高強(qiáng)度鋼鐵材料開發(fā)所需的大冷卻速率范圍可調(diào)的需求

層流冷卻強(qiáng)度偏低的原因主要在于其冷卻機(jī)理主要采用換熱強(qiáng)度較低的膜態(tài)沸騰換熱。傳統(tǒng)層流冷卻設(shè)備采用高位水箱與層流冷卻集管配置形勢，冷卻水在高位水箱產(chǎn)生的壓力作用下自然流出，形成連續(xù)水流。冷卻水在自重作用下垂直流落在鋼板表面，在水流下方和幾倍水流寬度的擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)，形成具有層流流動(dòng)特性的單相強(qiáng)制對流區(qū)域（區(qū)域Ⅰ），也稱為射流沖擊區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)由于流體直接沖擊換熱表面，從而大大提高熱/質(zhì)傳遞效率，因此換熱強(qiáng)度很高。隨著冷卻水的徑向流動(dòng)，流體逐漸由層流到湍流過渡，流動(dòng)邊界層和熱邊界層厚度增加，同時(shí)接近平板的冷卻水由于被加熱開始出現(xiàn)沸騰，形成范圍較窄的核狀沸騰和過渡沸騰區(qū)域（區(qū)域Ⅱ）。隨著加熱面上穩(wěn)定蒸汽膜層的形成，帶鋼表面出現(xiàn)薄膜沸騰強(qiáng)制對流區(qū)（區(qū)域Ⅲ），該區(qū)域內(nèi)由于熱量傳遞必須穿過熱阻較大的汽膜導(dǎo)熱，而不是液膜，因此其換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)小于水與鋼板之間的換熱強(qiáng)度。隨著流體沸騰汽化，在膜狀沸騰區(qū)之外，冷卻水在表面聚集形成不連續(xù)的小液態(tài)聚集區(qū)（區(qū)域Ⅳ）。小液態(tài)聚集區(qū)的水最終或者被汽化，或者從鋼板的邊緣處流下。如圖3所示。

實(shí)際冷卻過程中，由于普通層流冷卻設(shè)備縱向集管間距較大，冷卻水落到熱鋼板表面上以后，在實(shí)際冷卻過程中，造成膜狀沸騰換熱區(qū)域（區(qū)域Ⅲ）遠(yuǎn)大于射流沖擊換熱區(qū)域（區(qū)域Ⅰ），由于汽膜阻熱，導(dǎo)致冷卻強(qiáng)度較低。此即為基于層流冷卻機(jī)理的傳統(tǒng)控冷設(shè)備冷卻強(qiáng)度偏低的根本原因。

對于通過加密集管排布提高管層流設(shè)備冷卻強(qiáng)度技術(shù)手段，可以說在一定程度上可以提高鋼板冷卻強(qiáng)度。但實(shí)際過程中，由于管層流冷卻設(shè)備采用無壓冷卻水自然流向鋼板表面，加密集管布置提高鋼板表面水流密度必然造成鋼板上表面殘留積水過多，導(dǎo)致集管流出的冷卻水很難穿透殘留積水的水層厚度，即新水無法與鋼板表面實(shí)現(xiàn)直接接觸，其結(jié)果即為更多的冷卻水也并不能提高冷卻效果，并往往起到反作用，惡化鋼板冷卻過程板形。

（2）冷卻均勻性差，冷卻后鋼板板形控制難度大

傳統(tǒng)層流冷卻均勻性差的原因是由于其冷卻過程中鋼板表面殘留水的無序流動(dòng)，以及由此形成的冷卻水的過渡沸騰換熱造成的。鋼板冷卻后的板形實(shí)際上是鋼板冷卻過程中冷卻均勻性與否的外在表現(xiàn)。

集管冷卻水在自重作用下流落至鋼板表面后，受鋼板運(yùn)動(dòng)慣性作用在較短時(shí)間內(nèi)沿落點(diǎn)徑向及鋼板運(yùn)行方向存在一定的有序流動(dòng)，但隨后即表現(xiàn)在殘留水的無序流動(dòng)。隨著鋼板沿軋線運(yùn)行，更多的集管冷卻水落至鋼板表面，而此時(shí)前段集管流落至鋼板表面冷卻水已受高溫鋼板影響水溫升高。在后段集管新水與前段集管具有一定溫升的殘水交互作用影響下，鋼板表面即會(huì)產(chǎn)生一定程度的冷卻不均。隨著冷卻過程的進(jìn)行，鋼板表面冷卻不均將進(jìn)一步惡化，進(jìn)而影響鋼板內(nèi)部組織性能，表現(xiàn)為鋼板的板形瓢曲等，同時(shí)鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力較大。若鋼板內(nèi)部殘余應(yīng)力太大，鋼板熱矯后矯平的鋼板，運(yùn)至冷床以及后續(xù)工序時(shí)會(huì)存在板形再次瓢曲。為確保交貨質(zhì)量，很多中厚板企業(yè)往往依賴重載冷矯設(shè)備，造成工序壓力及成本提高。

除上述兩個(gè)主要問題外，對于高密管層流直接淬火問題，簡要分析如下：

直接淬火工藝具有良好的經(jīng)濟(jì)性和有利于板材性能提高的優(yōu)點(diǎn)，早已成為國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)開發(fā)高強(qiáng)度中厚板產(chǎn)品廣為關(guān)注的重要技術(shù)領(lǐng)域。但以層流冷卻機(jī)理為核心的中厚板直接淬火設(shè)備，淬火后板材性能均勻性及平直度控制難題，是直接淬火工藝應(yīng)用的重要制約因素。因此，這也是在中厚板軋后冷卻技術(shù)領(lǐng)域，此前重點(diǎn)研究和應(yīng)用的重要原因。實(shí)際上，中厚板在線直接淬火技術(shù)的核心也是高強(qiáng)度均勻化冷卻技術(shù)。結(jié)合上述冷卻機(jī)理分析和多年來開發(fā)及應(yīng)用實(shí)踐看，層流冷卻設(shè)備的冷卻能力和冷卻均勻性并不能滿足中厚板的淬火冷卻工藝要求。實(shí)踐表明，以層流冷卻為機(jī)理的直接淬火設(shè)備，對于薄規(guī)格鋼板，通常不能保證淬火后的板形，鋼板冷卻后易瓢曲，大大增加了后續(xù)矯直工作的難度；對于厚板(厚度≥30 mm)難以達(dá)到板材淬火所需的冷卻速度及淬透層深度，導(dǎo)致板材性能不合格。

因此，隨著技術(shù)進(jìn)步和對中厚板產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，發(fā)展已近三十余年的傳統(tǒng)層流冷卻技術(shù)已不能很好的滿足控軋控冷工藝的需求。低成本高性能的中厚板產(chǎn)品及工藝開發(fā)，需要新一代控制冷卻裝備。