中厚板淬火控冷技术装备新发展

LIU1018

中厚板淬火控冷技术装备新发展

    控轧控冷及淬火是20世纪以来推动冶金行业进步最重大的技术之一，是国家“钢铁产业发展政策”强调发展的关键技术，它是通过在线控制相变组织和细化组织以及与其他强化机理相结合，提高材料的强韧性，减少合金元素含量，提高焊接性能，从而实现减量化制造、节约有限资源，和节能减排的目标。
    中厚板淬火控冷技术装备多种多样，在线控冷主要有高密集管流、奥钢联的多功能间断冷却（MULPIC）和克莱西姆气雾冷却（ADCO）。炉后淬火装备主要有辊式淬火机和高密集管流淬火机。本文主要讨论中厚板淬火控冷技术装备几项新发展。
    1 发展在线超强加速冷却（ACC）控制技术和装备，实现在线直接淬火和回火
    从OLAC—Super OLAC—Super OLAC+HOP，日本JFE公司对中厚板在线控冷技术装备不断改造和发展引起世界同行的注目。OLAC（On-line Accelerated Cooling）是1980年，日本福山钢厂厚板车间在世界上首次将快速冷却技术应用于厚板生产上，由于相变快速、原子的扩散速度降低，奥氏体生成更均匀更微细的铁素体。从而使相变组织均匀细化，增强材料的强韧性。
    Super OLAC（Super On-line Accelerated Cooling）是日本福山钢厂厚板车间于1998年在原OLAC基础上采用新的水流控制技术实现更强控冷的技术。该技术的主要特点是充分发挥水冷作用，冷却速率达到较高的理论极限值；钢板上下表面冷却比较对称均匀；通过细分冷却区，在高冷却速率下能较好提高冷却目标温度的精确性。Super OLAC的工艺思想是在材料轧后以更强的冷却速率通过奥氏体相变区，在到达某一新相区后，按材料期望的组织性能控制冷却路线。HOP是在线感应加热装置，2004年福山厂在原Super OLAC的后续工艺上，进一步开发装设了HOP装置。构成Super OLAC+HOP生产线，与在线直接淬火后离线回火（DQ-T）工艺相比，具有其特点和优点。
    Super OLAC+HOP的特点是回火升温速度快（可比离线热处理高出1～2个数量级）和可对在线加速冷却停止加热、回火前的温度进行控制。由于采用HOP快速升温和在到达回火温度后进行空冷碳化物形态控制技术，使回火钢板的渗碳体分布均匀精细，提高了高强度钢的韧性；由于采用超强冷却并在（Bs，Bf）温度间停止快冷，形成B-A双相组织，在此温度下使用HOP快速加热，使贝氏体（B）中的碳扩散到未相变的奥氏体（A）中，使B变成较软的回火组织，在后面空冷中，未相变的A生成相对等轴细化的岛状马氏体（M-A），从而使材料降低屈强比，提高焊接性和抗震性。
    JFE公司通过上述超强ACC和HOP碳化物形态控制技术，生产出JFE-HITEN 610 U2，JFE-HITEN 780 LE等抗拉强度在600Mpa以上的高强度钢；通过过冷奥氏体形变热处理和HOP碳化物形态控制技术生产出JFE HYD 960 LE、JFE HYD 1100 LE屈服强度达960MPa、1100MPa的超高强度钢，超强冷却技术已开发出更高性能的容器钢、船板钢、管线钢和桥梁建筑用钢。福山厂在年产125万t中厚板中已有50%以上应用Super OLAC生产高附加值的中厚板。
    在线超强控冷和直接回火产生的功效，使日本的Super OLAC，SMS-DEMAG的DQ装置（图1）和Siemens VAI开发的Mulpic强化冷却系统的DQ装备（图2）的发展更引起钢铁行业的重视，一些原来拥有ACC技术装备的中厚板厂也正在着手或准备着手进行技术改造，强化ACC或增加DQ技术装备。
    Super OLAC超强冷却装置特点是在钢板上表面采用斜喷射，下表面采用高密集管流喷射；SMS-DEMAG和DQ装置特点是在钢板上下表面采用高压喷嘴喷射；西门子奥钢联开发的Mulpic DQ装置的特点是在钢板上下表面采用高压多排高密集喷嘴喷射。
    北京科技大学机械学院淬火控冷研究室1997年起与相关单位合作开发的中厚板在线强化加速冷却装置的特点是在ACC装置的头部采用加强型高密集管流结构，并进一步发展流射沸腾冷却强化技术原理，强化核沸腾功能，根据用户对产品的要求，改变设计参数和结构，实现在线强化冷却或直接淬火。舞钢的4200mmACC系统（图3），应用强化加速冷却装置功能实现了板厚60mm的合金钢在线直接淬火，武钢的2800mmACC+DQ，新钢的3800mmACC，临钢的3300mmACC都具有较好的强化冷却能力，结合新产品的开发，这些强化的冷却能力正在发挥它所有可能发挥的作用。
    2 发展在线弱冷技术装备
    模具生产技术是衡量一个国家产品制造水平高低的主要标志之一，目前国产模具国内市场占有率不足80%，我国已成为进口国外模具的世界第一大国。工程塑料已成为与钢铁、水泥并列的基本工程材料，塑料的成型大大推动了塑料模具钢的发展。预硬塑料模具钢是模具钢发展的重点。由于模具钢在线淬火控冷技术具有重大节能效果（10万t模具钢在线淬火可节省能耗约3000万kWh以上），且具有提高材料质量，简化加工工序，加快供货周期和减少环境污染的优点，模具钢在线淬火（特别是厚度大于60mm的扁钢）技术成为模具钢生产技术开发的重点。
    由于塑料模具钢（如P20、718）淬火要求的冷却速率低，强冷很容易造成模具钢淬裂，所以在线弱冷技术装备成为预硬塑料模具钢的首选。
    弱冷装置是采用气雾冷却原理，它的特点是冷却均匀，有较大范围的中弱冷调控能力。其技术关键是气水不同组合的控冷模型和能力以及对钢板淬火过程的全过程交替控制。
    当分散相液滴占连续相的体积分数大于10%～12%时，其换热形式以对流换热形式为主，此时应使用混合对流换热模型，重点研究喷射角度、喷射速度、喷嘴与钢板距离、气水比、钢板温度和水膜厚等参数对换热系数和冷却均匀性的影响。
    当分散液滴占连续相空气的体积小于10%～12%时，应以液滴的蒸发、沸腾换热形式为主，应使用离散相颗粒蒸发、沸腾模型。重点研究空气、水质量流量、水流密度分布、液滴速度、直径、温度、蒸气膜厚度和钢板温度对换热特性的影响。
    舞钢的弱冷技术装备也成功地应用于需要弱冷的其他钢板的热处理上。
    3 发展常化炉后快冷淬火技术装备
    传统的常化炉是采用空冷的热处理方法，自从舞钢西气东输4200mm NAC（图4）在太钢炉后淬火控冷技术基础上开发了炉后快冷淬火技术装备，并于2005年顺利投产后，这种技术装备的优点已被越来越多的钢种生产实践所证明。
    炉后快冷淬火技术装备的特点是采用高密集管流强、中、弱冷结构；具有流射沸腾冷却强化的节能冷却强化技术；具有强适应横向冷却曲线和逆阻尼均匀分布水技术，具有很好的大型钢板平直度控制和目标温度控制能力，每组冷却集管流量都可精密细调，工艺数字模型已有丰富的积累。
    炉后快冷淬火装备采用了北京科技大学机械学院开发的专利技术。已生产具有高屈服强度要求的低合金钢、屈服强度有上限和有屈强比要求的高层建筑用钢，高强船板用钢和临氢类、非临氢类Cr-Mo钢等70多万吨快冷淬火钢板。
    4 结论
    （1）中厚板在线超强加速冷却控制和在线直接淬火和回火对生产高强度钢、提高钢板韧性降低屈强比，提高焊接性能很有意义。
    （2）中厚板在线弱冷技术和装备对预硬塑料模具钢的生产，对节能减排和其他要求弱冷却处理的材料很有意义。
    （3）常化炉后快冷和淬火技术装备比传统的常化炉后空冷的热处理技术对很多钢种质量的提高具有明显的效果。
    （4）以上三种技术装备是中厚板生产值得发展的技术装备。