超快速冷卻在熱軋實驗軋機上的分析及應用

張芳芳

（山東工業職業學院，山東 淄博256414）

1 前 言

降低成本，改進技術，開發、搶占新市場是各大鋼鐵企業在競爭中取勝而采取的主要戰略，“降本增效”已經成為鋼鐵行業發展的主要課題。而使用超快速冷卻生產的鋼材與傳統的析出強化型高強鋼、Cr-Mo 合金化熱軋雙相鋼、熱處理雙相鋼或TRIP 鋼相比，具有成本低廉、環境負荷小、易于再生等“生態環境材料”的特點，符合鋼鐵工業持續發展的戰略要求。隨著新產品的不斷開發和軋制技術的不斷發展，要求在軋制過程中實現短時、快速、準確控溫，因此超快速冷卻技術成為新時代鋼鐵生產的發展方向。

2 超快速冷卻的換熱原理

目前被廣泛接受的水冷區換熱理論是由Zumbrunnen提出的［1］，它將冷卻水沖擊平板時的換熱區域劃分為滯止區、核沸騰/過渡區、膜沸騰區、小液態聚集區和空冷輻射區。各換熱區域的大小和換熱能力與板帶的材質、溫度、厚度、冷卻水的水量、水壓、水溫及水流運動形態、冷卻裝置的設備布置等多種因素有關。

鋼材水冷的沸騰傳熱現象主要有兩種，如圖1所示。一種是鋼板直接與水接觸，實現熱交換，這種沸騰傳熱現象的冷卻能力強，為核沸騰。另一種是鋼材和冷卻水之間形成蒸汽膜，通過蒸汽膜進行熱交換，為膜沸騰。鋼板加速冷卻時，冷卻開始階段，表面溫度高，膜沸騰狀態處于主導地位。但是，若表面溫度逐步降低，蒸汽膜變得不穩定，此時局部冷卻水開始與鋼板接觸，逐步轉變為核沸騰。在膜沸騰和核沸騰之間為兩種沸騰共存的狀態，稱為過渡沸騰。該狀態下鋼板有的部位是熱交換強烈的核沸騰，有的部位是熱交換能力不強的膜沸騰，因而造成鋼板冷卻不均，從而導致鋼板發生翹曲。所以，應當盡量實現強烈熱交換的核沸騰，避免處于不穩定冷卻狀態的過渡沸騰和傳熱效率極低的膜沸騰。

圖1 鋼板冷卻沸騰狀態［2］

超快速冷卻（Ultra Fast Cooling，簡稱UFC）裝置的噴嘴與層流冷卻不同，層流冷卻采用的是直流噴射，而超快速冷卻裝置的噴嘴高度和角度是可以調節的，通過調節噴嘴的角度和高度可以改變冷卻水和鋼板的接觸面積。與此同時，超快速冷卻裝置通過減小出水口孔徑，加密出水口，增加水壓，以保證小流量的水流也能有足夠的能量和沖擊力擊破水膜［3］。因此超快速冷卻裝置可以認為通過流體直接沖擊換熱表面，與紅鋼直接進行熱交換，從而大大提高了換熱效率，因此其具有射流沖擊換熱的特性，其換熱機理如圖2 所示。從換熱機理上來看，是通過擴大單相強制對流區的面積，并減小膜沸騰換熱區，來提高整個冷卻系統的換熱強度，從而達到熱帶鋼超快速冷卻的目的［4］。

圖2 超快速冷卻的換熱區分布示意圖

控制冷卻過程是一個復雜的物理過程，任何強制冷卻的效果，取決于蒸汽層的破壞及達到“核沸騰”的程度［5］。因此，使鋼板瞬間達到“核沸騰”是鋼板溫度降低速度的最好辦法，而超快速冷卻裝置能實現鋼板與冷卻水的直接交換，實現大冷速的冷卻模式。

3 超快速冷卻裝置的冷卻能力

3.1 超快速冷卻裝置的水流量確定

某實驗中心采用的超快速冷卻裝置共5 組集管，每組集管的寬度為0.5 m，等間距分布，其間距為0.68 m，每組集管包括一組上集管和一組下集管。根據流量標定曲線的原理，繪制超快速冷卻裝置的開口度-流量曲線，如圖3、圖4所示，圖中序號分別代表1～5組集管。

圖3 超快速冷卻上集管開口度-流量曲線

圖4 超快速冷卻下集管開口度-流量曲線

從圖3、4曲線可以看出，超快速冷卻裝置具有很強的冷卻能力，單組集管最大水流量高達48 m3/h，可以實現超快速冷卻。

3.2 超快速冷卻設備實測冷卻能力

目前國內超快速冷卻設備在熱軋生產線上還沒有應用的實例，需要對其冷卻能力、結構特點、適用范圍及局限性作進一步深入研究，超快速冷卻技術在熱軋實驗軋機上得到了應用。采用普碳鋼測試了實驗軋機的冷卻能力，即采用相同的流量分別測試了厚度為10、20、30 mm 的鋼板的最大及最小冷卻速率，其冷卻能力范圍如表1、表2所示。并將其繪制成冷卻速率-厚度曲線，如圖5所示，圖中陰影部分為超快速冷卻技術的冷卻能力范圍。

表1 超快冷不同厚度的最大冷卻速率

表2 超快冷最小冷卻速率

圖5 超快速冷卻的冷卻速率-厚度曲線

實驗結果表明，對于厚度為10 mm厚的鋼板，5組集管全部投入使用時的最大冷卻速率為109.5 ℃/s，最小冷卻速率為39.6 ℃/s，對于更薄厚度的鋼板可以實現在線淬火。

4 超快速冷卻裝置的應用

目前，超快速冷卻技術的超常冷卻能力常應用于一些高附加值產品的開發。例如超級鋼、IF鋼鐵素體區熱軋、雙相鋼（DP 鋼）、相變誘導塑性鋼（TRIP 鋼）、微合金化高強鋼等［6］。近年來，隨著我國天然氣需求量大幅度增長，輸送能力有了長足的發展，天然氣輸送管線鋼迅速從X60 提高到X80，因此對X80 管線鋼的研究對天然氣的輸送有重要作用。針對X80 管線鋼應用超快速冷卻策略對其組織性能做了研究。

實驗過程中使用的試驗鋼為X80 管線鋼，X80管線鋼的化學成分如表3 所示。試驗鋼坯料尺寸均為80 mm×100 mm×120 mm，軋件厚度為17 mm。采用過程機自動控制系統進行控冷實驗，其控冷工藝如表4 所示，采用該控冷工藝獲得金相組織如圖6 所示。

圖6 X80管線鋼控冷后的金相組織

表3 X80試驗鋼的化學成分（質量分數） %

表4 實測控冷工藝

熱軋后的冷卻工藝對鋼的組織與力學性能有著重要的影響，結合鋼的動態CCT 曲線，終軋溫度較高時，軋后慢冷會得到粗大的鐵素體組織。而采用超快速冷卻工藝進行控冷時，終冷溫度接近或剛進入奧氏體和鐵素體的兩相區時進行控冷，將阻止奧氏體晶粒長大，固定因變形引起的位錯，降低相變溫度。由圖6的金相組織中可知，采用超快速冷卻技術獲得的金相組織均為PF（準多邊形鐵素體）、GB（粒狀貝氏體）、AF（針狀鐵素體）。隨著返紅溫度的降低，鐵素體晶粒尺寸不斷細化，AF的體積分數不斷增加，PF 和GB 的體積分數不斷降低。最終結果表明，超快速冷卻技術會提高材料的屈服強度和抗拉強度。

5 結 語

結合國內某鋼鐵企業的熱軋實驗項目，在學習研究相關理論知識的基礎上，著重以冷卻裝置為研究對象，確定了水冷系統的冷卻能力并進行產品試制實驗，并得出結論：1）通過反復測試繪制出各集管的流量-開口度曲線，為控制冷卻模型提供基本的水系統能力參數，并確定了冷卻水的最大流量為48 m3/h。2）實驗測得超快速冷卻模式條件下的最大和最小冷卻速率，繪制了冷卻速率范圍曲線，對于厚度為10 mm 厚的鋼板，5 組集管全部投入使用時的最大冷卻速率為109.5 ℃/s，最小冷卻速率為39.6 ℃/s，該冷卻裝置可以實現冷卻速率在一個較大范圍內連續可調，滿足新鋼種開發的需求。