超快速冷却在热轧实验轧机上的分析及应用

张芳芳

（山东工业职业学院，山东 淄博256414）

1 前 言

降低成本，改进技术，开发、抢占新市场是各大钢铁企业在竞争中取胜而采取的主要战略，“降本增效”已经成为钢铁行业发展的主要课题。而使用超快速冷却生产的钢材与传统的析出强化型高强钢、Cr-Mo 合金化热轧双相钢、热处理双相钢或TRIP 钢相比，具有成本低廉、环境负荷小、易于再生等“生态环境材料”的特点，符合钢铁工业持续发展的战略要求。随着新产品的不断开发和轧制技术的不断发展，要求在轧制过程中实现短时、快速、准确控温，因此超快速冷却技术成为新时代钢铁生产的发展方向。

2 超快速冷却的换热原理

目前被广泛接受的水冷区换热理论是由Zumbrunnen提出的［1］，它将冷却水冲击平板时的换热区域划分为滞止区、核沸腾/过渡区、膜沸腾区、小液态聚集区和空冷辐射区。各换热区域的大小和换热能力与板带的材质、温度、厚度、冷却水的水量、水压、水温及水流运动形态、冷却装置的设备布置等多种因素有关。

钢材水冷的沸腾传热现象主要有两种，如图1所示。一种是钢板直接与水接触，实现热交换，这种沸腾传热现象的冷却能力强，为核沸腾。另一种是钢材和冷却水之间形成蒸汽膜，通过蒸汽膜进行热交换，为膜沸腾。钢板加速冷却时，冷却开始阶段，表面温度高，膜沸腾状态处于主导地位。但是，若表面温度逐步降低，蒸汽膜变得不稳定，此时局部冷却水开始与钢板接触，逐步转变为核沸腾。在膜沸腾和核沸腾之间为两种沸腾共存的状态，称为过渡沸腾。该状态下钢板有的部位是热交换强烈的核沸腾，有的部位是热交换能力不强的膜沸腾，因而造成钢板冷却不均，从而导致钢板发生翘曲。所以，应当尽量实现强烈热交换的核沸腾，避免处于不稳定冷却状态的过渡沸腾和传热效率极低的膜沸腾。

图1 钢板冷却沸腾状态［2］

超快速冷却（Ultra Fast Cooling，简称UFC）装置的喷嘴与层流冷却不同，层流冷却采用的是直流喷射，而超快速冷却装置的喷嘴高度和角度是可以调节的，通过调节喷嘴的角度和高度可以改变冷却水和钢板的接触面积。与此同时，超快速冷却装置通过减小出水口孔径，加密出水口，增加水压，以保证小流量的水流也能有足够的能量和冲击力击破水膜［3］。因此超快速冷却装置可以认为通过流体直接冲击换热表面，与红钢直接进行热交换，从而大大提高了换热效率，因此其具有射流冲击换热的特性，其换热机理如图2 所示。从换热机理上来看，是通过扩大单相强制对流区的面积，并减小膜沸腾换热区，来提高整个冷却系统的换热强度，从而达到热带钢超快速冷却的目的［4］。

图2 超快速冷却的换热区分布示意图

控制冷却过程是一个复杂的物理过程，任何强制冷却的效果，取决于蒸汽层的破坏及达到“核沸腾”的程度［5］。因此，使钢板瞬间达到“核沸腾”是钢板温度降低速度的最好办法，而超快速冷却装置能实现钢板与冷却水的直接交换，实现大冷速的冷却模式。

3 超快速冷却装置的冷却能力

3.1 超快速冷却装置的水流量确定

某实验中心采用的超快速冷却装置共5 组集管，每组集管的宽度为0.5 m，等间距分布，其间距为0.68 m，每组集管包括一组上集管和一组下集管。根据流量标定曲线的原理，绘制超快速冷却装置的开口度-流量曲线，如图3、图4所示，图中序号分别代表1～5组集管。

图3 超快速冷却上集管开口度-流量曲线

图4 超快速冷却下集管开口度-流量曲线

从图3、4曲线可以看出，超快速冷却装置具有很强的冷却能力，单组集管最大水流量高达48 m3/h，可以实现超快速冷却。

3.2 超快速冷却设备实测冷却能力

目前国内超快速冷却设备在热轧生产线上还没有应用的实例，需要对其冷却能力、结构特点、适用范围及局限性作进一步深入研究，超快速冷却技术在热轧实验轧机上得到了应用。采用普碳钢测试了实验轧机的冷却能力，即采用相同的流量分别测试了厚度为10、20、30 mm 的钢板的最大及最小冷却速率，其冷却能力范围如表1、表2所示。并将其绘制成冷却速率-厚度曲线，如图5所示，图中阴影部分为超快速冷却技术的冷却能力范围。

表1 超快冷不同厚度的最大冷却速率

表2 超快冷最小冷却速率

图5 超快速冷却的冷却速率-厚度曲线

实验结果表明，对于厚度为10 mm厚的钢板，5组集管全部投入使用时的最大冷却速率为109.5 ℃/s，最小冷却速率为39.6 ℃/s，对于更薄厚度的钢板可以实现在线淬火。

4 超快速冷却装置的应用

目前，超快速冷却技术的超常冷却能力常应用于一些高附加值产品的开发。例如超级钢、IF钢铁素体区热轧、双相钢（DP 钢）、相变诱导塑性钢（TRIP 钢）、微合金化高强钢等［6］。近年来，随着我国天然气需求量大幅度增长，输送能力有了长足的发展，天然气输送管线钢迅速从X60 提高到X80，因此对X80 管线钢的研究对天然气的输送有重要作用。针对X80 管线钢应用超快速冷却策略对其组织性能做了研究。

实验过程中使用的试验钢为X80 管线钢，X80管线钢的化学成分如表3 所示。试验钢坯料尺寸均为80 mm×100 mm×120 mm，轧件厚度为17 mm。采用过程机自动控制系统进行控冷实验，其控冷工艺如表4 所示，采用该控冷工艺获得金相组织如图6 所示。

图6 X80管线钢控冷后的金相组织

表3 X80试验钢的化学成分（质量分数） %

表4 实测控冷工艺

热轧后的冷却工艺对钢的组织与力学性能有着重要的影响，结合钢的动态CCT 曲线，终轧温度较高时，轧后慢冷会得到粗大的铁素体组织。而采用超快速冷却工艺进行控冷时，终冷温度接近或刚进入奥氏体和铁素体的两相区时进行控冷，将阻止奥氏体晶粒长大，固定因变形引起的位错，降低相变温度。由图6的金相组织中可知，采用超快速冷却技术获得的金相组织均为PF（准多边形铁素体）、GB（粒状贝氏体）、AF（针状铁素体）。随着返红温度的降低，铁素体晶粒尺寸不断细化，AF的体积分数不断增加，PF 和GB 的体积分数不断降低。最终结果表明，超快速冷却技术会提高材料的屈服强度和抗拉强度。

5 结 语

结合国内某钢铁企业的热轧实验项目，在学习研究相关理论知识的基础上，着重以冷却装置为研究对象，确定了水冷系统的冷却能力并进行产品试制实验，并得出结论：1）通过反复测试绘制出各集管的流量-开口度曲线，为控制冷却模型提供基本的水系统能力参数，并确定了冷却水的最大流量为48 m3/h。2）实验测得超快速冷却模式条件下的最大和最小冷却速率，绘制了冷却速率范围曲线，对于厚度为10 mm 厚的钢板，5 组集管全部投入使用时的最大冷却速率为109.5 ℃/s，最小冷却速率为39.6 ℃/s，该冷却装置可以实现冷却速率在一个较大范围内连续可调，满足新钢种开发的需求。