徐言東 余偉 何春雨 劉濤 徐平

　　我國鋼鐵產量多年穩(wěn)居世界第一，鋼材質量也越來越高，其關鍵就在于我國把引進的先進技術進行了認真吸收、消化和創(chuàng)新，逐步國產化，再推廣到世界市場中。在軋鋼行業(yè)中，提高鋼材性能和質量的技術中最重要就是控軋控冷技術的國產化和智能化。

　　控軋控冷技術國產化和智能化提高鋼材性能

　　鋼材的控軋控冷技術，是指在鋼材的軋制過程中通過控制加熱溫度、軋制過程、冷卻條件等工藝參數，改善鋼材的強度、韌性、焊接性能。我國在學習國外先進控軋控冷技術基礎上進行自主研發(fā)，逐步實現了控軋控冷技術國產化和智能化，推動了中國“精品鋼材”的發(fā)展。

　　在鋼鐵生產技術中，通過軋制與冷卻過程來控制、改善鋼材的性能。采用各種各樣的軋制條件，把變形程度、變形速率、變形溫度等條件控制好，就會得到組織和性能優(yōu)異的材料。水與鋼材的強制換熱可以調整鋼材的溫度，方法就是通過調整噴向鋼材的水量來控制鋼材的冷卻過程，控制材料高溫奧氏體組織長大、奧氏體向低溫組織相變，從而改善鋼材的性能，提高鋼材的質量。這就是控軋和控冷技術的理論基礎。

　　控軋控冷技術始于1890年的德國，當時科技人員對鋼鐵制品的熱加工條件、材質及顯微金相組織進行了研究，定性地揭示了熱加工條件與材質間的關系。1945年后，美國、比利時、瑞典、法國、英國等歐美國家通過各種實驗和生產，定性解釋了熱軋后的鋼材繼續(xù)進行奧氏體再結晶的動力學變化，從理論上確定了控軋技術的基礎。后來，研究人員通過添加鈮、釩、鈦等微合金元素，發(fā)現對提高單純軋制鋼材強度有效。接著微合金元素與鋼材的顯微結構、力學性能的定量關系及強化機理的發(fā)現，進一步完善了控制軋制原理?；谖锢硪苯鹪?，實現了設計合理的各種低合金鋼或合金鋼的成分和軋制條件，并得到預期鋼材的目標性能值和顯微組織。

　　1970年后，市場對鋼材的強度、低溫性能、焊接性能要求更高，美國、日本等發(fā)達國家在傳統(tǒng)控制軋制技術基礎上，發(fā)展了通過控制冷卻速度來改變鋼材相變的新技術。日本、歐洲、美國等率先采用控制冷卻技術，開發(fā)出高性能的低合金鋼，使得鋼的強度、韌性和焊接性能進一步提升。在這一時期，我國引進了發(fā)達國家的先進鋼鐵生產技術，積極消化吸收新技術和設備工藝，經研究開發(fā)、工業(yè)實踐中不斷改進，北京科技大學、東北大學等高校和鋼鐵研究總院等研究機構在控軋控冷技術的某些領域中取得了進步。

　　控軋控冷在鋼材生產的發(fā)展過程中起著不可替代的作用：一是能夠通過細晶強化、相變強化等方式，使鋼材的強度提高50MPa~300MPa，韌性得以改善，鋼材的性能等級提高，促進了鋼材品種結構的升級換代；二是能夠部分替代或者完全替代添加（微）合金元素來改善鋼的性能，或在不添加或者少添加合金元素的前提下，通過優(yōu)化軋制工藝和冷卻工藝達到同樣的效果；三是促進了金屬物理學、物理冶金學、塑性加工金屬學的理論研究和學科發(fā)展。經過控軋控冷的鋼材，其組織要比普通鋼材更加豐富多樣，需要分析的現象和揭示的機理問題更加深邃。

　　國外控制軋制和控制冷卻工藝的發(fā)展

　　控制軋制技術：

　　控制軋制工藝最先應用于中厚板生產，其關鍵工藝主要為兩個方面：一是控制軋制溫度，尤其是終軋階段溫度；二是控制變形程度，按照變形溫度和再結晶程度控制軋制通常劃分為在奧氏體再結晶區(qū)、奧氏體未再結晶區(qū)、奧氏體+鐵素體兩相區(qū)三階段控制軋制。

　　中厚板的控制軋制技術除了高溫軋制工藝（HTP） 技術以外，新技術還包括中間坯冷卻技術（IC）和 馳豫-析出-控制技術（RPC），為奧氏體組織控制、析出控制、冷卻相變組織創(chuàng)造了條件。

　　控制冷卻技術：

　　板帶鋼軋后冷卻技術的發(fā)展主要集中在提高冷卻效率、溫度均勻性、設備可靠性、提高組織均勻性、控冷板形平直度等幾個方面做出努力，可劃分為三代：第一代（~1980年）以噴淋冷卻為代表的冷卻技術，傾斜噴射或垂直噴射。第二代（1980年后）噴射流為代表的冷卻技術，如日本住友金屬的水幕冷卻，日本JFE 的柱狀層流；1990年后，以改進型層流噴射冷卻技術為主，氣霧冷卻也是這一時代的產物。第三代（2000年后）強化冷卻為代表的技術逐步得到開發(fā)與應用，如開發(fā)的 UFC、VAI的MULPIC 技術，JFE公司的 Super-OLAC，NSC開發(fā)的IC技術，POSCO 開發(fā)的 HDC，北京科技大學開發(fā)的SUPIC等。

　　TMCP技術：

　　TMCP其名稱是熱機軋制控制工藝（Thermal Mechanical Control Process），就是控制軋制和控制冷卻技術結合起來的技術。1977年在美國舉行的“微合金化”大會上，日本的研究者 Kozasu 提出了TMCP理論，至1988年得以逐漸完善。這種工藝把奧氏體晶粒細化、加工硬化和相變結合，極大加強細化晶粒的效果，并把鐵素體-珠光體相變擴展到鐵素體-貝氏體相變，提高鋼材的性能。日本和歐洲的鋼鐵企業(yè)在同期也開發(fā)了不同形式的冷卻裝置，用TMCP生產晶粒細化鋼板。該技術能夠較控軋工藝進一步提高鋼材的強韌性和獲得合理的綜合性能，并能降低合金元素和碳含量，節(jié)約貴重的合金元素，降低生產成本。與普通熱軋生產工藝相比，該工藝可以使鋼板的抗拉強度和屈服強度平均提高約40MPa～60MPa，在低溫韌性、焊接性能、節(jié)能、降低碳當量、節(jié)省合金元素以及冷卻均勻性、保持良好板形方面都有無可比擬的優(yōu)越性。

　　控軋控冷技術在我國取得了大的進展

　　在1986年前后，我國只有20家中厚板生產線且技術工藝較為落后，在原冶金工業(yè)部的支持下，開發(fā)與應用了以水幕冷卻為代表的軋后冷卻裝備。1989年，北京科技大學、鋼研總院、重鋼中板廠聯(lián)合研發(fā)的水幕層流冷卻裝置得到應用。隨后，該技術在南鋼、新鋼等企業(yè)得到應用。2004年隨著國內引進日本住友的一條水幕冷卻裝置的投產，至今再也沒有新建水幕冷卻裝置，而原來已經建設的水幕冷卻裝置也陸續(xù)停用、淘汰。

　　1997年，國家重點基礎研究發(fā)展計劃——“973”計劃提出超細晶粒鋼的研究，在進行超細晶粒制備機理研究的同時，對控制軋制與控制冷卻技術也進行了深入研究，研究的主要目標是使低碳鋼、低合金鋼性能成倍增加。

　　1999年，北京科技大學高效軋制國家工程研究中心和鞍鋼共同開發(fā)了新型軋后冷卻裝置——加密管層流裝置（MPL-ACC），并在鞍鋼4300寬厚板生產線得到應用。2009年，北京科技大學又開發(fā)成功了具有自主知識產權的傾斜式超快速冷卻器和超密度噴射冷卻器，對中厚板的冷卻過程進行精確控制。北京科技大學在板帶鋼控軋中間冷卻、機架間冷卻、軋后控冷、常化控制冷卻、輥式淬火機、特厚板淬火裝置設計等研究開發(fā)方面積累了理論知識與工程設計與應用經驗，開發(fā)的冷卻裝置涵蓋了目前國內板帶鋼生產領域應用的所有控制冷卻裝置類型。

　　2008年，東北大學研制出系列首臺套熱軋鋼材先進快速冷卻裝備與控制系統(tǒng)，之后應用在鞍鋼、南鋼等國內大型鋼鐵企業(yè)。通過項目的實施，熱軋鋼材強度指標提高100MPa~200MPa，主要合金元素用量節(jié)省20%～30%，促進了我國鋼材由“中低端”向“中高端”升級換代。

　　TMCP技術的發(fā)展是材料科學、軋制理論與設備、控制冷卻技術設備協(xié)調發(fā)展的結果。如新一代鋼鐵材料采用低成本合金、降低貴合金消耗，對生產工藝的精調與優(yōu)化，根據不同產品用途與性能要求，適當降低產品不需要的性能裕量；更重要的是，擺脫了中厚板生產“印鈔”時期形成的依靠產量取勝的思維。

　　我國有豐富的釩、鈦和稀土資源，具有發(fā)展微合金控軋控冷技術的廣闊前途。近三十年來，控軋控冷技術在我國取得了大的進展。我國目前每年采用控軋控冷生產鋼材已經超過近億噸，涉及到幾十個鋼種，已經應用到造船、石油、天然氣輸送管道、鍋爐及壓力容器、鋼板樁、汽車、螺紋鋼、鋼絲繩、軸承、地質鉆桿、機械用鋼、建筑用鋼等方面，其中板材占40%左右，棒線材占50%左右，管材和型材占5%。

　　利用信息化、智能化技術 開發(fā)低成本高性能鋼鐵材料

　　軋鋼行業(yè)的控軋控冷技術是鋼鐵業(yè)技術進步和實現產品升級換代的代表之一。我們需要繼續(xù)開辟精簡生產工藝流程、節(jié)省合金元素、提高鋼材性能的新途徑，用信息化、智能化技術來推動鋼鐵生產過程的智能設計與同步精準智能控制，打造一個滿足市場要求的新的鋼材成分和工藝設計體系，開發(fā)出一系列低成本高性能鋼鐵材料。這就要求院校、科研單位與鋼鐵企業(yè)緊密合作，以社會需求為導向，一切為終端客戶服務，把單純的EPC和改造項目變成共同的項目和事業(yè)。軋鋼行業(yè)要加強對現場技術人員系統(tǒng)培訓，使其具備軟件修改、新功能開發(fā)能力，共同在控軋控冷（TMCP）新工藝開發(fā)和優(yōu)化上不斷挖潛，把材料精細設計、工藝優(yōu)化、裝備開發(fā)和產品應用相結合，降低生產成本；要堅持可持續(xù)的發(fā)展及實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，促進軋鋼行業(yè)轉型升級、創(chuàng)新發(fā)展，引領行業(yè)跨越式發(fā)展，使我國由鋼鐵大國成為鋼鐵強國、由世界先進技術的跟跑者成為領跑者。