徐言東 余偉 何春雨 劉濤 徐平
我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量多年穩(wěn)居世界第一,鋼材質(zhì)量也越來(lái)越高,其關(guān)鍵就在于我國(guó)把引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了認(rèn)真吸收、消化和創(chuàng)新,逐步國(guó)產(chǎn)化,再推廣到世界市場(chǎng)中。在軋鋼行業(yè)中,提高鋼材性能和質(zhì)量的技術(shù)中最重要就是控軋控冷技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化和智能化。
控軋控冷技術(shù)國(guó)產(chǎn)化和智能化提高鋼材性能
鋼材的控軋控冷技術(shù),是指在鋼材的軋制過(guò)程中通過(guò)控制加熱溫度、軋制過(guò)程、冷卻條件等工藝參數(shù),改善鋼材的強(qiáng)度、韌性、焊接性能。我國(guó)在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)控軋控冷技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā),逐步實(shí)現(xiàn)了控軋控冷技術(shù)國(guó)產(chǎn)化和智能化,推動(dòng)了中國(guó)“精品鋼材”的發(fā)展。
在鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)中,通過(guò)軋制與冷卻過(guò)程來(lái)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(huì)得到組織和性能優(yōu)異的材料。水與鋼材的強(qiáng)制換熱可以調(diào)整鋼材的溫度,方法就是通過(guò)調(diào)整噴向鋼材的水量來(lái)控制鋼材的冷卻過(guò)程,控制材料高溫奧氏體組織長(zhǎng)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(zhì)量。這就是控軋和控冷技術(shù)的理論基礎(chǔ)。
控軋控冷技術(shù)始于1890年的德國(guó),當(dāng)時(shí)科技人員對(duì)鋼鐵制品的熱加工條件、材質(zhì)及顯微金相組織進(jìn)行了研究,定性地揭示了熱加工條件與材質(zhì)間的關(guān)系。1945年后,美國(guó)、比利時(shí)、瑞典、法國(guó)、英國(guó)等歐美國(guó)家通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn),定性解釋了熱軋后的鋼材繼續(xù)進(jìn)行奧氏體再結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)變化,從理論上確定了控軋技術(shù)的基礎(chǔ)。后來(lái),研究人員通過(guò)添加鈮、釩、鈦等微合金元素,發(fā)現(xiàn)對(duì)提高單純軋制鋼材強(qiáng)度有效。接著微合金元素與鋼材的顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的定量關(guān)系及強(qiáng)化機(jī)理的發(fā)現(xiàn),進(jìn)一步完善了控制軋制原理?;谖锢硪苯鹪恚瑢?shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)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(yù)期鋼材的目標(biāo)性能值和顯微組織。
1970年后,市場(chǎng)對(duì)鋼材的強(qiáng)度、低溫性能、焊接性能要求更高,美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在傳統(tǒng)控制軋制技術(shù)基礎(chǔ)上,發(fā)展了通過(guò)控制冷卻速度來(lái)改變鋼材相變的新技術(shù)。日本、歐洲、美國(guó)等率先采用控制冷卻技術(shù),開(kāi)發(fā)出高性能的低合金鋼,使得鋼的強(qiáng)度、韌性和焊接性能進(jìn)一步提升。在這一時(shí)期,我國(guó)引進(jìn)了發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù),積極消化吸收新技術(shù)和設(shè)備工藝,經(jīng)研究開(kāi)發(fā)、工業(yè)實(shí)踐中不斷改進(jìn),北京科技大學(xué)、東北大學(xué)等高校和鋼鐵研究總院等研究機(jī)構(gòu)在控軋控冷技術(shù)的某些領(lǐng)域中取得了進(jìn)步。
控軋控冷在鋼材生產(chǎn)的發(fā)展過(guò)程中起著不可替代的作用:一是能夠通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等方式,使鋼材的強(qiáng)度提高50MPa~300MPa,韌性得以改善,鋼材的性能等級(jí)提高,促進(jìn)了鋼材品種結(jié)構(gòu)的升級(jí)換代;二是能夠部分替代或者完全替代添加(微)合金元素來(lái)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(guò)優(yōu)化軋制工藝和冷卻工藝達(dá)到同樣的效果;三是促進(jìn)了金屬物理學(xué)、物理冶金學(xué)、塑性加工金屬學(xué)的理論研究和學(xué)科發(fā)展。經(jīng)過(guò)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(xiàn)象和揭示的機(jī)理問(wèn)題更加深邃。
國(guó)外控制軋制和控制冷卻工藝的發(fā)展
控制軋制技術(shù):
控制軋制工藝最先應(yīng)用于中厚板生產(chǎn),其關(guān)鍵工藝主要為兩個(gè)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(jié)晶程度控制軋制通常劃分為在奧氏體再結(jié)晶區(qū)、奧氏體未再結(jié)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(shù)除了高溫軋制工藝(HTP) 技術(shù)以外,新技術(shù)還包括中間坯冷卻技術(shù)(IC)和 馳豫-析出-控制技術(shù)(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(shù):
板帶鋼軋后冷卻技術(shù)的發(fā)展主要集中在提高冷卻效率、溫度均勻性、設(shè)備可靠性、提高組織均勻性、控冷板形平直度等幾個(gè)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(shù),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(shù),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(jìn)型層流噴射冷卻技術(shù)為主,氣霧冷卻也是這一時(shí)代的產(chǎn)物。第三代(2000年后)強(qiáng)化冷卻為代表的技術(shù)逐步得到開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,如開(kāi)發(fā)的 UFC、VAI的MULPIC 技術(shù),JFE公司的 Super-OLAC,NSC開(kāi)發(fā)的IC技術(shù),POSCO 開(kāi)發(fā)的 HDC,北京科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的SUPIC等。
TMCP技術(shù):
TMCP其名稱(chēng)是熱機(jī)軋制控制工藝(Thermal Mechanical Control Process),就是控制軋制和控制冷卻技術(shù)結(jié)合起來(lái)的技術(shù)。1977年在美國(guó)舉行的“微合金化”大會(huì)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(xì)化、加工硬化和相變結(jié)合,極大加強(qiáng)細(xì)化晶粒的效果,并把鐵素體-珠光體相變擴(kuò)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(kāi)發(fā)了不同形式的冷卻裝置,用TMCP生產(chǎn)晶粒細(xì)化鋼板。該技術(shù)能夠較控軋工藝進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)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(chǎn)成本。與普通熱軋生產(chǎn)工藝相比,該工藝可以使鋼板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度平均提高約40MPa~60MPa,在低溫韌性、焊接性能、節(jié)能、降低碳當(dāng)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(wú)可比擬的優(yōu)越性。
控軋控冷技術(shù)在我國(guó)取得了大的進(jìn)展
在1986年前后,我國(guó)只有20家中厚板生產(chǎn)線(xiàn)且技術(shù)工藝較為落后,在原冶金工業(yè)部的支持下,開(kāi)發(fā)與應(yīng)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(xué)、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(yīng)用。隨后,該技術(shù)在南鋼、新鋼等企業(yè)得到應(yīng)用。2004年隨著國(guó)內(nèi)引進(jìn)日本住友的一條水幕冷卻裝置的投產(chǎn),至今再也沒(méi)有新建水幕冷卻裝置,而原來(lái)已經(jīng)建設(shè)的水幕冷卻裝置也陸續(xù)停用、淘汰。
1997年,國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃——“973”計(jì)劃提出超細(xì)晶粒鋼的研究,在進(jìn)行超細(xì)晶粒制備機(jī)理研究的同時(shí),對(duì)控制軋制與控制冷卻技術(shù)也進(jìn)行了深入研究,研究的主要目標(biāo)是使低碳鋼、低合金鋼性能成倍增加。
1999年,北京科技大學(xué)高效軋制國(guó)家工程研究中心和鞍鋼共同開(kāi)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(chǎn)線(xiàn)得到應(yīng)用。2009年,北京科技大學(xué)又開(kāi)發(fā)成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傾斜式超快速冷卻器和超密度噴射冷卻器,對(duì)中厚板的冷卻過(guò)程進(jìn)行精確控制。北京科技大學(xué)在板帶鋼控軋中間冷卻、機(jī)架間冷卻、軋后控冷、?;刂评鋮s、輥式淬火機(jī)、特厚板淬火裝置設(shè)計(jì)等研究開(kāi)發(fā)方面積累了理論知識(shí)與工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),開(kāi)發(fā)的冷卻裝置涵蓋了目前國(guó)內(nèi)板帶鋼生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的所有控制冷卻裝置類(lèi)型。
2008年,東北大學(xué)研制出系列首臺(tái)套熱軋鋼材先進(jìn)快速冷卻裝備與控制系統(tǒng),之后應(yīng)用在鞍鋼、南鋼等國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施,熱軋鋼材強(qiáng)度指標(biāo)提高100MPa~200MPa,主要合金元素用量節(jié)省20%~30%,促進(jìn)了我國(guó)鋼材由“中低端”向“中高端”升級(jí)換代。
TMCP技術(shù)的發(fā)展是材料科學(xué)、軋制理論與設(shè)備、控制冷卻技術(shù)設(shè)備協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果。如新一代鋼鐵材料采用低成本合金、降低貴合金消耗,對(duì)生產(chǎn)工藝的精調(diào)與優(yōu)化,根據(jù)不同產(chǎn)品用途與性能要求,適當(dāng)降低產(chǎn)品不需要的性能裕量;更重要的是,擺脫了中厚板生產(chǎn)“印鈔”時(shí)期形成的依靠產(chǎn)量取勝的思維。
我國(guó)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(shù)的廣闊前途。近三十年來(lái),控軋控冷技術(shù)在我國(guó)取得了大的進(jìn)展。我國(guó)目前每年采用控軋控冷生產(chǎn)鋼材已經(jīng)超過(guò)近億噸,涉及到幾十個(gè)鋼種,已經(jīng)應(yīng)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(chē)、螺紋鋼、鋼絲繩、軸承、地質(zhì)鉆桿、機(jī)械用鋼、建筑用鋼等方面,其中板材占40%左右,棒線(xiàn)材占50%左右,管材和型材占5%。
利用信息化、智能化技術(shù)
開(kāi)發(fā)低成本高性能鋼鐵材料
軋鋼行業(yè)的控軋控冷技術(shù)是鋼鐵業(yè)技術(shù)進(jìn)步和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)換代的代表之一。我們需要繼續(xù)開(kāi)辟精簡(jiǎn)生產(chǎn)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(shù)來(lái)推動(dòng)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的智能設(shè)計(jì)與同步精準(zhǔn)智能控制,打造一個(gè)滿(mǎn)足市場(chǎng)要求的新的鋼材成分和工藝設(shè)計(jì)體系,開(kāi)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(huì)需求為導(dǎo)向,一切為終端客戶(hù)服務(wù),把單純的EPC和改造項(xiàng)目變成共同的項(xiàng)目和事業(yè)。軋鋼行業(yè)要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員系統(tǒng)培訓(xùn),使其具備軟件修改、新功能開(kāi)發(fā)能力,共同在控軋控冷(TMCP)新工藝開(kāi)發(fā)和優(yōu)化上不斷挖潛,把材料精細(xì)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、裝備開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品應(yīng)用相結(jié)合,降低生產(chǎn)成本;要堅(jiān)持可持續(xù)的發(fā)展及實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略,促進(jìn)軋鋼行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、創(chuàng)新發(fā)展,引領(lǐng)行業(yè)跨越式發(fā)展,使我國(guó)由鋼鐵大國(guó)成為鋼鐵強(qiáng)國(guó)、由世界先進(jìn)技術(shù)的跟跑者成為領(lǐng)跑者。