代表性研究成果简介(四) 新一代控制冷却技术开发
1 背景和意义
我国的科技工作指导方针是：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。
在冶金行业的轧钢领域中，冷却过程发生复杂的相变，这为钢铁产品的组织性能控制提供了手段。我国5亿吨钢材都要经过热轧，都存在控制冷却的问题，而控制冷却的关键问题是水介质的正确利用。因此，如何节省资源和能源，开发引领未来的新钢材，实现科学发展观已成为钢铁领域的关键共性技术问题。
长期以来我国轧机普遍没有充分发挥水介质在控制冷却中的作用，不得不依赖添加合金元素改善和提高性能, 而资源总量有限，节省资源、减少使用量是各国钢铁生产企业所面临的共同课题。
水可以替代合金元素的作用，在轧制过程中充分利用水作为介质控制轧件温度和相变过程，可以减少合金元素添加量、简化工序、节约能源，减轻资源和环境压力，有助于企业采用节约型成分设计和减量化的生产方法，降低生产成本。也为高附加值品种及新钢种开发创造良好的技术条件，有利于实现产品的升级换代，采用低合金成分的材料开发出高性能的产品。
东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室从国家和企业的实际需求出发，经过多年的努力，开发出具有自主知识产权的新一代快速冷却关键成套设备和技术。
2 研究的主要内容
1）棒线材快速冷却技术
长期以来，在螺纹钢生产领域存在的一些技术问题一直没有很好解决，如生产成本高，高级别产品需要添加大量合金元素，经济效益差；产品性能不稳定，合格率偏低；强屈比偏低，不能满足高级别钢筋抗震结构的要求；Nb的添加常导致钢筋没有明显屈服点，建筑行业不接受等。
螺纹钢筋的生产工艺具有特殊性。普遍采用连续快速轧制（特别是精轧机组），材料发生强烈大变形；轧制过程升温明显，终轧温度高；产量大，轧制节奏快，要求尽量避免操作事故，减少换辊、换槽、调整导卫等非生产时间；另外中、小规格普遍采用切分轧制，要求保证一定的轧制温度；而国家标准明确规定不能进行余热淬火。
通过理论研究及实验分析，本实验室成功开发出棒线材轧后快速冷却技术和设备，并获得国家发明专利。其机理是棒材在再结晶区的连轧过程中可以使奥氏体强烈大变形，造成极细的、强烈硬化的、具有大量缺陷的奥氏体晶粒。对上述奥氏体施以高冷却速度的强化冷却，在很短时间内，一般不能大于0.5s，迅速冷却到相变温度附近，抑制奥氏体晶粒长大，尽量保持奥氏体的硬化状态。温度处于相变点附近细小的硬化奥氏体晶粒在适当空气冷却条件下，从容地转变为适度晶粒大小的铁素体。
该技术的优越性在于：
（1）理论上突破了生产C-Mn-Si系列高强度钢材和超细晶粒钢均需采用低温轧制的结论。在提高屈服强度和抗拉强度的同时，也使强屈比及塑性、韧性提高。
（2）采用C、Mn、Si成分微调、高温精轧＋快速冷却和高于再结晶温度上冷床的新工艺，在现有工业生产条件下用普碳钢生产HRB335级，用20MnSi生产HRB400级，用20MnSiV生产HRB500Ⅳ级热轧带肋钢筋。开辟了节省合金元素，降低生产成本，大幅度提高性能，促进产品更新换代的新途径。
（3）研制新型棒材轧后快速控制冷却器，冷却速度在800℃/s以上。实现大规格不弯钢，小规格不堵钢。控冷装置采用开启式分段控制，操作方便、灵活。
（4）轧制顺畅，工艺稳定。产量无影响，成材率、合格率和轧机作业率不下降。
新一代细晶螺纹钢筋在化学成分不变的前提下，通过采用快速冷却技术，使棒线材的力学性能有明显提高，且所有性能指标满足用户和国家标准的要求。该技术极大地降低我国高强度螺纹钢筋生产对微合金元素的需求，节约大量资源，使生产成本大为降低。也有效减少钢筋的使用量，同时减少钢筋焊接、预制以及运输等工作量，利于改善混凝土的流动性，提高工作效率，从而为下游企业降低了建设成本。
该技术在全国范围内得到了快速的推广，并连续实现产业化。已在萍乡钢铁公司、抚顺新钢铁有限责任公司、山东石横泰顺轧钢有限公司、山西宏阳钢铁公司（酒钢）、三明钢厂、八一钢铁公司、北营钢铁公司等十五家企业成功应用，到2007年12月已累计生产细晶螺纹钢筋1500余万吨。
快速冷却技术在高合金钢的组织性能控制方面获得了重大突破。
我国轴承钢生产的整体质量水平和质量稳定性与国际水平尚有较大的差距。虽然技术装备较先进，但生产工艺和质量控制手段不足。网状碳化物的析出是影响轴承钢的质量的最主要因素，碳化物的形状、大小和分布的均匀程度决定轴承钢的质量，控制碳化物的组织特征、数量和分布状态，对提高轴承钢性能至关重要。
通过快速冷却技术，采用合理的温度控制工艺技术路线，实现快速冷却时表面不出现马氏体组织，同时快速冷却穿水“返红”的温度不超过700℃，成功将网状碳化物的级别由原来的3.5～4级降低到2级以下，满足了高质量产品生产的需求。
该技术在宝钢特殊钢分公司得到实际应用，开创了快速冷却技术在特殊钢生产领域的新途径。
2）淬火机热处理技术
近年来我国多条中厚板生产线投入生产，普通中厚板产能过剩；而高等级产品如高强船板、桥梁板、压力容器板和不锈钢板等供应严重不足，主要依赖进口。高附加值中厚板产品已成为国际竞争的焦点，也是我国钢铁企业结构调整的重点目标。
淬火机技术是提高中厚板强度和硬度的重要手段，减少了合金元素含量，使焊接性能得到了提高。辊式淬火机生产流程紧凑、经济性更好，但对淬火过程中的冷却速度、板形控制等提出更严格的要求。
本实验室在理论分析的基础上，研究了辊式淬火机淬火过程提高换热系数的方法；钢板温度分布和冷却均匀性控制的途径；淬火机喷射结构形式对冷却效果的作用；不同钢种、厚度条件下淬火工艺参数的制定；淬火工艺参数对板形和平直度的影响等，经过几年的研究，开发出具有自主知识产权的中厚板淬火机技术，对推动我国中厚板生产技术进步起到了重要的推动作用。
该技术在临汾钢铁公司淬火机热处理线成功应用，解决了中厚板辊式淬火机淬火过程的冷却均匀性控制和平直度控制的难题。厚度为8～80mm的碳素钢淬火、奥氏体不锈钢固溶处理及双相不锈钢热处理等产品的性能指标均达到或优于国家和企业相关标准，取得了巨大的经济效益和社会效益。
3）热轧带钢快速冷却控制技术
热轧带钢采用快速冷却控制，可大幅度提升钢材性能。C-Mn钢(或添加微量Nb、Ti)直接热轧＋超快速冷却，利用细晶强化与相变强化相机制，提高强度、韧性、成形性能。生产析出强化型高强钢、热轧双相钢和TRIP钢，成本低廉、环境负荷小、易于再生，符合钢铁工业的可持续发展战略要求。可以实现钢种的柔性轧制，通过调整轧后冷却工艺，用Q235钢可以生产所有400MPa级别以下的产品；用16Mn钢生产550MPa级别以下的产品。同时冶炼生产率高，减少了炼钢、连铸换炉和换钢包的工作，提高产量和成分控制的准确性。
开发和设计了合理的冷却器结构，采用直集管布排方式，分析布排密度、集管直径、总出水面积、阀门响应时间等对热轧带钢性能的影响，对水量、水压、水流速度等工艺参数进行了优化计算。
成功开发出热连轧带钢温度高精度控制的数学模型和控制系统，根据钢种、规格，针对不同产品的性能要求，选择合适的冷却路径、冷却速度和控制策略，生产细晶钢、TRIP、DP等高强度、高附加值产品。
热连轧带钢快速冷却技术在包钢CSP生产线上得到应用。采用成分为0.07C -1.20Mn -0.15Si的钢种，利用层流冷却和后置式快速冷却，成功轧制出微观组织为铁素体和马氏体的热轧双相钢，马氏体体积分数为12%。屈服强度达到335～355MPa，抗拉强度达到555～565MPa，延伸率为31～34%，屈强比为0.59～0.64，n为0.18，宽度及长度方向力学性能均匀。
生产的6mm厚DP540钢板用于制造重型卡车横梁和尾板。在强度相当的情况下，双相钢成形性能优于传统钢级510L，冲压成形无裂边，回弹更小。
用于解决攀钢生产气瓶钢屈强比不足的问题，合格率由<80%提高到99%以上，综合力学性能指标达到国内同类产品的先进水平。通过适当调整终轧温度和卷取温度并采用两段冷却方式，HP295气瓶钢板的屈强比显著降低，卷取温度控制精度及均匀性得到极大提高。
开发的带钢快速冷却系统具有多种操作模式、自学习功能、关键工艺参数的记录并保存并与生产信息网络进行数据通讯。控制精度达到±20℃以内的头部命中率>90%，同板温度偏差达到±20℃。
3 创新性贡献
（1）深入研究了冷却的机理，抓住了如何打破汽膜这个关键问题，成功开发出快速冷却装置。热轧带钢冷却装置采用带压力水、密排管喷射式冷却方式，大面积打破汽膜；冷却速度达到 400℃/s，与常规方式相比提高2～5倍；棒材冷却装置采用环形小缝隙喷嘴的优化结构，冷却速度>800 ℃/s；淬火机采用缝隙射流冲击喷嘴，换热系数达到了14000W(/ m2•K)。
（2）实现轧制过程的冷却路径控制。原有的终轧温度控制策略已经不能满足组织性能精细控制要求，提出把冷却路径作为控制目标；根据冷却路径控制要求，开发出了适于冷却路径控制的设备和软件，通过阀门组态实现多点温度实时控制，实现钢材最终性能的订单化生产。
（3）具有良好的冷却均匀。对于带钢，采用高密度、小直径快速冷却系统，断面冷却更均匀。在棒材生产中，采用小缝隙环向结构，保证冷却的均匀性，圆周方向无肉眼可见色差，同截面硬度偏差<HB15。对中厚板的控制冷却，利用头尾、梯形冷却、U型冷却及遮蔽、凸度控制等技术，使板材具有良好的纵向温度均匀性和横向温度均匀性，通过水量配比的调整使上下表面温度更均匀。
（4）开发出精确控制数学模型。开发出快速冷却条件下在线有限元温度场的模型和数值计算软件，确定快速冷却条件下水冷换热系数；将自整定技术引入到冷却模型中，实现高精度的温度控制。
4 作用和影响
快速冷却技术也在H型钢和钢管生产中得到了成功应用。
开发的新一代的快速冷却技术目前在全国推广的生产线超过42条，将我国轧后冷却技术提升到一个新阶段，有多家企业正在就快速冷却技术寻求全面的合作。研制成功的中厚板淬火机和钢管的快速冷却技术已经成为企业新的经济增长点。
目前已形成了具有我国自主知识产权的轧后快速冷却成套核心技术；其中快速冷却装置和冷却路径控制成为企业关注的焦点，并已列入国家“十一五”科技支撑计划。
快速冷却技术的开发和应用推动了社会和行业的进步。通过快速冷却技术生产的钢材，减少了后续加工行业的生产成本；开发的中厚板淬火机热处理工艺打破了国外的垄断和封锁，形成了具有自主知识产权的独有技术，为高级别中厚板国产创造了条件；实现国产产品和设备替代进口，极大增强了我国钢铁行业在国际市场的竞争力。获奖成果如下：
1）低成本高性能结构钢板带材制造技术.辽宁省技术发明一等奖.刘相华，杜林秀，吴迪，赵宪明.2004.6
2）细晶带肋生产钢筋技术研发.福建省科技进步二等奖.吴迪(2)，刘相华(4)，王国栋(6).2006.12
3）超细晶螺纹钢筋开发.江西省科技进步二等奖.吴迪(2)，王国栋(3)，刘相华(4)，赵宪明(5)，邸洪双(7). 2006.5
4）高强度、低成本热轧带肋钢筋生产技术研究与实践.山东省科技进步三等奖.吴迪(2)，赵宪明(4).2007.4
5）低成本高强度技术在Si-Mn系Ⅲ级螺纹钢生产中的应用，辽宁省科技成果转化二等. 吴迪(2)，赵宪明(4)，刘相华(5).2007.2
6）低成本高强度带肋钢筋生产技术研发(Si-Mn系Ⅲ级螺纹钢开发)，辽宁省科技进步二等奖.吴迪(2)，赵宪明(4)，刘相华(5).2007.10
7）中厚板控制冷却工艺与设备开发. 辽宁省科技进步三等奖.李建平(1)，牛文勇(5)，苏海龙(9)，赵德文(14)，甄立冬(18)，王国栋(22)，刘相华(23)，张殿华(24).2004
8）H型钢轧后控制冷却技术的研究与应用.冶金科技进步三等奖.吴迪(2)，赵宪明(4).2006
9）低成本高性能结构钢超细晶复相化组织控制与产品开发.沈阳市科技进步三等奖.刘相华(1)，杜林秀(3)，高彩茹(5)，衣海龙(7)，花福安(8)，吴红艳(9)，刘彦春(10)，李艳梅(11).2006