“减量”助推节能降耗和高效生产 ——从资源和工艺看减量化轧制技术的发展

王国栋

        减量化工艺技术是一项重要的技术，它要求我们必须根据当前的问题，从钢铁工业发展的大视野出发，努力实现创新驱动发展，开发特色的、与众不同的、绿色化的新一代工艺、装备和技术，实现钢铁工业的中国化的大改造，走出一条减量化、节约型、低成本的发展道路。

        我国钢铁科技工作者在减量化生产技术发展方面做出了巨大的努力，通过产学研合作，已经有一批减量化技术研究成果开发并应用于生产，发挥了重要作用。

资源减量化：新一代控轧控冷技术

        控制冷却技术：东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）针对热轧钢材冷却技术这一关键共性技术，开发了适用于不同热轧钢材品种的轧后冷却系统，实施新型的控制轧制和控制冷却过程，提高了产品质量，降低了生产成本，实现了减量化生产。

        采用新一代TMCP技术，可以在提高强度、塑性和韧性的同时有效降低微合金元素的用量，实现节约型减量化生产。该技术应用于普通C-Mn钢的大批量工业现场生产结果表明，在热轧工艺不需要采用低温轧制的条件下，采用以超快冷为核心的新的TMCP工艺可有效实现细晶强化、析出强化、相变强化，从而使钢材强度提高100MPa~200MPa以上，合金元素的用量与常规产品相比降低30%以上，取得节省资源和能源、减少排放的效果。研究超快速冷却条件下热轧钢材显微组织控制关键技术并实现产业化是实现热轧产品升级换代、由“资源消耗型”向“资源节约型”转化的合理技术途径。

        RAL针对中厚板首先提出的是超快冷＋层流冷却的设计概念，在现有的层流冷却系统的基础上，增设超高速冷却系统，实现了钢材成分减量化和生产工艺减量化。特别是管线钢的生产，不仅成分减量化，而且解决了高强钢板的板形质量问题。2011年，新型轧后冷却系统又被推出，全部冷却集管采用冷却速度无级可调的倾斜喷射式喷嘴，可进行超级柔性化的冷却路径控制，已经应用于某公司2800中板轧机改造，取得了良好的减量化效果，板形质量和表面质量有明显改进。采用同样系统的该公司4700中厚板轧机正在建设中。

        该技术应用于热轧带钢轧机，也取得了良好的效果。最近某公司2160热带轧机和2250热带轧机正在利用改进型的超快速冷却系统进行改造，将分别在今年底和明年初投产。H型钢轧机采用该技术后，产品升级效果明显。目前已有一套轧机采用，其余几套H型钢轧机正在立项中。

        用于热轧棒材的超快速冷却系统安装于棒材热连轧机组之后，对正常温度轧制的轧件进行超快速冷却。该技术用于钢筋，可以与常规的轧制制度相配合，减少控制轧制的难度，节省微合金元素，生产高级别的产品，不仅可以同时提高材料的强度和韧性，而且产品具有低的屈强比。目前，该技术存在轧后锈蚀问题，在一些企业通过终冷温度控制可以得到一定的缓解，此问题还在解决中。该系统还可应用于轴承钢的生产，可有效降低网状碳化物的级别，改进轴承钢的质量，已经有1套轧机进行了改造，尚有2套正在改造中。

        新一代TMCP技术目前正在拓展其应用领域，向管材、线材、窄带钢等品种推广应用，可望得到很好的减量化效果。在管材生产中，改变了过去单纯依靠添加合金和离线热处理的传统思路，通过冷却控制实现减量化。在线材生产中，着力推广线材的在线汽雾冷却，代替离线的DLP处理，得到超细的索氏体组织，实现工艺减量化。

        目前，在普通碳钢的应用方面，已经进行了超快冷应用的基础研究。通过超快速冷却迅速冷却到共析温度一下，可以抑制高碳钢的先共析渗碳体的析出，并促进碳化物由网状转化为粒状。对于亚共析钢，也可以促进碳化物由片状结构的珠光体向粒状渗碳体转化，对于提高这一类钢材的力学性能非常有利。这一技术在应用到特钢方面具有独特的优势，从目前已经进行的工作来看，在轴承钢、弹簧钢、不锈钢、硅钢等方面已经显示出良好的应用效果。特别在析出控制方面，利用超快速冷却技术，可以做到对不利析出的抑制和有利析出的促进，对组织的改进和性能提高有极大的拓展空间。

        如今，新一代TMCP技术被列入《产业关键共性技术发展指南（2011年）》、《钢铁工业“十二五”发展规划》和《产业结构调整指导目录（2011年本）》等政策中，并已有一批项目列入国家科技示范项目，正在“十二五”期间实施。

        控制轧制技术：控制轧制是TMCP技术的重要方面，其核心在于进行控制冷却的组织准备，即获得硬化状态的奥氏体，以便在随后的奥氏体向铁素体相变的过程中形成大量的铁素体的核心，从而细化铁素体的晶粒。

        大变形轧制是获得硬化奥氏体的重要手段，大变形还有利于变形深透到板材芯部，有利于改善钢板芯部的质量，可以采用楔形轧制法和咬入返回法等避开头部冲击载荷，提高道次轧制压下量。

        温度控制对控制轧制十分重要。因此，在轧机上，为了按照控制轧制要求，实现各道次温度的即时、精确控制，粗轧机和精轧机均可安装机架式超快冷装置，实现控温轧制。这一措施对于提高控轧质量和提高轧机的生产效率，十分有效。机架式超快冷装置的另一个作用是实现板坯表面－芯部的差温轧制。所谓差温轧制是在轧制过程中边轧制，边快冷，温度来不及深入到轧件内部，形成上下表面低温，板坯中间芯部维持原来的较高温度。这样在轧制时，上下表面温度低于芯部，变形抗力大，不易变形，而芯部温度高，容易变形。这就会促使变形深入到轧件芯部，有利于消除芯部缺陷提高芯部质量，同时减少由于板坯表面变形引起的双鼓形缺陷，甚至边部折叠，提高成材率。

工艺减量化：在线热处理和集约、复合生产技术

        在线热处理技术：近年来，在线热处理技术受到普遍重视，这是因为其利用轧制余热对钢材进行热处理，可以省去离线热处理的二次加热工序，因而达到节省能源、简化操作、缩短产品交货期的目的。同时，在线热处理可以利用材料热轧过程中积累的应变硬化，因此有些情况下可以得到比离线热处理更优的产品性能和质量。

        对于中厚板的在线热处理，考虑到新置在线热处理设备巨量电力需求和投资带来的困难，国内正在研究利用超快冷设备进行在线热处理的可能性。采用超快速冷却系统作为中厚板的轧后冷却系统，为轧后冷却控制提供了多种可供选择的热处理方案。在轧制阶段，依据钢种的设计要求在高温轧制和低温轧制之间进行轧制温度的优化选择。终轧之后，可以采用超快冷或者ACC（层流冷却），实现从低冷速到高冷速的各种不同的冷却速度，并对终冷温度进行控制。通过冷却及后续加热过程的控制，可以获得多种多样的组织，因而得到多种多样的材料性能。因此，采用超快速冷却系统与各种不同的后续冷却、加热过程配合，会使得轧后的热处理过程变得丰富多彩，具有极大的创新空间。

        对于线材来说，由于制品要求的强度不同，线材轧制后的“调整冷却”有多种形式。可以采用保温罩等冷却速度慢的“缓冷设备”实现线材的缓冷。在Stelmor冷却线上，通过吹送常温空气进行较快速冷却的“空冷”，吹送空气的压力和流量不同，则可以实现不同的冷却速度。DLP（盐浴冷却）是将盐加热成液体（约550℃）线材在其中通过，并进行一定冷却速度的冷却，冷却速度可以终止在550℃。线材通过沸水的EDC（热水冷却）也可以实现线材的快速冷却。

        DLP设备对于调整高碳钢（要求高强度）的强度和韧性是有效的。DLP技术将高温奥氏体在导热性良好的恒温金属液体中进行快速冷却，得到铁素体－渗碳体片层间距细小、均匀的珠光体组织。片层间隔越小，强度越高。由于使用无铅等金属的盐类，热传导性好，附着在线材上的盐容易回收再利用，比用铅减少环境负荷。目前，国内是在用户厂家进行DLP处理。如果这一工序在线材厂利用线材轧制余热完成，则用户省略DLP处理工序，节省一火热处理成本，是减量化的生产方法。

        在线材轧制之后，进行汽雾冷却，可以替代DLP工艺，进一步实现工艺减量化。采用汽雾冷却，原始奥氏体晶粒比LP线材小。由于冷却能力强，相变在低温区进行，珠光体片层间距比SC线材小，可在高强度化的同时高延性化。据报道，这一技术已经用于高碳钢线材的高强化、高延性化、中碳U形螺栓用线材省略热处理加工过程，以及低碳弹簧钢线材的新钢种开发等。

        取向硅钢的减量化生产技术和装备：取向硅钢低温加热生产技术是一项重要的减量化生产技术。宝钢历经十余年的艰苦开发，突破了低温高磁感取向硅钢的关键技术，成为世界上第三个掌握这项技术的企业。宝钢利用自主研发的从冶炼到成品的全套模拟实验设备，开发了渗氮技术的两项关键核心技术，即稳定渗氮控制技术和抑制剂稳定控制技术，开发出以（Si，Al）N和（Si，Mn）N为主要组分的抑制剂体系，形成抑制剂控制技术。他们研究开发了组织织构控制技术和硅钢底层形成技术，实现了底层的质量的有效控制。在上述核心技术形成的基础上，宝钢自主集成硅钢生产线，在产线模块化、高效化、高精度、节能化等方面取得多项关键技术突破，并实现了高等级取向硅钢产品牌号的全覆盖，其中有10个牌号的产品填补了国内空白。武钢也在低温高磁感取向硅钢的开发方面取得突破，新建产线年内可以投产，成为同时掌握高温路线和低温路线的硅钢生产厂家。最近，国内有关单位采用独特的抑制剂设计，开发中温加热硅钢生产技术，既不需要高温加热，也不需要脱碳退火过程中渗氮，已经在实验室试制出HiB硅钢，也许会发展成新的减量化硅钢生产方法。

        集约化轧制技术：我国钢铁企业普遍存在钢种过多的问题，造成炼钢和连铸工序的管理压力，引发产品质量下降、生产效率降低。为解决这一问题，可在炼钢连铸工序通过钢种归并实现大规模定制化生产。这种生产方法利用同一种坯料，在轧制阶段优化轧制和热处理工艺，实现针对用户需求的“定制生产”模式。这种生产方式的转变，在简化炼钢、连铸生产和降低管理难度的前提下，通过集约化生产方式实现“一钢多能”的目标。该技术以组织性能预测技术为基础，同时应用人工智能技术进行调优，进行轧制过程参数的反向优化。该技术包括钢种归并规则、“同系列相邻级别”钢种集约化生产规则、“跨系列同级别”钢种集约化生产规则等集约化生产的原则和具体实施、优化方法，并建立钢种归并的智能化系统。这种方法被应用于宝钢梅钢，到目前为止通过优化精简掉近40个出钢记号，精简比例约20%，取得了显著的经济效益。

        厚板坯制造技术：大厚度大单重钢板是低合金高强度宽厚板的重要组成，是中厚板生产的重要核心技术。厚板生产需要的厚板坯是首先必须解决的问题。目前关于厚板坯有铸锭法、厚板坯连铸法、水冷模铸法、电渣重熔法、电子束真空焊接法五种厚板坯生产工艺。其中，铸锭法铸坯质量差、成材率极低（约65％）。水冷模铸法优于铸锭法，但是铸锭固有的问题难以解决。电渣重熔法虽可以保证铸坯的质量，但是生产效率较低，生产成本高，适于生产量小、附加值高、不适于连铸的高端产品。厚板坯连铸法厚度有限，不能满足要求。

        板坯复合生产中厚板技术由日本首先开发应用，其工艺是：首先对作为坯料的连铸板坯进行表面处理，利用酸洗、喷丸、铣削等方法除去氧化铁皮、油渍和其他不洁物。然后将处理后的板坯叠合，装入到大型真空室，每个真空室抽真空后对组合板坯四周进行电子束焊接。然后加热组装板坯，通过低速强压下轧制技术将钢板复合焊接在一起，从而生产出无缺陷的超厚钢板。这种方法板坯成材率高，复合质量高，是减量化的厚板坯制造技术。

        国内借鉴JFE的复合轧制方法，通过大量的实验室研究和实际中厚板轧机的现场实验，开发出低速强压下轧制技术、防止复合部位氧化的高真空技术、复合表面处理和高洁净化等系列技术，轧制复合得到的厚钢板有良好的整体性和力学性能，可以满足重要工程的需要。电子束焊接法已经在济钢应用，用250mm厚度的板坯2块，焊接后复合轧制，可以生产310mm厚的厚板，探伤1级合格，各项质量均满足标准要求。  

信息来源：中国冶金报