高強度(du)寬厚(hou)板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)(de)冷卻一(yi)直是寬厚(hou)板(ban)(ban)(ban)生(sheng)產(chan)中的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)冶金手段。近幾年，這(zhe)一(yi)領域取得(de)的(de)(de)(de)顯著進步，既能(neng)(neng)滿足更高水平的(de)(de)(de)需求，又能(neng)(neng)不(bu)斷提高寬厚(hou)板(ban)(ban)(ban)的(de)(de)(de)材料(liao)性(xing)能(neng)(neng)。高強度(du)鋼種(zhong)的(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)是寬厚(hou)板(ban)(ban)(ban)市場(chang)的(de)(de)(de)主要(yao)趨向(xiang)，其中船用鋼板(ban)(ban)(ban)及管線用鋼板(ban)(ban)(ban)是這(zhe)一(yi)領域的(de)(de)(de)兩大主要(yao)產(chan)品。高強度(du)寬厚(hou)板(ban)(ban)(ban)除(chu)了要(yao)求提高抗(kang)拉強度(du)外，還需具備優異的(de)(de)(de)韌性(xing)，優良的(de)(de)(de)可(ke)焊接性(xing)及精確的(de)(de)(de)平直度(du)。
1 寬厚板的熱(re)機械軋制
寬厚板的(de)(de)熱(re)軋(ya)(ya)(ya)(ya)可分為兩種(zhong)工(gong)藝：傳統熱(re)軋(ya)(ya)(ya)(ya)法(fa)及控(kong)制(zhi)(zhi)軋(ya)(ya)(ya)(ya)制(zhi)(zhi)。傳統熱(re)軋(ya)(ya)(ya)(ya)法(fa)的(de)(de)目標是用最少(shao)的(de)(de)軋(ya)(ya)(ya)(ya)制(zhi)(zhi)道次(ci)生產特定(ding)尺寸(cun)的(de)(de)產品，而控(kong)制(zhi)(zhi)軋(ya)(ya)(ya)(ya)制(zhi)(zhi)則是一種(zhong)獨立的(de)(de)軋(ya)(ya)(ya)(ya)制(zhi)(zhi)方式，即為了獲得材(cai)料(liao)所需的(de)(de)高強度及韌性等綜合性能，在(zai)(zai)軋(ya)(ya)(ya)(ya)制(zhi)(zhi)中精(jing)確地控(kong)制(zhi)(zhi)材(cai)料(liao)形狀及操作溫(wen)度。熱(re)機(ji)械軋(ya)(ya)(ya)(ya)制(zhi)(zhi)是在(zai)(zai)奧氏(shi)體不能再結晶(jing)的(de)(de)溫(wen)度范圍內完成最后一個軋(ya)(ya)(ya)(ya)制(zhi)(zhi)道次(ci)。機(ji)械性能及細晶(jing)粒(li)是在(zai)(zai)隨后對成型奧氏(shi)體組織(zhi)的(de)(de)水冷中決定(ding)的(de)(de)。
在水(shui)冷(leng)(leng)方(fang)面有(you)兩種(zhong)主(zhu)要方(fang)式：加速(su)冷(leng)(leng)卻(que)(que)及(ji)直(zhi)(zhi)接(jie)淬(cui)火。當采用加速(su)冷(leng)(leng)卻(que)(que)時，冷(leng)(leng)卻(que)(que)過程從約800℃開始，到500℃及(ji)600℃之間結束(shu)。加速(su)冷(leng)(leng)卻(que)(que)由于能(neng)使微觀(guan)組(zu)織(zhi)細(xi)化，從而提高鋼板(ban)的(de)機械(xie)性能(neng)。這類寬(kuan)厚板(ban)的(de)微觀(guan)組(zu)織(zhi)主(zhu)要成分是(shi)細(xi)晶粒的(de)鐵素體(ti)(ti)/珠光體(ti)(ti)，鐵素體(ti)(ti)/貝(bei)(bei)(bei)氏體(ti)(ti)，或(huo)是(shi)全貝(bei)(bei)(bei)氏體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)。對直(zhi)(zhi)接(jie)淬(cui)火而言，鋼板(ban)盡可能(neng)快的(de)冷(leng)(leng)卻(que)(que)下來。冷(leng)(leng)卻(que)(que)的(de)起始溫(wen)度約為(wei)(wei)900℃，而終止溫(wen)度則低于250℃。直(zhi)(zhi)接(jie)淬(cui)火鋼板(ban)通常為(wei)(wei)高硬(ying)度的(de)貝(bei)(bei)(bei)氏體(ti)(ti)和(he)/或(huo)馬氏體(ti)(ti)組(zu)織(zhi)，一般(ban)用作機械(xie)應力(li)和(he)/或(huo)耐磨性要求(qiu)高的(de)結構件(jian)。
冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)(su)率(lv)(lv)：影(ying)響鋼(gang)板冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻(que)的(de)(de)(de)主要(yao)因素是(shi)冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)(su)率(lv)(lv)。冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)(su)率(lv)(lv)是(shi)指(zhi)入口-出口側的(de)(de)(de)溫(wen)度差與冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻(que)時間(jian)的(de)(de)(de)比率(lv)(lv)。冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻(que)時間(jian)是(shi)指(zhi)在有效冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻(que)段(duan)的(de)(de)(de)停留時間(jian)。提(ti)高(gao)(gao)冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻(que)速(su)(su)(su)率(lv)(lv)，即(ji)加速(su)(su)(su)冷(leng)(leng)(leng)(leng)卻(que)，可細化鋼(gang)板的(de)(de)(de)微觀組織，從而提(ti)高(gao)(gao)鋼(gang)板強度。
加(jia)速(su)冷卻可通過以下途徑(jing)提(ti)(ti)(ti)高(gao)強(qiang)(qiang)度(du)：細化(hua)(hua)鐵素(su)體晶(jing)粒、析(xi)出強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)以及貝(bei)(bei)氏(shi)體相變(bian)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)。然而，提(ti)(ti)(ti)高(gao)屈(qu)服(fu)強(qiang)(qiang)度(du)和抗拉強(qiang)(qiang)度(du)的(de)機理(li)不同(tong)。加(jia)速(su)冷卻通過細晶(jing)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)和析(xi)出強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)來提(ti)(ti)(ti)高(gao)屈(qu)服(fu)強(qiang)(qiang)度(du)，而抗拉強(qiang)(qiang)度(du)的(de)提(ti)(ti)(ti)高(gao)則(ze)是通過貝(bei)(bei)氏(shi)體相變(bian)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)實現。
研究400HV10鋼（0.15%C-1.4%Mn-0.04%Nb）在直接淬火(huo)條(tiao)件下(xia)不同冷(leng)卻速(su)率對組織(zhi)的影(ying)響(xiang)發現，空冷(leng)時（1℃/s）獲(huo)得(de)鐵(tie)素(su)體/珠光體組織(zhi)以及少(shao)量的馬氏(shi)體，硬度(du)(du)達到220HV 10（對應于抗(kang)拉(la)強度(du)(du)740MPa）。中等冷(leng)卻速(su)率（10℃/s）獲(huo)得(de)貝氏(shi)體組織(zhi)，硬度(du)(du)為290 HV10（抗(kang)拉(la)強度(du)(du)約(yue)940MPa），而采(cai)用更(geng)高(gao)的冷(leng)卻速(su)率（30℃/s），則(ze)得(de)到100%的馬氏(shi)體組織(zhi)，硬度(du)(du)高(gao)達410HV10（抗(kang)拉(la)強度(du)(du)約(yue)1300MPa）。
物(wu)理約束：采用(yong)現(xian)代化(hua)冷(leng)卻設備很(hen)容易達到100℃/s以上(shang)的冷(leng)卻速率。然而，如此高的冷(leng)卻速率僅能在鋼板(ban)表面以及(ji)薄(bo)規(gui)格的鋼板(ban)上(shang)才能實現(xian)。對于厚規(gui)格鋼板(ban)，鋼板(ban)芯部能夠達到的冷(leng)卻速率隨鋼板(ban)厚度(du)的增加而顯著下(xia)降，其限制性(xing)因素(su)是鋼板(ban)的導熱性(xing)。
鋼(gang)板表面和(he)芯(xin)部冷卻(que)速率的差異(yi)導致(zhi)組織不同，從而造成鋼(gang)板性(xing)(xing)能的不均勻性(xing)(xing)。而且，微觀組織的差異(yi)導致(zhi)在鋼(gang)板表面和(he)芯(xin)部之間產(chan)生張力應力，對鋼(gang)板的平直度產(chan)生影響。
2 冷卻技術
層流冷(leng)(leng)卻(que)：目前，鋼(gang)板廠采用(yong)的(de)冷(leng)(leng)卻(que)系(xi)統(tong)各式(shi)各樣，其中層流冷(leng)(leng)卻(que)系(xi)統(tong)是(shi)全球最普遍(bian)使用(yong)的(de)冷(leng)(leng)卻(que)設備。該冷(leng)(leng)卻(que)系(xi)統(tong)用(yong)在加速冷(leng)(leng)卻(que)及直(zhi)接淬火等(deng)領域，除了用(yong)途廣泛外，該系(xi)統(tong)的(de)特點是(shi)構造簡單、能耗低(di)、維護成(cheng)本低(di)。
噴(pen)霧冷(leng)(leng)卻：2001年SMS Demag公司開(kai)始(shi)開(kai)發(fa)新(xin)型冷(leng)(leng)卻系統。為了能(neng)在極高(gao)的(de)冷(leng)(leng)卻速率下提高(gao)薄規格鋼板(ban)(ban)的(de)平直度，開(kai)發(fa)出(chu)淬火型冷(leng)(leng)卻系統。基本(ben)思(si)想思(si)是(shi)混合使用高(gao)水壓(ya)（高(gao)達5巴）和噴(pen)淋(lin)頭之間的(de)夾送(song)輥，調整夾送(song)輥保護(hu)靠近鋼板(ban)(ban)表面布置的(de)噴(pen)嘴(zui)。此外，夾送(song)輥可避免殘存水的(de)流動，提高(gao)冷(leng)(leng)卻效率及溫度的(de)均(jun)勻(yun)性。在冷(leng)(leng)卻過程中，夾送(song)輥對(dui)鋼板(ban)(ban)進行導位，保證了沿(yan)鋼板(ban)(ban)表面的(de)熱分布均(jun)勻(yun)，提高(gao)鋼板(ban)(ban)冷(leng)(leng)卻后的(de)平直度。
層(ceng)流(liu)與噴(pen)霧混(hun)合冷卻(que)(que)：在(zai)實際應用(yong)(yong)中，兩(liang)種系統通常混(hun)合使用(yong)(yong)，噴(pen)霧冷卻(que)(que)安裝在(zai)層(ceng)流(liu)冷卻(que)(que)段前面。特別是(shi)一些厚(hou)板生產廠(chang)家，正加大這類冷卻(que)(que)設備上的(de)投入(ru)。該系統已在(zai)幾家新廠(chang)以及現代(dai)化改造的(de)項(xiang)目上使用(yong)(yong)。
兩種冷(leng)(leng)卻(que)(que)方式可(ke)以(yi)混合使用(yong)，也(ye)可(ke)單獨使用(yong)。混合冷(leng)(leng)卻(que)(que)模式最常用(yong)于很薄、很厚以(yi)及很寬鋼(gang)板(ban)的加(jia)速冷(leng)(leng)卻(que)(que)和直接(jie)淬火(huo)。許多鋼(gang)板(ban)廠在冷(leng)(leng)卻(que)(que)設備(bei)前使用(yong)預矯直機(ji)。在大修(xiu)期間(jian)，噴霧(wu)冷(leng)(leng)卻(que)(que)系(xi)統(tong)可(ke)增設到(dao)已有的層流冷(leng)(leng)卻(que)(que)系(xi)統(tong)中。在新建造的設備(bei)中，已為(wei)將來的擴(kuo)建提(ti)供(gong)了基礎和空間(jian)。
3 冷卻控制
對每塊鋼板可單獨調(diao)整水(shui)流形式(shi)、流量(liang)以及分布。所有(you)的(de)調(diao)整都(dou)必須滿足精度以及動態特性等(deng)方面(mian)的(de)特殊要(yao)求(qiu)。為了精確控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)水(shui)流形式(shi)，每個冷淋頭(tou)或每個噴嘴淋頭(tou)可單獨控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。循環控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)由控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)閥和流量(liang)計(ji)實現(xian)。
為了實現所需的(de)冷卻參數，使用良好的(de)物料跟蹤(zong)系(xi)(xi)統是至關重要(yao)的(de)。要(yao)實現鋼(gang)板(ban)位(wei)置(zhi)的(de)精(jing)確控制，需要(yao)不同的(de)傳(chuan)感(gan)器以及不同的(de)控制方法。對跟蹤(zong)系(xi)(xi)統而言，需要(yao)在冷卻段前、中、后安裝高溫金(jin)屬探測器、光電裝置(zhi)、高溫計以及脈(mo)沖(chong)發生器。幾個同步點保證了冷卻系(xi)(xi)統精(jing)確跟蹤(zong)，精(jing)確遮蔽鋼(gang)板(ban)的(de)頭尾，實現優異(yi)的(de)冷卻效(xiao)果。
4 冷卻模型
冷(leng)卻過程(cheng)自身(shen)由冷(leng)卻模型來(lai)控(kong)制(zhi)，必須實現兩大功能(neng)：首先，材料經過不同相(xiang)的(de)溫度區間內改變(bian)材料的(de)微觀組(zu)織，這就需要充分了解相(xiang)變(bian)動力學；其次，必須調整冷(leng)卻過程(cheng)中的(de)冷(leng)卻速(su)率(lv)，并(bing)且需要補(bu)償(chang)鋼板(ban)頭尾(wei)存在(zai)的(de)溫差。
鋼(gang)板冷卻的(de)關鍵是對鋼(gang)板上溫(wen)(wen)度(du)分布(bu)的(de)精確測量。SMS Demag的(de)數學-物(wu)理冷卻模型顯示出的(de)圖(tu)像表明材料的(de)時間-溫(wen)(wen)度(du)特性的(de)不穩定性。模擬相(xiang)變所需的(de)主要參數包括(kuo)鋼(gang)的(de)化學成分、軋(ya)后特定鋼(gang)板厚度(du)下(xia)的(de)溫(wen)(wen)度(du)分布(bu)、相(xiang)變開始及終(zhong)止溫(wen)(wen)度(du)、奧(ao)氏(shi)體晶粒尺(chi)寸(cun)分布(bu)-溫(wen)(wen)度(du)關系(xi)以及決定于鋼(gang)板成分以及形狀的(de)奧(ao)氏(shi)體轉變等。
冷(leng)(leng)卻模(mo)型可以(yi)擴展成(cheng)包括自(zi)學習、自(zi)適應、記(ji)錄以(yi)及(ji)存檔等根本(ben)功能。該冷(leng)(leng)卻模(mo)型是根據大量的(de)設備(bei)設計與制造、研(yan)究(jiu)結(jie)果以(yi)及(ji)從許多鋼板廠反饋結(jie)果的(de)經驗基礎上(shang)建立起來(lai)的(de)。SMS Demag冷(leng)(leng)卻模(mo)型目前已在(zai)30多個冷(leng)(leng)卻設備(bei)上(shang)使用(yong)。
5 結論
SMS Demag設計供應的(de)冷卻(que)系(xi)(xi)統(tong)涵蓋了管線鋼(gang)板(ban)、造(zao)船板(ban)以及其(qi)它高強度鋼(gang)板(ban)生產所需的(de)全部冷卻(que)方(fang)案。自(zi)2000年以來，SMS Demag已經完成交付或簽訂13個鋼(gang)板(ban)冷卻(que)系(xi)(xi)統(tong)的(de)合同(tong)，其(qi)中6個為層(ceng)流(liu)冷卻(que)系(xi)(xi)統(tong)，7個為層(ceng)流(liu)與噴霧冷卻(que)混合系(xi)(xi)統(tong)。
現(xian)代鋼(gang)板用(yong)冷卻(que)系(xi)統(tong)的經濟效益非常顯著(zhu)，如對(dui)典型的管線應用(yong)，由于采用(yong)熱機械軋(ya)制后(hou)的加速冷卻(que)有可能改(gai)變鋼(gang)的化學成分，從有可比(bi)性的材料(liao)檢驗結(jie)果(guo)來看(kan)，節約成本大于40美元/t鋼(gang)。
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