【技术前沿】东北大学成功研发热连轧板带钢超快速冷却技术

热连轧板带钢是产量最大的板材门类。高效准确地实现组织性能调控，同时保证良好的钢材形状，实现热连轧板带钢的低成本高质量开发生产，是热轧板带钢产品开发和生产长期以来追求的目标。

控轧控冷作为热轧钢铁材料关键共性技术，冷却均匀、冷却速率大范围可调的基于射流冷却机制的新一代控制冷却—超快速冷却技术，是优化热轧带钢合金成分体系和改善板材板形等综合质量的主要工艺途径。尤其是在当前激烈的竞争形势下，无论是对于降低生产成本，还是对于企业高质量转型发展，均具有重要的意义。

前言：

超快速冷却原理：是采用一定压力的冷却水，以一定角度喷射至高温钢板表面，有效去除钢板表面汽膜和钢板残水，使新水和高温钢板直接接触，并在钢板表面形成有序壁面流动，从而大大提高钢板和冷却水之间的热交换和均匀性，实现基于射流冲击换热机制的高效高均匀性冷却。基于该冷却机制，通过喷嘴结构的优化设计实现喷嘴出口流量沿带钢宽度方向的合理分布，从而实现带钢冷却速率大范围可调的高均匀性冷却。

图1 开发的热连轧板带钢超快速冷却系统

热轧钢铁材料-冷却速率-合金元素的关系：结合钢铁材料连续冷却相变曲线（CCT曲线），在适当高冷速的冷却条件下，采用节约型的成分设计可以获得低冷速下同类高合金元素产品的组织与性能。

图2 冷速-合金元素-相变曲线关系示意图

为此，在应用超快速冷却技术进行热轧钢铁材料组织性能调控中，可以丰富轧后冷却路径控制手段，针对不同的组织性能要求通过轧后冷却路径的灵活、精准控制，在组织性能调控方面显现出强大的技术优势。

以超快冷为核心的新一代控轧控冷技术在组织性能调控方面具有广阔的应用前景，主要优势体现在：① 更加有利于综合运用细晶强化、析出强化、相变强化等强化机制，降低了对合金元素提高强度的依赖，“一钢多级”，降低了钢的冶炼成本，实现了减量化、集约化的轧制生产；② 基于超快冷的高效高均匀性冷却，全面提升热连轧板带钢产品的板形及性能稳定性；③ 具备宽广的冷速控制范围，可以实现空冷与超快速冷却之间的无级调速，满足多样的冷却路径控制要求，采用相对简单的化学成分就可以获得不同强度级别和性能需求的钢铁材料。

超快冷设备工艺布置：

东北大学RAL热连轧超快冷技术自2004年经历中试装置研发、首套装备开发，目前已形成完善成熟的热连轧带钢超快冷装备与工艺技术。

在热连轧产线上，超快冷在轧后有两种布置方式：

（1）前置式超快速冷却系统：前置式超快速冷却设备布置在精轧机后，用于将热轧板带钢按给定的工艺要求冷却到所需温度。可在不添加合金元素或少添加合金元素用量的情况下，开发同等级别的热轧板带材，降低生产成本。

（2）后置式超快速冷却系统：后置式超快速冷却设备布置在层冷精冷段后、卷取机前，将热轧板带钢按给定的工艺要求冷却到终冷温度，可经济地实现双相钢、TRIP钢等高附加值产品的大批量连续稳定生产。

除轧后控制冷却工艺外，在粗轧区域应用超快冷技术，开发形成粗轧控温技术，即在粗轧区设置超快冷，与轧制过程进行配合，即时调整轧件温度，实现轧制温度的高精度、高效率调整与控制，以及实现对轧制过程奥氏体晶粒尺寸、形貌、微合金元素的固溶和析出的调控，为随后的冷却相变过程奠定基础。

超快速冷却在热连轧板带钢生产线的工艺布置如下图所示。

图3 超快速冷却工艺布置示意图

典型产品工艺应用：

结合超快冷设备条件和热轧板带钢产品特点，在热连轧产线上单独采用超快冷系统，相继开发出UFC-F、UFC-B、UFC-M及后置式UFC-DP等轧后冷却工艺，减少Mo、Nb、V等昂贵合金元素的添加。同时，可同比采用更经济的Mn等元素，减少产品板坯连铸过程碳锰偏析，改善内部组织及焊接性能，很好地满足全系列低合金钢、汽车结构钢、管线钢、超/高强钢以及冷轧基板的高质量低成本经济型生产，实现特色化、高品质的热连轧板卷工艺技术及产品开发，促进了热连轧板带钢开发生产的降本增效及提质增效。

图4 基于超快速冷却技术的热轧钢材组织调控工艺

针对热轧碳素结构钢产品，基于UFC-F工艺，开发出细晶结构钢，如普通碳素结构钢、车轮钢以及窄性能波动的热轧高强板卷产品。热轧带钢经前置超快冷系统，富含“缺陷”的加工硬化奥氏体被快速冷却至动态相变温度Ar3以下，促进了铁素体和珠光体组织细化，提高了产品强度与韧性。

针对高钢级管线钢产品，创新开发UFC-B工艺技术。高冷却能力确保钢板心部仍具有较高冷速，利于心部获得大量细化针状铁素体，从而可在低碳当量成分设计条件下获得低温冲击韧性、DWTT等性能稳定的管线钢产品。进一步拓展管线钢产品厚度范围，实现了极限厚规格X70、X80管线钢的开发与工业化应用。

此外，利用超快冷高强度均匀化冷却特点和板厚方向的“温度梯度”特性，有效解决了常规工艺下管线钢残余应力高的难题，实现了低残余应力高钢级管线钢的开发及大批量工业化生产，如图5和图6所示。

(a) 管线钢头部不冷段控制效果

(b) 低残余应力管线钢冷却温度曲线

图5 生产过程中的管线钢

(a) 基于传统层流冷却的低温卷取工艺

(b) 基于超快速冷却的卷取工艺

图6 19.65mm厚度规格X70钢卷开发生产

针对高强和超高强钢产品，尤其是薄规格耐磨钢板，采用在线热处理代替离线热处理，可大幅度降低生产成本，提高生产效率。采用超快速冷却技术，利用其高冷却速率、高冷却均匀性特点，控制其在冷却过程的相变进程及组织晶粒度，开发出了UFC-M工艺，实现了薄规格钢板的在线热处理如NM300TP进行在线淬火，简化了生产工艺流程。

针对热轧双相钢等产品，利用后置式超快冷，开发出UFC-DP工艺技术。开发的C-Mn系热轧双相钢，带钢板形良好、使用性能稳定，实现了铁素体-马氏体双相钢的减量化生产。进一步结合成分与组织控制，通过在输出辊道上灵活调控热带钢的冷却路径，可经济稳定地开发出具有高强韧、高延伸凸缘性能的一钢多级双相钢产品。已完成了厚度规格覆盖3.0-11.0mm、强度覆盖540-800MPa的热轧双相钢开发生产，如图7所示。

图7 11.0mm厚度规格DP590钢卷及典型心部组织

结语：

开发的超快速冷却技术，通过工艺-装备-产品一体化技术创新，不仅在资源节约型高品质热连轧板带钢产品开发，而且在提高热轧板带钢轧后冷却均匀性，降低热轧板带残余应力、改善热轧板带钢温度均匀性和板形质量等方面体现出显著成效，也为我国资源节约型高品质热轧板带钢产线技术升级提供了保障。

热连轧板带钢超快速冷却技术创新与应用实践，得到了湖南华菱涟钢、首钢迁钢、首钢京唐、包头钢铁、江苏沙钢、山钢日照精品基地、攀钢西昌、河钢乐亭、广西盛隆、日照钢铁、天津荣程等大型钢铁企业的大力支持，推广应用至二十余条热连轧生产线，形成了我国成熟完善的自主知识产权的热轧板带钢新一代控制冷却工艺与装备技术。工业化应用实践表明，超快速冷却技术作为重要的工艺手段，为开发生产系列化、特色化、高品质热连轧板带钢产品做出了重要贡献。

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