如何实现热连轧板带钢的高品质绿色化生产？

编者按：“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”由东北大学钢铁共性技术协同创新中心主任王国栋院士担任主编，业内多位院士担任顾问，联合钢铁行业各领域的权威专家、学者共同撰写，凝炼出涵盖整个钢铁制造全流程（选矿-冶炼-热轧-冷轧-产品-服务）的关键共性技术，包含国际原创性工艺思想和生产装备技术，可供钢铁企业及广大科技工作者了解新技术、应用新技术，帮助企业开阔视野、正确决策，促进钢铁行业高质量绿色发展。

热连轧板带钢新一代控轧控冷技术

1 研究背景与意义

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新一代控轧控冷技术是近年来热轧钢铁材料组织调控工艺技术领域最重要的技术突破及研发成果。针对热连轧板带钢生产线，通过超快速冷却技术的合理配置，基于其高冷却均匀性、高冷却强度、冷却速率范围无级可调等特点，实现热轧板带钢轧制-冷却一体化组织调控，充分利用细晶强化、析出强化以及相变强化等综合强韧化机制，挖掘钢铁材料潜能，对于钢铁行业节约资源能源，开发生产高品质热轧钢铁材料，推动我国钢铁行业产品转型升级和绿色制造具有重要实用价值和意义。

东北大学作为新一代控轧控冷技术的倡导者，在基础研究-技术创新-应用实践基础上，持续开展热轧板带钢新一代控轧控冷工艺技术的开发与应用工作。在阐明有压倾斜射流冲击换热高效率、高均匀性冷却机理机制的基础上，结合热连轧板带钢产线特点、特色化产品工艺开发需求，持续升级完善多功能超快速冷却系统，不断拓展工艺应用领域，开发形成了集中间坯粗轧控温-轧后超快速冷却为一体的大型热连轧板带钢超快速冷却成套装备技术、组织性能调控方法与技术以及特色化产品体系。相关研究成果已应用至国内十余条大中型热连轧生产线，为开发系列化、特色化、高品质热连轧带钢产品作出重要贡献，也为我国钢铁行业热连轧主产线关键工艺、装备技术的自主创新作出了贡献。

2 热轧板带钢高强度均匀化冷却技术机理

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高强度均匀化冷却技术是新一代控轧控冷技术的核心。以层流冷却为代表的传统控制冷却技术，在热轧板带钢组织性能调控中发挥了重要作用。但随着板带钢产品对轧后冷却强度、冷却均匀性的要求进一步提高，层流冷却已愈发难以满足多样化的冷却工艺需求。鉴于此，区别于传统层流冷却技术，东北大学提出基于具有高换热强度的射流冲击换热机制，采用有压倾斜射流冷却方法，即通过采用一定压力的冷却水、倾斜喷射至运动钢板表面，冷却水直接冲击带钢表面，在冲击落点滞止流动区和壁面射流区域实现高的冷却强度；采用多重阻尼的射流喷嘴结构在确保冷却水实现板宽方向流量均布的同时，在带钢表面形成有序壁面射流，使得换热快速过渡到高效的单相强制对流状态，消除带钢表面汽膜和残留水的无序流动状态。此外，同比换热强度较低的层流冷却，在倾斜射流高强度换热条件下，具有较低冷却强度的残留水冷却过程对带钢表面的不均匀换热影响大为减小，在一定程度也提升了带钢冷却的均匀性。基于上述研究，实现了以高冷却强度、高冷却均匀性为特征的热连轧板带钢新一代控制冷却技术突破。

3 新一代控制冷却技术工艺配置

及典型产品应用

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以超快冷为核心的新一代控轧控冷工艺技术开发应用十余年来，经过不断完善与工艺拓展，在热连轧产线，已由轧后冷却应用拓展至集轧制过程中间坯控温冷却、轧后超快速冷却为一体的大型超快速冷却系统，多工序的轧制过程灵活控温，为实现轧制-冷却一体化的温度控制及组织调控提供工艺手段。目前，其典型的工艺配置如图1所示。

轧制控温冷却系统根据工艺需求有三种工艺布置形式。一是布置在粗轧机上，其目的在于实现在粗轧道次间即时冷却，通过冷却与轧制道次的有效结合，实现粗轧过程的即时控温，为轧制-冷却的一体化控制工艺提供支撑；二是布置在粗轧机后，其目的在于对粗轧后的中间坯进行冷却，减少典型钢种的摆钢待温时间，且能利用进精轧机前的时间进行有效返红，确保中间坯的心表温度均匀性；三是布置在精轧机组前，经过冷却系统后，中间坯进精轧机前，返温时间较短，表层返温不充分，板坯厚度方向温度存在一定梯度，实现精轧差温轧制工艺，促进中间坯心部变形，进而改善热连轧板带钢心部组织。

根据组织性能调控及工艺应用需求，轧后超快速冷却系统有前置式和后置式两种布置形式。前置式超快冷装备位于精轧机后，可单独控制使用，也可与常规层流冷却匹配使用，实现如图2（a）所示的工艺路径，即在精轧后对钢板立即进行高强度冷却至工艺需求温度点，满足产品组织性能调控需要。后置式超快冷位于层流冷却与卷取机之间，其主要特点在于结合前置式超快冷或常规层流冷却，实现灵活的两阶段冷却控制，开发如双相钢、复相钢等典型产品，其工艺路径如图2（b）所示。

基于对轧后超快速冷却下组织调控机理的认知以及超快冷装备的开发实践，相继开发出UFC-F、UFC-B、UFC-M及后置式UFC-DP等轧后冷却工艺，充分发挥多种强化机制的综合作用，使钢中主要合金元素用量节省20%-30％或实现钢铁材料性能的大幅提升，实现特色化、高品质的热连轧板卷工艺技术及产品开发，有利于钢铁生产的降本增效及提质增效。

针对以铁素体珠光体组织为特征的热轧结构钢，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板卷产品。轧后通过超快冷系统快速冷却至动态相变点温度以下，利用高速率冷却，使得富含“缺陷”的硬化状态奥氏体被保存至铁素体相变区间，实现铁素体和珠光体组织细化，同时提高产品强度与韧性。

针对高钢级管线钢产品，尤其是厚规格管线钢，采用UFC-B工艺技术，高冷却能力可以保证钢板心部仍具有较高冷速，有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，同时进一步拓展管线钢产品厚度范围，实现了25.4mm极限厚度规格X70管线钢的开发与工业化应用。为有效解决厚规格高钢级管线钢低碳当量成分设计与良好低温冲击韧性、DWTT等性能之间的矛盾提供工艺方法和技术支撑。同时，利用超快冷高强度均匀化冷却特点，针对高钢级管线钢，采用新一代控制冷却工艺控制策略，在单独使用超快冷工艺下，利用板厚方向的“温度梯度”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。

针对热轧双相钢等产品，利用UFC-M工艺技术，可在C-Mn成分下实现马氏体相变，在保证钢板良好、稳定使用性能的同时，实现成分的减量化。同时利用两阶段冷却路径灵活调控的特点开发出具有高强韧、高延伸-凸缘性能的一钢多级双相钢产品。利用后置式超快冷，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。系列产品工艺技术的开发实践对推进我国高品质热轧双相钢生产工艺技术进步作出了贡献。

可以预期，在热连轧板带钢领域，基于新一代控轧控冷工艺，在轧后冷却区域取消层流冷却系统，配置7-8组以超快速冷却为特点的新一代控制冷却系统，对于实现板带钢轧后温度的高精度控制及组织性能的精准调控，实现高品质板带钢的低成本高效开发生产，具有重要现实意义。

4 结语

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基于上述理论研究与工业实践应用，对相关内容与研究成果进行了系统的梳理和总结，撰写了《热连轧板带钢新一代控轧控冷技术》一书，全书共分为10章，较为详细地介绍了以超快速冷却技术为核心的新一代控轧控冷（NG-TMCP）工艺原理、技术最新研究进展及其工业应用。涵盖了热连轧板带钢新一代控轧控冷技术工艺原理、成套装备与关键技术、自动化控制系统、组织调控工艺以及典型产品工业化应用等内容。

新一代控轧控冷技术通过工艺、装备、产品一体化技术创新，为我国资源节约型高品质热轧板带钢产品工业化生产及应用提供了保障。该项技术已应用至华菱涟钢、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。工业化应用实践表明，新一代控轧控冷技术作为重要的工艺手段，为开发系列化、特色化、高品质热连轧板带钢产品作出了重要贡献，有效推动了我国钢铁行业热连轧线生产工艺的技术进步。

本文摘编自“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”之《热连轧板带钢新一代控轧控冷技术》（袁国，李振垒，康健著.—北京：冶金工业出版社，2021.5）