2011 钢铁共性技术协同创新中心工艺与装备研发平台 2014-2018 运行周期总结

2011年度钢铁共性技术协同创新中心

工艺及装备研发平台

2014-2018年运营周期工作总结

编者按：“钢铁共性技术协同创新中心”自2014年10月获国家批准成立以来，已运行4年，中心工艺装备研发平台面向国家重大战略需求、经济社会主战场和世界科技发展前沿，聚焦钢铁行业关键共性工艺装备技术，按照已建立的平台顶层设计总体发展框架，结合行业发展需求，在选矿、冶炼、连铸、热轧、短流程、冷轧、智能制造等领域，明确主要任务，聚集创新资源，协同创新，研发出一系列创新工艺装备，推动钢铁行业资源节约型、环境友好型、高品质钢铁产品的开发和生产，圆满完成既定任务目标。本报专门组织了装备研发平台建设成果和最新研发成果的相关报道，供读者参考。

该项目突破了高强度均匀化冷却技术、高渗透轧制技术、热轧钢材性能综合控制技术等关键技术，该项目的实施使80%以上的热轧钢材强度提高100-200MPa，节约钢材用量5%-10%，最高生产效率提高35%以上，节能10%-15%，主要合金成分降低20%-50%。新一代控轧控冷技术已被科技部列为关键核心技术，钢铁材料技术发展路线图也被国家发改委、工信部、科技部确定为自主创新重大技术装备和行业关键共性技术。五部委17个产业政策指导文件，都以“节约资源、节能减排”为抓手。热轧钢绿色制造的示范推广，促进了钢铁行业节能减排和产业转型升级。

1 简介

热轧钢材占我国钢铁总产量的90%以上，是品种最齐全、结构最多样化的轧制钢材产品，但热轧工艺面临能耗高、资源消耗高、效率低的困境。“一体化组织性能控制理论、关键装备与工艺技术，可以减少对合金元素的过度依赖和资源的过度消耗，获得性能优良、环境友好的热轧钢材产品，也是实现钢铁工业可持续发展的关键因素之一，是我国钢铁工业发展的必然趋势。

本课题研究旨在通过研究新一代TMCP基于超快速冷却的射流冲击传热机理、钢材综合强化技术、高渗透轧制技术以及热轧钢材综合性能控制技术等关键技术。

2 理论研究

2.1 基于细晶粒、沉淀和相变

新一代TMCP钢材的综合强化机理

基于新一代TMCP工艺理念，开发了以超快速冷却为核心的工艺路线，明确了超快速冷却对再结晶行为的影响，建立了与超快速冷却相匹配的控制轧制理论体系，有效实现了奥氏体状态及应变诱导析出相的控制，奥氏体晶粒细化25%以上；明确了超快速冷却条件下晶粒细化、析出物粒子纳米尺寸化及相变柔性的控制机理，建立了超快速冷却方法；以细晶粒、析出相、相变为核心的综合强韧化理论，可使钢材组织细化35%～60%，析出相尺寸减小25%～40%，解决了行业内难以同时提高强度和韧性的共性难题，为热轧带钢减产、产品升级提供了理论与技术支持。

2.2 倾斜射流冲击传热机理研究

射流冲击冷却过程可以描述为流动沸腾传热过程，流动沸腾与池沸腾传热有着巨大的区别，钢板表面的流场分布会对沸腾过程产生复杂的影响，流动沸腾中产生的气泡的尺寸和寿命周期都会随着流速、过冷度和热流密度的增加而减小。同时还观察到当表面过热度增加时，气泡生成速度和频率明显增加，当壁面过热度每增加1.5K，沸腾气泡的存活时间由130s降低到5s，当壁面过热度再增加10K，沸腾气泡的存活时间会低至2s。在大表面过热度条件下，文献显示采样周期为10ms的相机不足以捕捉到气泡生命周期的变化，因此，大过冷度下的流动沸腾冷却可能看起来就像没有气泡一样。

分析可知，虽然倾斜角的存在及相对运动阻碍了平行流向反转区域，但在射流反转区域，在钢板表面仍然可以观察到平行流及冷却水与钢板表面形成的蒸汽膜。高温钢板表面形成的再润湿锋面向非润湿区域呈直线发展，润湿区域继续扩大，传热系数较高，钢板表面温度迅速下降。区域分布如图1所示，传热面积分布从左至右依次为小液滴聚集区、薄膜沸腾区、过渡沸腾区、核态沸腾区和单向强制对流传热区。不同条件下射流冲击传热面积分布有明显的差异，有助于提高传热的均匀性和同步性。

多束射流冲击传热与单束射流传热相似，依次排列有单向强制对流传热区、核态沸腾传热区、过渡沸腾传热区、薄膜沸腾传热区、细小液相聚集区和辐射传热区，具有一定动量和能量的平行流在喷嘴间相互干涉并向上飞溅，形成干涉区和液滴飞溅区。

通过仿真可以得到多列阵列射流的流体状态分布。在喷嘴间可以观察到明显的流体聚集现象，聚集的流体沿喷嘴间隙流出。相邻喷嘴间平行流发生碰撞，碰撞后流体的方向变为垂直于冷却表面。在重力作用下，冷却水下落与上升的冷却水发生碰撞并沿喷嘴间隙流动。另外，中心喷嘴与外喷嘴之间的上升流位置并不是在物理中心，而是更靠近外喷嘴。撞击表面的流体对应于靠近表面的非常薄的流层。

图2给出了冷却过程中表面温度与热流密度随时间的变化趋势，可以看出在撞击点处，热流密度的变化趋势十分接近，冷却初期撞击点基本不受多喷嘴流场的影响。上升流对再润湿过程有加速作用，阵列射流外部热流密度达到峰值的时间比阵列内部相应位置处要慢，主要表现为较快的再润湿速度带走单位面积更多的热量。多束射流条件下提高流量可以达到同样的效果，但流量对换热能力的影响会受到喷嘴间距的影响，当喷嘴间距减小，流速对换热能力的影响也会减弱。

2.3热轧无缝钢管高强度均匀化冷却机理

在热轧无缝钢管领域，虽然离线热处理工艺的在线化、在线控制冷却工艺组织调控作用的充分发挥早已得到业界的普遍认可，但是由于热轧无缝钢管特殊的环状截面条件下具有较高的强度、高的均匀性，其冷却控制机理长期未能得到有效突破，导致控制冷却工艺这一调控组织性能的有效手段在热轧无缝钢管上几乎没有得到工业应用，这也成为制约热轧无缝钢管快速发展的瓶颈。

由于热轧无缝钢管特殊的环形截面特性，在冷却过程中很难控制其均匀性。如果冷却过程控制不当，很容易引起钢管的弯曲和变形。高均匀性冷却过程的传热机理。不同射流冲击冷却条件下的流场分析如图3所示。

研究表明，不同于钢板在平面方向上对称控制温度场以保持热应力对称的特性，在钢管圆周外表面下，均匀对称分布的冷却介质无法实现钢管圆周方向的冷却均匀性，需要通过改变环形截面不同象限的喷射水冷却强度，通过适当的非对称流场控制，实现均匀的热交换过程，从而提出了一种基于非对称冷却控制的热轧无缝钢管均匀化冷却机制的方法，获得了良好的冷却均匀效果。

采用有限元法研究了喷射冷却方式下钢管外壁厚度方向的温度变化，得到了典型厚度规格钢管在不同冷却强度和冷却策略下厚度方向的温度变化规律。结果表明：在高温区域，表面与喷射冷却水接触时冷却效果明显。在冷却过程中，钢管内外表面及壁厚中心的温差先增大后减小。

随着钢管壁厚的增加，内外表面及壁厚中心之间的温差不断增大，且内表面与壁厚中心之间的最大温差明显小于外表面与壁厚中心之间的最大温差；表面、心部及内表面之间的温差不断增大。

采用间歇冷却方式后，钢管内外表面温差基本保持在较小值；同时随着空冷时间的增加，外表面温度变化逐渐与心部一致；间歇冷却更有利于保持钢管温度的均匀性，即保证钢管的截面组织更加均匀。

基于以上研究成果，现场应用实践表明，在冷却强度和均匀性以及性能提升方面取得了预期的效果。未来将继续研究冷却工艺条件对热轧无缝钢管环状截面微观传热特性的影响机理，开展深入研究，进一步建立基于非对称流场控制的高强度均匀化冷却换热控制方法。

2.4 特厚钢板性能均匀性控制理论研究

1）凝固末期大压下量轧制理论研究

在连铸机出口处布置轧机，利用连铸坯在凝固末端附近表面温度低、中心温度高的特殊温度分布，进行单道次大压下量轧制，有利于更好地消除铸坯中心温度。可消除缩孔、疏松缺陷，提高成品探伤合格率。钢材的本构模型决定了应力、应变及应变速率之间的关系，是铸坯内部力学状态变量数值模拟计算的核心和关键。在铸造过程中，钢锭中心温度达1200℃以上。因此，通过高温热模拟实验研究了普碳钢、微合金钢、轴承钢等典型钢种的高温流变行为，提出了相应的高温粘塑性本构模型，并在此基础上开展了凝固终了大压下量轧制过程的有限元数值模拟研究，研究了压下量、轧制道次、心部表面温差、辊径及辊形等因素对铸坯心部疏松缺陷压缩的影响。研究结果表明：压下量越大、轧制道次越少、心部表面温差越大、辊径越大以及采用带凸缘的辊形均更有利于铸坯心部疏松缺陷的压缩。

高温变形可以促进奥氏体的动态再结晶，打碎已发育的铸态组织以获得等轴均匀的奥氏体组织，实现铸态组织的调控，进一步提高最终产品的力学性能。在实验室条件下进行连铸轧一体化实验，在总压下量相同的条件下，对比分析了单道次轧制和五道次轧制（模拟连铸），铸造扇面压下对铸坯核心缺陷的改善效果。对轧制后的连铸坯和未轧制的连铸坯纵剖后试样进行宏观腐蚀，观察腐蚀后的宏观组织，如图4所示。从图中可以看出，单道次大压下量轧制在消除钢锭核心缺陷方面比连铸扇面压下更具有技术优势。

将不同工艺下的铸锭空冷至室温，并从表面和心部取样进行组织观察，金相组织如图5所示，从图中可以看出，对于未经过压缩变形的铸锭，铸锭心部组织比表面组织粗大；而经过轧制变形后的铸锭，轧制过程中心部温度较高，充分发挥了变形再结晶的晶粒细化作用，心部晶粒明显比表面晶粒粗大，晶粒更细小。

2）温控-变形耦合条件下金属塑性变形机理研究

高强度冷却产生的板坯厚度方向上较大的温度梯度，带来变形抗力梯度，增强了轧制变形渗透性，促进了轧件内部金属流动，有利于消除内部缺陷，提高内部质量，同时也减少了由于轧件表面变形而产生的横向双鼓缺陷，可提高成品率。

采用有限元法模拟大温度梯度轧制过程，毛坯的变形抗力函数为：

式中，σ为应力（MPa）；ε为应变；

为应变速率（s-1）；T为温度（℃）。

对两块钢板分别进行单道次常规轧制（CVR）和大温度梯度轧制（LTGR），并对结果进行了比较。进行大温度梯度轧制的钢板在轧前先水冷5秒，然后回红20秒，形成厚度方向的温度梯度轧制。部分工艺参数如表1所示。

图6给出了两种轧制过程横向金属流动的模拟与实验结果。可以看出，CVR的金属流动主要集中在近表面层，心部最大宽度方向位移约为1.7 mm；而LTGR形成了一定的变形抗力梯度，使变形渗透增强，宽度方向的金属流动趋势由表面向心部转移，心部金属最大宽度位移可达2.2 mm以上。实验结果与模拟具有较高的一致性，可以说明大温度梯度轧制可以有效减少边部损失，提高成品率，具有重要的实际应用意义。

通过有限元模拟比较了相同轧制压下率下CVR和LTGR对钢板内部金属塑性变形程度的影响，模拟的主要工艺参数如表2所示。

常规轧制过程中的温降主要来源于周围空气对流换热和辊筒的热传导，轧件整体温降较小，厚度方向的温度梯度在50℃左右，随着冷却时间的增加，温降深入轧件1/4厚度层，轧制过程中心部表面温差可达250℃。

图7为CVR与LTGR轧件厚度方向等效应变分布对比，从图中可以明显看到，CVR条件下，轧件表面金属变形剧烈，其程度远大于心部变形；而LTGR条件下，轧件表面应变减小，心部变形增大，整个厚度方向应变趋于更加均匀，心部等效应变值较CVR提高了近11%。

从以上内容可发现，温度梯度在轧件厚度方向形成变形抗力梯度，使表层金属难以发生变形，而变形更容易传递到钢板内部，从而增大内部金属流动，这说明大温度梯度轧制有促进金属变形，改善和消除内部缺陷的可能性。

通过单道次轧制模拟了CVR和LTGR工艺对内部缺陷的影响，主要模拟参数如表3所示。CVR工艺轧制过程中心部与表面几乎没有温差，模拟结果显示轧制裂纹半高为0.438mm，原始半高为1mm，压下率约为56.2%；LTGR工艺轧制过程中心部-表面温差达到200℃，裂纹半高模拟结果为0.44mm，压下率约为78.1%，可以看出大温度梯度轧制提高了内部缺陷愈合程度21.9%，有助于改善内部裂纹缺陷，提高钢板整体质量。

3 关键技术

3.1 新一代TMCP技术

成功研制出首套热轧板带管材、型材、棒材、线材超快速冷却装备，解决了行业公认的高冷却速度条件下热轧钢材冷却均匀性控制技术难题。基于模型的控制平台和数据库实现标准化、模块化、智能化配置，为实现新一代控轧控冷工艺和钢材组织精细化控制提供了工业手段，相关设备已成为我国热轧钢材生产线的主机型。

3.2 高渗透轧制工艺

研究获得了大梯度温差轧制过程中金属塑性变形规律，建立了以温度场和应力应变场为调控核心的“温控-变形”耦合过程控制模型，实现了变形奥氏体晶粒尺寸和变形程度的控制，以及微合金元素固溶与析出的调控；成功研制了首套瞬间冷却工业设备，对于提高板坯轧制的渗透性、改善钢板内在质量、细化产品表面组织、提高生产效率具有重大意义。

3.3热轧带钢中间坯冷却工艺

层间冷却技术

针对热轧带钢生产线典型钢种轧制过程中等待温轧的问题，将轧机与冷却设备有机结合，实现轧制过程与冷却过程的有效同步，获得轧制温度的高精度、高效率调节控制方法；开发一套适用于热轧带钢生产线的实时控温轧制技术装备，形成热轧带钢控温轧制+控冷一体化组织控制方法与关键技术。

3.4 一体化控制技术

建立了晶粒细化、析出和相变综合强韧化理论的新一代控轧控冷工艺，实现了铁素体晶粒细化和析出相纳米级尺寸化、贝氏体板条细化、M/A岛亚微米化和马氏体组织的精确控制；开发了UFC-F、UFC-B、UFC-M三大核心工艺，建立了与新一代控轧控冷工艺相兼容的热轧带钢节钢类型合金成分体系，实现了热轧钢材减产、大型普及型普碳钢升级换代和高端特钢产品的突破。

4中试/工业应用

该项目实施，使80%以上的热轧钢材强度提高100-200MPa，节约钢材用量5%-10%，生产效率提高35%以上，节能10%-15%，主要合金成分降低20%-50%，缓解了我国稀有合金短缺状况。该技术已应用于宝武、鞍钢、首钢等大型钢铁企业80多条生产线，实现年产5000万吨优质节能热轧钢材生产规模，推动我国钢铁产品由“中低端”向“中高端”升级。在工艺装备应用推广方面，近5年来，尽管在国际招标中进口设备价格下降了近50%，但东北大学钢铁共性技术协同创新中心依然凭借技术优势，实现了100%中标，实现了该领域重大冶金装备的完全国产化。

5 结论

相关研究成果获得国家科技进步奖1项（2017年度排名第一）、省部及行业科技一等奖4项、中国专利优秀奖1项；授权发明专利87项，发表SCI/EI论文149篇，出版专著11部，建成国家级示范线2条。新一代控轧控冷技术被科技部作为关键核心技术纳入钢铁材料技术发展路线图，还被确定为自主创新重大技术装备和行业关键共性技术。5部委17个产业政策指导文件以“节约资源、节能减排”推动热轧钢材绿色制造示范，促进了钢铁行业节能减排和产业转型升级。

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