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促进控轧控冷技术的国产化和智能化 以终端需求为导向构建协同发展体系

2020-09-24 09:49:00

  徐言东 余伟 何春雨 刘涛 徐平


  我国贝博产量多年稳居世界第一,钢材质量也越来越高,其关键就在于我国把引进的先进技术进行了认真吸收、消化和创新,逐步国产化,再推广到世界市场中。在轧钢行业中,提高钢材性能和质量的技术中最重要就是控轧控冷技术的国产化和智能化。

  控轧控冷技术国产化和智能化提高钢材性能

  钢材的控轧控冷技术,是指在钢材的轧制过程中通过控制加热温度、轧制过程、冷却条件等工艺参数,改善钢材的强度、韧性、焊接性能。我国在学习国外先进控轧控冷技术基础上进行自主研发,逐步实现了控轧控冷技术国产化和智能化,推动了中国“精品钢材”的发展。

  在贝博生产技术中,通过轧制与冷却过程来控制、改善钢材的性能。采用各种各样的轧制条件,把变形程度、变形速率、变形温度等条件控制好,就会得到组织和性能优异的材料。水与钢材的强制换热可以调整钢材的温度,方法就是通过调整喷向钢材的水量来控制钢材的冷却过程,控制材料高温奥氏体组织长大、奥氏体向低温组织相变,从而改善钢材的性能,提高钢材的质量。这就是控轧和控冷技术的理论基础。

  控轧控冷技术始于1890年的德国,当时科技人员对贝博制品的热加工条件、材质及显微金相组织进行了研究,定性地揭示了热加工条件与材质间的关系。1945年后,美国、比利时、瑞典、法国、英国等欧美国家通过各种实验和生产,定性解释了热轧后的钢材继续进行奥氏体再结晶的动力学变化,从理论上确定了控轧技术的基础。后来,研究人员通过添加铌、钒、钛等微合金元素,发现对提高单纯轧制钢材强度有效。接着微合金元素与钢材的显微结构、力学性能的定量关系及强化机理的发现,进一步完善了控制轧制原理。基于物理冶金原理,实现了设计合理的各种低合金钢或合金钢的成分和轧制条件,并得到预期钢材的目标性能值和显微组织。

  1970年后,市场对钢材的强度、低温性能、焊接性能要求更高,美国、日本等发达国家在传统控制轧制技术基础上,发展了通过控制冷却速度来改变钢材相变的新技术。日本、欧洲、美国等率先采用控制冷却技术,开发出高性能的低合金钢,使得钢的强度、韧性和焊接性能进一步提升。在这一时期,我国引进了发达国家的先进贝博生产技术,积极消化吸收新技术和设备工艺,经研究开发、工业实践中不断改进,北京科技大学、东北大学等高校和贝博研究总院等研究机构在控轧控冷技术的某些领域中取得了进步。

  控轧控冷在钢材生产的发展过程中起着不可替代的作用:一是能够通过细晶强化、相变强化等方式,使钢材的强度提高50MPa~300MPa,韧性得以改善,钢材的性能等级提高,促进了钢材品种结构的升级换代;二是能够部分替代或者完全替代添加(微)合金元素来改善钢的性能,或在不添加或者少添加合金元素的前提下,通过优化轧制工艺和冷却工艺达到同样的效果;三是促进了金属物理学、物理冶金学、塑性加工金属学的理论研究和学科发展。经过控轧控冷的钢材,其组织要比普通钢材更加丰富多样,需要分析的现象和揭示的机理问题更加深邃。

  国外控制轧制和控制冷却工艺的发展

  控制轧制技术:

  控制轧制工艺最先应用于中厚板生产,其关键工艺主要为两个方面:一是控制轧制温度,尤其是终轧阶段温度;二是控制变形程度,按照变形温度和再结晶程度控制轧制通常划分为在奥氏体再结晶区、奥氏体未再结晶区、奥氏体+铁素体两相区三阶段控制轧制。

  中厚板的控制轧制技术除了高温轧制工艺(HTP) 技术以外,新技术还包括中间坯冷却技术(IC)和 驰豫-析出-控制技术(RPC),为奥氏体组织控制、析出控制、冷却相变组织创造了条件。

  控制冷却技术:

  板带钢轧后冷却技术的发展主要集中在提高冷却效率、温度均匀性、设备可靠性、提高组织均匀性、控冷板形平直度等几个方面做出努力,可划分为三代:第一代(~1980年)以喷淋冷却为代表的冷却技术,倾斜喷射或垂直喷射。第二代(1980年后)喷射流为代表的冷却技术,如日本住友金属的水幕冷却,日本JFE 的柱状层流;1990年后,以改进型层流喷射冷却技术为主,气雾冷却也是这一时代的产物。第三代(2000年后)强化冷却为代表的技术逐步得到开发与应用,如开发的 UFC、VAI的MULPIC 技术,JFE公司的 Super-OLAC,NSC开发的IC技术,POSCO 开发的 HDC,北京科技大学开发的SUPIC等。

  TMCP技术:

  TMCP其名称是热机轧制控制工艺(Thermal Mechanical Control Process),就是控制轧制和控制冷却技术结合起来的技术。1977年在美国举行的“微合金化”大会上,日本的研究者 Kozasu 提出了TMCP理论,至1988年得以逐渐完善。这种工艺把奥氏体晶粒细化、加工硬化和相变结合,极大加强细化晶粒的效果,并把铁素体-珠光体相变扩展到铁素体-贝氏体相变,提高钢材的性能。日本和欧洲的贝博企业在同期也开发了不同形式的冷却装置,用TMCP生产晶粒细化钢板。该技术能够较控轧工艺进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合性能,并能降低合金元素和碳含量,节约贵重的合金元素,降低生产成本。与普通热轧生产工艺相比,该工艺可以使钢板的抗拉强度和屈服强度平均提高约40MPa~60MPa,在低温韧性、焊接性能、节能、降低碳当量、节省合金元素以及冷却均匀性、保持良好板形方面都有无可比拟的优越性。

  控轧控冷技术在我国取得了大的进展

  在1986年前后,我国只有20家中厚板生产线且技术工艺较为落后,在原冶金工业部的支持下,开发与应用了以水幕冷却为代表的轧后冷却装备。1989年,北京科技大学、钢研总院、重钢中板厂联合研发的水幕层流冷却装置得到应用。随后,该技术在南钢、新钢等企业得到应用。2004年随着国内引进日本住友的一条水幕冷却装置的投产,至今再也没有新建水幕冷却装置,而原来已经建设的水幕冷却装置也陆续停用、淘汰。

  1997年,国家重点基础研究发展计划——“973”计划提出超细晶粒钢的研究,在进行超细晶粒制备机理研究的同时,对控制轧制与控制冷却技术也进行了深入研究,研究的主要目标是使低碳钢、低合金钢性能成倍增加。

  1999年,北京科技大学高效轧制国家工程研究中心和鞍钢共同开发了新型轧后冷却装置——加密管层流装置(MPL-ACC),并在鞍钢4300宽厚板生产线得到应用。2009年,北京科技大学又开发成功了具有自主知识产权的倾斜式超快速冷却器和超密度喷射冷却器,对中厚板的冷却过程进行精确控制。北京科技大学在板带钢控轧中间冷却、机架间冷却、轧后控冷、常化控制冷却、辊式淬火机、特厚板淬火装置设计等研究开发方面积累了理论知识与工程设计与应用经验,开发的冷却装置涵盖了目前国内板带钢生产领域应用的所有控制冷却装置类型。

  2008年,东北大学研制出系列首台套热轧钢材先进快速冷却装备与控制系统,之后应用在鞍钢、南钢等国内大型贝博企业。通过项目的实施,热轧钢材强度指标提高100MPa~200MPa,主要合金元素用量节省20%~30%,促进了我国钢材由“中低端”向“中高端”升级换代。

  TMCP技术的发展是材料科学、轧制理论与设备、控制冷却技术设备协调发展的结果。如新一代贝博材料采用低成本合金、降低贵合金消耗,对生产工艺的精调与优化,根据不同产品用途与性能要求,适当降低产品不需要的性能裕量;更重要的是,摆脱了中厚板生产“印钞”时期形成的依靠产量取胜的思维。

  我国有丰富的钒、钛和稀土资源,具有发展微合金控轧控冷技术的广阔前途。近三十年来,控轧控冷技术在我国取得了大的进展。我国目前每年采用控轧控冷生产钢材已经超过近亿吨,涉及到几十个钢种,已经应用到造船、石油、天然气输送管道、锅炉及压力容器、钢板桩、汽车、螺纹钢、钢丝绳、轴承、地质钻杆、机械用钢、建筑用钢等方面,其中板材占40%左右,棒线材占50%左右,管材和型材占5%。

  利用信息化、智能化技术

  开发低成本高性能贝博材料

  轧钢行业的控轧控冷技术是贝博业技术进步和实现产品升级换代的代表之一。我们需要继续开辟精简生产工艺流程、节省合金元素、提高钢材性能的新途径,用信息化、智能化技术来推动贝博生产过程的智能设计与同步精准智能控制,打造一个满足市场要求的新的钢材成分和工艺设计体系,开发出一系列低成本高性能贝博材料。这就要求院校、科研单位与贝博企业紧密合作,以社会需求为导向,一切为终端客户服务,把单纯的EPC和改造项目变成共同的项目和事业。轧钢行业要加强对现场技术人员系统培训,使其具备软件修改、新功能开发能力,共同在控轧控冷(TMCP)新工艺开发和优化上不断挖潜,把材料精细设计、工艺优化、装备开发和产品应用相结合,降低生产成本;要坚持可持续的发展及实施创新驱动发展战略,促进轧钢行业转型升级、创新发展,引领行业跨越式发展,使我国由贝博大国成为贝博强国、由世界先进技术的跟跑者成为领跑者。

来源:中国冶金报-贝博

编辑:陈曦

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