游加偉 ¹ ， 崔曉世 ¹ ， 盛凱英 ¹ ， 李艷磊 ² ， 王大偉 ¹ ， 趙魯鵬 ¹

（1.日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司， 山東 日照 276806； 2.齊魯輪業(yè)有限公司， 山東 青島 266109）

摘 要：針對原有層冷控制系統(tǒng)在生產(chǎn)厚規(guī)格產(chǎn)品時，時常出現(xiàn)溫度控制異常的現(xiàn)象，引進(jìn)了超快冷技術(shù)。以2 150 mm 熱軋生產(chǎn)線為例，利用前置快速冷卻方式對其進(jìn)行升級改造，提升了冷卻溫度控制精度，取得明顯的控制效果。

關(guān)鍵詞：熱軋帶鋼；超快冷；控制精度；厚規(guī)格

在熱軋帶鋼的生產(chǎn)實踐中，材料力學(xué)性能穩(wěn)定性和板形質(zhì)量是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。在軋制過程控制中，熱軋末機(jī)架溫度通過層流冷卻方式實現(xiàn)卷取的目標(biāo)溫度，該過程是生產(chǎn)控制的重要環(huán)節(jié)。隨著2 150 mm 生產(chǎn)線產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)量的逐步提高，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求也進(jìn)一步提高，但現(xiàn)存軋后冷卻能力差、設(shè)備穩(wěn)定性差等問題已不能滿足產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)需要^[1]。為充分發(fā)揮某鋼鐵 2 150 mm 熱軋生產(chǎn)線的設(shè)備能力，實現(xiàn)普碳鋼等系列化低成本、高性能產(chǎn)品的穩(wěn)順生產(chǎn)，增強(qiáng)企業(yè)產(chǎn)品市場競爭力，需要對現(xiàn)有生產(chǎn)線軋后冷卻系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

1 超快速冷卻工藝?yán)砟罴凹夹g(shù)應(yīng)用

某鋼鐵 2 150 mm 熱軋生產(chǎn)線采用的是東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室 （簡稱“RAL”）推出的前段超快冷工藝。利用前段超快冷與常規(guī)層流冷卻的匹配，可實現(xiàn)如圖 1 所示的工藝路徑控制，即對軋后的鋼板立即進(jìn)行高強(qiáng)度冷卻至工藝需求溫度點，然后利用常規(guī)層流冷卻至卷取溫度，以滿足產(chǎn)品組織性能需要。

前段超快冷組織調(diào)控及強(qiáng)化機(jī)制共分三步：

1）第一步為細(xì)晶強(qiáng)化。利用高速率冷卻，保持奧氏體硬化狀態(tài)，促進(jìn)形核，細(xì)化組織；根據(jù)組織性能需求，控制超快冷終止溫度 UFCT，使得富含“缺陷”的硬化狀態(tài)奧氏體被保存至鐵素體區(qū)，同時卷取溫度 CT在貝氏體相變區(qū)以上，最終獲得細(xì)化的鐵素體 + 珠光體組織。

2）第二步為析出強(qiáng)化。適度提高終軋溫度 FDT并匹配高強(qiáng)度冷卻，抑制應(yīng)變誘導(dǎo)析出，保留更多微合金元素至 UFCT（鐵素體或貝氏體區(qū)），細(xì)化析出相；適當(dāng)?shù)木砣囟?CT 有利于前期超快冷抑制作用而保留下來的微合金元素在卷取中充分析出，提高析出強(qiáng)化效果。

3）第三步為相變強(qiáng)化。超快冷系統(tǒng)具備接近極限冷卻速率的冷卻能力，與層流冷卻配合，可滿足多樣的冷卻路徑控制；UFC-F，即終止溫度控制在鐵素體區(qū)，獲得細(xì)化的鐵素體、珠光體組織；UFC-B，即終止溫度降至貝氏體區(qū)，以高鋼級管線鋼為典型代表，綜合利用各強(qiáng)化機(jī)制，實現(xiàn)減量化、高性能化生產(chǎn)；UFC-M，即將終冷溫度降至馬氏體相變區(qū)間。

2 對 2 150 mm 層流冷卻系統(tǒng)的改造

某鋼鐵 2 150 mm 熱軋生產(chǎn)線可生產(chǎn)帶鋼的厚度范圍為 1.5～30 mm，寬度范圍為 1 150～2 040 mm，最大帶卷質(zhì)量為 38 t。生產(chǎn)的品種主要有：熱軋普碳鋼、管線用鋼、耐蝕鋼、中高碳高強(qiáng)鋼、工程機(jī)械高強(qiáng)鋼、建筑結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)鋼、汽車大梁板、汽車結(jié)構(gòu)用鋼、熱軋雙相鋼以及冷軋基板等^[2]。

現(xiàn)改造熱軋生產(chǎn)線軋后冷卻區(qū)域，新增前置式超快速系統(tǒng)，如下頁圖 2 所示，需要對現(xiàn)有軋后冷卻區(qū)域進(jìn)行設(shè)備改造。改造的總體方案是拆除 6 組層流冷卻集管（即 1～6 組集管）。其中在拆除的層流集管位置處安裝前置式超快冷系統(tǒng)。拆除的層流冷卻集管可作為層流冷卻的備用集管。

軋后冷卻區(qū)域前段超快速冷卻系統(tǒng)：前段超快速冷卻設(shè)備布置在精軋機(jī)后，用于將熱軋板帶鋼按給定的工藝要求冷卻到中間溫度（動態(tài)相變點）。

通過配置的前段超快速冷卻設(shè)備，再結(jié)合層流冷卻，采用熱軋加超快速冷卻的生產(chǎn)工藝，可在少添加合金元素用量的情況下，利用細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化與相變強(qiáng)化相的綜合強(qiáng)化效果，降低生產(chǎn)成本；還可提高強(qiáng)度、韌性、成形性等力學(xué)性能，改善焊接等使用性能。同時，充分發(fā)揮超快冷高強(qiáng)度均勻化冷卻優(yōu)勢，實現(xiàn)大部分鋼種的前段集中冷卻，利用在線返紅工藝特點，開發(fā)生產(chǎn)低殘余應(yīng)力熱軋板帶鋼產(chǎn)品。

3 軋后冷卻區(qū)前段超快冷工況

冷卻裝置形式為高壓密集射流冷卻裝置，集管數(shù)量采用 4 組×10 對（高密快冷噴嘴 40 組，1 根上集管及其對應(yīng)的 1 根下集管為 1 組）排布，冷卻裝置長度為18 240 mm（有效冷卻區(qū)長度），實際占用區(qū)域 22 800mm； 常 用 壓 力 主 要 有 0.3 MPa ±0.05 MPa、0.45 MPa±0.05 MPa、0.8 MPa±0.05 MPa 三種，工藝水量為11 880 m3 /h。超快冷供水泵需采用變頻設(shè)計，以實現(xiàn)低壓下的供水功能，從而滿足超快冷做層流冷卻功能所需。側(cè)噴水水量水壓為 1.6 MPa，水量為 240 m³ /h。

軋后冷卻區(qū)域超快冷系統(tǒng)為前段超快冷，前段超快冷將采用可實現(xiàn)普通層流冷卻、加密冷卻功能的低壓模式工藝。相關(guān)水質(zhì)要求如表 1 所示。

4 層冷模型精度的計算

熱軋層流冷卻通過層冷模型計算實現(xiàn)冷卻溫度目標(biāo)的控制，層冷模型采用數(shù)學(xué)方程式計算控制精度，當(dāng)前厚度斷面精度采用散熱總量平衡表達(dá)，如圖3 所示，將厚度斷面分為邊部節(jié)點和內(nèi)部節(jié)點進(jìn)行計算。具體差分方程精度對比情況如圖 4 所示。

圖 3 中內(nèi)部節(jié)點散熱總量的計算精度采用差異化離散方程：

式中：i 為厚度斷面分層第 i 層；n 為厚度斷面縱分層 個數(shù)。

通過圖 4 計算曲線可以明顯看出，按照斷面分 7層的節(jié)點計算，層冷內(nèi)部節(jié)點散熱總量精度為 0.25，當(dāng)斷面分 21 層的節(jié)點計算，層冷內(nèi)部節(jié)點散熱總量精度為 0.07；數(shù)據(jù)計算顯示，內(nèi)部節(jié)點越多，分層計算精度越高。

5 生產(chǎn)實踐控制流程

UFCL2 互通 FML2 采用通訊協(xié)議 TCP/IP，包含心跳數(shù)據(jù)、板坯 PDI 數(shù)據(jù)、軋線吊銷數(shù)據(jù)；UFCL1 互通FML2 以太網(wǎng)通訊，包含板坯 PDI 數(shù)據(jù)、設(shè)定數(shù)據(jù)、現(xiàn)場實際反饋數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)方案如圖 5 所示。

東北大學(xué)軋后冷卻控制系統(tǒng)與軋線原控制系統(tǒng)采用并行方案，控制系統(tǒng)可通過兩種方式進(jìn)行切換，一是通過板坯的 PDI 信息進(jìn)行切換；二是經(jīng)由 HMI進(jìn)行切換。

軋后冷卻區(qū)域前段超快速冷卻系統(tǒng)：前段超快速冷卻設(shè)備布置在精軋機(jī)后，用于將熱軋板帶鋼按給定的工藝要求冷卻到中間溫度（動態(tài)相變點），溫度采用CUFT 值進(jìn)行閉環(huán)反饋。2 150 mm 產(chǎn)線軋件的宏跟蹤示意圖如圖 6 所示。

圖6 中 1/2/3 作為軋線的數(shù)據(jù)觸發(fā)接收信號，判斷當(dāng)前軋線隊列中是否存在此 coil_ID，如不存在，隊列中增加軋件，同時標(biāo)記增加的時刻；如隊列中存在此軋件，更新此軋件信息。

通常樣本長度與帶鋼厚度有關(guān)，帶鋼厚度越小，樣本長度越長。針對 2 150 mm 生產(chǎn)線，可采用 4.56 m、2.28 m 和 1.14 m 三種樣本長度；每通過一個樣本長度，會對 FDT 進(jìn)行實際數(shù)據(jù)采集和動態(tài)修正計算；每通過一個樣本長度，則會對 CT 進(jìn)行實際數(shù)據(jù)的反饋控制。

6 生產(chǎn)實績的過程控制

以單一鋼種作為主要介紹，研究不同冷卻水溫度下 Q355B 冷卻速度^[3]。根據(jù)不同冷卻水溫，計算Q355B 不同厚度所對應(yīng)的冷卻冷速，如表 2 所示。其中，冷卻速度 = FDT-UFCT /有效冷卻時間；有效冷卻時間 = 有效冷卻距離 / 帶鋼運行速度；有效冷卻距離 = 實際開啟集管所對應(yīng)的長度。

該系統(tǒng)于 2020 年 10 月底開始進(jìn)行上線生產(chǎn)，通過對系統(tǒng)模型及現(xiàn)場硬件設(shè)備的調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)宕機(jī)不生產(chǎn)的現(xiàn)象。對厚為 12 mm 規(guī)格的Q355B 鋼的層冷命中率數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理（不區(qū)分軋制寬度、首塊鋼、頭尾不切除，卷取溫度在±20 ℃），命中率由之前 86.22%提升至 89.23%，隨著生產(chǎn)量的增加，整體命中率逐步提升。

改造前后層冷命中率的對比情況如圖 7 所示≥16 mm 的 Q355B 上、中、下部高倍組織（500×）情況如圖 8 所示；所得金相組織結(jié)果如表 3 所示；改造前后 Q355B 屈服強(qiáng)度對比如圖 9 所示。

由表 3 分析表明，Q355B 上下表面組織主要為鐵素體 + 珠光體，上下表面與中間晶粒度較前期改善明顯。

統(tǒng)計 Q355B 力學(xué)性能數(shù)據(jù)與超快冷模式下相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，超快冷模式下該鋼種屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所改善，分別提高 20 MPa 和 16 MPa，延伸率變化不明顯。

7 結(jié)論

前置超快冷模型下，通過細(xì)化鋼種、水溫、厚度規(guī)格、速度層別，通過采取水溫實績、速度補(bǔ)償?shù)却胧?，?yōu)化冷卻模型，對高強(qiáng)鋼、厚規(guī)格等系統(tǒng)控制精度提升明顯，卷取目標(biāo)溫度精度與之前相比提升 3.01%，上下表面金相組織晶粒度均勻，強(qiáng)度性能有所提升，達(dá)到產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，逐步滿足管線用鋼、中高碳高強(qiáng)鋼、工程機(jī)械高強(qiáng)鋼、汽車大梁板、汽車結(jié)構(gòu)用鋼、熱軋雙相鋼等品種鋼的冷卻工藝需求。

參考文獻(xiàn)

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