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(duì)原有層冷控制系統(tǒng)在生產(chǎn)厚規(guī)格產(chǎn)品時(shí)，時(shí)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(duì)其進(jìn)行升級(jí)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(shí)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(guò)程控制中，熱軋末機(jī)架溫度通過(guò)層流冷卻方式實(shí)現(xiàn)卷取的目標(biāo)溫度，該過(guò)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(kāi)發(fā)與產(chǎn)量的逐步提高，用戶對(duì)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(wèn)題已不能滿足產(chǎn)品的開(kāi)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(shí)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，需要對(duì)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(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)如圖 1 所示的工藝路徑控制，即對(duì)軋后的鋼板立即進(jìn)行高強(qiáng)度冷卻至工藝需求溫度點(diǎn)，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(shí)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(lái)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(jí)管線鋼為典型代表，綜合利用各強(qiáng)化機(jī)制，實(shí)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(duì) 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(yè)圖 2 所示，需要對(duì)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(dòng)態(tài)相變點(diǎn)）。

通過(guò)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(shí)，充分發(fā)揮超快冷高強(qiáng)度均勻化冷卻優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)大部分鋼種的前段集中冷卻，利用在線返紅工藝特點(diǎn)，開(kāi)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(duì)（高密快冷噴嘴 40 組，1 根上集管及其對(duì)應(yīng)的 1 根下集管為 1 組）排布，冷卻裝置長(zhǎng)度為18 240 mm（有效冷卻區(qū)長(zhǎng)度），實(shí)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(jì)，以實(shí)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(shí)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(jì)算

熱軋層流冷卻通過(guò)層冷模型計(jì)算實(shí)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(jì)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(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。具體差分方程精度對(duì)比情況如圖 4 所示。

圖 3 中內(nèi)部節(jié)點(diǎn)散熱總量的計(jì)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(gè)數(shù)。

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

5 生產(chǎn)實(shí)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(chǎng)實(shí)際反饋數(shù)據(jù)。控制系統(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(guò)兩種方式進(jìn)行切換，一是通過(guò)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(dòng)態(tài)相變點(diǎn)），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(hào)，判斷當(dāng)前軋線隊(duì)列中是否存在此 coil_ID，如不存在，隊(duì)列中增加軋件，同時(shí)標(biāo)記增加的時(shí)刻；如隊(duì)列中存在此軋件，更新此軋件信息。

通常樣本長(zhǎng)度與帶鋼厚度有關(guān)，帶鋼厚度越小，樣本長(zhǎng)度越長(zhǎng)。針對(duì) 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(zhǎng)度；每通過(guò)一個(gè)樣本長(zhǎng)度，會(huì)對(duì) FDT 進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)采集和動(dòng)態(tài)修正計(jì)算；每通過(guò)一個(gè)樣本長(zhǎng)度，則會(huì)對(duì) CT 進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)的反饋控制。

6 生產(chǎn)實(shí)績(jī)的過(guò)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(jì)算Q355B 不同厚度所對(duì)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(shí)間；有效冷卻時(shí)間 = 有效冷卻距離 / 帶鋼運(yùn)行速度；有效冷卻距離 = 實(shí)際開(kāi)啟集管所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度。

該系統(tǒng)于 2020 年 10 月底開(kāi)始進(jìn)行上線生產(chǎn)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型及現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備的調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)宕機(jī)不生產(chǎn)的現(xiàn)象。對(duì)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(duì)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(duì)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(jì) 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(duì)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(guò)細(xì)化鋼種、水溫、厚度規(guī)格、速度層別，通過(guò)采取水溫實(shí)績(jī)、速度補(bǔ)償?shù)却胧?，?yōu)化冷卻模型，對(duì)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(jì)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)

[1] 馮路路，周雯，李萍萍，等.超快冷 + 層流冷卻工藝試制 Q500q [ J ] .鋼鐵釩鈦，2018（5）：130-135.

[2] 宋勇，蘇嵐，荊豐偉.日照 1580mm 熱連軋機(jī)層流冷卻控制系統(tǒng)[ J ] .冶金自動(dòng)化，2009（2）：24-32.

[3] 張吉富，楊玉，何世國(guó)，等.層流冷卻工藝在鞍鋼 1580mm 機(jī)組的應(yīng)用[ J ] .鞍鋼技術(shù)，2019（1）：59-62.