钢铁共性技术协同创新中心
工艺与装备研发平台
-运行周期工作总结
编者按：“钢铁共性技术协同创新中心”自年10月通过国家获批认定至今，运行已满4年。中心工艺与装备研发平台面向国家重大战略需求，面向经济社会主战场，面向世界科技发展前沿，围绕钢铁行业关键共性工艺与装备技术领域，根据既定的平台顶层设计总体发展架构，结合行业发展需求，在选矿、冶炼、连铸、热轧、短流程、冷轧及智能制造等领域，明确重大任务，汇聚创新资源，协同创新，开发出系列创新工艺及装备，助推钢铁行业资源节约、环境友好、高品质钢铁产品的开发生产，圆满完成了既定的任务和指标。针对工艺与装备研发平台建设成效和最新研发成果，本报特组织相关报道，以飨读者。
本课题开发出突破高强度均匀化冷却技术、高渗透性轧制技术和热轧钢材性能综合调控技术等关键技术。该课题的实施，使80%以上的热轧钢材强度提高-MPa，节约钢材使用量5%-10%，最大提高生产效率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被科技部作为关键核心技术列入钢铁材料技术发展路线图，还被国家发改委、工信部和科技部等确定为自主创新重大技术装备和产业关键共性技术，5部委17项产业政策指南文件以“资源节约型、节能减排型”的热轧钢材绿色制造示范加以推广，促进了钢铁行业节能减排和产业转型升级。
1简介
热轧钢材产品占我国钢材总量90%以上，是品种规格最多的轧制钢材产品，但热轧工序面临高能耗、高资源消耗以及低效益的困境。开发“凝固-热轧-冷却-热处理”一体化组织性能调控理论、关键装备与工艺技术，可减少对合金元素的过度依赖和资源的过度消耗，并获得性能优良且环境友好的热轧钢铁产品，同时也是实现钢铁工业可持续发展的关键要素之一，更是我国钢铁工业发展的必然趋势。
本课题的研究旨在通过对射流冲击换热以及基于超快速冷却的新一代TMCP的钢材综合强化等机理的研究，开发出突破高强度均匀化冷却技术、高渗透性轧制技术和热轧钢材性能综合调控技术等关键技术。
2理论研究
2.1基于细晶、析出和相变的
新一代TMCP的钢材综合强化机理
依据新一代TMCP工艺思想，制定了以超快速冷却为核心的工艺路线，阐明了超快冷对再结晶行为的影响规律，建立了与超快冷相匹配的控制轧制理论体系，有效实现奥氏体状态和应变诱导析出控制，奥氏体晶粒细化25%以上；阐明了超快冷条件下晶粒细化、析出粒子纳米化和相变柔性化控制机理，建立了以超快速冷却为核心的细晶、析出和相变的综合强韧化理论，钢材组织细化35%-60%，析出相尺寸减小25%-40%；突破了强度、韧性难以同时提高的行业共性问题，为热轧板带钢实现减量化生产和产品升级提供了理论和技术支撑。
2.2倾斜射流冲击换热机理研究
射流冲击冷却过程可描述为流动沸腾换热过程。流动沸腾与池沸腾换热有着巨大的差异，钢板表面的流场分布会对沸腾过程产生复杂的影响。在流动沸腾中生成气泡的尺寸和生命周期会随着流速、过冷度和热流密度的增加而减小。经过观察还发现，当表面过热温度提高时，气泡生成速度与生成频率显著增加。当壁面过热度增加1.5K时，沸腾气泡的生存时间由s降至5s。壁面过热度再增加10K时，沸腾气泡的生存时间会低至2s。在很大的表面过热温度条件下，文献表明采样周期10ms的摄像器材都不足以拍摄气泡的生命周期变化过程，因此，在大过冷度的流动沸腾冷却时可能看起来像没有气泡一样。
分析可知，虽然倾角的存在和相对运动阻碍了平行流向逆向区域流动，但射流逆向区的钢板表面仍然可以观测到平行流以及冷却水与钢板表面形成的蒸汽膜。随着钢板运行，射流流体冲击高温钢板表面形成的再润湿前沿呈一条直线向未润湿区发展，润湿区不断扩大，具有较高的换热系数，钢板表面温度迅速降低。运动条件下倾斜射流冲击流体结构和换热区域分布如图1所示。换热区域的分布从左向右依次为小液滴聚集区、膜态沸腾区、过渡沸腾区、核态沸腾区和单向强制对流换热区。这与静止条件的射流冲击换热区域分布存在明显的差异，有助于提高换热均匀性和同步性。
多束射流冲击换热与单束射流类似，单向强制对流换热区、核态沸腾换热区、过渡沸腾换热区、膜态沸腾换热区、小液态聚集区以及辐射换热区依次分布于外侧区域。而带有一定动量和能量的平行流在喷嘴间相互干扰、向上飞溅，形成干涉区和液滴飞溅区。
通过模拟可获得多束阵列射流流体状态分布，喷嘴间可观察到明显的流体堆积现象，堆积流体沿着喷嘴间隙流出。在相邻喷嘴间平行流产生碰撞，碰撞后的流体方向变为垂直于冷却表面。在重力作用下，冷却水跌落并与上升的冷却水碰撞后沿着喷嘴间隙流动。此外，中心喷嘴和外侧喷嘴间的上升流位置并不在物理中心位置，而是更接近外侧喷嘴。冲击至表面的流体在接近表面位置处对应着很薄的流层。
图2所示为冷却过程中表面温度与热流密度随时间的变化趋势。可以看出在冲击点处，热流密度的变化趋势非常接近。冲击点在冷却开始时并未受多喷嘴流场干涉的影响，且对应着最大的MHF。而上升流对再润湿过程有加速效果。在阵列射流的外侧，其热流密度到达峰值的时间慢于在阵列内部的对应位置。流速对换热能力的提高主要体现为更快的再润湿速度在单位面积内带走更多热量，多束射流条件流速的增加可以起到相同的效果。但流速对换热能力的提高效果会受到喷嘴间距的影响，当喷嘴间距减小时流速对换热能力的提高效果也会减弱。
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，尽管离线热处理工艺在线化以及充分发挥在线控冷工艺的组织调控作用早已得到业界的广泛认可，但由于热轧无缝钢管环形特殊断面条件下的高强度、高均匀性冷却控制机制长期未得到有效突破，导致控制冷却工艺这一有效的组织性能调控手段在热轧无缝钢管中的工业应用几乎为空白，也成为制约热轧无缝钢管快速发展的瓶颈。
由于热轧无缝钢管具有特殊的环形截面特征，在冷却过程中其均匀性控制难度大，若冷却工艺控制不当，易造成钢管的弯曲变形。针对管材环形的特殊断面结构研究了高冷却速率、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，与钢板在平面方向上对称控制温度场从而保持热应力对称的特征不同，在钢管的圆形外表面下，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，必须通过改变环形断面不同象限的射流水冷却强度，采用适当非对称流场控制实现均匀的换热过程，从而提出基于非对称性冷却控制的热轧无缝钢管均匀化冷却机制方法，并获得了良好的冷却均匀性效果。
采用有限单元法对钢管外壁射流冷却方式下厚度方向的温度变化进行研究，获得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。连续冷却条件下钢管温度场模拟计算结果表明，高温区域时，表面与射流冷却水接触即进行较大降温。在冷却过程中，钢管内外表面与厚度中心的温差呈现先增大后减小的趋势。
随着钢管壁厚的增加，内外表面与厚度中心的温差随之增大，并且内表面与厚度中心的最大温差显著小于外表面与厚度中心的最大温差。另外，随壁厚的提高，最终外表面、芯部、内表面存在的温差增大。
采用间歇式冷却方式后，钢管内外表面温差基本保持较小值；同时随空冷时间延长，外表面温度变化逐渐与芯部保持一致；采取间歇式冷却更利于保持钢管温度的均匀性，即保证钢管断面组织更为均匀。
基于上述研究结果，通过现场应用实践表明在冷却强度和均匀性以及性能提升等方面达到了预期效果。后续将继续围绕热轧无缝钢管环形断面的冷却工艺条件对微观换热特性的影响机制开展深入研究，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的控制方法。
2.4特厚钢板性能均匀性控制理论研究
1）凝固末端大压下轧制理论研究
在连铸机出口布置轧机，在近凝固终点利用连铸坯表面温度低、芯部温度高的特殊温度分布进行单道次的大压下量轧制，有利于更好地消除铸坯芯部缩孔和疏松缺陷，提高成品探伤合格率。钢的本构模型确定了应力、应变及应变速率的关系，是板坯内部力学状态变量数值模拟计算的核心及关键。在凝固末端大压下轧制过程中，铸坯芯部温度高达1℃以上，为此采用高温热模拟实验的方法研究了普碳钢、微合金钢及轴承钢等典型钢种的高温流变行为，建立了相应的高温粘塑性本构模型，并在此基础上开展了凝固末端大压下轧制过程的有限元数值模拟研究，研究了压下量、轧制道次、芯表温差、轧辊直径及辊型等因素对铸坯芯部孔隙性缺陷压合的影响规律。研究结果表明，压下量越大、轧制道次越少、芯表温差越大、轧辊直径越大，以及采用带凸缘的辊型形式更有利于铸坯芯部孔隙性缺陷的压合。
高温变形可促进奥氏体的动态再结晶，破碎发达的铸态组织获得等轴均匀的奥氏体组织，实现铸态组织调控,从而进一步改善最终成品力学性能。为验证连铸坯凝固末端大压下轧制工艺效果，在实验室条件下开展了连铸-轧制一体化实验，在总压下量相同的条件下，对比分析了单道次轧制和5道次轧制（模拟连铸扇形段压下）对铸坯芯部缺陷的改善效果。对轧制后的连铸坯及未经轧制的连铸坯纵剖之后的试样进行低倍腐蚀，腐蚀后观察低倍组织如图4所示。由图可见，单道次的大压下量轧制比连铸扇形段压下对于消除铸坯芯部缺陷更具技术优势。
将不同工艺下的铸坯空冷至室温，分别在表层和芯部取样并进行显微组织观测，其金相组织如图5所示。从图中可以看出，对于未经过压下变形的铸坯，其芯部组织比表面组织更加粗大；而经过轧制变形的铸坯，由于轧制时芯部温度高，充分发挥了形变再结晶的晶粒细化作用，芯部晶粒明显比表面晶粒更加细小。
2）温控-形变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向大温度梯度带来了变形抗力梯度，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引起的侧向双鼓形缺陷，提高成材率。
利用有限元方法模拟了大温度梯度轧制过程，坯料的变形抗力函数如下：
式中，σ为应力（MPa）；ε应变；为应变速率（s-1）；T为温度（℃）。
用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），并加以对比。其中，大温度梯度轧制的钢板轧前先进行5s水冷，20s返红，形成厚向温度梯度进行轧制。部分工艺参数如表1所示。
图6为两种轧制的横向金属流动的模拟和实验结果。可以看出CVR金属流动主要集中在近表层，芯部宽向位移最大约为1.7mm；而LTGR形成了一定的变形抗力梯度，增强了变形渗透，宽向金属流动趋势由表层向芯部转移，芯部金属的宽向位移最大可达2.2mm以上。实验结果与模拟具有较高的吻合度，可以说明大温度梯度轧制能有效减少边部切损，提高成材率，具有重要的实际应用意义。
通过有限元模拟对比了相同轧制压缩比条件下，CVR与LTGR对钢板内部的金属塑性变形程度的影响。模拟主要工艺参数如表2所示。
常规轧制过程的温降主要来自于环境的空气对流换热以及轧辊的热传导，轧件整体温降较小，厚向温度梯度约50℃，随着冷却时间增加，温降渗透至轧件1/4厚度层，轧制时的芯表温差可达℃。
图7为CVR与LTGR轧件厚向等效应变的分布对比。从图中可以明显发现，CVR条件下轧件表面金属变形剧烈，其程度远大于芯部变形；而LTGR条件下的轧件表面应变量减小，芯部变形增大，整个厚向的应变趋于更均匀化，且芯部等效应变值较CVR相比提高了近11%。
由上述内容可以发现温度梯度在轧件厚向形成了变形抗力梯度，使得表面金属难变形，变形更容易传递到钢板内部，提高内部金属流动量。这说明，大温度梯度轧制具有通过促进金属变形来改善、消除内部缺陷的可能。
通过单道次轧制分别模拟了CVR和LTGR工艺对内部缺陷的影响程度，主要模拟参数如表3所示。CVR工艺芯表几乎没有温差，模拟结果表明轧制裂纹半高0.mm，相比原半高1mm，压合率约56.2%；LTGR工艺的芯表温差达℃，裂纹半高的模拟结果为0.44mm，压合率约78.1%。由此可见，大温度梯度轧制提高了21.9%的内部缺陷愈合程度，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
研制成功首台套热轧板、带、管、型、棒、线材等超快速冷却成套装备，解决了热轧钢材高冷速条件下冷却均匀性控制这一行业公认技术难题，开发出以工艺模型为基础的控制平台和数据库，实现标准化、模块化、智能化配置，为新一代控轧控冷工艺的实现和钢材组织精细调控提供了工业化手段，相关装备已成为我国热轧钢材生产线主力机型。
3.2高渗透性轧制技术
研究获得了大梯度差温轧制过程中的金属塑性变形规律，建立了以温度场和应力应变场为调控核心的“温控-形变”耦合工艺控制模型，实现对形变奥氏体晶粒尺寸和变形程度以及微合金元素固溶与析出的调控；研制成功首台套即时冷却工业装备，在提高板坯轧制渗透性、改善钢板内部质量、细化产品表面组织和提高生产效率等方面效果显著。
3.3热轧板带钢中间坯冷却技术
和道次间冷却技术
针对热轧板带钢生产线典型钢种轧制过程的待温轧制问题，将轧机与冷却设备有机结合，实现轧制过程和冷却过程的有效同步，获得轧制温度高精度、高效率调整的控制方法；开发出适于热轧板带生产线的即时控温轧制成套技术装备，并形成热轧板带钢控温轧制+控制冷却一体化的组织调控方法及关键技术。
3.4一体化调控技术
建立了新一代控轧控冷工艺下的细晶、析出和相变的综合强韧化理论，实现铁素体晶粒细化及析出相纳米化、贝氏体板条细化及M/A岛亚微米化和马氏体组织的精准调控；开发出UFC-F、UFC-B和UFC-M三类核心工艺，建立了与新一代控轧控冷工艺相适应的热轧板带钢节约型合金成分体系，实现了热轧钢材减量化生产、量大面广普碳钢升级换代和高端特种钢产品突破。
4中试实验/工业应用
该课题的实施，使80%以上的热轧钢材强度提高-MPa，节约钢材使用量5%-10%，提高生产效率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缺口。该项技术已应用于宝武、鞍钢、首钢等大型钢企80余条生产线，实现了高品质节约型热轧钢材万吨/年生产规模，促进了我国钢材由“中低端”向“中高端”升级换代。在工艺装备应用推广方面，近五年，即使进口装备在国际招标中降价近50%，东北大学钢铁共性技术协同创新中心仍凭技术优势实现%中标，实现了重大本领域冶金装备完全国产化。
5结语
相关研究成果获国家科技进步奖1项（排名第一，年），省及行业科学技术一等奖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列入钢铁材料技术发展路线图，还被国家发改委、工信部和科技部等确定为自主创新重大技术装备和产业关键共性技术，5部委17项产业政策指南文件以“资源节约型、节能减排型”的热轧钢材绿色制造示范加以推广，促进了钢铁行业节能减排和产业转型升级。
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