CN115069770A - 一种热轧高强钢沿壁厚方向的均匀冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热轧高强钢沿壁厚方向的均匀冷却控制方法。首先将连铸坯加热并粗轧，然后根据气温条件设定合适的穿带速度及加速度完成精轧，得到厚度≥18mm的带钢；带钢进入超快冷系统后，根据水温条件设定合适的水压和上下水比进行冷却，待带钢表面温度降至500℃以下后分段、动态调节水压和上下水比，最终得到性能优异的热轧厚壁高强钢产品。本发明方法具有工艺简单、容易实现、成本低、效果好等优点，在冷却过程中产品表面、心部温度极差≤50℃，冷却速度极差≤10℃/s，在厚度方向上的冷却更加均匀、可控，使其在钢铁行业具有较好的应用前景。

Description

一种热轧高强钢沿壁厚方向的均匀冷却控制方法

技术领域

本发明涉及钢铁技术领域，具体涉及一种热轧高强钢沿壁厚方向的均匀冷却控制方法。

背景技术

热轧高强钢广泛应用于国民经济建设的各个领域，不仅提高了工程服役安全性，而且大幅延长了工程的使用寿命，带来了显著的经济效益。厚规格热轧高强钢通常需利用轧后冷却系统进行强力冷却，达到中低温组织转变的临界点才能获得相应的组织、性能，然而冷却强度过大会造成沿壁厚方向的冷速差异过大，导致靠近钢板表层的组织超细化甚至发生马氏体转变，使得钢板表层硬度超标，在后续使用过程中出现折弯开裂等问题。与此同时冷却强度也不能过小，否则厚壁钢板的心部由于冷速不足无法达到目标组织形态，导致钢板的性能不能满足工程需要。

目前国内外为了提高厚壁高强钢的冷却均匀性，一般采用在成分体系中大量添加Mo、Cr、B等淬透性合金元素，通过提高淬透性以及采用低冷速等方式降低壁厚方向的冷速差异，从而实现冷却的均匀化并获得全截面组织的均匀性，然而该方法存在成本高、焊接性差、市场竞争力弱等问题。因此急需研发一种新的轧后冷却工艺，解决厚壁高强钢因厚度方向的冷却不均匀带来的组织、性能不均等问题。

检索发现中国发明专利CN202011171959公开了一种改善TMCP钢板冷却均匀性的方法，其针对的是长度45-52m、厚度在20mm以下的钢板，通过限定辊道速度、水冷区分组及间隔、下表面喷嘴形态等手段，有效解决了TMCP类型的超长薄钢板在长度方向上的冷却均匀性问题，不涉及也没有解决钢板壁厚方向上的均匀冷却性问题。中国发明专利CN202010034406公开了一种中厚板轧后超快冷控制系统、方法以及调整水流量比补偿值的方法，该系统包括多组冷却水集管和超快冷控制终端，超快冷控制终端被配置成能够输入水流量比补偿值，其能够在一块钢板冷却结束后将水流量比补偿值叠加于钢板对应的在冷却模型中预设的水流量比，并且能够根据叠加后的水流量比控制多组冷却水集管的喷水量，从而实现在超快冷系统运行的过程中实时干预超快冷控制系统的水流量比参数。

对于热连轧产线厚规格低温卷取高强钢来说，涉及厚度方向冷却均匀性的控制工艺目前国内外研究报道较少，为此发明人研发了一种全新的改善厚壁中低温卷取高强钢冷却均匀性的控制工艺。

发明内容

本发明的目的在于解决现有热轧厚壁高强钢在厚度方向上冷却不均匀导致的组织、性能不均匀问题，提供一种热轧高强钢沿壁厚方向的均匀冷却控制方法，该方法包括以下步骤：连铸坯加热轧制得到带钢，带钢进入超快冷系统进行强力冷却，期间根据带钢表面温度分段、动态调节超快冷系统的水压和上下水比。

进一步的，所述轧制包括粗轧和精轧，并且先粗轧再精轧。

进一步的，粗轧所得中间坯的厚度为50-58mm，精轧所得带钢的厚度≥18mm。

进一步的，在精轧工序根据天气温度(即气温)严格控制穿带速度及加速度：当天气温度T_气≤20℃时，穿带加速度a：0.003-0.005m/s²，穿带速度：1.65-1.80m/s；当天气温度T_气＞20℃时，穿带加速度a:0.001-0.003m/s²，穿带速度：1.35-1.65m/s。

进一步的，精轧设备具体为七机架精轧机，精轧时机架间吹扫水全部打开。

进一步的，在强力冷却工序按照以下方式调节超快冷系统的水压和上下水比：当水温T_水＜25℃时，超快冷系统的水压设定为0.20-0.25MPa，上下水比设定为1:1.10-1.20；当25≤T_水＜35℃时，超快冷系统的水压设定为0.25-0.30MPa，上下水比设定为1:1.25-1.35；当水温T_水≥35℃时，超快冷系统的水压设定为0.30-0.35MPa，上下水比设定为1:1.35-1.45。所述水温具体指上下冷却水的温度。

进一步的，强力冷却工序运行一段时间后，当带钢表面温度T_带钢降至500℃及以下时，动态调节超快冷系统的水压和上下水比，具体调节方式如下：当450＜T_带钢≤500℃时，上表面水量降低至设定水量的75％，下表面水量保持不变(水压一直保持不变，下同)；当400℃≤T_带钢≤450℃时，上表面水量降低至设定水量的50％，下表面水量保持不变；当T_带钢＜400℃时，上表面水量降低至设定水量的25％，下表面水量保持不变，直至钢心温度降至目标温度(≤500℃)后同时关闭超快冷系统的上下水，并将带钢卷成钢卷。

进一步的，所述超快冷系统以4个集管为一组，共计设置有18组，每组集管出入口均配置一组高压侧喷装置，侧喷压力40bar，由此保证每组的冷却水只能从热轧带钢上表面喷嘴缝隙中滑走而不进入相邻冷却区域。

本发明在精轧工序根据气温调节穿带速度、加速度以及机架间水开启状态，主要目的在于提高带钢入水前表面温度的均匀性，同时清除其表面的氧化铁皮，防止残留的氧化铁皮影响水冷换热的均匀性。当气温不超过20℃时，辐射、对流换热效率高，此时需提高穿带速度及加速度，由此降低带钢表面的温降速度；当天气温度高于20℃时，可以采用较低的穿带速度及加速度，保证带钢全长精轧出口的温度均匀性。

本发明在冷却工序根据水温、带钢表面换热能力以及带钢上下表面水流状态的不同，设定超快冷系统的水压和水比。当水温较低时换热能力强，带钢上下表面的冷却水带来的差异减小，水比可适当降低；当水温高时换热能力下降，带钢上下表面的水比应适当加大，从而保证带钢上下表面冷却的均匀性。

本发明冷却工序水压的设定也跟冷却水的温度具有一定的相关性。当水温较低时，水压过大会造成带钢表面气泡的过度击破，导致水与带钢表面热量的剧烈交换，极易导致带钢表面过冷以及心部热传导效率不足，使得表面与心部的冷却能力差异巨大，导致带钢表面形成高冷速、低温转变马氏体组织，而心部则冷速不足形成准多边形铁素体组织。因此根据水温不同设定超快冷的水压与水比，是保证厚规格低温高强钢厚度截面组织均匀性的有效手段。

本发明冷却工序侧喷布置形式及压力的限定作用在于保证射流至钢板表面参与换热的水流，按照设计过程进行热交换后排出，防止不同冷却区段的水流相互干扰导致冷却过程不受控。

当带钢温度低于500℃时，动态调节超快冷系统上下水比的原理和作用如下：带钢温度在500℃以下，冷却进入莱顿弗罗斯特效应区(Leidenfrost Phenomenon)，此时带钢表面无法形成稳定的沸腾膜，造成液滴在带钢表面无序流动，而下表面的冷却水则直接掉落，导致上表面的冷却能力显著高于下表面。为减小上下表面的换热特性差异，本发明设计出在不同温度段的上下动态水量增减调节模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：1)制得的最终产品性能优异，在厚度方向上组织均匀且均为板条贝氏体组织，晶粒度级差值≤1.0，表面与心部贝氏体束平均直径差值≤0.5μm，厚度截面硬度极差HV10≤20；2)冷却过程中产品表面、心部的温度极差≤50℃，冷却速度极差≤10℃/s，在厚度方向上的冷却更加均匀、可控；3)没有外加淬透性合金元素，不改变热轧厚壁高强钢的组成，工艺简单且容易实现，成本低、效果较好。

附图说明

图1为本发明制得的22mm X80产品的表层金相组织图；

图2为本发明制得的22mm X80产品的1/4厚度处金相组织图；

图3本发明制得的22mm X80产品的1/2厚度处金相组织图。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。

1)连铸坯加热后进行粗轧，粗轧所得中间坯的厚度为50-58mm。

2)将中间坯输送至七机架精轧机中进行精轧。当天气温度T_气≤20℃时，控制穿带加速度a为0.003-0.005m/s²，穿带速度为1.65-1.80m/s；当天气温度T_气＞20℃时，控制穿带加速度a为0.001-0.003m/s²，穿带速度为1.35-1.65m/s。轧制时机架间吹扫水全部打开，精轧出口带钢厚度≥18mm。

3)精轧完立即将得到的带钢输送至超快冷系统进行强力冷却，根据水温设定水压和上下水比：当水温T_水＜25℃时，超快冷系统的水压设定为0.20-0.25MPa，上下水比设定为1:1.10-1.20；当水温25≤T_水＜35℃时，超快冷系统的水压设定为0.25-0.30MPa，上下水比设定为1:1.25-1.35；当水温T_水≥35℃时，超快冷系统的水压设定为0.30-0.35MPa，上下水比设定为1:1.35-1.45。

期间根据来料温度、冷却水温、带钢行走速度、水压等情况计算带钢实时温度，当带钢表面温度T_带钢小于500℃时开始进行上下水比的动态调节，具体操作如下：T_带钢在500-450℃时，上表面水量降低至设定水量的75％，下表面水量保持不变；T_带钢在450-400℃时，上表面水量降低至设定水量的50％，下表面水量保持不变；T_带钢在400℃以下时，上表面水量降低至设定水量的25％，下表面水量保持不变，直至系统计算带钢心部温度达到目标温度后，同时关闭上下水比。

4)利用高强卷取机进行卷取，得到钢卷成品。

参照上述方法，在不同条件下进行了一系列实验，具体如下表1-2所示。

表1实施例1-10精轧工序工艺参数对照表

表2实施例1-10冷却工序工艺参数对照表

对实施例1-10制得的带钢产品进行了分析检测，结果如图1-3及表3所示。

表3实施例1-10带钢产品的性能对照表

由图1-3及表3可以看出，实施例1-10制得的带钢产品沿厚度方向组织均匀，表层、1/4厚度、1/2厚度处的金相组织类型均为板条贝氏体，表面组织晶粒度在12-13之间(级差值≤1)，厚度截面硬度极差HV10≤20。

以上结果表明，本发明通过控制进入冷却区前的带钢表面温度均匀性、表面二次氧化铁皮的形成，在冷却区域采取超快冷设备，根据不同的水温进行水压、水比的设定，并针对500℃以下冷却时莱氏效应导致的冷却不均匀问题提出了动态水比调节功能，最终多措并举实现了厚规格热轧高强钢壁厚方向均匀冷却的效果。

Claims (9)

1.一种热轧高强钢沿壁厚方向的均匀冷却控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：连铸坯加热轧制得到带钢，带钢进入超快冷系统进行强力冷却，期间根据带钢表面温度分段、动态调节超快冷系统的水压和上下水比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述轧制包括粗轧和精轧，并且先粗轧再精轧。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：粗轧所得中间坯的厚度为50-58mm，精轧所得带钢的厚度≥18mm。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：在精轧工序根据天气温度严格控制穿带速度及加速度：当天气温度T_气≤20℃时，穿带加速度0.003-0.005m/s²，穿带速度1.65-1.80m/s；当天气温度T_气＞20℃时，穿带加速度0.001-0.003m/s²，穿带速度1.35-1.65m/s。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于：精轧设备具体为七机架精轧机，精轧时机架间吹扫水全部打开。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在强力冷却工序按照以下方式调节超快冷系统的水压和上下水比：当水温T_水＜25℃时，超快冷系统的水压设定为0.20-0.25MPa，上下水比设定为1:1.10-1.20；当25≤T_水＜35℃时，超快冷系统的水压设定为0.25-0.30MPa，上下水比设定为1:1.25-1.35；当水温T_水≥35℃时，超快冷系统的水压设定为0.30-0.35MPa，上下水比设定为1:1.35-1.45。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：强力冷却一段时间后，当带钢表面温度T_带钢降至500℃及以下时，按照以下方式动态调节超快冷系统的水压和上下水比：当450＜T_带钢≤500℃时，上表面水量降低至设定水量的75％，下表面水量保持不变；当400℃≤T_带钢≤450℃时，上表面水量降低至设定水量的50％，下表面水量保持不变；当T_带钢＜400℃时，上表面水量降低至设定水量的25％，下表面水量保持不变，直至钢心温度降至目标温度后同时关闭超快冷系统的上下水，并将带钢卷成钢卷。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超快冷系统以4个集管为一组，每组集管出入口均配置一组高压侧喷装置，侧喷压力40bar，每组的冷却水只能从热轧带钢上表面喷嘴缝隙中滑走而不进入相邻冷却区域。

9.一种热轧高强钢，其特征在于：该热轧高强钢按照权利要求1-8中的任意一种方法制备得到。

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