徐言東 余偉 何春雨 劉濤 徐平

　　我國鋼鐵產(chǎn)量多年穩(wěn)居世界第一，鋼材質(zhì)量也越來越高，其關(guān)鍵就在于我國把引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了認(rèn)真吸收、消化和創(chuàng)新，逐步國產(chǎn)化，再推廣到世界市場(chǎng)中。在軋鋼行業(yè)中，提高鋼材性能和質(zhì)量的技術(shù)中最重要就是控軋控冷技術(shù)的國產(chǎn)化和智能化。

　　控軋控冷技術(shù)國產(chǎn)化和智能化提高鋼材性能

　　鋼材的控軋控冷技術(shù)，是指在鋼材的軋制過程中通過控制加熱溫度、軋制過程、冷卻條件等工藝參數(shù)，改善鋼材的強(qiáng)度、韌性、焊接性能。我國在學(xué)習(xí)國外先進(jìn)控軋控冷技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)，逐步實(shí)現(xiàn)了控軋控冷技術(shù)國產(chǎn)化和智能化，推動(dòng)了中國“精品鋼材”的發(fā)展。

　　在鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)中，通過軋制與冷卻過程來控制、改善鋼材的性能。采用各種各樣的軋制條件，把變形程度、變形速率、變形溫度等條件控制好，就會(huì)得到組織和性能優(yōu)異的材料。水與鋼材的強(qiáng)制換熱可以調(diào)整鋼材的溫度，方法就是通過調(diào)整噴向鋼材的水量來控制鋼材的冷卻過程，控制材料高溫奧氏體組織長(zhǎng)大、奧氏體向低溫組織相變，從而改善鋼材的性能，提高鋼材的質(zhì)量。這就是控軋和控冷技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

　　控軋控冷技術(shù)始于1890年的德國，當(dāng)時(shí)科技人員對(duì)鋼鐵制品的熱加工條件、材質(zhì)及顯微金相組織進(jìn)行了研究，定性地揭示了熱加工條件與材質(zhì)間的關(guān)系。1945年后，美國、比利時(shí)、瑞典、法國、英國等歐美國家通過各種實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)，定性解釋了熱軋后的鋼材繼續(xù)進(jìn)行奧氏體再結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)變化，從理論上確定了控軋技術(shù)的基礎(chǔ)。后來，研究人員通過添加鈮、釩、鈦等微合金元素，發(fā)現(xiàn)對(duì)提高單純軋制鋼材強(qiáng)度有效。接著微合金元素與鋼材的顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的定量關(guān)系及強(qiáng)化機(jī)理的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步完善了控制軋制原理。基于物理冶金原理，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)合理的各種低合金鋼或合金鋼的成分和軋制條件，并得到預(yù)期鋼材的目標(biāo)性能值和顯微組織。

　　1970年后，市場(chǎng)對(duì)鋼材的強(qiáng)度、低溫性能、焊接性能要求更高，美國、日本等發(fā)達(dá)國家在傳統(tǒng)控制軋制技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)展了通過控制冷卻速度來改變鋼材相變的新技術(shù)。日本、歐洲、美國等率先采用控制冷卻技術(shù)，開發(fā)出高性能的低合金鋼，使得鋼的強(qiáng)度、韌性和焊接性能進(jìn)一步提升。在這一時(shí)期，我國引進(jìn)了發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)，積極消化吸收新技術(shù)和設(shè)備工藝，經(jīng)研究開發(fā)、工業(yè)實(shí)踐中不斷改進(jìn)，北京科技大學(xué)、東北大學(xué)等高校和鋼鐵研究總院等研究機(jī)構(gòu)在控軋控冷技術(shù)的某些領(lǐng)域中取得了進(jìn)步。

　　控軋控冷在鋼材生產(chǎn)的發(fā)展過程中起著不可替代的作用：一是能夠通過細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等方式，使鋼材的強(qiáng)度提高50MPa~300MPa，韌性得以改善，鋼材的性能等級(jí)提高，促進(jìn)了鋼材品種結(jié)構(gòu)的升級(jí)換代；二是能夠部分替代或者完全替代添加（微）合金元素來改善鋼的性能，或在不添加或者少添加合金元素的前提下，通過優(yōu)化軋制工藝和冷卻工藝達(dá)到同樣的效果；三是促進(jìn)了金屬物理學(xué)、物理冶金學(xué)、塑性加工金屬學(xué)的理論研究和學(xué)科發(fā)展。經(jīng)過控軋控冷的鋼材，其組織要比普通鋼材更加豐富多樣，需要分析的現(xiàn)象和揭示的機(jī)理問題更加深邃。

　　國外控制軋制和控制冷卻工藝的發(fā)展

　　控制軋制技術(shù)：

　　控制軋制工藝最先應(yīng)用于中厚板生產(chǎn)，其關(guān)鍵工藝主要為兩個(gè)方面：一是控制軋制溫度，尤其是終軋階段溫度；二是控制變形程度，按照變形溫度和再結(jié)晶程度控制軋制通常劃分為在奧氏體再結(jié)晶區(qū)、奧氏體未再結(jié)晶區(qū)、奧氏體+鐵素體兩相區(qū)三階段控制軋制。

　　中厚板的控制軋制技術(shù)除了高溫軋制工藝（HTP） 技術(shù)以外，新技術(shù)還包括中間坯冷卻技術(shù)（IC）和 馳豫-析出-控制技術(shù)（RPC），為奧氏體組織控制、析出控制、冷卻相變組織創(chuàng)造了條件。

　　控制冷卻技術(shù)：

　　板帶鋼軋后冷卻技術(shù)的發(fā)展主要集中在提高冷卻效率、溫度均勻性、設(shè)備可靠性、提高組織均勻性、控冷板形平直度等幾個(gè)方面做出努力，可劃分為三代：第一代（~1980年）以噴淋冷卻為代表的冷卻技術(shù)，傾斜噴射或垂直噴射。第二代（1980年后）噴射流為代表的冷卻技術(shù)，如日本住友金屬的水幕冷卻，日本JFE 的柱狀層流；1990年后，以改進(jìn)型層流噴射冷卻技術(shù)為主，氣霧冷卻也是這一時(shí)代的產(chǎn)物。第三代（2000年后）強(qiáng)化冷卻為代表的技術(shù)逐步得到開發(fā)與應(yīng)用，如開發(fā)的 UFC、VAI的MULPIC 技術(shù)，JFE公司的 Super-OLAC，NSC開發(fā)的IC技術(shù)，POSCO 開發(fā)的 HDC，北京科技大學(xué)開發(fā)的SUPIC等。

　　TMCP技術(shù)：

　　TMCP其名稱是熱機(jī)軋制控制工藝（Thermal Mechanical Control Process），就是控制軋制和控制冷卻技術(shù)結(jié)合起來的技術(shù)。1977年在美國舉行的“微合金化”大會(huì)上，日本的研究者 Kozasu 提出了TMCP理論，至1988年得以逐漸完善。這種工藝把奧氏體晶粒細(xì)化、加工硬化和相變結(jié)合，極大加強(qiáng)細(xì)化晶粒的效果，并把鐵素體-珠光體相變擴(kuò)展到鐵素體-貝氏體相變，提高鋼材的性能。日本和歐洲的鋼鐵企業(yè)在同期也開發(fā)了不同形式的冷卻裝置，用TMCP生產(chǎn)晶粒細(xì)化鋼板。該技術(shù)能夠較控軋工藝進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)韌性和獲得合理的綜合性能，并能降低合金元素和碳含量，節(jié)約貴重的合金元素，降低生產(chǎn)成本。與普通熱軋生產(chǎn)工藝相比，該工藝可以使鋼板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度平均提高約40MPa～60MPa，在低溫韌性、焊接性能、節(jié)能、降低碳當(dāng)量、節(jié)省合金元素以及冷卻均勻性、保持良好板形方面都有無可比擬的優(yōu)越性。

　　控軋控冷技術(shù)在我國取得了大的進(jìn)展

　　在1986年前后，我國只有20家中厚板生產(chǎn)線且技術(shù)工藝較為落后，在原冶金工業(yè)部的支持下，開發(fā)與應(yīng)用了以水幕冷卻為代表的軋后冷卻裝備。1989年，北京科技大學(xué)、鋼研總院、重鋼中板廠聯(lián)合研發(fā)的水幕層流冷卻裝置得到應(yīng)用。隨后，該技術(shù)在南鋼、新鋼等企業(yè)得到應(yīng)用。2004年隨著國內(nèi)引進(jìn)日本住友的一條水幕冷卻裝置的投產(chǎn)，至今再也沒有新建水幕冷卻裝置，而原來已經(jīng)建設(shè)的水幕冷卻裝置也陸續(xù)停用、淘汰。

　　1997年，國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃——“973”計(jì)劃提出超細(xì)晶粒鋼的研究，在進(jìn)行超細(xì)晶粒制備機(jī)理研究的同時(shí)，對(duì)控制軋制與控制冷卻技術(shù)也進(jìn)行了深入研究，研究的主要目標(biāo)是使低碳鋼、低合金鋼性能成倍增加。

　　1999年，北京科技大學(xué)高效軋制國家工程研究中心和鞍鋼共同開發(fā)了新型軋后冷卻裝置——加密管層流裝置（MPL-ACC），并在鞍鋼4300寬厚板生產(chǎn)線得到應(yīng)用。2009年，北京科技大學(xué)又開發(fā)成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傾斜式超快速冷卻器和超密度噴射冷卻器，對(duì)中厚板的冷卻過程進(jìn)行精確控制。北京科技大學(xué)在板帶鋼控軋中間冷卻、機(jī)架間冷卻、軋后控冷、常化控制冷卻、輥式淬火機(jī)、特厚板淬火裝置設(shè)計(jì)等研究開發(fā)方面積累了理論知識(shí)與工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)的冷卻裝置涵蓋了目前國內(nèi)板帶鋼生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的所有控制冷卻裝置類型。

　　2008年，東北大學(xué)研制出系列首臺(tái)套熱軋鋼材先進(jìn)快速冷卻裝備與控制系統(tǒng)，之后應(yīng)用在鞍鋼、南鋼等國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)。通過項(xiàng)目的實(shí)施，熱軋鋼材強(qiáng)度指標(biāo)提高100MPa~200MPa，主要合金元素用量節(jié)省20%～30%，促進(jìn)了我國鋼材由“中低端”向“中高端”升級(jí)換代。

　　TMCP技術(shù)的發(fā)展是材料科學(xué)、軋制理論與設(shè)備、控制冷卻技術(shù)設(shè)備協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果。如新一代鋼鐵材料采用低成本合金、降低貴合金消耗，對(duì)生產(chǎn)工藝的精調(diào)與優(yōu)化，根據(jù)不同產(chǎn)品用途與性能要求，適當(dāng)降低產(chǎn)品不需要的性能裕量；更重要的是，擺脫了中厚板生產(chǎn)“印鈔”時(shí)期形成的依靠產(chǎn)量取勝的思維。

　　我國有豐富的釩、鈦和稀土資源，具有發(fā)展微合金控軋控冷技術(shù)的廣闊前途。近三十年來，控軋控冷技術(shù)在我國取得了大的進(jìn)展。我國目前每年采用控軋控冷生產(chǎn)鋼材已經(jīng)超過近億噸，涉及到幾十個(gè)鋼種，已經(jīng)應(yīng)用到造船、石油、天然氣輸送管道、鍋爐及壓力容器、鋼板樁、汽車、螺紋鋼、鋼絲繩、軸承、地質(zhì)鉆桿、機(jī)械用鋼、建筑用鋼等方面，其中板材占40%左右，棒線材占50%左右，管材和型材占5%。

　　利用信息化、智能化技術(shù) 開發(fā)低成本高性能鋼鐵材料

　　軋鋼行業(yè)的控軋控冷技術(shù)是鋼鐵業(yè)技術(shù)進(jìn)步和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)換代的代表之一。我們需要繼續(xù)開辟精簡(jiǎn)生產(chǎn)工藝流程、節(jié)省合金元素、提高鋼材性能的新途徑，用信息化、智能化技術(shù)來推動(dòng)鋼鐵生產(chǎn)過程的智能設(shè)計(jì)與同步精準(zhǔn)智能控制，打造一個(gè)滿足市場(chǎng)要求的新的鋼材成分和工藝設(shè)計(jì)體系，開發(fā)出一系列低成本高性能鋼鐵材料。這就要求院校、科研單位與鋼鐵企業(yè)緊密合作，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，一切為終端客戶服務(wù)，把單純的EPC和改造項(xiàng)目變成共同的項(xiàng)目和事業(yè)。軋鋼行業(yè)要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員系統(tǒng)培訓(xùn)，使其具備軟件修改、新功能開發(fā)能力，共同在控軋控冷（TMCP）新工藝開發(fā)和優(yōu)化上不斷挖潛，把材料精細(xì)設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、裝備開發(fā)和產(chǎn)品應(yīng)用相結(jié)合，降低生產(chǎn)成本；要堅(jiān)持可持續(xù)的發(fā)展及實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，促進(jìn)軋鋼行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、創(chuàng)新發(fā)展，引領(lǐng)行業(yè)跨越式發(fā)展，使我國由鋼鐵大國成為鋼鐵強(qiáng)國、由世界先進(jìn)技術(shù)的跟跑者成為領(lǐng)跑者。