中厚板热处理生产线新型冷却系统

1中厚板热处理生产线新型冷却技术的发展

　　P20中厚板轧机或专用42CrMo中厚板热处理线生产优质中厚板，所使用的原料性能在热机轧制中设定。而热处理线上，对轧制钢板进行再加热，精准冷却之后，再做回火处理。

　　冷却工艺是决定材料性能的关键环节。从20世纪50年代开始，中厚板轧机广泛采用U型管层流冷却系统，随着原材料的不断发展，对冷却速率和冷却灵活性要求大大提高，同时也促进了夹送辊喷雾冷却系统的发展。21世纪初，喷淋和层流相结合的冷却方式发展成了最先进的冷却技术。

　　然而，优质原材料要求精确地对微观结构进行调整设定，这项工作只能通过热处理线实现。从20世纪60年代开始，在板材冷却的热处理线上，采用了高压低压分段结构的辊式淬火装置，但这一措施只涉及少数工艺过程，主要是骤冷法。

　　SMS集团吸取了中厚板行业喷雾冷却技术的丰富经验，成功开发出了基于MultiFlex-Quench冷却技术的新型挠性热处理冷却系统(见图1)。

　　随着该新型冷却系统的问世，为中厚板热处理线提供了宽广的冷却速率和冷却模式，而且大幅度提高了钢板的平整度。

2多选项大范围灵活多变的冷却方式

　　由于钢板冷却选项多种多样，并结合夹送辊之间的钢板液压夹紧作用，加上MultiFlex-Quench工艺技术的投入使用，所生产的产品柔性好、品种多、平整度高。根据拟轧制钢板的宽度，将冷却集管沿宽度方向分成几个分区，并按照买方需求以及生产程序，开发设计了多种选项，扩大了MultiFlex-Quench技术的使用范围，在三个或四个分段中成对设置冷却集管，灵活控制分段中的分区，更加精准地调整冷却范围，调整范围可精确到1/60的冷却分区，冷却速率更加宽泛。

　　在基本冷却阶段，冷却集管分段布置，低压系统供水冷却，该系统可控制固溶退火后碳化物析出的高合金钢，对裂纹敏感的工具钢也有一定的控制作用。每一分区最多配置八对带喷嘴的冷却集管，低压范围内的水压为2bar。按照工厂配置，每个分区供水量可高达7300m3/h。

　　在部分分区中，可采用独立的冷却水回路，在高水量高压力作用下，根据需要并按照客户要求的配置控制冷却集管，该冷却模式对延展性好的耐磨钢以及高强度、超高强度结构钢尤为有效。依照原材料质量，压力等级可达5.5bar，在某些情况下甚至可以达到8bar。因此，在高压分区内，供水量可高达5800m3/h。同时，还可以随时将高压供水分区切换到低压供水下运行。

　　如果表面硬度需满足极限值要求，也可以在淬火入口段安装开槽喷嘴(水幕喷头)，尽可能提高冷却速率。特殊热处理钢采用高冷却速率，以便提高耐磨性和低温状态下的延展性。将开槽喷嘴与高压段的水回路耦合，在特短时间段内冷却水量即可达到2200m3/h，从而实现效率高均匀性好的冷却过程。

　　处理裂纹敏感性工具钢时，可以给MultiFlex-Quench系统配备一套独立的冷却系统，以便处理水量要求最低以及敏感性高的冷却过程。通过这项综合冷却模型，系统能够精准地执行所要求的冷却速率和冷却模式，从而大大缩短无风状态下或压缩空气中冷却原材料所需的平均冷却时间，确保实现1.3K/s的冷却速度，并进行精准设定，采用自动化系统决定冷却水需求量，并确认其为二级冷却方式。

　　所有冷却集管均能执行大面积的冷却过程，并且喷嘴配置得当合理、冷却集管结构优美完善，从而使MultiFlex-Quench技术为中厚板热处理生产线提供了更加灵活、均匀、高效的冷却技术。

3机械设备

　　通过使用带导辊的主动液压夹紧装置，保证了所生产的钢板具有最好的平整度，尤其是薄板的平整度。采用多对工作辊引导并夹紧钢板，成对或者单独驱动工作辊，每个分段均采用四缸驱动，压力可达100t。液压夹紧控制装置由位置和夹紧力两部分控制系统组成，人机界面(HMI)上显示位置和当前夹紧力。

　　如果超过最大夹紧力设定值时，启动安全功能，自动打开夹紧辊，防止对机械设备造成损坏。例如，在冷却过程中，板材的超应力可能引起超限现象，因此，可以通过液压夹紧力确定淬火变形时间，之后，将资料信息传至二级系统。

4快速自适应冷却速度型转换分段

　　MultiFlex-Quench系统在入口段设一对幕帘，可在短时间内实现快速冷却，入口段之后有四个分段，每个分段设有6-8对冷却集管，见图2。

　　MultiFlex-Quench系统第一分段的设计结构能在高低压两种情况下运行，根据各自的产品组合要求，还可以在淬火中设计更多可转换的分段。另外，每个冷却集管都配置了低冷却速率条件下可立即启动的喷嘴。

5在线模型

　　该技术的核心是复杂的在线热基冷却过程模型，模型涵盖范围很广，可以以目标值的方式设定中厚板不同的机械性能组合。采用成熟的二级物理在线模型，如SMS冷却模型，确保其能精准控制工艺过程。工厂控制的关键目标变量是机械性能(或微观结构)、能源效率和钢板平整度。此外，该模型能最大限度地减少合金元素使用，并具有缩短处理时间、提高产量、实现绿色生产过程等优势。

　　采用数学模型对模拟量进行高动态热处理，并相互结合，形成一套完整的处理方法。计算对原料性能起决定性作用的冷却速率时，采用SMS原料数据库，该库是所有SMS工艺模型的基础，根据不同钢种的化学成分和温度，推算各自钢种的主要物理和机械性能。采用完整的SMS冷却模型确定冷却模式和冷却终止温度。

6过程开发

　　如果使用MultiFlex-Quench系统生产新型高质量板材，SMS集团可协助用户确定热处理过程中理想的作业参数，并将其集成到自动化系统中以便优化工艺参数。基于该技术，能够更精确地设定热处理工艺可以实现的机械性能，减少合金化元素的使用，缩短加工时间，增加产量，从而有助于环境保护。

7运行效果

　　通过MultiFlex-Quench系统的运行结果表明，无论厚度范围和冷却方式如何，板材平整度结果均满足各自的要求。在淬火但还未到冷态情况下，如果要求的最小偏差小于8mm/m，10mm以上厚度钢板的测量结果均在公差范围内。如果冷却方式适当可行，那么低于8mm厚度的淬火钢板的平整度公差就非常小。

7.1斯洛文尼亚Acroni厂生产的第一批中厚板

　　2018年6月，斯洛文尼亚叶塞尼采市Acroni厂采用MultiFlex-Quench系统生产了第一批中厚板，比原计划提前两天，生产出的钢板平整度非常好，该厂采用的两座高效辊底热处理炉是新建中厚板热处理生产线的关键设备。

　　该生产线配置高温辊底炉进行淬火和正火处理，炉子由两个热处理室组成，其中钢板在氮基惰性气体气氛中进行退火，射流管将原料间接加热到1100℃。该生产线也设有一座新型低温再加热炉，是一种开炉式辊底炉，将钢板温度控制在400-800℃范围内进行淬火和回火作业。

　　工厂设计的钢板厚度范围为3-100mm，宽度最大2500mm，产品大纲包括高碳钢、不锈钢、工具钢以及多种特殊钢种。

　　Acroni成功地将针对各种冷却方案的目标设定选项集成到MultiFlex-Quench系统中，包括基于模型的、针对裂纹敏感钢的交错冷却模式。因此，敏感钢的处理时间可以通过下列方式实现：有针对性地中断强制冷却、尽量减少内部应力的温度均衡过程，并通过一些处理方式实现强制冷却。

7.2萨尔茨吉特对创新技术的投资

　　德国萨尔茨吉特钢铁公司的独资子公司Ilsenburger Grobblech板材厂选择SMS集团作为新型热处理生产线的供货商。

　　该热处理生产线主要包括一座抛丸机、两座辊底炉、MultiFlex-Quench冷却系统、一台平整机、一套清洗和涂底漆设备、水处理厂。SMS集团也提供生产线电气自动化系统，并负责原料和工艺模型。供应范围包括所有配套设施，如钢板运输系统、冷床、钢板上料和对中装置等。这套节能型热处理线满足最苛刻的质量和平整度要求。MultiFlex-Quench系统的生产产品范围宽广，尤其是生产极具挑战性的钢种。

　　新热处理线可对20万吨/年以上的厚板进行退火和深加工处理，设计规格范围为5-175mm厚的中厚板，宽度最大3500mm，长度4-24m。原料范围包括高强度碳钢、优质耐磨钢、海上和压力容器用钢、以及表面硬化和淬火/回火钢等。

8结语

　　中厚板的发展对热处理生产线冷却工艺提出了新挑战，因此，SMS集团基于板材冷却技术方面的丰富经验开发出了MultiFlex-Quench冷却系统，该技术可灵活地应用于各种冷却方式，既有对标准材料和特殊材料的冷却措施，也有对新开发钢种的冷却方案。

　　自从2016年该系统在Acroni板材厂投入使用以来，其运行结果表明，板材质量完全符合高标准高质量要求，特别是平整度和硬度分布方面。此外，也能减少部分钢板的加工处理时间。