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第七章钢材控制冷却理论基础本章内容热轧钢材轧后冷却的目的是为了改善钢材的组织状态，提高钢材性能，缩短热轧钢材的冷却时间，提高轧机的生产能力。轧后控制冷却还可以防止钢材在冷却过程中由于冷却不均产生不均匀变形，而使钢材扭曲或弯曲。7.1钢材水冷过程中的物理现象7.2控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择7.3轧后快速冷却的强韧化机制钢材水冷过程中的物理现象在1个大气压下饱和水在电加热的铂丝表面上沸腾时得到的实验曲线水冷时的沸腾换热现象钢材水冷过程中的物理现象高温钢材的水冷却可以有三种主要的方法，即喷水冷却(包括小水滴的雾状冷却和大水滴的喷水冷却)、连续水流冷却(包括水幕冷却和管层流冷却)、浸入冷却。钢材水冷过程中的物理现象当把一块赤热的钢浸入静止水中时，传热系数遵循图7-2的关系。在初接触时钢和水之间的巨大温度差引起迅速的热传导，可是由于钢块表面迅速形成隔热的蒸汽层,即“膜状沸腾”，结果出现一段低导热时期。此后钢件逐渐冷却，待至蒸汽不再稳定地附着在钢块表面时，钢和水重新接触而进入“核沸腾”期，此时产生很大的热传导,此时钢件相应变冷，不久就更冷，热传导再次降低。喷水冷却的水是不连续的水滴(紊流)，当水滴最初冲击到热钢材表面时，由于有很大的冷却水过冷度，热传导(冷却能力)非常大并迅速形成一层膨胀的蒸汽层，而随后喷来的水滴为这层蒸汽所排斥。此时热传导效果降低，钢材不能很好的冷却。高压水能冲破蒸汽膜，但压力加大冷却水反溅得厉害，冷却水利用率低，而且高压下水流变细不易打破蒸汽层。因而采用什么手段能不断破坏钢材表面的蒸汽膜是提高钢材传热效果的关键。钢材水冷过程中的物理现象钢材水冷过程中的物理现象而在连续水流冷却中，由于冷却水连续冲击在一个特定的面上，该表面很难形成稳定的蒸汽膜，表面温度迅速下降。结果在冲击点上产生汽泡沸腾，而且这一汽泡沸腾区迅速扩展。当冷却水均匀地喷在待冷却钢的整个表面时，其边缘在两个方向上受到冷却，边缘的冷却速度要比中心快一些，因此气泡沸腾从边部开始，逐步向中心扩散。钢材水冷过程中的物理现象钢在高温奥氏体区进行轧制，随后在冷却过程中由面心立方结构的奥氏组织状态向体心立方结构的铁素体转变，钢发生体积膨胀，同时释放出相变热。这种相变热释放的温度范围和释放的热量主要受钢的化学成分和冷却速度影响。如果能将相变热定量地包括在钢的热含量和表观比热中，并确定出它与温度、化学成份和冷却速率的关系，在计算钢的加热和冷却过程中的热传导时就会提高其精确度。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择控制冷却的重要目的之一是通过控制冷却能够在不降低材料韧性的前提下进一步提高材料的强度。对于高碳钢和高碳合金钢轧制后控制冷却的目的则是防止变形后的奥氏体晶粒长大，降低以致阻止网状碳化物的析出量和降低级别，减小珠光体球团尺寸，改善珠光体形貌和片层间距，从而改善钢材的性能。控制轧制特别对改善低碳钢、低合金钢和微合金钢材的强韧性最有效：低温终轧的钢材，终轧时奥氏体处于未再结晶温度区域，由于变形影响使Ar3温度提高，终轧后奥氏体很快就相变，形成铁素体。这种在高温下形成的铁素体成长速度很快。如果轧后采用的是慢冷，铁素体就有足够的长大时间，到常温时就会形成较粗大的铁素体，从而降低了控制轧制细化晶粒的效果。高温终轧的钢材，轧后处于奥氏体完全再结晶状态，如果轧后慢冷(空冷)，则变形奥氏体晶粒将在冷却过程中长大，相变后得到粗大的铁素体组织。由于冷却缓慢．由奥氏体转变的珠光体粗大，片层间距加厚。这种组织的力学性能是较低的。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择控制冷却钢材的性能取决于轧制条件和冷却条件。轧材冷却之前的组织状态取决于控制轧制工艺参数，而控制冷却的条件(开冷温度、冷却速度、终冷温度等)对相变前的组织和相变后的相变产物、析出行为、组织状态都有影响。因此为获得理想的控制冷却钢材的性能，就要将控制轧制和控制冷却很好的结合起来。一般可把轧后控制冷却过程分为三个阶段，称为一次冷却、二次冷却和三次冷却(空冷)。三个冷却阶段的冷却目的和要求是不同的。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择一次冷却是指从终轧温度开始到变形奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3或二次碳化物开始析出温度Arcm这个温度范围内的冷却控制，即控制其开始快冷温度、冷却速度和快冷终止温度。这一阶段控制冷却的目的是控制变形奥氏体的组织状态，阻止奥氏体晶粒的长大，阻止碳化物析出，固定因变形而引起的位错，降低相变温度、为相变做组织上的准备。相变前组织状态直接影响相变机制和相变产物的形态、粗细大小和性能。一次冷却的开始快冷温度一般说来越接近终轧温度细化变形奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择二次冷却是指从相变开始温度到相变结束温度范围内的冷却控制。二次冷却的目的是控制钢材相变时的冷却速度和停止控冷的温度，即控制相变过程，以保证钢材快冷后得到所要求的金相组织和力学性能。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择三次冷却(空冷)是指相变后至室温范围内的冷却。在不同冷却速度时的组织形态对于低碳钢来说相变全部结束后，冷却速度对组织没有什么影响。而对于含Nb钢在空冷过程中会发生碳氮化物析出，对生成的贝氏体产生轻微的回火效果。对于高碳钢或高碳合金钢相变后空冷时将使快冷时来不及析出的过饱和碳化物继续弥散析出。如相变完成后仍采用快速冷却工艺，就可以阻止碳化物析出，保持其碳化物固溶状态，以达到固溶强化的目的。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择用于高温钢材冷却有三类冷却方式，其常用的具体的冷却方法有：（1）喷水冷却(喷流冷却)水从压力喷嘴中以一定压力喷出水流，而水流为连续的，没有间断现象，但是呈紊流状态。把采用这种水流破断以前的连续喷流的冷却方法叫做喷流冷却，或叫做高压喷水冷却。这种冷却方法穿透性好，在水膜比较厚的时候采用。一般应用在中厚钢板轧后冷却和钢板淬火时，在型钢冷却中进行局部冷却也可使用。这种冷却方法水的喷溅利害，所以水的利用率较差。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择（2）喷射冷却将水加压由喷嘴喷出的时候，如果超过连续喷流的流速时则水流发生破断，形成液滴群冲击被冷却的钢材表面。把这种用液滴群冷却的方法叫做喷射冷却。该方法适合于一般冷却及各种用途的喷嘴。但是用同一喷嘴所能控制的冷却能力范围不太宽，并且需要比其它方法施加更高的压力。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择（3）雾化冷却利用加压空气使水雾化，水和高压高速气流一起从喷嘴喷出形成雾状，这种冷却方法叫做雾化冷却。有两种雾化冷却情况：①为了提高冷却能力用空气加速水滴；②为了控制冷却能力用空气使水滴微细化，而不给予太大的动能，这一般称为雾化或叫做雾冷。尽管由于使用了空气造成联合喷嘴结构和配管系统比较复杂，且设备费用增加、噪音大和车间雾气较大等，但是调整冷却能力的范围却较大，可以实现单独风冷、弱水冷、喷水冷，且冷却比较均匀。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择（4）层流冷却给以一定压力的水从喷嘴喷出形成喷流，当喷射的出口速度比较低时，形成平滑的喷射喷流。这种平滑的层状喷流落到一定距离时，由于水的加速度影响而破断成液滴流，破坏了层流状态。采用这种层流喷流的冷却方法叫做层流冷却。喷流可在一较长距离内保持水的层流状态，获得很强的冷却能力。所以该方法一般在要求强冷时使用。目前钢板生产中采用管层流和板层流二种方式。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择（5）浸水冷却将热轧钢材直接浸入冷却水中进行快速冷却的方法叫做浸水冷却。因为方法简单，这种冷却方法很早就被采用了。但这种方法存在很多问题，如冷却能力很难控制、冷却不均匀易引起轧件弯曲、钢材组织不均匀、冷却能力随水温变化而变化很大等。这种冷却方法目前在生产中通过设备机构上的改进和自动程序控制等措施，在钢材冷却中仍被使用。例如在日本某些钢厂热轧钢管轧后快速冷却时就采用钢管浸水法进行冷却。冷却过程机理浅析－冷却水浇在红钢上会生成一层汽膜，影响热交换－水与钢的热交换系数远远大于汽与钢的热交换系数－有效地打破汽膜，是提高热交换效率的关键冷却过程示意图新一代控制冷却技术下冲水层水汽膜轧件经雷诺数Re计算，Re2300不是层流，Laminar应翻译为层水雷诺数1883年，英国物理学家O.雷诺观察了圆管内的流动状态,首先提出：由层流向湍流的过渡取决于比值dup/μ（d为管子内径）。这个比值即雷诺数Re。L为流场的几何特征尺寸（如管道的直径）；p为流体的密度；μ为流体的粘度。雷诺数是流体流动中惯性力与粘性力比值的量度。雷诺数越大，表明层流状况越差，冷却效率越低。反之，雷诺数越小，层流状况越好，冷却效率越高，导热系数越大。而水幕层流状况的好坏与水幕冷却装置及喷嘴的结构形式、表面状态和尺寸有关。控制冷却各阶段的冷却目的和冷却方式的选择比较：喷射冷却：高压紊流高速喷射的钢板表面。速度高，但是水滴质量小，故动量小。无法击破钢板表面的气膜，冷却效果较差。管式层流冷却：低压层流水流通过圆管流到钢板表面。速度低，但是水的质量大，故动量大。可以击破钢板表面的气膜，冷却效果好。水幕层流冷却：低压层流水流通过一定宽度的缝隙流到钢板表面。横向均匀性好，冷却效果最好，冷却能力是层流冷却的1.2－2倍。超快速冷却基本原理管层流轧件下冲水层水汽膜水幕下冲水层水汽膜轧件Tt测温仪反红现象超快速冷却基本原理UFC下冲水层水汽膜轧件超快速冷却基本原理Calam热带钢轧机的UFC照片超快速冷却设备特点－冷却区•UFC一般冷却区很短（5－10m,层冷区的～1/10)•常设有挡辊（Pinchroll，压辊、夹送辊）•侧喷、端喷、气墙•侧喷、气墙气墙测温仪侧喷层水残气残水超快速冷却设备特点－冷却区倾斜喷射；压力；较近距离；吹扫气膜－核沸腾；2－5倍的冷却效率倾斜喷射高效冷却基本原理国外典型超快速冷却介绍典型应用厂家•日本钢管福山厂（传统流程）•荷兰寇尔斯厂（薄板坯连铸）•西班牙ABS（薄板坯连铸）•德国蒂森－克虏伯（薄板坯连铸）•日本中山钢铁公司（新轧机）•韩国浦项2号热连轧（传统流程）•韩国光阳3号热连轧（传统流程）•韩国POSCO厚板（2006）•日本京浜厚板（super－OLAC）蒂森－克虏伯热带轧机的超快速冷却轧后快速冷却的强韧化机制轧后快速冷却实质是控制轧制后细化了的变形奥氏体组织经过快速冷却，相变组织发生相应变化，钢中析出物的大小、数量、析出部位发生变化，从而使钢材的强韧性得以提高的。如在中厚板轧机上进行控制轧制后的冷却采用弱冷，可以得到微细的铁素体和小片层间距的珠光体组织，或得到微细的铁素体和贝氏体双相组织。轧后冷却速度对钢材强韧性的影响Nb、Ti含量对轧后快速冷却钢材强韧性的影响轧后冷却的影响以钢和含的高强度管线钢为例：坯料厚度为，分别1200和1100加热，900以下累积变形70%，终轧温度为800，终轧厚度为20；轧后采用喷雾冷却设备，从780快冷至600，最大冷却速度为，其后空冷至室温。Nb、Ti含量的影响冷却速度：7～8冷却速度：10～12