高強度寬厚板的冷卻一直是寬厚板生產(chǎn)中的重要冶金手段。近幾年，這一領域取得的顯著進步，既能滿足更高水平的需求，又能不斷提高寬厚板的材料性能。高強度鋼種的生產(chǎn)是寬厚板市場的主要趨向，其中船用鋼板及管線用鋼板是這一領域的兩大主要產(chǎn)品。高強度寬厚板除了要求提高抗拉強度外，還需具備優(yōu)異的韌性，優(yōu)良的可焊接性及精確的平直度。
1 寬厚板的熱機械軋制
寬厚板的熱軋可分為兩種工藝：傳統(tǒng)熱軋法及控制軋制。傳統(tǒng)熱軋法的目標是用最少的軋制道次生產(chǎn)特定尺寸的產(chǎn)品，而控制軋制則是一種獨立的軋制方式，即為了獲得材料所需的高強度及韌性等綜合性能，在軋制中精確地控制材料形狀及操作溫度。熱機械軋制是在奧氏體不能再結晶的溫度范圍內(nèi)完成最后一個軋制道次。機械性能及細晶粒是在隨后對成型奧氏體組織的水冷中決定的。
在水冷方面有兩種主要方式：加速冷卻及直接淬火。當采用加速冷卻時，冷卻過程從約800℃開始，到500℃及600℃之間結束。加速冷卻由于能使微觀組織細化，從而提高鋼板的機械性能。這類寬厚板的微觀組織主要成分是細晶粒的鐵素體/珠光體，鐵素體/貝氏體，或是全貝氏體組織。對直接淬火而言，鋼板盡可能快的冷卻下來。冷卻的起始溫度約為900℃，而終止溫度則低于250℃。直接淬火鋼板通常為高硬度的貝氏體和/或馬氏體組織，一般用作機械應力和/或耐磨性要求高的結構件。
冷卻速率：影響鋼板冷卻的主要因素是冷卻速率。冷卻速率是指入口-出口側的溫度差與冷卻時間的比率。冷卻時間是指在有效冷卻段的停留時間。提高冷卻速率，即加速冷卻，可細化鋼板的微觀組織，從而提高鋼板強度。
加速冷卻可通過以下途徑提高強度：細化鐵素體晶粒、析出強化以及貝氏體相變強化。然而，提高屈服強度和抗拉強度的機理不同。加速冷卻通過細晶強化和析出強化來提高屈服強度，而抗拉強度的提高則是通過貝氏體相變強化實現(xiàn)。
研究400HV10鋼（0.15%C-1.4%Mn-0.04%Nb）在直接淬火條件下不同冷卻速率對組織的影響發(fā)現(xiàn)，空冷時（1℃/s）獲得鐵素體/珠光體組織以及少量的馬氏體，硬度達到220HV 10（對應于抗拉強度740MPa）。中等冷卻速率（10℃/s）獲得貝氏體組織，硬度為290 HV10（抗拉強度約940MPa），而采用更高的冷卻速率（30℃/s），則得到100%的馬氏體組織，硬度高達410HV10（抗拉強度約1300MPa）。
物理約束：采用現(xiàn)代化冷卻設備很容易達到100℃/s以上的冷卻速率。然而，如此高的冷卻速率僅能在鋼板表面以及薄規(guī)格的鋼板上才能實現(xiàn)。對于厚規(guī)格鋼板，鋼板芯部能夠達到的冷卻速率隨鋼板厚度的增加而顯著下降，其限制性因素是鋼板的導熱性。
鋼板表面和芯部冷卻速率的差異導致組織不同，從而造成鋼板性能的不均勻性。而且，微觀組織的差異導致在鋼板表面和芯部之間產(chǎn)生張力應力，對鋼板的平直度產(chǎn)生影響。
2 冷卻技術
層流冷卻：目前，鋼板廠采用的冷卻系統(tǒng)各式各樣，其中層流冷卻系統(tǒng)是全球最普遍使用的冷卻設備。該冷卻系統(tǒng)用在加速冷卻及直接淬火等領域，除了用途廣泛外，該系統(tǒng)的特點是構造簡單、能耗低、維護成本低。
噴霧冷卻：2001年SMS Demag公司開始開發(fā)新型冷卻系統(tǒng)。為了能在極高的冷卻速率下提高薄規(guī)格鋼板的平直度，開發(fā)出淬火型冷卻系統(tǒng)。基本思想思是混合使用高水壓（高達5巴）和噴淋頭之間的夾送輥，調整夾送輥保護靠近鋼板表面布置的噴嘴。此外，夾送輥可避免殘存水的流動，提高冷卻效率及溫度的均勻性。在冷卻過程中，夾送輥對鋼板進行導位，保證了沿鋼板表面的熱分布均勻，提高鋼板冷卻后的平直度。
層流與噴霧混合冷卻：在實際應用中，兩種系統(tǒng)通?；旌鲜褂?，噴霧冷卻安裝在層流冷卻段前面。特別是一些厚板生產(chǎn)廠家，正加大這類冷卻設備上的投入。該系統(tǒng)已在幾家新廠以及現(xiàn)代化改造的項目上使用。
兩種冷卻方式可以混合使用，也可單獨使用?；旌侠鋮s模式最常用于很薄、很厚以及很寬鋼板的加速冷卻和直接淬火。許多鋼板廠在冷卻設備前使用預矯直機。在大修期間，噴霧冷卻系統(tǒng)可增設到已有的層流冷卻系統(tǒng)中。在新建造的設備中，已為將來的擴建提供了基礎和空間。
3 冷卻控制
對每塊鋼板可單獨調整水流形式、流量以及分布。所有的調整都必須滿足精度以及動態(tài)特性等方面的特殊要求。為了精確控制水流形式，每個冷淋頭或每個噴嘴淋頭可單獨控制。循環(huán)控制由控制閥和流量計實現(xiàn)。
為了實現(xiàn)所需的冷卻參數(shù)，使用良好的物料跟蹤系統(tǒng)是至關重要的。要實現(xiàn)鋼板位置的精確控制，需要不同的傳感器以及不同的控制方法。對跟蹤系統(tǒng)而言，需要在冷卻段前、中、后安裝高溫金屬探測器、光電裝置、高溫計以及脈沖發(fā)生器。幾個同步點保證了冷卻系統(tǒng)精確跟蹤，精確遮蔽鋼板的頭尾，實現(xiàn)優(yōu)異的冷卻效果。
4 冷卻模型
冷卻過程自身由冷卻模型來控制，必須實現(xiàn)兩大功能：首先，材料經(jīng)過不同相的溫度區(qū)間內(nèi)改變材料的微觀組織，這就需要充分了解相變動力學；其次，必須調整冷卻過程中的冷卻速率，并且需要補償鋼板頭尾存在的溫差。
鋼板冷卻的關鍵是對鋼板上溫度分布的精確測量。SMS Demag的數(shù)學-物理冷卻模型顯示出的圖像表明材料的時間-溫度特性的不穩(wěn)定性。模擬相變所需的主要參數(shù)包括鋼的化學成分、軋后特定鋼板厚度下的溫度分布、相變開始及終止溫度、奧氏體晶粒尺寸分布-溫度關系以及決定于鋼板成分以及形狀的奧氏體轉變等。
冷卻模型可以擴展成包括自學習、自適應、記錄以及存檔等根本功能。該冷卻模型是根據(jù)大量的設備設計與制造、研究結果以及從許多鋼板廠反饋結果的經(jīng)驗基礎上建立起來的。SMS Demag冷卻模型目前已在30多個冷卻設備上使用。
5 結論
SMS Demag設計供應的冷卻系統(tǒng)涵蓋了管線鋼板、造船板以及其它高強度鋼板生產(chǎn)所需的全部冷卻方案。自2000年以來，SMS Demag已經(jīng)完成交付或簽訂13個鋼板冷卻系統(tǒng)的合同，其中6個為層流冷卻系統(tǒng)，7個為層流與噴霧冷卻混合系統(tǒng)。
現(xiàn)代鋼板用冷卻系統(tǒng)的經(jīng)濟效益非常顯著，如對典型的管線應用，由于采用熱機械軋制后的加速冷卻有可能改變鋼的化學成分，從有可比性的材料檢驗結果來看，節(jié)約成本大于40美元/t鋼。
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