高强度宽厚板的冷却一直是宽厚板生产中的重要冶金手段。近几年，这一领域取得的显著进步，既能满足更高水平的需求，又能不断提高宽厚板的材料性能。高强度钢种的生产是宽厚板市场的主要趋向，其中船用钢板及管线用钢板是这一领域的两大主要产品。高强度宽厚板除了要求提高抗拉强度外，还需具备优异的韧性，优良的可焊接性及精确的平直度。

　　1 宽厚板的热机械轧制

　　宽厚板的热轧可分为两种工艺：传统热轧法及控制轧制。传统热轧法的目标是用最少的轧制道次生产特定尺寸的产品，而控制轧制则是一种独立的轧制方式，即为了获得材料所需的高强度及韧性等综合性能，在轧制中精确地控制材料形状及操作温度。热机械轧制是在奥氏体不能再结晶的温度范围内完成最后一个轧制道次。机械性能及细晶粒是在随后对成型奥氏体组织的水冷中决定的。

　　在水冷方面有两种主要方式：加速冷却及直接淬火。当采用加速冷却时，冷却过程从约800℃开始，到500℃及600℃之间结束。加速冷却由于能使微观组织细化，从而提高钢板的机械性能。这类宽厚板的微观组织主要成分是细晶粒的铁素体/珠光体，铁素体/贝氏体，或是全贝氏体组织。对直接淬火而言，钢板尽可能快的冷却下来。冷却的起始温度约为900℃，而终止温度则低于250℃。直接淬火钢板通常为高硬度的贝氏体和/或马氏体组织，一般用作机械应力和/或耐磨性要求高的结构件。

　　冷却速率：影响钢板冷却的主要因素是冷却速率。冷却速率是指入口-出口侧的温度差与冷却时间的比率。冷却时间是指在有效冷却段的停留时间。提高冷却速率，即加速冷却，可细化钢板的微观组织，从而提高钢板强度。

　　加速冷却可通过以下途径提高强度：细化铁素体晶粒、析出强化以及贝氏体相变强化。然而，提高屈服强度和抗拉强度的机理不同。加速冷却通过细晶强化和析出强化来提高屈服强度，而抗拉强度的提高则是通过贝氏体相变强化实现。

　　研究400HV10钢（0.15%C-1.4%Mn-0.04%Nb）在直接淬火条件下不同冷却速率对组织的影响发现，空冷时（1℃/s）获得铁素体/珠光体组织以及少量的马氏体，硬度达到220HV 10（对应于抗拉强度740MPa）。中等冷却速率（10℃/s）获得贝氏体组织，硬度为290 HV10（抗拉强度约940MPa），而采用更高的冷却速率（30℃/s），则得到100%的马氏体组织，硬度高达410HV10（抗拉强度约1300MPa）。

　　物理约束：采用现代化冷却设备很容易达到100℃/s以上的冷却速率。然而，如此高的冷却速率仅能在钢板表面以及薄规格的钢板上才能实现。对于厚规格钢板，钢板芯部能够达到的冷却速率随钢板厚度的增加而显著下降，其限制性因素是钢板的导热性。

　　钢板表面和芯部冷却速率的差异导致组织不同，从而造成钢板性能的不均匀性。而且，微观组织的差异导致在钢板表面和芯部之间产生张力应力，对钢板的平直度产生影响。

　　2 冷却技术

　　层流冷却：目前，钢板厂采用的冷却系统各式各样，其中层流冷却系统是全球最普遍使用的冷却设备。该冷却系统用在加速冷却及直接淬火等领域，除了用途广泛外，该系统的特点是构造简单、能耗低、维护成本低。

　　喷雾冷却：2001年SMS Demag公司开始开发新型冷却系统。为了能在极高的冷却速率下提高薄规格钢板的平直度，开发出淬火型冷却系统。基本思想思是混合使用高水压（高达5巴）和喷淋头之间的夹送辊，调整夹送辊保护靠近钢板表面布置的喷嘴。此外，夹送辊可避免残存水的流动，提高冷却效率及温度的均匀性。在冷却过程中，夹送辊对钢板进行导位，保证了沿钢板表面的热分布均匀，提高钢板冷却后的平直度。

　　层流与喷雾混合冷却：在实际应用中，两种系统通常混合使用，喷雾冷却安装在层流冷却段前面。特别是一些厚板生产厂家，正加大这类冷却设备上的投入。该系统已在几家新厂以及现代化改造的项目上使用。

　　两种冷却方式可以混合使用，也可单独使用。混合冷却模式最常用于很薄、很厚以及很宽钢板的加速冷却和直接淬火。许多钢板厂在冷却设备前使用预矫直机。在大修期间，喷雾冷却系统可增设到已有的层流冷却系统中。在新建造的设备中，已为将来的扩建提供了基础和空间。

　　3 冷却控制

　　对每块钢板可单独调整水流形式、流量以及分布。所有的调整都必须满足精度以及动态特性等方面的特殊要求。为了精确控制水流形式，每个冷淋头或每个喷嘴淋头可单独控制。循环控制由控制阀和流量计实现。

　　为了实现所需的冷却参数，使用良好的物料跟踪系统是至关重要的。要实现钢板位置的精确控制，需要不同的传感器以及不同的控制方法。对跟踪系统而言，需要在冷却段前、中、后安装高温金属探测器、光电装置、高温计以及脉冲发生器。几个同步点保证了冷却系统精确跟踪，精确遮蔽钢板的头尾，实现优异的冷却效果。

　　4 冷却模型

　　冷却过程自身由冷却模型来控制，必须实现两大功能：首先，材料经过不同相的温度区间内改变材料的微观组织，这就需要充分了解相变动力学；其次，必须调整冷却过程中的冷却速率，并且需要补偿钢板头尾存在的温差。

　　钢板冷却的关键是对钢板上温度分布的精确测量。SMS Demag的数学-物理冷却模型显示出的图像表明材料的时间-温度特性的不稳定性。模拟相变所需的主要参数包括钢的化学成分、轧后特定钢板厚度下的温度分布、相变开始及终止温度、奥氏体晶粒尺寸分布-温度关系以及决定于钢板成分以及形状的奥氏体转变等。

　　冷却模型可以扩展成包括自学习、自适应、记录以及存档等根本功能。该冷却模型是根据大量的设备设计与制造、研究结果以及从许多钢板厂反馈结果的经验基础上建立起来的。SMS Demag冷却模型目前已在30多个冷却设备上使用。

　　5 结论

　　SMS Demag设计供应的冷却系统涵盖了管线钢板、造船板以及其它高强度钢板生产所需的全部冷却方案。自2000年以来，SMS Demag已经完成交付或签订13个钢板冷却系统的合同，其中6个为层流冷却系统，7个为层流与喷雾冷却混合系统。

　　现代钢板用冷却系统的经济效益非常显著，如对典型的管线应用，由于采用热机械轧制后的加速冷却有可能改变钢的化学成分，从有可比性的材料检验结果来看，节约成本大于40美元/t钢。

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