石 祥

（中冶南方（武漢）熱工有限公司，湖北 武漢 430223）

隨著國家“新基建”戰(zhàn)略的高速推進，高品質(zhì)特殊鋼需求快速提升，在汽車及機械領(lǐng)域大量使用的先進高強鋼（AHSS），其強度已達(dá)到或超過1 500 MPa，正在向著高成型性和超高強度的第三代高強鋼（如Q&P鋼）發(fā)展[1]。新能源汽車、特高壓領(lǐng)域所需的高品質(zhì)硅鋼，對鐵損、磁感、輕量化等綜合指標(biāo)要求不斷提升。為了適應(yīng)先進鋼種的生產(chǎn)需求，熱處理工藝及裝備技術(shù)發(fā)展動力強勁。

1 超快速熱處理工藝

1.1 超快速熱處理工藝的概念

超快速熱處理工藝指快速加熱、短時保溫然后快速冷卻的熱處理工藝，其加熱速率和冷卻速率達(dá)幾百到幾千℃/s（見表1），能夠使帶鋼在短至幾秒內(nèi)完成退火過程。超快速熱處理的一個重要優(yōu)勢是可以通過高的加熱及冷卻速率，獲得更加理想的材料微觀結(jié)構(gòu)和相變動力學(xué)，從而使材料機械性能更佳。

表1 退火方式參數(shù)對比

1.2 超快速熱處理工藝的優(yōu)勢

超快速熱處理工藝不僅可以大幅度縮短連續(xù)熱處理機組長度、降低投資及生產(chǎn)成本，更重要的是為開發(fā)具有優(yōu)異組織性能的新材料提供了途徑。

（1）超快速退火工藝可以提高冷軋板強度和延伸率，也為新型高強鋼的開發(fā)提供技術(shù)手段。

東北大學(xué)RAL研究發(fā)現(xiàn)，以加熱速率為300℃/s對超低碳IF鋼快速退火，與20℃/s相比較，晶粒尺寸由傳統(tǒng)工藝下的（13.0±0.5）μm細(xì)化到（10.0±0.5）μm，晶粒細(xì)化可達(dá)30%。

此外，以80℃/s加熱低碳含磷系TRIP鋼、460℃過時效溫度下，新開發(fā)高強鋼種抗拉強度達(dá)到1 450 MPa，斷后伸長率為18.5%，強塑積26 825 MPa·%，達(dá)到甚至超過了高碳高合金化的淬火再配分鋼（Q&P），其合金成本、成形及焊接性能具有明顯的優(yōu)勢[2]。

這一試驗結(jié)果改變了傳統(tǒng)IF鋼通過添加價格昂貴的微合金元素來提高強度的思路，為開發(fā)經(jīng)濟型、減量化的優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板提供新的手段，具有重要的理論和實際應(yīng)用價值。

（2）超快速退火可以提高硅鋼磁感強度。

研究發(fā)現(xiàn)，退火過程從室溫以平均120℃/s的加熱速率加熱到700℃，初次再結(jié)晶組織{110}晶粒數(shù)量明顯增加且尺寸減小，在作為二次再結(jié)晶晶核時，有利于取向的改善，從而提高磁感[3]。

超快速退火下的硅鋼能夠減少貴重合金元素添加，簡化工藝環(huán)節(jié)，促進理想組織和織構(gòu)的形成，進一步降低鐵損和提高磁感。例如，實驗室條件下可使中低牌號無取向硅鋼磁感值提高約0.02～0.04 T，也就是采用常規(guī)成分設(shè)計和冶煉的要求達(dá)到了高效電機用鋼的磁性能要求，具有較高的經(jīng)濟和社會效益。

2 超快速熱處理裝備技術(shù)

超快速加熱及冷卻裝備技術(shù)將對新一代連續(xù)熱處理機組的設(shè)計和新型高強鋼、高品質(zhì)硅鋼等特殊鋼種的生產(chǎn)產(chǎn)生革命性影響。近年來，法孚集團（fives）-STEIN、西馬克-DREVER、ANRITZ-Selas和中冶南方等公司，陸續(xù)在新一代超快速退火（Ultra Rapid Annealing，URA）裝備技術(shù)方面取得突破。

2.1 快速加熱裝備技術(shù)

2.1.1 薄板感應(yīng)加熱技術(shù)（美國INDUCTOTHERM、中冶南方）

（1）感應(yīng)加熱工作原理

在金屬工件外的線圈通某一頻率的交流電流時，就會產(chǎn)生相同頻率的交變磁通，交變磁通又在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生熱量，實現(xiàn)對工件的加熱。感應(yīng)加熱根據(jù)頻率可分為：工頻（300～1 000 Hz）、中頻（1～20 kHz）、超音頻（20～40 kHz）、高頻（40～200 kHz）。

感應(yīng)加熱技術(shù)分為橫磁方式和縱磁方式兩種技術(shù)（見圖1）。

圖1 感應(yīng)加熱橫磁及縱磁原理示意圖

縱磁方式其磁通方向平行于鋼板，而渦流方向垂直于鋼板。橫磁感應(yīng)加熱裝置包括對稱放置在金屬帶材兩側(cè)的兩組線圈，線圈中同相的交變電流產(chǎn)生垂直于工件表面的交變磁通（橫向磁通），感應(yīng)出的渦流平行于板材表面[4]。

（2）感應(yīng)加熱技術(shù)優(yōu)勢

①擁有比傳統(tǒng)加熱技術(shù)快10倍的加熱速率（可達(dá)100～800℃/s）；

②感應(yīng)電流直接作用被加熱金屬，沒有燃?xì)饧訜峄螂娸椛浼訜徇^程對流和傳導(dǎo)過程熱損失，帶鋼用感應(yīng)器的電效率為75%～85%；

③帶鋼溫度控制精度高（可達(dá)±5℃），溫度均勻性小于±3%；

④不產(chǎn)生燃燒煙氣，無污染物排放，不影響爐內(nèi)氣氛，可以實現(xiàn)清潔加熱；

⑤更重要的是，感應(yīng)裝備技術(shù)為開發(fā)具有優(yōu)異組織性能的新材料提供了技術(shù)支撐，比如第三代超高強鋼Q&P鋼的生產(chǎn)、汽車板鋅層合金化（GA）、HI-B取向硅鋼的生產(chǎn)等都需通過感應(yīng)加熱技術(shù)獲得優(yōu)良的綜合性能。

2.1.2 直接電阻加熱技術(shù)

直接電阻加熱技術(shù)可實現(xiàn)很高的加熱速率和能力，如東北大學(xué)駱宗安等[5]的研究使金屬加熱速率達(dá)到5 000℃/s。但該技術(shù)如應(yīng)用在連續(xù)運行的鋼帶加熱時，鋼帶和電極輥之間易產(chǎn)生電火花，不適合H2等還原性氣氛工況。

2.1.3 直燃加熱技術(shù)（ANDRITZ-SELAS）

近年來由于無氧化直接燃燒及控制技術(shù)的發(fā)展，加上熱慣性小、加熱速率比輻射管爐快、熱效率高等因素，直燃爐重新得到重視。特別是部分高強鋼冷軋板的生產(chǎn)，通過直燃爐可以實現(xiàn)預(yù)氧化-再還原工藝，提高帶鋼表面質(zhì)量、減少涂鍍?nèi)毕荨?/p>

（1）預(yù)氧化-直燃技術(shù)原理

在高強鋼退火過程中，為了避免合金元素氧化引起涂鍍?nèi)毕?，通過空燃比控制直燃爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣、CO含量，實現(xiàn)Si、Mn、Al預(yù)氧化（也叫內(nèi)氧化），再通過退火爐高溫段氣氛控制（H2）將其還原，使還原鐵基將合金元素“包裹”，消除合金元素對涂鍍的影響。具體反應(yīng)過程如下：

式中，MeO為金屬氧化物。

（2）預(yù)氧化-直燃技術(shù)優(yōu)勢

①直燃加熱方式熱效率高，爐子長度較輻射管間接加熱方式大幅減少，一次投資少，而且生產(chǎn)能耗低；

②加熱速率快，可達(dá)50℃/s（1 mm厚帶鋼），快速加熱使晶粒更加細(xì)化，產(chǎn)品機械性能更好，特別適合低合金高強鋼生產(chǎn)；

③燒嘴垂直帶鋼均勻布置，靈活分區(qū)布置，可根據(jù)帶鋼寬度適時關(guān)閉邊部燒嘴，帶鋼溫度均勻性好，而且燒嘴火焰成圓盤形緊貼爐墻，火焰不接觸帶鋼從而保證其表面清潔（見圖2）；

圖2 直燃爐輻射杯燒嘴結(jié)構(gòu)及燒嘴布置示意圖

④通過精確的空燃比控制調(diào)整爐內(nèi)氣氛，滿足高強鋼預(yù)氧化工藝要求，省去了輻射管間接加熱方式單獨配置的爐內(nèi)氣氛控制系統(tǒng)，該型直燃爐是燃燒技術(shù)與氣氛控制技術(shù)的綜合應(yīng)用。

2.2 超快速冷卻典型裝備技術(shù)

現(xiàn)代高強鋼（DP雙相鋼、TRIP鋼、MART馬氏體鋼等）的生產(chǎn)有兩種途徑，一種是添加合金元素方式，另一種是通過超快速冷卻方式（見圖3）。生產(chǎn)和實驗結(jié)果表明，通過提高冷卻速率，在添加少量合金元素的情況下就可以生產(chǎn)出雙相鋼、馬氏體鋼等相變高強鋼，不僅節(jié)約生產(chǎn)成本，而且還可以提高鋼板的焊接性能[6]。

圖3 典型高強鋼退火工藝?yán)鋮s曲線及金相組織圖

2.2.1 輥冷技術(shù)RQ（日本NKK）

輥冷技術(shù)是指高溫帶鋼直接接觸水冷輥，通過熱傳導(dǎo)冷卻高溫帶鋼，通過帶鋼與水冷輥的包角調(diào)節(jié)冷卻速率（見圖4）。

圖4 典型的輥冷系統(tǒng)原理示意圖

（1）輥冷技術(shù)優(yōu)勢及特點[5]

①冷卻速率高，可以達(dá)到200～400℃/s；

②較水淬或噴霧冷卻，同檔次大冷卻速率下可以避免與氧化物（H2O）接觸，無需后續(xù)酸洗處理。

（2）存在不足

①帶鋼寬度方向冷卻均勻性難以控制，容易產(chǎn)生板型缺陷；

②帶鋼因冷卻過程收縮導(dǎo)致與水冷輥接觸部分產(chǎn)生相對滑動，對帶鋼表面質(zhì)量及水冷輥壽命產(chǎn)生影響。

因此，輥冷技術(shù)一般與氣冷技術(shù)在同一機組混合使用。

2.2.2 氣霧冷卻技術(shù)（中冶南方、Fives Stein）

氣-霧冷卻技術(shù)是一項借助壓縮空氣（或氮氣，F(xiàn)ives Stein）的輔助與特殊的霧化結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓水霧化成極微小的液滴，噴淋到高溫帶鋼表面，通過氣體或者液體的流動帶走熱量的技術(shù)（見圖5）。為了適用鍍鋅工藝，中冶南方公司還在霧化結(jié)構(gòu)后增設(shè)一套帶高壓靜電的電極網(wǎng)，使噴出的霧滴帶靜電，為鋅層合金化過程的凝固提供大量凝結(jié)核，從而提高冷卻速率、改善鍍鋅層表面質(zhì)量。

圖5 氣霧冷卻原理示意圖

（1）氣霧冷卻技術(shù)優(yōu)點

①冷卻能力大、冷卻速率調(diào)節(jié)范圍較大，可達(dá)50~400℃/s；

②與輥冷及水淬冷卻方式相比，有較準(zhǔn)確的溫度控制能力；

③與噴氣冷卻方式相比，帶鋼穩(wěn)定性好，不需要設(shè)置張力輥、穩(wěn)定輥。

（2）存在不足

因水霧與帶鋼高溫氧化，后續(xù)必須進行酸洗處理，機組需專門配置酸洗設(shè)備。

2.2.3 高速噴射冷卻技術(shù)BlowstabⅡ（比利時CMI）

BlowstabⅡ技術(shù)是一種HNx保護氣循環(huán)高速噴射冷卻技術(shù)，其噴嘴形狀特殊設(shè)計，噴嘴到帶鋼距離可精確調(diào)整（見圖6），以此獲得更高的噴射速度和壓力，大大提高HNx與帶鋼的傳熱系數(shù)及冷卻速率（可達(dá)100～150℃/s）。

圖6 Blowstab風(fēng)箱結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 超高氫冷卻技術(shù)AERIS（法國Fives Stein）

AERIS技術(shù)是在特殊設(shè)計的風(fēng)箱及噴嘴基礎(chǔ)上，提高循環(huán)氣體HNx中H2的含量至90%，因H2導(dǎo)熱系數(shù)是N2的7倍，故此方式較常規(guī)5%～15% H2含量下的噴氣冷卻，其冷卻速率大幅提高，可達(dá)200℃/s（1 mm厚帶鋼）。

2.2.5 高氫窄縫噴射冷卻技術(shù)（中冶南方）

該技術(shù)通過特殊設(shè)計的窄縫式噴嘴，使噴射到帶鋼的氣流穩(wěn)定并且吸熱后的氣流快速離開帶鋼表面，而且通過密封裝置將冷卻段H2含量提高到25%（其它爐段5%，見圖7），進一步提高對流傳熱系數(shù)，冷卻速率可達(dá)120℃/s（1 mm厚帶鋼），可生產(chǎn)DP980、TRIP980高強鋼。同時設(shè)計有邊部控制裝置，帶鋼溫度橫向均勻。

圖7 H2含量分布圖

2.2.6 戊烷超干冷卻技術(shù)（比利時CMI）

超干冷卻工作原理是向帶鋼噴射液態(tài)中性介質(zhì)（C5H12），該介質(zhì)在36℃時發(fā)生相變（汽化潛熱為343 kJ/kg），相變過程吸收大量熱，之后被吸入蒸汽壓縮機和液體泵增壓液化，以此循環(huán)達(dá)到冷卻帶鋼的目的[7]（見圖8）。

圖8 戊烷介質(zhì)冷卻流程示意圖

優(yōu)點：

（1）冷卻速率高達(dá)200～600℃/s（1 mm厚帶鋼），可獲得較單一的馬氏體組織，生產(chǎn)1 000 MPa以上的高強鋼；

（2）設(shè)備緊湊僅占常規(guī)設(shè)備1/3的空間；

（3）氣體流速低，設(shè)備功率?。娏ο臑槌Ｒ?guī)設(shè)備1/10）；

（4）整個過程干燥冷卻，不需要酸洗、烘干等設(shè)備。

綜上，冷卻裝備技術(shù)是帶鋼熱處理性能實現(xiàn)的關(guān)鍵之一，因此各熱處理技術(shù)供應(yīng)商均對冷卻裝備技術(shù)的開發(fā)高度重視。若干代表性先進技術(shù)對比見表2。

表2 幾種代表性冷卻技術(shù)對比

3 智能化技術(shù)

智能化技術(shù)“三大法寶”包括：自我感知（先進傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)）、智能分析與決策（云計算、智能控制）、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)（大數(shù)據(jù)預(yù)測、診斷和優(yōu)化）。

西馬克研發(fā)的I-Furnace模型是智能化工業(yè)爐的工藝和生產(chǎn)優(yōu)化模型。它集成了在線機械性能（強度）測量系統(tǒng)、生產(chǎn)優(yōu)化數(shù)學(xué)／物理模型和其研發(fā)的退火結(jié)構(gòu)模型（材料性能預(yù)測）三個系統(tǒng)，在一定程度上實現(xiàn)了工業(yè)爐整體智能化。該模型可以實現(xiàn)整卷材料性能的均勻化，并根據(jù)退火和冷卻溫度及處理曲線對產(chǎn)品的材料性能（如抗拉強度）進行預(yù)測；還可以使?fàn)t溫更精確地控制在滿足工藝要求下限，從而節(jié)約能耗；并通過合理的生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)過渡，使產(chǎn)能增加15%[8]。

4 結(jié)語及展望

為了響應(yīng)國家“新基建”戰(zhàn)略推進所需的大量先進高強鋼、高品質(zhì)硅鋼等生產(chǎn)需求，工業(yè)爐的設(shè)計及技術(shù)開發(fā)應(yīng)該準(zhǔn)確定位，在如下幾方面加快發(fā)展步伐：

（1）大力發(fā)展推廣感應(yīng)加熱技術(shù)、直燃爐技術(shù)等快速加熱技術(shù)，同時在傳統(tǒng)間接加熱技術(shù)領(lǐng)域進一步深耕細(xì)作，發(fā)展薄壁輻射管（P型、雙P型）技術(shù)、自蓄熱燒嘴技術(shù)；

（2）進一步開發(fā)超快速冷卻技術(shù)，在噴嘴結(jié)構(gòu)方面進一步優(yōu)化，提高噴射速率、穩(wěn)定性、對流傳熱系數(shù)；同時探索開發(fā)新型冷卻介質(zhì)（如戊烷）的冷卻技術(shù)；

（3）加強爐內(nèi)氣氛控制模型方面的綜合技術(shù)開發(fā)，實現(xiàn)H2、H2O等各種氣氛比例的精確控制和安全管理；

（4）“智能化”概念成為各行業(yè)熱點，熱工領(lǐng)域的智能化技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)該立足專業(yè)本身，定位在熱工模型決策系統(tǒng)和優(yōu)化控制系統(tǒng)兩個層級以及加熱（燃燒）、冷卻、氣氛控制三個方面的自我開發(fā)。

綜上，通過多種專業(yè)技術(shù)裝備的開發(fā)和綜合應(yīng)用，提高用戶產(chǎn)品的品質(zhì)及生產(chǎn)率，同時注重節(jié)能減排、環(huán)境友好，進而實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。