日本厚钢板控制冷却技术的发展

1前言
TMCP(Thermo Mechanical Control Process：热机械控制工艺)作为提高钢材的强度、韧性和焊接性的材质控制工艺技术，它是以厚板为中心进行开发的。所谓TMCP就是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制(CR Control Rolling)的基础上，再实施空冷或控制冷却(加速冷却／ACC：Accelerated Cooling)的技术总称，本文从狭义上是指控制轧制后的加速冷却技术，简称为TMCP。
虽然在20世纪50年代已采用了轧制后直接淬火工艺，但尚未达到批量化生产。其原因是轧制长度受到限制、冷却均匀性(材质和形状)等课题尚未解决等。其后，经过冶金学和冷却控制设备的研究，到了20世纪80年代开发出了TMCP技术。自TMCP开发以来已经历了20多年的时间，在这期间TMCP的应用范围不断扩大，目前已成为生产厚板不可或缺的技术。另外，TMCP还是一项节约合金和能源的工艺。从环保方面来看，它是一项意义深远的技术。
TMCP钢是一种高强度、高韧性钢，焊接性比常规轧制钢的好，能提高焊接施工效率，因此受到用户的好评，其应用领域除了造船领域外，还涉及了海洋结构件、干线管和建筑等各种领域。目前TMCP钢已占日本厚板产量的20％左右。尤其是，在抗拉强度490MPa以上的高强度钢中，TMCP钢的占有量实际上达到40％左右，TMCP钢的市场占有率已越来越大。而且，今后随着用户对钢的强度和韧性要求的进一步提高，还将对钢的新功能提出要求，因此TMCP将会得到进一步的发展。
本文就厚板生产领域中的水冷型TMCP冶金学的概念、TMCP设备和TMCP冶金学等最新动向进行介绍。
2TMCP冶金学的概念和特征
TMCP的特征是，与常规轧制钢和正火钢相比，它不依赖合金元素，通过水冷控制组织，可以达到高强度和高韧性，而且在碳当量极低的情况下能够生产出相同强度的钢材，因此可以降低或省略焊接时的预热温度。碳当量低可以降低焊接热影响区(HAZ：Heat Affected Zone)的硬度，不容易形成因显微偏析而产生的局部硬化相，由此容易确保焊接部的韧性，通过与后述的热影响区组织控制技术的组合，即使在大线能量焊接时也能确保良好的韧性。
对于即使在低碳当量下也能生产强度和韧性好的TMCP钢的组织控制想法做一说明。TMCP钢通常要微量添加Nb、Ti和A1等元素，这些元素的碳氮化物(NbCN、TiN和AIN等)在加热阶段利用Pinning的效果来控制奥氏体晶体的粗大化。加热后采用普通轧制法在奥氏体再结晶温度区域中反复进行轧制。组织会因此反复地恢复和再结晶，奥氏体晶粒度发生细化，在此情况下进行空冷后由奥氏体产生的等温加工过程中的珠光体组织会比板坯当初的凝固组织大幅度细化。这是一种对常规轧制钢板的轧制组织控制的一种想法。但是，其组织细化存在着极限，例如，为提高钢的韧性，可以采用正火热处理来细化组织；为提高强度，可以采用添加各种合金元素的办法。而TMCP钢是在奥体再结晶后，再在被称作奥氏体未再结晶区域的低温区域中反复进行轧制，从而将形变带导入变形的奥氏体中。在添加Nb的钢中，由于有效抑制了轧制中因NbCN应变诱发析出的再结晶，因此未再结晶区域的温度升高，即使不实施极低温轧制，也会导入大量的形变带。从奥氏体向铁素体转变时，该形变带还能作为相变核起作用。利用轧制后的水冷，可以抑制晶粒的生长，获得超细的铁素体组织或贝氏体组织，尤其是在冷却速度快的情况下，能获得马氏体组织。结果，在铁素体贝氏体型的抗拉强度490MPa级的钢中，采用正火法时，晶粒的细化极限为10微米左右，而采用TMCP化时，晶粒可细化至5微米。
3加速冷却设备
从20世纪70年代后期开始加快研究利用轧制后的显热进行在线加速冷却生产高韧性、高强度钢板的技术。1980年日本厚板轧机首次在世界上采用了在线加速冷却设备。在其后20年时间里，世界各国的厚板轧机也安装了加速冷却设备，通过将控制轧制技术和加速冷却技术的组合，厚板的生产已开始向低成分、高功能、省工序型的生产方向发展，为生产满足高质量要求的厚板做出了贡献。尤其是，将轧制后的钢板一下冷却至常温的DQ(Direct Quench：直接淬火)工艺也已应用于实际。该方法与以往的在线再加热一淬火一回火方法相比，由于它能省略再加热工序，因此被广泛采用。
3．1加速冷却设备的分类
在线型加速冷却设备根据钢板的冷却输送方式的不同，可分为一下冷却方式和通过型冷却方式。一下冷却方式就是将冷却水一下子喷射到轧制后的整个钢板中进行冷却。从均匀冷却的观点来看，通常是在冷却装置内进行振动。但是，由于冷却设备的长度必须超过钢板的长度、冷却结束时冷却水会滞留在钢板上面容易产生局部过冷却现象等，因此后来采用了使钢板一面通过，一面进行冷却的通过型冷却方式，它已成为加速冷却的主流方式。通过型冷却方式的加速冷却设备，其长度一般在20m左右。与一下冷却方式相比，它更加紧凑。
另外，根据在冷却中一面将钢板进行约束，一面进行冷却，或在无约束下进行冷却的方法，可分为约束型冷却方式和无约束型冷却方式。约束型冷却方式是一面用上下辊约束钢板，一面进行冷却，因此能使上下水口比较接近钢板。上下水口一般是采用喷雾水口。无约束冷却方式是一种在带材热轧机的输出辊道上对钢板进行冷却的具有代表性的冷却方式。为避免水口和钢板的冲突，因此采用了层流式方式，将水口的设置位置与轧制线保持一定的距离，尽管水口和钢板之间有一定的距离，但冷却能力也基本一样。
关于在线加速冷却装置的设置位置，一种是设置在热矫直机前，另一种是设置在矫直机后，还有一种是设置两台矫直机，并在两台矫直机之间设置加速冷却装置。在热矫直机前设置加速冷却装置时，其优点是冷却开始温度可随意调整，不会妨碍轧机的生产能力，但在发生轧制变形的情况下，加速冷却装置的冷却均匀性稍稍变差。另外，在通过矫直机后进行加速冷却的方法因为是在对轧材形状矫正之后进行冷却，因此能进行约束型的加速冷却。但是，从轧制结束到加速冷却开始需要一定的时间，因此冷却开始温度会因热矫直机的位置而变低。另一方面，在加速冷却前后设置矫直机方式的优点是，在消除轧制变形后能进行加速冷却，采用后面的矫直机能够消除加速冷却时发生的变形，但缺点是设备费高。
3．2冷却水口
加速冷却用的水口是用来冷却宽度大的钢板，因此重视冷却的均匀性。以下就主要冷却水口的特征进行介绍。
3．2．1层流式水口
在水口出口喷流速度较慢的情况下，水流会变成层流，层流式水口就是利用这种层流的水流进行冷却的。即使水口和钢板有距离，也能得到高的冷却能力，因此无约束型冷却方式的冷却水口已取得很多的应用效果。层流式水口分为圆管层流式水口和扁平(缝、隙)层流式水口。前者由输送管形成圆柱形冷却水流，后者由缝隙状水口形成平板状冷却水流。
3．2．2缝隙喷射式水口
缝隙喷射水口是一种水口出口喷流速度较慢，喷流表面采用凸状紊流状态喷流进行冷却的冷却水口。当水口和钢板之间有一定距离时，紊流状态的冷却水流会形成雾化使冷却能力下降，因此采用了将水口靠近钢板的约束型冷却方式。
3．2．3喷水式水口
喷水式水口是利用加压水形成的破断的液滴流进行冷却的冷却水口，在市场上能够便宜买到，是一种最普通的水口。应用于厚板冷却时要配置很多水口，因此喷射角度和喷射角等的选择很重要。
3．2．4喷雾式水口
喷雾式水口是利用空气将加压的水细化，用细化的液滴群进行冷却的方法。为供给空气，配管变得复杂，但因为能够增大喷射角度，因此每根喷嘴的喷射范围大。
另外，关于这些水口的基本冷却特性，进行了详细研究和整理。对于各种冷却喷嘴的导热率，根据水量密度(每单位体积供给的水量)和表面温度的函数进行了整理。
3．3关于防止变形措施的研究
在加速冷却技术中，关键是要对宽幅钢板进行均匀冷却，使钢板材质均匀，同时确保钢板具有平直形状，也就是说，最大的课题就是防止钢板变形的措施。
为提高加速冷却装置的冷却均匀性，进行了各种研究。其中，有将水口交叉安装的方法：有为使钢板上下均匀冷却，将下面的水量增大至上面水量2～2．5倍的冷却方法。另外，采用一下冷却方式时存在着钢板上面排水的问题，对此采取了提高上面冷却水口0N一0FF特性的措施，对水口的形式进行了研究。
关于均匀冷却的研究，已向不会发生变形的冷却技术方面发展，研究了冷却控制性能更高的冷却技术。关于厚板不良形状，主要是板宽方向上产生的上凸或下凸的翘曲，具有代表性的翘曲是C形翘曲、端部或尾部翘起来的L形翘曲、切成条状后发生切条状翘曲等。这些变形产生的原因之一是钢板四周出现的不可避免的温度下降。对此，在硬件方面，作为宽度方向板端部的冷却控制，提出了对宽度方向的水量分布进行冠冕状分布控制的方法；将喷向板端部的冷却水进行部分边缘遮蔽的方法；根据流量曲线和导热率，通过传热模型给出板宽方向的最佳水量分布的方法。关于钢板的端部和尾部的冷却控制，提出了在钢板的端部和尾部通过时将冷却水进行前后遮蔽控制的方法。而且，由于热变形是因为钢板的上面和下面较小的温度滞后差所引起的，因此研究了优化下面水口配置，减小上下冷却能力偏差的方法。
尤其是，随着数值解析方法的发展，开发了能对因冷却曲线和温度滞后不同而产生的变形进行预测的技术。采用热弹性塑性解析法对C形翘曲进行了数值解析，研究了端部翘曲的控制，并对冷却中的翘曲进行了解析。通过这种解析技术和温度计测的组合，能在线对钢板的形状和质量进行判定，并根据切条钢板翘曲的解析和温度分布，建立了形状评价系统，对钢板的残留应力进行了评价。
由上可知，通过均匀冷却来稳定材质和形状对加速冷却来说是很重要的因素，各钢铁公司都研究了各种不同的措施。
4TMCP钢在不同领域应用的状况
TMCP钢最初是应用于造船业，后来扩大到所有使用厚钢板的领域。TMCP钢的应用范围之所以如此扩大是因为TMCP钢所具有的特性，它不仅能满足用户的要求，而且还由于对TMCP技术和支持该技术的各种技术要素进行了不懈的开发，因此它能满足厚板的各种利用领域的不同要求，从而自然就使TMCP钢的使用可能性和应用范围扩大了。
以下，就在厚板具有代表性的利用领域中TMCP钢的应用状况进行介绍。
4．1造船用钢板
TMCP钢首先在造船领域迅速扩大应用。TMCP钢的出现还促进了高强度钢(HT)的扩大应用。从大型油船中HT钢的使用量变化来看，随着TMCP钢的出现，HT钢的使用量已由原来的20％～30％提高到60％～70％，而且甚至还使用了屈服点为390MPa级的钢。由于提高了HT的使用比例和采用高屈服点的钢，因此能大幅度减轻船舶的自重和节能，为提高经济效益和环保做出了很大的贡献。
另外，从提高运送效率的观点来看，集装箱船的大型化也取得了显著的发展。最近，装载量超过6000个集装箱的大型集装箱船已应用于实际。其船体的船舷外板和舱口挡板等重要构件使甩了板厚超过60mm、屈服点为390MPa级的钢，并能进行350～450kJ／cm的超大线能量焊接(电气焊(EGW：Electro Gas Welding)单道次)。以TMCP为基础，通过和防止焊接热影响区(HAZ)显微组织粗大化技术的组合，对船体用钢进行了进一步的开发。
另一方面，世界各地经常发生船舶大量原油流出事故和船舶触礁沉没事故，从安全方面来看，对船舶发生事故的关注越来越高。对此，为提高船体构造的安全性和可靠性，开发了高强度钢。为解决用户在钢板切割和焊接等施工时发生钢板变形的问题，开发了控制残留应力的钢板。由于采用完全的温度分布控制来使残留应力均匀化很困难，因此开发了低残留应力型TMCP钢板，它是从硬件(采用强力矫直机进行矫直)和软件两方面对TMCP工序中发生的残留应力进行综合控制的。
4．2海洋结构件用钢板
近年来，海底能源资源的开发地点正在向深海域、北海北部和北极海等寒冷海域推移。海洋结构件的建造也随之大型化，同时它们所处的环境也非常严酷，因此使用钢材的厚度也变得更厚、韧性更高。而且，使用钢材的屈服强度由屈服点355MPa级向420MPa级发展，尤其是最近还使用了屈服点500MPa级的钢。为进一步提高海洋结构件用钢板安全可靠性，作为破坏韧性的评价值，使用了接头部的CTOD值(Crack Tip Opening Displacement：裂纹尖端开口位移)，例如要求在一10℃时CTOD的值为0．25mm的情况增多。为适应这种要求，必须应用TMCP技术，而且，还开发了利用控制脱氧的高HAZ韧性钢。
4．3建筑和桥梁用钢板
在经历了阪神大地震的教训后，在对钢板焊接部的韧性要求进一步提高的同时，对建筑物的大型化(高层化和大空间化)所需的厚钢板和大线能量焊接的要求也越来越高。作为与之相反要求相对应的钢材，TMCP钢被广泛采用。最近，还开发了利用微细氧化物、氮化物和硼等能应用于高HAZ的大线能量焊接用钢。
另外，日本是多地震之国，从抗震性的观点来看，高层建筑物一般使用高强度低屈服比钢，它是利用钢材的塑性变形能能够吸收地震的能量。为达到低屈服比，必须控制软质铁素体的百分率及其粒度。在生产高强度低屈服比钢时，有轧制后缓慢控制冷却的方法和将冷却开始温度控制在Ar3点以下的方法等，它们都充分利用了TMCP技术。
在桥梁领域，随着钢桥合理化设计的发展，开始越来越多地要求使用厚度和强度比以往高的钢材，来减少桥梁的主要桁架数量，提高焊接施工效率(无需焊接预热)。为此，开始根据TMCP钢应用后的低焊接裂纹敏感性组成(PCM)进行钢成分的最佳设计，扩大了其在桥梁领域的应用。最近，开发了通过降低碳含量和适当添加合金形成贝氏体化的超低碳贝氏体钢。另外，还开发了抗拉强度500MPa级的形变热处理贝氏体钢，它是利用奥氏体区域的强压下加工来强化位错，同时利用轧制后的冷却来获得微细贝氏体组织。
4．4干线管用钢板
在高强度和高韧性干线管的开发中充分利用了TMCP技术，同时它还广泛应用于耐酸性气体的干线管的生产。为降低酸性环境下的氢诱发裂纹(HIC)，应减少会导致HIC产生的[S]，并通过添加Ca来控制硫化物的形态，同时减少对HIC敏感的硬化组织区。TMCP对减少组织非常有效，例如采用TMCP可进行低C和低合金的成分设计，进而在连铸时可降低[Mn]等在板厚中心部的合金偏析量，尤其是在生产厚板时采用加速冷却可以抑制[C]向板厚中心部的扩散等，因此TMCP对提高抗HIC能力是不可或缺的工艺，TMCP钢已应用于许多耐酸性气体的干线管项目。
4．5压力水管用钢板
高压输水管领域是陆地结构件中强度最高，且使用板材极厚的最典型的领域，至今通过热处理后已开始使用抗拉强度780MPa级的钢。但是，最近从提高输送能力和经济性的观点来看，对钢板的强度要求进一步提高，因此通过利用TMCP（CR-DQT）技术，开发了厚度达100mm、抗拉强度950MPa级的极厚钢板。
4．6油罐用钢板
最近，在油罐用钢板领域中越来越多地要求钢板母材和焊接接头双方都具有高的裂纹传播停止性能。为适应这些要求，例如以前在LPG油罐(一50℃)一直使用3．5％Ni钢等，但通过使用TMCP技术，开发了Ni含量比以往钢减少(1．5％Ni)，而且具有很好的裂纹传播停止性能和经济性的厚钢板，并已应用于实际。
5今后的展望
21世纪可以说是地球环境保护的世纪。最近全世界有关全球变暖、地球环保和LCA(Life Cycle Assessment：生命周期评价)的争论说明了地球环境保护是一个多么紧迫、重要的课题，从保护地球环境的观点来看，今后节省资源、节省能源、安全性和长寿命化已成为全社会的要求。能够减少合金元素和省略热处理的TMCP已成为钢铁生产中越来越重要的技术。另外，对于钢结构件也要求它具有能满足社会的上述要求的特性。
由此可以预测市场对TMCP钢的要求除了进一步提高强度和韧性外，还要求提高结构件的安全性和耐久性，提高焊接性、加工性和钢板的平直度等将成为大幅度提高钢板加工性的中心。
能够节能的结构件的轻量化离不开高强度和高韧性，因此高强度钢得到了广泛应用。确保地震、火灾和事故发生时的安全性已成为越来越重要的问题，高安全性钢和高抗断裂性钢也将成为高强度钢的生产标准。由于用户对能够大幅度延长钢结构件使用寿命的疲劳特性和耐蚀性高的钢材的需求，以及对加工经济性的要求越来越高，加之超大线能量焊接技术已被广泛采用，因此良好的加工性和切割时不会产生变形也将成为高强度钢的生产标准。
为实现上述各种各样的特性要求，开发了TMCP新技术。今后有必要通过与其它技术的组合，探索TMCP钢的新功能。在逐步实现TMCP钢的新功能的同时，应根据市场的要求来采取切实可行的措施，扩大TMCP技术的应用。
6结束语
本文就TMCP技术的冶金学、ACC设备概况和厚钢板在各种领域的应用状况及其未来的发展进行了介绍。
至今TMCP钢是根据用户的不同要求来扩大其应用范围。今后用户对TMCP钢的要求将是越来越高级化和多样化，为实现这些要求，毫无疑问还是离不开TMCP技术。
今后通过开拓TMCP技术的新功能，努力满足用户的需求，为社会做贡献是钢铁工作者义不容辞的责任。

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