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先进热处理和涂镀工艺与装备技术研究

  “钢铁共性技术协同创新中心”自2014年10月通过国家获批认定至今,运行已满4年。中心工艺与装备研发平台面向国家重大战略需求,面向经济社会主战场,面向世界科技发展前沿,围绕钢铁行业关键共性工艺与装备技术领域,根据既定的平台顶层设计总体发展架构,结合行业发展需求,在选矿、冶炼、连铸、热轧、短流程、冷轧及智能制造等领域,明确重大任务,汇聚创新资源,协同创新,开发出系列创新工艺及装备,助推钢铁行业资源节约、环境友好、高品质钢铁产品的开发生产,圆满完成了既定的任务和指标。针对工艺与装备研发平台建设成效和最新研发成果,本报特组织相关报道,以飨读者。

  东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心冷轧方向的“先进热处理和涂镀工艺与装备技术”子方向在快速加热和快速冷却、锌层质量控制、先进高强钢可镀性等关键技术和工艺装备研发与应用方面取得重要进展。在快速加热技术方面,开发了直接火焰冲击和横向磁通感应加热技术,在快速冷却方面,开发了戊烷喷射无氧化快速冷却技术。热镀锌工艺研究方面,深入系统研究了先进高强钢的合金元素选择性氧化和可镀性问题。在锌层质量和均匀性控制方面,开展了系统模拟和实验研究,并实现了工业化生产,取得良好的锌层质量效果,经济效益和社会效益显著。上述研究成果在鞍钢、邯钢、宝武、攀钢等企业开展了中试实验和工业化应用,取得显著效果。

  先进冷轧、热处理和涂镀工艺与装备研究方向围绕冷轧生产工艺和装备的重大需求,结合2011钢铁共性技术协同创新中心重大任务,凝练出“高精度冷轧板形控制与装备技术”、“先进热处理和涂镀工艺与装备技术”、“高硅钢薄带温轧工艺与装备技术”等三项课题。其中,先进热处理和涂镀工艺与装备技术经过4年来的理论、实验等基础研究,突破快速加热和快速冷却、锌层质量控制、先进高强钢可镀性等关键技术。在快速加热技术方面,开发了直接火焰冲击和横向磁通感应加热技术,在快速冷却方面,开发了戊烷喷射无氧化快速冷却技术。热镀锌工艺研究方面,深入系统研究了先进高强钢的合金元素选择性氧化和可镀性问题。在锌层质量和均匀性控制方面,开展了系统模拟和实验研究,并实现了工业化生产,取得了良好锌层质量效果,经济效益和社会效益显著。上述研究成果在鞍钢、邯钢、宝武、攀钢等企业开展了中试实验和工业化应用,取得显著效果。下面对上述研究内容和成果予以介绍说明。

  加热和冷却是影响连续退火和热镀锌产品组织性能的重要工艺环节。目前,连续退火生产线的加热方法主要是辐射管加热,带钢加热速率一般不超过30℃/s,当退火线m/min时,需要很长的加热段。在冷却方面,高速喷氢冷却的极限速率约为120-150℃/s·mm,难以满足厚规格先进高强钢冷却速率的要求,并且冷却风机的耗电量较大。水淬虽然可以获得较大的冷却速率,但冷却后带钢表面氧化,需要酸洗,不仅增加生产成本,也存在环保问题。

  为了解决现有加热和冷却技术的不足,满足现代连退生产线高效率、绿色化生产的要求,先进冷轧、热处理和涂镀工艺与装备技术方向开展了直接火焰冲击(DFI)快速加热、横向磁通感应加热和戊烷喷射无氧化快速冷却技术的研究。

  直接火焰冲击加热技术的关键是烧嘴。为了实现快速均匀加热,本研究设计开发了一种三重同心管逆扩散烧嘴,采取内层和外层通道通助燃剂,中间环缝通道通燃气的方法,实现逆扩散燃烧,并且利用外层小流量氧化剂形成种子火焰,使烧嘴在中心管气体流速达到150m/s的条件下仍保持

  稳定燃烧,不脱火,不熄火。在此基础上,改变中心管、中间管和外管端面的相对位置,分别设计了四种不同的烧嘴结构,对比研究了这四种烧嘴的燃烧稳定性,最终确定了稳定性最佳的烧嘴结构。在上述单

  火焰烧嘴实验研究基础上,研制开发了具有自主知识产权的多火焰烧嘴,火焰最小间距25mm,获得了良好的加热均匀性。

  针对DFI烧嘴火焰稳定性问题,主要研究了内层空气、内层氧气、外层空气、外层氧气以及助燃剂氧含量等参数对火焰稳定性的影响,同时针对四种烧嘴结构对比研究了燃烧稳定性问题。针对单烧嘴火焰特性问题,实验研究了不同助燃剂内外层通道分配比例、不同燃气流量、不同氧含量条件下的火焰温度分布规律,最终获得了稳定性最佳的烧嘴结构,并揭示了稳定性高的原因是该结构使外层通道助燃剂与燃气燃烧形成了最佳的种子火焰,一直保证内层主火焰被点燃;在燃气流量为0.5m3/h条件下,氧含量为40%、50%、60%和70%时,最外层和中心层助燃剂分配比例为1:20时,火焰喷出速度快,湍流效应强烈,温度明显高于其他比例的火焰;在燃气流量为0.5m3/h条件下,随着富氧浓度的增加,火焰温度升高,最高温度位置距烧嘴出口的距离下降;当过剩空气系数α增加时,火焰湍流效应强烈,火焰长度变短,火焰温度变化曲线上升;在氧含量不变的条件下,随着燃气流量的增加,火焰刚度增加,蓝色火焰比例增加,燃烧更充分,火焰温度曲线)DFI加热装置研发与应用

  在实验室研究的基础上,设计开发了直接火焰冲击加热炉,采用窄间距(25mm)多火焰烧嘴(20组火焰),沿带钢运动方向布置4组共8个烧嘴,上下布置,对带钢进行快速加热,加热带钢宽度最大550mm,最小300mm,加热宽度可调。实验结果表明,针对1mm厚带钢,加热速率可达150℃/s。上述设备用于中国宝武集团硅钢国家工程中心高硅钢温轧快速提温,取得良好效果。

  电磁感应加热速度快、效率高,不仅大大减少加热时间、缩短产线,而且加热过程具有更高的可控性,已经成为金属带材加热、组织性能调控的关键技术。横向磁通感应加热(TFIH)是以电磁感应方式,在被加热板带内部产生涡流,通过涡流产生热量达到加热的目的。近年来横向感应加热已成为金属板带加热领域竞相研究的热点之一。目前国外带材横向电磁感应加热技术正处于研发阶段,国内尚无相关加热技术和设备。

  1)以电磁学、传热学及感应加热基本理论为基础,推导了横向感应加热磁场强度分布函数、电流密度分布函数和功率密度以及感应线圈的电压降等计算公式,针对所加热板带的尺寸、材质、加热温度、加热速率等具体要求,完成了横向感应加热装置的基本设计;

  传统快速冷却技术主要包括高速喷氢、气雾和水淬。高速喷氢冷却速率最高约为150℃/s(针对1mm厚带钢),因此对厚规格以及更高强度的带钢,喷氢冷却的速率难以满足要求。现有的气雾冷却和水淬冷却技术在冷却均匀性、板形、冷却终点温度及路径控制以及表面氧化等方面存在一些问题,其应用带来成本高、产品表面质量差、板形差等问题。

  本研究开发出戊烷无氧化快速冷却喷嘴装置和戊烷介质循环供给控制系统,系统研究了冷却介质流量、压力、带钢厚度等参数与冷却速率的关系,以及喷嘴冷却均匀性等问题。1mm厚试样冷却速率约250℃/s,冷却后试样表面无氧化。在实验室研究的基础上,设计了戊烷冷却喷嘴装置和介质循环控制系统,并应用于攀钢研究院带钢连续退火模拟实验机上,取得良好效果。

  在气雾冷却技术研究开发方面,在实验室建立500mm宽试样气雾冷却实验机,具有加热和气雾冷却功能,最高加热温度950℃。利用实验机研究了冷却介质流量、压力、喷嘴布置方式等对冷却速率和冷却均匀性等的影响规律。同时开展喷气冷却技术研究,设计喷气冷却装置。基于上述研究成果开发了热镀锌线镀后气雾冷却系统和移动喷气冷却系统,用于邯钢2#镀锌线锌花大小控制和镀锌表面缺陷问题的解决。

  为了获得理想的微观组织和性能,高强钢添加大量的Si、Mn、Al等合金元素。传统热镀锌中,虽然退火气氛(主要是H2+N2)可以还原氧化铁,但钢中的Si、Mn、Al等元素却在表面富集并发生氧化,即所谓的选择性氧化。当钢板浸入锌池,锌池中的铝可以还原退火过程中由于选择性氧化产生的氧化物(如MnO),而SiO、MnxSiyO复杂氧化物会恶化锌的浸润性,阻止锌与铁基反应,产生漏镀点,使钢板的可镀性变差。

  本研究通过改变退火温度、露点、H2比例对22MnB5钢板进行热浸镀锌实验。退火温度、露点和氢气比例的变化影响退火气氛的氧势,对钢板表面氧化物的生成造成影响,进而影响界面处抑制层的生长,影响镀锌效果。理论计算表明氧势低和氧势高时镀锌效果好,氧势低则氧含量少,表面不易生成氧化物,而氧势高则可以在次表面生成氧化物,即内氧化,可镀性高。

  研究结果表明,退火温度对22MnB5可镀性影响很大,温度越高表面生成氧化物越多,使基体与锌液接触面积小,界面处的抑制层不完整,影响可镀性。退火温度为500℃时镀锌效果最好。露点也是影响钢板可镀性的重要因素,露点为-50℃时,氧势低,表面的氧化物少,抑制层致密、连续,钢板可镀性好。氢气比例对可镀性影响较小,当比例为5%,还原能力较弱,表面氧化物变多,抑制层连续、均匀,但是密度稀疏,所以镀锌效果差些。

  热镀锌带钢镀层厚度控制是冷轧涂镀技术领域中最复杂的技术内容,随着高档汽车、家电等用户对冷轧镀锌产品质量要求的提高,镀层厚度及其均匀性已经成为冷轧镀锌产品最重要的质量指标之一。

  目前,国内先后建起了280多条大型连续热镀锌生产线万吨,因产能严重过剩,故产品竞争日趋激烈。但由于镀锌工艺、镀层控制等核心技术未能掌握,国内冷轧企业都处于低档次热镀锌板的生产,大多高档冷轧热镀锌板仍然依赖进口,每年要从国外进口几十万吨至上百万吨以弥补国内生产的不足。目前,我国先进的热镀锌生产线均从国外引进,国外供应商出于对核心技术的保密进而达到技术垄断的目的,对镀层控制系统中的关键模型采取了“黑箱”的形式,这样严重制约了国内镀层控制系统的研究进展,也刺激和促进了我国必须通过自主创新,开发创新实用的镀层控制系统,打破国外对工业实用镀层控制技术的垄断。

  在连续热镀锌生产线上,衡量产品质量的一项重要技术指标就是锌层厚度及其均匀性。镀层偏厚不仅会浪费锌锭等原材料,而且会影响产品的使用性能;而镀层偏薄则会影响到产品的抗腐蚀性,甚至直接影响冷轧带钢的机械性能、尺寸精度、表面质量和板形等,影响到如汽车、家电、仪表、食品包装等下游制造业的生产效率和生产成本,进而影响最终产品的市场竞争力。因此,这就对镀层厚度控制提出了很高的技术要求和控制难度,要在带钢表面得到均匀稳定的锌镀层,就必须设计出严密的控制策略,根据带钢当前的生产条件,动态地调节与镀层厚度相关的关键控制因素。

  本项目以鞍钢冷轧热镀锌线镀锌层控制过程为研究对象,通过理论计算和镀层厚度控制实际应用测试,建立镀层厚度及其均匀性控制系统的核心模型和控制策略,解决镀层控制中亟待解决的关键问题。通过流体压力检测仪表精确测量实际气刀流场不同位置的精确压力,研究开发气刀流场的有限元分析模型,为探讨影响镀层厚度因素的机理提供基础。同时,为了消除镀层厚度检测滞后对镀层控制系统的影响以及优化控制系统参数,对镀层厚度控制系统进行了系统建模和仿真实验,通过仿真实验结果分析结合实际生产条件,制定镀层厚度闭环控制策略,最终建立了控制系统硬件平台,开发相应控制系统软件,实现真正意义上的工业应用。

  上述工作将从气体射流喷射理论、镀层厚度控制理论与技术、镀层厚度检测技术、气刀喷射压力工业实验设计、镀层厚度控制生产实际应用等方面进行系统性、综合性的研究与开发。该项目的成功在我国钢铁工业核心技术自主研发方面具有里程碑的意义,将使中国在世界上继德国和日本之后,成为少数几个掌握工业应用级镀层厚度及其均匀性自动控制技术的国家。

  本项技术在鞍钢热镀锌线实施效果达到:锌镀层平均厚度偏差小于3.2g/m2,合格率2σ值达到98.53%,比国际平均水平提高1.13%;稳态锌层厚度平均偏差降低1.5g/m2,非稳态锌层厚度平均偏差降低3.7g/m2,上下表面锌层单面厚度精度提高12%;镀层均匀度2σ为1.25g/m2,比国际平均水平提高10.7%;控制系统稳态调整相应时间≤10s,动态变规格调整时间≤60s。所开发的厚度控制系统投入使用后,由于减少废品、质量提高等,年创造经济效益6000多万元。本技术投入使用后,将鞍钢一条原以建材、家电为主的改良森吉米尔型低成本热镀锌生产线能够生产高端轿车所需的镀锌产品。

  1)采用数值模拟和实验研究相结合的方法,揭示气刀流场的重要影响因素机理,建立高精度镀层厚度工艺与控制模型,实现镀层厚度的精确预设定;