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日本JFE公司开发和应用的中厚板制造技术介绍

2008-08-02 00:00 · 来源:网络

中国钢铁新闻网尽管最近几年对中厚钢板性能的要求不同在某种程度上主要取决于应用领域的差异,但对性能的要求是越来越高。具体来说,性能要求涉及许多方面,它包括高强度、焊接性能的改进等。

为了满足这些要求,精确的材料设计技术和先进的制造技术是问题的实质。

基于这种情况,日本JFE钢铁公司开始开发采用水淬火的热机械控制工艺(TMCP),作为高强度、高韧性,具有优良焊接性能钢板生产技术的核心技术。下面简单介绍由JFE钢铁公司开发和应用的中厚板制造技术,包括超级-OLAC技术,一种新的中厚板加速冷却技术以及HOP技术(热处理在线工艺),一种加速冷却后的在线热处理工艺。同时,下面还介绍Easyfab钢板制造技术,即通过应用具有新功能的冷矫直机将中厚板中残余应力降至零。

一、新加速冷却技术——“超级-OLAC”技术的开发

与控制轧制技术一起,加速冷却技术是TMCP工艺的核心技术。JFE钢铁公司是世界上首家开发并成功在中厚板生产中应用在线加速冷却技术的钢铁企业。

在上世纪90年代初,采用加速冷却技术制造的TMCP钢实现了提高钢板强度、改进焊接性能的目的,从而有助于焊接结构建筑用钢使用的合理化和提高建筑的安全性,并开始用于造船业。然而,最近几年对钢板质量的要求日趋严格,如减少强度下降等。为了满足新的要求,基于一个全新的概念,JFE钢铁公司进行了大量研究以获得解决与传统冷却技术问题相关的方案,并开发出新一代加速冷却工艺,称之为超级-OLAC工艺,并应用于JFE钢铁公司西日本钢厂。

当中厚板进行水淬火时出现的热传递和沸腾现象可以大致分为两种方式,即核胞沸腾和薄膜沸腾。在前一种沸腾中,冷却水直接与钢接触,热量通过产生的泡传递。相比之下,后一种沸腾中在钢与冷却水间形成一个蒸汽薄膜,热量是通过蒸汽薄膜传递。核胞沸腾的冷却能力比薄膜沸腾更高。在中厚板冷却开始时,中厚板表面温度较高,薄膜沸腾起主导作用。然而,随着中厚板表面温度的下降,蒸汽薄膜变得不稳定,冷却水开始局部上直接与中厚板接触,沸腾逐渐转向核胞沸腾。此外,在瞬时沸腾状态下,当薄膜沸腾和核胞沸腾共存时,随着冷却的继续,冷却能力提高。采用传统冷却方法,如喷淋冷却和层流冷却时,如果冷却水流量提高以强化冷却,冷却迅速地转换成瞬时沸腾,是核胞沸腾和薄膜沸腾的混合。因此,冷却变得不稳定,随着冷却进程的持续,温度偏差提高,造成中厚板质量不稳定。

为解决这一问题,JFE钢铁公司研究了冷却方法以避免出现瞬时沸腾现象和在开始冷却时在中厚板整个表面同时出现核胞沸腾。基于对中厚板上侧冷却的研究,采取了喷嘴尽可能靠近中厚板,使冷却水朝一个方向流动的方法,即在中厚板移动的方向,而中厚板下侧的冷却是利用密集排列在水槽中的喷嘴进行喷淋冷却,即带走水流冷却中厚板。这种冷却方法实现了在中厚板上下两侧具有高冷却能力的核胞沸腾。对于中厚板厚度在30mm或以上的冷却,这一方法实现了非常高的冷却速率,相当于冷却速率的理论极限。

这种冷却方法比传统加速冷却方法快2-5倍。此外,在经过超级—在线加速冷却处理后,中厚板表面温度分布非常均匀。

在超级-加速冷却设备投产后的5年,累计处理了超过300万吨的中厚板。2003年5月,2号超级-加速冷却设备在JFE钢铁公司西日本钢厂的中厚板厂投产,其后3号设备于2004年7月在JFE钢铁公司东日本钢厂的中厚板厂投产。至此,JFE钢铁公司所有3家中厚板厂均配有加速冷却设备。

二、新的在线热处理工艺———“HOP”

截至目前,淬火和回火中厚板的热处理是采用与轧机分开的热处理设备进行离线处理的。为了提高这种离线热处理的效率,JFE钢铁公司在其西日本钢厂的福山厂安装和投产了所谓的HOP热处理工艺设备。

JFE钢铁公司以前为2m宽的粗轧坯料开发了感应加热设备,并应用于热轧机的精轧机架之前。然而,为了加热宽度高达4.52m中厚板,必须开发一个大规模的新感应加热设备。由新开发的多套高频电源组成的装置同步运行,该技术的应用是一个突破,实现了对中厚板的感应加热,是世界首次。

新开发的HOP是一种感应加热方法,该方法是利用电磁线圈产生的感应电流穿过中厚板产生的热来进行加热的。从加热效率和设备简化的观点看,可以采用螺旋管式电磁线圈。虽然是在中厚板内部产生热,但产生的热量可以通过控制输入的功率进行严格控制。由感应加热产生的热转换成热通量相当于煤气加热时的热通量值为105-107W/m2,而这一数值大概比煤气加热高100倍,因此可以实现极大能量密度的加热。

HOP设备紧接在热矫直机后,采用这种布置可以通过有效地利用中厚板经过超级-在线加速冷却后的显热来提高加热效率。因此,HOP被设计成一个综合性加热工艺设备,且其带有安装更靠近热矫直机的感应器。

HOP工艺设备具有下列两个特点:

(1)对轧制而言,完全实现了同步在线热处理轧制-加速冷却-热处理整套在线工艺的建立可以实现大规模的生产,使其可以满足极短的交货时间表。

(2)可以对新的中厚板的显微结构进行控制HOP与超级-在线加速冷却装置相结合使得可以自由控制相变和控制碳、氮的沉淀。

三、多功能中厚板“Easyfab”

特别是在造船、建筑和造桥领域,中厚板在经过剪切成各种形状和尺寸后被作为组装件。然而,最近对其使用方便的要求更加严格。因此,JFE钢铁公司生产了一种商业化中厚板,它具有良好的可加工性。利用超级-在线加速冷却的控制冷却特性,“Easyfab”中厚板就成为具有无变形剪切、可高效组装和具有良好加工性的材料,还具有较长的疲劳寿命。

1.利用超级-在线加速冷却工艺设备控制残余应力技术

中厚板中的残余应力一般主要是由于在轧制结束时中厚板的温度分布差异造成的。当具有一定温度分布的中厚板被冷却到室温时,由于位置不同,会出现不均匀的冷收缩。这种不均匀的冷收缩会产生残余应力。采用传统的加速冷却技术时,在冷却停止后立刻显现的温度差非常大,从而引起较大的应力差,无论是各中厚板内或各块中厚板之间。因此,在剪切过程中也存在着变形偏差。当采用具有良好冷却均匀性的加速冷却技术,即超级-在线加速冷却技术时,在冷却停止后中厚板立即就有均匀的温度分布,降低了TMCP中厚板的残余应力到与一般轧制的中厚板(无水冷却)一样的水平。

2.带有新功能的冷矫直机和超低残余应力中厚板的开发

一般在所谓的矫直过程中,采用冷矫直机(C/L)修正中厚板的平直度。通过利用C/L功能给予中厚板全宽上均匀、较大的应变,连同采用超级-在线加速冷却的均匀冷却,可以生产出具有极低残余应力的中厚板。随着在C/L的弯曲应变增加,在矫直后的残余应力下降。此外,与传统加速冷却的中厚板相比,在C/L之前具有较低残余应力的经过超级-在线加速冷却的中厚板,进行较小的C/L弯曲应变就可以获得超低残余应力区域。2003年10月,JFE钢铁公司在其西日本钢厂的中厚板钢厂对C/L添加了新的功能,目的是扩大矫直能力和可以生产超低残余应力中厚板。

(1)利用液压动态控制进行竖向弯曲补偿;

(2)利用楔形控制进行水平弯曲补偿。

C/L添加的新功能使其可以给予中厚板宽度上有较大、均匀的弯曲应变,对于较宽中厚板,即最大宽度达到5350mm的中厚板的矫直确立了均匀大压下矫直技术。

如上所述,通过利用具有均匀冷却能力的超级-在线加速冷却技术,以及采用非常有效的、添加新功能的C/L,可以生产具有极低残余应力的中厚板。

四、利用创新工艺生产的新产品

1.造船用新钢板

目前造船业的发展趋势是建造更大尺寸、承载量更高的船,因此造船业采用的高强度船板日益增加,并要求在焊接过程中可以有超大热能输入。由于这种要求会引起焊接热影响区组织结构晶粒粗化,因此保证低温韧性成为一个问题。为了满足造船的新需求,JFE钢铁公司利用具有较高冷却速率和均匀冷却能力的超级-在线加速冷却技术,生产出与传统中厚板有相同碳当量(Ceq)的大规格、高强度中厚板。

2.建筑用钢板

高强度中厚板可以作为城市中高层建筑物的钢结构材料。另一方面,从断裂损坏的观点看,对具有低屈服比、高韧性和良好焊接能力的用于建筑钢结构的高性能钢材的要求提高。最近,对用于建筑钢桩的钢材,在有较大热能输入焊接时其热影响区的低温韧性要求提高。为了满足这些要求,JFE钢铁公司开发出较低屈服点值———385N/mm2的钢材。作为采用带有超级-在线加速冷却技术的热机械控制工艺(TMCP)生产出来的经济性、抗震性和焊接性等性能综合较好的高强度钢材,它已经获得日本国土厅、运输省的认可。此外,JFE钢铁公司还开发和商业化生产出在较大热能输入焊接情况下具有高热影响区韧性、抗拉强度从490N/mm2到590N/mm2的中厚板。

3.用于桥梁建设的钢板

由于桥梁是社会基础设施中非常重要的组成部分,因此需要高质量、先进的制作装配技术。最近一些年来,随着大型构建装配越来越多以及对高效装配要求的提高,具有高强度、高韧性且与焊接性和经济性相结合的高性能钢板的需求日益提高。为此,JFE钢铁公司通过最大化使用超级-在线加速冷却技术功能和通过添加合金化元素控制淬透性,开发和商业化生产了强度和韧性最佳平衡的中厚板。这一技术也引入了碳含量低至0.02%极低碳贝氏体高强度钢生产,实现了满足新标准BHS500(W)和700W钢的生产。焊接硬化急剧下降,而同时达到较高强度。

4.用于建筑机械和工业机械的钢板

建筑机械和工业机械高强度钢的代表性品种JFE-HITEN780LE是由JFE钢铁公司专门开发的,其目的是降低钢材的重量,并用于各种机械零部件。通过采用超级-在线加速冷却技术和HOP技术,可以在40℃的低温区域获得良好的低温韧性。

在对耐磨性、弯曲成形性和抗冲击性有特殊要求的耐磨钢中,相关要求越来越高,JFE钢铁公司开发出新的耐磨钢360LE,该钢在40℃时有良好的低温韧性,同时具有较高的硬度和延展性。通过超级-在线加速冷却技术的高速冷却和均匀冷却,实现了这种耐磨钢的商业化生产。

上述提及的两种新开发的钢都确保Ceq为0.40或更低,因此,与传统的钢相比,余热温度可以降低25-50℃。

5.用于压力容器的高强度钢板

用于能源业的各种中厚板,广泛用于能源存储设备、化工设备和电站设备。最近几年,采用的设备规格更大,同时运转和工作条件更加苛刻,因此对材料性能的要求更加严格,以达到较高的焊接效率,目的是降低建造成本。这些要求包括改进焊接性能和有较高的可靠性。为了满足这类要求,JFE钢铁公司开发了高性能的610N/mm2级高强度钢板,通过使用先进的材料设计和创新的制造技术,可以降低余热温度和焊接硬度。

用于大规格储油槽侧板的钢板就是通过高效、大热量输入的电焊方法对610N/mm2级高强度钢板焊接而成,而高韧性610N/mm2级高强度钢板可在较低温度使用(50℃)。预计先进的中厚板制造技术可以满足未来各种各样的需求。

6.用于管线的钢板

通过降低油气钻探成本技术和长距离输送技术进步,使油气田在北极和深海的开发成为可能,因此未来趋势是长距离管线输送油气,而且液态能源输送工具更加多样化。管线钢的要求包括有高强度、良好的低温韧性和焊接性能,此外,由于液态能源含有H2S,因此管线钢要求有耐氢诱发裂纹和硫化物应力腐蚀能力。另外,在管线中预计有较大的变形,例如在冻土中变形较大,因此要求有高的变形性能。

JFE钢铁公司通过应用超级-在线加速冷却技术,持续开发可以满足这些多种严格性能要求的管线钢,现在该公司可以商业化生产世界强度最高的管线钢CSA级690(相当于X100级管线钢)。

JFE钢铁公司开发的新的加速冷却技术,即超级-在线加速冷却技术和在线热处理技术,采用了世界第一套和最大的感应加热方法加热中厚板。这些技术的使用使其可以生产满足各种加工要求和性能要求的高性能中厚板。

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