透过龙泉剑看看超快冷

中厚板产品生产过程中的一个重要环节是冷却，冷却过程对中厚板的性能有很大的影响。在电视上常见的铸剑过程中，铸剑师总会将烧红的剑插入水桶中，伴随着呲呲的沸腾声音和大量蒸汽，这个工序称为淬火。淬火只是钢铁产品冷却过程中的一个特殊环节，不同的冷却路径下，钢的组织会有很大的不同。

▲图1龙泉铸剑大师胡小军

龙泉铸剑大师胡小军说：淬火是制作刀剑的灵魂，因为淬火如果做不好，你前面所有的工作都等于0。而且淬火过程非常困难，基本上10次有9次都失败。为什么淬火这么容易失败呢？因为钢铁的冷却过程非常复杂。

▲图2层流冷却装置照片

在中厚板生产过程中传统的冷却装置是这样的，称为层流冷却装置（图2）。

▲图3层流冷却后钢板板型

钢板层流冷却后的板型很难控制，经常出现图3中所示的板型问题。为什么层流冷却效果这么差？

▲图4层流冷却过程表面照片

钢板表面，水在乱流，冷却效果基本随缘。较差的板型和不稳定的产品性能会造成巨大的浪费。为了解决上述问题，我们从两方面攻关。第一是对高温钢板冷却机理进行研究。第二是开发自动化控制系统实现精准的冷却路径控制。

▲图5Leidenfrost效应照片

水在高温表面会产生大量的沸腾气泡，这个阶段称为膜沸腾，如图5所示，在高温的锅底水滴会在表面滑来滑去，需要很长时间才全部蒸发，沸腾气泡形成的蒸汽层阻碍了冷却水换热。

▲图6手插入液氮中照片

同样的道理，将手插入液氮中，也没有那么冷，因为手的表面也会形成蒸汽层。实现钢板表面的高效冷却需避免大范围的膜沸腾。

▲图7射流冲击表面冷却区域与换热状态分布

经过大量实验，对冷却机理尽在掌握，一束水冲到钢板上，随着表面温度的变化，冷却过程主要分为四种换热机理：单相自然对流、核沸腾、瞬态沸腾、膜沸腾。在对冷却机理深入研究的基础上，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）采用缝隙喷嘴与高密度冷却喷嘴，大幅提高了冷却强度和冷却均匀性。

▲图8高密快冷喷嘴设备照片与流体状态

在此基础上，RAL开发了新型冷却装置，设备长度达24米，和蓝鲸的长度接近，设备更加精密复杂，显著优于传统冷却装置。

▲图9RAL轧后冷却系统照片

在开发了良好的冷却装备后面临的另一问题是：如何实现钢板的冷却路径控制。每块钢板的冷却速率和冷却温度要求都不尽相同，多少水？怎么浇？这些都有复杂的公式来计算。

▲图10冷却过程温度场计算示意图

最终，基于有限元温度场算法，实现了从轧后高温计至冷后高温计的全流程钢板温度场计算。利用数据挖掘技术，给出了不同水温下换热系数修正公式和上下集管流量比计算公式。开发了具备空间检索的自学习系统，保证了中厚板冷却过程的精细控制。95%的钢板冷却温度偏差小于±25℃。

▲图11冷却过程温度曲线

▲图12返红温度偏差分析

▲图13南钢 5000mm宽厚板厂冷后效果

钢厂资深员工首次看到超快速冷却系统的冷却效果后感叹：“超快冷的效果超出我们的想象！”。

目前，RAL开发的先进中厚板超快速冷却系统（ADCOS-PM）已成功应用与推广至南钢、首钢、沙钢、鞍钢以及韶钢等12条中厚板产线，在保障热轧中厚板良好冷却板型的基础上，实现了高精度冷却路径控制，为上述企业高质与高效化生产提供巨大帮助。