自20世纪80年代以来，控制冷却依次经历了以喷淋冷却、层流喷射等为代表的传统控制冷却及以强化冷却为代表的超快速冷却的不同发展历程。传统轧后控制冷却技术通过控制轧件的开冷温度、终冷温度和冷却速率来控制钢材的组织形态及力学性能。近年来，为了适应企业高强度钢的开发及生产，超快速冷却技术得到了较快的发展，兼有直接淬火和加速冷却双重功能的新型高强度冷却设备得到了开发及应用。
超快速冷却技术利用细晶强化和相变强化相结合的机制，有效地提高了材料的强度、韧性、焊接性等性能。国外具有代表性的超快速冷却技术包括：欧洲比利时CRM研究所开发的UFC（Ultra Fast Cooling）、西门子VAI与比利时CRM合作开发的MULPIC、日本JFE公司的Super-OLAC及韩国POSCO开发的HDC（High Density Cooling）系统。
与国外超快冷技术发展相比，国内在此技术方面的研究、开发及应用起步较晚。近年来，国内针对超快冷进行了较多的基础研究或现场应用工作，开发出新一代快速冷却技术-超密度强化喷射冷却技术（SUPIC-Super Intensive Impinging Cooling）。
1、低能耗及高效冷却装置
1.1、超密度冷却机理
冷却水冲击钢板表面换热区域通常分为：冷却水射流冲击区域，实现层流流动特性的单相强制对流，换热强度高；随着冷却水的径向流动并出现沸腾，形成核状沸腾和过渡沸腾区域；随着稳定蒸汽膜层的形成，出现薄膜沸腾强制对流区域，汽膜的产生导致换热强度低；随着流体沸腾汽化，在膜状沸腾区之外，冷却水形成不连续的小液态聚集区域；小液态聚集区的水最终被汽化或流走。
传统普通密度及高密度管层流冷却由于纵向集管间距大，冲击射流区域及核沸腾区域较窄，主要以膜状沸腾换热为主，导致冷却强度低，同时冷却不均匀。为了有效解决上述问题，开发了超密度冲击射流技术。超密度冲击射流技术采用合理喷嘴间距，增加喷嘴排数，使冲击射流区和核沸腾区全部覆盖传输辊道间区域，以实现超强度快速冷却。
1.2、低能耗及高效冷却
基于超密度冷却机理的超快冷技术具有供水压力低、平均供水量少、可通过高位水箱进行供水调节及无需DQ泵直供供水等特点，实现了低能耗及水的高效率利用。
图1为SUPIC与MULPIC DQ段、传统加密ACC系统最大冷却速率对比图。从图中可见，SUPIC与MULPIC DQ段最大冷却速率比较接近，MULPIC钢板针对厚度小于20mm钢板冷却速率较SUPIC略高。与传统加密ACC比较，SUPIC冷却速率有大幅度提高。
以超快冷SUPIC系统为例，供水压力0.15MPa，水流密度30L/s.m2，平均供水量3900m3/h，采用变频泵与高位水箱调节相结合供水形式，能实现直接淬火及加速控制冷却功能。近年来，国内沙钢、舞钢、济钢及莱钢等中厚板厂分别引进了先进的MULPIC快速冷却装置。以国内某4100mm中厚板MULPIC系统为例，MULPIC装置分DQ及ACC模式；DQ模式用水压力0.5MPa，水流密度33L/s.m2，供水量6100m3/h，采用变频泵直供DQ供水形式；ACC模式用水压力0.15MPa，水流密度15L/s.m2，平均供水量5000m3/h，采用变频泵与高位水箱调节相结合供水形式。
供水能耗主要与供水压力、水流密度、供水量及冷却时间等紧密相关。SUPIC系统由于其在保证高冷却速率前提下适应于低压力供水、较低水流密度（相对DQ系统）及较少的平均供水量；在生产过程中可根据SUPIC计算水量及高位水箱液位情况实现供水水量精确变频控制，溢流水量基本得以消除，提高了供水效率；真正实现了低能耗超快速冷却及水的高效利用，其能耗较其他超快冷系统降低近30%-50%。有效解决了采用高压供水而导致的巨大供水能耗等难题。
1.3、超快冷装置的开发
SUPIC冷却器的设计及开发为SUPIC超快冷装置的关键。SUPIC采用了超密度冷却喷嘴布置形式，水流密度设计较高密度管层流形式有较大幅度提高，以确保冷却器在使用过程中不出现断流现象。实践证明，仅仅通过增加喷嘴密度及水流密度不能真正实现超密度快速冷却，还需针对冷却器进行特殊设计，以保证高冷却速率的同时实现冷却过程中的均匀冷却。在此基础上国内对超密度冷却器进行了较多的研究、开发及试验工作，成功开发的SUPIC冷却器能适应0.10-0.50MPa供水压力范围的供水要求，其中SUPIC-L型冷却器适用于≤0.20MPa供水压力，SUPIC-H型冷却器适用于更高至0.50MPa供水压力。
超快冷装置具有如下技术特点：①通过合理布置喷嘴排数及喷嘴个数，实现超密度喷嘴布置形式；②采用均匀横向冷却曲线、多级阻尼设计、喷嘴管径管距角度优化布置、优化上下冷却器水量配比及边部遮蔽等技术，实现钢板的均匀冷却；③采用侧喷中压水吹扫及特殊前后气吹扫设计技术，将钢板表面的残留水吹扫干净，保证了良好的钢板表面质量；④同时，针对设备响应时间、防震、高温防烘烤、设备防撞、冷却区辊道吊装及方便排污检修等方面采用了相应的技术措施。
2、应用效果
2.1、多功能冷却工艺
实际应用表明，在保证良好板形及表面质量的前提下，SUPIC超快冷装置能在宽冷却速率范围内进行调整，以20mm厚钢板为例，其冷却速率调整范围为5-45℃/s。可实现传统加速冷却（ACC-Accelerated Cooling），以及间断冷却（IDQ-Interrupt Direct Quenching）、直接淬火（DQ-Direct Quenching）及直接淬火碳分配（DQP-Direct Quenching & Partitioning）等新工艺，更好地适应高强度钢的低成本生产，如图2所示。SUPIC装置可适应于管线钢X70-X80、高强度工程机械用钢Q550-Q800及高强度压力容器用钢（石油储备罐）610E等品种工艺生产。
2.2、高冷却速率
对于20mm厚钢板，传统高密度管ACC层流冷却方式其最大冷却速率为20-25℃/s，而SUPIC超快冷装置最高冷却速率能达45℃/s，冷却能力较ACC高密度管层流提高近1倍，且呈随钢板厚度变薄冷却速度提高幅度愈明显规律。SUPIC较ACC高密度管层流冷却速率大幅提高，主要原因是SUPIC超快冷装置采用超强度喷射机理，主要采用核沸腾热交换方式，在相同水量条件下有效提高了水的利用效率，水与钢板表面热交换能力强。
2.3、高冷却均匀性
SUPIC超快冷装置能实现6-100mm厚度钢板快速均匀冷却，产品厚度规格适用范围宽，对于同一厚度规格其冷却速度调整范围宽。在较宽的冷却速度范围内，SUPIC装置均能保证钢板良好的冷却均匀性及冷却后良好的板形。良好的冷却均匀性主要取决于射流冲击核沸腾换热形式，另一方面，合理的工艺参数及冷却控制策略能有效保证沿钢板长度、宽度及厚度方向温度及性能均匀性。
钢板采用SUPIC冷却后沿钢板宽度方向温度分布均匀，波动范围为±15℃内。25mm厚、2600mm宽钢板，Q345E、Q460C钢终冷温度分别为650℃、600℃横向温度分布情况如图3所示。从图中可以看出，目标终冷温度越高，横向温度均匀性越好。
厚钢板采用SUPIC冷却后沿钢板长度方向温度分布均匀，考虑头尾温度，钢板全长温度波动范围为±15℃内。16mm厚、25m长宽钢板，Q345E、Q460C钢终冷温度分别为650℃、600℃纵向温度分布情况如图4所示。从图中可以看出，目标终冷温度越高，纵向温度均匀性越好。
SUPIC冷却后钢板平直度较好，具有良好的板形。Q550D厚度为25mm横向屈服及抗拉强度波动范围均不超过±20MPa，-20℃AKv冲击功波动范围不超过±25J，延伸率波动范围不超过2%。从性能结果看，Q550D横向性能均匀性较好。Q550D厚度为25mm横向性能分布情况如图5所示。图5：冷却后的横向性能分布
根据上述冷却后横向及纵向温度、冷却后板形及头部横向性能分布可以看出，钢板在SUPIC冷却过程中沿宽度、长度及厚度方向实现均匀冷却，冷却后钢板表面质量良好。目前，国内部分其他超快冷装置虽能满足冷却速率要求，但冷却后板形或钢板性能的均匀性无法得到保证，尤其在生产高强度钢时容易出现钢板瓢曲或同一钢板性能不稳定等问题。与此相比，SUPIC超快冷装置既能实现高速冷却又能保证冷却过程中均匀冷却。
2.4、模型控制精度
SUPIC超快冷装置采用有限差分数学模型，具有较高的模型控制精度，据某厂实际生产数据统计结果表明，96.82%钢板的返红温度控制值与目标值误差范围在±15℃内。
3、结论
采用超密度冷却机理实现低压力、低水流密度高效冷却，结合水泵变频供水及高位水箱液位自动控制，提高了水的利用效率，实现了低能耗冷却，较其他超快冷装置能耗降低近30%-50%。
SUPIC超快冷具有较高的冷却速率，20mm厚钢板冷却速率达45℃/s，较传统加密层流冷却速率提高近1倍。
开发的SUPIC超快冷装置能适应6-100mm厚度钢板均匀冷却，Q550钢板横向强度波动范围不超过±20MPa，冲击功波动范围不超过±25J，冷却后具有较好的板形及表面质量。
冷却装置采用高精度数学模型，96.82%的返红温度控制值与目标值误差范围在±15℃内。（编者注：图1-5请参阅原创）
（来源：钢铁产业）
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