在传统生产过程中，轧制和热处理是分离的两道工序。为了满足市场日益苛刻的产品质量要求，钢铁企业正在不断尝试将二者结合，即在轧制过程中同时实现最终热处理。研究认为，在线热处理技术可以通过改善生产流程，以最低的成本获得最高的产品质量。因此，在线热处理技术逐渐发展起来。该技术在不同类型型钢生产中的应用也促进了一些特定技术方案和特定布局概念的出现。热机械控制工艺技术（TMCP）也是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的基础上，实施冷却控制，最终获得高质量钢材的技术。这两项技术通过轧制和热处理的结合，使生产成本下降，钢材质量提高。
本文介绍意大利型钢厂拥有自主产权的在线热处理技术，以及日本JFE使用热机械控制工艺技术生产高质量、高强度H型钢的实例。
市场对钢铁产品越来越高的质量要求，是钢铁企业不断追求流程优化和降低成本的动力。而在线热处理的基本思路是，将轧制和热处理结合为一道工序，通过优化流程提高钢材质量，并且直接获得最终产品或者使钢铁产品在使用时不须要进行二次热处理。
为了实现H型钢显微组织的细化和拉伸性能的提高，并大幅度降低钢水中微合金元素的添加，意大利的钢铁厂开发了控制温度轧制、角部冷却、选择性法兰冷却和淬火+自回火等工艺。同时，为了稳定、顺利地实现钢梁在线热处理工艺，最新的设备和工艺解决方案已经被研发出来。
型钢的力学性能
型钢和轨梁钢大多应用在结构钢产品中，有较广的应用范围，如建筑、桥梁等。结构钢主要的力学性能，即拉伸和冲击性能，目前已被多种国际标准规范化（EN10025、ASTMA6/A6M、GOST27772-88等标准）。
屈服强度和抗拉强度是结构钢设计过程中基本的性能指标，两种性能之比（屈强比）是地震易发地区建筑物用钢的重要指标。虽然钢的使用条件不同，但V形缺口冲击功的最小值都须要保证钢在室温下或者更低温度下不会发生断裂。
另外须考虑的指标是钢的焊接性能，因为焊接性能决定着结构件的经济性，了解不同合金元素对钢焊缝硬度的影响非常重要。焊接性能要求钢的含碳量不能超过某个最大值。因此，不能因为碳元素和锰元素加入到钢中可以提高屈服强度和抗拉强度，就大幅增加其含量，对于厚规格产品须要特别注意这点。
通过加入常规合金元素或者微合金化，可以实现力学性能的提高。但是，由于合金元素价格昂贵，钢铁企业仍然在研究通过更加经济的方法来获得性能更好的产品。因此，在过去的几十年中，钢铁企业开发了多种多样的新工艺去获得显微组织更加精细的产品，以代替成本高昂的微合金化方式。
温度控制提高性能指标
根据终轧温度的不同，控制温度轧制具有不同的轧制工艺路线，主要可以分为正火轧制、热机轧制和低温轧制3种。这3种控温轧制工艺区分的关键是，轧制的压下在不同的特定温度区间进行——未再结晶区温度以上，未再结晶区温度以下、铁素体—奥氏体转变结束温度以上，奥氏体向铁素体—珠光体转变温度区。这些温度区间的具体划分主要取决于钢的化学成分，因为化学元素的添加可以改变相变的起始温度点和结束温度点。
利用控温轧制技术，将轨梁钢的终轧控制在一定的温度点，随后在空气中冷却（空冷）。在空冷的过程中，轨梁钢通过辊道输送到精轧机或者终轧定尺进行轧制。由于轨梁钢在输送过程中直接与辊道接触，可以避免轨梁钢冷却过度。随后，轨梁钢按照正常工艺在精轧机完成轧制。
在该工艺中，奥氏体的晶粒尺寸在粗轧的高温轧制条件下得到细化，随后在低温奥氏体未再结晶区变形，这也能够大幅限制终轧奥氏体晶粒的粗化，有利于力学性能的提高。该工艺在低碳结构钢的应用中尤其有效。在低碳结构钢中加入微合金化元素V、Nb和Ti可以提高未再结晶区温度，这样可以显著扩大未再结晶区轧制温度范围。该工艺的主要优点在于终轧后可以获得细小的铁素体组织，从而获得较高的拉伸性能（包括抗拉强度和屈服强度），并结合低碳微合金元素的作用获得较高的低温冲击性能。
以上所有性能的提高不须要额外添加设备。此外，所有棒材终轧的表面温度都控制为同一温度，因此其工艺可以实现良好的可重复性，从而保证了产品质量的稳定。
另外值得注意的是，终轧温度的降低会增加轧机的载荷，且最后几道次轧制工序前等待时间的增加会导致轧机生产效率的降低。因此，该工艺主要应用在部分可以承受轧机负荷增加，同时接受轧机生产效率降低的产品上。
角部冷却提升成型质量
H型钢或者I型钢在轧制过程中，由于轨梁钢的上部受到循环空气冷却和部分轧辊接触冷却的双重作用，其温度较低；而轨梁钢的下部尤其是最小半径处由于只和辊道接触，因此是整个轨梁钢温度最高的区域。温度的不同会导致冷却过程中凸缘、腹板和上下部分热收缩的不同，可能会导致变形，出现垂直度不好、腹板有凹度、热弯曲等问题。
角部冷却设备的目的就是降低最热区（法兰和腹板连接处的最小半径处）和腹板之间的温度差，以实现以下目标：避免或减少钢材下冷床后垂直度不佳带来的矫直问题，避免或大幅减少冷床上的热弯曲和腹板凹度问题。
以上问题的解决方法主要是近距离对轨梁钢的最小半径处进行高压喷水，以保证高的冷却速率。喷嘴被安装在超柔性可逆式预精轧和精轧—减定径轧机的入口、出口导板上，在轧制过程中按照需要通过阀门进行控制。由于冷却喷流是直接对着内腹板与法兰连接处的较低部位，不会发生腹板存水的现象，这样就可以保证温度均匀。因此，角部冷却不会导致轧制力的增加或者轧辊磨损的加剧。
角部冷却可以应用到所有规格的H型钢生产中，但建议主要应用到厚度超过25毫米的法兰上。此外，厚规格法兰需要更长的冷却时间。正常生产试验表明，该工艺可以有效减少厚规格法兰垂直度不佳情况的发生，并大幅减少热弯曲导致的腹板凹度问题。
选择性冷却控制均匀性
由于形状复杂，H型钢无法实现整个截面所有区域在自然空气中的均匀冷却。实际上，在终轧或者近终轧阶段，由于法兰腹板连接处的减薄，法兰和腹板很容易受到快速冷却的显著影响。这会导致法兰和腹板处的显微组织较细，而法兰腹板连接处的组织较粗。因此，微观组织的不均匀会产生钢材冶金质量和力学性能的不均匀。
利用选择性法兰冷却，在超柔性可逆式轧制过程中，法兰腹板连接区域通过喷水单元直接喷水进行冷却。喷嘴被设置在超柔性可逆式轧机的进口和出口两侧，同时为了增加冷却线长度以提高生产率，喷嘴以线性方式排列。喷嘴直接对向法兰腹板连接区域法兰的外侧。同时，在轧机进口和出口的每一侧都安装了自动开关阀门，用来控制喷嘴的水流速度以及是否进行喷嘴冷却。
为了防止H型钢在轧制过程或者轧后冷却不均带来的尺寸问题，选择性法兰冷却可以结合角部冷却同时使用。该工艺可以应用于所有规格的H型钢，但是建议应用于法兰厚度最小为15毫米的H型钢，因为这些规格更容易在轧制过程中产生变形。
选择性法兰冷却工艺可以使产品的整个截面的温度和晶粒尺寸更加均匀，不仅产品的平均屈服强度和抗拉强度得到提高，而且生产批次的标准偏差得到改善，这样实现了产品的高质量控制和可重复性。选择性法兰冷却的另外一个优点是，法兰腹板连接区域力学性能的提高能够使截面内部的内应力减到最小，减少了矫直过程中的损坏。与此同时，为了保证H型钢合理的冷却时间，实际的轧制速度会低于名义速度。
淬火+自回火得到精细微观组织
为了提高H型钢轧后的力学性能，意大利钢铁厂开发了淬火+自回火工艺：在钢梁表面进行强水冷却以达到表面淬火的目的，而当心部开始冷却淬火时，表面由于心部返热进行自回火后就停止冷却。钢梁的淬火是在专门的淬火箱里进行的。淬火箱安装在超柔性轧机的出口处，通过高压水对钢梁的所有侧面进行强水冷却，包括内法兰的上部和下部、外法兰以及腹板的上部和下部。同时，根据钢梁表面和内部位置，利用专门的阀门控制水流速度。
淬火开始温度一般在850℃~900℃，随后冷却到整个界面，直到表面温度达到600℃左右实现自回火。实现淬火和自回火均匀处理的一个先决条件是保证钢梁截面的温度均匀。该条件可以通过选择性法兰冷却来实现。该工艺建议应用于最小法兰厚度为15毫米的钢梁。
淬火+自回火工艺的最大优点在于不用在生产中加入合金元素，却能够实现钢梁屈服强度和抗拉强度的大幅提高。钢梁提升后的性能可以达到与传统热轧低碳结构钢相同的水平，因此可以明显改善其焊接性、延展性和低温冲击韧性，而这些性能是沿海结构用钢的重要性能指标。
合金添加量的减少使钢铁生产成本降低，同时载荷设计的优化，使得钢结构的重量减轻，也实现了用户成本的降低。过去的10年里，建筑师们对于减重效果的不断要求，促进了新的国际标准的颁布和现存标准的修改。
淬火过程中，表面的组织进行奥氏体向马氏体的转变，而心部则由于冷速不足，无法实现奥氏体向马氏体的转变，因此心部的显微组织是贝氏体+铁素体+珠光体的混合组织。由于热惯性的提高，钢梁心部的冷速可以促使精细的铁素体+珠光体组织的形成。自回火后，钢梁表面由于心部返热进行回火处理，其显微组织是典型的回火马氏体组织。由于需要较长时间的冷却，对于法兰厚度非常大的截面，轧制速度可能要降低。
（来源：热处理）
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