高強度寬厚板的冷卻一直是寬厚板生產中的重要冶金手段。近幾年，這一領域取得的顯著進步，既能滿足更高水平的需求，又能不斷提高寬厚板的材料性能。高強度鋼種的生產是寬厚板市場的主要趨向，其中船用鋼板及管線用鋼板是這一領域的兩大主要產品。高強度寬厚板除了要求提高抗拉強度外，還需具備優異的韌性，優良的可焊接性及精確的平直度。
1 寬厚板的熱機械軋制
寬厚板的熱軋可分為兩種工藝：傳統熱軋法及控制軋制。傳統熱軋法的目標是用最少的軋制道次生產特定尺寸的產品，而控制軋制則是一種獨立的軋制方式，即為了獲得材料所需的高強度及韌性等綜合性能，在軋制中精確地控制材料形狀及操作溫度。熱機械軋制是在奧氏體不能再結晶的溫度范圍內完成最后一個軋制道次。機械性能及細晶粒是在隨后對成型奧氏體組織的水冷中決定的。
在水冷方面有兩種主要方式：加速冷卻及直接淬火。當采用加速冷卻時，冷卻過程從約800℃開始，到500℃及600℃之間結束。加速冷卻由于能使微觀組織細化，從而提高鋼板的機械性能。這類寬厚板的微觀組織主要成分是細晶粒的鐵素體/珠光體，鐵素體/貝氏體，或是全貝氏體組織。對直接淬火而言，鋼板盡可能快的冷卻下來。冷卻的起始溫度約為900℃，而終止溫度則低于250℃。直接淬火鋼板通常為高硬度的貝氏體和/或馬氏體組織，一般用作機械應力和/或耐磨性要求高的結構件。
冷卻速率：影響鋼板冷卻的主要因素是冷卻速率。冷卻速率是指入口-出口側的溫度差與冷卻時間的比率。冷卻時間是指在有效冷卻段的停留時間。提高冷卻速率，即加速冷卻，可細化鋼板的微觀組織，從而提高鋼板強度。
加速冷卻可通過以下途徑提高強度：細化鐵素體晶粒、析出強化以及貝氏體相變強化。然而，提高屈服強度和抗拉強度的機理不同。加速冷卻通過細晶強化和析出強化來提高屈服強度，而抗拉強度的提高則是通過貝氏體相變強化實現。
研究400HV10鋼（0.15%C-1.4%Mn-0.04%Nb）在直接淬火條件下不同冷卻速率對組織的影響發現，空冷時（1℃/s）獲得鐵素體/珠光體組織以及少量的馬氏體，硬度達到220HV 10（對應于抗拉強度740MPa）。中等冷卻速率（10℃/s）獲得貝氏體組織，硬度為290 HV10（抗拉強度約940MPa），而采用更高的冷卻速率（30℃/s），則得到100%的馬氏體組織，硬度高達410HV10（抗拉強度約1300MPa）。
物理約束：采用現代化冷卻設備很容易達到100℃/s以上的冷卻速率。然而，如此高的冷卻速率僅能在鋼板表面以及薄規格的鋼板上才能實現。對于厚規格鋼板，鋼板芯部能夠達到的冷卻速率隨鋼板厚度的增加而顯著下降，其限制性因素是鋼板的導熱性。
鋼板表面和芯部冷卻速率的差異導致組織不同，從而造成鋼板性能的不均勻性。而且，微觀組織的差異導致在鋼板表面和芯部之間產生張力應力，對鋼板的平直度產生影響。
2 冷卻技術
層流冷卻：目前，鋼板廠采用的冷卻系統各式各樣，其中層流冷卻系統是全球最普遍使用的冷卻設備。該冷卻系統用在加速冷卻及直接淬火等領域，除了用途廣泛外，該系統的特點是構造簡單、能耗低、維護成本低。
噴霧冷卻：2001年SMS Demag公司開始開發新型冷卻系統。為了能在極高的冷卻速率下提高薄規格鋼板的平直度，開發出淬火型冷卻系統。基本思想思是混合使用高水壓（高達5巴）和噴淋頭之間的夾送輥，調整夾送輥保護靠近鋼板表面布置的噴嘴。此外，夾送輥可避免殘存水的流動，提高冷卻效率及溫度的均勻性。在冷卻過程中，夾送輥對鋼板進行導位，保證了沿鋼板表面的熱分布均勻，提高鋼板冷卻后的平直度。
層流與噴霧混合冷卻：在實際應用中，兩種系統通常混合使用，噴霧冷卻安裝在層流冷卻段前面。特別是一些厚板生產廠家，正加大這類冷卻設備上的投入。該系統已在幾家新廠以及現代化改造的項目上使用。
兩種冷卻方式可以混合使用，也可單獨使用。混合冷卻模式最常用于很薄、很厚以及很寬鋼板的加速冷卻和直接淬火。許多鋼板廠在冷卻設備前使用預矯直機。在大修期間，噴霧冷卻系統可增設到已有的層流冷卻系統中。在新建造的設備中，已為將來的擴建提供了基礎和空間。
3 冷卻控制
對每塊鋼板可單獨調整水流形式、流量以及分布。所有的調整都必須滿足精度以及動態特性等方面的特殊要求。為了精確控制水流形式，每個冷淋頭或每個噴嘴淋頭可單獨控制。循環控制由控制閥和流量計實現。
為了實現所需的冷卻參數，使用良好的物料跟蹤系統是至關重要的。要實現鋼板位置的精確控制，需要不同的傳感器以及不同的控制方法。對跟蹤系統而言，需要在冷卻段前、中、后安裝高溫金屬探測器、光電裝置、高溫計以及脈沖發生器。幾個同步點保證了冷卻系統精確跟蹤，精確遮蔽鋼板的頭尾，實現優異的冷卻效果。
4 冷卻模型
冷卻過程自身由冷卻模型來控制，必須實現兩大功能：首先，材料經過不同相的溫度區間內改變材料的微觀組織，這就需要充分了解相變動力學；其次，必須調整冷卻過程中的冷卻速率，并且需要補償鋼板頭尾存在的溫差。
鋼板冷卻的關鍵是對鋼板上溫度分布的精確測量。SMS Demag的數學-物理冷卻模型顯示出的圖像表明材料的時間-溫度特性的不穩定性。模擬相變所需的主要參數包括鋼的化學成分、軋后特定鋼板厚度下的溫度分布、相變開始及終止溫度、奧氏體晶粒尺寸分布-溫度關系以及決定于鋼板成分以及形狀的奧氏體轉變等。
冷卻模型可以擴展成包括自學習、自適應、記錄以及存檔等根本功能。該冷卻模型是根據大量的設備設計與制造、研究結果以及從許多鋼板廠反饋結果的經驗基礎上建立起來的。SMS Demag冷卻模型目前已在30多個冷卻設備上使用。
5 結論
SMS Demag設計供應的冷卻系統涵蓋了管線鋼板、造船板以及其它高強度鋼板生產所需的全部冷卻方案。自2000年以來，SMS Demag已經完成交付或簽訂13個鋼板冷卻系統的合同，其中6個為層流冷卻系統，7個為層流與噴霧冷卻混合系統。
現代鋼板用冷卻系統的經濟效益非常顯著，如對典型的管線應用，由于采用熱機械軋制后的加速冷卻有可能改變鋼的化學成分，從有可比性的材料檢驗結果來看，節約成本大于40美元/t鋼。
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