劉勝赫

（新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 新余 338000）

特大厚度、單重鋼板是重點(diǎn)工程建設(shè)、大型特殊設(shè)備制造的主要材料，并且工藝技術(shù)極為的復(fù)雜、技術(shù)應(yīng)用過程中難度較大，特厚高強(qiáng)鋼板高強(qiáng)度、高均勻性、高平直度淬火生產(chǎn)能力一直是業(yè)界最為重要的研究問題。在進(jìn)行特厚鋼板的生產(chǎn)加工過程中需要通過淬火的形式實(shí)現(xiàn)鋼板組織的調(diào)控，從而使材料具有更好的強(qiáng)韌性。傳統(tǒng)淬火設(shè)備并不適用于厚度≥200mm的特厚鋼板，通常會(huì)采用浸入式淬火技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，其核心內(nèi)容是通過對(duì)冷卻水進(jìn)行攪拌從而實(shí)現(xiàn)增加鋼板表面對(duì)流速率，以此達(dá)到冷卻的效果，但由于在進(jìn)行冷卻水的攪拌過程中往往會(huì)受到淬火池槽體積的制約造成攪拌后的水流速度達(dá)不到理想的效果，這種形式相對(duì)于湍流射流沖擊壁面換熱，其冷卻強(qiáng)度較低，并且在實(shí)際的處理過程中，淬火池槽不同位置所產(chǎn)生的攪拌冷卻水水流具有一定的差異，這種情況造成了鋼板板面冷卻強(qiáng)度分布不統(tǒng)一的情況，最終將會(huì)導(dǎo)致鋼板冷卻后淬硬層深度及組織分布不均的現(xiàn)象發(fā)生。另外，由于冷卻水溫度與鋼板板身所進(jìn)行的熱交換不具有協(xié)同性及重現(xiàn)性，也將造成鋼板組織性能的不穩(wěn)定以及出現(xiàn)淬火軟點(diǎn)等缺陷[1]。

隨著現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)技術(shù)不斷深入的發(fā)展，對(duì)于材料的強(qiáng)韌性、均勻性、抗疲勞性、低溫韌性、抗層狀撕裂性以及屈強(qiáng)比的要求也在提升，而且針對(duì)傳統(tǒng)工藝中傳熱效率不佳以及溫度梯度較弱、厚向異性波動(dòng)大等問題與淬火的需求之間的矛盾日益顯著。當(dāng)前世界范圍內(nèi)較為成熟的特厚鋼板輥式淬火技術(shù)僅有迪林格鋼鐵集團(tuán)(Dillinger)、阿塞洛米塔爾鋼鐵集團(tuán)(Arcelor Mittal)、JFE集團(tuán)(原新日鐵)等大型鋼鐵集團(tuán)所掌握，而我國(guó)于2017年在東北大學(xué)的設(shè)計(jì)研制下，成功試車國(guó)內(nèi)首臺(tái)套300mm特厚鋼板輥式淬火裝備。本研究依據(jù)我國(guó)首套300mm級(jí)特厚鋼板連續(xù)輥式淬火設(shè)備為例，對(duì)其配套多路徑熱處理工藝進(jìn)行分析，并探究成套高強(qiáng)均勻淬火新技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，以期為我國(guó)特厚鋼板輥式淬火的應(yīng)用及發(fā)展提供參考。

1 特厚鋼板輥式淬火設(shè)備

1.1 設(shè)備的主要構(gòu)成及特性分析

300mm級(jí)特厚鋼板連續(xù)輥式淬火設(shè)備的長(zhǎng)度為25.0m，主要是由冷卻區(qū)、內(nèi)射流噴嘴柔性化淬火分區(qū)、表面殘水清除裝置以及鋼板表面氧化鐵皮清除裝置構(gòu)成。該特厚鋼板輥式淬火設(shè)備相較于傳統(tǒng)淬火設(shè)備，在冷卻區(qū)、射流噴嘴、傳動(dòng)系統(tǒng)、表面殘水清除裝置、鋼板表面氧化鐵皮清除裝置、冷卻輥道以及機(jī)架等方面均有不同的創(chuàng)新[2]。

（1）冷卻區(qū)。冷卻段寬度為3.7m，由固定機(jī)架、移動(dòng)機(jī)架、傳動(dòng)輥道裝置以及壓力噴水、殘水清除、液壓潤(rùn)滑等系統(tǒng)構(gòu)成。其中固定機(jī)架采用分段形式，主要目的是為了能夠更好的達(dá)到不同形式的熱處理的工藝要求；傳動(dòng)輥道采用單獨(dú)傳動(dòng)、單獨(dú)變頻的形式，可以對(duì)輥道的運(yùn)行狀態(tài)及速度進(jìn)行更加精確的控制，如實(shí)現(xiàn)輥道擺動(dòng)、提速、減速以及流量控制等功能；壓力噴水系統(tǒng)分為高壓噴水段（0.4MPa）以及低壓噴水段（1.0MPa），最大設(shè)計(jì)水流為9800m2/h，壓力噴水系統(tǒng)可控制各段噴嘴的開啟或閉合、根據(jù)時(shí)間設(shè)定噴水、流量控制淬火、分區(qū)段淬火[3]。特厚鋼板輥式淬火設(shè)備壓力噴水系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 特厚鋼板輥式淬火設(shè)備壓力噴水系統(tǒng)示意圖

（2）內(nèi)射流噴嘴柔性化淬火分區(qū)。內(nèi)射流噴嘴采用超寬狹縫式噴嘴（多重阻尼均流控制技術(shù)、自水冷保護(hù)功能）、多排傾斜高密圓孔射流噴嘴、多角度高密圓孔射流噴嘴構(gòu)成高壓以及低壓淬火分區(qū)，可提供均勻、不間斷的冷卻流量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)快速的啟停以及鋼板側(cè)向冷卻等新穎的功能，其中高壓淬火分區(qū)噴嘴是由超寬狹縫式噴嘴與多排傾斜高密圓孔射流噴嘴實(shí)現(xiàn)鋼板的瞬時(shí)冷卻，而低壓淬火分區(qū)噴嘴主要為多角度高密圓孔射流噴嘴，可提供后續(xù)中持續(xù)的冷卻處理，使鋼板具有較大的表面過冷度，從而實(shí)現(xiàn)表面換熱與內(nèi)部導(dǎo)熱能夠達(dá)成平衡狀態(tài)[4]。

（3）表面殘水清除裝置。鋼板經(jīng)過水淬、換熱處理后殘水需要進(jìn)行及時(shí)地清除，避免影響新水與高溫壁面的熱交換效果。特厚鋼板輥式淬火設(shè)備中研發(fā)出的螺旋平行輥可實(shí)現(xiàn)快速排水以及流量分區(qū)控制的效果及目的。

（4）鋼板表面氧化鐵皮清除裝置。鋼板在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的加熱處理后其壁面將會(huì)形成較厚的氧化層，不利于淬火均勻性以及處理效果[5]。多軋輥交替處理氧化皮裝置是由升降機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鋼管氧化皮剝離輥道、氧化皮吹掃收集裝置以及固定機(jī)架所構(gòu)成，安裝于特厚鋼板輥式淬火設(shè)備的前端，當(dāng)鋼板進(jìn)入設(shè)備后在上下氧化皮剝離輥道差速轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下可將壁面氧化層有效清除。

1.2 設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成

特厚鋼板輥式淬火設(shè)備中所具有的自動(dòng)化系統(tǒng)為分級(jí)分層設(shè)計(jì)和控制，涵蓋儀表控制、淬火機(jī)區(qū)順序控制等接口，主要組成部分為PLC、控制器以及傳感器等[6]。操作形式為工程師站及操作員站終端控制。系統(tǒng)中各控制設(shè)備的選型依據(jù)為通用化、系列化、組合化(模塊化)，以便能夠更好地根據(jù)技術(shù)的發(fā)展為其進(jìn)行升級(jí)、改造。設(shè)備系統(tǒng)主要過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2 特厚鋼板輥式淬火技術(shù)分析

特厚鋼板輥式淬火技術(shù)在實(shí)施過程中存在一定的難點(diǎn)，首先，連續(xù)冷卻換熱與壁面溫度具有顯著的聯(lián)系，因此，如何通過控制射流參數(shù)的形式達(dá)到壁面持續(xù)、高效傳熱成；第二，采用何種方式確定出壁面局部熱流密度分布與時(shí)間、位置之間的聯(lián)系作為冷卻區(qū)以及淬火處理的原則，從而實(shí)現(xiàn)壁面的序換熱；第三，在實(shí)際處理過程中由于上下壁面換熱形式以及因分布不同而產(chǎn)生的溫降差異將會(huì)造成鋼板斷面溫度場(chǎng)發(fā)生改變，對(duì)此，該如何設(shè)置上下冷卻參數(shù)以達(dá)到對(duì)稱冷卻的目的；第四，采用何種方式實(shí)現(xiàn)壁面?zhèn)鳠嵝屎蛿嗝鏈囟葓?chǎng)梯度，以達(dá)到鋼板內(nèi)外導(dǎo)熱動(dòng)態(tài)平衡以及冷卻的均勻性。對(duì)于以上的問題，特厚鋼板輥式淬火技術(shù)主要通過以下技術(shù)形式進(jìn)行解決。

第一，高均勻性淬火技術(shù)。為了提升高壓淬火段的瞬時(shí)冷卻以及低壓段的持續(xù)冷卻性能，通過采用冷卻范圍、路徑可控、高強(qiáng)度瞬時(shí)冷卻以及低過冷度持續(xù)冷卻的方式增加鋼板的厚度方向溫度梯度、低壓區(qū)壁面溫度持續(xù)換熱的效率，以及心部與斷面的冷卻均勻性（多路徑淬火技術(shù)效果如圖3所示）。

圖3 多路徑淬火技術(shù)效果曲線圖

第二，變頻恒壓變流量供水。通過高、低壓變頻技術(shù)、多補(bǔ)償復(fù)合型超快冷水壓控制、神經(jīng)模糊PID控制的雙閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)（原理如圖4所示）。依托于上述技術(shù)可將不同的淬火單元流量偏差控制在3m3/h以內(nèi)，水壓差可控制在±0.01MPa，水量精調(diào)時(shí)間保持在20s內(nèi)，可以極大的滿足特厚鋼板輥式淬火j技術(shù)的控制要求。

圖4 神經(jīng)模糊PID控制的雙閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)技術(shù)原理

第三，液壓系統(tǒng)多缸同步控制技術(shù)。通過液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行輥壓式淬火，即通過恒位置、恒壓力控制的形式實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的鋼板淬火板形控制，其中輥縫控制精度可達(dá)到±0.1mm以內(nèi)。

第四，非對(duì)稱淬火技術(shù)。在進(jìn)行加熱過程中由于上下壁面換熱形式的不同將會(huì)導(dǎo)致區(qū)域降溫的差異，嚴(yán)重影響斷面的組織均勻性。利用非對(duì)稱淬火技術(shù)可針對(duì)不同換熱區(qū)的熱流密度占比、水溫、溫降時(shí)序、壁面流場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)的同步控制調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)組織均勻性。

3 特厚鋼板輥式淬火裝備技術(shù)應(yīng)用效果

特厚鋼板輥式淬火裝備技術(shù)能夠進(jìn)行厚度為100mm～300mm、最大寬度為3500mm、最大長(zhǎng)度為15m、最大單重為50t鋼板的淬火、冷卻處理，年生產(chǎn)能力可達(dá)到為6×104t，主要生產(chǎn)產(chǎn)品用于海洋平臺(tái)齒條用鋼、石油化工設(shè)備用鋼、壓力容器用鋼、水電用大厚度鋼板以及軍工鋼材等。不同規(guī)格的鋼板采用特厚鋼板輥式淬火裝備技術(shù)處理后的心部冷速相對(duì)于傳統(tǒng)侵入淬火方式可得到顯著提升，如臨氫鋼（12Cr2MolR）采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行焊熱處理后晶粒度達(dá)到5～6級(jí)，而鋼板使用續(xù)輥式熱處理模焊熱處理后組織較為均勻，其晶粒度可達(dá)到7級(jí)，續(xù)輥式熱處理后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、-30℃下沖擊功、高溫屈服強(qiáng)度分別可提升30MPa、50MPa、50J、40MPa，鋼板的組織性能得到顯著的提升。不同規(guī)格的鋼板熱處理情況以及不同處理方式應(yīng)用效果分別如表1、表2所示。

表1 不同規(guī)格的鋼板熱處理情況

表2 不同處理方式應(yīng)用效果對(duì)比

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果現(xiàn)實(shí)，采用特厚鋼板輥式淬火裝備技術(shù)處理的鋼板合格率可提升至98%、板形的合格率可提升至98%，其組織性能合格率可達(dá)到99.6%，可實(shí)現(xiàn)一次淬火能夠達(dá)到兩次淬火的效果。

4 結(jié)論

根據(jù)特厚鋼板輥式淬火裝備技術(shù)探究壁面換熱規(guī)律，并針對(duì)核心噴嘴、淬火路徑控制、氧化皮去除、殘水清除等進(jìn)行分析，通過特厚鋼板輥式淬火裝備技術(shù)中高均勻性淬火技術(shù)、變頻恒壓變流量供水、液壓系統(tǒng)多缸同步控制技術(shù)、非對(duì)稱淬火技術(shù)可實(shí)現(xiàn)特厚高強(qiáng)鋼板高強(qiáng)度、高均勻性、高平直度淬火生產(chǎn)。