特厚鋼板輥式淬火技術研發與應用探討

劉勝赫

（新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338000）

特大厚度、單重鋼板是重點工程建設、大型特殊設備制造的主要材料，并且工藝技術極為的復雜、技術應用過程中難度較大，特厚高強鋼板高強度、高均勻性、高平直度淬火生產能力一直是業界最為重要的研究問題。在進行特厚鋼板的生產加工過程中需要通過淬火的形式實現鋼板組織的調控，從而使材料具有更好的強韌性。傳統淬火設備并不適用于厚度≥200mm的特厚鋼板，通常會采用浸入式淬火技術進行相應的處理，其核心內容是通過對冷卻水進行攪拌從而實現增加鋼板表面對流速率，以此達到冷卻的效果，但由于在進行冷卻水的攪拌過程中往往會受到淬火池槽體積的制約造成攪拌后的水流速度達不到理想的效果，這種形式相對于湍流射流沖擊壁面換熱，其冷卻強度較低，并且在實際的處理過程中，淬火池槽不同位置所產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度分布不統一的情況，最終將會導致鋼板冷卻后淬硬層深度及組織分布不均的現象發生。另外，由于冷卻水溫度與鋼板板身所進行的熱交換不具有協同性及重現性，也將造成鋼板組織性能的不穩定以及出現淬火軟點等缺陷[1]。

隨著現代鋼鐵工業技術不斷深入的發展，對于材料的強韌性、均勻性、抗疲勞性、低溫韌性、抗層狀撕裂性以及屈強比的要求也在提升，而且針對傳統工藝中傳熱效率不佳以及溫度梯度較弱、厚向異性波動大等問題與淬火的需求之間的矛盾日益顯著。當前世界范圍內較為成熟的特厚鋼板輥式淬火技術僅有迪林格鋼鐵集團(Dillinger)、阿塞洛米塔爾鋼鐵集團(Arcelor Mittal)、JFE集團(原新日鐵)等大型鋼鐵集團所掌握，而我國于2017年在東北大學的設計研制下，成功試車國內首臺套300mm特厚鋼板輥式淬火裝備。本研究依據我國首套300mm級特厚鋼板連續輥式淬火設備為例，對其配套多路徑熱處理工藝進行分析，并探究成套高強均勻淬火新技術的研發及應用，以期為我國特厚鋼板輥式淬火的應用及發展提供參考。

1 特厚鋼板輥式淬火設備

1.1 設備的主要構成及特性分析

300mm級特厚鋼板連續輥式淬火設備的長度為25.0m，主要是由冷卻區、內射流噴嘴柔性化淬火分區、表面殘水清除裝置以及鋼板表面氧化鐵皮清除裝置構成。該特厚鋼板輥式淬火設備相較于傳統淬火設備，在冷卻區、射流噴嘴、傳動系統、表面殘水清除裝置、鋼板表面氧化鐵皮清除裝置、冷卻輥道以及機架等方面均有不同的創新[2]。

（1）冷卻區。冷卻段寬度為3.7m，由固定機架、移動機架、傳動輥道裝置以及壓力噴水、殘水清除、液壓潤滑等系統構成。其中固定機架采用分段形式，主要目的是為了能夠更好的達到不同形式的熱處理的工藝要求；傳動輥道采用單獨傳動、單獨變頻的形式，可以對輥道的運行狀態及速度進行更加精確的控制，如實現輥道擺動、提速、減速以及流量控制等功能；壓力噴水系統分為高壓噴水段（0.4MPa）以及低壓噴水段（1.0MPa），最大設計水流為9800m2/h，壓力噴水系統可控制各段噴嘴的開啟或閉合、根據時間設定噴水、流量控制淬火、分區段淬火[3]。特厚鋼板輥式淬火設備壓力噴水系統示意圖如圖1所示。

圖1 特厚鋼板輥式淬火設備壓力噴水系統示意圖

（2）內射流噴嘴柔性化淬火分區。內射流噴嘴采用超寬狹縫式噴嘴（多重阻尼均流控制技術、自水冷保護功能）、多排傾斜高密圓孔射流噴嘴、多角度高密圓孔射流噴嘴構成高壓以及低壓淬火分區，可提供均勻、不間斷的冷卻流量，并且能夠實現快速的啟停以及鋼板側向冷卻等新穎的功能，其中高壓淬火分區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現鋼板的瞬時冷卻，而低壓淬火分區噴嘴主要為多角度高密圓孔射流噴嘴，可提供后續中持續的冷卻處理，使鋼板具有較大的表面過冷度，從而實現表面換熱與內部導熱能夠達成平衡狀態[4]。

（3）表面殘水清除裝置。鋼板經過水淬、換熱處理后殘水需要進行及時地清除，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備中研發出的螺旋平行輥可實現快速排水以及流量分區控制的效果及目的。

（4）鋼板表面氧化鐵皮清除裝置。鋼板在經過長時間的加熱處理后其壁面將會形成較厚的氧化層，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構、傳動機構、鋼管氧化皮剝離輥道、氧化皮吹掃收集裝置以及固定機架所構成，安裝于特厚鋼板輥式淬火設備的前端，當鋼板進入設備后在上下氧化皮剝離輥道差速轉動的作用下可將壁面氧化層有效清除。

1.2 設備系統構成

特厚鋼板輥式淬火設備中所具有的自動化系統為分級分層設計和控制，涵蓋儀表控制、淬火機區順序控制等接口，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。系統中各控制設備的選型依據為通用化、系列化、組合化(模塊化)，以便能夠更好地根據技術的發展為其進行升級、改造。設備系統主要過程如圖2所示。

圖2 系統構成示意圖

2 特厚鋼板輥式淬火技術分析

特厚鋼板輥式淬火技術在實施過程中存在一定的難點，首先，連續冷卻換熱與壁面溫度具有顯著的聯系，因此，如何通過控制射流參數的形式達到壁面持續、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間、位置之間的聯系作為冷卻區以及淬火處理的原則，從而實現壁面的序換熱；第三，在實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生的溫降差異將會造成鋼板斷面溫度場發生改變，對此，該如何設置上下冷卻參數以達到對稱冷卻的目的；第四，采用何種方式實現壁面傳熱效率和斷面溫度場梯度，以達到鋼板內外導熱動態平衡以及冷卻的均勻性。對于以上的問題，特厚鋼板輥式淬火技術主要通過以下技術形式進行解決。

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

圖3 多路徑淬火技術效果曲線圖

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

圖4 神經模糊PID控制的雙閉環恒壓供水系統技術原理

第三，液壓系統多缸同步控制技術。通過液壓伺服控制系統進行輥壓式淬火，即通過恒位置、恒壓力控制的形式實現高精準度的鋼板淬火板形控制，其中輥縫控制精度可達到±0.1mm以內。

第四，非對稱淬火技術。在進行加熱過程中由于上下壁面換熱形式的不同將會導致區域降溫的差異，嚴重影響斷面的組織均勻性。利用非對稱淬火技術可針對不同換熱區的熱流密度占比、水溫、溫降時序、壁面流場進行精準的同步控制調整，以實現組織均勻性。

3 特厚鋼板輥式淬火裝備技術應用效果

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

表1 不同規格的鋼板熱處理情況

表2 不同處理方式應用效果對比

根據統計結果現實，采用特厚鋼板輥式淬火裝備技術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到99.6%，可實現一次淬火能夠達到兩次淬火的效果。

4 結論

根據特厚鋼板輥式淬火裝備技術探究壁面換熱規律，并針對核心噴嘴、淬火路徑控制、氧化皮去除、殘水清除等進行分析，通過特厚鋼板輥式淬火裝備技術中高均勻性淬火技術、變頻恒壓變流量供水、液壓系統多缸同步控制技術、非對稱淬火技術可實現特厚高強鋼板高強度、高均勻性、高平直度淬火生產。