刘胜赫

（新余钢铁集团有限公司，江西 新余 338000）

特大厚度、单重钢板是重点工程建设、大型特殊设备制造的主要材料，并且工艺技术极为的复杂、技术应用过程中难度较大，特厚高强钢板高强度、高均匀性、高平直度淬火生产能力一直是业界最为重要的研究问题。在进行特厚钢板的生产加工过程中需要通过淬火的形式实现钢板组织的调控，从而使材料具有更好的强韧性。传统淬火设备并不适用于厚度≥200mm的特厚钢板，通常会采用浸入式淬火技术进行相应的处理，其核心内容是通过对冷却水进行搅拌从而实现增加钢板表面对流速率，以此达到冷却的效果，但由于在进行冷却水的搅拌过程中往往会受到淬火池槽体积的制约造成搅拌后的水流速度达不到理想的效果，这种形式相对于湍流射流冲击壁面换热，其冷却强度较低，并且在实际的处理过程中，淬火池槽不同位置所产生的搅拌冷却水水流具有一定的差异，这种情况造成了钢板板面冷却强度分布不统一的情况，最终将会导致钢板冷却后淬硬层深度及组织分布不均的现象发生。另外，由于冷却水温度与钢板板身所进行的热交换不具有协同性及重现性，也将造成钢板组织性能的不稳定以及出现淬火软点等缺陷[1]。

随着现代钢铁工业技术不断深入的发展，对于材料的强韧性、均匀性、抗疲劳性、低温韧性、抗层状撕裂性以及屈强比的要求也在提升，而且针对传统工艺中传热效率不佳以及温度梯度较弱、厚向异性波动大等问题与淬火的需求之间的矛盾日益显著。当前世界范围内较为成熟的特厚钢板辊式淬火技术仅有迪林格钢铁集团(Dillinger)、阿塞洛米塔尔钢铁集团(Arcelor Mittal)、JFE集团(原新日铁)等大型钢铁集团所掌握，而我国于2017年在东北大学的设计研制下，成功试车国内首台套300mm特厚钢板辊式淬火装备。本研究依据我国首套300mm级特厚钢板连续辊式淬火设备为例，对其配套多路径热处理工艺进行分析，并探究成套高强均匀淬火新技术的研发及应用，以期为我国特厚钢板辊式淬火的应用及发展提供参考。

1 特厚钢板辊式淬火设备

1.1 设备的主要构成及特性分析

300mm级特厚钢板连续辊式淬火设备的长度为25.0m，主要是由冷却区、内射流喷嘴柔性化淬火分区、表面残水清除装置以及钢板表面氧化铁皮清除装置构成。该特厚钢板辊式淬火设备相较于传统淬火设备，在冷却区、射流喷嘴、传动系统、表面残水清除装置、钢板表面氧化铁皮清除装置、冷却辊道以及机架等方面均有不同的创新[2]。

（1）冷却区。冷却段宽度为3.7m，由固定机架、移动机架、传动辊道装置以及压力喷水、残水清除、液压润滑等系统构成。其中固定机架采用分段形式，主要目的是为了能够更好的达到不同形式的热处理的工艺要求；传动辊道采用单独传动、单独变频的形式，可以对辊道的运行状态及速度进行更加精确的控制，如实现辊道摆动、提速、减速以及流量控制等功能；压力喷水系统分为高压喷水段（0.4MPa）以及低压喷水段（1.0MPa），最大设计水流为9800m2/h，压力喷水系统可控制各段喷嘴的开启或闭合、根据时间设定喷水、流量控制淬火、分区段淬火[3]。特厚钢板辊式淬火设备压力喷水系统示意图如图1所示。

图1 特厚钢板辊式淬火设备压力喷水系统示意图

（2）内射流喷嘴柔性化淬火分区。内射流喷嘴采用超宽狭缝式喷嘴（多重阻尼均流控制技术、自水冷保护功能）、多排倾斜高密圆孔射流喷嘴、多角度高密圆孔射流喷嘴构成高压以及低压淬火分区，可提供均匀、不间断的冷却流量，并且能够实现快速的启停以及钢板侧向冷却等新颖的功能，其中高压淬火分区喷嘴是由超宽狭缝式喷嘴与多排倾斜高密圆孔射流喷嘴实现钢板的瞬时冷却，而低压淬火分区喷嘴主要为多角度高密圆孔射流喷嘴，可提供后续中持续的冷却处理，使钢板具有较大的表面过冷度，从而实现表面换热与内部导热能够达成平衡状态[4]。

（3）表面残水清除装置。钢板经过水淬、换热处理后残水需要进行及时地清除，避免影响新水与高温壁面的热交换效果。特厚钢板辊式淬火设备中研发出的螺旋平行辊可实现快速排水以及流量分区控制的效果及目的。

（4）钢板表面氧化铁皮清除装置。钢板在经过长时间的加热处理后其壁面将会形成较厚的氧化层，不利于淬火均匀性以及处理效果[5]。多轧辊交替处理氧化皮装置是由升降机构、传动机构、钢管氧化皮剥离辊道、氧化皮吹扫收集装置以及固定机架所构成，安装于特厚钢板辊式淬火设备的前端，当钢板进入设备后在上下氧化皮剥离辊道差速转动的作用下可将壁面氧化层有效清除。

1.2 设备系统构成

特厚钢板辊式淬火设备中所具有的自动化系统为分级分层设计和控制，涵盖仪表控制、淬火机区顺序控制等接口，主要组成部分为PLC、控制器以及传感器等[6]。操作形式为工程师站及操作员站终端控制。系统中各控制设备的选型依据为通用化、系列化、组合化(模块化)，以便能够更好地根据技术的发展为其进行升级、改造。设备系统主要过程如图2所示。

图2 系统构成示意图

2 特厚钢板辊式淬火技术分析

特厚钢板辊式淬火技术在实施过程中存在一定的难点，首先，连续冷却换热与壁面温度具有显著的联系，因此，如何通过控制射流参数的形式达到壁面持续、高效传热成；第二，采用何种方式确定出壁面局部热流密度分布与时间、位置之间的联系作为冷却区以及淬火处理的原则，从而实现壁面的序换热；第三，在实际处理过程中由于上下壁面换热形式以及因分布不同而产生的温降差异将会造成钢板断面温度场发生改变，对此，该如何设置上下冷却参数以达到对称冷却的目的；第四，采用何种方式实现壁面传热效率和断面温度场梯度，以达到钢板内外导热动态平衡以及冷却的均匀性。对于以上的问题，特厚钢板辊式淬火技术主要通过以下技术形式进行解决。

第一，高均匀性淬火技术。为了提升高压淬火段的瞬时冷却以及低压段的持续冷却性能，通过采用冷却范围、路径可控、高强度瞬时冷却以及低过冷度持续冷却的方式增加钢板的厚度方向温度梯度、低压区壁面温度持续换热的效率，以及心部与断面的冷却均匀性（多路径淬火技术效果如图3所示）。

图3 多路径淬火技术效果曲线图

第二，变频恒压变流量供水。通过高、低压变频技术、多补偿复合型超快冷水压控制、神经模糊PID控制的双闭环恒压供水系统（原理如图4所示）。依托于上述技术可将不同的淬火单元流量偏差控制在3m3/h以内，水压差可控制在±0.01MPa，水量精调时间保持在20s内，可以极大的满足特厚钢板辊式淬火j技术的控制要求。

图4 神经模糊PID控制的双闭环恒压供水系统技术原理

第三，液压系统多缸同步控制技术。通过液压伺服控制系统进行辊压式淬火，即通过恒位置、恒压力控制的形式实现高精准度的钢板淬火板形控制，其中辊缝控制精度可达到±0.1mm以内。

第四，非对称淬火技术。在进行加热过程中由于上下壁面换热形式的不同将会导致区域降温的差异，严重影响断面的组织均匀性。利用非对称淬火技术可针对不同换热区的热流密度占比、水温、温降时序、壁面流场进行精准的同步控制调整，以实现组织均匀性。

3 特厚钢板辊式淬火装备技术应用效果

特厚钢板辊式淬火装备技术能够进行厚度为100mm～300mm、最大宽度为3500mm、最大长度为15m、最大单重为50t钢板的淬火、冷却处理，年生产能力可达到为6×104t，主要生产产品用于海洋平台齿条用钢、石油化工设备用钢、压力容器用钢、水电用大厚度钢板以及军工钢材等。不同规格的钢板采用特厚钢板辊式淬火装备技术处理后的心部冷速相对于传统侵入淬火方式可得到显著提升，如临氢钢（12Cr2MolR）采用传统方式进行焊热处理后晶粒度达到5～6级，而钢板使用续辊式热处理模焊热处理后组织较为均匀，其晶粒度可达到7级，续辊式热处理后屈服强度、抗拉强度、-30℃下冲击功、高温屈服强度分别可提升30MPa、50MPa、50J、40MPa，钢板的组织性能得到显著的提升。不同规格的钢板热处理情况以及不同处理方式应用效果分别如表1、表2所示。

表1 不同规格的钢板热处理情况

表2 不同处理方式应用效果对比

根据统计结果现实，采用特厚钢板辊式淬火装备技术处理的钢板合格率可提升至98%、板形的合格率可提升至98%，其组织性能合格率可达到99.6%，可实现一次淬火能够达到两次淬火的效果。

4 结论

根据特厚钢板辊式淬火装备技术探究壁面换热规律，并针对核心喷嘴、淬火路径控制、氧化皮去除、残水清除等进行分析，通过特厚钢板辊式淬火装备技术中高均匀性淬火技术、变频恒压变流量供水、液压系统多缸同步控制技术、非对称淬火技术可实现特厚高强钢板高强度、高均匀性、高平直度淬火生产。