循環(huán)高溫影響下冶金起重機(jī)板鉤的理化性能研究

黃美強(qiáng)

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院，福建 福州 350008）

1 引 言

冶金起重機(jī)作為冶金企業(yè)中重要的特種設(shè)備，其冶金板鉤和鋼絲繩在使用過程中受到循環(huán)式的直接或者間接高溫烘烤等惡劣因素的影響直接而顯著，這種影響可能導(dǎo)致金屬構(gòu)件的材質(zhì)、組織及物理性能發(fā)生變化。然而隨著工業(yè)化的進(jìn)程，特種設(shè)備在各種行業(yè)中快速發(fā)展，數(shù)量也急劇上升，特種設(shè)備的使用工況將會越來越復(fù)雜，企業(yè)的設(shè)備管理者不可能總是盲目使用或更換設(shè)備的重要的部件，這就需要對金屬材料在循環(huán)高溫下的變化規(guī)律有所了解，從而促使研究人員對金屬材料在不同環(huán)境下的理化性能作深入的研究和探索。

2 板鉤的使用工況

冶金起重機(jī)板鉤的使用工況直接決定了板鉤的溫度測量。經(jīng)過分析與現(xiàn)場勘察得知，鋼鐵廠的煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝通常每爐冶煉周期約為50min，每一爐按其生產(chǎn)工藝過程可分為空爐、盛裝鐵水或廢鋼、吹煉、出鋼水四個環(huán)節(jié)。其中每個周期包含空爐約10min，盛裝鐵水或廢鋼約15min，吹煉約20min，出鋼水約5min，每爐冶煉周期合計約50min。所以，對每個冶煉周期，板鉤的使用環(huán)節(jié)可簡化為如圖1-1所示：

圖1 板鉤工況流程圖

鋼鐵廠煉鋼時基本是24小時長時間循環(huán)作業(yè)，因此板鉤也可按工況不斷循環(huán)。當(dāng)然，這樣的工況是方便計算而采用的簡化，實(shí)際情況還存在更多的變數(shù)。

3 板鉤的表面溫度測量

3.1 板鉤表面溫度測試方法

目前，用于測量扳鉤表面溫度的分布通常使用兩種測量儀器，分別是采用無觸點(diǎn)激光定位紅外測溫儀和紅外熱成像儀。其中測溫儀可用于溫度超過1000℃的高溫測量，而紅外熱成像儀則只能在1000℃以下測量。為了更好了解板鉤的溫度分布，常采用兩種方法相結(jié)合對板鉤表面溫度分別來進(jìn)行測量。

3.2 板鉤表面溫度測量過程

板鉤是用于調(diào)運(yùn)鋼包，而正常情況下鋼包內(nèi)所裝熔融鋼水或鐵水的溫度一般在1600℃左右，熱量通過鋼包內(nèi)的工作層、永久層傳遞到鋼包的外殼上，形成鋼包溫度場。

3.2.1 紅外線測溫儀測溫

實(shí)驗測量選擇的板鉤為某鋼鐵廠煉鋼車間的某一冶金起重機(jī)的板鉤。在進(jìn)行測量時將紅外測量儀盡量靠近板鉤，選擇較為平整的表面作為測量點(diǎn)，針對選定點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)3次測量并求平均溫值。測量的具體位置和結(jié)果如圖2。由圖中可知，最高溫度點(diǎn)為板鉤的直線段，達(dá)到398℃。

圖2 板鉤溫度分布圖

3.2.2 紅外熱成像儀測溫

測量對象為同一鋼鐵廠煉鋼車間的同一冶金起重機(jī)的板鉤。在進(jìn)行測量時盡量保證熱成像儀探測頭靠近測量部件，并選擇350℃溫度檔，同時注意調(diào)焦使得整個畫面清晰。測量的結(jié)果如圖3所示，圖中H圖框中的溫度分布圖見圖4，圖中P直線剖面溫度分布見圖5。從圖中可以看出成白色區(qū)域因為溫度較高，已超出該儀器的測量量程因此無法顯示其溫度。

圖3 板鉤熱成像照片

圖4 H框中的溫度分布情況

圖5 P線上的溫度分布情況

4 實(shí)驗設(shè)計

為了了解試驗板鉤材料在一定溫度下的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)的變化，試圖找出變化規(guī)律，從而開展試驗。采用馬弗爐來進(jìn)行模擬高溫試驗，試驗的溫度選擇根據(jù)上面的熱分析來決定，選擇360℃和400℃兩個溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗，保溫時間分別為50h、75h和100h。拉伸試驗分為兩種，一種是經(jīng)過保溫一定時間后在常溫下進(jìn)行拉伸試驗，另一種是在保溫一定時間后在400℃高溫下進(jìn)行拉伸試驗。在每個溫度點(diǎn)采用兩根試樣進(jìn)行拉伸。

試樣采用Q235鋼板，并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)加工而制成規(guī)定尺寸的拉伸試樣。鋼板的化學(xué)成分采用直讀光譜儀，力學(xué)性能采用拉伸試驗機(jī)，高溫力學(xué)性能采用高溫拉伸試驗機(jī)，硬度采用數(shù)顯洛式硬度計分別進(jìn)行試樣理化性能檢測與測量。

5 試樣的成分分析

檢測時按照直讀光譜儀制樣要求進(jìn)行制樣，一種樣品測量兩次取平均值，測量結(jié)果如表1所示。從表中的結(jié)果來看與Q235材料的性能一致，成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)鋼構(gòu)件要求。

表1 試驗的化學(xué)成分

6 試樣的力學(xué)性能

6.1 常溫狀態(tài)下試樣力學(xué)性能

6.1.1 強(qiáng)度試驗

將拉伸試樣放入馬弗爐中經(jīng)360℃不同時間保溫后，在室溫下測量其試樣拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖中可以看出三個試樣均出現(xiàn)明顯的材料屈服現(xiàn)象，且屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較為接近。圖7為抗拉伸和屈服強(qiáng)度隨保溫時間的變化關(guān)系?？梢?60℃下不同保溫時間對試樣抗拉伸和屈服強(qiáng)度有一定影響，但影響有限。

圖6 不同時間360℃保溫試樣下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 不同時間360℃保溫下試樣的強(qiáng)度隨時間的變化

拉伸試樣放入馬弗爐中在400℃下保溫不同時間后，在室溫拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖8所示。從圖9中可以看出三個試樣均出現(xiàn)明顯的材料屈服現(xiàn)象，且屈服強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度較為接近，可見400℃下保溫不同時間對試樣的強(qiáng)度影響不大。

圖8 不同時間400℃保溫下試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖9 不同時間400℃保溫下試樣的強(qiáng)度隨時間的變化

6.1.2 硬度試驗

采用型號為HRS-150的數(shù)顯洛式硬度計進(jìn)行試樣硬度測量，試驗中選擇不同取樣點(diǎn)總共測量了五次。結(jié)果列于表2中，從5次測量的平均值來看，所有的溫度和時間對試樣的硬度影響不大。

表2 試樣不同條件下的硬度值

6.1.3 組織結(jié)構(gòu)

在各個溫度100小時加熱后與原始狀態(tài)的拉伸試樣其金相組織照片如圖10所示。從圖中可以看出各個溫度下的組織未有明顯變化，這說明在400℃下保溫100小時對Q235材料的組織結(jié)構(gòu)影響不大。

圖10 不同時間試驗條件下的金相組織結(jié)構(gòu)

6.2 高溫狀態(tài)力學(xué)性能

為了研究在360℃和400℃下，Q235材料強(qiáng)度的變化情況，對經(jīng)過360℃和400℃保溫100h的樣品分別進(jìn)行了試樣強(qiáng)度的拉伸試驗，其應(yīng)力位移曲線如圖11所示。從圖中可以看出，常溫下出現(xiàn)的Q235材料屈服平臺，在高溫下消失了；溫度360℃和室溫下比較，抗拉伸強(qiáng)度未有明顯變化，但是試樣的延伸率下降約4mm；溫度400℃下，則抗拉伸強(qiáng)度和延伸率都比360℃和室溫有較大的下降，抗拉強(qiáng)度約307.91MPa，屈服強(qiáng)度按等效方式計算約180MPa。由此可見，高溫下材料的力學(xué)性能變化較大，尤其是Q235材料在超過400℃時，性能惡化非常明顯。

圖11 不同時間試驗條件下的金相組織結(jié)構(gòu)曲線

7 結(jié)論

（1）試樣經(jīng)高溫加熱后，再冷卻到室溫的力學(xué)性能未發(fā)生明顯變化，分析其原因主要是，該材料為低碳鋼，400℃以下的溫度對其組織的影響有限。

（2）試樣在高溫下進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果表明溫度大于400℃時，其試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度將急劇下降，分別達(dá)到180MPa和307.91MPa。

（3）結(jié)合的熱力學(xué)分析，板鉤受熱輻射強(qiáng)度最大為軸孔處，達(dá)到135MPa，若此處的溫度達(dá)到400℃，則此處實(shí)際受力的安全系數(shù)為180/135=1.33，材料仍能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

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