金屬材料先進(jìn)熱處理工藝及設(shè)備的若干思考

高 晶

（精奇（天津）科技股份有限公司，天津 300380）

1 鋼板熱處理設(shè)備

1.1 特厚鋼板輥式淬火以及高精度低溫回火爐

1.1.1 特厚鋼板輥式淬火裝備

特厚鋼板的厚度在120mm～250mm以內(nèi)，為加強該厚度鋼板淬火的均勻性，特此研究特厚鋼板輥式淬火機(jī)。該設(shè)備由噴水、供水、輸送輥道、框架提升、電控、工藝模型等子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，能夠優(yōu)化設(shè)備的瞬間冷卻及持續(xù)冷區(qū)功能，改進(jìn)特厚鋼板的生產(chǎn)質(zhì)量。

該裝備特征有：①高壓噴嘴設(shè)計。該設(shè)計是順時和冷卻能力提升的關(guān)鍵。在限元模擬和測試分析的引導(dǎo)下，高壓噴嘴設(shè)計采用超寬狹縫式噴嘴、多排整體傾斜式高密噴嘴和多角度傾斜射流噴嘴，形成合理的溫度梯度，便于鋼板內(nèi)部溫度向外部的擴(kuò)散；②有形化配置。高壓內(nèi)射噴嘴可增強間歇冷卻能力，加快鋼板換熱效率；③流量分區(qū)、水土度及殘水控制。該項技術(shù)可提高鋼板表面冷卻均勻程度，提升生產(chǎn)效率；④獨立框架設(shè)計。在高壓和重要淬火區(qū)內(nèi)開展獨立框架設(shè)計，可獨立調(diào)節(jié)各區(qū)域，達(dá)到靈活生產(chǎn)要求。

1.1.2 高精度低溫回火爐

目前我國使用的極薄鋼板對硬度、強度及板形要求較高，生產(chǎn)作業(yè)中需要借助回火處理來提升鋼板性能（中厚板是前段的闡述內(nèi)容，該兩段為并列關(guān)系，此處指極薄鋼板的質(zhì)量要求）。不過我國現(xiàn)有的回火爐在使用中，其溫度精度只能控制在±15℃左右，與規(guī)范要求的±5℃嚴(yán)重不符，所以需要開展高精度低溫回火爐設(shè)備的研發(fā)。在該設(shè)備研發(fā)中，要利用高速熱風(fēng)循環(huán)加熱方式，通過強制對流處理來達(dá)到加熱目的，再結(jié)合特殊的路型結(jié)構(gòu)滿足熱回收處理要求。

該方式下研發(fā)的高精度低溫回火爐優(yōu)勢有：利用強制熱風(fēng)對流完成加熱，降低低溫過程的換熱效率，增強熱能供應(yīng)的均勻性；加熱溫度范圍100～600℃,100～300℃加熱均勻性好,升溫速度快；爐溫控制精度±2℃之內(nèi),爐溫均勻性±3℃之內(nèi)；加熱器可采用燃?xì)鉄旎螂娂訜崞?加熱后鋼板表面質(zhì)量好；對高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)的數(shù)量有一定要求；生產(chǎn)出的鋼材質(zhì)量高、成本低廉，且不會存在過多損耗。

1.2 高等級中厚鋼板熱處理工藝技術(shù)開發(fā)

1.2.1 極薄鋼板高平直度淬火技術(shù)

極薄鋼板厚度約在4～10mm左右，長度控制在18m以內(nèi)。在淬火作業(yè)中，經(jīng)常會因為敏感性高、組織一致性要求較高、回彈變形能力強等導(dǎo)致淬火中出現(xiàn)問題，影響最終的生產(chǎn)質(zhì)量。為此，在極薄鋼板淬火中，為保證生產(chǎn)質(zhì)量和安全，可采用流量分區(qū)控制技術(shù)、冷速高精度調(diào)控技術(shù)、對稱冷卻技術(shù)、殘余應(yīng)力控制技術(shù)、全流域殘水控制技術(shù),來加強生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性，解決淬火中存在的各種問題，如叩頭叩尾、橫/縱向瓢曲、中浪、邊浪等板形問題。4mm鋼板淬火后不平度小于6mm/m，力學(xué)性能、加工性能及板形均優(yōu)于進(jìn)口鋼板。

1.2.2 特厚鋼板高均勻性淬火技術(shù)

鑒于特厚鋼板寬度及厚度要求，在淬火中，提高其質(zhì)量就成為相關(guān)企業(yè)研究的重點，對特厚鋼板高均勻性淬火技術(shù)實行如下創(chuàng)新和優(yōu)化：①建立多維、多變量、多場耦合條件下的應(yīng)力計算模型，實時掌控溫度及組織應(yīng)力，為特厚鋼板快速冷卻提供理論指導(dǎo)；②對工藝規(guī)程實施科學(xué)規(guī)劃，在淬火作業(yè)后，改善鋼板平直度及均勻性；③對高壓高強度快冷技術(shù)實行進(jìn)一步研究，科學(xué)調(diào)整冷卻路徑及冷速范圍，增強淬火均勻性；④在寬厚板輥式淬火裝備的基礎(chǔ)上，開發(fā)研究寬厚規(guī)格鋼板熱處理工藝及產(chǎn)品，以期制作出高性能的鋼板材料，滿足企業(yè)及不同用戶需求。

1.3 高等級中厚鋼板熱處理產(chǎn)品研發(fā)

目前調(diào)制鋼板的最高水平以高強度結(jié)構(gòu)用鋼Q1300和耐磨鋼NM600這兩種規(guī)格為主，其具有強度高、韌塑性強及平直度好等特征，不過生產(chǎn)作業(yè)難度較大，應(yīng)用范圍受限。這兩種鋼材料目前應(yīng)用于超大型工程機(jī)械、礦山機(jī)械及水泥化工等裝備的制造,如大型起重機(jī)、盾構(gòu)機(jī)及水泥球磨機(jī)等。

在高等級中厚鋼板熱處理產(chǎn)品研發(fā)中，為使產(chǎn)品滿足市場需求，應(yīng)從以下幾方面重點考量：①對材料成分及一體化組織性能控制技術(shù)予以研究和掌握；②鑄坯技術(shù)研究。這里的鑄坯技術(shù)涵蓋了低夾雜物控制技術(shù)、防開裂控制技術(shù)、防氧化控制技術(shù)等多項內(nèi)容，要求研究人員做好細(xì)節(jié)處理，注重產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量；③板形控制技術(shù)。在特薄鋼板軋制和熱處理過程中，需要對板形開展科學(xué)管控，提高鋼板平直度；④焊接技術(shù)。焊接技術(shù)是超高強度鋼板處理中不可缺少的環(huán)節(jié)。只有保證這些內(nèi)容研究的合理性，才能達(dá)到產(chǎn)品研發(fā)目標(biāo)。在對上述內(nèi)容研究和應(yīng)用中，也形成了一整套熱軋-冷卻-熱處理一體化組織性能控制技術(shù)，并為我國裝備制造業(yè)的大型化、輕量化和高效化做出貢獻(xiàn)。

2 熱軋鋼材新一代控軋控冷在線熱處理技術(shù)

2.1 TMCP在線熱處理技術(shù)

TMCP在線熱處理技術(shù)對熱軋鋼鐵材料的超快速冷卻進(jìn)行了進(jìn)一步研究，以期能夠優(yōu)化材料強化機(jī)制，改善傳統(tǒng)工藝技術(shù)、全生命周期評價體系，進(jìn)而對鋼材冷卻實行全方位管控，且在此技術(shù)水平上，利用固溶、細(xì)晶、析出及相變等強化手段，實現(xiàn)在保持或提高材料塑韌性和使用性能的前提下，80%以上的熱軋鋼鐵材料（含熱帶、中厚板、棒線材、H型鋼、鋼管）產(chǎn)品強度指標(biāo)提高100～200MPa以上，或鋼材主要合金元素用量節(jié)省30%以上，節(jié)約鋼材使用量5%～10%；提高生產(chǎn)效率35%以上；節(jié)能貢獻(xiàn)率10%～15%左右。

2.2 TMCP核心裝備技術(shù)

TMCP核心裝備的基礎(chǔ)條件亦即軋后超快速冷卻系統(tǒng)的構(gòu)建，該系統(tǒng)運行中，借助高效射流沖擊作用將鋼板與冷卻水之間的汽膜破壞，以此來加快換熱和核態(tài)沸騰換熱，從而增強鋼板冷卻的均勻性。設(shè)備在實際應(yīng)用中，對3～4mm厚的板帶材冷卻速度可達(dá)300～400℃，對20mm左右的中厚鋼板冷速可達(dá)50℃/s，是控制鋼材軋后的組織和性能強有力的手段。

2.3 TMCP強化機(jī)制及組織調(diào)控方法

鋼材熱處理中會存在相變情況，相變又會對材料性能帶來影響，所以在熱處理研究及技術(shù)開發(fā)中，應(yīng)對相變加以重視，根據(jù)連續(xù)冷卻相變曲線數(shù)據(jù)，找出合理的管控模式，規(guī)劃冷卻路徑，以改進(jìn)生產(chǎn)質(zhì)量。超快速冷卻裝置的應(yīng)用為相變處理提供了可靠保障。

其作用及功能為：①將超快速冷卻應(yīng)用到奧氏體區(qū)內(nèi)，可避免奧氏體區(qū)再結(jié)晶情況的出現(xiàn)，減少晶粒粗化帶來的影響，提高晶體細(xì)度，優(yōu)化材料性能；②超快速冷卻可對碳、氮化合物的析出展開科學(xué)管控，確保在低溫狀態(tài)下，鐵元素相變或體區(qū)中析出離子的數(shù)量和質(zhì)量，改善析出強化效果；③超快速冷卻可對高溫作用下存在的相變予以控制，從而降低相變中成本的支出，提高中低溫環(huán)境下的相變效率，達(dá)到強化管理目標(biāo)?？傊?，通過強化機(jī)制及科學(xué)調(diào)控措施的應(yīng)用，可對鋼材熱處理相變進(jìn)行有效的管控，提升最終產(chǎn)品的各項性能。

3 高端鋁合金熱處理技術(shù)與裝備研究

當(dāng)前，我國有色金屬工業(yè)發(fā)展迅速，同時有色金屬應(yīng)用技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，鋁合金板帶具有十分顯著的性能優(yōu)勢，同時也在航空航天、汽車等多個行業(yè)發(fā)揮了重要的作用。汽車、航空覆蓋件用鋁合金材料是鋁合金板帶當(dāng)中最具優(yōu)勢且最為典型的產(chǎn)品，其表面質(zhì)量較好，且穩(wěn)定性較強，成型效果理想，烘烤硬化性能優(yōu)越。此外，該材料具有良好的翻邊延展性和抗凹性，高水平的油漆工藝兼容性與油漆表面的光滑度也保證了材料的品質(zhì)。

若要實現(xiàn)以上目標(biāo)，生產(chǎn)中的工藝要求相對較高，生產(chǎn)的難度較大。氣墊式熱處理裝備和工藝技術(shù)以及無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化表面處理設(shè)備及工藝技術(shù)在國外處于壟斷地位，航空航天厚板的溫度敏感性較強，常規(guī)的熱處理技術(shù)無法保證加工的質(zhì)量、精度和均勻度。我國航天航空厚板軋制的水平較高，裝機(jī)水平在世界范圍內(nèi)也處于領(lǐng)先位置，但專用高精度和高均勻性輥底式熱處理爐、三級時效爐的裝備和工藝技術(shù)與國外相比依然存在著較大的差距。

現(xiàn)階段，RAL在高均勻熱風(fēng)循環(huán)控制、均勻化加熱和均勻化冷卻技術(shù)、鋁合金汽車板表面處理等領(lǐng)域的研究日漸深入，同時也研發(fā)了均勻化氣流循環(huán)裝置、強對流氣墊射流裝置以及系列以水、空氣為介質(zhì)的射流噴嘴裝置、酸堿洗鈍化裝置等。此外，研究人員研制出了我國自主設(shè)計的大型氣墊爐中試裝備，加大了對氣墊爐配套連續(xù)處理線控技術(shù)的研究力度，同時也研發(fā)了性能較為完善的大型汽車板氣墊式連續(xù)處理線控制系統(tǒng)，并在工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用。此外，中板熱處理和表面處理技術(shù)層面也進(jìn)行了更為深入的分析和研究，研發(fā)諸多新技術(shù)，同時取得了自主知識產(chǎn)權(quán)。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文介紹了中厚鋼板的熱處理技術(shù)及熱軋鋼材新一代控軋控冷在線熱處理技術(shù)，希望從業(yè)人員可對鋼材熱處理裝備、工藝技術(shù)有一定的了解和認(rèn)知，進(jìn)而為后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)提供保障。