1100MPa級超高強(qiáng)鋼均勻化冷卻技術(shù)研究及應(yīng)用

陳敏俠，易春洪，華浩，徐青藍(lán)

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

輥式淬火機(jī)是鋼板大型現(xiàn)代化熱處理線的核心工藝設(shè)備，具有冷卻強(qiáng)度大、淬火鋼板表面硬度均勻等優(yōu)點[1]。在淬火生產(chǎn)時，高溫鋼板先進(jìn)入輥式淬火機(jī)高壓冷卻段，通過高壓水流對其進(jìn)行大于臨界冷卻速度的超快速冷卻，鋼板溫度迅速降至500℃以下，發(fā)生馬氏體相變。隨后進(jìn)入低壓段，通過低壓水流對鋼板進(jìn)行繼續(xù)冷卻，將溫度降至50℃以下。淬火過程中水介質(zhì)噴射到鋼板上，形成一層氣膜，阻礙了新水直接接觸鋼材表面，影響鋼板的冷卻強(qiáng)度。噴射的冷卻水角度會影響膜態(tài)沸騰區(qū)域大小，噴嘴的布置影響鋼板的冷卻均勻性和穩(wěn)定性，最終體現(xiàn)出板形的平直度情況和鋼板的應(yīng)力及性能的均勻性[2]。

在鋼板淬火時，在熱脹冷縮和馬氏體相變組織膨脹的雙重作用下，很容易產(chǎn)生大的形變，厚度20 mm以下薄板尤其敏感。鋼材強(qiáng)度等級越高，淬火所產(chǎn)生的應(yīng)力越大，薄鋼板的應(yīng)力不均勻性也越發(fā)明顯，板形控制難度比較大，容易產(chǎn)生翹曲、龜背、邊浪、中浪和局部位置板形惡化等缺陷。圖1a所示為鋼板頭尾過冷導(dǎo)致的翹曲、圖1b所示為鋼板上下表面冷卻不均勻?qū)е碌凝敱场D1c所示為鋼板寬度方向冷卻不均勻?qū)е碌睦诵?、圖1d所示為鋼板上表面局部過冷導(dǎo)致的局部惡化現(xiàn)象。這些缺陷是鋼鐵行業(yè)公認(rèn)的難題，也是目前國內(nèi)超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼發(fā)展受到約束的主要原因。

圖1 淬火板形不良情況

2 超高強(qiáng)均勻化冷卻設(shè)備

本文對6～20mm厚、1100MPa級超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼（簡稱Q1100E）鋼板板形進(jìn)行攻關(guān)，采用東北大學(xué)研發(fā)的整體超寬射流噴嘴式淬火機(jī)（見圖2），這是目前國內(nèi)寬度最大、厚度范圍涵蓋最廣、單體尺寸最大的輥式淬火設(shè)備，產(chǎn)品厚度為5～200mm，具備多種正火、淬火、控制冷卻等功能；淬火板形、性能均勻性及冷卻強(qiáng)度等指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，配備有多重阻尼和自水冷的整體超寬狹縫I型噴嘴（簡稱狹縫噴嘴或縫隙噴嘴）、整體傾斜高密I型噴嘴（簡稱高密I型噴嘴）、多角度弧面高密II型噴嘴（簡稱高密II型噴嘴）等3種噴嘴[3-6]（見圖3）。其中，狹縫噴嘴縫隙為整體式噴嘴，瞬時冷卻能力強(qiáng)，形成較大的厚向溫度梯度，便于心部熱量向表面?zhèn)鬟f，消除淬火軟點，同時采用防變形設(shè)計，確保狹縫噴嘴長時間使用時縫隙不變形。高密I型、高密II型噴嘴持續(xù)冷卻能力強(qiáng)，能夠保持較大的厚向溫度梯度，同時持續(xù)快速降低鋼板心部溫度。另外，高密I型、高密II型噴嘴均采用分腔控制（雙套控制閥組）：當(dāng)鋼板寬度＜3500mm時，僅開啟中腔；當(dāng)鋼板寬度≥3500mm時，中腔、邊腔同時開啟，確保寬度4850mm以內(nèi)鋼板實現(xiàn)冷卻均勻性的同時兼顧節(jié)水、節(jié)能的個性化設(shè)計。高密I型、高密II型圓孔射流噴嘴采用弧面入射流圓孔小噴嘴，可有效提升射流出流速度，增加射流區(qū)面積及壁面流速，提高換熱效率；淬火機(jī)前、中、后吹掃噴嘴采用自激脈動射流噴嘴，在相同射流流量條件下，出流流速更大，射流能力更強(qiáng)，可有效清除鋼板表面殘水，實現(xiàn)冷卻分區(qū)。

圖2 整體超寬射流噴嘴式淬火機(jī)

圖3 射流噴嘴設(shè)計實物

3 均勻化冷卻原理及控制過程

3.1 均勻化冷卻原理

圖4所示為鋼板上下淬火表面流動結(jié)構(gòu)與換熱示意[1]。在鋼板淬火時，冷卻水受重力作用，鋼板上下表面換熱區(qū)分布不同，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)分布和局部溫降速率不同。因此，控制上下水量比，可改變局部換熱區(qū)冷卻強(qiáng)度，均衡因換熱區(qū)不同而產(chǎn)生的上下表面換熱不均，控制上下表面溫降和板形[7，8]。

圖4 鋼板上下淬火表面流動結(jié)構(gòu)與換熱示意

3.2 冷卻參數(shù)設(shè)定及板形控制

通過控制縫隙噴嘴開啟組數(shù)，縫隙、高密I型、高密II型的水量和水比，輥速、加速度和輥縫控制進(jìn)行試驗，研究不同參數(shù)的板形控制情況。對噴嘴開啟組數(shù)、水量和水比等參數(shù)進(jìn)行對比分析，采用如下參數(shù)可獲得良好的板形。

（1）7mm規(guī)格 縫隙開啟2組，水量580m3/h，水比1.23；高密I型開啟1～4組，水量150m3/h，水比1.35；高密II型開啟1～4組，水量140m3/h，水比1.5；輥速0.5m/s、加速度0.0025m/s2，輥縫為6.1～6.2mm。淬火板形如圖5所示。

圖5 7mm規(guī)格鋼板淬火后不平度

（2）9mm規(guī)格 縫隙開啟2組，水量580m3/h，水比1.2；高密I型開啟1～4組，水量150m3/h，水比1.3；高密II型開啟1～4組，水量140m3/h，水比1.5；輥速0.45m/s、加速度0.0025m/s2，輥縫為8mm。淬火板形如圖6所示。

圖6 9mm規(guī)格鋼板淬火后不平度

（3）10mm規(guī)格 縫隙開啟2組，水量580m3/h，水比1.35；高密I開啟1～4組，水量150m3/h，水比1.35；高密II開啟1～4組，水量140m3/h，水比1.5；輥速0.45m/s、加速度0.0025m/s2，輥縫采用9mm。淬火板形如圖7所示。

圖7 10mm規(guī)格鋼板淬火后不平度

根據(jù)優(yōu)選出的淬火參數(shù)生產(chǎn)，7～10mm鋼板淬火后，不平度可達(dá)到4mm/2m以下高標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 殘余應(yīng)力測定

為驗證鋼板淬火后應(yīng)力分布情況，采用烏克蘭SSE的磁滯無損評估技術(shù)，對長8000mm、寬2400mm、厚9mm的淬火態(tài)Q1100（每隔400mm×200mm測量一點）進(jìn)行矯頑力測定，殘余內(nèi)應(yīng)力分布如圖8所示。從圖8可看出，整體殘余應(yīng)力為18.3～26.2MPa，板寬方向應(yīng)力相對更加均勻，有利于保證吊臂折彎精度。軋制方向殘余應(yīng)力分布不均，板邊和板中位置應(yīng)力分布更加集中，可能與軋制板形和淬火冷卻分布有關(guān)。

圖8 Q1100E殘余內(nèi)應(yīng)力分布

4 超寬Q1100E淬火板形控制

4.1 開發(fā)背景

隨著工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代化大型石油、化工、冶煉、電站以及高層建筑等起重與安裝作業(yè)逐年增多，特別是大噸位的輪式起重機(jī)的需求量與日俱增，屈服強(qiáng)度＞1100MPa超高強(qiáng)鋼在工程機(jī)械關(guān)鍵部件（如起重機(jī)吊臂等）上得到廣泛應(yīng)用，徐工重型機(jī)械有限公司訂貨的10～16mm厚、3400～4100mm超寬Q1100E鋼板就是用于制造國內(nèi)最大的輪式起重機(jī)，也使湘鋼成為國內(nèi)首家具有4000mm以上Q1100E供貨能力的廠家。

4.2 不平度控制

徐工重型機(jī)械有限公司采購的這批吊臂鋼板對于板形要求極高，不平度需滿足≤3mm/m及≤5mm/2m要求。同時該批鋼板訂貨寬度達(dá)3400～4100mm，遠(yuǎn)寬于以往生產(chǎn)過的1100MPa級鋼板，因缺乏相應(yīng)的生產(chǎn)經(jīng)驗，故淬火板型控制難度極大。為滿足徐工重型超寬Q1100E鋼板不平度需求，淬火階段通過調(diào)整輥縫、狹縫水量、水比及輥速等參數(shù)，實現(xiàn)超寬、超高強(qiáng)度級別不平度控制在3mm/2m以內(nèi)的歷史較高水平。超寬Q1100E淬火板形如圖9所示。

圖9 超寬Q1100E淬火板形

4.3 加工使用情況

車底爐試驗回火13mm厚、4000mm寬和14mm厚、4100mm寬鋼板各一塊，運(yùn)輸?shù)叫旃ぶ匦蜋C(jī)械有限公司后，先進(jìn)行等離子弧切割及開坡口，再翻板、折彎，根據(jù)折彎情況校正后再進(jìn)行焊接。其中，長14200mm、寬4000mm、厚13mm規(guī)格用于加工下蓋板，對應(yīng)上蓋板為厚14mm和16mm的兩個規(guī)格組合，折彎過程正常，交付鋼板滿足加工和使用要求。

5 結(jié)束語

本文利用東北大學(xué)自主研發(fā)的整體超寬射流噴嘴式淬火機(jī)，對6～20mm超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼Q1100E進(jìn)行淬火冷卻均勻性攻關(guān)。通過調(diào)整縫隙噴嘴開啟組數(shù)，縫隙、高密I型、高密II型的水量和水比，以及輥速、加速度和輥縫等參數(shù)，通過淬火板形不平度實測數(shù)據(jù)對比，得出最優(yōu)的適用于1100MPa級超高強(qiáng)工程機(jī)械用鋼淬火板形控制工藝參數(shù)；通過鋼板殘余應(yīng)力測試及加工效果反饋，板寬方向應(yīng)力均勻，有利于起重機(jī)吊臂折彎加工。

超高強(qiáng)鋼均勻化冷卻技術(shù)，有效攻克了板形均勻性難題，為國內(nèi)大噸位工程起重機(jī)吊臂、混凝土泵車等工程機(jī)械設(shè)備的制造，提供了堅實的材料基礎(chǔ)，推動了國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，具有深遠(yuǎn)的實用意義和推廣價值。