黃美強(qiáng)

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)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(guò)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(huì)越來(lái)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(duì)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(duì)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(cè)量。經(jīng)過(guò)分析與現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程可分為空爐、盛裝鐵水或廢鋼、吹煉、出鋼水四個(gè)環(huán)節(jié)。其中每個(gè)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(jì)約50min。所以，對(duì)每個(gè)冶煉周期，板鉤的使用環(huán)節(jié)可簡(jiǎn)化為如圖1-1所示：

圖1 板鉤工況流程圖

鋼鐵廠煉鋼時(shí)基本是24小時(shí)長(zhǎng)時(shí)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(jì)算而采用的簡(jiǎn)化，實(shí)際情況還存在更多的變數(shù)。

3 板鉤的表面溫度測(cè)量

3.1 板鉤表面溫度測(cè)試方法

目前，用于測(cè)量扳鉤表面溫度的分布通常使用兩種測(cè)量?jī)x器，分別是采用無(wú)觸點(diǎn)激光定位紅外測(cè)溫儀和紅外熱成像儀。其中測(cè)溫儀可用于溫度超過(guò)1000℃的高溫測(cè)量，而紅外熱成像儀則只能在1000℃以下測(cè)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(duì)板鉤表面溫度分別來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

3.2 板鉤表面溫度測(cè)量過(guò)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(guò)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(chǎng)。

3.2.1 紅外線測(cè)溫儀測(cè)溫

實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)量時(shí)將紅外測(cè)量?jī)x盡量靠近板鉤，選擇較為平整的表面作為測(cè)量點(diǎn)，針對(duì)選定點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)3次測(cè)量并求平均溫值。測(cè)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(cè)溫

測(cè)量對(duì)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(cè)量時(shí)盡量保證熱成像儀探測(cè)頭靠近測(cè)量部件，并選擇350℃溫度檔，同時(shí)注意調(diào)焦使得整個(gè)畫面清晰。測(cè)量的結(jié)果如圖3所示，圖中H圖框中的溫度分布圖見(jiàn)圖4，圖中P直線剖面溫度分布見(jiàn)圖5。從圖中可以看出成白色區(qū)域因?yàn)闇囟容^高，已超出該儀器的測(cè)量量程因此無(wú)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(yàn)設(shè)計(jì)

為了了解試驗(yàn)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(yàn)。采用馬弗爐來(lái)進(jìn)行模擬高溫試驗(yàn)，試驗(yàn)的溫度選擇根據(jù)上面的熱分析來(lái)決定，選擇360℃和400℃兩個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，保溫時(shí)間分別為50h、75h和100h。拉伸試驗(yàn)分為兩種，一種是經(jīng)過(guò)保溫一定時(shí)間后在常溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，另一種是在保溫一定時(shí)間后在400℃高溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在每個(gè)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(guó)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(yàn)機(jī)，高溫力學(xué)性能采用高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)，硬度采用數(shù)顯洛式硬度計(jì)分別進(jìn)行試樣理化性能檢測(cè)與測(cè)量。

5 試樣的成分分析

檢測(cè)時(shí)按照直讀光譜儀制樣要求進(jìn)行制樣，一種樣品測(cè)量?jī)纱稳∑骄担瑴y(cè)量結(jié)果如表1所示。從表中的結(jié)果來(lái)看與Q235材料的性能一致，成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼構(gòu)件要求。

表1 試驗(yàn)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(yàn)

將拉伸試樣放入馬弗爐中經(jīng)360℃不同時(shí)間保溫后，在室溫下測(cè)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(gè)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(shí)間的變化關(guān)系?？梢?jiàn)360℃下不同保溫時(shí)間對(duì)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(shí)間360℃保溫試樣下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 不同時(shí)間360℃保溫下試樣的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

拉伸試樣放入馬弗爐中在400℃下保溫不同時(shí)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(gè)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(jiàn)400℃下保溫不同時(shí)間對(duì)試樣的強(qiáng)度影響不大。

圖8 不同時(shí)間400℃保溫下試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖9 不同時(shí)間400℃保溫下試樣的強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

6.1.2 硬度試驗(yàn)

采用型號(hào)為HRS-150的數(shù)顯洛式硬度計(jì)進(jìn)行試樣硬度測(cè)量，試驗(yàn)中選擇不同取樣點(diǎn)總共測(cè)量了五次。結(jié)果列于表2中，從5次測(cè)量的平均值來(lái)看，所有的溫度和時(shí)間對(duì)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(gè)溫度100小時(shí)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(gè)溫度下的組織未有明顯變化，這說(shuō)明在400℃下保溫100小時(shí)對(duì)Q235材料的組織結(jié)構(gòu)影響不大。

圖10 不同時(shí)間試驗(yàn)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(duì)經(jīng)過(guò)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(yàn)，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(tái)，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(jì)算約180MPa。由此可見(jiàn)，高溫下材料的力學(xué)性能變化較大，尤其是Q235材料在超過(guò)400℃時(shí)，性能惡化非常明顯。

圖11 不同時(shí)間試驗(yàn)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(duì)其組織的影響有限。

（2）試樣在高溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明溫度大于400℃時(shí)，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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