尚建雄

(沙鋼集團(tuán)股份有限公司，江蘇 張家港 215625)

2018年年初，沙鋼接到國家的一項重點(diǎn)項目用鋼訂單，該項目所用鋼板屈服強(qiáng)度要求≥400 MPa，屈強(qiáng)比≤0.85，正火狀態(tài)交貨。同時要求≤0.14 C，≤0.42 Ceq，以保證焊接性能良好。為了確保鋼板性能均一不影響加工，客戶還要求正火后表面不允許出現(xiàn)過冷組織。

由于客戶對成分有明確限制，若要保證屈服強(qiáng)度，正火后必須輔助水冷，但水冷則無法避免表面過冷，過冷組織也在所難免。沙鋼現(xiàn)有的熱處理爐均未設(shè)計專門的后續(xù)控制冷卻裝置，淬火爐后面僅有一臺LOI公司設(shè)計建造的淬火機(jī)。針對這一裝備現(xiàn)狀，為了確保合約順利交貨，熱處理車間與相關(guān)部門一起，決定對淬火機(jī)的控制冷卻功能進(jìn)行改造。

1 淬火機(jī)設(shè)備構(gòu)造及特點(diǎn)

通常要達(dá)到控冷效果，U形管冷卻在國內(nèi)是較為常見的方式，技術(shù)較為成熟。U形管冷卻的特點(diǎn)，水壓較淬火機(jī)小(通常在2～4 bar)，冷速適中不易出現(xiàn)過冷組織，冷卻均勻性好，板型控制難度小。而淬火機(jī)水壓大(通常在4～12 bar)，冷速快，控制冷卻難度大，實(shí)踐經(jīng)驗較為欠缺。沙鋼LOI淬火機(jī)長度25 m，由高壓段+低壓段組成，設(shè)備構(gòu)造示意圖見圖1。

淬火時由一臺高50 m，容積1200 m3的高位水箱實(shí)現(xiàn)10000 m3/h的不間斷淬火需要，淬火厚度范圍8～150 mm。淬火機(jī)距離淬火爐1 m緊跟在后面，相關(guān)設(shè)備參數(shù)見表1。

圖1 輥壓式淬火機(jī)示意圖Fig.1 Schemtic of rolling type quenching machine

參數(shù)壓力/bar最大瞬時流量/m3·h-1輥速/m·min-1集管數(shù)/組高壓段7～12～5000低壓段4～5～50001～907×23×2

為了達(dá)到客戶要求的性能目標(biāo)，車間分別安排對加熱工藝和快冷工藝進(jìn)行分析與摸索。

2 加熱工序

2.1 兩相區(qū)正火

兩相區(qū)正火，目的是保留部分軋態(tài)組織，使得部分軋制應(yīng)力未完全釋放。軋制產(chǎn)生的位錯未能完全消除，晶粒未來得及等軸化，對屈強(qiáng)比控制有所幫助[1]。

即將加熱溫度控制在Ac1～Ac3之間，碳無法充分?jǐn)U散以致奧氏體未能充分均勻化，原始的鐵素體、滲碳體被部分保留了下來。另外由于出鋼溫度低，冷卻時控制適當(dāng)?shù)睦鋮s速度和終冷溫度，快冷后表面產(chǎn)生過冷組織的可能性降低。

工藝設(shè)計：加熱溫度850 ℃和一定的保溫時間，確保組織不完全奧氏體化。并控制冷卻溫度在較高的溫度范圍，使軋態(tài)組織和正火組織兩者共同決定的性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 完全正火工藝

完全正火，即將加熱溫度控制在Ac3+50 ℃，加熱和保溫時間充分。為了使奧氏體轉(zhuǎn)變均勻、充分，加熱工藝通常為890±10 ℃，2 min/mm[2]。進(jìn)而在冷卻時輔助合適的冷速和水量，進(jìn)而得到期望的組織和性能。

2.3 高溫短時加熱工藝

高溫短時加熱，即將爐溫設(shè)定在Ac3+90 ℃甚至更高的溫度，鋼板進(jìn)爐后迅速將其拉至保溫段，尤其是尾部。確保鋼板頭尾加熱速度一致，出鋼時的溫度達(dá)到Ac3溫度以上，盡可能減少保溫時間。通常高溫短時加熱工藝的溫度為930±10 ℃，保溫時間1.2～1.3 min/mm，出鋼時鋼板的實(shí)際溫度控制在870 ℃左右，然后水冷。

3 冷卻工序

3.1 低壓段冷卻

淬火機(jī)低壓段共6組，上下各3組呈對稱分布，有102根開孔式噴水管，噴水孔呈規(guī)律布局。低壓段出口有6臺11 kW的軸流風(fēng)機(jī)來吹掃鋼板表面殘留水，確保鋼板表面干燥。

低壓段冷卻的優(yōu)勢：

1) 實(shí)現(xiàn)快冷溫度控制僅需要通過調(diào)整集管的開口度，控制方便；

2) 低壓段出口處設(shè)計有吹掃風(fēng)機(jī)，上表面二次冷卻水對板型平整的干擾程度??；

3) 低壓段長度19 m，水壓適中(4～5 bar)，單個集管流量適中，通過搭配合適的輥速(通常輥速20～35 m/min)，可使鋼板冷卻均勻，與高壓段相比，快冷溫度和板型的可控性要好。

低壓段冷卻的劣勢：

1)入水溫度相對較低。鋼板自出爐到低壓段入水有6 m的距離，按照常用的30 m/min的輥速，鋼板從出爐到入水所用的時間在10 s，鋼板溫降明顯，入水溫度降低，性能受到影響，同時也造成能源的浪費(fèi)。

2)低壓段無流量計，無法實(shí)現(xiàn)精確控制。淬火機(jī)生產(chǎn)淬火板時，通過高壓段的高壓大水量使得鋼板表面迅速進(jìn)入對流冷卻階段[3]，低壓段的目的更重要的是帶走鋼板余熱，對每組集管的流量精度要求并不高?？炖鋾r只能根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置集管的開口度來控制板型和快冷溫度，隨著高溫水箱液位的波動，流量則會發(fā)生一定的變化，由于無流量計和自動控制程序，無法實(shí)現(xiàn)流量的穩(wěn)態(tài)控制，進(jìn)而造成快冷溫度和板型的不受控制。

3)冷卻均勻性差，會出現(xiàn)明暗相間條紋帶。低壓段共6組集管上下對稱分布，每組集管有17根出水管，每根出水管的開孔均為有規(guī)律固定設(shè)計。快冷時框架下壓后，輥道緊挨著鋼板且低壓段102根出水管與鋼板近乎直接接觸，設(shè)計出水孔的位置與無出水孔的位置冷卻后造成鋼板出現(xiàn)明暗相間的條紋帶呈直線交替分布，快冷鋼板出水后通常會呈現(xiàn)出明暗相間的條紋帶，對性能的均勻性造成一定影響。

3.2 高壓段和低壓段同時冷卻

淬火時，高壓段壓力可達(dá)到7～12 bar，由4臺400 kW的加壓泵完成壓力的調(diào)節(jié)與控制。高壓段分三部分，分別為縫式噴嘴、雙聯(lián)噴嘴和快冷噴嘴。其中縫式噴嘴、雙聯(lián)噴嘴與水平方向呈25°～30°角度，目的是實(shí)現(xiàn)冷速最大化和滯留水及時流走。

高壓段冷卻的優(yōu)勢：

1)高壓段第一組縫式噴嘴距離出料爐門的距離是1.5 m，鋼板出爐即入水，溫降小，入水溫度高，確保了入水后的充分相變；

2)高壓段14組集管每組均設(shè)有流量計，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)對每組集管流量的單獨(dú)控制，更加精確。同時縫隙式噴嘴和水箱式噴嘴可以實(shí)現(xiàn)中間與邊部的分段控制，對薄板的板型控制更加有利，尤其是板厚在30 mm以下的薄板。

3)高壓段集管最小流量可以控制在100 m3/h以內(nèi)，鋼板表面出現(xiàn)過冷組織的問題可以得到有效的改善。波動范圍可控制在5 m3/h，變化可控且精度高。

高壓段冷卻的劣勢：

1)水壓大，輥速快，冷卻均勻性受影響。一臺高壓泵開啟后，高壓段壓力即可達(dá)7 bar以上，水壓大冷速快，為了實(shí)現(xiàn)快冷溫度可控，就必須匹配較快的輥速。尤其是30 mm以內(nèi)的薄板，輥速40 m/min以上，冷卻的均勻性會受到一定程度影響。

2)無封水裝置，薄板板型控制困難。上表水為了達(dá)到快冷板性能，通?？炖錅囟瓤刂圃?50 ℃以上。高壓段投用后由于冷速快，部分厚度規(guī)格為了保證終冷溫度，低壓段6組集管只需部分開啟。

而低壓段單個集管的末端均未設(shè)計氣封、水封等板型控制裝置，鋼板出水后，上表水無法馬上去除，二次冷卻水的紊流造成鋼板瓢曲[4]。根據(jù)經(jīng)驗，通常厚度≤36 mm的快冷板，低壓段只需開4組以內(nèi)的集管，即可實(shí)現(xiàn)對快冷溫度的控制。即使在高低壓段設(shè)定最小流量的情況下同時開啟，仍然無法命中快冷溫度，部分規(guī)格板型控制難度增加。

3)能耗大，成本高?？炖涑绦蜷_啟后，高壓泵啟動、電動閥完成對設(shè)定流量的調(diào)節(jié)后，整個的時長在2 min以上，加壓泵工作時功率大能耗大，成本增加。

4)輥速低，板型控制難度大。為了避免鋼板表面過冷，高壓段將設(shè)置相對較小的流量值，冷速減小是為了達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度級別，快冷溫度的控制也要較低，輥速減小則板型的控制難度隨之增大[5]。

5)測溫裝置需配備到位方可生產(chǎn)。淬火機(jī)后未設(shè)置高溫計等溫度采集裝置，不同厚度的鋼板返紅時間也不盡相同。對于快冷溫度的精確檢測需要配套相應(yīng)的設(shè)備。(據(jù)此，車間自行設(shè)計安裝了3臺高溫計，分別距離淬火機(jī)出料端10、20、30 m。針對厚板返紅時間長的問題，特別將鋼板停至高溫計處擺動直至采集到最高溫度為止。)

4 加熱與冷卻的匹配摸索

經(jīng)過相關(guān)討論，設(shè)計以下三種熱處理工藝進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐檢驗，相關(guān)工藝見表2。

表2 加熱與冷卻設(shè)計方案

4.1 兩相區(qū)正火+高壓+低壓

經(jīng)過檢驗，鋼板表面未出現(xiàn)過冷組織。但頭中尾的強(qiáng)度差別較大，差值在60 MPa以上，部分區(qū)域不合格，同時沖擊性能無法滿足均值120 J的要求。究其原因是組織均勻程度較差，晶粒度未能達(dá)到相應(yīng)的水平，導(dǎo)致沖擊功不穩(wěn)定，無法滿足生產(chǎn)要求。從上下表面1/4處的金相可以看出，軋態(tài)的帶狀組織隱約可見，組織均勻性較差，金相組織見圖2。

鑒于該方案強(qiáng)度和韌性均勻性問題，高溫短時加熱亦可能出現(xiàn)該問題，將方案二由高溫短時加熱修改為完全正火工藝，不再設(shè)計高溫短時的工藝試驗。

4.2 完全正火+高壓段大水量+高輥速

設(shè)計的水量與輥速工藝見表3。按此工藝生產(chǎn)，鋼板厚度1/4處性能良好，屈服強(qiáng)度420～450 MPa，抗拉強(qiáng)度550～570 MPa，沖擊均值在200 J以上。觀察組織，鋼板表面過冷組織明顯，出現(xiàn)貝氏體組織。上下表面5～10 mm處粒狀貝氏體含量達(dá)到80%以上，金相組織見圖3。

(a)上表面1/4處；(b) 下表面1/4處圖2 兩相區(qū)正火+高壓+低壓工藝 500×(a) 1/4 of upper surface; (b) 1/4 of under surfaceFig.2 Process of normalizing in two phase zone + high pressure + low pressure 500×

厚度/mm高壓段流量/m3·h-1低壓段流量/m3·h-1輥速/m·min-1快冷溫度/℃40～503500～40002000～300060～80620～650

(a)上表面5 mm；(b) 下表面5 mm圖3 完全正火+高壓段大水量+高輥速工藝 500×(a) 5 mm from upper surface; (b) 5 mm from under surfaceFig.3 Process of full normalizing + large water in high pressure section + high rolled speed 500×

4.3 完全正火+高壓段小水量+低輥速

設(shè)計的水量與輥速工藝見表4。按此工藝生產(chǎn)，鋼板厚度1/4處性能良好，屈服強(qiáng)度390～420 MPa，抗拉強(qiáng)度530～550 MPa，沖擊均值在200 J以上。

觀察組織，鋼板表面以鐵素體+珠光體為主，另有少量的貝氏體組織。上下表面5～10 mm處粒狀貝氏體含量達(dá)到10%左右，金相組織見圖4。

表4 淬火機(jī)水冷工藝

(a)上表面5 mm；(b) 下表面5 mm圖4 完全正火+高壓段小水量+低輥速工藝500×(a) 5 mm from upper surface; (b) 5 mm from under surfaceFig.4 Process of full normalizing + small water in high pressure section + lower rolled speed 500×

5 結(jié)論

除了以上主要因素影響外，快冷時的水溫也是需要考慮的因素[6]，本次生產(chǎn)主要集中在3～4月份，水溫控制在20～25 ℃之間。水溫較高或者較低時，相應(yīng)的水量和輥速需要隨機(jī)調(diào)整。

鋼板在加熱時，通常頭部比尾部先到溫，邊部比中間先到溫，上表面比下表面先到溫，鋼板的長短、寬窄對在爐時間均有不同的要求。試生產(chǎn)鋼板長度為8750 mm，寬度3300 mm，若板坯更長或更寬，避免整板溫差過大是實(shí)際生產(chǎn)時工藝上需要考慮的問題之一。

淬火機(jī)批量生產(chǎn)控冷鋼板時，低壓段增設(shè)流量計以及淬火機(jī)后添置高溫計是設(shè)備改造上需要做的一項工作。

通過以上試驗，采用完全正火+小水量(高低壓同時開啟)+低輥速是生產(chǎn)該項目用鋼較為匹配的工藝。最終采用該工藝，該項目1.6萬噸鋼板順利完成交貨。