王建國，馬 輝，谷瑞杰，杜學(xué)斌，邵國棟

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710018；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018)

0 前言

對加熱后的鋼管進(jìn)行淬火，目的是為了獲得要求的硬度和力學(xué)性能，以強(qiáng)化基體或鋼管的表面性能，滿足鋼管的實際工作需要。淬火機(jī)組主要用于管加工廠熱處理生產(chǎn)線，淬火技術(shù)及裝備是影響鋼管鋼級的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

按淬火工藝分類，該項目研發(fā)之前，國內(nèi)外常見的鋼管淬火機(jī)組主要有“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+外淋”、“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+水槽浸入”和“環(huán)形淬火”三種機(jī)型。

“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+外淋”淬火機(jī)組應(yīng)用較為廣泛，它是在淬火前先將鋼管高速旋轉(zhuǎn)起來，再對鋼管同時進(jìn)行外壁淋水和內(nèi)壁噴水，該機(jī)組適用于中小直徑的中薄壁鋼管，淬火后鋼管直度好，質(zhì)量高。但對于大直徑、中厚壁的鋼管來說，由于該機(jī)型淬火時冷卻效果相對來說較差，很難淬透厚壁管，厚壁管淬火后硬度質(zhì)量達(dá)標(biāo)率偏低。

“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+水槽浸入”淬火機(jī)組的淬火工藝為：先將鋼管高速旋轉(zhuǎn)起來，緊接著對旋轉(zhuǎn)中的鋼管內(nèi)壁進(jìn)行噴水淬火的同時將其浸入裝滿冷卻循環(huán)水的水槽中對鋼管內(nèi)外壁同時淬火。由于是直接將鋼管浸入水槽進(jìn)行淬火，冷卻效果好，因此該機(jī)組適用于大直徑、中厚壁的對冷卻效果要求高的鋼管。但該機(jī)組生產(chǎn)節(jié)奏慢、設(shè)備復(fù)雜，投資費用高，維護(hù)費用也高。另外，在浸入水槽的瞬間鋼管全長方向有時候會因為冷卻不均勻?qū)е碌拇慊鸷髲澢?，影響鋼管直線度。

環(huán)形淬火機(jī)組只對鋼管外壁進(jìn)行淬火，它是將輸送輥道上前進(jìn)的加熱后鋼管以一定的速度通過多組噴水圓環(huán)，即完成鋼管淬火。該機(jī)組設(shè)備簡單，投資小，維護(hù)費用低，生產(chǎn)節(jié)奏快。環(huán)形淬火機(jī)組冷卻效果差，只適用于薄壁鋼管，設(shè)備適用性較差。

中國重型機(jī)械研究院股份公司是國內(nèi)較早開始研究鋼管淬火工藝和設(shè)備的企業(yè)，先后開發(fā)了多種機(jī)型、不同規(guī)格的鋼管淬火機(jī)組，在鋼管淬火工藝研究及設(shè)備研發(fā)方面經(jīng)驗豐富且成果頗豐。隨著鋼管企業(yè)對設(shè)備性能要求的提高以及技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展，中國重型機(jī)械研究院股份公司總結(jié)現(xiàn)有各種淬火機(jī)組的優(yōu)缺點及適用性，創(chuàng)新研發(fā)了具有更廣泛適用性的、綜合性能更優(yōu)的第四種鋼管淬火機(jī)組——半浸式淬火機(jī)組。

1 半浸式鋼管淬火機(jī)組技術(shù)研究

1.1 半浸式淬火機(jī)組簡介

半浸式鋼管淬火機(jī)組可以實現(xiàn)“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+外淋+半浸”的淬火工藝：鋼管在外淋內(nèi)噴淬火開始很短時間后同時進(jìn)行半浸淬火，半浸時鋼管底部有一半左右浸沒在水中。該淬火機(jī)組大大提高了厚壁管淬火時的冷卻效果。該機(jī)組可以很方便地調(diào)整成“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+外淋”淬火工藝，這樣即可以滿足大直徑、中厚壁的鋼管淬火要求，又可以適用于中小直徑的中薄壁鋼管淬火，是目前最先進(jìn)的鋼管淬火機(jī)型。

1.2 半浸式淬火機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

淬火鋼管管徑范圍50.8～508 mm

鋼管壁厚范圍4～60 mm

鋼管長度6～14.63 m

淬火后鋼管馬氏體含量≥95%

淬火后鋼管全長直線度≤0.2%L(L為管長)

鋼管淬火后管端直度≤2 mm/m

機(jī)械動作最大合計時間16 s

1.3 淬火工藝流程

加熱后的鋼管通過淬火爐出爐輥道被輸送到淬火待料位，惠斯頓機(jī)構(gòu)上料將鋼管放置在接料小斜臺上，然后鋼管滾落到處于待料位的翻料鉤上，淬火位的熱金屬檢測儀檢測到熱鋼管后翻料鉤落下，將鋼管輕放到旋轉(zhuǎn)裝置的慢速旋轉(zhuǎn)的支撐輪上，緊接著安裝在外淋機(jī)架上夾緊缸迅速動作使夾緊輥夾緊鋼管，然后旋轉(zhuǎn)裝置帶動鋼管快速旋轉(zhuǎn)。

外淋機(jī)架上的外淋擋水板打開，向鋼管外表面均勻噴水淬火；與此同時位于鋼管端部的噴嘴向鋼管內(nèi)部進(jìn)行噴水對鋼管內(nèi)壁進(jìn)行淬火處理，由于內(nèi)噴水及外淋水不斷的沖入水槽中，槽中的水位迅速上升，一直到設(shè)定的浸沒鋼管的下半部分的水位高度，這樣就達(dá)到對鋼管的“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+外淋+半浸”淬火的目的。

淬火后的鋼管通過翻料鉤輸出到出料臺架上，臺架中部設(shè)置有緩沖擋料裝置，在內(nèi)噴噴嘴一端安裝有空水裝置，PLC收到擋料裝置有料信號后，空水裝置上升鋼管傾斜，吹氣裝置吹干鋼管內(nèi)部的水，擋料裝置放料后鋼管滾到橫移鏈上，橫移鏈將鋼管輸送到下料臺架上，通過下料翻板將鋼管逐根輸送到回火爐輸入輥道上，接到回火爐入料信號后回火爐輸入輥道將鋼管送入回火爐，完成全部的淬火工藝，如圖1所示。

圖1 半浸式淬火機(jī)組

1.4 半浸式淬火機(jī)組主要設(shè)備和技術(shù)特點

1.4.1 機(jī)組主要組成

半浸式淬火機(jī)組是集機(jī)械設(shè)備、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、潤滑控制系統(tǒng)和氣動控制系統(tǒng)于一體的成套設(shè)備，其機(jī)械設(shè)備由淬火爐出爐輥道、升降擋板、上料裝置、固定擋水板、半浸裝置、外淋裝置、出料臺架、空水擋料裝置、空水裝置、吹氣裝置、橫移鏈床、下料臺架、下料翻板、回火爐入爐輥道、安全擋板、內(nèi)噴裝置、熱金屬檢測儀、高溫測溫儀、低溫測溫儀和檢測開關(guān)組成。

1.4.2 半浸式淬火機(jī)組技術(shù)特點

半浸式淬火機(jī)組的核心設(shè)備是半浸裝置，它主要由半浸水槽、旋轉(zhuǎn)裝置及翻料裝置組成。

(1)半浸水槽。半浸水槽由型鋼及鋼板焊接而成，用于收集內(nèi)噴、外淋淬火水用于半浸式淬火。水槽中安裝有旋轉(zhuǎn)裝置、翻料裝置、水位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和水槽排渣閥組。通過調(diào)節(jié)水槽側(cè)面的多組水位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)鋼管大小和工藝調(diào)整水槽的水位。在上料側(cè)水槽上設(shè)置有接料小斜臺，用于接收上料裝置送來的待淬火鋼管，鋼管從接料小斜臺滾落到旋轉(zhuǎn)裝置中心線。

(2)旋轉(zhuǎn)裝置。旋轉(zhuǎn)裝置主要由傳動軸、成對支撐輪、支架等組成。旋轉(zhuǎn)裝置取消了鏈條傳動，采用直接驅(qū)動的方式，配備了專用的一拖二的減速機(jī)，支撐輪的旋轉(zhuǎn)依靠直聯(lián)式電機(jī)、減速機(jī)同時驅(qū)動兩根傳動軸，每對平行的支撐輪開始旋轉(zhuǎn)，這樣放置在支撐輪上并被夾緊的鋼管也旋轉(zhuǎn)起來，這樣不僅排除了斷鏈的故障，而且鋼管旋轉(zhuǎn)更加可靠。因為鋼管的旋轉(zhuǎn)速度對其彎曲度有很大的影響，當(dāng)鋼管的旋轉(zhuǎn)速度超過某一值時，幾乎可以消除淬火彎曲，電機(jī)控制設(shè)置為變頻調(diào)速，以滿足不同直徑鋼管的旋轉(zhuǎn)速度要求。

(3)翻料裝置。翻料裝置有三個工作位：接料位、待料位和翻料位，其中，接料位用于緩沖從接料小斜臺滾落的高溫鋼管的沖擊力，避免其直接撞到旋轉(zhuǎn)裝置的支撐輪，減小了高溫鋼管淬火前的磕碰傷。翻料裝置從接料位下落到待料位時將高溫鋼管輕輕放到旋轉(zhuǎn)裝置的支撐輪上。翻料位用于將淬火完成的鋼管從旋轉(zhuǎn)裝置上拔出到出料臺架上。

2 生產(chǎn)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用項目介紹

半浸式鋼管淬火機(jī)組的研發(fā)成果已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)某無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)的熱處理生產(chǎn)線改造項目，圖2為該項目改造后的淬火機(jī)組生產(chǎn)現(xiàn)場。

圖2 半浸式淬火機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)場

該項目原設(shè)備采用“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+水槽浸入”淬火工藝，隨著設(shè)備老化，存在淬火后直線度和橢圓度合格率低、厚壁管淬透性較差等問題，對于市場上新需求的臂架管等特殊用管難以生產(chǎn)。

改造后的鋼管淬火機(jī)組采用“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)+半浸”的淬火工藝，設(shè)備采用了可實時調(diào)節(jié)水位的半浸槽、三排外淋管、直連式旋轉(zhuǎn)裝置、接料緩沖機(jī)構(gòu)、三工位鋼管壓緊裝置等最新研發(fā)成果，可以滿足外徑177.8～508 mm、壁厚7～60 mm的高性能厚壁管的熱處理生產(chǎn)需求。

2.2 應(yīng)用效果

2.2.1 淬透性

對φ292.1 mm×28.19 mm規(guī)格C110/27CrMo7鋼管水淬后取樣進(jìn)行了全截面金相和全壁厚淬火硬度分析，如圖3所示。從圖3可以看出，淬火后鋼管內(nèi)中外馬氏體組織都大于95%。表1為φ292.1 mm×28.19 mm，C110/27CrMo7S鋼管淬火后硬度，鋼管全壁厚淬火硬度滿足HRCmin=59×(%C)+29(API5CT最小淬火硬度要求)。

圖3 φ292.1 mm×28.19 mm，C110/27CrMo7S鋼管水淬后全截面金相組織

對φ292.1 mm×28.19 mm規(guī)格C110/27CrMo7鋼管水淬后取樣進(jìn)行了全截面金相和全壁厚淬火硬度分析。從圖3可以看出，淬火后鋼管內(nèi)中外馬氏體組織都大于95%。從表1可知，鋼管全壁厚淬火硬度滿足HRCmin=59×(%C)+29(API5CT最小淬火硬度要求)。

表1 φ292.1 mm×28.19 mm，C110/27CrMo7S鋼管淬火后硬度 HRG

2.2.2 直度和橢圓度

經(jīng)檢測，與原設(shè)備相比，淬火后鋼管的直線度合格率提高了20%；鋼管管端橢圓度也得到提高。以φ365.12 mm×13.88 mm為例，原管端橢圓度為3 mm左右，改進(jìn)后1.5 mm左右，車絲合格率提高12%，見表2。

表2 φ292.1 mm×28.19 mm，C110/27CrMo7S鋼管淬火后硬度

3 結(jié)束語

本文分析了該項目研發(fā)之前國內(nèi)外常見的三種鋼管淬火機(jī)組：“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+外淋”、“旋轉(zhuǎn)+內(nèi)噴+水槽浸入”和“環(huán)形淬火”的特點和適用性。在研究現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)特點基礎(chǔ)上創(chuàng)新研發(fā)了采用“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)+半浸”的淬火工藝的半浸式淬火機(jī)組，它可以在鋼管在外淋內(nèi)噴淬火開始很短時間后可以同時進(jìn)行半浸淬火，設(shè)備既適用于中小管徑的薄壁管淬火，又適用于大直徑的厚壁管淬火。

生產(chǎn)實踐表明，半浸式淬火機(jī)組生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)步明顯，取得了良好的效果，相關(guān)研發(fā)成果將對促進(jìn)我國鋼管熱處理技術(shù)進(jìn)步、提高鋼管熱處理質(zhì)量發(fā)揮重要作用。