改進LOI淬火機控冷工藝

尚建雄

(沙鋼集團股份有限公司，江蘇 張家港 215625)

2018年年初，沙鋼接到國家的一項重點項目用鋼訂單，該項目所用鋼板屈服強度要求≥400 MPa，屈強比≤0.85，正火狀態交貨。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過冷組織。

由于客戶對成分有明確限制，若要保證屈服強度，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。沙鋼現有的熱處理爐均未設計專門的后續控制冷卻裝置，淬火爐后面僅有一臺LOI公司設計建造的淬火機。針對這一裝備現狀，為了確保合約順利交貨，熱處理車間與相關部門一起，決定對淬火機的控制冷卻功能進行改造。

1 淬火機設備構造及特點

通常要達到控冷效果，U形管冷卻在國內是較為常見的方式，技術較為成熟。U形管冷卻的特點，水壓較淬火機小(通常在2～4 bar)，冷速適中不易出現過冷組織，冷卻均勻性好，板型控制難度小。而淬火機水壓大(通常在4～12 bar)，冷速快，控制冷卻難度大，實踐經驗較為欠缺。沙鋼LOI淬火機長度25 m，由高壓段+低壓段組成，設備構造示意圖見圖1。

淬火時由一臺高50 m，容積1200 m3的高位水箱實現10000 m3/h的不間斷淬火需要，淬火厚度范圍8～150 mm。淬火機距離淬火爐1 m緊跟在后面，相關設備參數見表1。

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

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

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

2 加熱工序

2.1 兩相區正火

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

即將加熱溫度控制在Ac1～Ac3之間，碳無法充分擴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，冷卻時控制適當的冷卻速度和終冷溫度，快冷后表面產生過冷組織的可能性降低。

工藝設計：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，使軋態組織和正火組織兩者共同決定的性能滿足標準要求。

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。為了使奧氏體轉變均勻、充分，加熱工藝通常為890±10 ℃，2 min/mm[2]。進而在冷卻時輔助合適的冷速和水量，進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，即將爐溫設定在Ac3+90 ℃甚至更高的溫度，鋼板進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，噴水孔呈規律布局。低壓段出口有6臺11 kW的軸流風機來吹掃鋼板表面殘留水，確保鋼板表面干燥。

低壓段冷卻的優勢：

1) 實現快冷溫度控制僅需要通過調整集管的開口度，控制方便；

2) 低壓段出口處設計有吹掃風機，上表面二次冷卻水對板型平整的干擾程度小；

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。

2)低壓段無流量計，無法實現精確控制。淬火機生產淬火板時，通過高壓段的高壓大水量使得鋼板表面迅速進入對流冷卻階段[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。快冷時只能根據經驗設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，流量則會發生一定的變化，由于無流量計和自動控制程序，無法實現流量的穩態控制，進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律固定設計。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，設計出水孔的位置與無出水孔的位置冷卻后造成鋼板出現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，高壓段壓力可達到7～12 bar，由4臺400 kW的加壓泵完成壓力的調節與控制。高壓段分三部分，分別為縫式噴嘴、雙聯噴嘴和快冷噴嘴。其中縫式噴嘴、雙聯噴嘴與水平方向呈25°～30°角度，目的是實現冷速最大化和滯留水及時流走。

高壓段冷卻的優勢：

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組集管每組均設有流量計，可以根據需要實現對每組集管流量的單獨控制，更加精確。同時縫隙式噴嘴和水箱式噴嘴可以實現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，鋼板表面出現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7 bar以上，水壓大冷速快，為了實現快冷溫度可控，就必須匹配較快的輥速。尤其是30 mm以內的薄板，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。上表水為了達到快冷板性能，通常快冷溫度控制在550 ℃以上。高壓段投用后由于冷速快，部分厚度規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]。根據經驗，通常厚度≤36 mm的快冷板，低壓段只需開4組以內的集管，即可實現對快冷溫度的控制。即使在高低壓段設定最小流量的情況下同時開啟，仍然無法命中快冷溫度，部分規格板型控制難度增加。

3)能耗大，成本高。快冷程序開啟后，高壓泵啟動、電動閥完成對設定流量的調節后，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，高壓段將設置相對較小的流量值，冷速減小是為了達到相應的強度級別，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。淬火機后未設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的設備。(據此，車間自行設計安裝了3臺高溫計，分別距離淬火機出料端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

經過相關討論，設計以下三種熱處理工藝進行生產實踐檢驗，相關工藝見表2。

表2 加熱與冷卻設計方案

4.1 兩相區正火+高壓+低壓

經過檢驗，鋼板表面未出現過冷組織。但頭中尾的強度差別較大，差值在60 MPa以上，部分區域不合格，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，晶粒度未能達到相應的水平，導致沖擊功不穩定，無法滿足生產要求。從上下表面1/4處的金相可以看出，軋態的帶狀組織隱約可見，組織均勻性較差，金相組織見圖2。

鑒于該方案強度和韌性均勻性問題，高溫短時加熱亦可能出現該問題，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

設計的水量與輥速工藝見表3。按此工藝生產，鋼板厚度1/4處性能良好，屈服強度420～450 MPa，抗拉強度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，出現貝氏體組織。上下表面5～10 mm處粒狀貝氏體含量達到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

設計的水量與輥速工藝見表4。按此工藝生產，鋼板厚度1/4處性能良好，屈服強度390～420 MPa，抗拉強度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到10%左右，金相組織見圖4。

表4 淬火機水冷工藝

(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，相應的水量和輥速需要隨機調整。

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際生產時工藝上需要考慮的問題之一。

淬火機批量生產控冷鋼板時，低壓段增設流量計以及淬火機后添置高溫計是設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。