金屬材料先進熱處理工藝及設備的若干思考

高 晶

（精奇（天津）科技股份有限公司，天津 300380）

1 鋼板熱處理設備

1.1 特厚鋼板輥式淬火以及高精度低溫回火爐

1.1.1 特厚鋼板輥式淬火裝備

特厚鋼板的厚度在120mm～250mm以內，為加強該厚度鋼板淬火的均勻性，特此研究特厚鋼板輥式淬火機。該設備由噴水、供水、輸送輥道、框架提升、電控、工藝模型等子系統結構組成，能夠優化設備的瞬間冷卻及持續冷區功能，改進特厚鋼板的生產質量。

該裝備特征有：①高壓噴嘴設計。該設計是順時和冷卻能力提升的關鍵。在限元模擬和測試分析的引導下，高壓噴嘴設計采用超寬狹縫式噴嘴、多排整體傾斜式高密噴嘴和多角度傾斜射流噴嘴，形成合理的溫度梯度，便于鋼板內部溫度向外部的擴散；②有形化配置。高壓內射噴嘴可增強間歇冷卻能力，加快鋼板換熱效率；③流量分區、水土度及殘水控制。該項技術可提高鋼板表面冷卻均勻程度，提升生產效率；④獨立框架設計。在高壓和重要淬火區內開展獨立框架設計，可獨立調節各區域，達到靈活生產要求。

1.1.2 高精度低溫回火爐

目前我國使用的極薄鋼板對硬度、強度及板形要求較高，生產作業中需要借助回火處理來提升鋼板性能（中厚板是前段的闡述內容，該兩段為并列關系，此處指極薄鋼板的質量要求）。不過我國現有的回火爐在使用中，其溫度精度只能控制在±15℃左右，與規范要求的±5℃嚴重不符，所以需要開展高精度低溫回火爐設備的研發。在該設備研發中，要利用高速熱風循環加熱方式，通過強制對流處理來達到加熱目的，再結合特殊的路型結構滿足熱回收處理要求。

該方式下研發的高精度低溫回火爐優勢有：利用強制熱風對流完成加熱，降低低溫過程的換熱效率，增強熱能供應的均勻性；加熱溫度范圍100～600℃,100～300℃加熱均勻性好,升溫速度快；爐溫控制精度±2℃之內,爐溫均勻性±3℃之內；加熱器可采用燃氣燒嘴或電加熱器,加熱后鋼板表面質量好；對高溫循環風機的數量有一定要求；生產出的鋼材質量高、成本低廉，且不會存在過多損耗。

1.2 高等級中厚鋼板熱處理工藝技術開發

1.2.1 極薄鋼板高平直度淬火技術

極薄鋼板厚度約在4～10mm左右，長度控制在18m以內。在淬火作業中，經常會因為敏感性高、組織一致性要求較高、回彈變形能力強等導致淬火中出現問題，影響最終的生產質量。為此，在極薄鋼板淬火中，為保證生產質量和安全，可采用流量分區控制技術、冷速高精度調控技術、對稱冷卻技術、殘余應力控制技術、全流域殘水控制技術,來加強生產流程的穩定性，解決淬火中存在的各種問題，如叩頭叩尾、橫/縱向瓢曲、中浪、邊浪等板形問題。4mm鋼板淬火后不平度小于6mm/m，力學性能、加工性能及板形均優于進口鋼板。

1.2.2 特厚鋼板高均勻性淬火技術

鑒于特厚鋼板寬度及厚度要求，在淬火中，提高其質量就成為相關企業研究的重點，對特厚鋼板高均勻性淬火技術實行如下創新和優化：①建立多維、多變量、多場耦合條件下的應力計算模型，實時掌控溫度及組織應力，為特厚鋼板快速冷卻提供理論指導；②對工藝規程實施科學規劃，在淬火作業后，改善鋼板平直度及均勻性；③對高壓高強度快冷技術實行進一步研究，科學調整冷卻路徑及冷速范圍，增強淬火均勻性；④在寬厚板輥式淬火裝備的基礎上，開發研究寬厚規格鋼板熱處理工藝及產品，以期制作出高性能的鋼板材料，滿足企業及不同用戶需求。

1.3 高等級中厚鋼板熱處理產品研發

目前調制鋼板的最高水平以高強度結構用鋼Q1300和耐磨鋼NM600這兩種規格為主，其具有強度高、韌塑性強及平直度好等特征，不過生產作業難度較大，應用范圍受限。這兩種鋼材料目前應用于超大型工程機械、礦山機械及水泥化工等裝備的制造,如大型起重機、盾構機及水泥球磨機等。

在高等級中厚鋼板熱處理產品研發中，為使產品滿足市場需求，應從以下幾方面重點考量：①對材料成分及一體化組織性能控制技術予以研究和掌握；②鑄坯技術研究。這里的鑄坯技術涵蓋了低夾雜物控制技術、防開裂控制技術、防氧化控制技術等多項內容，要求研究人員做好細節處理，注重產品生產質量；③板形控制技術。在特薄鋼板軋制和熱處理過程中，需要對板形開展科學管控，提高鋼板平直度；④焊接技術。焊接技術是超高強度鋼板處理中不可缺少的環節。只有保證這些內容研究的合理性，才能達到產品研發目標。在對上述內容研究和應用中，也形成了一整套熱軋-冷卻-熱處理一體化組織性能控制技術，并為我國裝備制造業的大型化、輕量化和高效化做出貢獻。

2 熱軋鋼材新一代控軋控冷在線熱處理技術

2.1 TMCP在線熱處理技術

TMCP在線熱處理技術對熱軋鋼鐵材料的超快速冷卻進行了進一步研究，以期能夠優化材料強化機制，改善傳統工藝技術、全生命周期評價體系，進而對鋼材冷卻實行全方位管控，且在此技術水平上，利用固溶、細晶、析出及相變等強化手段，實現在保持或提高材料塑韌性和使用性能的前提下，80%以上的熱軋鋼鐵材料（含熱帶、中厚板、棒線材、H型鋼、鋼管）產品強度指標提高100～200MPa以上，或鋼材主要合金元素用量節省30%以上，節約鋼材使用量5%～10%；提高生產效率35%以上；節能貢獻率10%～15%左右。

2.2 TMCP核心裝備技術

TMCP核心裝備的基礎條件亦即軋后超快速冷卻系統的構建，該系統運行中，借助高效射流沖擊作用將鋼板與冷卻水之間的汽膜破壞，以此來加快換熱和核態沸騰換熱，從而增強鋼板冷卻的均勻性。設備在實際應用中，對3～4mm厚的板帶材冷卻速度可達300～400℃，對20mm左右的中厚鋼板冷速可達50℃/s，是控制鋼材軋后的組織和性能強有力的手段。

2.3 TMCP強化機制及組織調控方法

鋼材熱處理中會存在相變情況，相變又會對材料性能帶來影響，所以在熱處理研究及技術開發中，應對相變加以重視，根據連續冷卻相變曲線數據，找出合理的管控模式，規劃冷卻路徑，以改進生產質量。超快速冷卻裝置的應用為相變處理提供了可靠保障。

其作用及功能為：①將超快速冷卻應用到奧氏體區內，可避免奧氏體區再結晶情況的出現，減少晶粒粗化帶來的影響，提高晶體細度，優化材料性能；②超快速冷卻可對碳、氮化合物的析出展開科學管控，確保在低溫狀態下，鐵元素相變或體區中析出離子的數量和質量，改善析出強化效果；③超快速冷卻可對高溫作用下存在的相變予以控制，從而降低相變中成本的支出，提高中低溫環境下的相變效率，達到強化管理目標。總之，通過強化機制及科學調控措施的應用，可對鋼材熱處理相變進行有效的管控，提升最終產品的各項性能。

3 高端鋁合金熱處理技術與裝備研究

當前，我國有色金屬工業發展迅速，同時有色金屬應用技術也在不斷創新，鋁合金板帶具有十分顯著的性能優勢，同時也在航空航天、汽車等多個行業發揮了重要的作用。汽車、航空覆蓋件用鋁合金材料是鋁合金板帶當中最具優勢且最為典型的產品，其表面質量較好，且穩定性較強，成型效果理想，烘烤硬化性能優越。此外，該材料具有良好的翻邊延展性和抗凹性，高水平的油漆工藝兼容性與油漆表面的光滑度也保證了材料的品質。

若要實現以上目標，生產中的工藝要求相對較高，生產的難度較大。氣墊式熱處理裝備和工藝技術以及無鉻化學轉化表面處理設備及工藝技術在國外處于壟斷地位，航空航天厚板的溫度敏感性較強，常規的熱處理技術無法保證加工的質量、精度和均勻度。我國航天航空厚板軋制的水平較高，裝機水平在世界范圍內也處于領先位置，但專用高精度和高均勻性輥底式熱處理爐、三級時效爐的裝備和工藝技術與國外相比依然存在著較大的差距。

現階段，RAL在高均勻熱風循環控制、均勻化加熱和均勻化冷卻技術、鋁合金汽車板表面處理等領域的研究日漸深入，同時也研發了均勻化氣流循環裝置、強對流氣墊射流裝置以及系列以水、空氣為介質的射流噴嘴裝置、酸堿洗鈍化裝置等。此外，研究人員研制出了我國自主設計的大型氣墊爐中試裝備，加大了對氣墊爐配套連續處理線控技術的研究力度，同時也研發了性能較為完善的大型汽車板氣墊式連續處理線控制系統，并在工業生產中得以廣泛應用。此外，中板熱處理和表面處理技術層面也進行了更為深入的分析和研究，研發諸多新技術，同時取得了自主知識產權。

4 結束語

綜上所述，本文介紹了中厚鋼板的熱處理技術及熱軋鋼材新一代控軋控冷在線熱處理技術，希望從業人員可對鋼材熱處理裝備、工藝技術有一定的了解和認知，進而為后續產品研發及生產提供保障。