爆炸復合鋼板新型淬火設備的研制

張家新，盧 嬌

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州310056）

爆炸復合是過去二十年發(fā)展起來的一門新技術， 它可使絕大多數(shù)金屬材料相互復合在一起形成具有兩種或多種金屬性能的復合材料， 從而大大擴展了現(xiàn)有金屬的性能及應用范圍， 并可節(jié)約稀貴金屬。爆炸復合材料已經(jīng)廣泛應用于石油、冶金、機械、航空航天、原子能等工業(yè)領域。爆炸復合鋼板的生產(chǎn)工藝流程為： 原材料準備→爆炸復合→焊接→熱處理→校平整形→檢驗包裝。 爆炸復合鋼板原材料至少由兩種材料復合而成：復板和基板。復板常規(guī)材料以鈦基合金、鎳基合金、哈氏合金、不銹鋼、雙向不銹鋼、銅、鋁等為主，規(guī)格按客戶的要求而定制；基板一般采用碳鋼材料。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，熱處理工藝至關重要，通過熱處理使復合鋼板滿足硬度、韌性、沖擊功、晶相組織結構等性能指標， 消除爆炸過程中產(chǎn)生的應力，從而提高鋼板的使用性能，延長使用壽命。

1 爆炸復合鋼板淬火熱處理工藝特點

鑒于爆炸復合鋼板一般為定制產(chǎn)品，所以爆炸復合鋼板的生產(chǎn)及其熱處理工藝具有其獨特的特點：

（1）產(chǎn)品規(guī)格多，尤其復板材質(zhì)、基板材質(zhì)厚度等千差萬別，熱處理工藝均需要根據(jù)產(chǎn)品特點定制。

（2）產(chǎn)品批量小、生產(chǎn)節(jié)拍變化大，無法采用連續(xù)生產(chǎn)線大規(guī)模批量生產(chǎn)。

（3）爆炸復合過程中，鋼板翹曲變形嚴重，自動化輥淬設備無法使用。

2 爆炸復合鋼板淬火熱處理現(xiàn)狀

四川驚雷科技有限公司為我國生產(chǎn)爆炸復合鋼板的龍頭企業(yè)，其生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設備具有較強的代表性。 我們通過調(diào)研該公司發(fā)現(xiàn)，淬火熱處理設備是生產(chǎn)工藝過程中的最大瓶頸。 目前的薄板淬火工藝為：臺車爐加熱→出爐→工件在臺車上直接噴水→冷卻后在進爐退火、回火；厚板的淬火工藝為：臺車爐加熱→出爐→采用行車將工件吊裝轉(zhuǎn)運到淬火水池進行淬火→冷卻后在進爐退火、回火。 顯然，薄件淬火時將加熱至910 ℃的鋼板拉出來直接往臺車上噴水，由于臺車砌體蓄積了大量的熱，淬火效果非常不理想；其次，臺車砌體材料采用耐火磚或者低水泥澆注料，高溫狀態(tài)下直接往臺車上噴水，會導致臺車砌體損壞嚴重， 幾乎每淬火一次臺車都需要進行大修方可重新投入使用，大大縮短臺車使用壽命，降低生產(chǎn)效率。 對于厚件， 臺車拉出后再采用行車吊裝轉(zhuǎn)運， 高溫狀態(tài)下吊掛工作非常困難， 不僅勞動強度大，操作準確度難于把握，導致掛鉤時間過長，從工件出爐到入水的時間超過3 min，顯然工件表面降溫過大，淬火質(zhì)量非常不理想。 另外對于厚板，浸入式淬火的淬透性較差，只能達到40 mm，無法滿足厚板淬透性60 mm 的要求。

3 全新爆炸復合鋼板淬火熱處理設備的研制

3.1 研制思路和出發(fā)點

針對現(xiàn)有的淬火熱處理熱備存在的諸多問題，為提高產(chǎn)品性能和成品率，降低設備故障，提高設備利用效率， 我們研制出一種全新的自動化操作淬火熱處理設備，其思路和出發(fā)點為：根據(jù)鋼板的品種規(guī)格首先確定生產(chǎn)工藝，包括加熱曲線、淬火冷卻速度等。 工藝確定后， 鋼板在室式加熱爐內(nèi)完成均勻加熱， 然后采用專用機械手將鋼板快速轉(zhuǎn)運到淬火區(qū)域，根據(jù)不同工件冷卻速度的要求，采用噴淋或者浸入兩種不同方式完成淬火工藝。

采用全新淬火熱處理設備的優(yōu)點是： 轉(zhuǎn)運速度快，轉(zhuǎn)運過程中工件溫降小，可嚴格精確淬火工藝；淬火工藝采用定制，匹配特點產(chǎn)品性能；噴淋淬火過程噴淋水壓可調(diào)，冷卻速度可控，便于控制鋼板表面硬度和韌性；采用專用機械手轉(zhuǎn)移工件，耐材、附件均不沾水，確保其使用壽命，提高設備生產(chǎn)效率。

針對不同厚度的工件，執(zhí)行不同的淬火工藝。對于薄件的工藝流程為： 加熱爐完成加熱→用機械手將鋼板快速取出→放到升降平臺→工件快速入水完成淬火。對于厚件的工藝流程為：加熱爐完成加熱→用機械手將鋼板快速取出→噴淋裝置工作位置待命→完成噴淋淬火。

3.2 設備組成和功能

全新的熱處理設備包括的主要設備和功能見表1。

表1 設備組成及功能

3.3 主要技術參數(shù)

基于以上設計思路和設備構成， 結合四川驚雷科技股份有限公司的產(chǎn)能數(shù)據(jù)， 設備的主要技術參數(shù)見表2。

表2 主要技術參數(shù)

3.4 淬火熱處理加熱工藝曲線

淬水熱處理加熱工藝曲線如圖1 所示。

圖1 典型淬火曲線圖

3.5 設備技術難點及解決措施

3.5.1 淬火加熱爐燃燒系統(tǒng)

淬火加熱爐寬度方向達到14.5 m， 鋼板橫著進入爐膛。 爐門開啟后裝出鋼機完成鋼板的裝料和取料。這種爐型結構燃燒系統(tǒng)布置困難，按照長度方向兩側(cè)布置燒嘴，可布置的數(shù)量太少，升溫速度無法達到要求。若僅在爐后布置燒嘴，則會因單面燃燒導致溫度均勻性無法滿足。針對該問題，我們加高了爐底部分高度，采用前后兩側(cè)交錯布置燒嘴的方式，操作通道采用下沉式通道。 不僅解決了供熱能力和溫度均勻性問題，在空間布局上還節(jié)省占地，使整套設備布局緊湊。

3.5.2 裝出鋼機懸臂5 m、鋼板單重30 t

懸臂過長、 單重過大不僅考驗叉臂的強度，還對裝置的整體穩(wěn)定性提出了重大考驗。 如何保證設備安全使用的前提下，控制設備投資成本，也是我們面臨的難題。 為此，我們沒有單純加大加厚材料，而是設計了防傾覆滑槽裝置。 大車運行在運行軌道梁上設有防傾覆導向輪，在升降裝置上也設有防傾覆滑槽。

3.5.3 如何實現(xiàn)噴淋和浸入式淬火兩種功能， 避免兩種裝置的相互干涉

浸入式淬火裝置自帶液壓升降平臺， 噴淋淬火裝置采用電動自行走機構。使用浸入式淬火裝置時，噴淋淬火裝置后退到位，液壓升降平臺可自由升降；使用噴淋淬火裝置時， 液壓升降平臺下降到水平面以下，噴淋裝置可移動到淬火工位完成噴淋淬火。設備總體布局見圖2。

3.5.4 噴淋時間計算

（1）鋼板噴淋淬火過程中的綜合換熱系數(shù)

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)， 對于薄板綜合換熱系數(shù)取平均值h=10 000 W/（m2·℃）， 對于厚板由于鋼板中心存在向表面的傳熱過程， 綜合換熱系數(shù)會受到一定影響，綜合換熱系數(shù)平均值取h=8 000 W/（m2·℃）。

模擬計算方式：由于在噴淋淬火過程中，鋼板的溫度不斷在降低，與介質(zhì)（水）之間的溫差也不斷在縮小，冷卻速度是一個非線性變化的過程。為了便于計算，得到相對準確的數(shù)據(jù)，我們采用無限接近法去計算，也就是說將鋼板的降溫過程分解為1 050～950℃、950～850 ℃、850～750 ℃、750～650 ℃、650～550℃、550～450 ℃、450～350 ℃、350～250 ℃、250～150 ℃這9 個降溫階段，計算出每個階段需要的時間。

（2）計算數(shù)據(jù)

尺寸：12.5 m×4 m，厚度10 mm

鋼板總量：～3 950 kg

鋼板表面積：100 m2

綜合換熱系數(shù)：10 000 W/（m2·℃）

計算得到1 050～950 ℃所需要的冷卻時間：t1050～950=1.03 s，t950～850=1.15 s，t850～750=1.3 s，t750～650=1.5 s，t650～550=1.8 s，t550～450=2.2 s，t450～350=2.8 s，t350～250=3.9 s，t250～150=6.2 s，t1050～150=20.38 s。考慮到噴淋過程中的介質(zhì)溫升及其它因素，該時間需要再給個系數(shù)，預計淬火過程在30 s 可以完成。 同理，20 mm 的鋼板淬火大約60 s，30 mm 的 鋼 板 約100 s，40 mm 的 鋼 板150 s，50 mm 鋼板淬火過程200 s 左右，150 mm 鋼板淬火過程600 s 左右。

對于最重工件噴淋水量的核算：

最重的鋼板為30 t，在10 min 內(nèi)完成噴淋淬火過程，鋼板在淬火過程中釋放的熱量Q熱=m×c×ΔT=18 981 000 kJ。

淬火過程中的介質(zhì)溫升小于7 ℃， 需要的水量為650 m3，每小時的水量為650×6=3 900 m3，顯然采用4 000 m3/h 的噴淋量是能夠滿足要求的。

4 實測效果

為測試極限效果，設備測試采用厚度為169 mm的鋼板進行試生產(chǎn)。

材質(zhì)：SA516Gr.70

尺寸：11 200 mm×2 090 mm×169 mm

鋼板總量：～31 kg

鋼板加熱工件熱電偶實測溫度偏差：±5 ℃

鋼板噴淋淬火完成后數(shù)據(jù)報表見表3。

5 結語

新型淬火裝置的研發(fā)投用， 成功在同一臺設備上實現(xiàn)了浸入式和噴淋淬火兩種淬火方式。 由于采取室式加熱爐實現(xiàn)周期式加熱，工藝調(diào)整靈活，溫度均勻性達到±5 ℃。 本裝置可以兼顧厚度10～170 mm范圍鋼板的淬火、回火熱處理，針對規(guī)格多、批量小、工藝復雜、 技術指標要求高的爆炸復合鋼板淬火熱處理，尤為適用。

表3 淬火后機械性能