薄規格鋼板淬火過程中的板形控制

孫祖才

薄規格鋼板淬火是生產高性能、高效率產品的關鍵，社會經濟發展和基礎設施建設所需的高韌性、高檔薄規格鋼板產品，如，高韌性船用板、高壓容器板、工程機械板、管道板等必須進行熱處理以保證性能。但整個強制冷卻過程很可能對厚鋼板造成顯著的內應力，使薄規格鋼板在淬火后產生彎曲和扭曲的問題，并會繼續影響以下原材料的動態應用性能，如斷裂性、薄規格高韌性、耐腐蝕性和疲勞性能等，嚴重影響其應用性能。許多研究表明，在滾子淬火機中，通過有效控制淬火機下水口的水流量、水比和滾輪速度，大多數厚度達12mm的鋼板都可以實現優異的性能并保持良好的淬火形狀。對于厚度不能超過12mm的薄規格鋼板，淬火后危及薄規格模型形狀的元素比較復雜，有些元素的反射比較敏感。

1 薄規格鋼板的發展背景

相對于一般抗壓強度鋼板，高韌性鋼板是指抗拉強度≥550Ma，即Q550、Q690、Q890、Q960等產品系列，其中Q890高強鋼板的抗拉強度提高了5次，而且經常使用大噸位重型起重設備的“關鍵”——重型臂架的前沿，以及煤礦機械設備的“關鍵”——液壓支架。薄規格高強鋼板的生產制造早已代表了當今高端裝備制造所使用的高端水平，而這種鋼板的生產和供應能力則代表了一個鋼板企業的技術實力。目前，無論是薄規格的高強板是進口的還是國產的，在鋼板的形狀方面都有一個普遍的現象，這是因為鋼板在整個熱處理過程中都會發生翹曲。翹曲變形的類型有邊緣波浪形、中弧形、中凹形、兩側扣、兩側上翹、右鍋形和倒鍋形等，翹曲變形會影響中后期鋼板的生產加工和應用。

為進一步開發設計高端鋼板，提高鋼板的特性和質量，厚板部5500生產線引進了德國LOI公司開發的熱處理法生產線，包括一條不氧化輥底熱處理設備和冷軋連續淬火機，淬火設備投資使用后，商品項目進度進一步提高。眾所周知，鋼板在整個淬火過程中的膨脹和收縮嚴重影響了鋼板的外觀，成為危及產品開發的重大問題。由于筒式淬火機的冷凍抗拉強度高，淬火生產工藝復雜，我國以前一直依賴進口，這種事實技術壟斷限制了我國對薄規格輥淬火技術的研究和分析和發展。2021年8月，薄規格鋼板項目部開展了12mm厚薄板鋼板淬火后板形操控的科學研究，積累了一些基本工作經驗。

2 薄規格鋼板的淬火方法

為更好地提供薄鋼板的淬火方法，解決了薄鋼板在淬火時脹縮變形的問題，使薄鋼板的淬火垂直度穩定可控，選擇薄規格鋼板的淬火方法。上述鋼板壁厚為4m～80m，上述淬火方法的生產過程包括：加熱階段、噴水冷卻階段，加熱階段使用的設備為淬火正火爐。淬火正火爐為連續輥底式，爐內通N2，淬火正火爐電加熱溫度為890℃～910℃，C成分為0.05%～0.09%時，加熱溫度為840℃～870℃，正火爐采用左右兩排輻射管加熱。淬火正火爐溫控波動強度小于5℃，噴水冷卻階段選用的機器設備為淬火機，淬火機左右兩側設有夾輥，淬火機的工作方式為連續軋制淬火。噴水冷卻階段分為冬季淬火和夏季淬火兩種方式，噴水冷卻階段選用的材料為循環系統冷卻水，循環系統冷卻水溫度小于35℃，淬火機是在鋼板上下兩層噴水，夾持滾輪的滾輪速度為30m/min～60m/min，噴水冷卻階段分為冬季和夏季兩種淬火方式，冬季淬火法夾緊輥的軋輥速度高于夏季淬火法，噴水冷卻階段包括高壓區和低壓區。

圖1 薄規格鋼板淬火過程示意圖

3 輥式淬火機冷卻機理

軋輥淬火機的調質冷卻系統軟件通常由兩個調質冷卻區組成，分別是高壓調質冷卻區和低壓調質冷卻區。根據不同的噴嘴、供電設備和不同的冷卻原料工作壓力，獲得多少冷卻抗拉強度。高壓淬火區冷卻水壓力為0.8MPa，先后有間隙噴嘴、高密度噴嘴和快冷噴嘴。低壓區冷卻水壓力為0.4MPa，由多個低壓噴嘴組成。在整個淬火過程中，淬火后的厚鋼板根據輥道淬火機對不同抗壓強度的高低壓淬火區進行持續冷卻，完善薄規格鋼板淬火過程的全過程。輥筒淬火機高低壓連續淬火的冷卻原理即：在淬火后的鋼板800℃～500℃溫度范圍內，鋼板在具有很高冷卻抗壓強度的高壓淬火區冷卻，薄板內部保持著較大的溫度場鋼板，有利于薄規格鋼板。淬火速度臨界點的高冷卻速度可以避免其他品種的結構轉變；在淬火原理溫度范圍內500℃以內，選擇冷卻抗壓強度較低的低壓進行淬火區緩慢冷卻，有利于降低薄規格淬火鋼板在奧氏體轉變過程中的熱應力，降低變形傾向鋼板在淬火工藝溫度條件下的工藝要求。

根據殘余奧氏體變化的基本理論分析發現，發生第一類回火脆性的該溫度與殘余奧氏體的溶解溫度完全一致，認為第一類回火脆性是由殘余奧氏體的變化引起的。以此思路，第一類回火脆性可借助Cr、Si等鋁合金型材元素，即Cr、i等提高殘余奧氏體的可靠性，所以只能是在更高的溫度發生作用。快速電加熱器回火削弱了第一類回火延展性，而在脆性斷裂溫度下短期內殘余脆性斷裂不明顯的原因，即在上述準則下不能立即改變殘余奧氏體。此后，殘余奧氏體相變的基本理論被滲碳體殼理論所取代，但根據近年來的分析工作，殘余奧氏體變化的基本理論仍然是第一類回火脆性的成因。主要因素之一。

根據碳化物殼的基本理論可以看出，當第一類回火延展性發生時，電鏡觀察到沿位錯的碳化物殼。因此，確定碳化物薄殼的形成是引起回火奧氏體脆化的主要因素之一。展示碳化物殼是如何產生的很重要。如前所述，近年來工作中已經證實，近年來已證實，沿板條馬氏體邊界的殘余奧氏體塑性膜在回火時會析出薄殼狀碳化物M和C，產生延展性，馬氏體沿位錯溶解生成。硬質合金外殼。

4 薄規格鋼板淬火過程中的板形控制試驗分析

薄鋼板在整個熱處理過程中的膨脹和收縮變形的直接原因取決于內應力。內應力有兩種關鍵類型，一種是冷卻不均勻引起的熱應力，另一種是熱處理過程的變化引起的熱應力。熱處理薄規格鋼板中兩種應力模式的主要表現形式與鋼材的成分、規格、切削性能、熱處理材料和冷卻方式等多種原因有關。通常情況下，薄規格鋼板的表面溫度總是與芯部的表面溫度不同，因此，內外溫差會引起膨脹和收縮不均勻，從而產生內應力。在熱處理冷卻條件下，表面冷卻速度比芯部冷卻速度快得多。這樣，表面收縮率高，芯部收縮少，芯部阻擋表面收縮，在表面產生彈性張力，同時表面使芯部具有彈性，收縮引起一部分不平衡變形.冷卻前期的應力條件為：表面有拉應力，芯部有壓應力，冷卻后半段，體表溫度降低，降溫速率逐漸降低，芯部降溫速率加快。此時，表面反而阻礙了芯部的熱收縮，拉伸了芯部的彈力，而芯部則降低了表面的彈性程度，熱應力趨于變化，表面出現壓應力，芯部出現拉應力。冷卻結束時的殘余應力是表面的壓內應力和芯部的拉應力。

當薄鋼板的厚度發生變化時，由于不同結構的比容不同，必然會發生比容變化。在厚鋼板中，馬氏體的比容比較大，奧氏體的比容最小。熱處理時，產品工件表面先冷卻至M點以下，產生馬氏體相變，必須膨脹體積使表面受力，表面會導致型芯被拉出。隨著氣溫的降低，表面的大部分轉變已經完成，核心冷卻到M點以下，逐漸發生變化。這一刻，核心需要膨脹，但表面已經是殼了，擋住了芯部的膨脹，芯部變化的機理應力狀態是表面有拉應力，芯部有壓應力。當熱應力和機械設備應力疊加在一起，即淬火應力超過不銹鋼板的抗壓強度時，就會引起鋼板工件的彈塑性變形，進而引起脹縮工件的各個部分。工件發生膨脹和收縮等變形，導致板材形狀發生變化。在淬火試驗中，兩塊薄規格鋼板的成分相同，整個淬火冷卻過程中的轉變基本相同。通常，鋼板淬火機械設備的應力差異可以忽略不計。取向上的不同規格，造成了測試結果的很大差異。

圖2 鋼板板形控制試驗過程示意圖

假設在理想化規格下，上下間隙噴嘴平面度均勻，雙縫開口均勻且完全對稱，上下間隙與鋼板上表面的距離完全相同（輥縫與鋼板厚度完全相等），下水管簾面與鋼板上表面完全相同。鋼板表面造成的二面角是完全一樣的。在高噴射率和高壓條件下，忽略大功率水射流X射線的危害，上下間隙的噴嘴入射點應對稱。即鋼板在相同的垂直表面。但實際上，在正常情況下，輥縫不可能完全等同于鋼板的厚度：首先，鋼板的公稱直徑和厚度與實際厚度之間總是存在誤差；其次，熱處理機是高精度維修部件，應避免異常變形。一般輥縫厚度基本都會加上h=0mm～3mm，h的出現導致上下冷卻線之間存在間隙。因此，對于鋼板來說，雖然上下表面的冷卻速度相同，但寬板的厚度誤差還是比較大的。所以左右表面的冷卻是不對稱的，所以冷卻引起的內應力不可逆性也比較大。因此，宏觀實驗表達是鋼板在熱處理后呈現端到端彎曲。淬火過程中，噴嘴的水流量、水比和滾輪速度主要是參數，也很難改變薄規格鋼板熱處理后的形變。

5 薄規格鋼板淬火過程中的板形控制實踐分析

隨著制冷設備的改進和在線淬火技術科研水平的提高，越來越多的廠家選擇在線淬火和無網回火生產耐磨鋼，但耐磨鋼的抗壓強度高，強度高，可淬火。在整個過程中容易彎曲和變形，因此，淬火形狀的操縱是完成在線淬火技術的重要因素。耐磨鋼屬于工程機械設備用鋼類，廣泛應用于冶金工業、小型礦山、裝飾建材、電力工程、鐵路、礦山和國防等行業。由于我國耐磨鋼研究和制造發展相對較晚，我國制造企業通常選擇無網調質生產工藝，導致產品成本高。在線淬火工藝利用軋制后的余熱回收，集成和操縱制冷技術，可增強厚鋼板的物理性能，降低鋁合金含量，擴大品種，減少工藝流程，降低能耗，在低成本生產制造方面具有顯著優勢。

薄規格鋼板的淬火方法是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30℃～50℃，絕熱保溫一一急冷（◇vK）獲得奧氏體加工方法，可提高薄規格板材的硬度、耐磨性，時效處理淬火的基本機理和特點。本產品可生產加工的鋼板壁厚為4mm～80mm，其制造過程包括：加熱階段和噴淋冷卻階段，加熱階段使用的設備為淬火正火爐，淬火正火爐為連續輥底式，爐內充氮氣，輻射管用于加熱，輻射管沿淬火、正火爐左右兩排對稱排列，單脈沖操作和自動點火，淬火正火爐的加熱溫度為890℃～910℃，使成分在0.05%～0.09%中間時，加熱溫度為840℃～870℃。同時，溫控波動大于5℃，噴水冷卻階段使用的機器是淬火機，淬火機的工作方式為連續軋制淬火，淬火機配有兩排對稱的夾緊輥，卡盤輥速度范圍為30m/min～60m/min。淬火機內對稱安裝一組噴淋管，對薄鋼板進行噴淋冷卻，噴水冷卻階段分為冬夏兩種淬火方式。冬季室內溫度較低，鋼板的冷卻速度較快，冬季一般淬火用卡盤輥的輥速，可以在噴水冷卻階段加快鋼板的效率，嘗試擴大鋼板的冷卻面積。

6 薄規格鋼板淬火過程中的板形控制的技術效果

根據淬火方式的調整，噴頭冷卻環節分為高壓區和低壓區，在高壓區，淬火機夾頭輥速度、高壓區左右水量比和循環系統冷卻水溫度均在高壓區控制，從而解決了4mm～80mm薄規格鋼的淬火脹縮變形問題，使4mm～80mm薄規格鋼板的淬火垂直度穩定可控。根據高壓區淬火方式的調整，提高了產品的綜合合格率，薄規格板材合格率達到99.8%，進一步提高了保證產品物理性能的能力。為保證產品質量，可以嘗試擴大產品型號和規格范圍，減少了產品數量，保證了交貨周期時間。噴頭冷卻環節選用的水體為循環系統冷卻水，可借助循環系統減少水源消耗，循環系統冷卻水溫度創建溫度補償指標，根據淬火溫度的監控進行融合，然后校準淬火方法，以達到最佳的實際淬火效果。與傳統的淬火方法相比，薄規格鋼板的淬火方法可以顯著促進自主耐磨鋼板和高強度鋼板的開發、設計和制造。高壓區壓力4Mpa，高壓區采用噴管冷卻，高壓區上表面噴水量與下表面噴水量之比為0.72～0.80，高壓區噴水管頭標準水量壓力它們都不同，低壓區壓力為4Mpa，低壓區采用噴淋管冷卻操作。

7 結語

綜上所述，薄規格鋼板淬火后影響產品外形的關鍵因素有：淬火工藝的基本參數，鋼板的規格和表面狀況，淬火設備的精度等。薄規格鋼板在特殊熱處理工藝中的變形受到一些綜合標準的影響。這是一個比較復雜的工藝過程，為了掌握薄規格鋼板淬火過程中的板形控制，達成優良板形的加工工藝，需要在實驗中逐漸積累，逐漸開展與之相關的實踐性研究。