1100MPa級超高強鋼均勻化冷卻技術研究及應用

陳敏俠，易春洪，華浩，徐青藍

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 湖南湘潭 411101

1 序言

輥式淬火機是鋼板大型現代化熱處理線的核心工藝設備，具有冷卻強度大、淬火鋼板表面硬度均勻等優點[1]。在淬火生產時，高溫鋼板先進入輥式淬火機高壓冷卻段，通過高壓水流對其進行大于臨界冷卻速度的超快速冷卻，鋼板溫度迅速降至500℃以下，發生馬氏體相變。隨后進入低壓段，通過低壓水流對鋼板進行繼續冷卻，將溫度降至50℃以下。淬火過程中水介質噴射到鋼板上，形成一層氣膜，阻礙了新水直接接觸鋼材表面，影響鋼板的冷卻強度。噴射的冷卻水角度會影響膜態沸騰區域大小，噴嘴的布置影響鋼板的冷卻均勻性和穩定性，最終體現出板形的平直度情況和鋼板的應力及性能的均勻性[2]。

在鋼板淬火時，在熱脹冷縮和馬氏體相變組織膨脹的雙重作用下，很容易產生大的形變，厚度20 mm以下薄板尤其敏感。鋼材強度等級越高，淬火所產生的應力越大，薄鋼板的應力不均勻性也越發明顯，板形控制難度比較大，容易產生翹曲、龜背、邊浪、中浪和局部位置板形惡化等缺陷。圖1a所示為鋼板頭尾過冷導致的翹曲、圖1b所示為鋼板上下表面冷卻不均勻導致的龜背、圖1c所示為鋼板寬度方向冷卻不均勻導致的浪形、圖1d所示為鋼板上表面局部過冷導致的局部惡化現象。這些缺陷是鋼鐵行業公認的難題，也是目前國內超高強工程機械用鋼發展受到約束的主要原因。

圖1 淬火板形不良情況

2 超高強均勻化冷卻設備

本文對6～20mm厚、1100MPa級超高強工程機械用鋼（簡稱Q1100E）鋼板板形進行攻關，采用東北大學研發的整體超寬射流噴嘴式淬火機（見圖2），這是目前國內寬度最大、厚度范圍涵蓋最廣、單體尺寸最大的輥式淬火設備，產品厚度為5～200mm，具備多種正火、淬火、控制冷卻等功能；淬火板形、性能均勻性及冷卻強度等指標達到國際領先水平，配備有多重阻尼和自水冷的整體超寬狹縫I型噴嘴（簡稱狹縫噴嘴或縫隙噴嘴）、整體傾斜高密I型噴嘴（簡稱高密I型噴嘴）、多角度弧面高密II型噴嘴（簡稱高密II型噴嘴）等3種噴嘴[3-6]（見圖3）。其中，狹縫噴嘴縫隙為整體式噴嘴，瞬時冷卻能力強，形成較大的厚向溫度梯度，便于心部熱量向表面傳遞，消除淬火軟點，同時采用防變形設計，確保狹縫噴嘴長時間使用時縫隙不變形。高密I型、高密II型噴嘴持續冷卻能力強，能夠保持較大的厚向溫度梯度，同時持續快速降低鋼板心部溫度。另外，高密I型、高密II型噴嘴均采用分腔控制（雙套控制閥組）：當鋼板寬度＜3500mm時，僅開啟中腔；當鋼板寬度≥3500mm時，中腔、邊腔同時開啟，確保寬度4850mm以內鋼板實現冷卻均勻性的同時兼顧節水、節能的個性化設計。高密I型、高密II型圓孔射流噴嘴采用弧面入射流圓孔小噴嘴，可有效提升射流出流速度，增加射流區面積及壁面流速，提高換熱效率；淬火機前、中、后吹掃噴嘴采用自激脈動射流噴嘴，在相同射流流量條件下，出流流速更大，射流能力更強，可有效清除鋼板表面殘水，實現冷卻分區。

圖2 整體超寬射流噴嘴式淬火機

圖3 射流噴嘴設計實物

3 均勻化冷卻原理及控制過程

3.1 均勻化冷卻原理

圖4所示為鋼板上下淬火表面流動結構與換熱示意[1]。在鋼板淬火時，冷卻水受重力作用，鋼板上下表面換熱區分布不同，導致換熱系數分布和局部溫降速率不同。因此，控制上下水量比，可改變局部換熱區冷卻強度，均衡因換熱區不同而產生的上下表面換熱不均，控制上下表面溫降和板形[7，8]。

圖4 鋼板上下淬火表面流動結構與換熱示意

3.2 冷卻參數設定及板形控制

通過控制縫隙噴嘴開啟組數，縫隙、高密I型、高密II型的水量和水比，輥速、加速度和輥縫控制進行試驗，研究不同參數的板形控制情況。對噴嘴開啟組數、水量和水比等參數進行對比分析，采用如下參數可獲得良好的板形。

（1）7mm規格 縫隙開啟2組，水量580m3/h，水比1.23；高密I型開啟1～4組，水量150m3/h，水比1.35；高密II型開啟1～4組，水量140m3/h，水比1.5；輥速0.5m/s、加速度0.0025m/s2，輥縫為6.1～6.2mm。淬火板形如圖5所示。

圖5 7mm規格鋼板淬火后不平度

（2）9mm規格 縫隙開啟2組，水量580m3/h，水比1.2；高密I型開啟1～4組，水量150m3/h，水比1.3；高密II型開啟1～4組，水量140m3/h，水比1.5；輥速0.45m/s、加速度0.0025m/s2，輥縫為8mm。淬火板形如圖6所示。

圖6 9mm規格鋼板淬火后不平度

（3）10mm規格 縫隙開啟2組，水量580m3/h，水比1.35；高密I開啟1～4組，水量150m3/h，水比1.35；高密II開啟1～4組，水量140m3/h，水比1.5；輥速0.45m/s、加速度0.0025m/s2，輥縫采用9mm。淬火板形如圖7所示。

圖7 10mm規格鋼板淬火后不平度

根據優選出的淬火參數生產，7～10mm鋼板淬火后，不平度可達到4mm/2m以下高標準要求。

3.3 殘余應力測定

為驗證鋼板淬火后應力分布情況，采用烏克蘭SSE的磁滯無損評估技術，對長8000mm、寬2400mm、厚9mm的淬火態Q1100（每隔400mm×200mm測量一點）進行矯頑力測定，殘余內應力分布如圖8所示。從圖8可看出，整體殘余應力為18.3～26.2MPa，板寬方向應力相對更加均勻，有利于保證吊臂折彎精度。軋制方向殘余應力分布不均，板邊和板中位置應力分布更加集中，可能與軋制板形和淬火冷卻分布有關。

圖8 Q1100E殘余內應力分布

4 超寬Q1100E淬火板形控制

4.1 開發背景

隨著工程建設規模的不斷擴大，現代化大型石油、化工、冶煉、電站以及高層建筑等起重與安裝作業逐年增多，特別是大噸位的輪式起重機的需求量與日俱增，屈服強度＞1100MPa超高強鋼在工程機械關鍵部件（如起重機吊臂等）上得到廣泛應用，徐工重型機械有限公司訂貨的10～16mm厚、3400～4100mm超寬Q1100E鋼板就是用于制造國內最大的輪式起重機，也使湘鋼成為國內首家具有4000mm以上Q1100E供貨能力的廠家。

4.2 不平度控制

徐工重型機械有限公司采購的這批吊臂鋼板對于板形要求極高，不平度需滿足≤3mm/m及≤5mm/2m要求。同時該批鋼板訂貨寬度達3400～4100mm，遠寬于以往生產過的1100MPa級鋼板，因缺乏相應的生產經驗，故淬火板型控制難度極大。為滿足徐工重型超寬Q1100E鋼板不平度需求，淬火階段通過調整輥縫、狹縫水量、水比及輥速等參數，實現超寬、超高強度級別不平度控制在3mm/2m以內的歷史較高水平。超寬Q1100E淬火板形如圖9所示。

圖9 超寬Q1100E淬火板形

4.3 加工使用情況

車底爐試驗回火13mm厚、4000mm寬和14mm厚、4100mm寬鋼板各一塊，運輸到徐工重型機械有限公司后，先進行等離子弧切割及開坡口，再翻板、折彎，根據折彎情況校正后再進行焊接。其中，長14200mm、寬4000mm、厚13mm規格用于加工下蓋板，對應上蓋板為厚14mm和16mm的兩個規格組合，折彎過程正常，交付鋼板滿足加工和使用要求。

5 結束語

本文利用東北大學自主研發的整體超寬射流噴嘴式淬火機，對6～20mm超高強工程機械用鋼Q1100E進行淬火冷卻均勻性攻關。通過調整縫隙噴嘴開啟組數，縫隙、高密I型、高密II型的水量和水比，以及輥速、加速度和輥縫等參數，通過淬火板形不平度實測數據對比，得出最優的適用于1100MPa級超高強工程機械用鋼淬火板形控制工藝參數；通過鋼板殘余應力測試及加工效果反饋，板寬方向應力均勻，有利于起重機吊臂折彎加工。

超高強鋼均勻化冷卻技術，有效攻克了板形均勻性難題，為國內大噸位工程起重機吊臂、混凝土泵車等工程機械設備的制造，提供了堅實的材料基礎，推動了國內工程機械行業的發展，具有深遠的實用意義和推廣價值。