极限规格热轧板带钢产品热处理工艺与装备（之二）

因此，研制与开发新型高精度低温回火炉对提升国内热处理装备技术水平、稳定高品质特殊钢的生产意义重大。

3关键共性技术内容

3.1热处理装备研制

3.1.1特厚板辊式淬火机

特厚钢板专用连续辊式淬火机，配备喷水系统、供水系统、输送辊道系统和框架提升系统，可实现120-250mm厚钢板高强度均匀化淬火。喷水系统分高压喷嘴和中压喷嘴，沿输送辊道在辊道缝隙间上下对称布置，上喷嘴和上辊道固定在移动框架上，下喷嘴和下辊道固定在固定框架上；供水系统分高压供水系统和中压供水系统，分别向高压喷嘴和中压喷嘴供水，供水系统管路上设置开闭阀、流量计、调节阀，用于控制供水管路通断和管路内水流量；输送辊道系统由上辊道、下辊道、万向接轴、传动电机、变频器和编码器组成，精确控制钢板行进速度；框架提升系统由高压段固定框架、高压段移动框架、中压段固定框架、中压段移动框架以及移动框架提升系统组成，固定框架固定在地面上，移动框架由提升系统带动，按一定速度上下移动，实现辊道缝隙调节。

研制的特厚钢板连续辊式淬火机与现有特厚钢板淬火装备相比，具有如下优点。

1）采用整体超宽狭缝式喷嘴（简称狭缝喷嘴）作为高压喷嘴，采用多排整体倾斜式高密喷嘴（简称高密I型喷嘴）和多角度倾斜射流喷嘴（简称高密II型喷嘴）作为中压喷嘴。高压喷嘴瞬时冷却强度大，钢板宽向冷却均匀，可以在较短时间内迅速降低特厚钢板近表面区域温度，形成较大的厚向温度梯度，便于心部热量向表面传递；中压喷嘴持续冷却能力强，能够在不过分降低钢板表面温度的前提下，保持较大的钢板厚向温度梯度，持续较快速降低钢板心部温度，提高心部冷速。

2）淬火冷却系统高压淬火区内狭缝喷嘴和高密I型喷嘴交错布置，避免因钢板近表面始终维持在较低温度造成的钢板表面与冷却水之间的过冷度小，提高了换热效率。

3）供水系统采用供水压力和流量双闭环控制，实现各种不同类型喷嘴喷水流量和喷水压力精确控制，缩短喷水流量和压力的调节时间，扩大冷却强度调节范围，提升了特厚钢板连续辊式淬火机自动控制水平，使操作更灵活、简便。

4）输送辊道系统设计过渡辊、压辊、螺旋辊、小径辊、框架间过渡辊和大径辊6种辊道，采用不同材质、辊径、辊身结构和驱动方式，实现钢板快速出炉、挡水、快速排水、表面冷却残水流量分区、框架间过渡等功能，提升了钢板运动换热、残水清除、单向运动和摆动等功能的控制精度。

5）框架提升系统设计高压淬火区框架提升系统和中压淬火区框架提升系统两套系统，实现各淬火区辊道缝隙单独可调，在单独使用高压淬火区或中压淬火区时，其他不投入使用的淬火区上框架提升至非工作位，避免因高温钢板烘烤而产生上喷嘴变形，延长喷嘴使用寿命。3.1.2高精度低温回火炉

新型高精度低温回火炉，实现100-650℃高精度中低温回火，用于屈服强度大于1GPa超高强钢板的回火热处理。回火炉采用强制对流加热技术，加热过程中高速的炉气直接冲击金属进行加热，辅以特殊的炉型结构将与钢板热交换过的炉气回收加热，形成炉内气流的高速循环。与传统回火炉相比该炉型传热效率更高、加热温度更均匀，可达±3℃以内，具备炉内壁温度低，可大幅降低燃料消耗等优势。此外，开发的热处理炉改善炉衬工作条件，炉子热惰性小，升、降温灵活，有利于实现自动控制。

1）强制对流加热条件下传热机理研究针对强制对流加热的技术特点，研究不同温度下炉内热交换过程和强制对流加热条件下板带的加热规律，确定新型热风循环加热低温回火炉的传热机理和数学计算方法。

2）均匀化强制对流循环加热系统及其关键技术优化

利用有限元模拟仿真炉气导流、均流系统，分析装备结构参数、气流压力和流量等对均流的影响，实现炉内热空气均匀化分配，进而优化炉内热空气导流、均流装备结构，实现强制对流循环加热系统最优化加热。

3）强制对流冲击加热控制

研究适用于强制对流冲击加热技术的控制模型，建立新型高精度低温回火炉全自动智能控制系统，以及实现温度精确控制，满足高性能钢材高品质、高效率、低能耗、低成本生产的需要。

新型高精度低温回火炉工艺技术复杂，加热过程控制难度大。开发的关键在于热流引导结构的设计、炉气均流装置的设计及其沿炉长方向的合理布置。解决这些技术难点需要高水平的流体力学和传热学技术，国外相关厂家将其视为核心关键技术，对我国进行封锁。因此，如何设计开发出最优的大型强制对流循环加热系统，进而开发出具有自主知识产权和核心专利技术的工艺控制技术是本课题拟解决的关键技术难题。

3.2高等级钢板热处理工艺及产品开发

3.2.1极限薄钢板（3-10mm）高平直度淬火工艺开发

薄规格板材均匀化淬火工艺技术是钢板淬火领域内的核心技术，具有重要的实用价值，但因其对淬火过程的冷却均匀性要求极高，冷却过程影响因素众多，对淬火设备结构参数及工艺参数非常敏感，淬火过程的板形控制难度很大。

相对于常规中厚板来说，薄规格板材淬火过程中高冷却强度较易实现，但在冷却均匀性方面要求极为苛刻。这里主要在淬火系统对称性结构、流量分布、淬火运行速度及钢板自身条件等方面分析对冷却均匀性的影响。薄规格板材淬火后残余应力达到一定值时，钢板即出现失稳屈曲，按照板材的弹性屈曲理论，在理想弹性状态下，板材的临界屈曲应力为：KEπ（t/b）2σcr=——————12（1-ν）2式中，σcr－临界屈曲应力；K－临界屈曲应力系数；t－钢板厚度；b－钢板宽度；ν－材料泊松比。

从临界屈曲应力的计算公式可以看出，淬火钢板厚度越薄，宽度越宽，临界屈曲应力越小，越容易发生对冷却均匀性极为敏感的淬火变形。故薄规格宽幅钢板的辊式淬火板形控制过程是研究中厚板淬火变形问题的难点。

1）关键设备结构参数对称性冷却技术

2）薄规格钢板对冷却系统的均匀性更为敏感，其中钢板上下表面的对称性冷却对板形有重要的影响。钢板淬火过程中的对称性冷却可以理解为两个方面，首先在单侧的冷却区域内的均匀冷却，考虑到钢板是连续式通过淬火区域，在单个喷嘴参数调整方面主要考虑钢板宽向的冷却均匀性；其次，淬火过程中保证钢板上下表面冷却区域内冷却强度的对称性。

单个喷嘴的机械参数调节主要有射流角度、缝隙宽度和喷嘴距钢板表面的位置参数，如图1所示。

假设在理想的条件下，上下缝隙喷嘴水平度、狭缝开口度均匀一致、完全对称、上下缝隙到钢板上下表面的距离完全相等（辊缝完全等于钢板厚度）、上下水幕面与钢板表面形成的二面角完全相等。在喷射速度快、压力高的条件下，忽略重力对射流射线的影响，则上下缝隙喷嘴入射点应该是对称的，即钢板在同一个铅垂面上，由于钢板薄，缝隙喷嘴水量大，淬透性强，即仅缝隙喷嘴就将钢板温度降至马氏体相变温度点以下。当上下淬火系统结构出现不对称时，先喷射到钢板上的水幕会造成单面淬透现象，宏观表现形式为淬火后钢板始终呈现头尾上翘或下扣，因此，不管如何极端设定控制喷嘴水量、水量比和辊道速度参数，也无法改变超薄规格钢板淬火后板形的变化总趋势。

在实际过程中，要确保对称的距离参数及角度参数相等，而且要确保喷嘴沿钢板宽度方向的两侧均保持一致，即确保上下喷嘴喷射水线的三维对称精度。此外，淬火机辊道平直度控制和调节很重要，下部辊道应水平，钢板应沿中心线进行运动，上辊道的中心线应与下辊道的中心线在一条基准线上，不能发生偏移，特别要注意辊道正确找平，尤其是高压喷嘴区的辊道，否则钢板通过该区时极易发生变形不能保持平整。

2）关键工艺参数高精度控制技术水量参数是满足低合金高强度钢板淬后组织和性能的重要工艺参数，也是保证薄规格钢板均匀性冷却的决定性因素。冷却水量对淬火冷却过程钢板表面换热系数有一定的影响。随着冷却水量的增加，钢板表面换热系数逐渐增加。达到一定水量后，水量增加对换热能力的提高效果不明显。淬火过程钢板上下表面的水量比是板形宏观翘曲变形的决定因素。射流冲击换热过程中，钢板上表面受残留水影响，而下表面冷却水由于重力作用自然下落，故上下水量比小于1，一般在0.6-0.9左右。钢板在淬火过程中，若水量比设定小于实际需要的设定值时，钢板上表面冷却速度大于下表面，先行淬火的钢板头部略向下凹曲，产生向上的翘曲变形。变形量很大时，钢板头部的上翘将受到上排辊道的反作用力。随着淬火进程的继续，钢板出现向上的中凸翘曲变形，导致淬火后钢板上凸。