邵正伟
( 济南钢铁股份有限公司 技术中心, 山东 济南 250101)
摘 要: 介绍了目前国内中厚板热处理生产线的布置特点与热处理工艺发展趋势。指出连续式正火炉后面应考虑建设适当 的加速冷却设备, 以提高正火后钢板的强度。辐射加热无氧化辊式热处理炉具有温度均匀, 自动化程度高, 处理的钢板性能 稳定, 表面质量好; 辊压式淬火机可使钢板在连续运动中淬火, 具有钢板表面淬火均匀、无软点、淬火钢板的长度不受机架 限制、可与热处理炉实现联动控制等特点, 随着用户对钢板表面质量要求的提高和对调质板需要, 将是中厚板钢厂热处理 线的首选。
关键词: 中厚板热处理; 热处理设备; 辐射加热无氧化辊式热处理炉; 辊压式淬火机
1前言
目前在中厚钢板的生产中控轧控冷 ( TMCP) 工 艺已普遍应用, 并在管线钢、高强度结构钢、海洋平 台用钢、造船板等的生产中发挥了积极作用, 大大提 高了钢板的综合性能, 节约了宝贵的合金元素。但 是, TMCP 处理的钢板性能离散度较大, 而且一些钢 种要求很苛刻的临界轧制。因此, 对于生产厚规格、 高性能钢板, 尤其是要求性能均匀性比较高的锅炉 压力容器钢板、桥梁钢板、高层建筑钢板、Z 向钢板 等, 传统的离线热处理方式仍然是难以替代的。因此 一个定位于生产高性能品种钢为主的中厚板厂, 建 设一条现代化的中厚板热处理生产线, 是在设计之 初就必须考虑的问题。
2 建设热处理工序应统筹考虑的问题
2.1 对炼钢、轧钢工序设备的要求 中厚板轧后热处理炉是生产高技术含量、高附加值产品不可缺少的主要设备, 因此应定位在生产“双 高”产品, 要求钢质纯净、有害元素和夹杂物含量低, 板坯厚度要满足一定的压缩比, 配备有控轧控冷设 施等。这就要求前面的炼钢和轧钢工序具备生产“双 高”产品的条件, 如炼钢工序要配备有铁水预处理设 施 、 大 吨 位 的 顶 底 复 吹 转 炉 或 高 功 率 电 炉 、 LF/VD/RH 等炉外精炼设施、直弧形大板坯连铸机 等, 轧钢工序要配备有高刚度强力轧机、ACC( DQ) 、 强力矫直机等。
2.2 对轧钢厂的场地要求
在建设中厚板厂时, 要考虑精整的能力足够大,
也就是后面剪切、冷床等的能力要大于前面轧钢能 力, 以便于充分发挥轧机的潜能。同样如果一个中厚 板厂定位于生产高技术含量、高附加值产品时, 就要 考虑厂房后部工序要留有充分的火焰切割、探伤、热 处理生产线的场地。
因为对于需要热处理的钢板来说, 一般 40mm以上的厚规格钢板受剪切能力限制, 需要火焰切割, 而且热处理的钢种很多要求逐张探伤。因此, 在厂房 设计时要留有足够的场地, 否则将严重制约生产能 力的发挥。
探伤一般可安排在热处理之前, 这样探伤不合 可直接改判以节省热处理费用, 但正火通过再结晶 细化均匀组织, 对于某些微小的探伤缺陷有改善作 用, 尤其是合金含量较高的钢种。因此, 有些品种可 安排在热处理之后探伤。但是, 热处理对于大的分层 和夹杂造成的探伤缺陷基本无能为力。
3 中厚板热处理的主要方式
中厚钢板热处理的主要方式有正火、调质 ( 淬 火+ 高温回火) 、正火 + 控冷、正火 + 回火、回火、退 火、直接淬火( DQ)、直接淬火+回火等。
其中, 处理量最大的是正火板, 包括正火+ 回 火, 大约占所有热处理产品的 70% 左右; 其次是调 质板, 占 15% 左右; 其它如回火等占 15%。中厚板热 处理工艺流程见图 1。
3.1 正火工艺的特点及注意事项
正火也叫常化或正常化, 其目的在于使上一道 工序中产生的非正常组织( 如铁素体晶粒粗大、魏氏 组织、带状组织、非铁素体 + 珠光体组织产物等亚共 析钢组织缺陷) 通过重结晶、均匀化组织予以改善( 对低碳钢为细小等轴铁素体 + 均匀分布的块状珠 光体组织) , 从而改善其力学性能和工艺性能。
正火可以作为预备热处理, 也可以作为最终热 处理。对机加工零件的结构钢来说, 正火多半作为预 备热处理, 为随后的切削加工和最终热处理做组织 准备; 对低碳低合金钢板来说, 正火都是作为最终热 处理, 使钢板具有所要求的组织, 从而使其具有所要 求的力学性能和工艺性能。
钢板正火处理后晶粒细、碳化物分布均匀, 力学 性能良好。正火工艺可使目前普遍应用的以 Nb、V、 Ti 等强碳氮化物形成元素的低( 微) 合金高强度钢板的延伸、低温冲击韧性和冷弯性能大幅改善。 但值得注意的是, 正火在提高热轧低碳低合金 钢板的工艺性能的同时, 往往降低钢的强度, 屈服强 度和抗拉强度一般降低 20~50MPa, 对于控轧控冷 钢板严重的可降低 80~120MPa。因此, 为保证钢板 的交货性能, 在正火钢板成分设计时, 应不同于一般 控轧控冷钢板, 可适当增加 C、Mn 等固溶强化元素 以提高强度( 注意碳当量指标不要过高) , 虽然热轧 后钢板的延伸率或冲击功有所降低, 但这两项指标在正火处理后会有大幅提高。 3.2 正火+控冷( +回火)新工艺常化炉除处理“双高”产品外, 另一大作用是挽 救很多热轧后延伸或冲击不合产品, 减少改判率。但 随之而来的一个问题是一些延伸、冲击不合需挽救 的产品本身强度富裕量小, 容易导致处理后强度反 而不合。这除了在正火温度、时间上可以做一些调整 外, 还可以应用正火 + 控冷( + 回火) 工艺。
为防止很多钢板正火后强度大幅降低, 目前国 内武钢、舞钢、重钢、太钢等都开发了正火+ 控制冷却 的工艺, 利用炉后淬火机或简易水冷设施等进行正火 后弱水冷( 水雾等) 的工艺, 可较好地弥补钢板的强度 损失, 依据太钢经验, 钢板强度可提高 10MPa。对于控 制冷却后钢板性能波动较大的钢种或 ASTM( 美国 材料与试验协会) 中规定正火后加速冷却必须回火 的钢种还可应用正火 + 控冷 + 回火工艺。
3.3 正火+ 回火 在锅炉压力容器钢板处理中采用较多, 尤其是CrMo钢多采用正火+ 高温回火。 3.4 调质(淬火+高温回火)近年来, 超级钢、超低碳贝氏体钢等生产技术蓬 勃发展, 许多传统调质处理生产的屈服强度 450MPa 以上的钢板利用超细晶等技术已经可以生产, 但对 于压力容器、石油储罐、桥梁、军工等重要结构钢板, 很多标准和用户还是要求钢板以调质状态交货。因 此, 一条现代化的调质钢板生产线对于提高中厚钢 板厂的产品档次是不可或缺的。
调质即淬火 + 高温回火, 代表钢种有油罐钢 SPV490Q、14MnNbq、军工板 921、模具钢 P20 等。目 前, 调质热处理线都是采用辊底式炉快速出炉后面 配套辊压式淬火机。3.5 淬火 + 低温回火对于耐磨钢等要求表面硬度较高的钢种多采用 淬火+ 低温回火。
3.6 在线直接淬火( DQ) + 回火
该技术是 20 世纪 90 年代以来发展的新技术。
利用轧后的直接淬火设施( 30mm 以下较容易) 实施钢板在线直接淬火, 然后进行离线的回火处理, 可大 大节约热处理成本。目前在生产高强度低碳贝氏体 钢、油罐钢等钢种时采用较多。
4 中厚钢板热处理炉炉型分类及比较
4.1 中厚钢板热处理炉炉型分类 中厚钢板热处理炉分类如图 2 所示[1], 按工作方式分为连续式热处理炉和周期式间歇性热处理炉两 种; 按钢板运送方式分为辊底式、步进式、台车式、外 部机械化式及罩式等五种; 按照加热方式可分为明 火加热与辐射管无氧化式加热两种。
4.2 辊底式炉和步进式炉的比较
辊底式炉和步进式炉都可以采用明火加热, 但 辐射管加热一般应用于辊底式炉。
步进式加热炉主要优点是没有辊印和划伤, 用 于特厚板热处理有一定的优势, 但投资大, 维护要求 高, 钢板最大输送速度受到限制, 由于难以实现高速 出炉, 后面不能与淬火机配套, 只能用于钢板的正 火 、回 火 处 理 。
辊底式炉可用于钢板的正火、回火及调质等热 处理。这种炉子产量和机械化、自动化程度高, 得到 了广泛应用。
4.3 明火加热与辐射管加热的比较
辊底式热处理炉的供热方式通常有两种: 一种 是明火加热; 另一种是炉内通保护气体的辐射管加 热。无论是哪种加热方式, 都要保证炉温的均匀性, 并满足要求的加热和保温时间。在此前提下, 明火加 热时, 应尽可能控制炉内气氛为微氧化性气氛或接 近还原气氛, 以获得较好的钢板表面质量。
辐射管加热时, 炉内通入氮气等保护气体, 在炉 内形成惰性气氛, 防止钢板的氧化, 以获得更好的钢 板表面质量。需要说明的是: 一般采用钢板辐射管加 热, 入炉前需经抛丸机处理, 清除掉钢板表面氧化铁 皮, 这样还可以减少炉辊的积瘤。
但明火直接加热辊底式炉还是易出现辊印、划 伤 、麻 坑 、氧 化 严 重 等 表 面 缺 陷 。钢 板 下 表 面 的 辊 印 、 划伤主要原因是炉底辊结瘤 ( 高温氧化铁皮累积而 成) 引起的, 重者增加钢板修磨量, 甚至发生辊印超 深或修磨面积过大导致钢板判废, 直接影响经济效 益。表面氧化严重还造成钢板麻坑、氧化铁皮增厚,特别是船板抛丸处理后出现麻点等缺陷。一些钢厂 对表面质量要求高、价格昂贵的钢板, 采用加垫板消 除辊印的办法, 但弊端较多: 垫板浪费严重, 增大热 处理量, 成本上升, 生产率很低, 分离不及时还影响 钢板性能。
为使钢板温度均匀和防止下表面划伤, 应优先 选用双步进梁式热处理炉和辐射管无氧化辊底式热 处理炉。两种供热方式比较见表 1。
( 1) 与明火加热相比, 由于辐射管加热自身表面 功率的限制, 辐射管加热的烧嘴数量较多, 因此操作 点较多, 维护量相对较大。
( 2) 与辐射管加热相比, 明火加热对燃料的成分 要求和燃料热值的要求更高。燃料中的有害成分会 在一定程度上影响钢板的表面质量; 同时燃料热值 的不稳定, 使得炉内气氛难以控制, 因此直接影响钢 板的表面质量, 也会加重炉辊的积瘤。
( 3) 两种供热方式相比, 燃料消耗差别不大, 特 别是近几年来, 辐射管烧嘴性能的改善和空气预热 温度的提高, 燃烧效率进一步提高, 无论是炉温均匀 性、还是燃料消耗都获得了很好的效果。
( 4) 从趋势上看, 除了用于不锈钢固溶的高温热 处理炉采用明火加热以外, 随着厚板行业对产品的 质量要求越来越高, 越来越多的辐射管加热的热处 理炉被厚板行业采用。
4.4 其它炉型 车底式炉、外部机械化式炉、罩式炉都属于周期式间歇性生产的热处理炉, 主要用作特厚板、高温回 火板、退火板( 中厚板很少用) 等的生产。
车底式炉也称台车式炉, 采用传动台车进炉和 出炉, 常见于机械行业的热处理车间, 采用吊车装卸 钢板, 多用于正火、退火、回火; 外部机械化室式炉采 用装出料机装出钢板, 一台装出料机可配置 2~5 座 炉子, 多用于正火、退火及厚板的热处理; 罩式炉主 要用于退火和高温回火, 必要时也可作为缓冷用, 罩 式炉需要大吨位吊车起重, 且厂房造价高, 另外, 这 种炉子一次装料量大, 加热时间长, 钢板瓢曲和氧化 严重, 且易脱碳。这几种炉子生产效率低, 燃耗大, 成本高, 自动化程度低, 新建的中厚板厂采用较少。舞钢应用了外 机炉、车底炉以及带烧嘴的缓冷坑, 鞍钢、武钢配备 有罩式炉。
5 国内中厚板厂热处理线的布置特点
目前, 一般中厚板厂都采用两条线布置, 一条调 质线( 辊底式正火炉后配套淬火机组) , 一条正火线 可采用明火加热辊底式或步进梁式; 也可采用辐射 管加热无氧化辊底式炉) 。目前国内鞍钢、浦钢都是这样布置。 作为我国特种宽厚板生产厂的舞钢配备有目前国内最为齐全的热处理生产线, 在 2005 年调质线建 成后仅连续式热处理线就有三条; 武钢的 3 号炉在 2006 年 1 月份也已建成; 现在宝钢厚板厂在建两条 新的热处理生产线。这样舞钢、武钢、宝钢都将有三 条轧后热处理线。
济钢中厚板厂热处理线一期工程辐射管加热无 氧化辊底式热处理炉 2005 年 7 月建成投产, 预留二 期调质线场地; 鞍钢、南钢也在考虑增建热处理线。
6 辐射管加热无氧化辊底式炉与辊式淬火 机的特点
6.1 辐射管加热无氧化辊底式炉 现在越来越多的中厚板厂采用辐射管加热无氧化辊底式炉。该炉型为连续辊底式, 炉内通惰性气体 ( 一般为氮气, N299.99%) 保护, 全辐射管加热, 辐射 管沿炉膛上下两排布置, 进炉前要进行表面抛丸处 理, 去掉氧化铁皮, 以防带入炉内造成炉底辊结瘤, 划伤钢板表面, 影响钢板表面质量。燃烧系统一般采 用混合煤气为燃料,自身预热式烧嘴( 可预热空气到 800°C) ,通断式脉冲循环控制( ON/OFF) ,最高炉温 1000°C( 板温 970°C) 。这种炉子温度均匀, 炉温波动 可以小于 5°C, 钢板性能稳定均匀, 表面质量良好,自动化程度高。目前炉底辊一般采用 Cr25Ni35(Nb)材质, 中空不需要水冷, 设有排气孔。炉底辊的壁厚和驱动电机 功率决定处理钢板的厚度。炉底辊传动方式目前多 为单电机变频驱动, 可实现灵活多变的控制。
国际上辐射管加热辊底式炉设计处理的最大板 厚为 200mm, 最大板宽 5400mm, 最大板长 26m( NKK 京滨厚板厂) , 最长的辐射管式辊底炉为 91.575m(川 崎水岛厚板厂)和 96m(新日铁君津厚板厂)。其处理 的钢板无氧化、表面质量好、性能均匀稳定。
6.2 辊式淬火机
根据淬火钢板规格和种类的不同, 淬火可分为 两种方式:连续通过淬火或高压段连续通过、低压段 摆动淬火。因此淬火机大体可分为连续式和间歇式 两种。国内武钢采用连续式, 宝钢采用连续式和间歇 式, 浦钢采用间歇式。淬火机组需配套建设供水和水 处理系统, 要求水质纯净、实现自循环, 这样钢板淬 火均匀, 不易变形。
辊式淬火机由上下两组辊道组成, 上下两排喷 嘴位于辊道之间, 钢板高速出炉( 可达 60m/min) , 连 续通过炉后的辊式淬火机组, 实现运动中淬火。喷嘴 的水量、压力、角度以及钢板上下表面的水量之比至 为关键。
辊式淬火机相对于固定式压力淬火机具有以下 优点: 钢板在连续运动中淬火, 不存在温降问题; 钢 板表面淬火均匀, 无软点; 淬火钢板的长度不受机架 限制; 可与热处理炉实现联动控制[2]。
目前国内武钢、宝钢、舞钢的调质线均由德国 LOI 热工工程有限公司提供, 包括 1 座辐射管加热 无氧化辊底式炉和 1 台辊压式连续淬火机, 可进行 钢板的淬火、回火和正火。浦钢采用原美国 DREVER 公司( 已被 LOI 兼并) 设备, 鞍钢系引进日本住友二 手设备。中厚板淬火机由于专业性强、技术含量高、 市场容量小, 目前基本由德国 LOI 公司垄断。
7 中厚板热处理线配套设施应注意的问题
7.1 抛丸机
抛丸机组国内很多厂家都可以制造, 但与国外设备还存在差距, 主要体现在抛丸头的寿命, 可以采 用进口抛丸头的方式。
抛丸机的质量好坏直接关系到抛丸后钢板的表 面质量, 若抛丸及清扫不彻底, 将氧化铁皮带入炉 内, 容易造成炉底辊结瘤, 不仅划伤钢板, 而且结瘤 清理起来很困难。因此, 抛丸机组工作正常与否对热 处理钢板的表面质量影响很大。
7.2 燃料选择
热处理炉用的燃料比钢坯加热炉要求高, 热值 必须稳定。目前, 钢厂采用天然气的炉子较少, 大部 分都是使用高焦混合煤气。
在加热介质方面, 最好选用热值高、纯净的天然 气, 其次为发生炉煤气、再次为焦炉煤气或高焦混合 煤气。较脏的煤气在进烧嘴前, 一定要配备有效的脱 硫和净化设施。
无论是传统平焰烧嘴、直燃烧嘴、还是辐射管都 要求煤气纯净度高, 因此应配备电除尘系统( 电捕焦 油器) 。相对来说, 明火加热的热效率比辐射管加热 高一些, 但对热值要求也高一些。
7.3 矫直机
厚度 20mm 以上的热轧钢板若板型良好, 正火化辊底式炉。后一般不需要矫直。对热处理后板型不好的钢板、调 质板等应增设强力冷热矫直机。由于热处理的钢板 很多是高强钢和厚板, 还可根据需要配套压平机。
7.4 计算机控制
在计算机控制方面, 现在生产厂一般都是三级 控制。热处理线应至少采用二级计算机控制系统, 热 处理炉和淬火机分别配置各自的一级 PLC 和二级 数学模型并进行相互间的数据传递和交换, 同时与 车间其它相关机组设备的 PLC 和二级机保持通讯 和数据交换。
8 结 语
随着国内中厚板生产线的增多, 将有越来越多 的中厚板厂上马热处理生产线, 介入高端品种的竞 争。连续式正火炉后面应考虑建设适当的加速冷却 设备, 以提高正火后钢板的强度。随着用户对钢板表 面质量要求的提高和调质板需要, 辐射管加热无氧 化辊底式热处理炉与辊压式淬火机将是中厚板钢厂 热处理线的首选。
