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（3-10 mm）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）2　　σcr=——————　　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　　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。　　钢板在辊式淬火机内的运行速度快慢，直接影响了钢板在高压冷却区的淬火时间。同时，淬火运行速度对淬后钢板板形也有一定的影响。淬火过程钢板上下表面水量设置有一定的比例关系，下水量大于上水量，尤其高压冷却区的水量比对板形的影响最为明显，当设定比例不合适时，辊速的减慢会扩大水量比对其板形的影响。辊速的降低，高压段的冷却时间增长，相当于增加了下表面的冷却强度，因此在板形控制过程中，辊速在某种程度上相当于水量比的影响。当钢板速度增加，钢板在高压淬火区时间将越少。钢板高压区淬火时间减少将显著影响钢板上表面，导致钢板出现瓢曲变形。　　3）钢板自身条件对均匀冷却的影响　　钢板自身条件是指板温、板形、表面质量等，它们对钢板冷却均匀程度有着重要影响。　　如果钢板表面存在氧化铁皮，由于其与钢的导热系数不同，将降低水的冷却效果；氧化铁皮的不均匀分布，导致钢板不均匀冷却。钢板表面存在麻点或其他缺陷，也将对钢板的冷却均匀性带来不利影响。在某种特定的淬火工况条件下，随着氧化铁皮厚度的增加，钢板表面综合对流换热系数呈急剧下降趋势，当氧化铁皮厚度为0.2mm左右时，表征钢板淬火过程热交换速率的对流换热系数降为正常过程的1/3。所以，淬火钢板的氧化铁皮分布情况也就直接影响到冷却过程的均匀性。为了保证薄规格钢板淬火过程的表面均匀性及上下表面的高度对称性，严格控制氧化铁皮的含量是必要的。抛丸机的质量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，很容易造成炉底辊结瘤，不仅划伤钢板表面，而且结瘤清理困难。因此抛丸质量的好坏是影响产品表面质量的关键因素之一。　　淬火前板温的不均匀直接决定了淬火开始温度的差异，在整个淬火过程中由于不同的组织变化带来不同程度的钢板变形。这点对薄板淬火过程尤为重要，一般来说同板温差需小于5℃。如果淬火前钢板存在着浪形和翘曲，那将会严重地破坏钢板的均匀冷却，因为钢板不平必引起冷却水分布不均匀。无论采用什么样的厚度和板形控制技术，所轧制产品总是要存在同板差和板凸度的。同板差的存在会引起板长方向和板厚方向的不均匀冷却；板凸度的存在会引起板宽方向和板厚方向的不均匀冷却。一般来说，钢板两边部存在压应力，加上冷却不均匀引起的热应力和组织应力，就会诱发钢板变形。因此，尤其对薄规格钢板来说，要尽可能控制及消除轧制、抛丸等工艺过程板形的变化。　　3.2.2特厚钢板（120-250 mm）极限冷速淬火工艺开发　　厚度小于120mm特厚板，高温区（900-600℃）表面冷速增大对心部冷速提升较明显，因此，高温区采用冷却能力较强的缝隙喷嘴，快速降低钢板表面至1/4处温度，强化心部导热，提升整体厚向平均冷速，进而提高厚向组织均匀性。由于缝隙喷嘴过后钢板表面温度迅速降低至终冷温度，在缝隙喷嘴之间设计冷却能力相对较小的高密喷嘴，维持心表温差，在不影响厚向温度梯度的前提下节约不必要的冷却能力。中温区冷速对厚度小于120mm特厚板心部冷速影响不大，采用相对较低压力、较小流量的高密喷嘴，仅维持钢板内部导热处于上限值，不过度增加表面冷速，长时间持续降低钢板心部温度。　　在表面冷却强度达到一定值（例如150mm，80℃/s）后，厚度大于120mm特厚板心部导热已近上限值，表面冷速变化对心部冷速影响不明显，进一步加大表面冷速作用不大。而心部至表面的导热能力更多取决于材料本身热物性参数，表面冷速只要维持钢板厚向温度梯度，即表面温度维持到一定值（120℃左右）即可。因此，仅采用冷却能力相对较弱的高密快冷喷嘴，维持一定的冷却能力。为增加方案的可靠性，钢板快速进入到冷却区，先以较高水压、较大流量较快速降低钢板近表面至1/4处温度，再调整水压和流量，以相对较低的冷却强度进一步维持心部导热上限值与表面换热的平衡，持续降低整体温度。　　3.2.3 超高强结构用钢、耐磨钢的研制　　超高强度结构用钢Q1300和耐磨钢NM600代表了目前调质钢板的最高水平。它们不但要求具有极高的强度，而且要求具有良好的韧塑性、焊接性和板形平直度，生产难度极大。该两种钢板主要被应用于超大型工程机械、矿山机械及水泥化工等装备的制造。目前世界上仅有瑞典钢铁公司（SSAB）可以生产。　　两种钢板的主要力学性能指标要求为：　　Q1300：RP0.2≥1300MPa，1400MPa≤Rm≤1700MPa，A≥8%，KV2（-40℃）≥27J；NM600：570≤hbw≤640，KV2（-20℃）≥20J。　　其研究内容主要包括：1）超高强度结构用钢Q1300和耐磨钢NM600的成分设计；2）超高强度结构用钢Q1300和耐磨钢NM600的热轧—冷却—热处理一体化组织性能控制技术研究；3）工业生产过程中铸坯的低/无缺陷控制技术，包括铸坯的低夹杂物控制技术、防开裂控制技术、防氧化控制技术等；4）大宽幅高内应力薄规格钢板（4-10mm）轧制、热处理过程中的板形控制技术研究；5）超高强度结构用钢Q1300和耐磨钢NM600的焊接技术研究；6）超高强度结构用钢Q1300和耐磨钢NM600的抗延迟断裂性能研究；7）超高强度结构用钢Q1300和耐磨钢NM600的切削加工技术研究。　　这两种钢的研制，将带动调质钢从冶炼到热处理的整体技术发展，并形成一整套热轧—冷却—热处理一体化组织性能控制技术。　　4预期效果　　围绕高等级热处理关键装备和核心技术，通过4年时间开发成功如下关键技术与装备并形成示范线：1）淬火厚度为3-10mm 极薄规格淬火关键技术和成套装备；2）100-250mm 特厚规格钢板淬火关键技术和成套装备；3）大型板带钢低温高精度回火装备技术，最低回火温度为100℃；4）超高强结构用钢（Max 1300MPa）、耐磨钢（ Max HB600）高端热处理工艺技术及产品。从而实现极限规格热处理装备、工艺技术及产品的创新突破。 (来源：钢铁产业) 



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