（材料加工工程专业论文）中厚板辊式淬火机淬火过程的温度场及板形控制研究.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l sf o r m i n ge n g i n e e r i n g r | 。 、屯- s t u d yo nt e m p e r a t u r e f i e l da n d s h a p e c o n t r o lf o rp l a t er o l l e rq u e n c h i n g m a c h i n e b y h a ny i s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o r w a n gz h a o d o n g n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 1 独立性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作 过的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名：薜铍 日期： 旧r 罗厂 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 。： 拿 - 东北大学硕士学位论文 摘要 中厚板辊式淬火机淬火过程的温度场及板形控制研究 摘要 辊式淬火机是中厚板热处理生产线关键的工艺设备。本论文以太原钢铁集团临汾 钢铁有限公司中厚板热处理生产线辊式淬火机项目为背景，针对辊式淬火机淬火过程 的温度场和钢板淬火过程的板形控制策略进行了研究和分析，并将取得的研究成果成 功应用于临钢中厚板辊式淬火机项目，取得良好效果。本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 针对中厚板淬火设备，概述了中厚板辊式淬火机的设备概况及生产应用中的 相关技术，其中淬火冷却系统是保证淬火钢板冷却均匀性、淬火工艺要求的关键，是 辊式淬火机设备研制及应用中的最核心技术。 ( 2 ) 中厚板淬火冷却过程中，淬火钢板的温度场分布状况是研究中厚板淬火工艺、 实现钢板淬火过程工艺控制的关键。本文从钢板淬火过程的热传导方程建立入手，利用 有限差分法求解计算了中厚板淬火过程的温度场，得到了钢板内部温度场随时间的变化 规律和温度分布状况。 ( 3 ) 淬火过程的板形控制是中厚板辊式淬火机开发应用中的重要技术难题，本文 分析了影响钢板冷却过程温度均匀性的因素，研究了满足中厚板辊式淬火过程的板形控 制策略，为改善钢板淬火过程的板形缺陷提供了依据。 将上述研究成果应用生产实践，取得较好的应用效果，满足了生产实际需要。 关键词中厚板，辊式淬火机，设备结构，温度场，板形控制 一1- 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o nt e m p e r a t u r ef i e l da n d s h a p e c o n t r o l f o rp l a t er o l l e rq u e n c h i n gm a c h i n e a bs t r a c t i np l a t eh e a tt r e a t i n gp r o d u c t i o nl i n e ，t h ek e ye q u i p m e n ti sq u e n c h i n gm a c h i n e b a s e do n p l a t er o l l e rq u e n c h i n gm a c h i n ep r o j e c to fs h a n x it i s c ol i n f e ni r o n & s t e e lc o l t d ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l di nq u e n c h i n ga n ds h a p ec o n t r o lo fp l a t eh a v e b e e ns t u d i e da n da n a l y z e d t h ea c q u i r e dr e s e a r c hr e s u l th a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nt h ep l a t er o l l e rq u e n c h i n g m a c h i n ep r o j e c to fl i n f e ni r o na n ds t e e lc o l t d a n dt h eo n l i n ea p p l i c a t i o ns h o w ss a t i s f y i n g r e s u l t s t h em a i nc o n t e n t so fm ya r t i c l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eg e n e r a ls i t u a t i o no fp l a t er o l l e rq u e n c h i n gm a c h i n ea n dt h er e l a t e dt e c h n o l o g yo f a p p l i c a t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e d m e a n w h i l e ，t h eq u e n c h i n gc o o l i n gs y s t e mi st h ek e yt o a s s u r a n c ec o o l i n gh o m o g e n e o u sa n dq u e n c h i n gt e c h n o l o g yr e q u i r eo fq u e n c h i n gp l a t e i ti s a l s ot h ec o r et e c h n o l o g ya b o u tt h ed e v e l o p i n ga n da p p l y i n go fr o l l e rq u e n c h i n gm a c h i n e ( 2 ) i np l a t eq u e n c h i n gp r o c e s s ，t h et e m p e r a t u r ef i e l ds t a t eo fp l a t ei st h ek e yo ns a t i s f y i n g t h er e q u i r eo fq u e n c h i n gt e c h n o l o g ya n da c h i e v i n gt h et e c h n o l o g i c a lc o n t r 0 1 t h et e m p e r a t u r e f i e l dh a sb e e ng a i n e db yu s i n gf i n i t ed i f f e r e n c ec a l c u l u sf r o mr e s e a r c h i n gt h eh e a te x c h a n g e e q u a t i o ni np l a t eq u e n c h i n gp r o c e s s t h e nt h ec h a n g i n gr u l eo ft e m p e r a t u r ew i t ht i m ea n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni np l a t ei n t e r i o rh a v eb e e ng a i n e d ( 3 ) i np l a t eq u e n c h i n gp r o c e s s ，t h es h a p ec o n t r o li st h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m i nt h ee x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o no fr o l l e rq u e n c h i n gm a c h i n e t h ee f f e c t i n gf a c t o r so fp l a t e t e m p e r a t u r eh o m o g e n e o u sh a v e b e e ns t u d i e di np l a t ec o o l i n g ，a n dt h es h a p ec o n t r o ls t r a t e g i e s h a v e b e e nr e s e a r c h e d ，w h i c hc a r lp r o v i d eb a s e sf o r i m p r o v i n gt h es h a p eb u gi np l a t e q u e n c h i n gp r o c e s s t h ea c q u i r e dr e s e a r c hr e s u l tm e n t i o n e da b o v eh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di np r a c t i c e s a t i s f y i n gt h er e q u k eo fp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：p l a t e ，r o l l e rq u e n c h i n gm a c h i n e ，m a c h i n es t r u c t u r e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，s h a p e c o n t r o l i i j 厂 ，kp p ， 1 东北大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 i 课题的研究背景l 1 2 中厚板热处理工艺类型及国内设备概况2 1 2 1 中厚板热处理工艺类型2 1 2 2 国内中厚板厂热处理生产线的布置形式5 1 2 3 国内中厚板热处理生产线设备现状7 1 - 3 中厚板淬火设备发展概况7 1 4 温度场的计算方法及研究现状9 1 4 1 温度场的研究方法9 1 4 2 温度场的数值求解方法1 0 1 5 中厚板冷却过程中的板形控制策略概述11 1 6 本文研究内容1 2 第2 章中厚板辊式淬火机设备及关键技术概述1 3 2 1 辊式淬火机设备结构概况1 3 2 1 1 国外设备介绍1 3 2 1 2 设备结构及作用简介1 6 2 2 辊式淬火机关键技术1 6 2 2 1 淬火冷却系统1 7 2 2 1 1 淬火机冷却装置17 2 2 1 2 淬火冷却过程分析18 2 2 1 3 淬火机的水特性1 9 2 2 2 淬火工艺技术2 1 2 2 2 1 淬火过程的冷却速度2 1 2 2 2 2 淬火过程的板形控制2 2 2 2 2 3 淬火加热温度2 3 2 2 3 淬火冷却水的稳定性控制2 3 2 2 3 1 淬火过程用水特点2 4 i i i 东北大学硕士学位论文 目录 2 2 3 2 水量及水压稳定控制2 4 2 2 3 3 水质稳定处理2 5 2 3 本章小结。2 5 第3 章中厚板辊式淬火机淬火过程的温度场分析2 7 3 1 热传导方程的建立2 7 3 1 1 傅立叶( f o u r i e r ) 定律2 7 3 1 2 热传导微分方程【5 8 】2 8 3 1 3 初始条件和边界条件31 3 2 热传导问题的数值求解3 3 3 2 1 一维导热差分方程的建立3 4 3 2 2 边界条件的处理3 5 3 3 辊式淬火机淬火过程的温度场分析3 7 3 4 本章小结4 1 第4 章淬火过程中的板形控制策略研究4 3 4 1 钢的淬火应力4 3 4 1 1 钢的淬火热应力4 3 4 1 2 钢的淬火组织应力4 5 4 2 冷却不均的影响因素分析。4 5 4 2 1 纵向冷却不均的因素分析4 6 4 2 2 横向冷却不均的因素分析4 6 4 2 3 厚度方向冷却不均的因素分析4 7 4 3 淬火工艺参数对板形影响机制分析4 7 4 3 1 水量参数对淬火过程板形的影响4 8 4 3 2 辊缝对淬火过程板形的影响 4 3 3 辊道转速对淬火过程板形的影响 4 4 实际使用效果 4 5 本章小结 第5 章结论 参考文献 致 射 i v 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 随着中国工业技术水平的不断发展和提高，造船业、机械加工业、石油化工、桥梁 建筑等行业对中厚板的总体需求量增加，同时对高等级高强度钢板的需求也在不断增加 【1 1 。虽然我国原有的中厚板生产线，在不断地进行技术更新改造的基础上，装备水平有 了很大地提高，但总体的技术水平和国外相比仍然有较大的差距，特别是高等级中厚板 产品的生产，如高强度舰船用板、桥梁板、压力容器板、管线用板等专用板的生产技术 水平低【2 弓】，使这些产品出现市场供应不足，部分产品如储罐用压力容器板等高性能中 厚板产品，仍主要依赖进口。随着中国产业技术的升级和市场竞争的加剧，中厚板的竞 争必然从量的竞争转向质量和高附加值的竞争。而热处理是生产高性能和高附加值钢板 的重要工序之一，热处理不仅可以改进钢板的加工性能，同时能够显著地改善钢板的力 学性能，所以国外特别是日本、德国的中厚板生产厂几乎都建设了热处理生产线。因而， 建设热处理生产线将是我国中厚板生产厂提升产品附加值和竞争力的必然选择【6 1 0 】。 淬火工艺是热处理工艺中的一种，可以显著提高钢的强度和硬度，是高强度高等级 中厚板产品热处理工艺中最为重要的组成部分。淬火处理后辅以不同温度的回火，便可 得到具有不同强度、硬度和韧性配合的良好综合性能的高强度中厚板产品【1 1 ，一2 1 。抗拉强 度大于6 0 0 m p a 的中厚钢板，一般也采用淬火加回火工艺以获得高的强度【1 3 1 。 淬火机是对中厚板进行淬火处理所需的一个关键设备。目前淬火方式有浸淬式和喷 淬式两种方式：( 1 ) 浸淬式：这种方式就是把钢板浸入水或油里进行淬火。由于很难保 证钢板同时进入到淬火介质里，钢板冷却有先后，冷却速度不同很容易造成钢板的翘曲 和性能不均。( 2 ) 喷淬式：喷淬式又分为压力式和辊式两种。压力式淬火就是先用压头 将淬火钢板压住，再向钢板的上下表面喷水进行淬火。这种方式，钢板和压头接触的地 方无法淬火，接触部分的钢板性能和其它部分性能不同，造成整块钢板的性能不均匀并 且容易翘曲。而辊式淬火就是钢板通过辊道输送到淬火区进行淬火，钢板在运动中进行 淬火。这种方式先采用高压水快速冷却，使钢板表面温度迅速降低到约5 0 0 。c 以下，同 时保持钢板上下表面相同的冷却速度避免钢板的翘蓝。然后用低压大水量继续冷却钢 板，直到钢板温度降到8 0 以下或室温。由于辊式淬火机生产的钢板质量更好、效率更 高，所以现代化的中厚板热处理生产线多采用辊式淬火机【l 4 。 目前世界上仅有德国洛伊( l o i ) 公司、美国d e v e r 公司和日本石川岛播磨公司等 为数极少的几个厂家能够提供中厚板辊式淬火机设备。当前德国洛伊( l o d 公司已成 - 】 ，：； 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 为我国中厚板企业新上辊式淬火设备的唯一供货商，形成了事实上的技术垄断【l ，7 ，8 ，1 4 1 。 目前日本、德国在这项技术上居于领先地位，而我国则刚刚起步。 中厚板淬火过程中，淬火钢板的温度控制和板形控制是中厚板辊式淬火机开发应用 中的重要技术难题。目前，国内仅有几家钢厂利用引进的国外技术进行生产，而科研机 构对淬火过程中的温度控制和板形控制研究较少。本课题就是在这样的背景下，依托太 钢集团临钢热处理线中厚板辊式淬火机项目，首先建立了中厚板淬火冷却过程温度场模 型，分析了淬火过程中的温度分布情况；结合辊式淬火机的设备特点，分析了中厚板淬 火冷却过程中钢板纵向、横向、厚度方向上冷却不均匀的因素，研究了满足中厚板辊式 淬火过程的板形控制策略。为进一步开发淬火工艺技术和制定合理淬火工艺制度提供理 论依据。 1 2 中厚板热处理工艺类型及国内设备概况 1 2 1 中厚板热处理工艺类型 中厚板生产热轧工艺条件具备以后，为了进一步提高产品质量及强度级别，以获得 优异综合性能的钢板，主要靠热处理工艺。钢的热处理是指钢在固态下通过加热、保温 和冷却来改变其内部组织，从而获得所需要的机械性能的一种方法。钢材通过热处理工 艺可以获得各种优良性能是钢材本身的一大特性。中厚板的热处理工艺主要包括形变热 处理和常规热处理【1 5 】。 形变热处理也叫在线热处理，是将塑性变形和热处理有机结合在一起的一种复合工 艺。既将热轧的钢板在轧制线上进行控制轧制和轧后加速冷却后，进行一定温度的回火 热处理如图1 1 所示【1 6 1 。形变热处理分为高温形变热处理和低温形变热处理两类。采用 在线热处理工艺生产的钢板比用常规热处理工艺生产的钢板生产工序大大简化。其中控 制轧制可细化晶粒，提高屈服点和韧性，而控制冷却可降低合金元素和碳当量，提高可 焊性，且可放宽其控轧条件，提高终轧温度，使性能的各向异性减轻。将控轧与控冷有 效地结合，可使钢板性能明显改善，生产成本降低，并可节约贵重的合金元素。控冷是 实现形变热处理不可缺少的工艺，按最终冷却后钢板的金相组织，可分为以下几种工艺 类型： ( 1 ) a c c ( a c c e l e r a t e dc o o l i n gc o n t r 0 1 ) 处理：利用轧后余热，进行快速冷却，其 冷却速度均在马氏体转变温度以上，仍为珠光体型金相组织。这种工艺适用于普通碳钢， 钢板的厚度范围一般在4 0 m m 以下。 ( 2 ) d q ( d i r e c t e dq u e n c h i n g ) 处理：钢板在控制轧制后的温度条件下进行快速冷 却，使钢板的最终冷却温度保证在马氏体转变温度以下，从而获得马氏体组织。这种工 一2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 艺适用于厚度在4 0 r a m 以上的钢板。 ( 3 ) q s t ( q u e n c h i n g a n ds e l f - t e m p e r i n g ) 处理：轧后的钢板在一定温度下进行高 速冷却，在短时间内使钢板的表面温度达到马氏体转变温度以下。而此时钢板心部温度 仍在马氏体转变温度以上，利用中心部位的温度使钢板进行自回火，获得综合性能良好 的钢板。这种方法一般适用于特厚钢板。必须用计算机严格精确地控制各项技术参数。 根据钢的化学成分、钢板的终轧温度、热轧终轧厚度及成品厚度等因素，用数学模型确 定冷却速度，进行在线控制，以保证获得所要求的金相组织和机械性能。 刨 赠 赵 赠 唧司晌司 商萄仞鞋敞嘲艺过程低温形夔粥虹驷型湖塞 图1 1 形变热处理工艺过程示意 f i g 1 1t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yg r a p h 尽管在线热处理技术的发展和应用领域的拓宽，已能实现部分高强度钢板的生产 【1 刀，使热处理品种范围缩小。但对于性能和强度等级要求较高的钢板，上述在线生产工 艺目前还不能在强度、韧性、以及平坦度指标上达到令人满意的结果【1 8 , 1 9 】，还难以取代 后续常规的离线热处理工艺。 中厚板的常规热处理有许多种，根据中厚板热处理的加热、冷却方法及获得的组织 和性能的不同。目前常见的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、淬火、淬火+ 回火等 2 0 , 2 1 】。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7 0 左右；其次是调质板，占1 5 左右；其它如回火板等占1 5 【羽。对于不锈钢板，还包括固溶处理等方式。中厚板常规 热处理的工艺类型和流程如图1 2 所示。 ( 1 ) 正火也叫常化或正常化：热轧钢板一般强度太高，韧性太低。将钢板加热到 a c 3 点以上，然后在空气中进行冷却可获得均匀的细晶粒组织及均匀的碳化物分布，从 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 而有良好的机械性能。通过常化处理后可获得符合技术条件要求的钢板。这种工艺一般 适用于屈服点在3 6 0 m p a 以上的低合金和厚度大于3 5 m m 的普通碳素钢板。 图1 2 中厚板热处理工艺流程示意图 f i g 1 2t h e h e a tt r e a t i n gt e c h n o l o g i c a lp r o c e s sg r a p ho f m e d i u mp l a t e ( 2 ) 调质处理( 淬火+ 高温回火) ：热轧钢板经过热处理后，使钢板温度加热到 a e 3 以下，出炉进行快速冷却，使其形成马氏体组织，然后再进行低温加热及回火处理。 采用这种调质处理必须要有高温加热的热处理炉和低温回火炉，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。对于要求具有较高屈服极限和冲击韧 性的低碳及低合金高强度钢，则常常使用这种调质处理。这种呈马氏体组织的钢板，具 有较低的脆性转变温度。代表钢种有油罐钢s p v 4 9 0 q 、耐磨钢n m 3 6 0 、军工板9 2 1 、 调质压力容器用钢0 7 m n c r m o v r 等。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 高温回火：一般合金元素含量较高的合金钢板，轧后需要立刻进行高温回火， 以消除钢板中的残余应力，加热温度都在a c 3 点以下。 除上述热处理工艺外，为挽救中厚板轧线上热轧后性能不合的板材，结合热处理 生产线设备，国内现已开发出正火+ 控冷( + 回火) 等新的热处理工艺【2 1 1 ，以满足中厚 钢板的性能要求。表1 1 为部分钢种热处理情况【7 1 。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 。i 部分专用中厚板钢号及热处理工艺 t a b l e1 1g r a d eo fp a r ts p e c i a lm e d i u mp l a t ea n dh e a tt r e a t i n gt e c h n o l o g y 1 2 2 国内中厚板厂热处理生产线的布置形式 目前，一般中厚板厂热处理生产线布置为两条：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式炉；也可采用辐射管加热无氧 化辊底式炉) 。目前鞍钢、浦钢都采用这种布置。 5 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 表1 2 国内中厚板厂热处理生产线装备情况 t a b l e1 2h e a t - t r e a t i n gf a c i l i t ys t a t eo fm e d i u mp l a t ep l a n t si nc h i n a 公司名称热处理设施投产时间备注 重钢第五轧钢厂 舞阳舞铁公司厚 板厂 武汉中板厂 鞍钢厚板厂 浦钢厚板厂 宝钢5 m 宽厚板厂 济钢3 5m 厚板厂 连续明火辊底式炉十淬火机：炉长2 3 0 0 0 ： 1 4 连续明火辊底式炉：长度6 0 0 0 0 ；内宽4 5 0 0 发生炉煤气 2 。连续明火辊底式炉：长度7 0 0 0 0 ；内宽4 5 0 0 m m ；燃料：天然 气；产量：1 8 万忱 连续无氧化辊底式炉+ 淬火机：长度4 1 0 0 0 m m 宽度4 1 0 0 m m ( 钢 板；淬火机长度：2 3 3 0 0 m ；小时能力2 0 t a ：燃料：天然气 1 8 连续明火辊底式炉：长度6 0 0 0 0m m ；宽度2 8 0 0 m m ：设计产 量：1 2 万妇；热料：混合煤气 2 4 连续无氧化辊底式炉+ 淬火机：长度6 8 4 4 0 m m ：宽度2 8 0 0 m m ； 淬火机长度1 4 4 8 m ；设计能力6 万仇；燃料：焦炉煤气 3 # 连续无氧化辊底式炉+ 淬火机：长度3 5 8 0 m ；宽度3 0 0 0 m m ； 年处理能力7 万蚀；淬火机长度1 8 2 m ；燃料：混合煤气 14 连续无氧化辊底式炉+ 淬火机：长度3 0 5 0 0 m m ：宽度4 6 0 8 m m ： 产量1 3 万忱 2 。连续明火辊底式炉：长度4 6 8 2 5 m m ；宽度4 6 0 0 m m ；产量1 5 万v a 1 9 8 4 重庆钢铁设计总院 1 9 8 6 年北京凤凰公司 2 0 0 4 年德国l o i 公司 1 9 6 8 年原苏联设计 1 9 9 9 年德国l o i 公司 2 0 0 5 年德国l o i 公司 1 9 9 1 年日本二手设备 1 9 9 1 年日本二手设备 1 4 明火双步进梁式热处理炉：长度3 2 0 0 0 m m ；宽度4 2 9 0 m m ：2 0 0 3 年德国二手设备 设计产量1 6 2 5 t h ：燃料：发生炉煤气 ”2 4 辊底式连续常化炉+ 淬火机：长度5 8 0 0 0 m m ；宽度3 6 6 0 m m ； 2 0 0 3 年d r e v e r 公司 产量1 5 万讹；( 其中1 0 万吨奥氏体不锈钢板) ；燃料：天然气 ( 已被l o i 收购) 连续无氧化辊底式炉+ 淬火机：炉长6 3 0 0 0 m m ；钢板宽度最大2 0 0 5 年l o i 公司设计和供 4 8 0 0 m m ；燃料：混合煤气；处理能力约1 4 万仇；淬火机长度货 2 6 2 m 连续无氧化辊底式炉l 座：炉长6 9 0 0 0 m m ；处理钢板宽度最大 3 2 0 0 m m ；燃料：混合煤气；处理能力1 5 万t a 2 0 0 5 年 北京凤凰公司 鞍钢5 m 宽厚板厂连续无氧化辊底式炉l 座；淬火机1 套 2 0 0 5 年l o i 公司设计 太钢五厂 连续辊底式炉1 座；管层流淬火机1 套 2 0 0 1 年北京科技大学设计 太钢临汾中板厂 连续辊底式炉1 座；辊式淬火机l 套 2 0 0 6 年东北大学设计供货 湘潭3 8 m 厚板厂连续辊底式炉l 座；连续明火辊底式炉l 座：淬火机l 套筹建l o i 公司设计 唐山中厚板厂连续辊底式炉1 座；辊式淬火机l 套 筹建东北大学设计供货 上钢五厂连续无氧化辊底式炉+ 淬火机 筹建东北大学设计供货 注：目前正在进行调质线寻价的有济钢厚板厂、重钢中板厂、首钢在山东建4 3 0 0mm 宽厚板厂、 秦皇岛4 3 0 0m i l l 宽厚板厂等。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 作为我国特种宽厚板生产厂的舞钢配备有目前国内最齐全的热处理生产线，在2 0 0 5 年调质线建成后仅连续式热处理线就有3 条。武钢的3 号炉在2 0 0 6 年1 月份已建成； 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3 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于2 0 0 5 年7 月建成投产，顶留一期调质线场地；鞍钢、南钢也在考虑增建热处理生产线。 1 2 3 国内中厚板热处理生产线设备现状 2 0 0 0 年以前，我国整体的热处理装备和热处理水平都很低，原有中厚板生产厂2 6 家，配置热处理设备的仅有重钢五厂、舞阳厚板厂、武钢中板厂和鞍钢厚板厂四家。重 钢五厂的热处理炉是1 9 8 0 年国内自行设计的辊底式明火炉；舞阳厚板厂热处理装备齐 全，也是上世纪8 0 年代国内自行设计的；鞍钢厚板厂安装的两座辊底式热处理炉：一 座明火炉，一座无氧化淬火炉带淬火机，是上世纪9 0 年代从日本买回的旧设备。这些 热处理设备无论装备技术和控制技术都已经落后，和国际先进水平相比有很大的差距。 到了2 0 世纪9 0 年代末，武钢轧板厂率先引进，并建设了一条无氧化的辊底式炉，该热 处理炉采用了世界先进的热处理设备和控制技术，是我国当时装备水平最高的热处理生 产线。进入2 l 世纪以来，随着中国经济的迅猛发展，以及对高质量中厚钢板需求不断 地增长，武钢轧板厂和舞阳厚板厂加快了热处理设备改造和建设步伐，进一步增强热处 理的能力，又开始建设现代化的辊底式热处理炉。浦钢也购进一座二手热处理炉并新建 了一座无氧化辊底式热处理炉。同时近二十多条现代化的中厚板和宽厚板生产线在这个 时期进行建设，中厚板的生产技术得到了较快地发展和提高，其中部分中厚板生产线同 步规划了热处理生产线，虽然目前同步建设热处理线的并不多，但是已有不少中厚板厂 正在筹备建设。国内中厚板厂热处理生产线的装备情况如表1 2 所示【l ，7 1 。 1 3 中厚板淬火设备发展概况 中厚板离线淬火设备主要有压力淬火机和辊式淬火机两种形式。直接淬火设备因各 钢铁厂的工艺需要不同，多是在加速冷却设备的基础上相继开发出多种形式的直接淬火 设备。离线淬火设备和在线淬火设备的特点及发展概况如下。 ( 1 ) 压力淬火机 压力淬火机是通过压头将钢板压住后同时喷水冷却，钢板在冷却过程中静止不动， 钢板被压紧以防止变形。2 0 世纪6 0 年代以前，国外如美国钢铁公司( u s s t e e l ) 以及 日本各钢铁厂等中厚板的淬火处理大多采用压力淬火机【z z j 。 压力淬火机是将加热后的钢板送入淬火机内下机架将钢板顶起，与上机床架间形成 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 压力，进行喷水淬火。其特点为：利用上、下机架压力，抑制钢板淬火变形；上下喷水 量不均匀，造成钢板变形不均匀、淬硬层不均匀；同时压爪造成淬火钢表面存在软点及 压痕；机架长度限制淬火钢板长度。目前压力淬火设备已逐渐被淘汰。 ( 2 ) 辊式连续淬火机 辊式淬火机是将上机架辊与下机架辊之间的辊缝调整到板厚+ l 一2 m m ，钢板在辊间 运动。通过机架长度方向上、下水量分区的调整，钢板在向前运动中淬火。辊式淬火机 采用高、低淬火区连续淬火，高压区水系统压力一般为0 8 m p a ，低压区水系统压力为 0 4 m p a 。高压区采用高水压、大流量以最大限度吸收钢板表面的热量。然后，钢板进入 低压淬火区以适当水量继续冷却，最终使钢板温度降到室温。特点为：调整各区域上、 下水量比及通过上、下机架辊抑制钢板变形；钢板淬火均匀，无软点钢板长度不受机架 限制。全过程与热处理炉实现联动控制。目前已成为国内外中厚板企业淬火设备的首选 型式瞄矧。 表1 3 专用中厚板的冷却方式及强度水平 t a b l e1 3t h ec o o l i n gm e t h o da n ds t r e n g t hg r a d eo fs p e c i a lm e d i u mp l a t e 注：a c ( a c c e l e r a t e dc o o l i n g ) - 快冷d q ( d i r e c t e dq u e n c h ) 一直接淬火 ( 3 ) 在线直接淬火设备 上世纪7 0 年代末，人们尝试以再加热淬火的实用材料为基础，利用较为经济的直 接淬火及回火工艺来开发生产高强度钢。直接淬火通常采用中温加热、高温精轧，从再 结晶后稍稍变粗的奥氏体开始淬火 2 5 1 。其实质是在热轧终轧后，轧件处于奥氏体组织状 态时，通过急冷处理产生马氏体或马氏体+ 贝氏体，细化晶粒，起到改善材质韧性的作 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 用。根据研究，直接淬火钢的强度要高于再加热淬火钢的强度【2 引。原因在于，与再加热 淬火相比，奥氏体加工组织发生的相变马氏体晶粒变得微细。同时，由于直接淬火的加 热温度提高，合金元素尤其是碳氮化物生成元素等在奥氏体中均匀固溶，有助于提高钢 的淬透性。热轧后快冷和直接淬火钢板的应用最近己扩展到所有钢板市场。上世纪8 0 年代，在线快冷仅限于造船、管道和海洋结构用钢。今天，建筑、桥梁和水电站用钢也 作为在线快冷产品生产。要求深度快冷或直接淬火后再回火的新型钢已被开发出来，抗 拉强度最高已达到9 5 0 m p a 如表1 - 3 所示【2 7 1 。德国迪林根钢铁公司报告了通过使用快冷 和直接淬火技术开发新钢种的情况。这些产品包括冲击性能更好的耐磨钢、厚壁结构钢 ( 达7 5 m m 厚) ，a p l 5 l x l 0 0 管线钢。为了大量生产这些产品，迪林根将现有快冷设备 早期冷却阶段的冷却能力提高，使之能够进行直接淬火和深度快冷。迪林根正在研究直 接淬火之后再回火，用于生产7 0 m m 厚、屈服强度达5 5 0 m p a 和2 0 m m 厚、屈服强度达 6 9 0 a 的钢板。 1 4 温度场的计算方法及研究现状 在中厚板淬火生产过程中，钢板的温度变化过程对其显微组织变化的影响远远大于 平均冷却速度对它的作用，因此要保证钢板的最终力学性能及良好板形，必须了解钢板 任一部位的温度变化情况，必须控制冷却温度、冷却速度及整个钢板表面冷却的均匀性。 因此研究中厚板淬火冷却过程的温度变化，做到准确模拟淬火过程的温度场，对优化淬 火设备的工艺参数、建立精确的过程控制模型有着重要的意义 2 8 】。 钢板在淬火冷却时，其温度分布严重不均匀，因此钢板在冷却过程中的温度场变化 是个复杂的过程，其温度场的计算目的在于： ( 1 ) 根据钢板淬火前温度和淬火后温度，经过温度场计算可以确定淬火冷却速率 及淬透层的厚度，为淬火工艺提供依据。 ( 2 ) 钢板淬火时造成的轧件断面上的温度差会造成板材内的淬火应力，如果淬火 应力过大就会造成裂纹。因此温度场的计算是淬火应力计算的前提条件。 1 4 1 温度场的研究方法 对温度场的求解方法很多，习惯上把导热问题分为两大类：一类是精确解法，另一 类是近似解法。精确解法通常指的是用分析方法求解，求得解称为精确解。而其它方法 都归结为近似解法，如数值计算的法、图解的方法、模拟的方法等。这些方法也是目前 比较常见的、比较全面的温度场求解方法【2 9 】。下面作以简单介绍。 ( 1 ) 分析求解的方法：以数学分析为基础，求解导热微分方程定解问题或其它形 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 式导热问题，得到用函数形式表示的解为分析解，也称精确解。分析解的优点是：整个 求解过程中物理概念与逻辑推理都比较清晰；求解过程所依据的数学基础大都已有严格 的证明；求解的最后结果比较清楚的表示出各种因素( 如边界条件、物性条件、时间条 件) 对物体内温度分布的影响；另一优点是它的结果作为其它各种方法，尤其是数值求 解方法精确性的一种检验。因此，分析法是人们采用的主要方法之一。分析法的缺点是， 它只能用于求解比较简单的问题，对于稍微复杂的情况，如几何形状不规则的物体，材 料的热物性参数随温度等因素变化，换热的边界条件等，分析求解几乎全都无能为力。 针对这种情况，在实际采用分析解时，权衡它的利弊，在一定条件下，对原有问题作一 些理想化假设，可得到比较简单的数学模型才能顺利求解。 ( 2 ) 数值求解的方法：数值求解的方法时以离散数学为基础，以计算机为工具的 一种求解方法。它的理论基础远不如分析法那样坚实、严密。但在应用方面，在实际问 题前面却显出很大的适用性。对复杂几何形状、变化的物性、辐射边界条件等问题，用 数值求解方法都能较好的解决。到目前为止，一般稍微复杂的导热问题几乎都依靠数值 方法求解。 ( 3 ) 模拟的方法：采用实物模型，并在其中进行实验。基于热流与另一熟悉的物 理现象的数学相似及可比性。其优点是可直接获得数据，可以检测数值解的正确性。缺 点是受实验条件和经费的限制。通常，许多传热的基本数据以及用解析法和数值法难以 解决的一些问题多采用此法。 ( 4 ) 图解法可用于求解稳态及瞬态导热问题。瞬态导热的作图法称为图解法，作 图用手工进行，其精度取决于作图人员的技巧。采用近似的图解法，没有数学上的困难， 可以对温度场作粗略的计算。主要内容是等温线与热流线的网络图，而且两者必定互相 垂直。随着计算机的广泛采用，作图法已逐渐被淘汰，但在一定条件下可作为数值解的 预测。 在实际工程计算与温度分布有关的问题时，这四种方法各有其最适合的应用范围。 用实验法获得过程基本数据，数值模拟时可得到不同条件下的直观而真实的温度场模 型，再用实验得到的数据对模型进行验证。而解析法和图解法可用于求解温度场的前期 估算，使研究人员对所要处理的问题有大致的了解。 1 4 2 温度场的数值求解方法 导热问题数值求解的方法主要有有限差分法和有限元法。有限元法的数学原理是变 分原理与剖分插值。适合于求解各类力学和传热学问题，具有很高的精度。导热问题中 有限差分法的物理基础是能量守恒定律。它可以从物体内取任一元体，通过建立该元体 1 0 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的能量平衡来得到有限差分的方程，也可以直接从已有的导热方程与边值条件来得到相 应的差分方程。它的基本思想是，把本来求解物体内温度随空间、时间连续分布的问题， 转化为求在时间领域与空间领域有限个离散点上的温度值的问题。用这些离散点的温度 值去逼近连续的温度分布。国内已有学者采用数值解法对中厚板淬火过程中温度场进行 模拟计算。 文献 3 0 】采用有限差分法建立了“二维、变物性、无内热源、非稳态的钢板温度场” 计算模型，编制了依据钢板实际冷却曲线反算对流换热系数的计算程序，结合冷却水在 相应位置的流动状态，回归出不同冷却区域下对流换热系数与钢板表面温度的关系式， 从而编制了模拟高温钢板在压力淬火机中冷却的温度场计算程序。 文献 31 建立的中厚钢板淬火过程温度场模拟几何模型及数学模型，利用a n s y s 有限元分析软件，获得了1 2 m n n i v r 材质3 2 m m 厚钢板淬火过程温度时间曲线、瞬态 温度场分布、上表面与中心温差时间曲线。 有限元法的算法比较复杂，在计算中耗费时间较多，因而在温度场的数值求解中有 限元法应用较少。当冷却介质是流体时，尤其以喷射水作为冷却时，由于描述其过程的 物理方程和数学方程很复杂，因而目前认为有限差分法占主导地位。并且采用有限差分 法来求解钢板的温度场，已完全可以满足生产需要 3 0 l 。在工程误差允许范围内差分法算 法简单，得到了广泛的应用。故作者采用有限差分法进行温度场的数值求解。 1 5 中厚板冷却过程中的板形控制策略概述 中厚板在进行控制冷却时，钢板均匀冷却的控制能力及其程度，决定着待冷钢板性 能的均匀性。更重要的是，钢板冷却均匀程度决定着钢板冷却过程中的形变程度。影响 钢板均匀冷却的因素主要有：冷却方式、上下冷却的不均匀性、冷却水流量分布以及钢 板自身条件。而事实上各种因素往往是交互作用的，因此，很难找到一种有效的方法来 消除这些不利因素，只能对其中的主要因素采取一些措施，同时兼顾其它因素的影响【3 引。 对于中厚板在控冷过程中由于横向温度不均而发生变形，文献 3 3 1 提出边部遮蔽的 策略，这也是目前最常用的措施之一。即采用边部遮蔽挡板，并以一定的遮蔽凸度布置 挡板，即各个遮蔽挡板的位置参差交错，这样既满足钢板边部的冷却水量减小，又保证 了边部受到一定的冷却。 文献【3 4 】在介绍中厚板控冷技术的难点时指出，由于水在钢板上下表面的停留时间 和流动状态不同，所以造成上下冷却的不均匀性。如果对此不加以控