辊式淬火机水系统介绍及淬火过程控制要点

辊式淬火机水系统介绍及淬火过程控制要点刘伟中厚板广泛地应用于造船、重型机械、电站、石油、天然气管道、桥梁及国防科技等各行业中，这些性能优异的中厚板大都经过热处理后性能才能够满足要求，而淬火在钢板的热处理工艺中占有很大比重。中厚板经过淬火及回火处理后的性能能够大幅度提升，但淬火是热处理中比较复杂、难度较大的工艺。目前，中厚板淬火生产中的主流设备是辊式连续淬火机，辊式连续淬火机与传统固定式压力淬火机最大的不同之处是能使钢板在运动中进行淬火，钢板面淬火均匀、无软点；淬火钢板长度不受机架限制，能够有效避免淬后瓢曲，可以以极高的冷却速率将钢板冷却到室温，因此辊式连续淬火机已成为当前中厚板生产企业宽厚板淬火冷却设备的首选型式，如宝钢、舞钢、武钢、太钢、鞍钢、首秦、包钢、南钢等企业的中厚板热处理线连续淬火设备均采用辊式连续淬火机，该类型的淬火机能够生产出高韧性、高强度和焊接性能良好的中厚板。但辊式淬火机淬火冷却速率很高，工艺复杂，冷却过程控制难度很大，价格昂贵。本文以首秦辊式连续淬火机为例，介绍该类型淬火机冷却水系统的构成及淬火过程控制要点。其淬火机类型为辊压连续淬火机，最大可生产钢板宽度为4．2m，长度为26m，为德国LOI公司设计制造。目前宝钢、舞钢、武钢、鞍钢、包钢等各大钢厂热处理线的淬火机组均为LOI公司设计制造。但是国内的东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(RAL)研发的辊式淬火机装备也逐渐推广到了宝钢、酒钢、南钢等国内钢铁企业。1辊式连续淬火机构成淬火机设备结构由冷却水系统、吹扫系统、提升系统、传动系统、液压系统等组成，其中冷却水系统起到关键作用。考虑到加速冷却的高精度控制要求和钢板材质的多样性，冷却水系统设计为高、低压两段式喷水系统，其中高压段水压为0．8MPa，低压段水压为0．4Mpa。所有的水均由水塔供给，水塔高度在50m，考虑到沿程阻力损失，到达喷嘴处的水压在0．4MPa左右。因此，为了满足高压段水压0．8MPa的要求，需要在高压段供水管路上安装加压泵进行提压。低压段供水直接从水塔引下的水压力即可满足要求。高压区的目的是为了保证用大量的高压水冲击钢板表面以实现淬火初期快速降温的目标。高压区喷水系统的喷嘴由三种形式构成，分别为水幕喷嘴(或称为狭缝式喷嘴)、密集喷嘴和单排喷嘴。低压区的目的是利用水来冲走由钢板内部传导来的可能会导致回火的热量。低压段喷水系统由51组低压喷管组成，每根喷管上开有4排直径为2mm的低压喷水孔。高压段和低压段之间的联通阀基本上处于关闭状态，只有在特殊情况下可以由手动打开。在高压段与回水池之间设有旁通阀，如果所用加压泵的加压电机是高压而且是工频的，由于高压电机不适合频繁的启动，因此加压泵一旦开起来就要连续运转。当一块板淬火结束时，加压泵仍然按照原来的频率工作而高压段喷嘴将会逐个关闭，此时就会引起高压段管道内的水压产生波动，还会使高压段管道内压力急剧上升产生“水锤”。水锤压力瞬间能够达到2MPa左右，如果超出管道的设计能力，则会将管道炸裂，后果相当严重。因此旁通阀的主要作用是在高压段喷嘴连续关闭前打开，提前将高压水泄走，形成一个小循环，旁通管道的直径要与高压段总水量相适应。在下次淬火时旁通阀再关闭以保证高压段压力。如果加压泵的加压电机是变频电机，则在淬火结束时将泵的转速逐渐降下来，以降低管道的压力，也可以避免水锤的产生，待到下一次淬火时再将加压泵的转速提上来以保证高压段的压力。采用变频泵还可以将旁通管道的直径相应的变小，因为变频泵不像工频泵那样有大量的水循环，同时也可以大大降低电能的消耗。另外，各管路的阀门开闭最好是慢开慢关，开的时间最好控制在1—3s之间，关的时间控制在4—6s之间，尤其管径粗、流量大的管路关的时间要尽可能的延长，因为在关闭阀门的过程中水流对管道及阀门的冲击很大，水锤效果极其明显，低压段最后一道阀门关闭时瞬时的水压能够达到12kg左右，甚至更高。秋冬交替季节由于气温降低，尤其是北方地区温降更大，水管道会发生收缩，此时极易发生水锤而导致管道崩裂事故。因此秋冬季节及冬春相交季节操作人员一定要注意淬火机开关阀过程中的水压变化。2喷嘴介绍淬火机喷嘴的基本布置形式及分区如图1所示，其中1—14区为高压区，采用流量计进行精准流量控制；15—20区为低压区，没有流量计仅通过阀门开口度进行流量的控制，精度较差。水幕喷嘴(或称为狭缝式喷嘴)布置于淬火机第三根辊道后，喷嘴距离钢板上下表面的距离是固定的，但可以通过调整上框架的高度来满足不同厚度钢板的淬火需要。水幕喷嘴与钢板的角度对板形控制很重要，淬火机的设计喷射角度在正常角度25°时允许有2°偏差，满足20—30°范围即可。水幕喷嘴角度调整对控制淬火钢板变形至关重要，如果角度调整不正确，则对于薄的低合金钢板是不可能获得好的平直度。在该喷嘴的冷却作用下钢板表面温度的温降在1—2s内可以达到400℃左右。水幕喷嘴布置于第1区至第6区，第1、2、3区位于钢板上部，第4、5、6区位于钢板下部，大体上可以认为第2区和第5区的宽度相同为2600mm，第1、3、4、6区宽度相同为950mm。两组密集喷嘴设置在水幕喷嘴后，每组喷嘴各有3排高压喷水孔，喷水角度在30—45°。密集喷嘴的目的是在钢板表面保持强紊流大流量水，这样可以灵活性控制淬火水压力和钢板平直度。从该区域出来后钢板表面温度较低，核心温度仍然较高，在400℃左右。如果此时停止喷水，则核心温度会向表面传递。密集喷嘴布置在第7区至第12区，第7、8、9区位于钢板上部，第10、11、12区位于钢板下部，大体上可以认为第8区和第11区的宽度相同为2600mm，第7、9、10、12区宽度相同为950mm。水幕喷嘴和密集喷嘴在宽度方向上分为三段，主要是因为生产宽度小于2．5m的淬火钢板时，仅开启第2、5、8、11区即可满足生产要求。但是生产宽度大于2．5m的钢板时，尤其是宽度在4m左右的薄钢板，其板形极难控制，很容易瓢曲，这时不仅要调整上下喷嘴的喷水比，还需要调整宽度方向上左右的喷水比。单排喷嘴上下各有6排布置在密集喷嘴之后，主要作用是继续冷却钢板表面进而减低钢板核心温度，从该区域出来后钢板表面温度约在500℃左右，钢板内外温度趋于平衡。低压段喷水系统由51组低压喷管组成，每根喷管上开有4排直径为2mm的低压喷水孔。经过低压段后钢板的温度降为室温，淬火过程完成。为了除去淬火后钢板表面残余冷却水，淬火机出口安装有吹扫装置。3淬火过程控制要点当水喷淋在高温的金属表面，立刻会有一层蒸汽薄膜产生，阻止热量进一步传递。该区域被叫做薄膜状沸腾区域。一段时间过后，只有当表面温度充分降低，蒸汽薄膜才会消失，传热增大到某一最大值。这一区域被叫做过渡沸腾区域。蒸汽薄膜消失的点叫做莱顿弗罗斯特点。这一瞬间取决于钢板上水的喷淋速度和钢板表面特性。喷淋冷却(通过沸腾液体传热，见图2)在第三类传热边界条件下，钢板外部通过蒸发流体传热(喷淋冷却)参见不同淬火机不同状态下的边界条件图。传热具有3种不同的状态：薄膜沸腾区域、过渡沸腾区域和自然对流的成核区域。传热量最大的那点称作burn—outpoint(临界热流量)。这个温度和最大传热量也与喷淋的水流密度有关。各自的对流传热区域取决于喷淋水流密度和水温。这两个区域被称为泡核沸腾区域和自然对流区域。水幕喷嘴喷出的水与钢板上下表面的接触面为一条线，水冲击钢板的位置命名为“第一冲击点”。在第一冲击点处，冷却水与表面温度高达900℃的钢板接触，产生大量的水蒸汽堆积在钢板表面形成薄膜状沸腾区域，在到达莱顿弗罗斯特点之前该蒸汽层会影响钢板的散热。从而对钢板淬火层深度及淬火板形产生不利的影响。因此淬火机专门设计成一种螺旋辊道，随着该辊道的转动，蒸汽层将被打破，同时将堆积在钢板表面的高温水向钢板两侧导流。使由水幕喷嘴喷出的新冷却水能够直接接触钢板表面，从而加速降温效果。第一冲击点设计在尽可能靠近第一根螺旋辊的位置，以便于螺旋辊发挥作用。水幕对钢板的角度也很重要，喷射角度应在20—30°之间，淬火机设计允许在正常角度25°时有2°偏差，满足20—30°范围。水幕喷头角度调整对控制淬火钢板变形至关重要，如果不调整角度对于薄的低合金钢板不可能获得好的平直度。钢板在淬火的过程中，水幕喷嘴对板形的控制起到关键作用，尤其是薄钢板。如果在该区域的板形发生变化，则在以后各段的冷却过程中，板形难以改善。因此水幕喷嘴的角度调整是淬火机设备调整的关键所在，水幕喷嘴的角度调整可以采用甘油木试验法。取2块约150mm、1．5—2m长的木条，并在木条两侧均匀涂上黑甘油，保证甘油厚度为2mm且光滑，放置到淬火机水幕喷嘴处的辊道两侧，木条相对于淬火机中心线轻微倾斜。木条进入淬火机后将淬火机上部辊道压在上面。水幕喷嘴打开到正常操作压力，木条向前运动进入水幕。几秒种后，木条退出水幕喷嘴并关闭水系统，水幕在甘油上留下印记，测定上下表面冲击点的偏差，精度在1mm内。甘油木条测试在每次调节水幕喷嘴后实施，定期进行，以检测水幕喷嘴的角度是否有变化。淬火机为精度高的机械设备，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。该淬火机在工程调试期间曾发生过较原来相比在淬火工艺、钢板材质、规格均未发生变化的情况下而连续淬火数块板形均变形严重的情况，经检查发现淬火机上部辊道框架发生了变形，右侧比左侧高，中间比两端高，经过重新调整后再淬火时板形控制良好。淬火机上下水量的分配，也关系到钢板的板形控制，钢板只用上部水淬火将出现镰刀弯，反之亦然。冲击在上表面的水将停留在钢板上，而下表面的水将滴落，因此必须是下部的水量大于上部的水量。根据钢种及钢板厚度的不同，上下水比一般在1：1.1至1：1.4之间。尤其是水幕喷嘴的水比不仅关系到板形的好坏，还影响着淬透的厚度。钢板的速度对平直度也有影响，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，导致钢板出现蝶形。因此调节速度对控制钢板平行度是有益的。对钢板速度的要求是，钢板通过高压淬火区后，钢板的内核温降应该达到500℃。该淬火机具有以下的优点：1)具备连续化生产的条件。该淬火机能够与热处理炉配合连续进行淬火生产，满足工业化大生产的基本要求。如16mm左右的淬火钢板，在炉时间仅30min左右，出炉间隔仅5min左右，根据热处理炉的长度和加热能力出炉间隔还可以更短，这就要求淬火机必须具备连续淬火的条件，以免成为产能释放的瓶颈。板形控制较好，通过对上下水比和宽度方向上水量的调整，可以得出一个最佳的淬火水量，如果各区水量配比较好，8mm左右的淬火钢板也可以得到较好的板形。2)淬火性能均匀。由于水幕喷嘴的特殊设计结构，它能够使水流成面状分布，在沿钢板宽度方向上各点的水量均匀分布，使钢板各点的冷却速度相同，从而使钢板性能均匀分布。4结束语该淬火机自投产至今，已经生产厚度规格由6mm至150mm的淬火钢板，其板形控制良好，尤其是厚度超过20mm的钢板。淬火机是一个庞大的系统结合体，而且随着运行时间的延长设备磨损会逐渐加剧，设备参数发生变化，因此只有对设备的参数及时进行调整，使各个系统有机结合起来才能够保证生产的正常进行。