中厚钢板的生产中控轧控冷工艺模板.doc

现在在中厚钢板生产中控轧控冷(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、造船板等生产中发挥了主动作用，大大提升了钢板综合性能，节省了宝贵合金元素。不过，TMCP处理钢板性能离散度较大，而且部分钢种要求很苛刻临界轧制。所以，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，传统离线热处理方法仍然是难以替换。所以一个定在生产高性能品种钢为主中厚板厂，建设一条现代化中厚板热处理生产线，是在设计之初就必需考虑问题。

    建设热处理工序应统筹考虑问题

    1 对炼钢、轧钢工序设备要求

    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乏关键设备，所以应定位在生产“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压缩比，配置有控轧控冷设施等。这就要求前面炼钢和轧钢工序含有生产“双高”产品条件，如炼钢工序要配置有铁水预处理设施、大吨位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，轧钢工序要配置有高刚度强力轧机、ACC(DQ)、强力矫直机等。

    2 对轧钢厂场地要求

    在建设中厚板厂时，要考虑精整能力足够大，也就是后面剪切、冷床等能力要大于前面轧钢能力，方便于充足发挥轧机潜能。一样假如一个中厚板厂定在生产高技术含量、高附加值产品时，就要考虑厂房后部工序要留有充足火焰切割、探伤、热处理生产线场地。

    因为对于需要热处理钢板来说，通常40mm以上厚规格钢板受剪切能力限制，需要火焰切割，而且热处理钢种很多要求逐张探伤。所以，在厂房设计时要留有足够场地，不然将严重制约生产能力发挥。

    探伤通常可安排在热处理之前，这么探伤不合可直接改判以节省热处理费用，但正火经过再结晶细化均匀组织，对于一些微小探伤缺点有改善作用，尤其是合金含量较高钢种。所以，有些品种可安排在热处理以后探伤。不过，热处理对于大分层和夹杂造成探伤缺点基础无能为力。
    中厚板热处理关键方法

    中厚钢板热处理关键方法有正火、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，处理量最大是正火板，包含正火+回火，大约占全部热处理产品70%左右；其次是调质板，占15%左右；其它如回火等占15%。中厚板热处理工艺步骤见图1。
    图1 中厚板热处理工艺步骤

    1 正火工艺特点及注意事项

    正火也叫常化或正常化，其目标在于使上一道工序中产生非正常组织(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点)经过重结晶、均匀化组织给予改善(对低碳钢为细小等轴铁素体+均匀分布块状珠光体组织)，从而改善其力学性能和工艺性能。

    正火能够作为预备热处理，也能够作为最终热处理。对机加工零件结构钢来说，正火多半作为预备热处理，为随即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，正火全部是作为最终热处理，使钢板含有所要求组织，从而使其含有所要求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。正火工艺可使现在普遍应用以Nb、V、Ti等强碳氮化物形成元素低(微)合金高强度钢板12延伸、低温冲击韧性和冷弯性能大幅改善。

    但值得注意是，正火在提升热轧低碳低合金钢板工艺性能同时，往往降低钢强度，屈服强度和抗拉强度通常降低20～50MPa，对于控轧控冷钢板严重可降低80～120MPa。所以，为确保钢板交货性能，在正火钢板成份设计时，应不一样于通常控轧控冷钢板，可合适增加C、Mn等固溶强化元素以提升强度(注意碳当量指标不要过高)，即使热轧后钢板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升。

    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，降低改判率。但随之而来一个问题是部分延伸、冲击不合需挽救产品本身强度富裕量小，轻易造成处理后强度反而不合。这除了在正火温度、时间上能够做部分调整外，还能够应用正火+控冷(+回火)工艺。

    为预防很多钢板正火后强度大幅降低，现在中国武钢、舞钢、重钢、太钢等全部开发了正火+控制冷却工艺，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)工艺，可很好地填补钢板强度损失，依据太钢经验，钢板强度可提升10MPa。对于控制冷却后钢板性能波动较大钢种或ASTM(美国材料和试验协会)中要求正火后加速冷却必需回火钢种还可应用正火+控冷+回火工艺。

    3 正火+回火

    在锅炉压力容器钢板处理中采取较多，尤其是CrMo钢多采取正火+高温回火。

    4 调质(淬火+高温回火)

    多年来，超级钢、超低碳贝氏体钢等生产技术蓬勃发展，很多传统调质处理生产屈服强度450MPa以上钢板利用超细晶等技术已经能够生产，但对于压力容器、石油储罐、桥梁、军工等关键结构钢板，很多标准和用户还是要求钢板以调质状态交货。所以，一条现代化调质钢板生产线对于提升中厚钢板厂产品档次是不可或缺。

    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。现在，调质热处理线全部是采取辊底式炉快速出炉后面配套辊压式淬火机。

    5 淬火+低温回火

    对于耐磨钢等要求表面硬度较高钢种多采取淬火+低温回火。

    6 在线直接淬火(DQ)+回火

    该技术是20世纪90年代以来发展新技术。利用轧后直接淬火设施(30mm以下较轻易)实施钢板在线直接淬火，然后进行离线回火处理，可大大节省热处理成本。现在在生产高强度低碳贝氏体钢、油罐钢等钢种时采取较多。
中厚钢板热处理炉炉型分类及比较

    1 中厚钢板热处理炉炉型分类

    中厚钢板热处理炉分类图2所表示，按工作方法分为连续式热处理炉和周期式间歇性热处理炉两种；按钢板运输方法分为辊底式、步进式、台车式、外部机械化式及罩式等五种；根据加热方法可分为明火加热和辐射管无氧化式加热两种。

    图2 中厚板热处理炉分类
    2 辊底式炉和步进式炉比较

    辊底式炉和步进式炉全部能够采取明火加热，但辐射管加热通常应用于辊底式炉。步进式加热炉关键优点是没有辊印和划伤，用于特厚板热处理有一定优势，但投资大，维护要求高，钢板最大输送速度受到限制，因为难以实现高速出炉，后面不能和淬火机配套，只能用于钢板正火、回火处理。

    辊底式炉可用于钢板正火、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。

    3 明火加热和辐射管加热比较

    辊底式热处理炉供热方法通常有两种：一个是明火加热；另一个是炉内通保护气体辐射管加热。不管是哪种加热方法，全部要确保炉温均匀性，并满足要求加热和保温时间。在以前提下，明火加热时，应尽可能控制炉内气氛为微氧化性气氛或靠近还原气氛，以取得很好钢板表面质量。

    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，预防钢板氧化，以取得愈加好钢板表面质量。需要说明是：通常采取钢板辐射管加热，入炉前需经抛丸机处理，清除掉钢板表面氧化铁皮，这么还能够降低炉辊积瘤。

    但明火直接加热辊底式炉还是易出现辊印、划伤、麻坑、氧化严重等表面缺点。钢板下表面辊印、划伤关键原因是炉底辊结瘤(高温氧化铁皮累积而成)引发，重者增加钢板修磨量，甚至发生辊印超深或修磨面积过大造成钢板判废，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， 尤其是船板抛丸处理后出现麻点等缺点。部分钢厂对表面质量要求高、价格昂贵钢板，采取加垫板消除辊印措施，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，分离不立即还影响钢板性能。

    为使钢板温度均匀和预防下表面划伤，应优先选择双步进梁式热处理炉和辐射管无氧化辊底式热处理炉。两种供热方法比较见表1。
    表1 两种供热方法比较

    (1)和明火加热相比，因为辐射管加热本身表面功率限制，辐射管加热烧嘴数量较多，所以操作点较多，维护量相对较大。

    (2)和辐射管加热相比，明火加热对燃料成份要求和燃料热值要求更高。燃料中有害成份会在一定程度上影响钢板表面质量；同时燃料热值不稳定，使得炉内气氛难以控制，所以直接影响钢板表面质量，也会加重炉辊积瘤。

    (3)两种供热方法相比，燃料消耗差异不大，尤其是近几年来，辐射管烧嘴性能改善和空气预热温度提升，燃烧效率深入提升，不管是炉温均匀性、还是燃料消耗全部取得了很好效果。

    (4)从趋势上看，除了用于不锈钢固溶高温热处理炉采取明火加热以外，伴随厚板行业对产品质量要求越来越高，越来越多辐射管加热热处理炉被厚板行业采取。

    4 其它炉型

    车底式炉、外部机械化式炉、罩式炉全部属于周期式间歇性生产热处理炉，关键用作特厚板、高温回火板、退火板(中厚板极少用)等生产。

    车底式炉也称台车式炉，采取传动台车进炉和出炉，常见于机械行业热处理车间，采取吊车装卸钢板，多用于正火、退火、回火；外部机械化室式炉采取装出料机装出钢板，一台装出料机可配置2～5座炉子，多用于正火、退火及厚板热处理；罩式炉关键用于退火和高温回火，必需时也可作为缓冷用，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。

    这多个炉子生产效率低，燃耗大，成本高，自动化程度低，新建中厚板厂采取较少。舞钢应用了外机炉、车底炉和带烧嘴缓冷坑，鞍钢、武钢配置有罩式炉。

    中国中厚板厂热处理线部署特点

    现在，通常中厚板厂全部采取两条线部署，一条调质线(辊底式正火炉后配套淬火机组)，一条正火线(可采取明火加热辊底式或步进梁式；也可采取辐射管加热无氧化辊底式炉)。现在中国鞍钢、浦钢全部是这么部署。

    作为中国特种宽厚板生产厂舞钢配置有现在中国最为齐全热处理生产线，在调质线建成后仅连续式热处理线就有三条；武钢3号炉在1月份也已建成；现在宝钢厚板厂在建两条新热处理生产线。这么舞钢、武钢、宝钢全部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。
    辐射管加热无氧化辊底式炉和辊式淬火机特点

    1 辐射管加热无氧化辊底式炉

    现在越来越多中厚板厂采取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(通常为氮气，N299.99%)保护，全辐射管加热，辐射管沿炉膛上下两排部署，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。燃烧系统通常采取混合煤气为燃料，本身预热式烧嘴(可预热空气到800℃)，通断式脉冲循环控制(ON/OFF)，最高炉温1000℃(板温970℃)。这种炉子温度均匀，炉温波动能够小于5℃，钢板性能稳定均匀，表面质量良好，自动化程度高。

    现在炉底辊通常采取Cr25Ni35(Nb)材质，中空不需要水冷，设有排气孔。炉底辊壁厚和驱动电机功率决定处理钢板厚度。炉底辊传动方法现在多为单电机变频驱动，可实现灵活多变控制。

    国际上辐射管加热辊底式炉设计处理最大板厚为200mm，最大板宽5400mm，最大板长26m(NKK京滨厚板厂)，最长辐射管式辊底炉为91.575m(川崎水岛厚板厂)和96m(新日铁君津厚板厂)。其处理钢板无氧化、表面质量好、性能均匀稳定。

    2 辊式淬火机

    依据淬火钢板规格和种类不一样，淬火可分为两种方法：连续经过淬火或高压段连续经过、低压段摆动淬火。所以淬火机大致可分为连续式和间歇式两种。中国武钢采取连续式，宝钢采取连续式和间歇式，浦钢采取间歇式。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，这么钢板淬火均匀，不易变形。

    辊式淬火机由上下两组辊道组成，上下两排喷嘴在辊道之间，钢板高速出炉(可达60m/min)，连续经过炉后辊式淬火机组，实现运动中淬火。喷嘴水量、压力、角度和钢板上下表面水量之比至为关键。

    辊式淬火机相对于固定式压力淬火机含有以下优点：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；淬火钢板长度不受机架限制；可和热处理炉实现联动控制。现在中国武钢、宝钢、舞钢调质线均由德国LOI热工工程提供，包含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，可进行钢板淬火、回火和正火。浦钢采取原美国DREVER企业(已被LOI吞并)设备，鞍钢系引进日本住友二手设备。中厚板淬火机因为专业性强、技术含量高、市场容量小，现在基础由德国LOI企业垄断。
    中厚板热处理线配套设施应注意问题

    1 抛丸机

    抛丸机组中国很多厂家全部能够制造，但和国外设备还存在差距，关键表现在抛丸头寿命，能够采取进口抛丸头方法。

    抛丸机质量好坏直接关系到抛丸后钢板表面质量，若抛丸及清扫不根本，将氧化铁皮带入炉内，轻易造成炉底辊结瘤，不仅划伤钢板，而且结瘤清理起来很困难。所以，抛丸机组工作正常是否对热处理钢板表面质量影响很大。

    2 燃料选择

    热处理炉用燃料比钢坯加热炉要求高，热值必需稳定。现在，钢厂采取天然气炉子较少，大部分全部是使用高焦混合煤气。

    在加热介质方面，最好选择热值高、纯净天然气，其次为发生炉煤气、再次为焦炉煤气或高焦混合煤气。较脏煤气在进烧嘴前，一定要配置有效脱硫和净化设施。

    不管是传统平焰烧嘴、直燃烧嘴、还是辐射管全部要求煤气纯净度高，所以应配置电除尘系统(电捕焦油器)。相对来说，明火加热热效率比辐射管加热高部分，但对热值要求也高部分。

    3 矫直机

    厚度20mm以上热轧钢板若板型良好，正火后通常不需要矫直。对热处理后板型不好钢板、调质板等应增设强力冷热矫直机。因为热处理钢板很多是高强钢和厚板，还可依据需要配套压平机。

    4 计算机控制

    在计算机控制方面，现在生产厂通常全部是三级控制。热处理线应最少采取二级计算机控制系统，热处理炉和淬火机分别配置各自一级PLC和二级数学模型并进行相互间数据传输和交换，同时和车间其它相关机组设备PLC和二级机保持通讯和数据交换。

    伴随中国中厚板生产线增多，将有越来越多中厚板厂上马热处理生产线，介入高端品种竞争。连续式正火炉后面应考虑建设合适加速冷却设备，以提升正火后钢板强度。伴随用户对钢板表面质量要求提升和调质板需要，辐射管加热无氧化辊底式热处理炉和辊压式淬火机将是中厚板钢厂热处理线首选。