具有我国自主知识产权的中厚板
淬火装备及工艺技术开发创新纪实
轧制技术及连轧自动化国家重点实验室技术创新巡礼
轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（以下简称RAL）按照“自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来”的国家科技指导方针，深入钢铁企业，根据企业提出的问题和国家发展与安全方面的重大需求，针对行业发展中的关键技术、共性技术和前沿技术，大力进行技术创新，开发企业急需的工艺、装备和产品，并加速科研成果的转化，助力钢铁工业的发展。特别是2008年下半年国际金融危机爆发以来，RAL借助于近年来科技研发得到的技术储备，以自己在先进制造技术领域完成的创新性成果为企业减负脱困，与企业共同努力，排除金融危机带来的影响，促进企业的发展，体现出科技是第一生产力的强大威力。RAL近年研发的中厚板热处理生产线和热处理工艺技术已经成功在现场应用，转化成生产力，在抵御金融危机、促进企业产品结构调整，提升企业产品效益过程中正在发挥重要的作用。本文结合高等级中厚板热处理生产线关键工艺装备－辊式淬火机设备及淬火工艺技术自主开发及创新纪实，介绍了我国轧制技术领军单位－RAL（东北大学）的技术创新之路。
1研发背景
1.1 国家需求
世纪之交到2004年，RAL与首钢、二重、自动化院等单位合作，承担国家重大装备研制项目“首钢3500mm中厚板轧机核心轧制技术和关键设备研制”，通过中厚板生产装备和工艺的自主创新和集成创新，实现了我国中厚板轧机核心技术的重大突破，为我国中厚板轧制生产线的技术改造和建设奠定了坚实基础。此后，随着国民经济快速发展的需要，国内钢铁行业开始大规模建设中厚板轧制生产线。
面对当时建设中厚板轧机的热潮，当时RAL专家、学者们敏锐地认识到，资源和能源是我国钢铁工业发展的瓶颈，为了实现钢铁工业的可持续发展，我们必须调动一切手段挖掘钢铁材料的潜力，开发减量化的生产技术和减量化的钢材产品。除了控轧控冷（TMCP）技术外，调质热处理仍然是高强度高附加值热轧钢材的重要生产方式，在提高钢材强度、改善钢材性能、挖掘钢材潜力方面是重要的共性和关键技术。在大规模的建设中厚板轧制生产线高潮之中或者之后，必然对热处理技术和装备提出迫切需求。中厚板热处理装备及工艺技术的开发是大势所趋，势在必行。
同期进行的市场调研也印证了我国对通过离线热处理生产的高强度优质钢材的需求非常迫切，我国工程机械领域急需的高强钢、耐磨钢，压力容器领域需要的高强、高韧储油罐用钢，高强、高韧的造船、桥梁用钢都对热处理装备和工艺技术提出了强烈的需求。这些产品所带来的巨大、丰厚的效益从另一个方面佐证了国民经济发展所提出的强烈需求。
1.2 淬火过程的难点和要求
淬火可以显著提高钢的强度和硬度，是高强度高等级碳素钢中厚板产品以及不锈钢板、特殊钢等板材产品热处理工艺中最为重要的组成部分。淬火是轧件从奥氏体区或者两相区的高温状态，以极高的冷却速度，冷却到马氏体温度之下，通常达到室温。在淬火过程中，必然伴同钢铁材料的温度降低和相变引起的体积变化。所以，淬火过程必须具备两个最基本的条件，即高的冷却速率和高的冷却均匀性。冷却速率随钢板厚度的变化而改变，通常要求达到该厚度下的极限冷却速率，能够对钢板的全断面实现淬火，这一点对于厚规格钢板尤为重要。冷却的均匀性会影响到材料处理后的组织的均匀性，同时也对钢板的板形产生决定性的影响。对薄规格钢板的板形来讲，冷却均匀性尤其是关键性的。
为了满足板材淬火工艺所需的高冷却速率和高冷却均匀性要求，必须开发出高效率、高性能的冷却装备以及相应的自动控制系统和工艺模型。
1.3 中厚板淬火设备开发状况
淬火机的发展经历了几十年的历程，最老型式的淬火机是将加热钢板固定到转臂上，通过转臂的转动将钢板浸没到淬火槽中，其冷却均匀性和冷却速率都满足不了要求。后来开发了一种带约束的有压力的淬火机，通过压头施加的约束，保证钢板的平直。
压力淬火机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。这种冷却方式由于压头处与钢板接触将造成冷却不均，尤其在压头的位置形成未淬火死区，容易导致淬火后钢板硬度不均和瓢曲变形，目前压力淬火设备已逐渐被淘汰。
目前钢铁企业现代化热处理淬火线大规模板材淬火工艺生产所用的淬火机为辊式淬火机。与传统的压力淬火机相比，辊式淬火机采用冷却强度不同的高、低淬火区连续淬火，钢板在运动中进行淬火，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。淬火过程中板材的平直度通过水量、水压、均匀性等的控制来予以保证，处理的钢板基本上不受机械设备长度约束。由于辊式淬火机具有钢板表面淬火均匀、无软点、冷却速率高、钢板长度不受机架限制，被广泛应用于现代化的中厚板调质热处理线，成为当前高强中厚钢板淬火生产的首选设备型式。但是由于辊式淬火机冷却速率很高，生产工艺复杂，淬火过程工艺控制难度很大，当今世界上仅有德国洛伊公司（LOI）和日本石川岛播磨公司（IHI）等为数极少的几个厂家能够提供中厚板辊式淬火机设备。尽管日本石川岛播磨公司具备供货能力，但除鞍钢厚板厂从日本住友金属和歌山厂以引进二手设备形式获得一套外，除此之外，IHI再未向我国钢铁企业提供中厚板辊式淬火设备。为满足生产需求，近年来我国大型钢铁企业不得不持续引进国外辊式淬火设备。实际上，在中厚板淬火设备领域，国外设备厂家已形成事实上的技术垄断。
为满足国内钢铁企业中厚板产品的淬火需求，国内部分科研单位基于中厚板轧后层流冷却技术原理，采用同中厚板轧后加速冷却方式相同的层流冷却设备，通过加密集管、增大水流量提高一定的冷却能力，进行板材的淬火处理。但是这种设备由于冷却机理及设备结构等原因，并不适合淬火冷却工艺。在冷却机理上，层流冷却设备的冷却能力和冷却均匀性并不能满足中厚板材的淬火冷却工艺要求。从技术发展及实际应用来看，中厚板辊式淬火机已成为现代化热处理线淬火设备的主流设备形式。
由于进口设备供货周期长，价格昂贵，加之外商采用淬火炉捆绑销售策略，造成中厚板淬火线设备成本高昂。国内如此众多的中厚板企业若完全依赖进口，高昂的设备进口采购成本将是我国中厚板企业实现产品结构调整的巨大障碍。且后续调试周期长，维护成本很高，导致国内钢铁企业在中厚板热处理淬火工艺产品开发方面制约因素较大。中厚板辊式淬火机设备及其相应的淬火技术，已成为国内中厚板企业建设热处理生产线、提高产品结构层次的重要制约因素，开发具有自主知识产权的辊式淬火机及淬火工艺技术，已经成为国内钢铁企业生产高强度、高附加值中厚板产品的关键所在。
2决策和储备性研发
2.1 决策：跨越式发展，消化吸收的基础上进行创新
为此，依靠国内力量，打破国外垄断，开发具有我国自主知识产权的中厚板辊式淬火机设备及相应的淬火技术，是为国内钢铁企业解决生产高等级中厚板产品设备和技术难题的根本途径。同时也是我国钢铁企业以较低设备成本实现高附加值中厚板产品生产、和产品结构调整的一项迫切需要解决的研究课题。
项目立项之初，项目的开发与技术方向决策实际上也并非坦途。当时国内钢铁企业轧后热处理线淬火设备的应用和配置现状一是以高昂的设备价格从国外（德国LOI）全套进口淬火线，淬火设备为辊式淬火机；二是采用传统的层流冷却机理，通过加密集管、扩大U型管直径等方式开发一种勉强具有一定淬火能力的冷却设备。而当时在RAL内部，也存在两种技术路线之争，是采用工艺技术难度大、具有一定风险但却是主流先进技术型式的辊式淬火机方案；还是选用具有一定工程经验基础、风险小、勉强可用的管层流型式的技术方案？孰是孰非，技术方案的选择决策最终到了王国栋教授的面前。王国栋教授基于多年对热轧板带材高强度均匀化冷却技术机理的研究认识以及长期以来对轧钢领域的技术开发实践经验，从技术发展和国内中厚板热处理线的实际需求出发，认为采用辊式淬火机技术方案尽管有一定的风险，但经过认真研究存在的风险技术问题，都是可以解决的。基于此，王国栋教授果断摒弃了以传统层流冷却为机理的设备结构模式，明确了采用中厚板主流淬火设备型式的辊式淬火机方案。而后来的实践也证明，以层流冷却为机理，采用中厚板轧后加速冷却方式的层流冷却设备模式，通过加密集管、扩大U型管直径等方法提高冷却水量以增大冷却强度的淬火方式，并不能满足中厚板企业的淬火工艺需要。对于薄板（厚度≤12 mm），通常保证不了淬火后的板形，钢板淬火冷却后瓢曲严重，导致大大增加后续矫直工作难度；对于厚板（厚度≥25mm），难以达到板材淬火所需的冷却速度及淬透层深度，导致板材性能不合格，很难满足国内钢铁企业高等级中厚板产品的淬火工艺需要。从此后发展来看，王国栋教授的这一技术方案选择对于我国中厚板热处理淬火装备及工艺技术的发展至关重要。
但是，选择采用中厚板辊式淬火机设备技术方案，虽然从淬火冷却机理研究及前期的冷却设备开发过程中积累了一定的经验，但由于中厚板辊式淬火机工艺技术复杂，其技术开发的难度可想而知。毕竟国外从设备研发成功到技术成熟，走过了近三十年的路，且国外设备厂家的技术垄断、专利封锁、工艺严格保密，国产设备的第一台套问题等等都是难以想象的工程实际难题。但是，王国栋教授认为，这都是技术方案工程实现道路上问题，通过认真的工程技术实施论证及缜密的工程实施过程，工程问题都是可以解决的，关键的是技术方案及路线的选择要合理正确。选择了正确的方向，就会与既定目标越来越近，这如同走路，选择了正确的方向，虽然过程中也会存在一定的弯曲和波折，但只要走下去，离目的地就会越来越近；但若选错了方向，则如同南辕北辙，将会越来越远，背道而驰。
2.2 关键问题之一：具有超高强冷却能力及横向冷却均匀性的狭缝式喷嘴开发
中厚板辊式淬火机设备研制的关键在于开发出具有高强度冷却能力、且流量分布合理的淬火喷水系统。由于中厚板淬火过程中冷却强度很大，喷水系统必须从结构设计上保证钢板在长度、宽度以及厚度方向的冷却均匀性。虽然层流特性的冷却设备已在板带材冷却过程中应用广泛，但是对于流速较高、湍流流动形态的喷嘴射流的流量分布和冷却均匀性问题，国内研究很少。淬火机喷水系统结构缺乏设计依据。同时，随着国外厂家对中厚板淬火设备的技术开发深入，国外相关设备厂商已申请了淬火喷水系统的相关喷嘴结构专利，形成了一定程度上的技术垄断。因此，开发出具有自主知识产权的流量分布合理的喷水系统结构是我国辊式淬火设备研制成功与否的核心所在。
课题组在认真研究相关喷嘴结构的基础上，从集管进水方式、均流装置、喷嘴体型等喷嘴结构因素对冷却介质流量分布的影响角度出发，根据实际工况参数，结合淬火机喷嘴出流流动形态计算分析，采用有限元大型分析工具ANSYS软件，系统深入研究了喷嘴结构参数对冷却介质流量的分布规律及对中厚板淬火过程冷却特性的影响规律。模拟计算和分析为辊式淬火机的喷水系统结构设计提供了重要的理论参考。
依托缜密的数值模拟计算，并结合深入的实际流场分布测试结果，成功开发出冷却均匀性良好、具有高强度冷却能力的我国自主知识产权的辊式淬火机喷嘴结构（已获得国家发明专利），为国产辊式淬火机设备提供了关键的淬火冷却系统设备。
2.3 关键问题之二：冲击换热数学模型开发和重要参数设计
建立针对中厚板辊式淬火机淬火冷却过程的热交换数学模型，获得淬火介质压力、流量与板材冷却强度的定量关系，是中厚板辊式淬火机淬火冷却系统实现工艺过程控制的重要环节。区别于常规层流冷却，其核心在于水冷过程的热交换机理不同。冷却水流冲击到高温钢板表面，经典的局部换热区描述形式如图2.5所示。
中厚板淬火过程中最为重要的是获得稳定可控的具有很高换热强度的微观换热过程。课题组从实际需要出发，围绕如下方面展开深入研究，并取得突破性成果。
（1）射流冲击换热机理及高低压连续淬火技术开发
中厚板淬火工艺要求稳定可控的高强度冷却过程。在深入分析对比各种热交换方式如射流冲击、核态沸腾、膜态沸腾等特性及影响机制的基础上，阐明射流冲击换热具有相对更好的稳定性与可控性，是满足中厚板淬火工艺的高强度换热方式。在此基础上，结合实验室试验及现场实测数据，建立了淬火介质压力、流量及换热强度之间数学模型。
辊式淬火机淬火冷却系统通常由两个淬火冷却区组成，分别为高压淬火冷却区和低压淬火冷却区，通过配置不同形式的喷嘴、供水配置以及不同的冷却介质压力，获得高、低不同的冷却强度。高压淬火区冷却水压力为0.8 MPa，依次为缝隙喷嘴、高密喷嘴和快冷喷嘴布置；低压区冷却水压力为0.4 MPa，由多组低压喷嘴组成。淬火过程中，钢板依次通过不同的冷却区，即先在供水压力较高的冷却区进行高强度冷却，然后，在供水压力较低的冷却区以低冷却强度继续冷却钢板，最终使钢板降低至室温。钢板在高低压淬火区的温度过程控制是满足淬火淬透层深度要求的重要保证。
针对中厚板辊式淬火机采用的高低压连续淬火技术，课题组通过采用数值计算方法模拟分析了淬火过程的钢板温度场、应力场，研究了对流换热边界条件对钢板温度场及应力场的影响规律，系统阐明了辊式淬火机高低压连续淬火冷却机理，为实现中厚板淬火过程中合理的温度控制提供了依据。在此基础上，依据钢板的钢种及规格，开发出板材高低压连续淬火工艺技术。
（2）淬火过程的温度均匀性控制
辊式淬火机冷却强度很高，中厚板淬火时冷却速度很大，温度变化剧烈，钢板内部产生的较大温度梯度将在一定程度上急剧放大淬火过程潜在的冷却不均，造成淬火板材硬度不均并产生较大的淬火应力，从而导致板材翘曲变形。因此，辊式淬火机淬火过程的温度均匀性控制将是实际应用中需要解决的重要问题。
针对中厚板辊式淬火工艺中的温度过程控制问题，研究阐明了满足淬火板材钢种和淬透层深度要求的工艺控制方式。同时通过分析辊式淬火机设备和工艺特点，分析了淬火钢板长度、宽度以及厚度方向温度不均的影响因素，并结合辊式淬火机设备结构和工艺特点，研究开发出实现钢板温度均匀性控制的技术手段。
（3）淬火过程的板形控制
淬火过程中工艺影响因素较多，如上下喷水系统水量参数、淬火机上下排辊辊缝值、辊道速度以及冷却水温等，对钢板的淬火效果影响显著。加之辊式淬火机冷却段较多，各冷却段内淬火喷水系统形式区别较大，造成淬火过程复杂多变。上述因素导致的钢板冷却不均将直接影响到淬火板材的板形控制。实际上，淬火过程的板形控制是中厚板辊式淬火机淬火工艺开发和应用中最为突出的难点问题。通过理论分析及模拟中厚板淬火过程的变形原理和淬火后板形缺陷的形成过程，结合现场生产实践，系统地研究了淬火工艺参数对钢板板形的影响机制和淬火过程中板形控制技术：①钢板宽向的流量分区控制技术，即通过对淬火系统流量分布的有效控制，实现淬火钢板宽向温度均匀性控制。②钢板厚度方向的对称性冷却控制技术，即通过对板材淬火条件下的流场和温度场耦合模拟，实现上下喷嘴水量比的精确控制。③高、低压淬火区连续淬火技术，即在保证淬火钢板获得大于临界淬火速度的高冷速条件下，通过合理的淬冷过程控制，降低钢板淬火内应力，减小钢板变形倾向。解决了辊式淬火过程中钢板的平直度控制难题，实现了淬火钢板板形的高精度控制。
2.4 关键问题之三：液压系统多缸高精度同步控制
考虑淬火冷却系统对称冷却及设备保护，辊式淬火机上喷水系统及上排辊道安装在移动框架上。通过安装在固定框架上的液压和电动提升机构，移动上框架的位置，设定淬火过程的辊缝。当出炉钢板的厚度大于设定的辊缝高度，或者钢板出现大的板形波浪时，检测辊道激活上框架液压快速提升装置，将上框架快速提升300mm，以防钢板碰撞喷嘴。
辊式淬火机移动上框架宽度为4～6m，沿钢板运动方向总长度为18～25m，框架主体为焊接结构，由14～18个液压缸带动上框架运动，实现框架快速提升功能。上框架在快速提升过程中，如果各液压缸之间的同步误差较大，一方面很容易造成框架变形，造成设备卡阻损坏，另一方面还会引起喷嘴的喷射距离及喷射角度发生变化，导致板形瓢曲或冷却不均。因此，为保护设备以及满足钢板淬火的工艺要求，必须保证各液压缸在提升过程中的高精度同步。
实际上，液压技术自诞生以来，多液压缸同步，尤其是长行程高精度同步，就一直困扰着人们。对于双缸及四缸的液压同步问题，已有学者采用一种同步自适应鲁棒控制器以及二级非线性系统控制器及冗余性分析策略进行了研究，但对于辊式淬火机这样需要进行十几个液压缸同步控制的问题，尚未见到资料报道。进口国外同类设备实际调试过程中，需要进行长期反复的调试才能获得较为满意的同步精度，费时费力，且效果很难较好的满足实际需求。因此，多个液压缸的高速、高精度同步控制是辊式淬火机设备研制必须解决的技术难点。
课题组针对该技术难题，研制出完全可仿真淬火机框架快速提升装置各种工作状态的液压多缸同步模拟装置，在分析研究液压缸分布及控制回路的基础上，提出一种基于液压同步马达配合比例阀补偿的控制方案，开发出自主知识产权的液压系统同步控制技术（已申请发明专利）及控制系统。实际应用结果表明，快速提升平均速度达到约110mm/s，多液压缸（14～18缸）快速提升同步控制偏差实际已小于3％以内。图2.6为实测辊式淬火机移动框架快速提升过程曲线。
2.5 关键问题之四：辊式淬火工艺自动控制系统开发
课题组根据中厚板热处理线高强度板材产品的淬火工艺开发需要，通过构建基础自动化和过程自动化两级控制系统，自主开发出中厚板辊式淬火机淬火工艺控制系统。同时，采用自主开发的数据通讯平台，实现系统数据交换。其配置及通讯情况说明如图2.7所示。
基础自动化采用1套SIEMENS S7-400 PLC，主传动控制系统采用现场总线PROFIBUS-DP网实现。PLC系统和人机操作界面（HMI）由工业以太网连接起来，用于满足淬火机的顺序控制、逻辑控制及设备控制功能。
淬火工艺过程自动化系统用于工艺过程控制模型及模块的计算处理，用于实现淬火工艺参数的模型计算及设定，实现了中厚板辊式淬火机淬火过程的自动控制。根据热处理工艺需要，系统还开发有钢板淬火后组织性能预测模型。
3太钢临汾钢铁公司3200mm不锈钢板材辊式淬火机－国产首套自主知识产权的辊式淬火机设备研制
机遇总是青睐有准备的人。2006年初，太钢集团临汾钢铁公司为满足企业产品需要，计划新建一条中厚板热处理线，主要用于满足厚度为6～80mm（最大为100mm），宽度为1500～3000mm的高等级碳素钢淬火以及不锈钢中厚板产品的热处理需要。淬火设备技术决策及选型是该条热处理生产线决策的重中之重，实际也是该条热处理生产线成败与否的关键。东北大学RAL派出精干力量，通过从产品的淬火工艺需要到合理的淬火方式分析、从技术方案选取到淬火设备型式选择、从国内外淬火设备发展到实验室的技术储备，让用户对中厚板淬火工艺技术及装备有了充分的了解，深刻认识到了东北大学RAL深厚的学术功底和科研实力以及认真扎实的做事态度，并产生了由衷的信任。最终企业选择了中厚板淬火工艺的主流技术方案－辊式淬火机设备型式，选择了由东北大学RAL来承担该项具有开创示范意义的国产首套中厚板辊式淬火机项目。
3.1 技术参数和主要特征
临钢3200mm辊式淬火机设备由检测辊道、固定框架、移动上框架、输送辊道、提升机构、喷水冷却系统等组成。配备的独立水循环处理系统用于实现板材淬火用水的循环稳定供给，是板材淬火生产的重要保证。可满足厚度为6～80mm（最大为100mm），宽度为1500～3000mm的碳素钢淬火以及不锈钢中厚板产品的热处理需要。临钢辊式淬火机的基本技术参数如表3.1所示。
表3.1 临钢辊式淬火机基本技术参数
设备主要尺寸参数 | ||
1 | 淬火机设备总长 | 约19m |
2 | 高压区长度 | 约3300mm |
3 | 低压区长度 | 约13500mm |
水量参数 | ||
1 | 高压淬火区水量参数 | 2700m3/h（0.8MPa） |
2 | 低压淬火区水量参数 | 3000m3/h（0.4MPa） |
上喷水系统提升速度参数 | ||
1 | 电动提升系统（低速） | 2mm/s |
2 | 液压提升系统（快速） | 100mm/s |
2006年10月，自主研制的国产3200mm中厚板辊式淬火机开始安装调试，经过RAL课题组技术人员的艰苦努力，在依托单位太钢集团临汾钢铁有限公司的大力支持下，2006年12月28日正式竣工投产。图3.1为自主研发的太钢集团临钢中板厂热处理生产线3200mm中厚板辊式淬火机。
2007年1月份临钢中板热处理线进入试生产阶段，3月份不锈钢通过淬火机的产量达到了8000吨，在双方共同努力下，2007年5月份该淬火机产量超过一万吨。经一年多的生产实践充分表明，本项目所开发的3200mm中厚板辊式淬火机，具有良好的稳定性，淬后板材性能指标均到达或优于国内外或企业内控标准，淬火后板材平直度达到或优于国外同类进口设备水平，为企业取得了显著的经济效益，达到了项目立项目标，标志着该项目的实施取得圆满成功，同时，也标志着具有自主知识产权的国产首套中厚板辊式淬火冷却设备的研制取得圆满成功。依托本项目，国产中厚板辊式淬火装备研制及工艺技术开发工作取得了丰硕成果，取得的突破性进展和主要技术创新如下：
（1）在国内首次系统研究并阐明了中厚板辊式淬火设备淬火过程的换热机理，为国内开发具有自主知识产权的中厚板辊式淬火机提供了理论依据。
（2）成功研制出国产首套具有自主知识产权的3200mm中厚板辊式淬火机。研制的3200mm中厚板辊式淬火机满足了太钢集团临钢中板热处理线高等级不锈钢中厚板的热处理工艺需要，结束了国外长期以来在辊式淬火机淬火设备及淬火工艺的技术垄断，解决了国内钢铁企业生产高等级不锈钢中厚板产品的热处理设备难题。
（3）基于自主研制的3200mm中厚板辊式淬火机，在国内首次成功开发出中厚板辊式淬火技术，并将开发的辊式淬火技术应用于临钢热处理线生产实践，生产运行稳定。检测结果表明，淬火后板材性能满足相关标准（包括国内、国外及企业内控标准）要求，钢板冷却速度、平直度达到或优于国外进口设备同类水平，达到了预定设计指标要求，解决了中厚板辊式淬火机的关键应用技术难题。
（4）成功开发了具有自主特色的3200mm中厚板辊式淬火机工艺自动控制系统。开发的3200mm中厚板辊式淬火机工艺自动控制系统包括一级和二级自动控制系统，可根据钢种、规格等选择淬火工艺模式及设定淬火机淬火过程工艺参数，实现辊式淬火机整个淬火过程的工艺自动控制。同时其控制精度、响应速度等控制指标达到了项目预期指标要求。
太钢临钢辊式淬火机项目是我国首次在中厚板大型现代化热处理线淬火成套设备、工艺、技术研制中进行国产化的尝试，因而受到国内外同行的广泛关注。其中中厚板辊式淬火技术及工艺开发被国外各大钢铁公司及淬火机供货商视为企业生命攸关的核心技术秘密，是保持产品质量优势的钥匙。通过本项目对3200mm中厚板辊式淬火机研制及淬火工艺的技术攻关，我国掌握了研制3200mm中厚板辊式淬火机设备研制及淬火生产工艺的诀窍，为国内自主知识产权的中厚板淬火设备开发和提供技术服务、同时也为国内开发高等级中厚板产品奠定了坚实基础。本项目的成功实施，对于提高我国中厚板淬火设备研制水平，实现重大冶金技术装备国产化，提升国内高等级宽厚板产品生产工艺水平，促进我国中厚板产品结构调整、提升企业产品附加值和竞争力具有重要的实际意义。
辊式淬火机项目除在上述设备开发实施过程中取得的自主创新技术成果之外， RAL充分发挥自身热处理工艺科研及技术优势，在产品研发方面，针对不同企业产品开发的个性化需要，与企业共同合作，包括不锈钢中厚板产品开发及高等级碳素钢品种开发方面均取得了一系列创新性的科研成果及技术突破，为企业带来了实实在在的效益。
3.2 高等级固溶处理不锈钢产品研发
针对太钢集团临汾钢铁有限公司中厚板热处理线的产品定位，临钢热处理生产线竣工投产后，以奥氏体不锈钢的固溶处理生产为主。依托本处理线，太钢集团不锈钢产品顺利实现了产品厚度规格和宽度规格拓展，完善了太钢集团不锈钢板材产品的生产能力。实际上对于奥氏体不锈钢板材产品，厚规格产品固溶处理的关键在于淬火过程的板材冷却速度，薄规格产品关键在于淬火后的板形控制。国产首套连续型辊式淬火机投产后运行稳定、可靠，碳素钢淬火、奥氏体不锈钢固溶处理以及双相不锈钢热处理等生产工艺先进可行，产品性能及平直度等指标经检测均达到或优于国家和企业相关标准。太钢依托该辊式淬火机设备开发的多项不锈钢中厚板产品生产工艺为国内首次开发成功，并掌握了一系列高等级不锈钢中厚板热处理生产工艺的诀窍，取得了显著的经济和社会效益。具体表现为：
（1）国内首次成功开发出8mm薄规格奥氏体不锈钢板固溶热处理生产工艺。由于钢板厚度薄，采用常规的管层流冷却很难保证固溶处理后的薄规格不锈钢板材的平直度。基于自主研发的3200mm辊式淬火机，顺利实现了8～80mm厚度规格不锈钢板材产品的热处理生产工艺。图3.2为临钢中厚板辊式淬火机固溶处理后的8mm奥氏体不锈钢板。
（2）实现宽厚规格奥氏体不锈钢板材的固溶处理生产。基于自主研制的临钢3200mm中厚板辊式淬火机，相继开发出产品规格厚度为6～80mm、宽度为1500～3200mm近30个钢种的高等级奥氏体不锈钢固溶处理工艺。突破了太钢集团原有厚度规格奥氏体不锈钢固溶处理的生产能力限制，为太钢满足国民经济需要、提高产品供货能力奠定了坚实的设备基础。
（3）开发出一系列高等级双相不锈钢中厚板热处理工艺。太钢集团临钢中板热处理线的重要功能还在于开发高端高等级的不锈钢中厚板，满足市场的个性化需求。依托本热处理生产线，太钢集团成功开发出S31803/2205，S32750、S31803/2205、S32304（执行标准：EN10028-7）等一系列双相不锈钢的热处理生产工艺。其中，高等级S31803/2205不锈钢中厚船板、超级双相钢S32750不锈钢中厚板等为国内首次开发成功，填补了国内空白，满足了太钢集团临汾钢铁公司中板热处理线不锈钢中厚板高端定位和个性化生产需要。
（4）应用该辊式淬火机成功开发出薄规格（9mm厚度）9Ni钢等高附加值钢板，为实现该高附加值产品的稳定供货、满足市场需求做出了重要贡献。
国产自主知识产权的3200mm中厚板辊式淬火机研制及不锈钢热处理工艺开发项目是依靠国内自主力量，独立开发我国首套具有自主知识产权的中厚板辊式淬火机以及高等级不锈钢中厚板热处理工艺的大胆创新探索。经过1年多的项目立项、实施、调试、工艺开发过程，我国掌握了中厚板辊式淬火机研制以及一系列高等级不锈钢热处理生产工艺的诀窍，达到了项目预期立项目标，标志着该项目的实施取得圆满成功。2008年6月1日，在该套辊式淬火机连续稳定运行1年半后，本项目顺利通过山西省科技厅组织的科技成果鉴定，以殷瑞钰院士等我国钢铁行业专家组成的鉴定委员会鉴定认为，该项科技成果整体上达到了国际先进水平。2009年该项目荣获山西省科技成果一等奖。
4 新余钢铁公司3800mm高强碳素中厚板辊式淬火机研制－国产辊式淬火机设备及淬火工艺技术开发的样板项目
新余钢铁股份公司厚板热处理工程3800mm辊式淬火机是RAL继临钢国产首套辊式淬火机项目后承担的又一项具有示范性意义的中厚板辊式淬火机项目。
4.1 项目背景
为提高新钢公司中厚板产品档次和热处理产品产能，丰富开发、生产钢材新品种的手段，拓宽新钢中厚板产品的种类，满足一系列高等级碳素钢中厚板新产品的开发需要，提高新钢核心竞争力，新钢公司决定以一年的绝对工期建成一个具有正火、回火、淬火功能的热处理车间，使新钢公司的中厚板产品由热轧、TMCP、正火拓展到具备生产热轧、TMCP、正火、回火(高温、中温、低温回火)、正火+回火以及调质（淬火+回火）等各种交货状态钢板的能力，以充分满足不同用户差异化要求的需求，巩固并提高企业在中厚板领域的领先地位。中厚板辊式淬火机作为新钢新建热处理线的核心设备，成败与否作用关键。实际上，新钢公司立项决策之时，国内不少钢铁企业仍在坚持引进的理念，原因即在于对国内自主知识产权的辊式淬火机设备仍存在一定的顾虑：临钢3200mm辊式淬火机主要用于不锈钢板材生产，对于碳素钢淬火工艺，国产淬火设备是否会存在风险？新钢公司领导经过慎重考察，认为RAL在中厚板材淬火冷却技术及工艺开发方面科研技术实力雄厚，临钢国产首套自主知识产权的中厚板辊式淬火机用于不锈钢及部分碳素钢淬火处理，已具备开发能力。为此，果断决策，立足国内，自主集成了国内首条3800mm中厚板现代化热处理淬火线。
4.2 技术参数和主要特征
新钢辊式淬火机有效淬火宽度为3，800mm，长度约25，500mm，由检测辊道、固定框架、移动上框架、输送辊道、提升机构、喷水冷却系统和机后吹扫装置等设备组成，淬火机淬火冷却区由高压淬火区和低压淬火区组成，配备有RAL研发的具有我国自主知识产权的淬火喷嘴系统及淬火工艺一级、二级自动化系统，可根据钢种、规格选择淬火模式参数，实现辊缝、水量、辊速等工艺参数及淬火冷却过程的全自动控制。此外，为满足新钢公司厚板产品的个性化（厚板长度规格最长达18，000mm）需求，RAL为该辊式淬火机设计的低压淬火区长度约为20，000mm，设有4个淬火冷却段，为国内目前淬火分区最长的辊式淬火机设备，可满足厚度6~100mm（最大120mm）、宽度1500~3600mm、长度3000~18000mm宽厚板产品的淬火生产需要。如图4.1所示。
其设备基本技术参数如表4.1示。
表4.1 新钢3800mm辊式淬火机基本技术参数
设备主要尺寸参数 | ||
1 | 淬火机设备总长 | 约24，135mm |
2 | 高压区长度 | 约3，330mm |
3 | 低压区长度 | 约19，000mm |
4 | 喷嘴宽度 | 约3，800mm |
淬火工艺参数 | ||
1 | 高压段水量 | 4，500m3/h（0.8MPa） |
2 | 低压段水量 | 6，500m3/h（0.4MPa） |
3 | 辊道速度 | 0.5~50m/min |
4 | 辊缝值 | 0~900mm |
4.2.1薄规格宽幅钢板均匀性冷却技术
中厚板淬火过程的板形控制是辊式淬火机淬火工艺实际应用中非常重要的问题。淬火后板形的好坏是淬火过程中钢板冷却均匀与否的直接体现，也是淬火过程中钢板内应力综合作用的宏观表现。尤其对于极限薄规格淬火钢板，其对淬火工艺参数的敏感新极高，故保证各工艺参数的合理性和稳定性极为重要。钢板淬火后的马氏体层硬度很高，使钢板的屈服强度大幅度提高，若淬火后板形太差，则很难得到矫正。且钢板宽度越宽，厚度越薄，其宽度方向的冷却均匀性控制难度也越大，淬火过程的板形控制难度亦愈大。对淬火设备的冷却均匀性要求越高，尤其是淬火喷水系统宽度方向的流量分布均匀性、宽向冷却均匀性控制手段，是必须在设计过程中予以充分考虑的关键技术问题。RAL应用自主研发的狭缝式喷嘴，应用钢板宽向的流量分区控制技术，即通过对淬火系统流量分布的有效控制，通过上下表面冷却速度的高精度稳定控制技术，实现了极限薄规格淬火钢板宽向温度均匀性控制。
4.2.2厚规格钢板淬火后淬硬层深度
对于厚板，淬火工艺的关键是保证获得合理的板材淬硬层深度。板材淬火的淬硬层深度取决于钢的淬透性、截面尺寸、淬火介质冷却特性及淬火设备的冷却能力。淬透性是钢的一种属性。在淬火介质确定的前提的下，淬火设备的冷却能力是钢板淬火的重要外部条件，表现为钢板淬火过程的冷却速度。淬火过程由淬火介质与淬火钢板表面之间的热交换过程和从钢件内部向表面的热传导过程组成，前者是淬火介质从钢板表面将热量带走及热量在介质中向外扩散的过程，后者是热量从钢板内部向表面扩散的过程。为此，在温度场理论计算及前期工作经验的基础上，提出了合理的水量参数、辊道传动电机转速等关键工艺设计参数。
4.3 高强度碳素钢调质板生产
该设备于2009年2月份开始进行第一阶段的淬火工艺调试，至2009年4月，已经对07MnNiMoVDR、XGQ690E、XGCF62等多个钢种12～50mm多个规格的钢板进行了淬火工艺调试。在新钢高等级调质板材如耐磨钢系列、高强结构钢系列以及压力容器用钢等产品淬火工艺开发调试过程中，东北大学RAL现场调试技术人员针对新钢产品成份体系特点，与新钢公司技术中心技术人员密切合作，成功开发出适合新钢产品特点的辊式淬火机淬火工艺，淬火后实测板材性能（包括表面和厚度方向硬度及均匀性）和平直度等指标均达到或优于国家标准及同类进口设备生产的实物水平。
新钢公司依托厚板热处理工程辊式淬火机项目，现已开发成功具有自身独特工艺技术的XGCF62、07MnNiMoVDR压力容器用钢系列、Q550、Q690高强度结构钢系列，以及NM360、NM400、NM500低合金耐磨钢系列钢板，目前被广泛应用于压力容器、工程、煤矿机械等领域，具有较为可观的市场开发前景。同时，新钢公司开发出耐磨钢系列、高强结构钢板材产品系列产品，不仅填补了江西省钢铁行业的空白，也标志着新钢公司从此跻身于全国少数几家能生产该品种钢的行列。截止目前，新钢3800mm连续型辊式淬火机现已顺利完成约900吨6～40mm厚度规格的NM360、NM400、NM500耐磨钢系列、1270吨12～90mm厚度规格的Q550、Q690高强度结构钢系列以及1360吨12～60mm厚度规格的XGCF62、07MnNiMoVDR压力容器板系列等多批次高等级合同板的生产工作，为新钢公司带来了直接的经济效益和社会效益。在目前的金融危机大潮中，国产化的热处理生产线在为企业抢占市场、帮助企业渡过难关、提高企业竞争力方面提供了强力的支撑。
尤其需要指出的是，新钢辊式淬火机项目开发成功的厚度为6~10mm薄规格板材的淬火工艺，在国内外均具有重要的标志性意义。原因在于对低合金高强度钢6~10mm厚度的薄规格板材淬火工艺，由于板材厚度薄，淬火过程中板材对淬火冷却均匀性要求极高，淬火过程的板形控制难度非常大，属于板材淬火生产的极限工艺技术，具有极高的工艺难度，是低合金高强度薄板热处理生产工艺公认的关键技术难题。根据考察，国内企业配备的同类进口设备实际也仅能实现12mm厚度以上规格生产。由于薄规格低合金高强钢板材产品淬火工艺难度大，导致高强薄规格板材产品的供货价格很高，当前世界上也仅有瑞典等国外一两个厂家能够实现连续稳定生产及供货，处于垄断地位，具有可观的市场前景。新钢公司低合金耐磨钢系列薄规格产品开发过程中，东北大学RAL现场调试技术人员针对新钢产品成份体系特点，依托自身淬火设备及工艺技术开发优势，与新钢公司技术中心技术人员密切合作，成功开发出薄规格耐磨钢板材产品的淬火工艺，淬火后板形良好，顺利实现6~10mm厚度低合金高强度钢板材淬火工艺的连续稳定生产。淬火后实测板材性能（包括表面和厚度方向硬度及均匀性）和平直度等指标均达到或优于国家标准及同类进口产品实物水平，在国内外均具有很高的市场竞争力，为企业满足低合金高强度钢板材产品规格的系列化供货需要提供了关键工艺技术支撑，同时也为新钢公司高等级系列化热处理产品的开发工作奠定了坚实的设备基础。图4.2为6mm厚度低合金耐磨板材产品的实际淬火生产情况。
4.4 主要进展和创新点
在新钢辊式淬火机项目实施过程中，在新钢及东北大学RAL双方的共同努力和精心组织实施下，新钢3800mm辊式淬火机项目实施过程中取得了同类设备项目的如下国内之最：
（1）实现国内厚度最薄（6mm厚度）的低合金高强度钢板材淬火工艺的连续稳定生产。低合金高强钢薄规格板材的淬火工艺属于板材淬火的极限工艺技术，同类进口设备实际也仅实现12mm厚度以上规格生产。对于6~10mm厚度板材淬火工艺，由于板材厚度薄，淬火过程板形难以控制，淬火后的板材板形控制是公认的关键技术难题。新钢3800mm辊式淬火机顺利实现6~10mm厚度低合金高强度钢板材淬火工艺的连续稳定生产，满足了企业低合金高强度钢板材产品规格系列化供货需要，实现了板材极限淬火工艺的重大技术突破，具有重大的工程示范意义。
（2）淬火工艺调试周期最短。从设备安装完毕至完成高等级板材产品如压力容器、低合金耐磨钢以及高强结构钢系列等淬火工艺调试和投产，实际有效调试时间仅约为45天，为国内同类设备最短的调试周期。
（3）淬火工艺调试用板量最少。设备安装完毕后，完成新钢压力容器、低合金耐磨钢以及高强结构钢系列等高等级碳素钢板材淬火工艺调试，16mm厚度以上规格均以1～2块调试板即完成淬火工艺调试；尽管16mm厚度以下薄规格板材淬火工艺难度非常大，也仅平均约6～8块调试用板量即完成淬火工艺调试，淬火后板材板形良好。
（4）项目实施周期最短，见效最快。依据国内同类项目实施周期，国外进口设备通常需要18个月的周期。但本项目从合同签订至热负荷试车和试生产仅用了不到11个月时间，即交付首批合同板产品，创造了国内同类设备投产见效最快的记录，在钢铁企业上半年严峻的经济形势下，为企业尽快创造了经济效益，弥足珍贵。
5南钢公司中厚板卷厂辊式淬火机－现有热处理线新增辊式淬火机设备的工程典范
2008年底，在钢铁行业严峻的市场形势下，为拓宽南钢公司高附加值宽厚板产品品种，提高南钢产品竞争力，南钢公司高层领导两次到访东北大学，并邀请王国栋院士访问南钢，为南钢的发展建言献策。本项目就是在这样的背景下，东北大学RAL急企业之所急，郑重承诺从优从快为南钢提供一套满足其产品开发个性化需要的辊式淬火机设备。
工程实施过程中，东北大学RAL现场施工技术人员根据南钢停产施工时间周期要求，积极做好工程准备、工程进度安排及安装指导和工程组织实施工作，克服了在线设备改造难度大、周期短等困难。在积极做好协调、指导工作的同时，同工程施工单位并肩奋战，付出了巨大的艰辛和努力，确保了设备的安装质量及工程进度节点，展示了RAL技术人员的良好形象和勇于负责的工作态度，赢得了企业领导和现场技术人员的普遍赞誉，为实验室和东北大学争得了声誉。
2009年10月15日，南京钢铁股份公司中厚板卷厂彩旗飞扬，隆重举行中厚板卷厂调质线建成投产仪式。投产仪式由中厚板卷厂姚永宽厂长主持，中国钢铁行业协会李世俊副秘书长、南钢公司蒋筱春副总经理、东北大学王国栋院士等相关单位领导及专家应邀出席。
此次南京钢铁股份公司建成投产的调质线工程主要包括南钢中厚板卷厂原热处理线新增辊式淬火机项目和新建一条回火炉项目，项目实施采用总承包方式，即承包单位工程范围为项目工程的设计、设备及材料供应、建筑工程和安装工程的施工、系统调试，竣工验收合格直至投产、达标达效全过程的工程总承包，承包人从技术、质量、工期、安全、费用等方面向发包方负责，实行“交钥匙”工程。其中原热处理线热处理炉后新增辊式淬火机项目由东北大学RAL工程总承包，这也是我实验室承担辊式淬火机项目工程以来首次实施包括工艺设计、工程土建设计、土建施工、机械及电气设备设计及供货、设备安装、设备试车及工艺调试为一体的“交钥匙”工程项目，且本工程为原生产线改造项目，工程实施具有很高的挑战性。
投产仪式上，南钢中厚板卷厂姚永宽厂长发表了热情洋溢的讲话，盛赞了各承包单位在本工程项目组织及施工过程中付出的汗水、艰辛和努力，在最大程度上压缩了工程施工周期，使南钢在技术改造的同时，为保产品合同、保产品供货节点、保南钢产品供货信誉做出了重大贡献。随后，南京钢铁公司蒋筱春副总经理下达中厚板卷厂调质线投产令，标志着中厚板卷厂调质线正式建成投产。
参加南钢中厚板卷厂调质线投产仪式的各级领导、专家、技术人员及相关施工单位的建设人员应邀参观了新建投产的调质线实际生产情况。当看到厚度为40mm，宽度为3150mm，长度为8000mm的Q550（Q+T）宽厚板产品经辊式淬火机淬火后，已淬冷至常温的板材，其平直的板形足以立住1000mm长度的直钢板尺时，现场参观人员发出一片喝彩声，充分表达了对东大辊式淬火机设备及淬火工艺技术水平的高度认可和肯定。
南钢中厚板卷厂调质线项目从2009年3月26日正式签订工程总承包合同，至2009年10月15日建成投产，历时不到7个月，创造了国内中厚板热处理调质线工程最短的施工记录。尤其是辊式淬火机项目，由于原热处理线生产任务紧，从2009年9月15日早8时停产开始施工至9月26日上午9时恢复生产，由原计划停产施工周期20天压缩至不到11天，更为国内中厚板原有热处理线增设淬火机项目的技术改造工程实施提供了典范。
目前，RAL与企业合作，正在开发超薄（最薄至4mm厚度）、特厚（120mm厚度以上）钢板的淬火热处理设备及工艺技术，这种可以兼顾生产薄规格热处理板材和特厚厚规格热处理板材的新式热处理设备，将为我国高档薄规格工程机械及高强结构用特厚规格钢板等高附加值产品的生产提供可靠手段，同时也将为利用2米以上宽带轧机生产的宽幅热轧带钢生产低（无）残余应力板材开辟一条新的道路。
