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。