爆炸复合钢板新型淬火设备的研制

2021-01-07张家新

工业炉 2020年6期

张家新，卢娇

（中国联合工程有限公司，浙江杭州310056）

爆炸复合是过去二十年发展起来的一门新技术，它可使绝大多数金属材料相互复合在一起形成具有两种或多种金属性能的复合材料，从而大大扩展了现有金属的性能及应用范围，并可节约稀贵金属。爆炸复合材料已经广泛应用于石油、冶金、机械、航空航天、原子能等工业领域。爆炸复合钢板的生产工艺流程为：原材料准备→爆炸复合→焊接→热处理→校平整形→检验包装。爆炸复合钢板原材料至少由两种材料复合而成：复板和基板。复板常规材料以钛基合金、镍基合金、哈氏合金、不锈钢、双向不锈钢、铜、铝等为主，规格按客户的要求而定制；基板一般采用碳钢材料。在生产环节中，热处理工艺至关重要，通过热处理使复合钢板满足硬度、韧性、冲击功、晶相组织结构等性能指标，消除爆炸过程中产生的应力，从而提高钢板的使用性能，延长使用寿命。

1 爆炸复合钢板淬火热处理工艺特点

鉴于爆炸复合钢板一般为定制产品，所以爆炸复合钢板的生产及其热处理工艺具有其独特的特点：

（1）产品规格多，尤其复板材质、基板材质厚度等千差万别，热处理工艺均需要根据产品特点定制。

（2）产品批量小、生产节拍变化大，无法采用连续生产线大规模批量生产。

（3）爆炸复合过程中，钢板翘曲变形严重，自动化辊淬设备无法使用。

2 爆炸复合钢板淬火热处理现状

四川惊雷科技有限公司为我国生产爆炸复合钢板的龙头企业，其生产工艺和生产设备具有较强的代表性。我们通过调研该公司发现，淬火热处理设备是生产工艺过程中的最大瓶颈。目前的薄板淬火工艺为：台车炉加热→出炉→工件在台车上直接喷水→冷却后在进炉退火、回火；厚板的淬火工艺为：台车炉加热→出炉→采用行车将工件吊装转运到淬火水池进行淬火→冷却后在进炉退火、回火。显然，薄件淬火时将加热至910 ℃的钢板拉出来直接往台车上喷水，由于台车砌体蓄积了大量的热，淬火效果非常不理想；其次，台车砌体材料采用耐火砖或者低水泥浇注料，高温状态下直接往台车上喷水，会导致台车砌体损坏严重，几乎每淬火一次台车都需要进行大修方可重新投入使用，大大缩短台车使用寿命，降低生产效率。对于厚件，台车拉出后再采用行车吊装转运，高温状态下吊挂工作非常困难，不仅劳动强度大，操作准确度难于把握，导致挂钩时间过长，从工件出炉到入水的时间超过3 min，显然工件表面降温过大，淬火质量非常不理想。另外对于厚板，浸入式淬火的淬透性较差，只能达到40 mm，无法满足厚板淬透性60 mm 的要求。

3 全新爆炸复合钢板淬火热处理设备的研制

3.1 研制思路和出发点

针对现有的淬火热处理热备存在的诸多问题，为提高产品性能和成品率，降低设备故障，提高设备利用效率，我们研制出一种全新的自动化操作淬火热处理设备，其思路和出发点为：根据钢板的品种规格首先确定生产工艺，包括加热曲线、淬火冷却速度等。工艺确定后，钢板在室式加热炉内完成均匀加热，然后采用专用机械手将钢板快速转运到淬火区域，根据不同工件冷却速度的要求，采用喷淋或者浸入两种不同方式完成淬火工艺。

采用全新淬火热处理设备的优点是：转运速度快，转运过程中工件温降小，可严格精确淬火工艺；淬火工艺采用定制，匹配特点产品性能；喷淋淬火过程喷淋水压可调，冷却速度可控，便于控制钢板表面硬度和韧性；采用专用机械手转移工件，耐材、附件均不沾水，确保其使用寿命，提高设备生产效率。

针对不同厚度的工件，执行不同的淬火工艺。对于薄件的工艺流程为：加热炉完成加热→用机械手将钢板快速取出→放到升降平台→工件快速入水完成淬火。对于厚件的工艺流程为：加热炉完成加热→用机械手将钢板快速取出→喷淋装置工作位置待命→完成喷淋淬火。

3.2 设备组成和功能

全新的热处理设备包括的主要设备和功能见表1。

表1 设备组成及功能

3.3 主要技术参数

基于以上设计思路和设备构成，结合四川惊雷科技股份有限公司的产能数据，设备的主要技术参数见表2。

表2 主要技术参数

3.4 淬火热处理加热工艺曲线

淬水热处理加热工艺曲线如图1 所示。

图1 典型淬火曲线图

3.5 设备技术难点及解决措施

3.5.1 淬火加热炉燃烧系统

淬火加热炉宽度方向达到14.5 m，钢板横着进入炉膛。炉门开启后装出钢机完成钢板的装料和取料。这种炉型结构燃烧系统布置困难，按照长度方向两侧布置烧嘴，可布置的数量太少，升温速度无法达到要求。若仅在炉后布置烧嘴，则会因单面燃烧导致温度均匀性无法满足。针对该问题，我们加高了炉底部分高度，采用前后两侧交错布置烧嘴的方式，操作通道采用下沉式通道。不仅解决了供热能力和温度均匀性问题，在空间布局上还节省占地，使整套设备布局紧凑。

3.5.2 装出钢机悬臂5 m、钢板单重30 t

悬臂过长、单重过大不仅考验叉臂的强度，还对装置的整体稳定性提出了重大考验。如何保证设备安全使用的前提下，控制设备投资成本，也是我们面临的难题。为此，我们没有单纯加大加厚材料，而是设计了防倾覆滑槽装置。大车运行在运行轨道梁上设有防倾覆导向轮，在升降装置上也设有防倾覆滑槽。

3.5.3 如何实现喷淋和浸入式淬火两种功能，避免两种装置的相互干涉

浸入式淬火装置自带液压升降平台，喷淋淬火装置采用电动自行走机构。使用浸入式淬火装置时，喷淋淬火装置后退到位，液压升降平台可自由升降；使用喷淋淬火装置时，液压升降平台下降到水平面以下，喷淋装置可移动到淬火工位完成喷淋淬火。设备总体布局见图2。

3.5.4 喷淋时间计算

（1）钢板喷淋淬火过程中的综合换热系数

根据经验数据，对于薄板综合换热系数取平均值h=10 000 W/（m2·℃），对于厚板由于钢板中心存在向表面的传热过程，综合换热系数会受到一定影响，综合换热系数平均值取h=8 000 W/（m2·℃）。

模拟计算方式：由于在喷淋淬火过程中，钢板的温度不断在降低，与介质（水）之间的温差也不断在缩小，冷却速度是一个非线性变化的过程。为了便于计算，得到相对准确的数据，我们采用无限接近法去计算，也就是说将钢板的降温过程分解为1 050～950℃、950～850 ℃、850～750 ℃、750～650 ℃、650～550℃、550～450 ℃、450～350 ℃、350～250 ℃、250～150 ℃这9 个降温阶段，计算出每个阶段需要的时间。

（2）计算数据

尺寸：12.5 m×4 m，厚度10 mm

钢板总量：～3 950 kg

钢板表面积：100 m2

综合换热系数：10 000 W/（m2·℃）

计算得到1 050～950 ℃所需要的冷却时间：t1050～950=1.03 s，t950～850=1.15 s，t850～750=1.3 s，t750～650=1.5 s，t650～550=1.8 s，t550～450=2.2 s，t450～350=2.8 s，t350～250=3.9 s，t250～150=6.2 s，t1050～150=20.38 s。考虑到喷淋过程中的介质温升及其它因素，该时间需要再给个系数，预计淬火过程在30 s 可以完成。同理，20 mm 的钢板淬火大约60 s，30 mm 的钢板约100 s，40 mm 的钢板150 s，50 mm 钢板淬火过程200 s 左右，150 mm 钢板淬火过程600 s 左右。

对于最重工件喷淋水量的核算：

最重的钢板为30 t，在10 min 内完成喷淋淬火过程，钢板在淬火过程中释放的热量Q热=m×c×ΔT=18 981 000 kJ。

淬火过程中的介质温升小于7 ℃，需要的水量为650 m3，每小时的水量为650×6=3 900 m3，显然采用4 000 m3/h 的喷淋量是能够满足要求的。