大口徑厚壁鋼管淬火設(shè)備改造

陳威 楊煌光

(1：中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京 100176；2：大冶特殊鋼有限公司 湖北黃石 435001)

1 前言

在鋼管熱處理生產(chǎn)線中水淬火設(shè)備被廣泛應(yīng)用，通過(guò)對(duì)無(wú)縫鋼管的水淬火處理，提高鋼管的硬度和耐磨性。淬火與不同溫度的回火配合可以大幅度提高鋼管韌性及疲勞強(qiáng)度，獲得綜合機(jī)械性能較好的鋼管。

目前無(wú)縫鋼管淬火主要有槽內(nèi)水淬工藝和槽外水淬工藝。針對(duì)大口徑厚壁鋼管，通常采用槽內(nèi)水淬工藝(浸淬)來(lái)保證較大的冷卻能力，以達(dá)到最終的調(diào)質(zhì)效果。

本文介紹的現(xiàn)有槽內(nèi)浸淬設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有如下缺點(diǎn)：①鋼管周邊的冷卻速度不一致，鋼管彎曲；②鋼管冷卻效果不理想，金相組織不均勻。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)跟蹤和技術(shù)分析，決定對(duì)原設(shè)備進(jìn)行改造，主要是增加槽內(nèi)升降旋轉(zhuǎn)裝置，并在改造后進(jìn)行了工藝驗(yàn)證。

2 工藝流程

2.1 改造前的工藝流程

淬火爐加熱的鋼管到達(dá)上料輥道末端→翻板升起將鋼管從輥道上移至翻料勾內(nèi)→翻料勾轉(zhuǎn)動(dòng)將鋼管撥入淬火槽→壓緊裝置壓緊，內(nèi)噴打開(kāi)(外噴一直打開(kāi)),淬火→淬火周期結(jié)束，內(nèi)噴關(guān)閉，壓緊裝置升起→提升鏈將鋼管移出淬火槽轉(zhuǎn)至后續(xù)鏈床上，完成淬火。

2.2 改造后的工藝流程

淬火爐加熱的鋼管到達(dá)上料輥道末端→翻板升起將鋼管移至帶擋料勾的入口臺(tái)架上→鋼管經(jīng)過(guò)擋料勾緩沖后進(jìn)入升降旋轉(zhuǎn)裝置→升降旋轉(zhuǎn)裝置下降進(jìn)行淬火→淬火周期結(jié)束，內(nèi)噴關(guān)閉，升降旋轉(zhuǎn)裝置升起→撥料勾將鋼管通過(guò)出口臺(tái)架撥至后續(xù)鏈床上，完成淬火。

3 設(shè)備改造要點(diǎn)

文中提及的改造主要針對(duì)機(jī)械設(shè)備和電控系統(tǒng)的改造，循環(huán)水系統(tǒng)利舊。改造前后的設(shè)備結(jié)構(gòu)見(jiàn)如下圖1、圖2。

圖1 改造前設(shè)備結(jié)構(gòu)1-進(jìn)料輥道;2-翻料勾;3-壓緊裝置;4-內(nèi)外噴系統(tǒng);5-提升鏈裝置;6-鏈床

本文主要介紹改造后的升降旋轉(zhuǎn)裝置即圖2中編號(hào)3的設(shè)備。

3.1 升降旋轉(zhuǎn)裝置[1]

鋼管經(jīng)入口臺(tái)架進(jìn)入升降旋轉(zhuǎn)裝置，鋼管先由料勾接料緩沖后放置在旋轉(zhuǎn)托輥上，壓緊輪壓下，升降裝置下降，鋼管邊旋轉(zhuǎn)邊浸入淬火槽中，同時(shí)內(nèi)外噴系統(tǒng)開(kāi)始工作。完成淬火周期后，升降裝置上升，壓緊輪抬起，料勾將鋼管撥出淬火槽。

升降旋轉(zhuǎn)裝置為型鋼桁架梁結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)油缸懸吊于淬火槽內(nèi)，梁結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)輪，可在淬火槽內(nèi)部的軌道中上下移動(dòng)。主結(jié)構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)托輥、接取料勾、壓緊輪。具體見(jiàn)圖3。

圖2 改造后設(shè)備結(jié)構(gòu)1-進(jìn)料輥道;2-入口臺(tái)架;3-升降旋轉(zhuǎn)裝置;4-內(nèi)外噴系統(tǒng);5-出口臺(tái)架;6-鏈床

圖3 升降旋轉(zhuǎn)裝置1-旋轉(zhuǎn)托輥;2-接取料勾;3-壓緊裝置

3.1.1 旋轉(zhuǎn)托輥

在槽中水淬時(shí)靜止的鋼管由于冷卻不均勻，容易彎曲。而鋼管旋轉(zhuǎn)可減少?gòu)澢?，鋼管的旋轉(zhuǎn)速度與橢圓度的關(guān)系成反比，即隨鋼管旋轉(zhuǎn)速度增加，橢圓度減小[2]。為了減少鋼管淬火產(chǎn)生的彎曲度，增加旋轉(zhuǎn)托輥，托輥采用倒“品”字形布置，不銹鋼鏈條雙輥傳動(dòng)，為了槽內(nèi)拆裝的方便，鏈輪與軸瓦等軸上零件均設(shè)計(jì)成剖分結(jié)構(gòu)。

3.1.2 接取料勾

由于大口徑厚壁鋼管的重量較大，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)托輥位置時(shí)產(chǎn)生的勢(shì)能很大，為此在托輥一側(cè)布置雙行程油缸驅(qū)動(dòng)的接取料勾。初始狀態(tài)料勾高于托輥輥面，料勾完成接料后，降至低位，將鋼管放置到旋轉(zhuǎn)托輥上，避免鋼管直接沖擊托輥。完成淬火后，料勾將鋼管撥出。

3.1.3 壓緊裝置

壓緊輪布置在托輥上側(cè)，位置需與旋轉(zhuǎn)托輥匹配，用于鋼管旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向壓緊，防止竄動(dòng)。每組壓緊輪可以單獨(dú)控制，壓緊油缸液壓回路上設(shè)置壓力傳感器和比例減壓閥，以便壓緊輪即能壓緊鋼管，又不至于壓力過(guò)大壓壞熱態(tài)鋼管。

4 工藝效果驗(yàn)證

4.1 彎曲度、橢圓度驗(yàn)證

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)來(lái)料及調(diào)質(zhì)前后表面質(zhì)量的檢查測(cè)量，如表1所示，重點(diǎn)是彎曲度、橢圓度的測(cè)量，可以得出：彎曲度較淬火機(jī)改造前有明顯的改善，之前淬火完的鋼管彎曲度在10-15mm，淬火完經(jīng)常有可視的大彎，經(jīng)回火工藝后不能有效消除，對(duì)后工序造成了很大影響。通過(guò)改造后的彎曲度數(shù)據(jù)可以看出，彎曲度在4-7mm，對(duì)彎曲度要求高的鋼管經(jīng)壓矯后可以滿足客戶要求。

表1 試驗(yàn)鋼管的彎曲度、橢圓度數(shù)據(jù)

并且改造后，出水鋼溫全長(zhǎng)波動(dòng)在10～15℃，較淬火機(jī)改造前的40～60℃有了很大改善。

4.2 實(shí)驗(yàn)室環(huán)狀硬度驗(yàn)證

對(duì)改造后的鋼管取試塊檢測(cè)布式硬度和洛氏硬度，結(jié)果如圖4、圖5。對(duì)頭尾四象限打布氏硬度，近外表硬度216-225，壁厚中心硬度222-227，近內(nèi)表硬度218-227，各象限的內(nèi)、中、外平均硬度221-223。內(nèi)外表硬度波動(dòng)均在10HBW以內(nèi)，平均硬度在5HBW以內(nèi)，硬度均勻性良好。

圖4 環(huán)狀硬度(布式)

圖5 環(huán)狀硬度(洛氏)

對(duì)四象限打洛氏硬度，最小硬度是14.9，最大硬度是20.4。近外表硬度17.7-19.4，壁厚中心硬度15.43-19.5，近內(nèi)表硬度17.68-18.9，各象限的內(nèi)、中、外平均硬度是17.82，內(nèi)外表實(shí)測(cè)硬度均勻性良好。

4.3 機(jī)械性能驗(yàn)證

4.3.1 性能值

如表2所示，T415118230卡頭尾兩端全長(zhǎng)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度波動(dòng)在5MPA內(nèi)，硬度無(wú)明顯波動(dòng)；T415119350卡頭尾兩端全長(zhǎng)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度波動(dòng)在10MPA內(nèi)硬度無(wú)明顯波動(dòng)，T415113110卡頭尾兩端全長(zhǎng)屈服強(qiáng)度波動(dòng)在10MPA內(nèi)，全長(zhǎng)抗拉強(qiáng)度波動(dòng)在5MPA內(nèi)，硬度無(wú)明顯波動(dòng)，沖擊功波動(dòng)不大，均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

4.3.2 實(shí)驗(yàn)室性能結(jié)果

如表3所示，通過(guò)頭尾對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：屈服強(qiáng)度頭部較尾部高12-20MPA,抗拉強(qiáng)度頭尾均勻，斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率基本一致，均勻性良好。

4.4 金相組織驗(yàn)證

經(jīng)研磨拋光調(diào)質(zhì)態(tài)的試樣，用4%硝酸酒精腐蝕后，在ZEISS AXIO光學(xué)顯微鏡下放大500倍觀察組織。

4.4.1 改造前的42CrMoA組織

表2 試驗(yàn)鋼管的機(jī)械性能數(shù)據(jù)

表3 試驗(yàn)鋼管的實(shí)驗(yàn)室性能數(shù)據(jù)

圖6 改造前的金相組織

4.4.2 改造后的R95組織

通過(guò)淬火機(jī)改造前后的組織進(jìn)行對(duì)比，R95的組織明顯比42CrMoA均勻很多，42CrMoA回火完近內(nèi)表有貝氏體存在，對(duì)材料額使用性能會(huì)有所影響，而淬火機(jī)改造后的R9為均勻的回火索氏體，內(nèi)、中、外都很均勻，調(diào)質(zhì)效果良好。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)規(guī)格為514.35×41.91mm的R95和規(guī)格為502.92×30.5mm的4130 75KSI進(jìn)行工藝驗(yàn)證，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。橢圓度、彎曲度、溫差相對(duì)之前有很大改善，并且整支鋼的硬度和性能均勻性良好。

從設(shè)備結(jié)構(gòu)角度，針對(duì)大口徑厚壁鋼管的槽內(nèi)水淬設(shè)備，應(yīng)增加旋轉(zhuǎn)裝置使鋼管在淬火過(guò)程中保持自旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)裝置配合內(nèi)、外噴系統(tǒng)能很好的滿足生產(chǎn)要求。