多功能淬火浴槽的研發(fā)

馬 輝，任明杰，王建國，谷瑞杰，杜學斌，郭居奇

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.金屬材料擠壓/鍛造國家重點實驗室，陜西 西安 710018)

2020年中國鋼管產(chǎn)量達8000萬噸，其中無縫鋼管年產(chǎn)量3000萬噸左右。石化能源用鉆桿和輸送管，機械加工用重機臂架管、旋挖鉆桿用管、石油機械加工用管、高強油缸管，石油煉化管和鍋爐管等均需要進行熱處理工藝淬煉的高性能無縫鋼管。在鋼管化學成分不改變的情況下，熱處理是提高性能的必要手段。其中，調(diào)質(zhì)工藝(淬火+回火)是鋼管熱處理生產(chǎn)線的關(guān)鍵工藝，其目的是使鋼管材質(zhì)的性能得到很大程度的提高，增強其強度、塑性和韌性，使其具有良好的綜合機械性能[1-2]。

鋼管淬火性能要求為馬氏體組織轉(zhuǎn)化量最大化，鋼管周向和軸向硬度差最小化，同時形位尺寸要求鋼管淬火后的橢圓度和彎曲度最小以利于后續(xù)車絲等工藝。目前，國內(nèi)外鋼管淬火方式主要有“環(huán)形淬火”、“槽內(nèi)淬火”和“外淋淬火”。“環(huán)形淬火”工藝適用于壁厚小于16 mm的薄壁管，螺旋前進間斷性的外部冷卻，極易造成鋼管周向和軸向硬度偏差大且彎曲變形大的缺陷?！安蹆?nèi)淬火”工藝適用于壁厚小于60 mm的厚壁管進行整體浸入冷卻，設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜生產(chǎn)節(jié)拍慢，易造成鋼管軸向機械浸入和淬火水液面接觸不同步引起的彎曲度和軸向橢圓度增大，對薄壁鋼管尤甚?！巴饬艽慊稹惫に噺V泛應(yīng)用于壁厚小于35 mm的鋼管，很難淬透厚壁的鋼管，且容易因壓緊輪而使得局部馬氏體轉(zhuǎn)化量偏低。三種淬火方式都有一定的局限性，根據(jù)鋼管規(guī)格和鋼種的不同，鋼管廠需要建立多條鋼管熱處理生產(chǎn)線配以不同的淬火工藝方式以實現(xiàn)產(chǎn)品性能要求[3-4]。

鋼管熱處理交貨狀態(tài)已經(jīng)遠超出了API(American Petroleum Institute)規(guī)定的各種性能指標，鋼管生產(chǎn)企業(yè)的工作重心已經(jīng)由原來的低端低價競爭轉(zhuǎn)向降能耗增效益。中國重型機械研究院股份公司在20多年鋼管淬火機組研發(fā)的基礎(chǔ)上，首次研發(fā)出多功能淬火工藝的浴槽，契合了淬火冷卻工藝曲線，提高了產(chǎn)品性能，同時降低熱處理生產(chǎn)線投資減小了運行成本[5-6]。

1 多功能浴槽簡介

多功能浴槽由型鋼和鋼板焊接而成一個半封閉式箱體，浴槽的端頭布置內(nèi)噴嘴，上部布置外淋噴管和壓緊輪。浴槽底部在噴嘴端設(shè)計沖渣控制管路、尾端設(shè)計排空控制管路，浴槽的中層用于安裝旋轉(zhuǎn)裝置和進出料機構(gòu)，浴槽側(cè)面設(shè)計液位控制機構(gòu)，浴槽內(nèi)安裝液溫和液位檢測裝置。

沖渣控制管路和排空控制管路打開可以實現(xiàn)浴槽的沖渣，同時通過進出流量差和冷熱水的交換也能實現(xiàn)液位和液溫的控制。沖渣控制管路和排空控制管路關(guān)閉，液位控制機構(gòu)實時控制鋼管和液位的浸入位置，實現(xiàn)鋼管“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”的淬火工藝。沖渣控制管路關(guān)閉，排空控制管路常開，液位控制機構(gòu)實時控制浴槽側(cè)面開口最低，實現(xiàn)鋼管“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”的淬火工藝。

多功能浴槽可實現(xiàn)“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”的淬火工藝：旋轉(zhuǎn)輪帶動鋼管由慢速進入高速旋轉(zhuǎn)，壓緊輪低壓保持夾緊鋼管，外淋內(nèi)噴水對鋼管進行冷卻，淬火水沖入浴槽，浴槽水位通過液位控制機構(gòu)調(diào)整使鋼管浸入淬火水設(shè)定深度，實現(xiàn)鋼管的“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝。

鋼管的理想淬火曲線是從奧氏體化溫度平緩冷卻，然后躲過“C曲線”鼻尖溫度點，迅速冷卻進入馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms，然后平緩冷卻，以獲得最大化的馬氏體轉(zhuǎn)化量?！巴饬?內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝先進行外淋內(nèi)噴冷卻，再進行外淋內(nèi)噴和浴槽冷卻，最后關(guān)閉外淋內(nèi)噴水或調(diào)整液位再實現(xiàn)平緩冷卻，理論上接近了鋼管理想淬火曲線(如圖1所示)[7-8]。

圖1 鋼管理想淬火曲線Fig.1 Ideal quenching curve of steel pipe

2 浴槽主要技術(shù)參數(shù)

浴槽作為機械設(shè)備裝配的關(guān)鍵件和實現(xiàn)多功能工藝的核心部件，浴槽的技術(shù)參數(shù)和外淋內(nèi)噴參數(shù)同樣至關(guān)重要，圖2為淬火浴槽斷面圖。

圖2 淬火浴槽斷面圖Fig.2 Section drawing of the quenching bath

2.1 浴槽尺寸

鋼管淬火機組浴槽的設(shè)計主要考慮鋼管的規(guī)格(長度和外徑)和淬火水量。浴槽長度一般大于走鋼線2 m左右，寬度為旋轉(zhuǎn)輪直徑的3～4倍。

浴槽的體積V可通過以下公式計算：

V=(Qw+Qn)/3600·t/2

式中：V為浴槽的體積，m2；Qw為外淋淬火水量，m3/h；Qn為內(nèi)噴淬火水量，m3/h；t為淬火工藝時間，s。

2.2 沖渣控制管路

沖渣控制管路的設(shè)計主要應(yīng)用于浴槽底層氧化鐵皮的沖刷，沖渣水利用內(nèi)噴高壓水，在非淬火回水時間，關(guān)閉回水閥，打開沖渣閥進行氧化鐵皮沖渣。

沖渣主管路直徑Dc可通過以下公式計算：

Dc=Sqrt[4Qn/3600/(πVc)]

式中：Dc為沖渣主管路直徑，mm；Vc為沖渣主管路流速，m/s；Qn為內(nèi)噴淬火水量，m3/h。

沖渣分管路直徑Df可通過以下公式計算：

Df=Sqrt[4Qn/3600/(NπVf)]

式中：Df為沖渣分管路直徑，mm；Vf為沖渣分管路流速，m/s；N為沖渣分管路數(shù)量；Qn為內(nèi)噴淬火水量，m3/h。

2.3 排空控制管路

排空控制管路的設(shè)計主要考慮沖渣換熱和“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝的排空問題。排空控制管路略低于沖渣控制管路，以利于流水和清渣。

排空管路直徑Dp可通過以下公式計算：

Dp=Sqrt{4[t(Qw+Qn)/3600-Qp]/(tπVp)}

式中：Dp為排空管路直徑，mm；Vp為排空管路流速，m/s；Qp為浴槽可控容積，m3；Qw為外淋淬火水量，m3/h；Qn為內(nèi)噴淬火水量，m3/h；t為淬火工藝時間，s。

2.4 浴槽溫度

浴槽的淬火水由外淋內(nèi)噴換熱后的冷卻水集成，隨著熱交換的進行，浴槽的水溫呈上升趨勢。

鋼管淬火水溫不高于35 ℃，根據(jù)地域和水質(zhì)的不同一般取32 ℃。根據(jù)浴槽液溫傳感器的反饋，在非淬火時間內(nèi)通過控制管路保證浴槽的水溫不高于淬火水溫5 ℃。

2.5 浴槽液位

浴槽的淬火水液位是實現(xiàn)“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝的關(guān)鍵參數(shù)。不同的鋼管規(guī)格和鋼種，需要不同的淬火外淋內(nèi)噴水和浸入深度，以達到最理想的淬火工藝要求。浸入深度通過浴槽側(cè)面的液位控制機構(gòu)根據(jù)浴槽液位傳感器的反饋，實時控制開口度，達到液位的動平衡。

浴槽的淬火初始液位一般低于鋼管下限位50 mm以上，防止液位波動和鋼管彎曲導致局部提前淬火。浴槽的淬火初始液位不能過低，防止浴槽蓄水時間過長，導致浸入工藝時間推遲。

浴槽的淬火最高液位由鋼管浸入深度決定，液位控制機構(gòu)最高點為浴槽頂面的淬火最高液位。

鋼管淬火工藝要求的浸入深度達到動平衡，液位控制機構(gòu)的開口高度H可通過以下公式計算：

H=Sqrt[(Dz+D)2/4-D12/4]-D/2+h-

Hd-(Qw+Qn)/3600/Vk/L/1000

式中：H為液位控制機構(gòu)的開口高度，mm；Dz為支撐輪直徑，mm；D為鋼管外徑，mm；D1為支撐輪中心距，mm；h為淬火工藝要求浸入深度，mm；Hd為液位控制機構(gòu)最低點距支撐輪中心偏差，mm；Vk為開口度流速，m/s；L為開口度長度，m；Qw為外淋淬火水量，m3/h；Qn為內(nèi)噴淬火水量，m3/h。

3 浴槽主要技術(shù)優(yōu)點

3.1 多功能淬火工藝

浴槽是實現(xiàn)多功能淬火工藝的關(guān)鍵設(shè)備，浴槽的設(shè)計可實現(xiàn)鋼管原有的“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝，更能實現(xiàn)“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝。根據(jù)對浴槽淬火水溫和鋼管浸入深度的控制，擴大了淬火范圍，淬火工藝靈活切換實現(xiàn)了多種不同鋼管規(guī)格和鋼種在同一條生產(chǎn)線上進行熱處理生產(chǎn)。

3.2 浴槽液位和液溫動平衡

浴槽的液位和液溫分別由液溫傳感器和液位傳感器實施反饋，通過沖渣控制管路、排空控制管路和液位控制機構(gòu)的調(diào)整，保證浴槽的鋼管浸入深度達到工藝要求并保持動態(tài)平衡，保證浴槽水的溫度不高于淬火工藝要求溫度。

3.3 “外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝

“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝主要是在“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝的基礎(chǔ)上研發(fā)而來。“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝的外淋冷卻水從鋼管上方對鋼管外全長噴淋，對不同鋼管外徑的噴淋覆蓋夾角不同，同時壓緊輪遮擋外淋水且側(cè)噴水和外淋水冷卻不易匹配，極易造成外淋冷卻局部不均。

采用“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝時浴槽的淬火和鋼管下部全方位接觸，隨著鋼管高速旋轉(zhuǎn)，鋼管外部冷卻十分均勻，避免外淋水的不均勻和壓緊輪側(cè)噴水的影響導致淬火效果不佳。采用“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝生產(chǎn)的鋼管品質(zhì)得到了極大地提升。

3.4 綠色節(jié)能生產(chǎn)

淬火工藝要求鋼管迅速冷卻進入馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms，然后平緩冷卻。鋼管馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf為200 ℃左右，但是工廠的鋼管淬火出水溫度一般低于80 ℃，甚至更低為淬火水溫，此階段淬火熱交換小、冷卻速度慢需要大量的外淋內(nèi)噴水。

鋼管冷卻至Ms溫度，關(guān)閉外淋內(nèi)噴冷卻水，利用浴槽浸入鋼管的淬火水進行冷卻，實現(xiàn)了平緩冷卻的要求，同時節(jié)約了外淋內(nèi)噴水，優(yōu)化了淬火工藝，可以節(jié)約水處理系統(tǒng)的投資，降低了能耗、節(jié)約生產(chǎn)資源和實現(xiàn)綠色節(jié)能生產(chǎn)。圖3為淬火浴槽現(xiàn)場實物照片。

圖3 淬火浴槽實物照片F(xiàn)ig.3 Photos of the quenching bath

4 總結(jié)

本文分析了鋼管不同淬火方式和工廠發(fā)展需求，剖析三種不同形式的淬火工藝適用性和局現(xiàn)性，詳細介紹了“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)+半浸”淬火工藝的核心設(shè)備多功能浴槽，并對浴槽的主要技術(shù)參數(shù)進行了詳細的研究計算，保證了多功能淬火浴槽的成功研發(fā)應(yīng)用。

多功能淬火浴槽是在原“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)”工藝設(shè)備的基礎(chǔ)上實現(xiàn)工藝和設(shè)備改良，產(chǎn)品性能獲得了極大地提升。多功能淬火浴槽的諸多優(yōu)點在“外淋+內(nèi)噴+旋轉(zhuǎn)+半浸”粹火工藝中成功進行推廣和改造升級應(yīng)用，生產(chǎn)線淬火的鋼管范圍擴大，性能提升，產(chǎn)品合格率及產(chǎn)線下游車絲成材率也創(chuàng)歷史新高。