鋼管淬火機(jī)組改造及應(yīng)用

馬 輝，袁建軍，王 華，高尚暉，高國杰，賈 祥，秦偉超

（1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2. 靖江特殊鋼有限公司，江蘇 靖江 214500）

目前我國鋼管熱處理以“槽內(nèi)淬火”和“外淋淬火”為主。鋼管淬火后，要求其馬氏體組織轉(zhuǎn)化量最大化，鋼管周向和軸向硬度差最小化，同時(shí)橢圓度和彎曲度最?。?-5］?！安蹆?nèi)淬火”設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)節(jié)拍慢，易造成鋼管彎曲度和橢圓度增大；“外淋淬火”工藝方式廣泛應(yīng)用于壁厚 ∧35 mm 的鋼管，很難淬透壁厚更大的鋼管，且容易因壓緊輪遮擋而造成局部馬氏體轉(zhuǎn)化量偏低。

中國重型機(jī)械研究院股份公司創(chuàng)新研發(fā)的多功能淬火工藝和設(shè)備，除了能進(jìn)行“外淋淬火”外，也能實(shí)現(xiàn)“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火?！巴饬?內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”的核心工藝是：壓緊輪夾持鋼管，旋轉(zhuǎn)支撐輪帶動鋼管高速旋轉(zhuǎn)，外淋水擋水板打開層流噴淋，內(nèi)噴水三通閥打開軸流噴淋，外淋內(nèi)噴水沖入浴槽，浴槽水位上升漫溢自動調(diào)節(jié)使鋼管下半部或全部浸入水槽中，從而完成“外淋+內(nèi)噴+槽浴+旋轉(zhuǎn)”淬火工藝?，F(xiàn)重點(diǎn)介紹改造的“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”方案及其應(yīng)用效果［6-8］。

1 槽內(nèi)淬火機(jī)組改造

1.1 “槽內(nèi)淬火”設(shè)備和工藝流程

2006 年，某鋼管公司建成投產(chǎn)的鋼管熱處理生產(chǎn)線以“槽內(nèi)淬火+回火”的方式進(jìn)行調(diào)質(zhì)。“槽內(nèi)淬火”設(shè)備的主要參數(shù)如下：鋼管規(guī)格Φ133～370 mm×7～40 mm×6.0～13.5 m，攪拌水流量1 500 m3/h，攪拌水壓力≥0.6 MPa，內(nèi)噴水流量3 000 m3/h，內(nèi)噴水壓力≥0.6 MPa，生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)機(jī)械動作最大合計(jì)時(shí)間22 s，淬后管端直度≤3 mm/m，淬后管體直度≤2 mm/m，沿鋼管全長、內(nèi)外、圓周等任意部位硬度差 ∧3 HRC。

“槽內(nèi)淬火”的機(jī)械設(shè)備主要由進(jìn)出料輥道、上料鉤和出料裝置、淬火槽、旋轉(zhuǎn)升降裝置（含壓緊裝置和旋轉(zhuǎn)裝置等）、下料臺架及空水等組成。水系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、攪拌水系統(tǒng)和內(nèi)噴水系統(tǒng)組成，設(shè)備配備潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等［9-13］。原“槽內(nèi)淬火”設(shè)備斷面如圖1 所示。

圖1 原“槽內(nèi)淬火”設(shè)備斷面示意

“槽內(nèi)淬火”的核心工藝流程為：淬火爐出料輥道上的加熱鋼管在上料鉤的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，然后將其放置于旋轉(zhuǎn)升降裝置的支撐輪上，鋼管慢速旋轉(zhuǎn)并壓緊，支撐輪快速帶動鋼管快速旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)升降裝置帶動鋼管并將其浸入水槽，此時(shí)靠近鋼管端部的內(nèi)噴噴嘴向鋼管內(nèi)部進(jìn)行噴射，槽內(nèi)水在攪拌系統(tǒng)的作用下循環(huán)進(jìn)行淬火。鋼管完成淬火后，壓緊裝置松開鋼管，旋轉(zhuǎn)升降裝置升起，出料翻板將鋼管輸送到斜臺架上進(jìn)行空水運(yùn)輸，最終將鋼管逐根輸送到回火爐入爐輥道上，完成全部的淬火工藝。

1.2 改造方案

原“槽內(nèi)淬火”設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高；非淬火時(shí)間動作長，生產(chǎn)效率低；淬后性能尤其是直線度差，影響后續(xù)車絲成材率。因此，在“槽內(nèi)淬火”設(shè)備的基礎(chǔ)上，將“槽內(nèi)淬火”改造為“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火方式時(shí)，盡量利用原有設(shè)計(jì)，減小停工時(shí)間，改善設(shè)備的生產(chǎn)缺陷。

“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”工藝設(shè)備的主要參數(shù)如下：鋼管規(guī)格Φ200～368 mm×7～40 mm×6.0～13.5 m，外淋水流量3 000 m3/h，外淋水壓力≥0.3 MPa，內(nèi)噴水流量3 000 m3/h，內(nèi)噴水壓力≥0.6 MPa，生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)機(jī)械動作最大合計(jì)時(shí)間16 s，淬后全長直度≤2 mm/m，淬后橢圓度≤2 mm，沿鋼管全長、內(nèi)外、圓周等任意部位硬度差 ∧2 HRC。

原“槽內(nèi)淬火”設(shè)備進(jìn)出料輥道中心距和標(biāo)高不變，設(shè)備改造工作主要有兩點(diǎn)，即新增外淋和半浸工藝設(shè)備，改造原有旋轉(zhuǎn)和內(nèi)噴機(jī)構(gòu)。將“槽內(nèi)淬火”改造為“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”，改造后的設(shè)備斷面如圖2 所示。

圖2 “槽內(nèi)淬火”設(shè)備改造后的斷面示意

（1） 利舊設(shè)備。從淬火爐出爐輥道到回火爐入爐輥道之間的鋼管淬火設(shè)備，根據(jù)工藝要求進(jìn)行改造。外淋內(nèi)噴淬火中心工位偏移，主要利舊設(shè)備：進(jìn)出料輥道、淬火槽和下料臺架等出料空水設(shè)備。

（2） 改造上料鉤。上料鉤的驅(qū)動機(jī)構(gòu)利舊，根據(jù)外淋內(nèi)噴淬火中心工位重新設(shè)計(jì)上料鉤形狀，保證順利地將淬火爐輥道上的鋼管翻滾入接料臺架。

（3） 改造淬火槽。原淬火槽和設(shè)備基礎(chǔ)焊接灌漿為一體，拆除難度大，為了節(jié)約時(shí)間和項(xiàng)目投資，對淬火槽進(jìn)行改造。拆除原淬火槽內(nèi)的旋轉(zhuǎn)升降裝置（含支撐輪和壓緊輪等）及導(dǎo)向支架，切除原攪拌水管并封堵，切除原隨動內(nèi)噴管并封堵。

（4） 改造支撐架。原支撐架用于提升旋轉(zhuǎn)升降裝置，拆除油缸和支架，保留支撐架立柱底部與基礎(chǔ)相連接灌漿部分。

（5） 新增浴槽支撐架。以改造后的淬火槽為基礎(chǔ)，利用原淬火槽的骨架，焊接新增浴槽支撐架，用于安裝新增浴槽、接料臺架和內(nèi)噴嘴支架等。

（6） 新增浴槽。浴槽作為改造工藝和設(shè)備的核心，以型鋼和鋼板焊接而成，焊接安裝在淬火槽內(nèi)的浴槽支撐架上，浴槽具有液位和液溫自調(diào)整動態(tài)平衡功能。

（7） 新增接料臺架。接料臺架焊接安裝在淬火槽內(nèi)的浴槽支撐架上，用于連接上料鉤和支撐輪，保證鋼管順利進(jìn)入旋轉(zhuǎn)淬火工位。

（8） 新增旋轉(zhuǎn)裝置。旋轉(zhuǎn)裝置安裝在浴槽內(nèi)，采用直連傳動支撐輪的結(jié)構(gòu)形式，電機(jī)和“一拖二”減速器安裝在尾端的淬火槽外。接料臺架焊接安裝在浴槽支撐架上，用于連接上料鉤和支撐輪，保證鋼管順利進(jìn)入旋轉(zhuǎn)淬火工位。

（9） 新增接出料鉤。接出料鉤由帶位移傳感器的油缸驅(qū)動，安裝在浴槽內(nèi)和淬火槽側(cè)壁，用于接料、放料和出料。

（10） 新增外淋裝置（含壓緊輪）。外淋裝置是“外淋淬火”和“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火的關(guān)鍵設(shè)備，焊接安裝在原支撐架的立柱上。外淋裝置采用3 排噴淋管交叉密布的方式進(jìn)行噴淋，由不銹鋼擋水板開啟和關(guān)閉，布置在噴淋管下方的壓緊輪用于夾持旋轉(zhuǎn)鋼管。

（11） 改造水系統(tǒng)。將“槽內(nèi)淬火”改造為“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”設(shè)備后，內(nèi)噴供水流量和壓力不變，攪拌改為外淋，相應(yīng)的流量和壓力進(jìn)行調(diào)整。內(nèi)噴水泵參數(shù)不變，改為變頻控制，新增浴槽沖渣控制管路。拆除攪拌水泵，新增外淋水泵“三用一備”，變頻控制。外淋水泵（單臺）流量為1 200 m3/h，壓力為0.42 MPa。淬火總水量增大，重新核算原水處理系統(tǒng)，提升水處理量。

（12） 改造潤滑、液壓和電氣控制系統(tǒng)。拆除原潤滑系統(tǒng)，重新對支撐輪軸承進(jìn)行潤滑設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)泵站和部分閥臺利舊，拆除原旋轉(zhuǎn)升降裝置提升缸的伺服控制閥臺，新增壓緊和接出料閥臺。改造設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)，增加水泵的變頻控制。

2 外淋淬火機(jī)組改造

2.1 外淋淬火設(shè)備和工藝流程

2010 年，某鋼管公司建成投產(chǎn)的鋼管熱處理生產(chǎn)線以“外淋淬火+回火”的方式進(jìn)行調(diào)質(zhì)。“外淋淬火”設(shè)備的主要參數(shù)如下：鋼管規(guī)格Φ114～298.5 mm×4～45 mm×6～14.63 m，外淋水流量3 200 m3/h，外淋水壓力≥0.3 MPa，內(nèi)噴水流量2 800 m3/h，內(nèi)噴水壓力≥0.6 MPa，生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)機(jī)械動作最大合計(jì)時(shí)間16 s。

“外淋淬火”的機(jī)械設(shè)備主要由進(jìn)出料輥道、上料裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、翻料鉤、外淋裝置（含壓緊輪等）、內(nèi)噴裝置、下料臺架及步進(jìn)空水裝置等組成。設(shè)備配備潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和供水及水處理系統(tǒng)［14-15］。原“外淋淬火”設(shè)備斷面如圖3 所示。

圖3 原“外淋淬火”設(shè)備斷面示意

“外淋淬火”的核心工藝流程為：上料裝置將出料輥道上對齊的待淬火鋼管翻轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)裝置的支撐輪上，壓緊輪夾緊待淬火鋼管，支撐輪帶動鋼管快速旋轉(zhuǎn)，擋水板打開進(jìn)行外淋的同時(shí)鋼管端頭的噴嘴向鋼管內(nèi)部進(jìn)行噴水，這樣就使得鋼管內(nèi)外表面均得到了淬火處理。淬火后的鋼管通過翻料鉤翻出，再經(jīng)過下料臺架及步進(jìn)運(yùn)輸并進(jìn)行空水，最終將鋼管運(yùn)送到回火爐進(jìn)料輥道上，完成全部的淬火工藝。

2.2 改造方案

原“外淋淬火”設(shè)備生產(chǎn)的鋼管的直線度和橢圓度較差，合格率約87%；壁厚超過30 mm 的鋼管，其淬后壁厚方向硬度差大，這是由壓緊輪處的側(cè)噴冷卻控制難度大造成的。外淋內(nèi)噴供水主管路銹蝕漏水嚴(yán)重，內(nèi)噴水系統(tǒng)震動大，內(nèi)噴嘴噴淋效果差。旋轉(zhuǎn)壓緊設(shè)計(jì)不合理，甚至出現(xiàn)跳管現(xiàn)象?！巴饬艽慊稹备脑鞛椤巴饬?內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火，并對原內(nèi)噴外淋供水主管路進(jìn)行更換，在“外淋淬火”設(shè)備的基礎(chǔ)上，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和施工，盡量利舊設(shè)計(jì)，減小停工時(shí)間，改善設(shè)備的生產(chǎn)缺陷。

“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”工藝設(shè)備的主要參數(shù)如下：鋼管規(guī)格Φ114～339.72 mm×4～45 mm×6～14.63 m，外淋水流量3 200 m3/h，外淋水壓力≥0.3 MPa，內(nèi)噴水流量3 600 m3/h，內(nèi)噴水壓力≥0.6 MPa，機(jī)械動作最大合計(jì)時(shí)間16 s，淬后全長直度≤2 mm/m，淬后橢圓度≤2 mm，沿鋼管全長、內(nèi)外、圓周等任意部位的硬度差 ∧2HRC。

原“外淋淬火”設(shè)備進(jìn)出料輥道中心距和標(biāo)高不變，由于改造設(shè)備的產(chǎn)品大綱里鋼管外徑擴(kuò)大至339.72 mm，設(shè)備改造工作主要有4 點(diǎn)，即新增半浸淬火核心設(shè)備（含旋轉(zhuǎn)支撐輪），抬升原有外淋裝置（含壓緊輪），更換外淋內(nèi)噴主管路，改造內(nèi)噴控制系統(tǒng)。將“外淋”改造為“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”淬火，改造后的斷面如圖4 所示。

圖4 “外淋淬火”設(shè)備改造后的斷面示意

（1） 利舊設(shè)備。從淬火爐出爐輥道到回火爐入爐輥道之間的鋼管淬火設(shè)備，根據(jù)工藝要求進(jìn)行改造。外淋內(nèi)噴淬火中心工位不變，主要利舊設(shè)備：進(jìn)出料輥道、步進(jìn)機(jī)和空水等出料設(shè)備。

（2） 拆除設(shè)備。新增工藝設(shè)備以浴槽為主，需要拆除原斯惠頓上料支架軸及擺臂、旋轉(zhuǎn)裝置、翻料鉤、壓緊裝置和擋水板等。

（3） 核心部件基礎(chǔ)。拆除設(shè)備（上料支架、旋轉(zhuǎn)裝置和翻料鉤）以地腳螺栓連接設(shè)備底板，設(shè)備底板、抗剪筋和基礎(chǔ)灌漿為一體。開挖再澆筑土建將嚴(yán)重影響工期和原基礎(chǔ)完整性，將新設(shè)備的安裝基礎(chǔ)平臺作為改造的關(guān)鍵點(diǎn)。拆除設(shè)備以不破壞基礎(chǔ)為原則，保留地腳螺栓和設(shè)備底板，盡可能較低地切割設(shè)備支架。設(shè)計(jì)型鋼制作設(shè)備大底座，用斜鐵和平鐵在原設(shè)備底板上找平焊接，定位焊接型鋼大底座，再進(jìn)行二次灌漿，用以安裝新增設(shè)備。

（4） 新增浴槽、接料臺架、旋轉(zhuǎn)裝置和接出料鉤。根據(jù)改造后的產(chǎn)品大綱重新設(shè)計(jì)浴槽、接料臺架、旋轉(zhuǎn)裝置及支撐輪和接出料鉤，結(jié)構(gòu)形式和“槽內(nèi)淬火”改造一樣。浴槽安裝在制作的大底座上，節(jié)約了設(shè)計(jì)施工周期。浴槽收集的外淋內(nèi)噴淬火水對鋼管全長周向均勻冷卻，改善了壓緊輪處側(cè)噴水的冷卻效果。

（5） 改造外淋裝置（含壓緊輪）。因?yàn)楫a(chǎn)品大綱范圍的擴(kuò)大，原外淋裝置淬火后不能正常出料。拆除壓緊裝置和擋水板，做好防護(hù)措施，割斷液壓和水管路，拆離電纜，將外淋裝置的4 個(gè)支腿割斷并整體抬升200 mm。重新設(shè)計(jì)壓緊輪裝置和不銹鋼擋水板，并將新裝置安裝在原位置。

（6） 改造斯惠頓上料機(jī)構(gòu)。原斯惠頓電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動利舊，拆除上料支架、轉(zhuǎn)軸和擺臂，根據(jù)新布局軸中心向進(jìn)料輥道方向偏移。新增支架整體偏移焊接底座平臺上，轉(zhuǎn)軸和電機(jī)減速機(jī)通過萬向聯(lián)軸器連接，重新設(shè)計(jì)減短擺臂長度。

（7） 改造斜臺架及擋料裝置。拆除原斜臺架淬火端的翻料鉤及支架，原臺架傾角較?。?.5°），不利于淬后鋼管的自然滾動，在原斜臺架支架上重新設(shè)計(jì)安裝傾角為4°的臺架。改造擋料裝置的擋料板，滿足大規(guī)格鋼管滾動時(shí)的擋料要求。

（8） 改造水系統(tǒng)。更換原外淋內(nèi)噴主管路，外淋供水流量和壓力不變，內(nèi)噴新增1 臺水泵。新增內(nèi)噴水泵流量為720 m3/h，壓力為0.98 MPa。內(nèi)噴控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對中可調(diào)式的內(nèi)噴嘴，優(yōu)化原內(nèi)噴效果，以擴(kuò)大產(chǎn)品范圍。三通閥前管路增加水錘吸納器，三通閥后回水管路增加電動閘閥，減小三通閥切換造成的水錘和振動。內(nèi)噴噴嘴管路上增加流量計(jì)，根據(jù)實(shí)測流量參數(shù)優(yōu)化工藝。外淋內(nèi)噴水泵改為變頻電機(jī)，根據(jù)工藝變頻控制。淬火總水量瞬時(shí)增大，重新核算原水處理系統(tǒng)。

（9） 改造潤滑、液壓和電氣控制系統(tǒng)。拆除原潤滑系統(tǒng)，重新對支撐輪軸承進(jìn)行潤滑設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)泵站和閥臺利舊，新增接出料鉤和浴槽水位調(diào)整機(jī)構(gòu)的控制閥臺。電氣控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)，增加水泵的變頻控制，增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

3 改造后設(shè)備的特點(diǎn)及其工業(yè)應(yīng)用情況

將“槽內(nèi)淬火”改造為“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”后，對Φ292.1 mm×28.19 mm 規(guī)格27CrMo7 鋼管半浸水淬后取樣，分析其全截面金相組織和全壁厚淬火硬度。發(fā)現(xiàn)，該鋼管內(nèi)表面、中間位置、外表面的馬氏體組織含量都大于95%，硬度差 ∧2 HRC，直線度≤1.2 mm/m，橢圓度0.8～2.0 mm，為后續(xù)鋼管車絲成材率達(dá)到95.8%奠定了基礎(chǔ)。

將“外淋淬火”改造為“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”后，對Φ114.3 mm×6.5 mm 規(guī)格20Mn2 鋼管半浸水淬后取樣，管端直線度和管體直線度≤1 mm/m，橢圓度≤1.36 mm；對Φ273 mm×25 mm 規(guī)格L415Q 鋼管水淬后取樣并檢測，發(fā)現(xiàn)其屈服強(qiáng)度達(dá)到535 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到720 MPa，硬度差最大為1.8 HRC。

以“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”工藝為核心的多功能淬火設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用。升級改造“槽內(nèi)淬火”和“外淋淬火”設(shè)備后，改造后的“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”工藝設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 鋼管淬火鋼種和壁厚規(guī)格覆蓋范圍更廣，淬火工藝靈活。通過浴槽的控制，可實(shí)現(xiàn)“外淋淬火”工藝，也可進(jìn)行“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”工藝。在一條生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格和鋼種的不同淬火工藝方式，節(jié)約了生產(chǎn)線的投資成本。

（2） 產(chǎn)品質(zhì)量高且穩(wěn)定。改造后，鋼管與淬火水接觸冷卻更均勻，產(chǎn)品合格率和馬氏體組織含量提高，全壁厚和頭尾最大硬度差變小。直連式旋轉(zhuǎn)支撐輪帶動鋼管各點(diǎn)高速同步轉(zhuǎn)動，均勻快速冷卻提高了鋼管的直線度。鋼管轉(zhuǎn)動的同時(shí)，壓緊輪高壓快速壓下接近鋼管，慢速接觸鋼管并低壓保持，減小了鋼管的橢圓度。

（3） 鋼管淬火冷卻水沖入浴槽，浴槽自動調(diào)整平衡水位，實(shí)現(xiàn)半浸淬火工藝。外淋內(nèi)噴水和浴槽收集的冷卻水同時(shí)參與熱交換，提高了淬火水的有效熱交換。同時(shí)，在馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度后，關(guān)閉外淋內(nèi)噴水，利用浴槽收集的淬火水繼續(xù)冷卻至常溫。精簡了淬火水處理的配置，節(jié)約了淬火工藝用水量，減小了水處理量和電量能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和綠色生產(chǎn)。

4 結(jié) 語

半浸設(shè)備和工藝提高了淬火產(chǎn)品的馬氏體含量，減小了硬度差，同時(shí)提高了鋼管直線度，減小了橢圓度。改造后的設(shè)備能進(jìn)行“外淋淬火”和“外淋+內(nèi)噴+半浸+旋轉(zhuǎn)”等多種淬火工藝，將原本單一的設(shè)備和工藝有機(jī)結(jié)合，使得原本需要多臺不同淬火設(shè)備才能完成的生產(chǎn)任務(wù)在一臺設(shè)備上就可以完成，節(jié)省了生產(chǎn)資源和人工成本，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。