一种可实现钢板变周期梯度淬火的装置和工艺方法

技术领域

本发明涉及钢板热处理工艺技术领域，具体涉及一种可实现钢板变周期梯度淬火的装置和工艺方法。

背景技术

大单重、大厚度钢板是海洋工程、能源化工、水电核电、工程机械、国防军工等领域关键原材料。此类钢板通常采用大尺寸钢锭/铸坯制造，原料坯在凝固过程中会出现更多疏松、偏析等缺陷。后续轧制过程中，由于轧制压缩比小、形变渗透率差，锭坯心部质量缺陷难以有效消除，钢板厚向组织存在明显差异，降低了整体力学性能和使役性能。这些遗留问题需要在后续热处理工序解决。

淬火是提升特厚钢板强韧性能和特殊使役性能的核心工艺。目前世界范围内仅德国迪林根、法国安塞洛米塔尔、日本JFE、鞍钢等极少数公司能够实现大断面特厚钢板(钢板厚度≥120mm)淬火，普遍采用浸入式淬火方式。浸入式淬火时，钢板表面水-气传热效率低，厚向很难形成较大温度梯度，钢板内部导热效率随之下降，导致近心部冷速偏低、厚向截面效应明显；而且，受搅拌水流速度偏低、流速分布不均等限制，钢板表面传热过程无序进行，难以实现断面温度梯度与组织性能的定量表征与调控。随着特厚钢板使用领域的拓宽，高强韧、高性能均匀性、抗疲劳、耐腐蚀、较低屈强比、良好低温韧性和抗层状撕裂性等成为重要的评价指标，传热效率低、温度梯度可控性差及厚向性能波动大等现实难题与高质量淬火需求之间的矛盾日渐突出。

辊式淬火机是现代化大型钢板热处理线主流淬火装备，主要用于8～120mm厚钢板淬火。该装备布置在辊底式热处理炉或外部机械化炉后，钢板奥氏体化加热后，通过辊道运输至辊式淬火机中运动淬火，钢板降至终冷温度后，通过辊道移出辊式淬火机。辊式淬火机水冷喷嘴以水平运动的钢板为中心线上下垂直对称布置，通过调节各种类型喷嘴喷水流量和喷嘴开关，实现钢板上下表面对称换热。

尽管常规连续辊式淬火与浸入式淬火相比优势明显，但随着钢板厚度增加(厚度≥120mm)，受固有导热属性限制，厚向导热能力(尤其是近心部)远小于表面对流换热能力，心部温降滞后于表面，形成较大的温度梯度；钢板断面相变热动力学条件的不同，加剧了断面组织差异化，导致因心部粗大非马氏体组织的出现，降低了钢板强度、恶化了韧性。可见，因无法调和表面换热与内部导热的平衡关系，常规连续辊式淬火无法满足特厚钢板对心部强韧性和厚向组织均匀性的需求，进一步限制了其在特厚钢板热处理领域的应用。为解决上述问题，德国LOI、SMS两个主要国外辊式淬火装备制造研发公司均通过改造现有装备，提升喷嘴均匀性，优化辊道配置，目的是提高冷却均匀性，进而改善钢板板形和性能均匀性。但到目前为止，这种思路还未见显著成效。

本发明深入研究了特厚钢板淬火存在的传热学特点：①奥氏体化后钢板热容量大，持续冷却过程壁面换热系数随壁面过冷度实时变化，近表面区域温降迅速，温度梯度可控性强，而近心部区域受材料固有导热属性限制，近似稳定内热源，温降缓慢；②断面传热路径长，大断面温度场分布与心-表传热/导热机制的差异共同促进断面大温度梯度的形成，复杂冷却路径控制成为可能。尽管这一传热特性造成了目前的特厚钢板淬火心部强韧性提升受限、断面组织差异大等现实难题，但也为通过设计和控制温度梯度，改变断面相变/析出热动力学条件，实现组织梯度调控提供了新的思路。本发明将梯度结构引入到特厚钢板热处理领域，把淬火断面温度梯度大、心部冷速相对低、温降慢的传热劣势，转变为制备梯度结构材料的自然优势：钢板近表面通过变周期强烈淬火-返温实现反复相变-析出，细化晶粒；心部赋予充分析出热动力学条件，获得复合析出强化组织。充分发挥合金设计与相变/析出/细晶综合强化作用，变追求组织一致性为性能一致性，可有效提升特厚钢板心部强韧性和断面性能均匀性，实现≥120mm厚钢板高质量淬火热处理。

现有专利中，专利CN111247256A，公开了一种厚钢板热处理设备和热处理方法，利用加热炉和淬火装置完成奥氏体化加热、缓冷、骤冷等工艺。该装置属常规热处理加热和淬火装置，与本发明可实现钢板变周期梯度淬火的装置和工艺方法差别较大。

专利CN202482371U，公开了一种新型结构的厚钢板淬火机，将传统辊式淬火机整体提升框架拆分成高压段提升框架和低压段提升框架，单独上下可调。该专利从淬火机框架结构优化角度出发，预期达到灵活选择、扩大冷却速度范围的效果，与本发明革新最核心的喷水系统和淬火方法无关。

专利CN203474850U，公开了一种特厚钢板的淬火装置，采用吊钩、钢丝绳、吊具等结构将钢板吊入淬火槽中淬火。该专利属于浸入式淬火方式，与本发明基于辊式淬火方式的特厚钢板淬火装置和方法无关。

专利CN110499407A，公开了一种核电I级安全罩特厚钢板调质热处理生产方法，采用淬火+回火工艺生产超厚特种钢板。该专利详细规定了某一钢板热处理工艺参数及对应的钢板性能，与本发明普适性提升特厚钢板热处理心部强韧性和断面性能均匀性的装置和方法无关。

专利CN108048637A，公开了一种200～300mm超厚钢板基于辊式淬火机的淬火热处理工艺，详细描述了喷水参数控制、辊速控制、淬火时间控制、板形控制等工艺方法。该专利适用于常规超厚钢板辊式淬火生产，与本发明旨在提升心部强韧性能和断面性能均匀性的变周期梯度淬火方法及装置无关。

专利CN107760830A，公开了一种大单重、大断面特厚钢板辊式淬火过程的控制方法，通过数学模型计算和程序控制，自动计算淬火过程温度场。该专利是从自动控制及模型方面优化和提升淬火过程自动化程度和控制精度，与本发明装置结构和淬火工艺方法革新无关。

发明内容

本发明的目的是针对现有≥120mm特厚钢板淬火存在的钢板心部强韧性差、断面组织差异大的行业评价问题，提供能满足高强度、均质化淬火的装置和工艺方法。

基于上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可实现钢板变周期梯度淬火的装置，包括辊道1、高压水空交替淬火段2、低压梯度淬火段3和返温精控淬火段4。

辊道1由承载辊道5和挡水辊道6组成，承载辊道5安装于钢板7下方，用于运输钢板7，挡水辊道6安装于钢板7上方，与钢板7上表面间隙1～2mm，用于挡水；所有承载辊道5和挡水辊道6均垂直与钢板7上下平面对称布置，辊道直径相同，均为260～350mm，辊道速度范围0.01～0.3m/s。

高压水空交替淬火段2由不少于4组的垂直射流喷嘴8组成，每组包含1个向下喷水和1个向上喷水的垂直射流喷嘴8，沿钢板7上下平面垂直对称布置，喷水口9为整体狭缝式；上垂直射流喷嘴8安装于挡水辊道6间、下垂直射流喷嘴8安装于承载辊道5间，垂直射流喷嘴8喷水面10与钢板7上表面和下表面距离均为20～40mm，单独垂直射流喷嘴8喷水压力1.0MPa、喷水流量450～800m

低压梯度淬火段3布置在高压水空交替淬火段2沿钢板7前进方向的下游侧，由1组七排圆孔射流喷箱11、1组六排圆孔射流喷箱12、1组五排圆孔射流喷箱13、1组四排圆孔射流喷箱14、1组三排圆孔射流喷箱15共5类多排圆孔射流喷箱16组成，依次沿钢板7前进方向排列，每组包含2个向下喷水和2个向上喷水的相同类型多排圆孔射流喷箱16，沿钢板7上下平面垂直对称布置；上多排圆孔射流喷箱16安装于挡水辊道6间、下多排圆孔射流喷箱16安装于承载辊道5间，多排圆孔射流喷箱16喷水面10与钢板7上表面和下表面距离均为25～50mm，单独多排圆孔射流喷箱16喷水压力0.5MPa、喷水流量150～450m

返温精控淬火段4布置在低压梯度淬火段3沿钢板7前进方向的下游侧，由不少于6组双排圆孔射流喷箱18组成，依次沿钢板7前进方向排列，每组包含1个向下喷水和1个向上喷水的双排圆孔射流喷箱18，沿钢板7平面上下垂直对称布置；上双排圆孔射流喷箱18安装于挡水辊道6间、下双排圆孔射流喷箱18安装于承载辊道5间，双排圆孔射流喷箱18喷水面10与钢板7上表面和下表面距离均为25～50mm，单独双排圆孔射流喷箱18喷水压力0.2MPa、喷水流量80～150m

一种可实现钢板变周期梯度淬火的工艺方法，包括变周期水空交替淬火方法、梯度组织调控方法和终冷温度精控方法。

变周期水空交替淬火方法包括：

①通过控制垂直射流喷嘴8/多排圆孔射流喷嘴16的开闭和钢板7运行速度v来调节钢板7淬火过程水冷-空冷时间比，控制钢板7多周期(≥5个周期)温降-返温过程，每个周期内返温温度≥同周期温降温度的1/3～1/2；

②通过控制垂直射流喷嘴8/多排圆孔射流喷嘴16的水流密度和喷水压力调节钢板7上下表面壁面过热度Δt，高压水空交替淬火段2的Δt≥300℃、低压梯度淬火段3Δt≥100℃。

梯度组织调控方法指通过控制钢板7多周期温降-返温过程和上下表面壁面过热度Δt控制钢板7厚向导热过程和壁面换热过程，进而控制；设H为钢板厚度：

①钢板7上表面～1/6H厚度区间和5/6H～下表面厚度区间内往复淬火-回火过程，利用钢板7在该区间内反复相变和析出，细化晶粒，获得超细晶马氏体或贝氏体组织21；

②钢板7的1/6H～1/3H厚度区间和2/3H～5/6H厚度区间内温度梯度ΔT，实现大温度梯度、长传热路径下复合相变-析出，获得亚微米级马氏体/贝氏体区块/板条束复合过渡层22；

③钢板7的1/3H～2/3H厚度区间内长时多阶段准等温转变热力学条件，实现多尺度析出、C/Mn元素扩散-配分的协同控制，获得马氏体/贝氏体基体+纳米级→亚微米级→微米级析出相+残余奥氏体的复合组织23。

终冷温度精控方法利用低压梯度淬火段后测温仪a19测得的钢板7表面温度作为精控开始温度T

当钢板7目标终冷温度T≥T

当|T-T

当T

当T≤T

本发明的有益效果：

1)针对传统超厚特种钢板热处理心部强韧性不足、断面性能差异大、钢板规格/性能提升受限的问题，发明变周期反复淬火新方式，获得特厚钢板连续辊式淬火大温度梯度下传热规律，设计出适合组织梯度控制的变周期梯度淬火装置和工艺方法，实现断面温度梯度可控，传热效率提高30％以上。

2)发明超厚特种钢板近表面往复相变/析出获得细晶组织、心部复合析出强化组织的组织梯度结构，得出基于合金优化设计的相变、析出、细晶交互作用机制，减小尺寸效应引起的性能差异，钢板心部强韧性能和断面均匀性综合提高10～20％。

附图说明

图1是本发明中的可实现钢板变周期梯度淬火装置的结构布置图；

图2是本发明中的可实现钢板变周期梯度淬火工艺方法的原理图。

图中：1-辊道；2-高压水空交替淬火段；3-低压梯度淬火段；4-返温精控淬火段；5-承载辊道；6-挡水辊道；7-钢板；8-垂直射流喷嘴；9-喷水口；10-喷水面；11-七排圆孔射流喷箱；12-六排圆孔射流喷箱；13-五排圆孔射流喷箱；14-四排圆孔射流喷箱；15-三排圆孔射流喷箱；16-多排圆孔射流喷箱；17-空冷区；18-双排圆孔射流喷箱；19-测温仪a；20-测温仪b；21-超细晶马氏体或贝氏体组织；22-亚微米级马氏体/贝氏体区块/板条束复合过渡层；23-马氏体/贝氏体基体+纳米级→亚微米级→微米级析出相+残余奥氏体的复合组织。

具体实施方式

下面以150mm厚、2500mm宽、8000mm长钢板为例，对一种可实现钢板变周期梯度淬火的装置和工艺方法具体实施方式进行描述。

钢板7在热处理炉中完全奥氏体化并满足保温时间要求后，向高压水空交替淬火段2发送出钢请求，高压水空交替淬火段2垂直射流喷嘴8开启4组，每组上垂直射流喷嘴8喷水面10与钢板7上表面距离25mm、喷水压力1.0MPa、喷水流量500m

上述条件准备好后，钢板7从热处理炉由承载辊道5运输，依次通过高压水空交替淬火段2、低压梯度淬火段3、返温精控淬火段4，淬火后由承载辊道5运出。钢板7淬火过程中，采用变周期水空交替淬火方法调节钢板7高压水空交替淬火段2水冷-空冷时间比为1.2，调节钢板7低压梯度淬火段3的七排圆孔射流喷箱11、六排圆孔射流喷箱12、五排圆孔射流喷箱13、四排圆孔射流喷箱14、三排圆孔射流喷箱15区域，水冷-空冷时间比分别为1.875、1.75、1.625、1.5、1.375，钢板7水冷-空冷周期为9；钢板7经过4组垂直射流喷箱8时壁面过热度Δt分别为660℃、460℃、390℃、320℃；钢板7经过七排圆孔射流喷箱11、六排圆孔射流喷箱12、五排圆孔射流喷箱13、四排圆孔射流喷箱14、三排圆孔射流喷箱15时壁面过热度分别为280℃、220℃、170℃、130℃、110℃；淬火过程中，钢板7上表面～1/6H厚度区间和5/6H～下表面厚度区间经过9次反复马氏体相变-回火，获得超细晶马氏体组织，晶粒度≥10级；钢板7的1/6H～1/3H厚度区间和2/3H～5/6H厚度区间内温度梯度ΔT满足公式

其中，

钢板7的1/3H～2/3H厚度区间内获得马氏体/贝氏体基体+纳米级→亚微米级→微米级析出相+残余奥氏体的复合组织；

钢板7目标终冷温度为85℃，低压梯度淬火段后测温仪a19测得钢板7精控开始温度T