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调质工艺在中厚板产品开发方面应用探讨 李 梅 广（济南钢铁股份 技术中心，山东 济南 250101） 摘 要：中厚板进行调质处理钢种有高强钢、压力容器和锅炉用钢、耐磨钢及油罐钢等，影响钢板淬火质量关键原因是加热温度，保温时间，冷却条件，钢板头部、尾部和板角质量，喷淋水等。济钢应充足发挥新上调质线作用，开发高强度结构钢、压力容器钢、低合金结构钢和耐磨耐候钢，增强济钢在高端产品上国际竞争力。关键词：中厚板；调质钢；调质处理；淬火工艺中图分类号：TG162.83 文件标识码：A 文章编号：1004-4620（）06-0029-03 Discussion about Application of Quenching and Tempering Technology in Product Exploitation of Medium Plate LI Mei-guang （The Technology Center of Jinan Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China） Abstract: Medium plate steel types needing quenching-and-tempering include high tensile steel, pressure vessel steel, boiler steel, wear resistant steel and oil tank steel etc. The key factors which affect quenching and tempering quality of plates are heating temperature, holding time, cooling conditions, the head, tail and angle of plate, spray water and so on. Jinan steel should exert the function of quenching and tempering production line that was equipped, develop high tensile structural steel, pressure vessel steel, low-alloy structural steel and wear-resistant and atmosphere corrosion resisting steel for enhancing Jinan steels international competitive power in high-end products.Key words: medium plate; hardened and tempered steel; quenching and tempering; quenching 1 前 言 现在，为提升中厚板综协力学性能，普遍在冶炼方面采取精炼及微合金化方法，在轧钢方面采取控轧控冷（TMCP）工艺等，并已经起到节能降耗、提升生产率效果。不过，全部存在一定程度不足。比如：TMCP处理钢板性能离散度较大，而且部分钢种要求很苛刻临界轧制。上述工艺现在还不能在强度、韧性，尤其在平坦度指标上达成令人满意结果。所以，再要提升质量及强度等级，取得优异综合性能钢板，如部分高强度、高韧性、易焊接等高等级钢板，尤其是要求性能均匀性比较高锅炉压力容器钢板、桥梁钢板、高层建筑钢板、向钢板等，传统离线热处理方法仍然是难以替换。总体来讲，热处理工艺水平高低是钢铁企业优异技术标志之一，要达成世界一流水平，提升产品附加值，热处理是应充足利用关键工艺。所以，济钢作为一个定在以生产高性能品种钢为主中国最大中厚板生产基地，建设一条现代化中厚板热处理生产线是必由之路。 中厚钢板热处理方法关键有正火、调质（淬火+高温回火）、正火+控冷、正火+回火、回火、退火、直接淬火（DQ）、直接淬火+回火等。其中，用量最大是经正火处理板材，包含正火+回火，约占全部热处理产品70左右；其次是经调质处理板材，约占15；其它如回火等占151。 2 中厚板调质处理产品介绍 通常习惯将淬火加高温回火相结合热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于多种关键结构零件，尤其是那些在交变负荷下工作连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，其机械性能均比相同硬度正火索氏体组织优良。硬度取决于高温回火温度并和钢回火稳定性和工件截面尺寸相关，通常在HB200350之间。 调质钢应用范围很广，建筑、桥梁、引水工程、钻井平台、石油化工、水火核电、船舶、工程机械等对钢板要求较高产业中需要应用经过调质处理钢板。包含高强钢、锅炉压力容器钢、耐磨钢、厚壁结构钢、船体结构钢、耐腐蚀钢等钢种。2.1 高强钢 近几年来，钢铁工业中发展最快速、最有活力钢种是低合金高强度钢（HSLA），在桥梁、建筑、船舶、高压容器、管材及管线、工程机械及车辆等方面广泛应用，逐步使高强度低合金钢含有了以下突出特征:1）较高屈服强度；2）良好焊接性；3）高断裂韧性和低韧脆转变温度；4）良好冷成型性，尤其是弯曲和在板厚方向上塑韧性能；5）良好热加工性能。 即使，用TMCP等工艺已经成功开发出700800 MPa高强钢，但调质型高强钢因其好均匀性等优势仍然占据着主流市场。在调质线应用上，如美标A709/A709-03a高强低合金；A514高强调质钢系列；德标DIN EN 10083系列等全部必需进行调质处理。世界各国高强钢标准中以调质状态交货占据了二分之一以上。2.2 压力容器、锅炉用钢 多年来中国生产压力容器钢在强度、韧性及耐压性上有很大提升，但焊接性能、耐腐蚀性能和优异国家品种相比，还有一定差距。因为锅炉是一个含有潜在危险性特殊设备，所以对钢板质量要求很严格，多年来用户对锅炉板质量异议较多，从一个侧面反应了锅炉板质量存在问题。因调质钢含有高均匀性和稳定性等，从开始，不少用户期望能提供调质型压力容器钢，这对中国不少中厚板厂来说又是一个新挑战。在世界各国家标准准中，因压力容器、锅炉用钢特殊性，在这方面要求调质状态交货也很多。如中国GB19189压力容器用高强度调质钢，美标A517/A517M-93压力容器用合金高强钢等均要求调质状态交货。在世界各国压力容器用钢标准中，要求调质状态交货更是占了大多数。2.3 耐磨钢 伴随煤炭、工程机械等装备制造业发展，耐磨专用钢需求量越来越大。目前生产耐磨钢板著名厂家有：瑞典SSAB奥克隆德工厂生产Hardox系列，硬度有HB400和HB500 。还有德国迪林根400 V和500 V。再就是日本JFEEH360、EH400和EH500。中国生产关键厂家有舞钢、鞍钢、武钢等多个厂家，质量优良是舞阳NM360A/B和NM400A/B。上述钢种采取全部是淬火和低温回火相结合，总而言之全部需要淬火线来处理。 2.4 油罐钢 现在，中国大规模建造1015万m3储罐，关键选择屈服强度490 MPa，抗拉强度610 MPa大线能量焊接高强度调质板。610 MPa级能够建造储罐容积最大为17.5万m3。中国将建造20或30万m3石油储罐，610 MPa钢已不能满足要求，需要强度等级更高690 MPa或780 MPa大线能量焊接高强度调质板。日本已经开发成功这类钢，并有应用实例，现在中国几家大钢厂正在进行这类钢种开发。 为了降低材料成本，油罐用钢量关键采取高强度调质板。如用屈服强度 490 MPa大线能量焊接钢替换屈服强度350 MPa16MnR制造储罐，壁厚能够减薄25%30%。为了降低制造成本，关键经过提升焊接效率，如储罐底层焊接时在焊缝中添加铁粉或碎焊丝，壁部施工中关键采取大线能量气电立焊和埋弧焊横焊工艺。所以，石油储罐用高强度钢力学性能指标应满足以下要求：高屈服和抗拉强度、高韧性、高均匀性和稳定性等。所以通常采取调质钢。世界各国经国家权威部门认证能够用于油罐钢生产钢种见表1。 表1 石油储罐建设钢种生产企业及工艺钢种名称或牌号生产企业JFE-HITEN610EJFE钢铁株式会社WT-610EQ，NT-490EQ，N-TUF490，WEL-TEN610SCF，WEL-TEN610CF新日本制铁株式会社NK-HITEN610U2L（低温用）；NK-HITEN610U2；River Ace 610L（低温用）JFE钢铁株式会社SUMITEN610F-LT；SUMITEN610F日本住友金属工业株式会社12MnNiVR调质高强度板舞阳钢铁有限责任企业大线能量焊接用WH610D2钢板武汉钢铁（集团）企业07MnCrMoVR鞍山钢铁企业JGR610E济南钢铁集团企业B610E宝山钢铁集团企业 由表1能够看出：上述钢种生产除济钢、JFE和新日铁薄规格等产品是在线淬火调质外，其它基础全部是传统离线调质。所以调质线在生产油罐钢等高端产品方面能够大有作为。2.5 合金钢和碳素钢 传统调质钢为含碳量0.30%0.60%中碳碳结钢和合金结构钢。通常在调质状态下使用，常见钢号有：30、35、40、45、50号钢用于制造螺母、螺栓及各类轴；30Mn、40Mn、45Mn、35Mn2、45Mn2制造关键螺母、螺栓、支重轮轴和导向轮轴；30Cr、40Cr、45Cr制造转向齿轮轴、传动齿轮等。35CrMo、42CrMo制造重型汽车曲轴及连杆，其中40Cr钢应用最广泛。另外，国外标准中，如日标JISG4105-1979铬钼钢等，很多全部要求必需调质。调质处理线能够在开发合金钢和碳素钢方面发挥主导作用。 除了上述钢种外，还有船舰、耐腐蚀等方面用钢有部分也需调质。 3 影响钢板淬火质量关键原因分析 调质工艺关键包含淬火和回火，其中淬火是最轻易出现问题步骤，如淬火裂纹，板形不好等。3.1 加热温度 实践证实，钢板淬火加热温度不是一个固定不变参数，通常来说，需依据钢临界点来确定。亚共析钢采取Ac3+（3050 ），过共析钢采取Ac1+（3050 ）。这个选择方法称淬火加热温度选择标准。亚温淬火是亚共析钢在略低于Ac3（510） 温度下奥氏体化后淬火，可提升钢韧性，降低脆性转变温度，并可消除回火脆性。其淬火加热温度应靠近Ac3，以免出现过多铁素体而影响钢强度。同时，因为淬火温度降低，钢淬裂倾向大大减小。对于低碳钢及中碳钢，可合适提升淬火加热温度，方便淬火后取得较多板条状马氏体或使全部马氏体呈板条状，使它们韧性显著提升。对于高碳工具钢，易采取低温淬火工艺，这有利于降低变形开裂，还可提升韧性，降低折断和崩刃，延长使用寿命。3.2 保温时间 保温时间是指在热处理时，钢板热透或确保组织转变基础完成所需时间。确定淬火温度下保温时间，需考虑钢板厚度、钢板在炉内排布方法、是否预热、钢板化学成份等很多原因。通常来说，高合金钢、高速钢、高合金模具钢淬火加热保温时间要合适延长，以确保碳化物溶解和奥氏体化。其中高合金铬钢需要保温时间最长。3.3 冷却条件 淬火冷却是决定淬火效果关键步骤。要确保淬火取得全部马氏体组织，其冷却速度必需大于临界冷却速度。钢临界冷却速度也是成份函数，对于实际钢板还受截面大小影响，要全方面考虑。 钢临界冷却速度和成份之间经验公式为2： lgv（/）=9.81-（4.26 C+1.05 Mn+0.54 Ni+0.5 Cr+0.66 Mo）+0.00183PA，其中PA为奥氏体参数（加热温度和时间之积）。 适用成份：0.1C0.5，Si1%，Mn2，Ni4%，Cr3%，Mo1%，V0.2，Cu0.5%，Mn+Ni+Mo5%。 以上公式仅适适用于截面较小钢板。因为淬火冷却质量效应影响，钢板截面增大，蓄热量对应增多，一样条件下冷却速度也就随之下降。所以，必需了解工件截面大小对冷却速度影响程度。3.4 辊子 传送过程中，钢板下表面要比上表面冷却得快，这是因为在使用辊子对钢板进行输送时，热量会从钢板底部传输到和之相接触辊子上。在钢板被传送到淬火中心位置过程中，钢板头部要比其尾部经过更多辊子，这就使得钢板头部要比尾部冷却得快。另外，钢板被定位到含有相对较小面积辊子上后，热量就会从钢板底部传输到这些辊子上，而钢板上表面不会发生这么热传输。所以，钢板下表面要比其上表面冷却得快。3.5 喷淋水 淬火过程中，水被喷射到钢板下表面上后快速落下，但同时喷到钢板上表面水流到钢板边部后才流走。钢板上、下表面水流情况不一样意味着钢板下表面形成水蒸汽膜比钢板上表面形成水蒸汽膜破裂得早且频繁。所以，在喷淋水同时喷淋到钢板上、下表面时，下表面冷却较快。另外，钢板上表面水流情况改变了纵向及横向热传输速度，并所以而改变了冷却速度。3.6 钢板端部及板角质量 钢板从炉子传送到淬火区时，因为钢板尾部在炉内停留时间更长。所以，对于长板，轻易造成头部和尾部冷却不均匀。钢板角部冷却得最快，其次是板边，最终是钢板中心。考虑到钢板瓢曲、平直度和硬度这些不利原因，会产生下列影响:钢板下表面要比其上表面冷却得快，这就造成了下表面更为猛烈膨胀（膨胀是因为马氏体形成引发）。所以钢板变得凹陷，形成盘状。钢板边缘比其中心冷却得快，换句话说，钢板边缘给中心施加压力。一旦钢板中心形成马氏体，膨胀就会造成波浪。因为钢板头部淬火温度低，所以其头部硬度要比尾部低。因为钢板中心淬火温度较高，所以钢板中心硬度也较高3。 4 结束语 济钢和相继投产1和3热处理炉，已经成为济钢厚板厂生产高附加值产品关键设备。伴随济钢世界一流调质线投产，将使济钢产品档次和质量得到大幅提升，极大增强济钢在高端产品上国际竞争力，产品品种包含高强度结构钢、压力容器钢、低合金结构钢和耐磨耐候钢等，可向中国国防军工、航空航天、油气管线等关键领域输送高品质材料。 调质钢生产工艺复杂，是反应一个企业技术管理水平关键标志。同时，调质钢市场尤其是高端市场被鞍钢、武钢、舞钢等少数几家企业垄断，潜力巨大，利润可观。济钢应该充足利用现有设备和技术优势在调质钢领域铸造济钢特色品牌。这必将大幅提升济钢关键竞争力，加速济钢迈入中国钢铁业第一梯队步伐。参考文件:1 邵正伟.中国中厚板热处理工艺和设备发展现实状况及展望J山东冶金，28（3）：12.2 Bolonden Ret. Heat Treatment76 M.London; Metals Society. 1976.3 FriedhelmKuh.batch quench-hardening of big acreage steelJMP TInternational,(1):28.