因此，研制與開發新型高精度低溫回火爐對提升國內熱處理裝備技術水平、穩定高品質特殊鋼的生產意義重大。

3關鍵共性技術內容

3.1熱處理裝備研制

3.1.1特厚板輥式淬火機

特厚鋼板專用連續輥式淬火機，配備噴水系統、供水系統、輸送輥道系統和框架提升系統，可實現120-250mm厚鋼板高強度均勻化淬火。噴水系統分高壓噴嘴和中壓噴嘴，沿輸送輥道在輥道縫隙間上下對稱布置，上噴嘴和上輥道固定在移動框架上，下噴嘴和下輥道固定在固定框架上；供水系統分高壓供水系統和中壓供水系統，分別向高壓噴嘴和中壓噴嘴供水，供水系統管路上設置開閉閥、流量計、調節閥，用于控制供水管路通斷和管路內水流量；輸送輥道系統由上輥道、下輥道、萬向接軸、傳動電機、變頻器和編碼器組成，精確控制鋼板行進速度；框架提升系統由高壓段固定框架、高壓段移動框架、中壓段固定框架、中壓段移動框架以及移動框架提升系統組成，固定框架固定在地面上，移動框架由提升系統帶動，按一定速度上下移動，實現輥道縫隙調節。

研制的特厚鋼板連續輥式淬火機與現有特厚鋼板淬火裝備相比，具有如下優點。

1）采用整體超寬狹縫式噴嘴（簡稱狹縫噴嘴）作為高壓噴嘴，采用多排整體傾斜式高密噴嘴（簡稱高密I型噴嘴）和多角度傾斜射流噴嘴（簡稱高密II型噴嘴）作為中壓噴嘴。高壓噴嘴瞬時冷卻強度大，鋼板寬向冷卻均勻，可以在較短時間內迅速降低特厚鋼板近表面區域溫度，形成較大的厚向溫度梯度，便于心部熱量向表面傳遞；中壓噴嘴持續冷卻能力強，能夠在不過分降低鋼板表面溫度的前提下，保持較大的鋼板厚向溫度梯度，持續較快速降低鋼板心部溫度，提高心部冷速。

2）淬火冷卻系統高壓淬火區內狹縫噴嘴和高密I型噴嘴交錯布置，避免因鋼板近表面始終維持在較低溫度造成的鋼板表面與冷卻水之間的過冷度小，提高了換熱效率。

3）供水系統采用供水壓力和流量雙閉環控制，實現各種不同類型噴嘴噴水流量和噴水壓力精確控制，縮短噴水流量和壓力的調節時間，擴大冷卻強度調節范圍，提升了特厚鋼板連續輥式淬火機自動控制水平，使操作更靈活、簡便。

4）輸送輥道系統設計過渡輥、壓輥、螺旋輥、小徑輥、框架間過渡輥和大徑輥6種輥道，采用不同材質、輥徑、輥身結構和驅動方式，實現鋼板快速出爐、擋水、快速排水、表面冷卻殘水流量分區、框架間過渡等功能，提升了鋼板運動換熱、殘水清除、單向運動和擺動等功能的控制精度。

5）框架提升系統設計高壓淬火區框架提升系統和中壓淬火區框架提升系統兩套系統，實現各淬火區輥道縫隙單獨可調，在單獨使用高壓淬火區或中壓淬火區時，其他不投入使用的淬火區上框架提升至非工作位，避免因高溫鋼板烘烤而產生上噴嘴變形，延長噴嘴使用壽命。3.1.2高精度低溫回火爐

新型高精度低溫回火爐，實現100-650℃高精度中低溫回火，用于屈服強度大于1GPa超高強鋼板的回火熱處理。回火爐采用強制對流加熱技術，加熱過程中高速的爐氣直接沖擊金屬進行加熱，輔以特殊的爐型結構將與鋼板熱交換過的爐氣回收加熱，形成爐內氣流的高速循環。與傳統回火爐相比該爐型傳熱效率更高、加熱溫度更均勻，可達±3℃以內，具備爐內壁溫度低，可大幅降低燃料消耗等優勢。此外，開發的熱處理爐改善爐襯工作條件，爐子熱惰性小，升、降溫靈活，有利于實現自動控制。

1）強制對流加熱條件下傳熱機理研究針對強制對流加熱的技術特點，研究不同溫度下爐內熱交換過程和強制對流加熱條件下板帶的加熱規律，確定新型熱風循環加熱低溫回火爐的傳熱機理和數學計算方法。

2）均勻化強制對流循環加熱系統及其關鍵技術優化

利用有限元模擬仿真爐氣導流、均流系統，分析裝備結構參數、氣流壓力和流量等對均流的影響，實現爐內熱空氣均勻化分配，進而優化爐內熱空氣導流、均流裝備結構，實現強制對流循環加熱系統最優化加熱。

3）強制對流沖擊加熱控制

研究適用于強制對流沖擊加熱技術的控制模型，建立新型高精度低溫回火爐全自動智能控制系統，以及實現溫度精確控制，滿足高性能鋼材高品質、高效率、低能耗、低成本生產的需要。

新型高精度低溫回火爐工藝技術復雜，加熱過程控制難度大。開發的關鍵在于熱流引導結構的設計、爐氣均流裝置的設計及其沿爐長方向的合理布置。解決這些技術難點需要高水平的流體力學和傳熱學技術，國外相關廠家將其視為核心關鍵技術，對我國進行封鎖。因此，如何設計開發出最優的大型強制對流循環加熱系統，進而開發出具有自主知識產權和核心專利技術的工藝控制技術是本課題擬解決的關鍵技術難題。

3.2高等級鋼板熱處理工藝及產品開發

3.2.1極限薄鋼板（3-10mm）高平直度淬火工藝開發

薄規格板材均勻化淬火工藝技術是鋼板淬火領域內的核心技術，具有重要的實用價值，但因其對淬火過程的冷卻均勻性要求極高，冷卻過程影響因素眾多，對淬火設備結構參數及工藝參數非常敏感，淬火過程的板形控制難度很大。

相對于常規中厚板來說，薄規格板材淬火過程中高冷卻強度較易實現，但在冷卻均勻性方面要求極為苛刻。這里主要在淬火系統對稱性結構、流量分布、淬火運行速度及鋼板自身條件等方面分析對冷卻均勻性的影響。薄規格板材淬火后殘余應力達到一定值時，鋼板即出現失穩屈曲，按照板材的彈性屈曲理論，在理想彈性狀態下，板材的臨界屈曲應力為：KEπ（t/b）2σcr=——————12（1-ν）2式中，σcr－臨界屈曲應力；K－臨界屈曲應力系數；t－鋼板厚度；b－鋼板寬度；ν－材料泊松比。

從臨界屈曲應力的計算公式可以看出，淬火鋼板厚度越薄，寬度越寬，臨界屈曲應力越小，越容易發生對冷卻均勻性極為敏感的淬火變形。故薄規格寬幅鋼板的輥式淬火板形控制過程是研究中厚板淬火變形問題的難點。

1）關鍵設備結構參數對稱性冷卻技術

2）薄規格鋼板對冷卻系統的均勻性更為敏感，其中鋼板上下表面的對稱性冷卻對板形有重要的影響。鋼板淬火過程中的對稱性冷卻可以理解為兩個方面，首先在單側的冷卻區域內的均勻冷卻，考慮到鋼板是連續式通過淬火區域，在單個噴嘴參數調整方面主要考慮鋼板寬向的冷卻均勻性；其次，淬火過程中保證鋼板上下表面冷卻區域內冷卻強度的對稱性。

單個噴嘴的機械參數調節主要有射流角度、縫隙寬度和噴嘴距鋼板表面的位置參數，如圖1所示。

假設在理想的條件下，上下縫隙噴嘴水平度、狹縫開口度均勻一致、完全對稱、上下縫隙到鋼板上下表面的距離完全相等（輥縫完全等于鋼板厚度）、上下水幕面與鋼板表面形成的二面角完全相等。在噴射速度快、壓力高的條件下，忽略重力對射流射線的影響，則上下縫隙噴嘴入射點應該是對稱的，即鋼板在同一個鉛垂面上，由于鋼板薄，縫隙噴嘴水量大，淬透性強，即僅縫隙噴嘴就將鋼板溫度降至馬氏體相變溫度點以下。當上下淬火系統結構出現不對稱時，先噴射到鋼板上的水幕會造成單面淬透現象，宏觀表現形式為淬火后鋼板始終呈現頭尾上翹或下扣，因此，不管如何極端設定控制噴嘴水量、水量比和輥道速度參數，也無法改變超薄規格鋼板淬火后板形的變化總趨勢。

在實際過程中，要確保對稱的距離參數及角度參數相等，而且要確保噴嘴沿鋼板寬度方向的兩側均保持一致，即確保上下噴嘴噴射水線的三維對稱精度。此外，淬火機輥道平直度控制和調節很重要，下部輥道應水平，鋼板應沿中心線進行運動，上輥道的中心線應與下輥道的中心線在一條基準線上，不能發生偏移，特別要注意輥道正確找平，尤其是高壓噴嘴區的輥道，否則鋼板通過該區時極易發生變形不能保持平整。

2）關鍵工藝參數高精度控制技術水量參數是滿足低合金高強度鋼板淬后組織和性能的重要工藝參數，也是保證薄規格鋼板均勻性冷卻的決定性因素。冷卻水量對淬火冷卻過程鋼板表面換熱系數有一定的影響。隨著冷卻水量的增加，鋼板表面換熱系數逐漸增加。達到一定水量后，水量增加對換熱能力的提高效果不明顯。淬火過程鋼板上下表面的水量比是板形宏觀翹曲變形的決定因素。射流沖擊換熱過程中，鋼板上表面受殘留水影響，而下表面冷卻水由于重力作用自然下落，故上下水量比小于1，一般在0.6-0.9左右。鋼板在淬火過程中，若水量比設定小于實際需要的設定值時，鋼板上表面冷卻速度大于下表面，先行淬火的鋼板頭部略向下凹曲，產生向上的翹曲變形。變形量很大時，鋼板頭部的上翹將受到上排輥道的反作用力。隨著淬火進程的繼續，鋼板出現向上的中凸翹曲變形，導致淬火后鋼板上凸。