循环高温影响下冶金起重机板钩的理化性能研究

黄美强

（福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350008）

1 引 言

冶金起重机作为冶金企业中重要的特种设备，其冶金板钩和钢丝绳在使用过程中受到循环式的直接或者间接高温烘烤等恶劣因素的影响直接而显著，这种影响可能导致金属构件的材质、组织及物理性能发生变化。然而随着工业化的进程，特种设备在各种行业中快速发展，数量也急剧上升，特种设备的使用工况将会越来越复杂，企业的设备管理者不可能总是盲目使用或更换设备的重要的部件，这就需要对金属材料在循环高温下的变化规律有所了解，从而促使研究人员对金属材料在不同环境下的理化性能作深入的研究和探索。

2 板钩的使用工况

冶金起重机板钩的使用工况直接决定了板钩的温度测量。经过分析与现场勘察得知，钢铁厂的炼钢转炉生产工艺通常每炉冶炼周期约为50min，每一炉按其生产工艺过程可分为空炉、盛装铁水或废钢、吹炼、出钢水四个环节。其中每个周期包含空炉约10min，盛装铁水或废钢约15min，吹炼约20min，出钢水约5min，每炉冶炼周期合计约50min。所以，对每个冶炼周期，板钩的使用环节可简化为如图1-1所示：

图1 板钩工况流程图

钢铁厂炼钢时基本是24小时长时间循环作业，因此板钩也可按工况不断循环。当然，这样的工况是方便计算而采用的简化，实际情况还存在更多的变数。

3 板钩的表面温度测量

3.1 板钩表面温度测试方法

目前，用于测量扳钩表面温度的分布通常使用两种测量仪器，分别是采用无触点激光定位红外测温仪和红外热成像仪。其中测温仪可用于温度超过1000℃的高温测量，而红外热成像仪则只能在1000℃以下测量。为了更好了解板钩的温度分布，常采用两种方法相结合对板钩表面温度分别来进行测量。

3.2 板钩表面温度测量过程

板钩是用于调运钢包，而正常情况下钢包内所装熔融钢水或铁水的温度一般在1600℃左右，热量通过钢包内的工作层、永久层传递到钢包的外壳上，形成钢包温度场。

3.2.1 红外线测温仪测温

实验测量选择的板钩为某钢铁厂炼钢车间的某一冶金起重机的板钩。在进行测量时将红外测量仪尽量靠近板钩，选择较为平整的表面作为测量点，针对选定点进行重复3次测量并求平均温值。测量的具体位置和结果如图2。由图中可知，最高温度点为板钩的直线段，达到398℃。

图2 板钩温度分布图

3.2.2 红外热成像仪测温

测量对象为同一钢铁厂炼钢车间的同一冶金起重机的板钩。在进行测量时尽量保证热成像仪探测头靠近测量部件，并选择350℃温度档，同时注意调焦使得整个画面清晰。测量的结果如图3所示，图中H图框中的温度分布图见图4，图中P直线剖面温度分布见图5。从图中可以看出成白色区域因为温度较高，已超出该仪器的测量量程因此无法显示其温度。

图3 板钩热成像照片

图4 H框中的温度分布情况

图5 P线上的温度分布情况

4 实验设计

为了了解试验板钩材料在一定温度下的力学性能和组织结构的变化，试图找出变化规律，从而开展试验。采用马弗炉来进行模拟高温试验，试验的温度选择根据上面的热分析来决定，选择360℃和400℃两个温度点进行试验，保温时间分别为50h、75h和100h。拉伸试验分为两种，一种是经过保温一定时间后在常温下进行拉伸试验，另一种是在保温一定时间后在400℃高温下进行拉伸试验。在每个温度点采用两根试样进行拉伸。

试样采用Q235钢板，并根据国家标准加工而制成规定尺寸的拉伸试样。钢板的化学成分采用直读光谱仪，力学性能采用拉伸试验机，高温力学性能采用高温拉伸试验机，硬度采用数显洛式硬度计分别进行试样理化性能检测与测量。

5 试样的成分分析

检测时按照直读光谱仪制样要求进行制样，一种样品测量两次取平均值，测量结果如表1所示。从表中的结果来看与Q235材料的性能一致，成分符合国家标准钢构件要求。

表1 试验的化学成分

6 试样的力学性能

6.1 常温状态下试样力学性能

6.1.1 强度试验

将拉伸试样放入马弗炉中经360℃不同时间保温后，在室温下测量其试样拉伸的应力应变曲线如图6所示。从图中可以看出三个试样均出现明显的材料屈服现象，且屈服强度和抗拉强度较为接近。图7为抗拉伸和屈服强度随保温时间的变化关系。可见360℃下不同保温时间对试样抗拉伸和屈服强度有一定影响，但影响有限。

图6 不同时间360℃保温试样下的应力应变曲线

图7 不同时间360℃保温下试样的强度随时间的变化

拉伸试样放入马弗炉中在400℃下保温不同时间后，在室温拉伸的应力应变曲线如图8所示。从图9中可以看出三个试样均出现明显的材料屈服现象，且屈服强度和抗拉伸强度较为接近，可见400℃下保温不同时间对试样的强度影响不大。

图8 不同时间400℃保温下试样的应力应变曲线

图9 不同时间400℃保温下试样的强度随时间的变化

6.1.2 硬度试验

采用型号为HRS-150的数显洛式硬度计进行试样硬度测量，试验中选择不同取样点总共测量了五次。结果列于表2中，从5次测量的平均值来看，所有的温度和时间对试样的硬度影响不大。

表2 试样不同条件下的硬度值

6.1.3 组织结构

在各个温度100小时加热后与原始状态的拉伸试样其金相组织照片如图10所示。从图中可以看出各个温度下的组织未有明显变化，这说明在400℃下保温100小时对Q235材料的组织结构影响不大。

图10 不同时间试验条件下的金相组织结构

6.2 高温状态力学性能

为了研究在360℃和400℃下，Q235材料强度的变化情况，对经过360℃和400℃保温100h的样品分别进行了试样强度的拉伸试验，其应力位移曲线如图11所示。从图中可以看出，常温下出现的Q235材料屈服平台，在高温下消失了；温度360℃和室温下比较，抗拉伸强度未有明显变化，但是试样的延伸率下降约4mm；温度400℃下，则抗拉伸强度和延伸率都比360℃和室温有较大的下降，抗拉强度约307.91MPa，屈服强度按等效方式计算约180MPa。由此可见，高温下材料的力学性能变化较大，尤其是Q235材料在超过400℃时，性能恶化非常明显。

图11 不同时间试验条件下的金相组织结构曲线

7 结论

（1）试样经高温加热后，再冷却到室温的力学性能未发生明显变化，分析其原因主要是，该材料为低碳钢，400℃以下的温度对其组织的影响有限。

（2）试样在高温下进行拉伸试验，结果表明温度大于400℃时，其试样的屈服强度和抗拉伸强度将急剧下降，分别达到180MPa和307.91MPa。

（3）结合的热力学分析，板钩受热辐射强度最大为轴孔处，达到135MPa，若此处的温度达到400℃，则此处实际受力的安全系数为180/135=1.33，材料仍能满足结构强度的要求。

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