多功能淬火浴槽的研发

马 辉，任明杰，王建国，谷瑞杰，杜学斌，郭居奇

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018；2.金属材料挤压/锻造国家重点实验室，陕西 西安 710018)

2020年中国钢管产量达8000万吨，其中无缝钢管年产量3000万吨左右。石化能源用钻杆和输送管，机械加工用重机臂架管、旋挖钻杆用管、石油机械加工用管、高强油缸管，石油炼化管和锅炉管等均需要进行热处理工艺淬炼的高性能无缝钢管。在钢管化学成分不改变的情况下，热处理是提高性能的必要手段。其中，调质工艺(淬火+回火)是钢管热处理生产线的关键工艺，其目的是使钢管材质的性能得到很大程度的提高，增强其强度、塑性和韧性，使其具有良好的综合机械性能[1-2]。

钢管淬火性能要求为马氏体组织转化量最大化，钢管周向和轴向硬度差最小化，同时形位尺寸要求钢管淬火后的椭圆度和弯曲度最小以利于后续车丝等工艺。目前，国内外钢管淬火方式主要有“环形淬火”、“槽内淬火”和“外淋淬火”。“环形淬火”工艺适用于壁厚小于16 mm的薄壁管，螺旋前进间断性的外部冷却，极易造成钢管周向和轴向硬度偏差大且弯曲变形大的缺陷。“槽内淬火”工艺适用于壁厚小于60 mm的厚壁管进行整体浸入冷却，设备结构复杂生产节拍慢，易造成钢管轴向机械浸入和淬火水液面接触不同步引起的弯曲度和轴向椭圆度增大，对薄壁钢管尤甚。“外淋淬火”工艺广泛应用于壁厚小于35 mm的钢管，很难淬透厚壁的钢管，且容易因压紧轮而使得局部马氏体转化量偏低。三种淬火方式都有一定的局限性，根据钢管规格和钢种的不同，钢管厂需要建立多条钢管热处理生产线配以不同的淬火工艺方式以实现产品性能要求[3-4]。

钢管热处理交货状态已经远超出了API(American Petroleum Institute)规定的各种性能指标，钢管生产企业的工作重心已经由原来的低端低价竞争转向降能耗增效益。中国重型机械研究院股份公司在20多年钢管淬火机组研发的基础上，首次研发出多功能淬火工艺的浴槽，契合了淬火冷却工艺曲线，提高了产品性能，同时降低热处理生产线投资减小了运行成本[5-6]。

1 多功能浴槽简介

多功能浴槽由型钢和钢板焊接而成一个半封闭式箱体，浴槽的端头布置内喷嘴，上部布置外淋喷管和压紧轮。浴槽底部在喷嘴端设计冲渣控制管路、尾端设计排空控制管路，浴槽的中层用于安装旋转装置和进出料机构，浴槽侧面设计液位控制机构，浴槽内安装液温和液位检测装置。

冲渣控制管路和排空控制管路打开可以实现浴槽的冲渣，同时通过进出流量差和冷热水的交换也能实现液位和液温的控制。冲渣控制管路和排空控制管路关闭，液位控制机构实时控制钢管和液位的浸入位置，实现钢管“外淋+内喷+半浸+旋转”的淬火工艺。冲渣控制管路关闭，排空控制管路常开，液位控制机构实时控制浴槽侧面开口最低，实现钢管“外淋+内喷+旋转”的淬火工艺。

多功能浴槽可实现“外淋+内喷+半浸+旋转”的淬火工艺：旋转轮带动钢管由慢速进入高速旋转，压紧轮低压保持夹紧钢管，外淋内喷水对钢管进行冷却，淬火水冲入浴槽，浴槽水位通过液位控制机构调整使钢管浸入淬火水设定深度，实现钢管的“外淋+内喷+半浸+旋转”淬火工艺。

钢管的理想淬火曲线是从奥氏体化温度平缓冷却，然后躲过“C曲线”鼻尖温度点，迅速冷却进入马氏体转变开始温度Ms，然后平缓冷却，以获得最大化的马氏体转化量。“外淋+内喷+半浸+旋转”淬火工艺先进行外淋内喷冷却，再进行外淋内喷和浴槽冷却，最后关闭外淋内喷水或调整液位再实现平缓冷却，理论上接近了钢管理想淬火曲线(如图1所示)[7-8]。

图1 钢管理想淬火曲线Fig.1 Ideal quenching curve of steel pipe

2 浴槽主要技术参数

浴槽作为机械设备装配的关键件和实现多功能工艺的核心部件，浴槽的技术参数和外淋内喷参数同样至关重要，图2为淬火浴槽断面图。

图2 淬火浴槽断面图Fig.2 Section drawing of the quenching bath

2.1 浴槽尺寸

钢管淬火机组浴槽的设计主要考虑钢管的规格(长度和外径)和淬火水量。浴槽长度一般大于走钢线2 m左右，宽度为旋转轮直径的3～4倍。

浴槽的体积V可通过以下公式计算：

V=(Qw+Qn)/3600·t/2

式中：V为浴槽的体积，m2；Qw为外淋淬火水量，m3/h；Qn为内喷淬火水量，m3/h；t为淬火工艺时间，s。

2.2 冲渣控制管路

冲渣控制管路的设计主要应用于浴槽底层氧化铁皮的冲刷，冲渣水利用内喷高压水，在非淬火回水时间，关闭回水阀，打开冲渣阀进行氧化铁皮冲渣。

冲渣主管路直径Dc可通过以下公式计算：

Dc=Sqrt[4Qn/3600/(πVc)]

式中：Dc为冲渣主管路直径，mm；Vc为冲渣主管路流速，m/s；Qn为内喷淬火水量，m3/h。

冲渣分管路直径Df可通过以下公式计算：

Df=Sqrt[4Qn/3600/(NπVf)]

式中：Df为冲渣分管路直径，mm；Vf为冲渣分管路流速，m/s；N为冲渣分管路数量；Qn为内喷淬火水量，m3/h。

2.3 排空控制管路

排空控制管路的设计主要考虑冲渣换热和“外淋+内喷+旋转”淬火工艺的排空问题。排空控制管路略低于冲渣控制管路，以利于流水和清渣。

排空管路直径Dp可通过以下公式计算：

Dp=Sqrt{4[t(Qw+Qn)/3600-Qp]/(tπVp)}

式中：Dp为排空管路直径，mm；Vp为排空管路流速，m/s；Qp为浴槽可控容积，m3；Qw为外淋淬火水量，m3/h；Qn为内喷淬火水量，m3/h；t为淬火工艺时间，s。

2.4 浴槽温度

浴槽的淬火水由外淋内喷换热后的冷却水集成，随着热交换的进行，浴槽的水温呈上升趋势。

钢管淬火水温不高于35 ℃，根据地域和水质的不同一般取32 ℃。根据浴槽液温传感器的反馈，在非淬火时间内通过控制管路保证浴槽的水温不高于淬火水温5 ℃。

2.5 浴槽液位

浴槽的淬火水液位是实现“外淋+内喷+半浸+旋转”淬火工艺的关键参数。不同的钢管规格和钢种，需要不同的淬火外淋内喷水和浸入深度，以达到最理想的淬火工艺要求。浸入深度通过浴槽侧面的液位控制机构根据浴槽液位传感器的反馈，实时控制开口度，达到液位的动平衡。

浴槽的淬火初始液位一般低于钢管下限位50 mm以上，防止液位波动和钢管弯曲导致局部提前淬火。浴槽的淬火初始液位不能过低，防止浴槽蓄水时间过长，导致浸入工艺时间推迟。

浴槽的淬火最高液位由钢管浸入深度决定，液位控制机构最高点为浴槽顶面的淬火最高液位。

钢管淬火工艺要求的浸入深度达到动平衡，液位控制机构的开口高度H可通过以下公式计算：

H=Sqrt[(Dz+D)2/4-D12/4]-D/2+h-

Hd-(Qw+Qn)/3600/Vk/L/1000

式中：H为液位控制机构的开口高度，mm；Dz为支撑轮直径，mm；D为钢管外径，mm；D1为支撑轮中心距，mm；h为淬火工艺要求浸入深度，mm；Hd为液位控制机构最低点距支撑轮中心偏差，mm；Vk为开口度流速，m/s；L为开口度长度，m；Qw为外淋淬火水量，m3/h；Qn为内喷淬火水量，m3/h。

3 浴槽主要技术优点

3.1 多功能淬火工艺

浴槽是实现多功能淬火工艺的关键设备，浴槽的设计可实现钢管原有的“外淋+内喷+旋转”淬火工艺，更能实现“外淋+内喷+半浸+旋转”淬火工艺。根据对浴槽淬火水温和钢管浸入深度的控制，扩大了淬火范围，淬火工艺灵活切换实现了多种不同钢管规格和钢种在同一条生产线上进行热处理生产。

3.2 浴槽液位和液温动平衡

浴槽的液位和液温分别由液温传感器和液位传感器实施反馈，通过冲渣控制管路、排空控制管路和液位控制机构的调整，保证浴槽的钢管浸入深度达到工艺要求并保持动态平衡，保证浴槽水的温度不高于淬火工艺要求温度。

3.3 “外淋+内喷+半浸+旋转”淬火工艺

“外淋+内喷+半浸+旋转”淬火工艺主要是在“外淋+内喷+旋转”淬火工艺的基础上研发而来。“外淋+内喷+旋转”淬火工艺的外淋冷却水从钢管上方对钢管外全长喷淋，对不同钢管外径的喷淋覆盖夹角不同，同时压紧轮遮挡外淋水且侧喷水和外淋水冷却不易匹配，极易造成外淋冷却局部不均。

采用“外淋+内喷+半浸+旋转”淬火工艺时浴槽的淬火和钢管下部全方位接触，随着钢管高速旋转，钢管外部冷却十分均匀，避免外淋水的不均匀和压紧轮侧喷水的影响导致淬火效果不佳。采用“外淋+内喷+半浸+旋转”淬火工艺生产的钢管品质得到了极大地提升。

3.4 绿色节能生产

淬火工艺要求钢管迅速冷却进入马氏体转变开始温度Ms，然后平缓冷却。钢管马氏体转变终了温度Mf为200 ℃左右，但是工厂的钢管淬火出水温度一般低于80 ℃，甚至更低为淬火水温，此阶段淬火热交换小、冷却速度慢需要大量的外淋内喷水。

钢管冷却至Ms温度，关闭外淋内喷冷却水，利用浴槽浸入钢管的淬火水进行冷却，实现了平缓冷却的要求，同时节约了外淋内喷水，优化了淬火工艺，可以节约水处理系统的投资，降低了能耗、节约生产资源和实现绿色节能生产。图3为淬火浴槽现场实物照片。

图3 淬火浴槽实物照片Fig.3 Photos of the quenching bath

4 总结

本文分析了钢管不同淬火方式和工厂发展需求，剖析三种不同形式的淬火工艺适用性和局现性，详细介绍了“外淋+内喷+旋转+半浸”淬火工艺的核心设备多功能浴槽，并对浴槽的主要技术参数进行了详细的研究计算，保证了多功能淬火浴槽的成功研发应用。

多功能淬火浴槽是在原“外淋+内喷+旋转”工艺设备的基础上实现工艺和设备改良，产品性能获得了极大地提升。多功能淬火浴槽的诸多优点在“外淋+内喷+旋转+半浸”粹火工艺中成功进行推广和改造升级应用，生产线淬火的钢管范围扩大，性能提升，产品合格率及产线下游车丝成材率也创历史新高。