正火炉为中等工业窑炉，呈长条形。车辆厂锻冶车间车轴连续正火炉原采用燃油亚高速烧嘴，主要用于火车车轴加热锻造后进行热处理，是车辆厂锻冶车间主要设备之一。正火炉后控制冷却系统(NCC - N orma lizing Contro lled Cooling)。NCC 系统设置在辊底式正火炉后, 中厚钢板加热出炉后经NCC 系统进行控制冷却, 将钢板快速降温到相变温度, 然后上冷床冷却。有的也在NCC 设备后加设矫直机。
简介
正火热处理是提高钢板韧性的重要工艺手段。它的特点是将钢板加热到铁素体- 奥氏体相变的上临界点以上约30℃ ~ 50℃ 或更高温度, 使钢奥氏体化, 并且保温均匀化后, 在自由的大气中冷却。常规的正火热处理工艺, 正火后空冷,
铁素体晶粒仍然会长大, 导致钢板的强度较低。如果在正火后采用可控的冷却速度, 就可以降低相变温度, 控制相变类型, 细化相变组织, 也可抑制微合金元素的碳氮化物长大, 使其低温弥散析出, 从而提高钢材的强度, 保持钢材韧性不降低。从成分设计的角度, 在保证力学性能相同的条件下, 可以降低钢中的碳或合金元素的含量, 从而改善钢材的可焊接性。为此, 相关研究者或生产厂已经对常化冷却设备和工艺进行了探索性的研究和开发, 并取得了一定的使用效果。
正火炉后控制冷却系统(NCC - N orma lizing Contro lled Cooling)。NCC 系统设置在辊底式正火炉后, 中厚钢板加热出炉后经NCC 系统进行控制冷却, 将钢板快速降温到相变温度, 然后上冷床冷却。有的也在NCC 设备后加设矫直机。
优缺点
优点
1、使用方便，适应生产环境；
2、炉膛内升温迅速且各段温度均匀；
3、炉体大修期保证五年以上，且炉门、烧嘴等易损部件维修方便。
缺点
1、设备耗油量大，效率低，环境污染严重；
2、由推钢轨道等引起的故障多，维修困难，影响了生产；
3、
自动化控制程度低，废品率高，一般在12%左右。
影响因素
影响正火炉系统工作的主要因素有:炉子的温度制度，燃料的种类，空气和煤气预热的方式，被加热金属的种类，金属的装入和出炉方式，自动控制系统的选择，炉体选用的材质等。
改进措施
改造后的正火炉的炉温分为三区，其中工件由推钢机推入炉膛一区——加热区，有两侧墙上下错列布置的四只烧嘴，轨道由耐火砖砌成的拱支承，使工件可双面加热，再向前是二区和三区——恒温区，在两侧墙同高度错列布置四个烧嘴。八只烧嘴均采用低压涡流烧嘴，一区和二区之间设有间隔梁，在炉子前后顶部配有两台复合式金属换热器。两侧炉墙，炉底均采用砖砌结构，炉顶用
耐火纤维毡制成，采用一台
高压风机同时供给助燃风和用于排烟的引射风。在煤气总管，空气总管上设有调节阀和流量孔板，在引射风总管上也设有调节阀，同时配备了一套先进的微机控制系统，显示仪表以及保护设备等。
机械设备构成及功能
NCC系统设备主要包括高位水箱、水量分配器、雾冷却区冷却喷头、快冷区、主冷区、精调区的高密度集管、供气管路、侧喷装置、前后气吹扫装置、钢结构支架等。系统的部分构成：冷却水由高位水箱及其管路( 或增压装置)供应到NCC 装置中高密度集管和喷雾冷却器, 对钢板冷却后, 冷却水汇集至回水地沟内, 再回流到水处理系统。水处理系统进行过滤冷却处理后, 供给高位水箱, 形成回路。
高位水箱及连接管路
在车间厂房外设置高位水箱, 通过管路与车间内水量分配器相连接, 向车间内提供冷却用水。高位水箱底面距地面的高度为13m, 容积约为260m3, 高位水箱上表面设有通气孔, 保证了高位水箱向水量分配器供水的稳压、稳流、稳量、排气。设置高位水箱, 可以在保证冷却系统大用水需求的同时, 减少水处理系统的供水能力, 节省投资和降低生产能耗。
高位水箱管路系统设来水(供水) 管、出水(给控冷设备供水)管、溢流管和排污管。溢流管, 保证来水的多余水溢流后, 回到水处理系统,保证系统安全运行; 高位水箱出水管给车间内水量分配器供水, 管路上配制手动蝶阀用于调试及检修; 高位水箱底部排污管路并配制2 个排污阀, 为排污和检修使用。
水量分配器及连接管路
水量分配器的主要作用是将高位水箱的冷却用水均匀分配到各组冷却集管。水量分配器布置于高密度集管对应的正火炉出口辊道旁。
水量分配器有多根入水管, 以稳定供水压力和减少水压不均。该装置主要由钢结构支撑立柱和公称通径DN2000 的螺旋管加焊端部封头组成; 设置人孔、排污孔、排气孔,用于水量分配器清污和检修。水量分配器有多根出水管分别给各冷却器供水, 管路上设置有水流量的计量仪表, 各冷却器的流量可以单独调节, 并由计算机进行设定控制, 确保钢板冷却均匀, 防止钢板发生翘曲。
高密度层流集管
高密度层流集管用于中厚规格正火钢板出炉时的控制冷却。集管采用U 形管层流形式, 其构造简单, 易于形成稳定的水流状态。上集管位于出炉辊道的上方的钢结构支架上, 下集管位于出炉辊道两两辊道之间的下方的钢结构支架上。
1) 上高密度集管由水箱、入水管和U 形管组成。该高密度集管通过入水管上开孔的合理设计, 可使集管横向上水压均匀, 从而保证U 形管的水流均匀。改变U 形管喷管的横向间距或喷管直径可以得到曲线型的横向水量分布, 通过U 形管横向位置上的交叉配置, 保证钢板横向冷却均匀性。
2)下高密度集管布置在2个辊子之间, 由水箱、入口水管和圆管喷管组成, 4或5排管采用交叉布置, 提高钢板横向冷却的均匀性; 喷管有一定倾角, 扩大钢板下表面的冷却水冲击区, 提高了对钢板下表面的冷却能力。
喷雾冷却器
喷雾冷却器主要用于对正火后的薄钢板进行
冷却。喷雾冷却器由入水管、外箱体、进气管、内箱体和专用雾化喷嘴组成, 采取钢板上、下表面对称
冷却方式, 上喷雾冷却器位于出炉辊道的上方的升降台架上, 可跟随压紧防水辊一起升降, 根据钢板厚度不同调整上冷却器与钢板的距离, 以保证合理的水量分布; 下喷雾冷却器位于出炉辊道两两辊道之间下方的钢结构支架上。
通过
雾化喷嘴的合理布置, 喷嘴雾化颗粒细小、弥散, 面分布均匀。通过雾化喷嘴的横向间距分布设计、以及合理交叉配置, 保证钢板横向的均匀冷却。
吹扫装置
在冷却区入口端和出口端分别安装1 组气吹扫装置, 目的是限定冷却区, 防止钢板表面残留水对钢板的不均匀冷却, 保证冷却区入口测温仪的测温精度, 前气吹扫还防止冷却水回流影响炉子寿命。
侧喷装置
在冷却区内设置若干组中压水侧吹喷嘴, 根据冷却区的长度分散布置。主要作用是清扫钢板表面热水, 提高水的冷却效果, 同时防止钢板表面残留水对钢板的不均匀冷却, 控制冷却板形。
供气管路及调节阀门
给气雾冷却器供气, 并对气压和气体流量进行调节。上设手动蝶阀、调节阀、减压阀和过滤器等, 保证供气压力和流量达到工艺设定值。
钢结构框架
钢结构框架包括固定框架和移动框架。固定框架固定在设备基础上, 由H 型钢结构支撑立柱、H型钢平台、斜梯、可拆卸走台、安全拦杆等组成, 用于承载高密度上集管和高密度下集管、下气雾喷头、上部控制阀组和检修平台。移动框架通过升降调节机构与固定框架连接, 用于对喷雾冷却上喷头和前吹扫装置的提升。
工艺流程及控制功能
NCC控制冷却系统的工作流程如下, 钢板加热出炉后, NCC 系统模型计算机根据钢种、钢板的规格(厚度、宽度、长度)及钢板温度, 自动设定冷却工艺参数(水量、辊道速度、集管开启组数等)。钢板将进入NCC 系统时, 开启前气吹扫,防止冷却水回流入炉, 随钢板前进依次开启集管; 钢板出NCC系统时, 开启后气吹扫, 清理钢板表面的残留冷却水, 并逐渐关闭冷却器, 直到钢板完全离开NCC 冷却区。钢板冷却可以采用连续通过式, 当钢板较厚时也可以在NCC系统控冷区域内进行往复摆动冷却。
当钢板头部通过安装在入口位置的测温仪时, 控制冷却系统过程计算机根据所测得的钢板开冷温度以及正火炉二级服务器传来的实测数据进行动态设定计算, 钢板出控冷系统后经过安装在出口位置以及稍后位置的测温仪后, 过程计算机将记录下该钢板的冷却水量、钢板速度、开启模式、终冷温度、返红温度等实测值, 并根据这些实测值进行模型自学习; 自学习后的模型系数将用于同规格、同钢种的下一块钢的设定计算。
应用效果
钢板正火后经控冷系统处理, 屈服强度、抗拉强度得到提高, 同时塑性和韧性保持不变或略微下降。例如铁素体珠光体类型钢Q 345E 经过常化控冷后的力学性能与普通正火工艺对比, 钢的屈服强度提高30~ 50MPa、抗拉强度提高20~35MPa, 韧性、塑性略有下降, 综合性能得到提高,这为降低正火钢板合金含量提供了有利条件。
低碳贝氏体类型的Q460E 级钢板, 经过常化控冷以后, 屈服强度达到420~ 460MPa, 抗拉强度达到570~ 620MPa, 屈强比在0. 7~ 0. 75,延伸率25% ~ 30%, Z向断面收缩率40% ~ 60%。该系统应用于舞阳钢铁有限公司4200 轧钢厂热处理线, 利用该系统生产110mm 的钢板已经成功应用于北京奥运会主会场“鸟巢”工程。
在某中板厂, 采用普通正火进行热处理时产品合格率约为82% ~ 88% , 控制冷却系统投产后产品合格率提高到96% 以上。
正火炉后控制冷却系统对于提高中厚板的性能, 提高产品档次具有重要的意义, 具有广阔的应用前景, 可生产船板钢、容器钢、桥梁钢、锅炉钢、
低合金高强度钢、建筑结构用钢板、造船及海上平台用钢板等。