CN105521992A - 一种高强度船用型钢制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度船用型钢制备工艺，属于钢材生产领域，生产工艺步骤包括：（1）第一架开坯机（BD1）轧制；（2）第二架开坯机（BD2）轧制；（3）两架串列式两辊轧机（D_RD_F）轧制；（4）空冷风冷复合冷却；（5）冷却好的初料进行剖分、矫直。其中：所述步骤（4）中使用的冷床厂房包括冷床、基坑、通风器和强冷风机。与现有技术相比较，剖分容易，且降温快、球扁钢表面冷却均匀，弯曲变形小，终产品强度大。

Description

一种高强度船用型钢制备工艺

技术领域

本发明涉及一种钢材生产工艺，特别是一种高强度船用型钢制备工艺。

背景技术

近年来造船行业的飞速发展，球扁钢逐渐成为船用型钢中最重要的一种，主要作为船板的加强筋使用，相当于人的“肋骨”。球扁钢是由扁平的腹板和球状的球头构成，是不对称型钢，现有技术下常用单支轧制，即根据轧机负荷及延伸系数，直接进行压下。其具体的生产工艺步骤为钢坯→加热→单线轧制→矫直。由于单支轧制过程变形不对称，腹板与球头比例较大，冷床冷却后易造成弯曲，从而会影响到产品质量。并且现有技术常规轧制导致向宽度方向进行自由宽展，轧件延伸大，宽展小。申请号为200610134469.X的发明专利《一种球扁钢的生产工艺》中公开了一种对称轧制的生产工艺，其步骤为：钢坯→加热→对称轧制→矫直处理→剖分，轧机各道次孔型由两个对称相等的球扁钢孔型构成。该工艺改善了单支轧制过程中的变形不对称，但仍存在以下缺陷：①需要特殊的轧辊孔型设计，以及成品孔、成品前孔等特殊孔型，不能使用常规钢胚、轧辊，造成专机专用，经济效益差，且规格单一；②技术要求一次性的压成，受轧机轧机负荷及延伸系数限制，从而无法生产大规格的轧件，对于超大规格的球扁钢仍需单支轧制；对称轧制的两个球扁钢中间连接处厚度较大，给下道工序剖分带来困难，因此该案采用的热切分，而热切分对于剖面结构有影响，产品终质量有缺陷；④对于每种规格的球扁钢需要单独设计一种规格的钢坯，不能实现坯料公用。

此外，影响球扁钢生产的另一个要素是冷却，热轧的终止温度一般为800～1000℃，之后需要进行冷却到80℃左右，根据冷却介质不同，冷却分为空冷、油冷、风冷、水冷等。冷却工艺的控制要点是冷却速度，上述冷却速度水冷最快，空冷最慢，而油冷、风冷介于二者之间。目前球扁钢的冷却方式有冷床堆移空冷（《提高高强度球扁钢低温冲击性能合格率的生产方法》申请号：200810069394.0）、水冷（《大规格高强度D40船用热轧球扁钢及生产工艺》申请号：201110449456.2）、压缩空气风冷（《异形钢材防止冷却弯曲装置及工艺方法》申请号：201310028435.2）。既往实验表明：钢中魏氏体组织和粒状贝氏体的数量增加会造成高强球扁钢低温冲击性能不合格，而魏氏体组织和贝氏体组织的形成与冷却速度和冷却不均衡有关，因此避免该种缺陷，部分生产工艺放弃了高效冷却因冷却不均而弯曲形变的风冷、水冷方式，采用冷床堆移空冷。但是由于球扁钢在生产过程中需要冷却到一定温度时才能进行矫直处理，冷却不及时，则会导致被迫减缓其生产速度，限制了产品的生产效率。

发明内容

本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提供一种高强度船用型钢制备工艺，可以简化生产工艺、确保终产品质量，且能够提高生产效率。

1．本发明解决其技术问题的技术方案是：一种高强度船用型钢制备工艺，其特征在于：生产工艺步骤包括：

（1）第一架开坯机（BD1）轧制：经BD1将矩形坯宽展为扁平坯；

（2）第二架开坯机（BD2）轧制：经BD2将步骤（1）中BD1所得的扁平坯扎成对称的料型，所述的料型包括两端厚的端部和中间薄的板部；板部呈现波浪形；

（3）两架串列式两辊轧机（D_RD_F）轧制：通过D_RD_F把BD2所得的料型轧成初料，所述的初料包括两个对称的腹板相连接的球扁钢，其中两个对称球扁钢腹板连接处有一凹陷，凹陷处厚度小于球扁钢腹板处的厚度，两个对称球扁钢腹板上夹角小于180°；

（4）空冷风冷复合冷却；将步骤（3）中所得初料进入冷床厂房进行冷却；

（5）冷却好的初料进行剖分、矫直。

所述步骤（4）中使用的冷床厂房包括冷床、基坑、通风器和强冷风机，冷床厂房的冷床入口和冷床出口处分别设有入口基坑和出口基坑，入口基坑和出口基坑均伸出冷床厂房外，所述的入口基坑长度、深度分别小于出口基坑；入口基坑与出口基坑与冷床下方基坑相通，基坑呈现阶梯状，下阶与出口基坑水平，上阶与入口基坑水平，且冷床下基坑内有多个支柱，在冷床后三分之一部分的基坑中安装横向折返挡条；所述冷床厂房的顶部设有通风器，冷床的下方安装有强冷风机，强冷风机安装在冷床中后三分之一处，强冷风机出风方向朝向进钢方向。

与现有技术相比较，本发明具有以下突出的有益效果：

1、钢胚、轧辊通用性好，宽展量比采用常规的宽展能多出30%；且使用同样的设备可以生产更大规格的球扁钢；

2、终产品球扁钢具有良好的弹性，剖分容易，剖分面较好的表面质量，并且实现在线连续化作业，效率高；

3、通过强制控冷，提升降温速率，减少热轧到矫正之间的时间消耗，提高钢材生产效率，可以满足大规模高速度生产产量需求；

4、冷床厂房采用阶梯气冷技术实现空冷风冷复合冷却，即保证了冷却速度，又不会影响冷却均衡，球扁钢表面冷却均匀，弯曲变形小，终产品强度大。

附图说明

图1是本发明工艺的BD1轧制过程示意图。

图2是本发明工艺的BD2、D_RD_F轧制过程示意图。

图3是本发明工艺经BD2轧成对称的料型的结构示意图。

图4是本发明工艺冷床厂房结构示意图。

图5是本发明工艺冷床厂房优化方案结构示意图。

图6是本发明工艺冷床厂房优化方案中冷凝排管部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本实施例生产工艺的具体步骤如下：

（1）第一架开坯机（BD1）轧制：矩形坯加热后，经BD1将矩形坯宽展为扁平坯，其宽展过程为首先在板坯上压出凹槽，再把凹槽旁边的凸台压平。通过分区轧制，减小轧件延伸，增加宽展，这样宽展量比采用常规的宽展能多出30%，同时可以使用较小的力即可使板坯充分宽展，适合宽展大规格的板坯。如图1所示，本实施例BD1轧制具体包括7个道次：第1道次，在板坯上下两面分别压出两道凹槽；第2道次，将所述的两道凹槽之间的凸台压平；第3道次，将所述的两道凹槽两侧的凸台压平；第4道次，在板坯上下两面的中间分别压出一道凹槽；第5道次，将所述的凹槽两侧凸台压下；第6道次，旋转90度，进行轧边；第7道次，旋转90度，再次宽展。这样宽展量比采用常规的宽展能多出30%。除此之外，其他能够通过BD1将矩形坯宽展为扁平坯的方式和孔型设计也可以使用。

（2）第二架开坯机（BD2）轧制：如图2的1~4所示，经BD2将步骤1所得的扁平坯轧成对称的料型，该料型两端厚、中间薄。两端厚的端部用以形成球扁钢的“球头”，中间薄的板部用以形成球扁钢的“腹板”。中间板部呈现“波浪形”，如图3所示，所述的波浪形以中点呈现双侧左右对称。为了便于叙述，以图3的上下为叙述方向，优化方案中，所述的“波浪形”为非连续正弦曲线，有四个波峰和三个波谷组成：所述的四个波峰包括两个大波峰22和两个小波峰21，所述的两个大波峰22位于板部中点两侧，两个大波峰22之间形成小波谷24，所述小波谷24的谷底为板部中点；所述的两个小波峰21位于端部和板部相接处，所述同侧的小波峰21和大波峰22之间为大波谷23，以上曲线波形设计意义在于利用弧度差，使得在D_RD_F轧制过程中各处延伸比率相等，从而能够保证球扁钢腹板各处力学性能均相等。

（3）两架串列式两辊轧机（D_RD_F）轧制：如图2的5~8所示，经D_RD_F把“波浪形”料型轧成初料，所述的初料包括两个对称的腹板相连接的球扁钢，其中两个对称球扁钢腹板连接处有一凹陷，凹陷处厚度小于球扁钢腹板处的厚度，两个对称球扁钢腹板上夹角小于180°。其凹陷的形成可以为：在本轧机的成品下辊轧槽中间加工出与所述凹陷相匹配的凸台，通过该凸台轧出连接处的凹陷部分，也可以为任何能够完成其凹陷形成的孔型设计。优化方案中球扁钢中间连接处厚度为3mm，每支球扁钢腹板与水平线夹角为3°。通过凹陷结构使球扁钢能够更容易剖开，并保证剖分面质量。

（4）空冷风冷复合冷却：步骤3中所得初料进入冷床厂房2进行冷却，所述的冷床厂房2如图4所示，包括冷床6、基坑、通风器4和强冷风机5，冷床厂房2的冷床入口1和冷床出口7处分别设有入口基坑31和出口基坑37，入口基坑31和出口基坑37均伸出冷床厂房2外，所述的入口基坑31长度、深度分别小于出口基坑37。入口基坑31与出口基坑37与冷床6下方基坑3相通，基坑3呈现阶梯状，下阶与出口基坑37水平，上阶与入口基坑31水平，且冷床6下基坑3内有多个支柱，在冷床6后三分之一部分的基坑3中安装横向折返挡条。所述冷床厂房2的顶部设有通风器4，冷床6的下方安装有强冷风机5，强冷风机5安装在冷床6中后三分之一交界处，强冷风机5出风方向朝向进钢方向，以便于将强冷风机5产生的冷风吹向所述的冷床厂房2的顶部通风器4，并以此引导整个冷床6区的气流流向通风器4处。本步骤中的球扁钢初料在冷却过程中直接由950℃降至80℃，可以匀速前进，无需分阶段冷却。采用两端基坑设计和阶梯气冷技术，空气由冷床厂房2的两端的基坑进入冷床6：入口基坑31空气自然进入进行基础冷却，冷空气吸热上升，由冷床6上方通风器4排除，不断地吸引冷风从基坑进入；入口基坑31相对比较浅，内部无支柱和底面折返设计，其原因在于入口处钢材的温度最高，空气需要迅速带走热量，但是该段又不能过度强冷，初始冷却速率过高则魏氏体组织和贝氏体组织大量形成，影响钢材产品性能。冷床6中三分之一通过强冷风机5实现强制风冷，强冷风机5的出风口与通风器4之间的角度为15°~20°，该角度综合考虑了热空气的升腾，确保高效流动，并通过支柱和底面沟槽进行多次折返，增加散热效应、热交换效能，充分换热后方从通风器4逸出；基坑3阶梯状设计的目的也在于降低强制风冷对于冷床6前三分之一平缓空冷的影响，减少魏氏体组织和贝氏体组织形成。冷床6后三分之一空气从深、长的出口基坑37进入，基坑后部横向折返设计，对于已进行强冷降温的钢材进行二次降温。使用上述该种空冷风冷复合冷却，冷却速度提升（平均冷却速度由普通风冷冷床的14.5℃/min上升到22.5℃/min），且钢材下冷床的通条温度差小于10℃，从而保证了在增加冷却速率的同时，保证了冷却均匀性，同时也解决了超大规格型号球扁钢腹板因冷却不均和自重产生的变形和冷却波浪问题，以及前期冷却过快魏氏体组织和贝氏体组织大量形成而造成的终产品强度差的问题。

（5）冷却好的初料进行剖分、矫直。该步骤分别分别使用剖分、矫直机械，也可以直接进入剖分矫直联合机组，所述的矫直联合机组包括矫直机和其前方的圆盘式切分设备，轧件在行进过程中将两支球扁钢的连接处切分开，可实现剖分面较好的表面质量，并且实现在线连续化作业，效率高。

本发明技术，采用先压凹槽再压凸台和波浪形轧制的方式使板坯局部受力，较小的压力即可使板坯充分宽展，即在同样的压力下可以宽展规格更大的板坯；采用“波浪形”的轧制方式使板坯在完全展开前具有较小的尺寸，从而可以使一定规格的开坯机生产更大尺寸的球扁钢，从而实现了在不更换机器的条件下就可以生产大规格的球扁钢。空冷风冷复合冷却方式在增加冷却速率的同时，保证了冷却均匀性，同时也解决了超大规格型号球扁钢腹板因冷却不均和自重产生的变形和冷却波浪问题，以及前期冷却过快魏氏体组织和贝氏体组织大量形成而造成的终产品强度差的问题。

为了使球扁钢增加弹性，可以在上述实施例的基础上进行控温轧制优化，生产工艺为：矩形坯→加热→BD1轧制→BD2轧制→控温处理→D_RD_F轧制→空冷风冷复合冷却→冷切分矫直处理。其中的控温处理具体为：BD2轧制后“波浪形”料型温度为940℃~1010℃，料型然后经水幕降温，使温度降至700℃~750℃，并持续在该温度范围内进行D_RD_F轧制。其目的在于使球扁钢增加弹性。

对于有特殊要求的舰船，如易受浮冰撞击的船体或者易受炮弹、鱼雷袭击的军舰，可以在上述实施例的基础上进行热处理工艺优化，生产工艺为：矩形坯→加热→BD1轧制→BD2轧制→热处理→D_RD_F轧制→空冷风冷复合冷却→冷切分矫直处理。所述的热处理过程具体为：BD2轧制后“波浪形”料型温度为940℃~1010℃之间，将料型浸入淬火介质中强冷至360℃~410℃，并以该温度保温30分钟，然后加热至680℃~700℃，保温30分钟，之后进入D_RD_F轧制工序，D_RD_F轧制温度不高于900℃。经过热处理后球扁钢进一步提高其弹性性能，可通过弹性变形的方式吸收掉瞬时冲击力，起到缓冲作用，防止船体遭到损坏，避免了海难的发生。

对于非低温环境作业舰船，由于其低温冲击性能要求不高，为提高生产效率，其空冷风冷复合冷却步骤中，可以采用改良的高强冷床厂房，如图5、6所示，冷床6、入口基坑31和出口基坑37、基坑3、通风器4和强冷风机5的设定同前述的冷床厂房，此外，冷床6中段及后段前部，即控冷段，上方铺设冷凝排管9，冷凝排管9的进水口通过水泵12与蓄水池10的出水口连接。在球扁钢冷却过程中，球扁钢的上下区域温度存在温度差。将冷凝排管9内注入冷水，从而减小球扁钢上下区域的温度差。冷床6前端上方设置有加压水管8，所述的加压水管8的进水口通过增压器与冷凝排管9的出水口连接，加压水管8的出水口通过溢流阀11与蓄水池10的进水口连接，加压水管8上安装有多个呈线性排列的雾化喷头14，雾化喷头14能够对冷床6中段型钢上方水平向喷洒加压水雾。由于加压水管8的进水口是经过冷凝排管9换热后的带有一定温度的水，且出雾方向与冷床6水平，而喷洒的水雾很容易被蒸发成水蒸气，带走一部分热量，被强冷风机5和通风器4产生的气流从通风器4逸走，从而能够使冷床6前中段上方的温度下降，且又不会出现水落下来。由于水并未接触钢体和冷床6，因此不会出现水冷的缺陷，造成污染锈化。这样球扁钢温差梯度变小，热应力小，组织应力小，从而避免造成球扁钢自重下弯曲变形。溢流阀11能够稳定加压水管8的压力，当加压水管8内的压力过大，水无法及时从雾化喷头14喷出时，溢流阀11的出口打开，将水排入蓄水池10，当加压水管8内的压力降低到所需值时，溢流阀11的出口关闭，从而达到稳定加压水管8内的压力的目的。

使用以上设计，球扁钢的平均冷却速度约为34.80℃/min。球扁钢在冷却过程中直接由950℃降至80℃，无需分阶段冷却。由于在冷床6安装球扁钢的上方铺设冷凝排管9，使球扁钢在冷却降温过程中温度场比较均匀，从而使在球扁钢的屈服强度、抗拉强度均有大幅提高。

需要说明的是，本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高强度船用型钢制备工艺，其特征在于：生产工艺步骤包括：

（1）第一架开坯机（BD1）轧制：经BD1将矩形坯宽展为扁平坯；

（2）第二架开坯机（BD2）轧制：经BD2将步骤（1）中BD1所得的扁平坯扎成对称的料型，所述的料型包括两端厚的端部和中间薄的板部；板部呈现波浪形；

（3）两架串列式两辊轧机（D_RD_F）轧制：通过D_RD_F把BD2所得的料型轧成初料，所述的初料包括两个对称的腹板相连接的球扁钢，其中两个对称球扁钢腹板连接处有一凹陷，凹陷处厚度小于球扁钢腹板处的厚度，两个对称球扁钢腹板上夹角小于180°；

（4）空冷风冷复合冷却；将步骤（3）中所得初料进入冷床厂房进行冷却；

（5）冷却好的初料进行剖分、矫直。

2.根据权利要求1所述的一种高强度船用型钢制备工艺，其特征在于：所述步骤（4）中使用的冷床厂房包括冷床、基坑、通风器和强冷风机，冷床厂房的冷床入口和冷床出口处分别设有入口基坑和出口基坑，入口基坑和出口基坑均伸出冷床厂房外，所述的入口基坑长度、深度分别小于出口基坑；入口基坑与出口基坑与冷床下方基坑相通，基坑呈现阶梯状，下阶与出口基坑水平，上阶与入口基坑水平，且冷床下基坑内有多个支柱，在冷床后三分之一部分的基坑中安装横向折返挡条；所述冷床厂房的顶部设有通风器，冷床的下方安装有强冷风机，强冷风机安装在冷床中后三分之一处，强冷风机出风方向朝向进钢方向。