冶金炉钻杆热处理淬火冷却工艺研究.pdf

第 3 3卷第 6期 2 0 1 1 年 1 2月 甘肃冶金 G ANS U ME T AL L URG Y Vo 1 ． 3 3 No ． 6 De c ．， 2 0 1 1 文章编号 1 6 7 2 - 4 4 6 1 2 0 1 1 0 6 - 0 0 3 9 - 0 2 冶金炉钻杆热处理淬火冷却工艺研究 王晨 西北 矿冶研究院 ， 甘肃白银7 3 0 9 0 0 摘要 本文论述了淬火冷却机理， 并通过实验研究水的冷却特性， 确定了材质为4 5 钢冶金炉钎杆的热处理工艺， 通过现场实验 ， 产品质量达到要求。 关键词 淬火冷却； 4 5 } } 钢 ； 水； 热处理工艺 中图分类号 T G 1 5 6 文献标识码 A He a t T r e a t me n t Qu e n c h C o o l i n g R e s e a r c h o n D r i l l S t e m f o r M e t a l l u r g i c a l Fu r n a c e W ANG Ch e n N o r t h w e s t R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Mi n i n g＆Me t a l l u r g y ， B a i y i n 7 3 0 9 0 0， C h i n a Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e d i s c u s s e s q u e n c h c o o l i n g me c h a n i c s ．T h r o u g h s t u d y i n g c ool i n g wa t e r c h a r a c t e r i s t i c s ，p r o c e s s f o r 4 5 s t e e l d r i l l s t e m h e a t t r e a t me n t i s fi x e d ．F i e l d t e s t s h o ws t h a t t h e p r o d u c t q u a l i t y r e a c h e s a p p l i c a t i o n r e q u e s t ． Ke y W o r d s q u e n c h c o o l i n g； 4 5 s t e e l ； wa t e r ； h e a t t r e a t me n t 1 引言 炼铁高炉的出铁 口 位于高炉炉缸的最下沿。出 铁时， 铁口用开口机钻一圆孔把铁和渣放出， 各出铁 口周期性地在高温状态下出铁。高炉铁口的封堵由 泥炮采用高压将炮泥压人铁 口。炮泥由沥青、 电云 母 、 刚玉 、 焦油 、 碳 粉、 粘土按不 同 比例调配 均匀而 成， 其在高温状态下膨胀小， 能承受高温、 高压。炮 泥封堵铁口后， 炉内高温将其由内至外烧结， 形成坚 硬的壳体， 离炉膛越近， 烧结硬度越高。高炉钻头与 钻杆就是要在这厚厚的高温壳体上钻凿。钻凿越 深， 工作条件越恶劣， 尤其是临近高炉铁水时， 温度 达到 1 0 0 0℃ 左 右 ， 碰到更硬的炮泥层 ， 交变应力 增加。铁口作业中有很多不确定因素存在 炉温、 炉 压、 炮泥的配比和烧结的时间， 封堵的深度和致密程 度， 开口机的工作状态等， 这都将影响钻杆的使用寿 命。 目前在高炉上使用的钎杆材质常见的为 4 5 、 4 0 M n B 、 4 0 C r Mn Mo 、 4 5 Mn 、 4 5 Mn 2 、 5 5 S i Mn Mo等 。高 炉开口钎杆按外形主要分为六角形钎杆与圆形钎 杆。直 径 规 格 有 D 3 8 、D 3 5 、D 3 2 ， 钎 杆 长 度 有 3 00 0 mm 3 2 0 0 mm 、 3 5 0 0 mm、 4 0 00 mm、 4 5 0 0 m m、 4 6 0 0 m m、 4 7 0 0 mm等。钎杆内孔直径 1 3一 l 8 。钎杆失效主要在螺纹退刀槽与螺纹处断裂。由 于无水炮泥在高炉使用愈来愈普遍， 铁口炉体强度 也不断提高， 铁口深度愈来愈深， 对钻杆的质量要求 也更高 。 水是一种最常见的淬火介质， 具有价廉、 可靠、 无污染等， 但由于水在低温阶段冷却速度大， 经常会 引发钎杆螺纹处的开裂问题。一种理想的淬火介质 在过冷奥氏体分解最快的温度范围内 相当C C T曲 线鼻尖处 具有较强的冷却能力， 而在接近马氏体 点时具有缓和的冷却能力， 这样既保持较高的淬火 冷却速度， 又不致形成太大的淬火应力。我们通过 研究控制水的初始温度与流动速度实现淬火工件在 冷却初期的快速冷却和调节水温升高与流动速度实 现淬火工件在低温阶段的缓慢冷却， 从而解决了上 述问题 。 2 冷却机理 淬火冷却可分为三个阶段 “ 汽膜沸腾期” 、 “ 汽 泡沸腾期” 、 “ 对流传热期” 。下面对这三个阶段分 甘肃冶金 第 3 3卷 别论述。 水的沸点远比钎杆的加热温度低， 所以钎杆淬 火后迅速使其周围的淬火液体引起物态变化。工件 大量释放的热量使周围的液体迅速被汽化并形成一 层蒸汽膜包围住工件， 使工件与周围的淬火介质隔 开， 而此时热量的逸出仅靠工件表面的热量通过蒸 汽膜向周围淬火介质辐射或对流传热。由于该辐射 远大于周 围介质从蒸气膜中取走的热量 ， 因此 ， 与工 件相接触 的液体不断被汽化 ， 蒸气膜的厚度不断增 加。蒸汽膜是热的不 良导体 ， 其冷却速度非常缓慢 ， 在 2 O ℃静水中冷却时冷速为2 0 0C ／ S ， 这一阶段称 为“ 蒸汽膜形成阶段 ” 又称为“ 汽膜沸腾期 ” 。汽膜 的性质和厚度决定了这一阶段的冷速。此阶段可以 通过水相对于工件表面的流动 搅动 ， 加大水的压 力， 降低水的温度， 均使汽膜变薄， 冷速加快。 当到某时间后工件表面穿过蒸汽膜辐射到周围 介质中的热量小于周围介质 的汽化热时， 蒸汽膜 的 厚度将逐渐减小 ， 最后导致破裂。蒸汽膜破裂 的极 限温度称之为“ 特性温度” 。在 2 0℃静水 中该 温度 为 4 0 0℃ 。在这温度以下介质与工件表面不断直接 接触 ， 水不断吸收工件表面热量而汽化沸腾 ， 将工件 的热量带走， 此阶段称为“ 汽泡沸腾期” 。此阶段的 冷速与介质的汽化热关 系很大 ， 此阶段水冷速可达 7 8 0 C ／ S ， 这个过程一直进行到水的沸点附近。此 阶段 内的冷速与一系列的物理因素有关。如水的蒸 发潜热 ； 汽泡数量 ； 汽泡上升速度 ； 介质表面张力等。 当工件表面温度已降到淬火介质的沸点以下 时， 工件的冷却将主要靠介质的传导与对流， 工件的 冷速又减慢， 这时称为“ 对流传热阶段” 。 3 水介质的冷却特性 水是最常用且又经济的淬火介质。水的化学稳 定性很高， 而当水温升高冷却能力急剧下降。当水 温从 4 O℃升高到 8 0℃时， 工件在 6 0 0℃下 的冷速 可降低到水温是 4 O℃时的 1 ／ 8左右 图 1 。 鎏 j 莶 O 1 0203 04 05 060 7 08 0 O 0 O O 0 0 0 0 温度℃ 图 1 水冷却示意图 总的来说在高中温区水的冷却能力并不强， 但 在低温区又冷速很高， 既使工件能淬硬， 其热应力与 组织应力也很高， 水的这种冷却特性可以通过严格 控制水温和摆动工件方法加 以改进 。 便于相对比较， 规定以l 8℃静止水的冷却能力 作为标准， 令其冷却强度为 H1 ， 则可以相对确定 水在不同温度下相对的冷却强度值 表 1 。 表 1 水在不同温度下相对的冷却强度值表 介质 H值 7 2 05 5 0℃ 2 o o℃ 对一般钢来讲 ， 导热系数 为一定值 3 9 k c a l／ m h ℃ ， 因此 ， 冷却强度 H则主要取决于钢 与 冷却介质之间的热交换情况。当介质搅动或增加流 速时， 热交换过程大为加速， 此时冷却强度 H值升 高 表 2 。 表 2 不同搅拌程度水的 H值 淬火介质， 搅拌程度 水的 H值 静止 轻微搅动 缓慢搅动 中等搅动 强烈搅动 激烈搅动 O． 9 ～1 ． 1 1 ． O一1 ． 1 1 ． 2一1 ． 3 1 ． 4～ 1 ． 5 1 ． 6 ～2 ． O 4 4 冶金炉钻杆热处理工艺 4 5 钢是中碳结构钢， 但淬透性低 ， 目 前我院冶 金炉钎杆采用调质处理 ， 中频感应加热 ， 8 4 0℃ 水 淬， 5 0 0℃中温回火。通过红外测温仪严格控制温 度， 时间继电器控制加热时间。4 5 钢淬火冷却到 6 0 0℃之前， 奥氏体比较稳定， 允许 以较慢速度冷 却， 此时严格控制水温 6 O一 8 0 o 【 与冷却时间， 6 0 0 0 C 以下水温以室温冷却， 从而保证了钎杆质量。 通过上述工艺生产 了 1 0 0只 4 m钎 杆于 2 0 0 9 年在酒泉钢铁公司一号高炉 2 0 0 0 m 进行了开铁 口应用实验 ， 实验 进行 了 3 4次 ， 每次 间 隔时间 4 0 m i n ， 铁口深度2 5 m， 均无扭曲、 断裂、 弯曲现象。 5 结语 材质为 4 5 钢的冶金炉钎杆通过控制水的初 始 温度与流动速度， 实现淬火工件在冷却初期的快速 冷却和调节水温与流动速度实现淬火工件在低温阶 段的缓慢冷却， 从而解决了上述问题。通过现场实 验， 产品质量达到使用要求。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 7 - 2 5 襄 瓣 6 ．c 0 m