每天學點熱處理 : 鋼的感應穿透加熱調質(淬火)技術
利用感應加熱對鋼棒進行穿透加熱淬火,并隨之進行感應穿透加熱高溫回火,可在連續生產線上完成調質工藝。這種工藝方法對各類中碳鋼、低合金鋼的的棒料、管材、軸類零件均適用。國內有石油機械企業 Φ280×9000~12000 mm 的圓鋼就是在這種設備上進行調質處理。這種設備具有生產效率高,單位能耗低,工件畸變小,少氧化脫碳,無污染,易于自動化,占地面積小等特點,特別適合于大批量生產。
▲棒料感應透熱調質線現場圖片
1 穿透加熱頻率的選擇
感應加熱條件下,感應電流的有效透入深度 h 為
式中
被加熱圓棒直徑 d 與電流透入深度 h 之比值為 4:1 時,對應的電源電流頻率稱為臨界頻率。設備頻率低于臨界頻率時,感應加熱的效率急劇下降,高于臨界頻率時,電效率增加不大,但設備造價明顯提高。
幾種材料有效臨界頻率與工件尺寸的關系見圖1 ,感應透熱電源頻率應盡量接近臨界頻率。
▲圖1 幾種材料有效加熱臨界頻率與工件尺寸的關系
2 穿透加熱設備功率的選擇
在穿透加熱時,工件截面的透熱靠外層向內層的熱傳導實現,需要有一個適當的溫度梯度,又要使截面不出現過熱區域,所以,選用的能量密度不能太高,過低又將使加熱效率顯著下降。表1 列出了鋼穿透加熱所需功率密度。
▼表1 鋼穿透加熱所需功率密度(kW/in2)
在連續感應加熱調質線上,穿透加熱電源設備采用的功率應考慮生產能力。此時功率 P 可用下式表示:
P=ηGQ
式中
η——加熱效率
G——每小時產能(kg/h)
Q——單位重量工件加熱所需能量
(kW·h/kg,或kW·h/t)見圖2 。
▲圖2 工件感應透熱加熱溫度與單重所需能耗
透熱過程與金屬的熱導率(W/(mm·℃))及感應熱系數KT(W/(mm·℃))有關。圓棒的 d/h(直徑與透熱深度比)值與KT及熱導率的關系見圖3 。
利用上圖求透熱功率的步驟為:
(1)選擇加熱頻率并計算棒料 d/h 值,(d/h在1~4之間)。
(2)用金屬加熱時的熱導率及 d/h 值,在圖3 中查出對應的感應熱系數Kτ。
(3)單位長度工件所需功率 PL 由下式決定:
PL=KT(ts-tc)
式中 ts——表面溫度(℃)
tc——中心溫度(℃)
(4)考慮各項功率損失的效率 η ,除以 PL 可得到加熱單位長度工件所需的功率的大小。
3 感應加熱調質連續生產線
圖4 為自動四頭螺旋驅動滾動系統用于在線感應調質實例。
▲圖4 四頭螺旋驅動滾動系統感應調質生產線
這種自動化感應加熱線包括自動處理系統、可編程控制器及光纖傳感器。由傳送系統送到熱加工區后,工件由四頭傾斜滾筒系統QHD處理。滾動驅動器與頭盤相連,使工件一邊繞軸線轉動一邊沿軸線方向向前移動。一旦工件進入此系統,光纖傳感器監測到它的位置,便開始奧氏體化加熱。這個傳感器還可以覺察不正常操作,例如進料不當,可報警并自動關閉。
▲傾斜滾動傳送裝置實物圖片
▲加熱端進料過程中
HQD系統在淬火過程中,感應頻率通常是在500kHz,或3~10kHz。在每種情況下,一個溫度傳控制器可自動檢查工件溫度的高低,以防止不當奧氏體化的工件通過系統。工件通過淬火環后被冷卻到95℃左右,在回火器啊完成馬氏體轉變。當工件被運送到回火系統時,光纖傳感器覺察到工件,開始用低頻(300Hz)電流進行回火加熱,溫度一般在400~600℃范圍,完成回火加工。
▲圖5 管材感應透熱調質生產線
注:管材從右側進入,加熱奧氏體化后經過淬冷、輸出、回火。隨后被送到加工機床冷卻。
▲棒料調質加熱進行中
