熱軋球扁鋼快速感應加熱技術及裝備開發(fā)應用

齊盛文 ，孟慶智 ，周丹 ，王玲

（1.鞍鋼重型機械有限責任公司,遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院,遼寧 鞍山 114009）

熱軋球扁鋼是一種主要應用于造船和造橋領域的中型鋼材，其中船用球扁鋼是造船用輔助中型材，一般較大的船只和正規(guī)船舶設計時主船體多選用船用球扁鋼，采用與相連板材相同厚度與材質(zhì)的球扁鋼做骨材，可以提高船的承載能力和安全航行能力。近年來隨著造船業(yè)的迅猛發(fā)展，船用球扁鋼需求旺盛。鞍鋼近年來對球扁鋼生產(chǎn)也在不斷進行研發(fā)，通過嚴格控制冶煉成分，提高軋制精度，優(yōu)化工藝參數(shù)，新建軋制、熱處理調(diào)質(zhì)等球扁鋼生產(chǎn)線，已形成全規(guī)格各型號熱軋球扁鋼生產(chǎn)能力。在一些關鍵重要部位，對球扁鋼的各項機械性能指標要求極為嚴格，熱軋態(tài)的球扁鋼不能達到使用要求，必須通過熱處理調(diào)質(zhì)來實現(xiàn)。

快速感應加熱是依據(jù)電磁感應、“集膚效應”和熱傳導三項基本原理，在金屬內(nèi)部利用感應電流以電熱轉換的方式，對金屬進行直接加熱的方法。它可以迅速使金屬獲得很高的溫度，實現(xiàn)快速加熱［1］。與傳統(tǒng)熱處理工藝相比，感應加熱快速熱處理可顯著改善鋼材力學性能，提高鋼材表面質(zhì)量，縮短鋼材熱處理周期，節(jié)約能源，并能實現(xiàn)熱處理過程機械化與自動化，減少環(huán)境污染，是一種先進的綠色熱處理工藝［2］。

鞍鋼重機公司自行設計開發(fā)了球扁鋼淬火生產(chǎn)線，并采用了快速感應加熱技術，在熱軋球扁鋼淬火生產(chǎn)實踐中取得了成功，為今后此類工件淬火處理提供了有益的借鑒。本文對此加以詳細介紹。

1 球扁鋼生產(chǎn)主要技術數(shù)據(jù)

球扁鋼剖面圖見圖1。主要規(guī)格如下：

寬度：100、120、140、160、180、200、220、240、270、300 mm，厚度：6～16 mm，長度：6～12 m。

球扁鋼為低碳合金鋼，其化學成分見表1。

表1 化學成分（質(zhì)量分數(shù)）%

球扁鋼淬火回火后的性能要求見表2。

表2 產(chǎn)品性能要求

2 加熱工藝及設備工藝參數(shù)

2.1 感應加熱方式

由于球扁鋼腹板和球頭的尺寸差異非常大，有效厚度差達3～5倍，要實現(xiàn)整個截面溫度均勻一致是快速感應加熱球扁鋼的一個難題，如果不解決，將無法保證球扁鋼淬火的質(zhì)量。

單匝線圈、一次加熱的加熱方式通過改變線圈的結構和尺寸，也可以實現(xiàn)截面的溫度均勻，但需要大量的試驗，且調(diào)整起來非常困難，同時要求淬火過程中所有的參數(shù)都要非常穩(wěn)定，由于電網(wǎng)供電、設備運行發(fā)熱等原因，使這些參數(shù)恒定不變很難實現(xiàn)。另外，一組線圈只能滿足一個工藝溫度的加熱，改變工藝溫度，就要更換線圈，實際使用也非常不方便，因此單匝線圈、一次加熱無法滿足球扁鋼淬火加熱的實際需要。

雙匝線圈可以增大工件的加熱面積和延長工件在線圈中的加熱時間，能充分利用感應加熱的“熱態(tài)的渦流透入式加熱”原理，提高電源的利用效率和加熱效果，通過熱傳導使工件表面獲得一個合理的溫度分配。然后再用同樣的雙線圈結構，對工件進行二次加熱，最終獲得非常理想的加熱效果。這種方法對外界操作環(huán)境要求不是很苛刻，且可以根據(jù)工件溫度的實際情況，隨時調(diào)整電源的參數(shù)，達到不同的加熱溫度并保證工件加熱均勻，不需要重新調(diào)整和更換線圈，使用方便，適應性強。

因此，最終確定球扁鋼淬火的加熱采用預熱、加熱兩次加熱及每次加熱采用雙匝線圈的加熱方式。

2.2 感應電源功率

根據(jù)球扁鋼規(guī)格，可以將工件分為7類，若要保證0.6 m/min的淬火速度，需要按照厚度最大的工件進行設備功率選型。按產(chǎn)量計算方法，確定電源功率為［3］：

式中，P為加熱電源功率容量，kW；G為熱處理鋼材的產(chǎn)量，kg/s；C為鋼材的平均比熱容，kJ/kg·℃；T1為鋼材初始溫度，℃；T2為鋼材加熱溫度，℃；η為感應加熱系統(tǒng)的總效率，%。

計算后確定預熱和加熱電源功率為300 kW。

2.3 電源頻率

工件厚度不同，選擇加熱設備的頻率也不同。工件厚度越大，選擇的頻率應該越低；反之應該越高［4］。電源頻率通過下式選擇：

式中，δ為電流透入深度；ρ為材料電阻率；μ為材料磁導率；f為電流頻率。

ρ在加熱過程中隨溫度升高不斷增加（在800～900℃范圍內(nèi)，各類鋼的電阻率基本相同，約為10-4Ω·m）；μ在失磁點以下基本不變，但在達到失磁點時，突然下降為真空磁導率（μ=1）。因此，當溫度達到失磁點時，渦流的透入深度將顯著增大。通過理論計算和實際試驗，不同規(guī)格的球扁鋼電源的頻率確定為預熱5～10 K，加熱10～20 K。

3 熱軋球扁鋼熱處理淬火生產(chǎn)線設計制造

3.1 感應加熱電源的選用

感應加熱電源是鋼材實現(xiàn)快速熱處理的重要裝備，它的功能和特性對鋼材加熱質(zhì)量、溫度控制、產(chǎn)品熱處理性能和電能單耗都產(chǎn)生重要影響。根據(jù)前述“加熱工藝及設備工藝參數(shù)的確定”的結論，確定選用2臺300 kW設備加熱工件，其中一臺設備用于工件預熱，將工件加熱到500～700℃，另一臺設備用于工件加熱，將工件加熱到淬火溫度。為適應全規(guī)格的球扁鋼淬火，每臺設備均采用雙頻率，可任意切換調(diào)整到不同的頻率范圍。

3.2 機械傳動方式的設計

球扁鋼單根長度較長（6～12 m/根），故在實現(xiàn)球扁鋼連續(xù)淬火時，采用球扁鋼水平運動，感應器、噴水器等裝置固定的方式。球扁鋼的運動采用輥道傳送的方式，利用主動輥帶動球扁鋼在生產(chǎn)線上勻速移動，達到連續(xù)淬火的目的。

機械傳動設備主要由兩組傳動輥架、四組側擋輥、前后支承輥架組成，實現(xiàn)球扁鋼水平勻速移動。傳動輥架由上下兩個輥組成，下輥為主動輥，由電機、減速機帶動旋轉實現(xiàn)球扁鋼的運動，上輥為自由輥，通過手動調(diào)節(jié)螺桿上下移動，實現(xiàn)兩輥面間隙的調(diào)整，以適應不同厚度的球扁鋼通過，電機采用變頻電機，通過改變頻率，能夠得到不同的運行速度。

四組側擋輥安裝在兩組傳動輥架兩側，可以調(diào)節(jié)不同寬度，適應不同寬度球扁鋼，并對球扁鋼的水平方向給予定位，前后支撐輥架在側擋輥的兩側，在球扁鋼移動過程中起支撐作用。

3.3 隨動淬火架的設計和制作

為保證球扁鋼能準確的穿過感應器、且與感應器的間隙保持不變，設計一種隨動裝置，如圖2所示。感應器與隨動裝置聯(lián)接，保證球扁鋼穿過感應器時，感應器能隨球扁鋼的變形上下前后自動移動，實現(xiàn)感應器自動調(diào)整，進而保證球扁鋼加熱的均勻性以及淬火時不與感應器觸碰打火，使連續(xù)淬火得以實現(xiàn)。

隨動淬火架由隨動框架、支座和底座組成。隨動淬火架是整個球扁鋼中頻淬火生產(chǎn)線的關鍵部件，軋制后的球扁鋼在直線度和平面度上都有較大變形，當球扁鋼通過隨動淬火架時，隨動淬火架隨著球扁鋼水平和上下兩個方向移動，帶動與之相聯(lián)的感應器水平和上下移動，消除工件在長度和高度方向彎曲變形的影響，實現(xiàn)感應圈與球扁鋼表面距離穩(wěn)定。

感應器、噴水器、噴風裝置都連接在隨動淬火架上，隨著隨動淬火架一起移動，另外感應器與淬火變壓器之間采用軟線聯(lián)接，以確保隨動淬火架能夠?qū)崿F(xiàn)自由移動。

3.4 智能控制系統(tǒng)

球扁鋼淬火生產(chǎn)線共有機械傳動設備、2臺感應加熱設備，兩套換熱器、淬火水噴淋、空壓機等眾多設備，操作動作較多，為此配備一臺智能控制臺操作整條生產(chǎn)線，實現(xiàn)機械傳動、電器設備參數(shù)調(diào)整、噴水噴風、工藝溫度的自動控制及工藝數(shù)據(jù)的監(jiān)控、顯示、儲存等，保證球扁鋼淬火和質(zhì)量穩(wěn)定。

3.5 感應器、噴水器、噴風裝置的設計

感應線圈為仿形的雙匝結構，用紫銅扁方管焊接，外面包裹耐熱絕緣制品，防止加熱過程中工件與裸露的感應器接觸打火。感應連續(xù)加熱表面淬火，通常感應器線圈尺寸選擇與工件間隙在3～5 mm，考慮到球扁鋼原料的變形情況和球扁鋼加熱需要整個截面溫度均勻一致，以及球扁鋼特殊的尺寸規(guī)格形狀，兼顧電源使用效率，感應線圈尺寸選擇與球扁鋼的各部縫隙為20 mm，這樣既保證了球扁鋼加熱的均勻性，同時兼顧了電源效率，并可減少感應器線圈的刮碰打火損壞。

噴水器為一側開環(huán)的矩形結構，用紫銅扁方管焊接而成，焊接時各方管與工件成45°角，整個噴水器為一喇叭口形狀，以減少噴水時水倒流回加熱區(qū)域。噴水孔為三排Φ1.5 mm小孔，每排孔之間的距離為5 mm，每個孔之間的距離為10 mm，每兩排孔之間為交錯排列，噴水器共分5路進水，以保證噴水的均勻。

噴風裝置與噴水器小端焊在一起，為一與噴水器小端尺寸、形狀一致的紫銅方管焊接而成，在靠近球扁鋼的一側鉆Φ1.5mm的圓孔，孔距10 mm。通過銅管兩端向噴風裝置中通以高壓風，高壓風通過小孔噴射在球扁鋼上，用以阻止淬火時噴水器噴出的水沿工件表面倒流回加熱區(qū)，影響加熱。

3.6 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)采用2臺閉式換熱器，分別組成對電源和淬火液冷卻的兩套冷卻系統(tǒng)。

感應加熱設備在加熱工件時，內(nèi)部的各種大功率電器件發(fā)熱量較大，需要使用冷卻水進行冷卻。根據(jù)2臺感應加熱設備（包括淬火變壓器）的發(fā)熱量，選擇以一臺閉式換熱器為中心，中間以管路聯(lián)接各設備，并配一冷卻液儲存罐組成電源的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)。為減少普通水在管壁內(nèi)結垢影響冷卻效果，冷卻介質(zhì)選用工業(yè)軟水或純凈水。冷卻介質(zhì)在閉環(huán)冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動，損耗很小，幾乎不用補充。因為生產(chǎn)線24 h生產(chǎn)，需要大量的淬火水，為減少浪費，將冷卻水循環(huán)使用。為此，制作一水箱（或人工水池），將淬火后的水收集起來，然后以一臺閉式換熱器為中心，用管路將換熱器、水箱、噴水器聯(lián)接起來，通過換熱器將淬火水冷卻，實現(xiàn)循環(huán)使用。生產(chǎn)線布置圖見圖3。

4 應用效果

經(jīng)淬火生產(chǎn)線淬火及隨后的常規(guī)回火后，球扁鋼性能滿足了標準要求。性能檢驗結果見表3，軋態(tài)金相組織見圖4。

表3 性能檢驗結果

從圖4可以看出，球扁鋼金相組織為珠光體和鐵素體組織，經(jīng)感應加熱淬火后轉變?yōu)榫鶆虻牡吞及鍡l馬氏體，從而保證了力學性能要求。

生產(chǎn)線投產(chǎn)后，取得了令人非常滿意的效果，與常規(guī)熱處理淬火設備相比，生產(chǎn)線有了許多突破，各項指標均符合技術要求，使熱軋球扁鋼的淬火得以實現(xiàn)。提高了成材率，降低了制造成本。感應加熱快速熱處理技術在熱軋球扁鋼熱處理上的應用取得了良好效果。

5 結論

（1）采用兩次加熱、雙匝線圈，低頻率穿透預熱、高頻率加熱，同時配以雙匝線圈的加熱方式，使截面尺寸差異很大的球扁鋼的整個截面加熱溫度均勻。

（2）采用感應器浮動，實現(xiàn)了感應圈與球扁鋼表面距離穩(wěn)定。

（3）選擇了2臺雙頻感應加熱設備，實現(xiàn)了預熱和淬火加熱功能，可適應不同規(guī)格球扁鋼淬火的需要。

（4）實現(xiàn)了智能檢測控溫。當偏離設定溫度時，智能控溫系統(tǒng)可控制感應加熱設備調(diào)整輸出功率，確保加熱溫度的一致性，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

［1］ 劉宗昌.金屬學與熱處理［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.

［2］ 王振東，馬秀忠.國外鋼材感應加熱快速熱處理概況［M］.特殊鋼通訊，1985.

［3］ 王振東，牟俊茂.鋼材感應加熱快速熱處理［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2012.

［4］ 侯增壽，樊東黎，熱處理手冊第三版（第一卷）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.