自主改良加熱線圈形狀尺寸

鄒良甫+胡翔+蔡亮

摘要： 為了改善鋼軌焊接接頭熱處理性能，以減小熱處理加熱過程軌頭與軌底腳溫度差，提高軌頭、軌底三角區(qū)、軌底腳等薄弱部位內(nèi)部組織晶粒度為優(yōu)化目的，通過試驗(yàn)分析了熱處理加熱感應(yīng)器的形狀、加熱溫度、頻率、功率等對(duì)軌頭與軌底腳溫度差的影響，發(fā)現(xiàn)合適的感應(yīng)圈形狀和尺寸比例是熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)，紅海焊軌廠針對(duì)對(duì)外采購的感應(yīng)圈，根據(jù)車間輥道線水平程度、正火控制柜功率等實(shí)際情況，自行改良了感應(yīng)圈的形狀尺寸比例，接頭的顯微組織、晶粒度等力學(xué)性能得到了顯著改善。

關(guān)鍵詞： 熱處理；加熱線圈；焊縫；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)： TG457.11

Abstract： In order to improve the quality of welded joint， reducing temperature difference during the different parts of the welded joint as the head of rail， rail web and the rail flange is our target of grain？refining. We analyzed all kinds of factors about temperature difference as induction coils shape and dimension， heating temperature， frequency and power in this experiment. The test results indicate that the induction coils shape and dimension is the basis of process parameter optimization. Hong-hai Welding Rail Plant， according to the level of roller line and the actual situation of power control cabinet， the shape size proportion of the induction coil is improved by ourselves. The microstructure and grain size of the weld have been improved remarkably.

Key words： heat treatment；induction coil；weld；mechanical properties

1改良熱處理加熱線圈的背景

為了檢測(cè)焊縫熱處理加熱效果，對(duì)鋼軌焊接接頭取樣分析鋼軌顯微組織和晶粒度，取樣部位和尺寸如圖1所示，鐵標(biāo)TB/T 1632—2014針對(duì)接頭力學(xué)性能有關(guān)規(guī)定：軌頭和軌底腳晶粒度不低于8級(jí)；三角區(qū)晶粒度不低于6級(jí)。正火后的熱影響區(qū)寬度應(yīng)在60～80 mm之間。

紅海焊軌廠現(xiàn)先后對(duì)熱處理的加熱溫度、電源功率、頻率、冷卻溫度和噴風(fēng)壓力5個(gè)參數(shù)進(jìn)行多次不同程度的排列組合，均難以完成對(duì)焊縫熱處理的工藝參數(shù)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)接頭力學(xué)性能達(dá)標(biāo)的目的。逐漸摸索出：受熱處理設(shè)備性能參數(shù)的影響，功率和頻率以及加熱溫度等搭配的選擇性不夠，加熱線圈的形狀以及比例尺寸對(duì)參數(shù)調(diào)試和加熱效果有很大的影響，容易導(dǎo)致整個(gè)斷面的接頭加熱不均勻。主要表現(xiàn)在：①三角區(qū)溫度過高，但軌底腳溫度過低（測(cè)溫位置為軌腳邊緣10 mm以內(nèi)），軌底腳溫度停留在800 ℃后就難以提升，對(duì)操作者作業(yè)精度要求較高；②因?yàn)檐壍啄_溫度不夠而軌腳奧氏體化不完全，導(dǎo)致軌底腳組織晶粒粗大，可以通過焊縫超聲波探傷檢測(cè)出軌底腳晶粒度粗大而引起的粗晶波；③加熱時(shí)間過長而引起的熱影響區(qū)寬度過寬，容易使接頭在線路上出現(xiàn)類似馬鞍形的外觀尺寸缺陷。

從多個(gè)廠商采購的加熱線圈都有著不同程度的匹配差異，難以找到合乎焊軌基地實(shí)際工況的理想線圈。因此自主改良熱處理加熱線圈至關(guān)重要。

2熱處理加熱線圈優(yōu)化措施

2.1加熱線圈改良的依據(jù)

基地鋼軌焊接采用中頻感應(yīng)加熱的方式，加熱時(shí)不同部位有各自特點(diǎn)： 軌頭截面尺寸較大，容易使溫度停留在表面，難以達(dá)到軌頭心部與表面同溫。軌底腳邊緣處與空氣對(duì)流強(qiáng)烈，到磁化溫度（770 ℃） 以后升溫慢。軌腰下部的三角區(qū)升溫快，散熱慢，往往是整個(gè)斷面溫度最高的部位，但溫度過高，容易導(dǎo)致晶粒長大。因此保持接頭各個(gè)部位加熱溫度相差不大，即接頭加熱均勻性是改良加熱線圈尺寸的出發(fā)點(diǎn)。

2.2加熱線圈改良細(xì)節(jié)

對(duì)加熱的重要工裝器具——熱處理加熱線圈進(jìn)行改造，原有感應(yīng)圈以及尺寸如圖 2中右側(cè)所示，經(jīng)過不斷的進(jìn)行修改和嘗試，通過試驗(yàn)的方法來驗(yàn)證，最終確定得出的感應(yīng)圈尺寸如圖2左側(cè)所示，兩個(gè)加熱線圈的不同之處在于：加熱線圈軌底板的形狀變化，呈圓弧狀代替直線。軌頭、軌腰、軌底腳部位與待加熱鋼軌各個(gè)部位的間距，具體尺寸見表1。優(yōu)化后的線圈，線圈與鋼軌軌底表面的距離增大，減緩了軌底三角區(qū)的溫度上升速度；軌頭部位距離增大，增加了軌頭導(dǎo)熱時(shí)間；軌底腳部位距離減小，保證了加熱速度，降低了熱量對(duì)流，使接頭在全斷面范圍內(nèi)更加均勻地加熱。

3結(jié)果檢驗(yàn)

3.1為正火工藝參數(shù)調(diào)試打下基礎(chǔ)

為了達(dá)到了鋼軌全斷面加熱均勻的目標(biāo)，改善了加熱線圈形狀尺寸之后，根據(jù)鋼軌個(gè)各個(gè)部位截面尺寸的不同，加熱間距不同，保障了接頭各個(gè)部位心部溫度基本相同，建立了參數(shù)調(diào)試統(tǒng)一性，如實(shí)際加熱過程中，以軌頭溫度為測(cè)量基準(zhǔn)，兼顧了軌腰和軌底等部位的溫度值，表2是簡單確定了加熱溫度和噴風(fēng)壓力后，就可確定正火工藝參數(shù)，跟之前相比，以軌頭加熱溫度為設(shè)置值，為了補(bǔ)償軌底腳溫度而采用大幅提高軌頭加熱溫度的方式，但為了降低軌底三角區(qū)溫度又采取降低軌頭加熱溫度措施，改良加熱線圈尺寸解決了這一矛盾。

3.2宏觀檢驗(yàn)

利用焊接接頭的縱斷面硬度試件，對(duì)接頭進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)：接頭熱處理后的熱影響區(qū)已覆蓋原焊接影響區(qū)，見圖3，以焊縫兩側(cè)軟化區(qū)的內(nèi)邊界硬度值確定的熱影響區(qū)（圖3中雙箭頭標(biāo)識(shí)）寬度為70 mm，符合60～80 mm的標(biāo)準(zhǔn)。

焊縫處晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，可見焊縫和熱影響區(qū)顯微組織為珠光體和鐵素體，未見異常組織，利用焊縫的鐵素體網(wǎng)進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)，軌頭晶粒度為9 級(jí)，軌底中為 7.5 級(jí)，軌底角1和軌底角2均為 10級(jí)。

3.4日常生產(chǎn)中效果檢驗(yàn)

改良后的加熱線圈配套工藝參數(shù)，樣品送專業(yè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)合格以后，在生產(chǎn)過程中，對(duì)接頭軌頭和軌底部位日常監(jiān)控，溫控正常，軌頭溫度設(shè)置成910 ℃為控制溫度，軌底腳溫度可以提高至830 ℃左右，大幅高于770 ℃，表3是改良加熱線圈后的生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，加熱溫度誤差小，加熱時(shí)間穩(wěn)定，從而保障了鋼軌焊縫熱處理質(zhì)量穩(wěn)定。

4總結(jié)

（1）合理的鋼軌閃光焊接頭熱處理參數(shù)能夠科學(xué)提高焊縫質(zhì)量，僅進(jìn)行熱處理工藝參數(shù)的調(diào)試難以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能達(dá)標(biāo)的目的。

（2）熱處理工藝參數(shù)調(diào)試應(yīng)該基于合理形狀尺寸的加熱線圈。（3）自主改良熱處理加熱線圈更能符合焊軌基地實(shí)際工況的要求。