感應(yīng)加熱在鋼絲生產(chǎn)中的應(yīng)用

馮偉年

中國兵器工業(yè)部新技術(shù)推廣研究所 北京 100089

1 序言

鋼絲在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用十分廣泛，如鋼筋混凝土、電纜、輪胎中的簾子線及彈簧等。有資料顯示：鋼絲的生產(chǎn)量約占鋼材總產(chǎn)量的7%[1]，按此推算，我國線材、鋼絲的年產(chǎn)量達7000萬t左右，這是一個巨大的數(shù)量。

鋼絲是由熱軋盤條經(jīng)多次拉拔變形后加工制成的，在拉拔過程中，鋼絲產(chǎn)生硬化，塑性下降。為了進一步拉拔變形需要進行恢復(fù)塑性的熱處理；彈簧鋼絲、預(yù)應(yīng)力鋼筋等則是用淬火、回火處理方法來獲得其需要的強度和塑性。而簾子線則是由熱處理和冷拉拔變形相結(jié)合以達到其超高強度的要求，在鍍層鋼絲中則用加熱來達到預(yù)熱或擴散的作用。鋼絲絕大部分是規(guī)則的圓形斷面，特別適合于連續(xù)感應(yīng)加熱，是感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的廣闊領(lǐng)域。

2 頻率的選擇

鋼絲生產(chǎn)中主要是應(yīng)用感應(yīng)透熱，整個鋼絲斷面要加熱到所需的均勻溫度，在此前提下，要求盡量減小能耗。常用的方法是選用合理的電流頻率，減少工件與線圈之間的間隙。選用合理的電流頻率f可得到高的功率因數(shù)cosφ，提高電效率。理論和實際都證明，當選用電流頻率f在鋼絲中的穿透層δ與鋼絲直徑之比為3.5～4時，其他條件相同，則感應(yīng)器-工件系統(tǒng)的電效率cosφ最高。在感應(yīng)加熱過程中，感應(yīng)器產(chǎn)生的電磁波透過空氣隙進入工件后產(chǎn)生的能量，其中一部分是加熱的有功功率P，另一部分是不作功的無功率Q，感應(yīng)器輸出的視在功率為

理論計算表明，當d/δ≥3.5～4.0時，進入工件電磁波的功率因數(shù)可達，功率因數(shù)升高，感應(yīng)器電流減小，銅耗降低，相應(yīng)地提高效率。電流穿透層計算式為

式中ρ——加熱材料的電阻系數(shù)；

μr——加熱材料的相對導(dǎo)磁率；

f——電流頻率（Hz）。

在加熱過程中ρ隨著溫度的升高而增加，而導(dǎo)磁率μr在常溫時可達10～100或更高。當加熱到760℃左右時（居里點），下降到μr=1，所以穿透層δ是隨溫度變化的，達到居里點時，陡然加大。為了適應(yīng)這種變化，在連續(xù)加熱鋼絲溫度超過760℃后，通常采用雙頻加熱，在低溫時選用2500～8000Hz的中頻，超過居里點后采用頻率10kHz以上的高頻加熱。

英國RADYNE公司推薦各種金屬絲用于不同工藝時采用的頻率見表1。

表1 英國RADYNE公司推薦各種金屬絲用于不同工藝時采用的頻率

3 感應(yīng)加熱再結(jié)晶退火處理

鋼絲在拉拔加工中發(fā)生晶體組織的變形、扭曲、破碎，表現(xiàn)為伸長率和斷面收縮率下降，強度則升高，組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不能進行進一步拉拔變形，需要進行再結(jié)晶退火，再結(jié)晶的理論溫度為T＝（0.5～0.7）T熔，一般采用在平衡圖PSK線以下650～700℃，感應(yīng)加熱退火的加熱速度在1000℃/s以上，鋼絲走速v＞50m/min，加熱時間只有數(shù)秒鐘。為了達到整個斷面上的溫度均勻，使表面穿透層的熱量有足夠的時間傳導(dǎo)到心部，必須設(shè)置保溫區(qū)，保溫區(qū)緊接感應(yīng)器，保溫室中填充耐高溫的低導(dǎo)熱性材料，如玻璃纖維等，也有在保溫室內(nèi)設(shè)置電阻絲加熱，以免加熱鋼絲在保溫室內(nèi)表面降溫，鋼絲走出保溫室后由紅外線測溫和控制加熱溫度，然后進行空冷，空冷到200℃左右時水冷。不同直徑的鋼絲需要空冷的時間不同，因此噴水冷卻器應(yīng)是可移動的，以調(diào)控其空冷時間。鋼絲比較細，很難直接測量表面與心部之間的溫差，但是從性能上可以判斷出，當退火后鋼絲的強度合格而伸長率低于指標時，很大可能是心表溫差較大，心部并未達到退火溫度，此時應(yīng)降低感應(yīng)加熱的頻率并增加保溫段的長度。

為了提高效率，線圈內(nèi)徑與鋼絲之間的間隙為5mm左右，在感應(yīng)器的兩端設(shè)置張力控制器，保證鋼絲在通過線圈時不產(chǎn)生大振幅跳動。

在感應(yīng)器和保溫室中通入隋性氣體后可以實行無氧化退火，空冷段可改為水套管冷卻，最后水冷，無氧化退火的鋼絲表面光潔，可以不再酸洗。

4 鋼絲的淬火和回火

采用感應(yīng)加熱淬火和回火的方法來提高鋼筋的性能是起始于20世紀60年代，日本首先將中碳低合金鋼筋進行感應(yīng)加熱淬火、回火后抗拉強度Rm＞1000MPa，伸長率A＞5%，鋼筋φ7.1～φ12mm，表面刻有3～6條陰螺紋，主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的配筋，稱為PC鋼筋，不久這項產(chǎn)品和技術(shù)傳到世界各地。隨后，日本又開發(fā)彈簧鋼絲感應(yīng)加熱淬火、回火生產(chǎn)線，采用SUP6、SUP12（相當于我國的65Mn鋼、60SiMn鋼）等盤料，經(jīng)拉拔和感應(yīng)熱處理后制作汽車懸架彈簧和發(fā)動機汽門彈簧，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的先卷成彈簧、后淬火和回火的模式，避免了成形彈簧淬火時產(chǎn)生的變形和表面脫碳。

20世紀90年代，我國從日本和歐洲引進了多條PC鋼筋生產(chǎn)線。

1994年我國在南通設(shè)計建造了第一條PC鋼筋感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線，鋼絲感應(yīng)熱處理的線速度v＝20～30m/min，1997年又在南京設(shè)計建造了彈簧鋼絲生產(chǎn)廠。PC鋼筋和彈簧鋼絲都是以盤料為原料，成卷連續(xù)感應(yīng)加熱和冷卻，工藝和設(shè)備都相似，在此一并闡述。

彈簧鋼絲感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線如圖1所示。加熱奧氏體化采用兩種頻率裝置，由8kHz的中頻加熱到750～760℃，再由50kHz的高頻加熱到900℃左右，然后空冷一段時間后進入噴射淬火冷卻，再感應(yīng)加熱回火，經(jīng)保溫后水冷。

圖1 彈簧鋼絲生產(chǎn)線[3]

高頻加熱奧氏體化和回火感應(yīng)加熱后，出口處有紅外測溫控溫，驅(qū)動電動機為無級調(diào)速，在感應(yīng)器前后的校直輥之間采用張力控制（鋼絲通過感應(yīng)器時應(yīng)無跳動，可防止鋼絲在行走中因跳動而損壞感應(yīng)器）。

噴水液冷卻器如圖2所示。冷卻液沿鋼絲行走方向噴射，不產(chǎn)生回水現(xiàn)象，鋼絲在噴射后的套管中持續(xù)冷卻，套管有內(nèi)套和外套，內(nèi)套可以移動，根據(jù)鋼絲直徑來調(diào)控套管長度，即調(diào)控冷卻時間。

圖2 噴水液冷卻器

彈簧鋼絲的wC一般在0.5%以上，采用合成冷卻液淬火，設(shè)置循環(huán)冷卻系統(tǒng)，PC鋼筋則采用水冷。

生產(chǎn)中主要為65Mn鋼、60SiMn鋼、55CrSi鋼及60SiCr鋼等。

奧氏體化溫度在Ac3以上50～100℃，加熱速度為100～150℃/s。

回火溫度以Hollomon-Jaffe公式換算，加熱速度為100℃/s左右。

彈簧鋼絲處理后的力學性能見表2。

表2 彈簧鋼絲處理后的力學性能

快速感應(yīng)加熱處理后的晶粒度為12級左右，細晶粒組織不僅提高了強度，還能降低低溫脆性的溫度，有利于在低溫條件下工作的車輛彈簧。

感應(yīng)回火的時間僅為5～6s，以提高回火溫度的方法彌補回火時間短，而快速短時間回火使析出的碳化物來不及擴散積聚，細小的碳化物有助于提高鋼絲的強韌化，回火加熱速度與硬度及沖擊之間的關(guān)系如圖3所示[2]。

圖3 回火加熱速度與硬度及沖擊值之間關(guān)系[4]

5 鋼絲感應(yīng)加熱等溫處理

在中高碳鋼絲生產(chǎn)中，應(yīng)廣泛地應(yīng)用等溫處理來實現(xiàn)組織索氏體化，以索氏體組織為基體進行拉拔成形。

奧氏體等溫處理后的索氏體是由細片狀的滲碳體和鐵素體組成的，拉拔變形時，片狀滲碳體沿受力方向扭轉(zhuǎn)、破碎、引伸，有利于鋼絲的延伸變形，由于滲碳體間距減小、破碎滲碳體及部分碳原子向鐵素體擴散，使鋼絲的強度增加，等溫索氏體化的鋼絲在具有較強度的同時，又有很好的伸長率。

19世紀中葉，英國人JECME.Hossfoll首先將加熱奧氏體化的鋼絲浸入500℃左右的鉛熔液中冷卻并保溫，由此獲得索氏體，作為拉拔前的準備組織，從此使高強度的中碳鋼、高碳鋼絲得以生產(chǎn)和應(yīng)用。強度4000MPa以上的超高強度簾子線就是采用高碳鋼絲索氏體化后經(jīng)多次拉拔成形的。

圖4所示為0.75%高碳鋼的等溫索氏體分解圖，900℃左右的奧氏體鋼在500℃左右的等溫分解圖，鋼絲在鉛浴中等溫10s左右分解為索氏體，鉛浴既是冷卻介質(zhì)，又是保溫系統(tǒng)。這項技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用了近200年，但是鉛浴的致命缺點是對環(huán)境的污染，鉛的熔點為310℃，不能用于較低溫的等溫分解[3]。

圖4 0.75%高碳鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變索氏體化的溫度和時間參數(shù)

我國開發(fā)了單根鋼絲感應(yīng)加熱，噴水霧冷卻的技術(shù)，圖5所示為鋼絲常溫水噴射冷卻索氏體化等處理溫度曲線。

圖5 鋼絲常溫水噴射冷卻索氏體化等處理溫度曲線

具體過程參數(shù)為：①φ2.17mm的鋼絲由輥輪夾送通過感應(yīng)器加熱到900℃左右，走絲速度v＝100m/min。②空冷時間1s。③噴射冷卻時間1s。④空冷時間1s。⑤水霧冷卻時間1s。⑥進入保溫室5～6s。

處理后檢測顯示，索氏體化達90%以上。索氏體的片間距為0.15～0.3μm，抗拉強度為1199MPa，斷面收縮率為55%，伸長率為13.5%，晶粒度12～14級，鋼絲由φ2.17mm拉拔至φ0.55mm，再拉拔到φ0.42mm后的抗拉強度為3030MPa。

該工藝的特點如下。

1）感應(yīng)加熱速度500～600℃/s。快速加熱導(dǎo)致晶粒細化為12～14級，強度和塑性綜合性能提高。

2）水霧中的水與空氣比例可以無級調(diào)控，當水最大時，空氣為零，噴射的是壓力水，冷卻速度最大；當空氣最大時，水為零，噴出的空氣，冷卻速度最小。由于其冷卻能力在壓力水和壓縮空氣之間無級可調(diào)，因此可適應(yīng)不同直徑和不同成分的鋼絲。

3）將冷卻和保溫分離，先由水霧冷卻，然后進入保溫室等溫轉(zhuǎn)變，不僅可以用于索氏體，也可以用于貝氏體和馬氏體的冷卻，更適應(yīng)于等溫轉(zhuǎn)變時間要求長的工藝。如下貝氏體等溫轉(zhuǎn)變，下貝氏體的等溫區(qū)為300～400℃，等溫時間長達數(shù)十分鐘，鉛浴顯然是無法應(yīng)用的，只有分離的保溫室可以實現(xiàn)。

采用T8鋼和80Si2Cr鋼兩種試樣，分別進行索氏等溫處理、調(diào)質(zhì)處理和下貝氏體等溫處理后，其強度和斷面收縮率見表3。由表3可見，T8鋼經(jīng)300℃等溫60min下貝氏體等溫處理，抗拉強度Rm＝1420MPa，而經(jīng)520℃等溫15min的索氏體，抗拉強度Rm＝1080MPa，兩者的斷面收縮率相近，可見下貝氏體的強度要比索氏體高30%左右。經(jīng)過加工變形80%后，下貝氏體的Rm＝1900MPa，索氏體的Rm＝1470MPa，仍然保持30%的差距。由此啟示，采用下貝氏體為基體經(jīng)拉撥加工后，可生產(chǎn)超強度的鋼絲，如輪胎簾子線，高強度預(yù)應(yīng)力鋼絲等，是一條新的技術(shù)路徑。

表3 不同熱處理后鋼絲的力學性能

6 感應(yīng)加熱鋼絲生產(chǎn)的其他應(yīng)用

6.1 擴散加熱

為了增加簾子線與橡膠之間的結(jié)合力，簾子線表面需要鍍黃銅，曾經(jīng)采用氧化電解鍍銅，氧化法對環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染，近來采用熱擴散鍍，即在簾子線表面先以硫酸鹽鍍銅，再以硫酸鹽鍍鋅，最后感應(yīng)加熱到500℃左右，鋅、銅擴散形成黃銅，簾子線直徑較小，采用在感應(yīng)器內(nèi)多根鋼絲同時加熱。

6.2 低松弛化處理

預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件廣泛地應(yīng)用建筑中，混凝土是抗壓強度很高、而抗拉強度低的脆性材料，而鋼筋具有良好的抗拉強度，兩者結(jié)合各盡其能，預(yù)應(yīng)力鋼筋是在張力作用下承載以抵消負載的應(yīng)力。鋼筋承載后發(fā)生彈性變形，如果在長時期承載過程中發(fā)生常溫蠕變而松弛，則張力就會消失。因此，預(yù)應(yīng)力的鋼絲需要進行低松化處理，其工藝為鋼絲在承受30%～50%抗拉強度的張力作用下，進行感應(yīng)加熱回火，消除應(yīng)力，回火溫度350～400℃。

6.3 鍍前預(yù)熱

絕大部分鋼絲表面需要熱鍍鋅，鍍鋅層有良好的防腐作用，熱鍍鋅時的鋅液溫度為450℃左右，傳統(tǒng)的方法是將室溫狀況的鋼絲浸入鋅液中，鋼絲先被鋅液加熱，直到表面溫度達450℃左右，才能產(chǎn)生鍍覆作用，熱鍍鋅時間為5～10s。后來發(fā)展的新技術(shù)，鋼絲在鍍鋅前，去除氧化皮后，在惰性氣體保護下進行感應(yīng)加熱，加熱溫度440～460℃，與鋅液的溫度相同，鋼絲進入鋅液后，立即發(fā)生鍍鋅作用，與鋼絲表面接觸的鋅液表面張力下降，被吸附和沉積在鋼絲表面，鍍鋅時間縮短到1s左右，極大地提高了生產(chǎn)效率。

7 結(jié)束語

鋼絲生產(chǎn)具有久遠的歷史，已經(jīng)形成一套傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)，而感應(yīng)加熱電源從工頻到中頻再到高頻的較長發(fā)展過程中，很少能進入鋼絲生產(chǎn)領(lǐng)域。直到近年來IGBT、MOSFET的固體變頻電源出現(xiàn)后，拓寬了頻率范圍，提高了變頻效率，為感應(yīng)加熱技術(shù)進入鋼絲生產(chǎn)開創(chuàng)了條件。要擴大感應(yīng)加熱技術(shù)在鋼絲生產(chǎn)中的應(yīng)用，還需要進行研究、試驗的開發(fā)工作，期望應(yīng)用感應(yīng)加熱技術(shù)在鋼絲生產(chǎn)中開發(fā)生產(chǎn)超高強度簾子線、氣門彈簧鋼絲等優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能與環(huán)境和諧的生產(chǎn)線。