棒材管材鋼的感應(yīng)穿透加熱調(diào)質(zhì)
利用感應(yīng)加熱對鋼棒進(jìn)行穿透加熱淬火，并隨之進(jìn)行感應(yīng)穿透加熱高溫回火，可在連續(xù)生產(chǎn)線上完成調(diào)質(zhì)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(nèi)有石油機(jī)械企業(yè) Φ280×9000~12000 mm 的圓鋼就是在這種設(shè)備上進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。這種設(shè)備具有生產(chǎn)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(dòng)化，占地面積小等特點(diǎn)，特別適合于大批量生產(chǎn)。
▲棒料感應(yīng)透熱調(diào)質(zhì)線現(xiàn)場圖片
1 穿透加熱頻率的選擇
感應(yīng)加熱條件下，感應(yīng)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(shí)，對應(yīng)的電源電流頻率稱為臨界頻率。設(shè)備頻率低于臨界頻率時(shí)，感應(yīng)加熱的效率急劇下降，高于臨界頻率時(shí)，電效率增加不大，但設(shè)備造價(jià)明顯提高。
幾種材料有效臨界頻率與工件尺寸的關(guān)系見圖1 ，感應(yīng)透熱電源頻率應(yīng)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(guān)系
2 穿透加熱設(shè)備功率的選擇
在穿透加熱時(shí)，工件截面的透熱靠外層向內(nèi)層的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，需要有一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟忍荻龋忠?/span>使截面不出現(xiàn)過熱區(qū)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(xù)感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)線上，穿透加熱電源設(shè)備采用的功率應(yīng)考慮生產(chǎn)能力。此時(shí)功率 P 可用下式表示：
P=ηGQ
式中:
η——加熱效率
G——每小時(shí)產(chǎn)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(yīng)透熱加熱溫度與單重所需能耗
透熱過程與金屬的熱導(dǎo)率（W/（mm·℃））及感應(yīng)熱系數(shù)KT（W/（mm·℃））有關(guān)。圓棒的 d/h（直徑與透熱深度比）值與KT及熱導(dǎo)率的關(guān)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(jì)算棒料 d/h 值，（d/h在1~4之間）。
（2）用金屬加熱時(shí)的熱導(dǎo)率及 d/h 值，在圖3 中查出對應(yīng)的感應(yīng)熱系數(shù)Kτ。
（3）單位長度工件所需功率 PL 由下式?jīng)Q定：
PL=KT（ts-tc）
式中:
ts——表面溫度（℃）
tc——中心溫度（℃）
（4）考慮各項(xiàng)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(yīng)加熱調(diào)質(zhì)連續(xù)生產(chǎn)線
圖4 為自動(dòng)四頭螺旋驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)系統(tǒng)用于在線感應(yīng)調(diào)質(zhì)實(shí)例。
▲圖4 四頭螺旋驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)系統(tǒng)感應(yīng)調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線
這種自動(dòng)化感應(yīng)加熱線包括自動(dòng)處理系統(tǒng)、可編程控制器及光纖傳感器。由傳送系統(tǒng)送到熱加工區(qū)后，工件由四頭傾斜滾筒系統(tǒng)QHD處理。滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)器與頭盤相連，使工件一邊繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)一邊沿軸線方向向前移動(dòng)。一旦工件進(jìn)入此系統(tǒng)，光纖傳感器監(jiān)測到它的位置，便開始奧氏體化加熱。這個(gè)傳感器還可以覺察不正常操作，例如進(jìn)料不當(dāng)，可報(bào)警并自動(dòng)關(guān)閉。
▲傾斜滾動(dòng)傳送裝置實(shí)物圖片
▲加熱端進(jìn)料過程中
HQD系統(tǒng)在淬火過程中，感應(yīng)頻率通常是在500kHz，或3~10kHz。在每種情況下，一個(gè)溫度傳控制器可自動(dòng)檢查工件溫度的高低，以防止不當(dāng)奧氏體化的工件通過系統(tǒng)。工件通過淬火環(huán)后被冷卻到95℃左右，在回火器啊完成馬氏體轉(zhuǎn)變。當(dāng)工件被運(yùn)送到回火系統(tǒng)時(shí)，光纖傳感器覺察到工件，開始用低頻（300Hz）電流進(jìn)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(yīng)透熱調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線
注：管材從右側(cè)進(jìn)入，加熱奧氏體化后經(jīng)過淬冷、輸出、回火。隨后被送到加工機(jī)床冷卻。
▲棒料調(diào)質(zhì)加熱進(jìn)行中
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