CN102220475B

CN102220475B - 细钢丝二级加热热处理的方法及设备

Info

Publication number: CN102220475B
Application number: CN2011101430342A
Authority: CN
Inventors: 王颖
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: CN102220475A

Abstract

本发明公开了一种细钢丝二级加热热处理的方法及设备，所述方法包括以下步骤：使用感应加热器将所述细钢丝在感应加热线圈中加热至所述细钢丝的居里点，或比所述居里点略低；使用电阻加热装置将所述细钢丝加热至奥氏体化温度以上。所述方法包括对加热后的所述细钢丝进行冷却处理的步骤。本发明可用于对细钢丝调质处理、淬火、正火、回火、等温淬火、等温退火、等温索氏化处理、再结晶退火或快速球化等温退火。

Description

细钢丝二级加热热处理的方法及设备

技术领域

本发明涉及细钢丝的加热热处理的方法及设备，尤其涉及到细钢丝感应加热和调压电阻加热的处理方法和设备。

背景技术

钢丝根据生产和使用需要，需进行多种热处理。如淬火、正火、回火、退火、快速球化等等。所有的工艺都需要加热到不同的温度，然后根据冷却能力不同的冷却介质冷却后完成。钢丝的加热热处理需要有高的能源利用效率和低的能耗。

图1为现有技术的钢丝感应加热器的示意图。如图1所示，通常钢丝感应加热时，感应线圈中产生电流I1，由于钢丝中磁通量发生变化，钢丝中会产生涡流i，涡流i沿钢丝圆周边传导，与感应线圈中电流I1的方向相向。此涡流i成为加热钢丝的热源。因此感应加热的效率非常高，一般都在90％以上。

但是，由于钢丝居里点的存在。即钢丝加热到760℃左右时，钢丝的相对磁导率从50阶跃式下降到1，直接导致钢丝中产生的涡流i接近于0。

中国专利(公开号：CN101260457)提出了一种钢丝感应加热热处理设备及方法，该方法通过在感应线圈相对内侧钢管的厚壁处加工一内孔，虽然提高了一些能源利用效率，但依然没有解决把细钢丝加热到奥氏体化AC3以上150℃左右所需温度的方法。奥氏体化AC3以上150℃的温度约为930℃左右。实践及理论证明，一级超音频感应加热的温度约为720℃左右，即使增加感应加热设备的功率，钢丝温度继续上升的相当有限。

根据感应加热的基本理论，以及细钢丝热处理的基本需求，要求钢丝芯部和表面均匀加热，加热细钢丝直径d与感应电流穿透层厚度δ的关系应保持：

电流穿透层其中ρ为钢丝电阻率

f为感应加热电流频率(Hz)，μ_γ为钢丝相对磁导率。

基于上述，若要加热直径d为2mm或以下的钢丝，则δ为0.5rmm或更小。因此，在居里点(760℃)之前，ρ760≈1，μ_γ700＝50，经过计算，感应加热频率f≈20KHz，而居里点(760℃)之后，ρ760≈1，μ_γ760＝1，感应加热频率必须阶跃到f≈106Hz。然而，众所周知，大功率高频装置(f≈106Hz)只能应用于电子管高频装置，而电子管的效率只有50％左右。因此，能源利用效率低，能耗大。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种二级电加热的方法及设备，以解决现有技术细钢丝电加热能源利用效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种适用于细钢丝的连续热处理的二级电加热器，所述细钢丝的直径在2毫米以下，其中，所述电加热器包括初级加热回路和次级加热回路，

所述初级加热回路包括感应加热器，能够将所述细钢丝加热至第一目标温度；

所述去电装置能够对经过所述感应加热器之后的所述细钢丝进行去电，以消除其中的残余轴向电流；

所述次级加热回路包括调压电阻加热装置，能够将所述细钢丝加热至第二目标温度；

所述初级加热回路与所述次级加热回路顺序连接。

优选地，所述感应加热器包括感应线圈和感应电源，其频率在20KHz到40KHz之间。

优选地，所述感应线圈的直径D与所述细钢丝的直径d之间遵循以下关系：D≤5d。

优选地，所述电阻加热装置包括变压器、电极和调压调流器；所述电极设置于所述去电装置之后，用于对所述细钢丝施加电流以进行加热。

优选地，所述电阻加热器还包括红外测温仪和PID调节仪，所述红外测温仪能够测定最终加热后细钢丝的温度，并把温度信号送入所述PID调节仪，所述PID调节仪控制所述调节调压调流器，改变所述次级加热回路中的电流，从而达到目标温度。

优选地，所述第一目标温度为所述细钢丝的居里点，或比所述居里点略低。

优选地，所述第二目标温度在所述细钢丝的奥氏体化温度以上。

本发明还提供了一种使用以上任一种二级电加热器对细钢丝进行热处理的方法，所述细钢丝的直径在2毫米以下，其包括以下步骤：

使用感应加热器将所述细钢丝在感应加热线圈中加热至所述细钢丝的居里点，或比所述居里点略低；

使用去电装置对经过所述感应加热器之后的所述细钢丝进行去电，以消除其中的残余轴向电流；

使用电阻加热装置将所述细钢丝加热至奥氏体化温度以上。

优选地，还包括对加热后的所述细钢丝进行冷却处理的步骤。

优选地，所述热处理为调质处理、淬火、正火、回火、等温淬火、等温退火、等温索氏化处理、再结晶退火或快速球化等温退火。

通过采用本发明的二级加热器和方法，能够取得如下有益的技术效果。

连续为细钢丝提供热源，使得较低频率(超音频)f≈30KHz的大功率感应加热器(并联)和较低功率的调压变压器(并联)工业化加热直径d≤2mm的钢丝成为可能，并可显著节省能源，提高效率80％以上。

通过次级调压电阻加热，可以精确加热直径d≤2mm的钢丝至奥氏体化A_C3以上150℃，使得细钢丝电加热热处理成为可能。提高了细钢丝热处理的质量，并可显著节省能源，提高效率。

加热速度快速。能够在2秒内，快速将细钢丝加热到930℃，避免了钢丝表面氧化，使得钢丝热处理后不用再酸洗，去氧化皮。既提高了钢丝质量，降低了成本，又保护了环境。

精确控制钢丝加热后的温度。通过调节回路电流，在保证钢丝热处理性能的同时，有效地节省了能源。并可使此方法和设备适应各种钢号，不同直径的淬火、正火、等温索氏化，以及快速球化等多种钢丝热处理工艺。

附图说明

图1为现有技术钢丝感应加热器的示意图。

图2为本发明的细钢丝二级加热器的示意图。

图3为显示钢丝在感应加热器内孔侧视图。

图4为调压电阻加热的示意图。

其中各附图标记的含义如下

1.钢丝 2.感应线圈 3.感应电源 4.电刷 5.变压器

6.变压电源 7.调压调流器 8.PID控制仪 9.红外测温仪

10.校直机 11.放线机 12.收线机 13.去电装置 14感应线圈内孔

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的具体实施方式

图2为本发明的细钢丝二级电加热器的示意图。本发明所提供的二级电加热器，适用于细钢丝的加热热处理，其包括钢丝1、感应线圈2、感应电源3、电刷4、变压器5、变压电源6、调压调流器7、PID控制仪8、红外测温仪9、校直机10、放线机11、收线机12、去电装置13组成。

其中，放线机11、校直机10、感应加热线圈2、去电装置13、电刷4、校直机10、收线机12顺序连接。并且在次级调压电阻加热后侧设置一个红外测温仪9，用于测定细钢丝加热后的温度。这一温度信号由红外测温仪9转为电信号后，送给PID调节仪8，PID调节仪8通过调压调流器7调节次级调压电阻加热的电流，从而控制细钢丝的加热温度。

图3为显示钢丝1在感应加热线圈2内孔14侧视图。如图所示，钢丝1在感应加热线圈2的内孔14中加热。为了提高能源的利用率，降低能耗，并且增加电磁耦合，感应线圈内孔直径D与钢丝直径d之间要遵循以下关系：D≤5d。本发明选用的陶瓷套管内径φ6mm，外径φ9mm，完全满足设计要求。由于钢丝热处理是连续生产，设备在长时间运行过程中，陶瓷套管有碎裂的可能，因此，在感应线圈内孔14内壁，依然要做绝缘处理，防止热处理钢丝1上铁屑掉下短路感应线圈。

钢丝在上述感应线圈中，当电源E1启动后，感应线圈生成电流I₁，由于感应作用，在钢丝1中感应生成涡流i，涡流i沿钢丝1的圆周与感应线圈电流的I₁方向相向。此涡流i成为加热钢丝的热源。本发明中，采用的是超音频感应电源f＝30KHz。加热钢丝至720℃以上。根据热处理要求，这一加热环节要求控制在1s左右。通过钢丝走丝速度V的计算，在1秒内，钢丝走丝长度为0.5米。

根据功率计算：

P = \frac{ΔT \cdot C \cdot A}{η \cdot t}

P (W) 为感应线圈功率

ΔT (℃) 为钢丝上升温度

C (J/kg·℃) 为钢丝热容

A (Kg) 钢丝重量

η 为感应线圈效率

t (S) 为时间

每个感应线圈功率约为10KW。

图4为细钢丝次级加热回路。如图4所示，钢丝通过去电装置13去电处理后，变压器5通过电刷4给待处理的细钢丝加热。

钢丝在感应线圈中感应电流除了有周向电流外，还有钢丝轴向的电流，若直接施加电阻加热方式则有一部分的直流电流与感应产生的轴向电流互相抵消，并且感应产生的轴向电流会对直流电源产生冲击。此处设置的去电装置能够去掉钢丝中的残余轴向电流。去电装置可以选用现有技术中的各种形式，诸如去电针或去电枪。

红外测温仪9测定最终加热后细钢丝的温度。并把温度信号送入PID调节仪8，PID调节仪8控制调节调压调流器7，改变二级回路中的电流I₃，从而达到目标温度。

细钢丝进入二级加热装置温度约为760℃，离钢丝奥氏体化的温度并不远，钢丝奥氏体化A_C3温度以上120℃约为930℃左右，因此实际还需要对细钢丝加温170℃左右。

由于金属的电阻率都随温度的升高而增大，电阻率ρ与温度之间近似地存在线性关系：

ρ＝ρ₀(1+αΔT)

ΔT表示升温的温度

ρ₀表示0℃时的电阻率

ρ表示升温后的电阻率

α表示材料电阻温度系数

α＝0.00651/℃

因此，在760℃时，钢丝的电阻率ρ₇₆₀＝5.95ρ₀。R₇₂₀＞＞r。R₇₆₀为0.5米，φ2钢丝在760℃时的电阻；r为次级加热回路电路电阻，包括变压器阻抗，这就使得钢丝二级电加热的能源利用效率大幅提高，能耗减少，加热时间缩短，钢丝加热的产量成倍增加。而且细钢丝要求升温的幅度不大，ΔT≈170℃，次级加热回路所需电流比较小，使得细钢丝连续热处理生产成为可能。

另外，可以采用现有的各种冷却装置对加热后的钢丝进行冷却处理。

本发明的细钢丝二级加热方法可以加热各种直径的钢丝，尤其适用于加热直径2mm或2mm以下的钢丝，其加热效率可达到80％以上。

本发明中的感应线圈和调压的加热回路，可以并联在一起，以满足细钢丝热处理的工业化生产。

本发明细钢丝二级加热热处理方法和设备，可以应用于多种直径和多种钢号细钢丝的调质处理、淬火、正火、回火、等温淬火、等温退火、等温索氏化处理、再结晶退火及快速球化等温退火等多种钢丝热处理工艺。

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种适用于细钢丝的连续热处理的二级电加热器，所述细钢丝的直径在2毫米以下，其特征在于，所述电加热器包括初级加热回路、去电装置和次级加热回路，

所述初级加热回路包括感应加热器，能够将所述细钢丝加热至所述细钢丝的居里点，或比所述居里点略低；

所述次级加热回路包括电阻加热装置，能够将去掉了所述残余轴向电流的所述细钢丝加热至奥氏体化温度以上；

所述初级加热回路、去电装置与所述次级加热回路顺序连接。

2.根据权利要求1所述的二级电加热器，其特征在于，所述感应加热器包括感应线圈和感应电源，其频率在20KHz到40KHz之间。

3.根据权利要求2所述的二级电加热器，其特征在于，所述感应线圈的直径D与所述细钢丝的直径d之间遵循以下关系：D≤5d。

4.根据权利要求1所述的二级电加热器，其特征在于，所述电阻加热装置包括变压器、电极和调压调流器；所述电极设置于所述去电装置之后，用于对所述细钢丝施加电流以进行加热。

5.根据权利要求4所述的二级电加热器，其特征在于，所述电阻加热装置还包括红外测温仪和PID调节仪，所述红外测温仪能够测定最终加热后细钢丝的温度，并把温度信号送入所述PID调节仪，所述PID调节仪控制所述调压调流器，改变所述次级加热回路中的电流，从而达到目标温度。

6.一种使用以上任一项权利要求所述的二级电加热器对细钢丝进行热处理的方法，所述细钢丝的直径在2毫米以下，其特征在于，包括以下步骤：

使用所述去电装置对经过所述感应加热器之后的所述细钢丝进行去电，以消除其中的残余轴向电流；

使用电阻加热装置将去掉了所述残余轴向电流的所述细钢丝加热至奥氏体化温度以上。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括对加热后的所述细钢丝进行冷却处理的步骤。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述热处理为淬火、正火、等温退火、等温索氏化处理或再结晶退火。