CN103014298B - 一种支承辊逆变电源差温淬火装置及热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支承辊逆变电源差温淬火装置，本发明还公开了一种支承辊逆变电源差温加热及淬火方法，步骤包括，步骤1、将待淬火的支承辊在350℃~400℃加热；步骤2、快速加热和高温保温，快速加热升温到930℃-960℃，升温时间为40-60分钟，再淬火温度保温过程；步骤3、喷水雾淬火及回火处理。本发明的装置及方法，加热保温效果好，减少了能耗和污染，工艺过程灵活可靠、可控性强，保证了支承辊表面硬度及淬硬层深度达到要求。

Description

一种支承辊逆变电源差温淬火装置及热处理方法

技术领域

本发明属于材料表面热处理技术领域，涉及一种支承辊逆变电源差温淬火装置，本发明还涉及一种支承辊逆变电源差温加热及淬火方法。

背景技术

长期以来，大型支承辊的热处理均采用工频连续加热扫描淬火、差温炉加热淬火（或半透烧加热）的工艺方法，前者虽然生产效率较高但硬化层分布不尽合理且深度较浅，难以发挥材料优势，而且也满足不了现代轧机的工作要求。而差温淬火处理方法一方面工艺周期长，生产效率低，能源消耗大且工作环境差、工人劳动强度大，同时还要设计制作专用保护水套保护轧辊辊颈不被加热；另一方面这种方法生产的轧辊残余应力大，该方法难以适应高Cr、高技术、高要求的支承辊的热处理生产，导致轧辊断裂等使用事故不断发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种支承辊逆变电源差温淬火装置，解决了现有技术工艺周期长，生产效率低，能源消耗大且工作环境差、工人劳动强度大的问题

本发明的另一目的是提供一种支承辊逆变电源差温加热及淬火方法，解决了现有技术中存在的支承辊辊身、辊颈技术要求不同，淬硬层深度不够，加热温度分布不均匀，导致产品质量差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种支承辊逆变电源差温淬火装置，在机床机架底面中间位置设置有加热器总成，沿机床机架两侧分别竖直设置有一套主丝杠和一套副丝杠，两套主丝杠沿机床机架底面向上竖直设置，两套主丝杠之间套装有上横梁，上横梁的中间位置设置有吊杆，吊杆向下与吊具连接，吊具的下端用于连接待淬火的支承辊；两套副丝杠沿机床机架底面向下竖直设置，在两套副丝杠之间套装有下横梁，下横梁上表面中间位置设置有下顶尖，在两套副丝杠之间还设置有喷水雾装置；

加热器总成另外连接有加热控制单元。

本发明所采用的另一技术方案是，一种支承辊逆变电源差温加热及淬火方法，利用上述的装置，按照以下步骤实施：

步骤1、对待淬火的支承辊进行预热

将待淬火的支承辊在350℃~400℃加热；

步骤2、快速加热和高温保温

第一阶段，快速加热升温到930℃-960℃，根据辊身直径的不同升温时间为40-60分钟，

第二阶段，淬火温度保温过程，总保温时间根据要求淬硬层深度，控制辊芯温度＜600℃，依据下述公式（2）来进行控制，其中的P_H为轧辊表面加热层深度，δ为电流透入深度，t₀为350℃-930℃的加热时间，

步骤3、喷水雾淬火及回火处理

采用整体喷水雾淬火，冷却时间为140-180分钟，支承辊的终冷温度控制在不超过100℃；再转入300℃-350℃进行保温，保温时间为10-15小时；然后升温到400℃-450℃进行回火，回火时间为100-120小时。

本发明的有益效果是：采用逆变电源差温热处理方式，首先对辊颈、辊芯进行强韧化处理，然后通过逆变电源差温热处理方式再对支承辊工作层进行淬火处理，由于加热速度快，支承辊辊芯部未奥氏体化，芯部韧性组织保持不变。使得支承辊工作层达到热处理工艺要求，而支承辊芯部却仍保持在奥氏体温度以下，使支承辊的工作层得到需要的淬火组织，芯部仍保留预处理时的韧性组织。等温的目的是使支承辊辊身均热并达到塑性状态，防止以后快速升温时产生很大的应力使工件开裂。逆变电源差温加热工艺，使支承辊辊身表面形成一定厚度的等温层，而心部温度较低，支承辊热容量小，淬火后得到所需等硬层深度，且其应力分布较为理想。

与现有技术相比，采用逆变电源差温热处理工艺制造的支承辊的使用性能明显高于整体热处理工艺制造的支承辊，在耐磨性、毫米轧制量和抗事故性方面都有显著的提高。

附图说明

图1是本发明的支承辊逆变电源差温淬火装置结构（加热状态）示意图；

图2是本发明的支承辊逆变电源差温淬火装置结构（淬火状态）示意图；

图3是本发明支承辊逆变电源差温淬火装置中的加热控制单元结构示意图；

图4是采用本发明方法的实施例1的Φ1350支承辊淬硬层硬度梯度曲线分布图；

图5是采用本发明方法的实施例2的Φ1260支承辊淬硬层硬度梯度曲线分布图。

图中，1.加热器总成，2.计算机控制中心，3.自耦变压器，4.30Hz-60Hz逆变电源，5.主加热器功率变送器，6.主加热器执行机构，7.辊身测温机构，8.端头淬火变压器，9.端头功率变送器，10.端头加热器执行机构，11.端头测温机构，12.200Hz-500Hz逆变电源，13.支承辊，14.主加热器，15.机床机架，16.主丝杠，17.上横梁，18.吊杆，19.下横梁，20.喷水雾装置，21.副丝杠，22.下顶尖，23.吊具。

具体实施方式

参照图1、图2，为本发明的支承辊逆变电源差温淬火装置的整体实施例结构示意图，

在机床机架15底面中间位置设置有加热器总成1，加热器总成1另外连接有加热控制单元，沿机床机架15两侧分别竖直设置有一套主丝杠16和一套副丝杠21，两套主丝杠16沿机床机架15底面向上竖直设置，两套主丝杠16之间套装有上横梁17，两套主丝杠16同时转动能够控制上横梁17的上下移动，上横梁17的中间位置设置有吊杆18，吊杆18向下与吊具23连接，吊具23的下端连接有待淬火支承辊13；两套副丝杠21沿机床机架15底面向下竖直设置，在两套副丝杠21之间套装有下横梁19，两套副丝杠21同时转动能够控制下横梁19的上下移动，下横梁19上表面中间位置设置有下顶尖22，在两套副丝杠21之间还设置有喷水雾装置20，。

本发明的支承辊逆变电源差温淬火装置，其加热和淬火过程分别是，

1）加热工艺过程是，

如图1，通过吊具23及吊杆18将待淬火的支承辊13悬挂至上横梁17上，控制两套主丝杠16转动，向下移动上横梁17，将支承辊13吊入加热器总成1中，转动副丝杠21，调整下横梁19的位置，将下顶尖22顶至支承辊13下端的定位孔；通过下横梁19上的锁紧装置锁紧副丝杠21；调整支承辊13位置，使支承辊13辊身完全进入加热器总成1内腔，开始以一定的速度旋转支承辊13，并进行加热，加热器总成1通过加热控制单元实施，其原理及过程参照图3。

2）淬火工艺过程是，

如图2，支承辊13在加热器总成1里加热至淬火温度后，上横梁17快速下降使支承辊13与下横梁19一起下降，进入喷水雾装置20内腔，开始整体喷水雾进行淬火冷却。

本发明的支承辊逆变电源差温淬火装置（逆变电源差温淬火机床）的选型要求是：工件立式，加热过程中连续旋转。加热方式采用逆变电源差温加热，整个辊身表面同时进行快速加热，实现辊身表层奥氏体化，然后进行整体喷雾淬火，保证在同一工位上完成。

如图3，本发明支承辊逆变电源差温淬火装置中的加热控制单元结构是，加热器总成1包括主加热器和端头加热器，主加热器通过自耦变压器3与30Hz-60Hz逆变电源4连接，辊身测温机构7通过主加热器执行机构6与计算机控制中心2连接，主加热器执行机构6同时与30Hz-60Hz逆变电源4连接，计算机控制中心2通过主加热器功率变送器5与30Hz-60Hz逆变电源4连接；

设置在加热器总成1中两端的端头加热器分别通过一个端头淬火变压器8与一套200Hz-500Hz逆变电源12连接，每个200Hz-500Hz逆变电源12分别通过各自的端头加热器执行机构10与计算机控制中心2连接，计算机控制中心2分别通过一个端头加热器执行机构10与两套端头测温机构11连接，计算机控制中心2分别通过一个端头功率变送器9与两套200Hz-500Hz逆变电源12连接。

本发明装置中的加热控制单元的工作原理是，加热器总成1包括主加热器和端头加热器，给30Hz-60Hz逆变电源4通电后，经自耦变压器3接通主加热器，主加热器通电后，位于加热器总成1中的待淬火的支承辊13由于自身表面产生涡流而发热，温度升高。辊身测温机构7开始测温，并将测得的辊身实际温度转化为电信号反馈给主感应器执行机构6，主加热器执行机构6将信号反馈至计算机控制中心2，通过计算机控制中心2将新的控制信号反馈至主加热器功率变送器5调节30Hz-60Hz逆变电源4的功率，控制支承辊13的辊身温度。两套200Hz-500Hz逆变电源12与30Hz-60Hz逆变电源4同时通电，通电后经两个端头淬火变压器8分别接通设置在加热器总成1中两端的端头加热器，使支承辊的辊身两个端头同时加热。两套端头测温机构11分别将测得的辊身端头实际温度转化为电信号反馈给对应的端头感应器执行机构10，每个端头加热器执行机构10再将信号反馈至计算机控制中心2，再将新的控制信号反馈至对应的端头功率变送器9调节各个200Hz-500Hz逆变电源12功率，控制支承辊辊身两个端头的温度。

本发明装置中的主加热器和端头加热器制作要求是，采用多匝加热器，对待淬火的支承辊13辊面进行逆变电源差温加热，变频用于调节加热器的功率，调节加热温度及加热速率。加热器是加热效果的关键。整个加热器采用预制件装配式结构，便于维修及易损坏件的更换。加热器的线圈采用优质大截面整根矩形铜管绕制而成，管内通冷却水。为保护其绝缘强度，在线圈表面涂防潮绝缘磁漆后固为一整体。加热器的出、入口端为水冷黄铜板，以保护加热器和屏蔽磁力线外泄。根据支承辊淬火工艺要求，加热器设置为组合式结构，可通过抽头来调整匝数匹配。每套加热器总长2500mm左右。所使用的加热器高度根据支承辊辊身长度可任意调整，加热器的直径根据辊身直径调节。

支承辊13的材质主要为：MC3、Cr4、Cr5等（含2%-5%Cr的中高碳合金钢）。现有技术中的支承辊制造工艺流程如下：冶炼→铸锭→锻造→粗加工→调质→半精加工→逆变电源差温淬火→精加工。

本发明的支承辊逆变电源差温加热及淬火方法，利用上述的装置，按照以下步骤实施：

步骤1、对待淬火的支承辊13进行预热

支承辊13进行逆变电源差温加热之前需要预热，将待淬火的支承辊13装入台车炉进行350℃~400℃的整体加热。预热时间应能保证辊身内外温度均匀一致，使整个辊身截面进入塑性状态，能够承受住后续的快速感应加热，并且减小加热造成的热应力。

步骤2、快速加热和高温保温

逆变电源差温加热的工作原理是：逆变电源差温加热是当交变电流通过加热器时，在加热器的内部和周围产生电器频率相同的交变磁场，当轧辊置于加热器内，受交变磁场的作用，轧辊表层产生涡流，当涡流强度从表面向内层降低到表面最大涡流强度的36.8%时，由该处到表面的距离δ，称为电流透入深度。

其中，ρ为电阻率，μ为导磁率，f为电源频率，居里点温度以下的δ值在350℃-750℃之间，ρ=67.5μΩcm；μ=6，f=32，则 ${\mathrm{\δ}}_1=50.3\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μf}}}=50.3\sqrt{\frac{67.5}{6\×32}}=29.8\mathrm{mm};$

居里点温度以上的δ值在750℃以上，ρ=110μΩcm；μ＝1，f=32，

则 ${\mathrm{\δ}}_2=50.3\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\μf}}}=50.3\sqrt{\frac{110}{1\×32}}=93\mathrm{mm};$

在350℃-930℃之间δ取平均值，

则δ_平=（δ₁+δ₂）÷2=（29.8+93）÷2=61.4mm，

轧辊表面加热层深度： $P_H=\frac{\mathrm{\δ}}{2}+b\sqrt{t},---\left(1\right)$

P_H根据轧辊淬硬层深度要求确定，一般按照淬硬层深度的2倍取值，b为在350℃-930℃之间热扩散率平均值，b=2.83mm/s²，t为保温时间，

总加热时间t_总=t₀+t，其中的t₀为350℃-930℃的加热时间，优选60min，t为930℃的保温时间，

则

经过预热的支承辊13转入加热器中后立即开始以合适的功率使支承辊13表面快速升温，即快速升温到930℃-960℃，此为差温加热的第一阶段，利用形成一个较高温度蓄能区，为温度的向内快速扩散提供一定的热动力，第一阶段保持时间以辊面温度达到预定的淬火温度为止，根据辊身直径的不同升温时间为40-60分钟，再进入差温加热的第二阶段，为正常的淬火温度保温过程。此时须将电源输出功率降低，控制在不高于淬火温度约10℃的温度保温，避免辊面过热。第二阶段的作用主要是辊面热量以传导方式向内部传热，获得所需的奥氏体化层深度。

由感应加热特点决定在表面达到淬火温度时透热层已经达到一定深度，保温时间根据要求淬硬层深度，依据前述公式（2）来进行计算准确控制。要根据辊身直径大小，淬硬层深要求及实际达到的升温速度来综合考虑确定。奥保温时间氏体化层深至少要达到所要求淬硬层的两倍以上，使淬火后得到要求的淬硬层和足够平缓的过硬层分布，使淬硬层和过渡层处于压应力区，并使拉应力峰向内部推移，这对工作层抵抗疲劳破坏有很大益处。

另一方面，要注意避免升温缓慢或保温时间过长造成辊芯温度过高，淬火后芯部残余拉应力过大，工艺控制辊芯温度＜600℃。

步骤3、喷水雾淬火及回火处理：

采用整体喷水雾淬火，冷却时间为140-180分钟，对支承辊13而言终冷温度控制在不超过100℃为宜；再转入300℃-350℃保温时间为10-15小时；然后升温到400℃-450℃的回火温度进行回火，时间为100-120小时，消除应力、调整硬度。

淬火方式采用整体喷水雾冷却方法，具体过程是，先进行双泵喷水、双泵喷气、单泵喷气淬火过程，然后停止淬火几分钟后观察支承辊表面的返温状况，以不超过100℃为宜，若超过100℃则继续喷气冷却。

本发明方法正是利用了感应加热的加热速度快、热效率高、加热后晶粒细小的特点，采用专用逆变电源和专用感应器对支承辊辊身部位表面一定深度实现快速等温层加热，加热后淬火，硬化层深度可达100mm-120mm。这样的深度对高负荷下工作的支承辊是必要的，由此能够明显提高赫兹应力下的滚动疲劳强度及辊面的耐磨性。该方法的残余应力为热应力型而非相变应力型，对疲劳强度的影响小，故适于支承辊。其冷却方式根据材质的不同可采取喷雾冷却或喷水冷却。

实施例1

支承辊的规格：Φ1350（直径）×1930（辊身）×5230（辊长）mm，材质70Cr3Mo，辊身硬度要求HSD70-75，淬硬层深度≥50mm。工艺设计淬硬层深度60mm，加热层深度取120mm，按照公式（2）计算总加热时间为77min。实际淬火工艺为，预热温度400℃，工艺设定淬火温度930℃，大功率快速加热60分钟后到淬火温度，保温20分钟开始整体喷水雾淬火，冷却时间150分钟。淬火后表面硬度HSD85±2，辊身表面温度≤100℃。入炉350℃等温10小时，430℃回火110小时，回火后表面硬度HSD72±1，淬硬层硬度梯度分布见图4曲线。从图4可看出，按照此工艺处理后支承辊实际淬硬层深度为63mm，比工艺设计深度略深，但误差可以接受。

实施例2

支承辊的规格：Φ1260（直径）×1290（辊身）×4540（辊长）mm，材质70Cr3Mo，辊身硬度要求HSD62-67，淬硬层深度≥80mm。工艺设计淬硬层深度100mm，加热层深度取200mm，按照公式（2）计算总加热时间为119.8min。淬火工艺为，预热温度400℃，支承辊吊装至加热器总成1里后实测温度360℃，设定淬火温度930℃，大功率快速加热60分钟至淬火温度，开始保温，保温时间60分钟，快速将支承辊下降至喷水雾装置20里，整体喷水雾淬火，冷却时间170分钟。淬火后表面硬度HSD83±3，辊身表面温度≤100℃。入炉350℃等温10小时，480℃回火110小时，回火后辊身表面硬度HSD67±1，淬硬层硬度梯度分布见图5曲线。从图5中数据可看出实际淬硬层深度在100mm以上，达到了预期效果。

本发明方法生产的支承辊辊面硬度均匀性可达HSd±1以内，工作层硬度降不超过HSd4，对于淬硬层要求50mm以内的，硬度降不超过HSd3，技术指标达到国际先进水平。本发明方法处理后的轧辊等硬层深度在材料淬透性范围内可控性强，根据要求可随意调整，从而提高了支承辊辊面硬度及硬度均匀，并可视具体情况灵活控制冷却速度。既可对大中型支承辊进行处理，同时也可对淬硬层深度要求特深的工作辊进行处理，只需对加热和冷却进行调整即可。

本发明的方法，使用了锻钢支承辊的逆变电源差温淬火工艺过程的非标工艺设备。为进行支承辊（多规格）的表面淬火，加热设备采用可控硅逆变电源，采用“逆变电源差温加热方法”进行支承辊辊身表层加热；达到加热要求后，采用“整体喷水雾冷却方法”进行喷水雾淬火，实现支承辊辊身逆变电源差温加热淬火工序，保证锻钢支承辊的技术要求。

本发明的优点还在于：1）节能、高效。逆变电源差温热处理技术是大型铸锻件热处理工业中既经济又实用的工艺技术。2）工作环境优良、环保，无废气、污染物排放。3）工艺的重复性、再现性好，质量可控性强。4）热效率高，加热时间短，心部温度低，淬火后应力分布理想；淬火后等硬层深度深，能够最大程度发挥材料优势，明显提高轧辊抗疲劳性及抗事故能力。

Claims (1)

1.一种支承辊逆变电源差温加热及淬火方法，其特征在于，利用一种支承辊逆变电源差温淬火装置，其结构是，

在机床机架（15）底面中间位置设置有加热器总成（1），沿机床机架（15）两侧分别竖直设置有一套主丝杠（16）和一套副丝杠（21），

两套主丝杠（16）沿机床机架（15）底面向上竖直设置，两套主丝杠（16）之间套装有上横梁（17），上横梁（17）的中间位置设置有吊杆（18），吊杆（18）向下与吊具（23）连接，吊具（23）的下端用于连接待淬火的支承辊（13）；

两套副丝杠（21）沿机床机架（15）底面向下竖直设置，在两套副丝杠（21）之间套装有下横梁（19），下横梁（19）上表面中间位置设置有下顶尖（22），在两套副丝杠（21）之间还设置有喷水雾装置（20）；

加热器总成（1）另外连接有加热控制单元，所述的加热控制单元的结构是，加热器总成（1）包括主加热器和端头加热器，主加热器通过自耦变压器（3）与30Hz-60Hz逆变电源（4）连接，辊身测温机构（7）通过主加热器执行机构（6）与计算机控制中心（2）连接，主加热器执行机构（6）同时与30Hz-60Hz逆变电源（4）连接，计算机控制中心（2）通过主加热器功率变送器（5）与30Hz-60Hz逆变电源（4）连接；设置在加热器总成（1）两端的端头加热器分别通过一个端头淬火变压器（8）与一套200Hz-500Hz逆变电源（12）连接，每个200Hz-500Hz逆变电源（12）分别通过各自的端头加热器执行机构（10）与计算机控制中心（2）连接，计算机控制中心（2）分别通过一个端头加热器执行机构（10）与两套端头测温机构（11）连接，计算机控制中心（2）分别通过一个端头功率变送器（9）与两套200Hz-500Hz逆变电源（12）连接；所述的主加热器和端头加热器的线圈采用大截面整根矩形铜管绕制而成，矩形铜管内通冷却水，

利用上述的装置，按照以下步骤实施：

步骤1、对待淬火的支承辊（13）在350℃～400℃进行预热；

步骤2、快速加热和高温保温

第一阶段，快速加热升温到930℃-960℃，根据辊身直径的不同升温时间为40-60分钟；

第二阶段，淬火温度保温过程，总保温时间根据要求淬硬层深度，控制辊芯温度＜600℃，依据下述公式（2）来进行控制，则有：

其中的P_H为轧辊表面加热层深度，P_H按照淬硬层深度的2倍取值；δ为电流透入深度，在350℃-930℃之间时δ取值为61.4mm；t₀为350℃-930℃的加热时间，t₀取值为60min；b为热扩散率平均值，在350℃-930℃之间b取值为2.83mm/s²；

步骤3、喷水雾淬火及回火处理

采用整体喷水雾淬火，具体步骤是：先进行双泵喷水，双泵喷气，单泵喷气淬火过程，然后停止淬火，几分钟后观察支承辊（13）表面的返温状况，若超过100℃则继续喷气冷却，冷却时间为140-180分钟，支承辊（13）的终冷温度不超过100℃；再转入300℃-350℃进行保温10-15小时；然后升温到400℃-450℃进行回火100-120小时。