CN103243211A - 轧辊电加热淬火方法与装置 - Google Patents

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本发明涉及轧辊热处理领域,尤其涉及一种轧辊淬火方法与装置。本提供一种轧辊电加热淬火方法,首先将轧辊放置在保护气氛中预热并保温一定时间,然后将轧辊送入淬火工位,用一对电极分别连接在轧辊辊面两端形成通路,再根据要求的淬火深度通对应频率的交流电源加热轧辊,待轧辊辊面温度达到淬火温度,保持淬火温度,最后关闭电源停止加热立即喷水冷却完成淬火。一种轧辊电加热淬火装置,电极为一对环形电极,电极压贴在轧辊的辊面两端,电源与电极连通成回路,红外测温器与轧辊相配合探测轧辊辊面温度,冷却水喷嘴组件的喷嘴面向轧辊辊面。本发明加热效率高,淬火质量均匀,淬火深度可控,工装准备比较简单,适用于多种规格的轧辊表面淬火热处理要求。

Description

轧辊电加热淬火方法与装置
技术领域
本发明涉及轧辊热处理领域,尤其涉及一种轧辊淬火方法与装置。
背景技术
轧辊是轧钢生产的重要零件。目前,大型轧辊特别是冷轧工作辊均有一层淬硬工作层,其厚度大约为40~60mm,其硬度大约为60~62HRC,目的是减少轧辊在轧钢工作过程磨擦磨损;而工作辊的辊心及辊轴均处于硬度较低的调质状态,使轧辊保持较高的韧性,防止轧辊断裂。淬火是轧辊热处理的最重要工序,工作层的淬火质量在很大程度上决定了轧辊的后续使用性能和寿命。
轧辊表面淬火一般是在箱式/井式电阻炉内整体加热,升温速率£50℃/h,中间分段保温时间4~8h,至淬火温度,按轧辊材质不同一般950℃~1050℃;后保温8~16h,然后吊运出炉,并把辊子置于淬火介质池内,通常为油或水池内进行急冷,这种传统淬火方式的缺点是加热保温时间长,总时间约40~50h、辊轴需要采取局部隔热或单独进行热处理。为此,差温淬火炉通过两个可以自动开合的半圆形炉体闭合后开始对轧辊工作段进行局部不烧透加热,而辊轴处于炉体外,辊面加热到预定淬火温度并保温2~4h后,打开炉体移出轧辊并进入冷却区进行冷却,但受辐射传热方式限制,加热时间长达10h左右。
近年来,轧辊感应淬火通过在感应线圈内通以工频或中低频电感应加热表面层,可以较好地控制淬硬层深度,而且晶粒细化,由于电磁感应加热速度很快,大大提高了轧辊淬火效率,淬火质量也有所提高,因此感应加热在轧辊热处理领域得到迅速推广。目前,感应淬火方法可分两种:1、连续式感应淬火,即采用比较短窄的感应线圈,线圈匝数只有几匝,轧辊和线圈可以沿轴向相对移动,电源频率多为工频50Hz,这样轧辊从辊面一侧到另一侧连续得到感应加热和冷却淬火,处理时间大约需要1h;以1500mm长的淬火辊面为例,线圈和轧辊相对移动速度假设为0.5mm/s,则连续淬火时间至少需要50min。连续感应淬火技术目前已经比较成熟,其不足之处是当轧辊外径改变时,需要更换专用的感应器来匹配,因此热处理厂常常需要准备一系列不同内径规格的感应线圈,淬火成本提高。2、整体式感应淬火,即感应线圈匝数覆盖整个辊面,辊面全部置于线圈内部整体得到同时感应加热,然后移出辊体再进行冷却淬火。整体感应淬火加热时间进一步缩短,但感应器规格大,在轧辊工作直径和长度变化时仍也需更换匹配的感应器。
从上可知,已有感应加热的不足之处是其存在电-磁-电-热转换过程,存在能量转换损耗,在当轧辊规格变化时需要频繁更换专用感应圈来匹配,增加了淬火工装准备,而且辊面轴向加热温度均匀性也有待进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种轧辊电加热淬火方法与装置用一对电极分别连接在轧辊辊面两端形成通路,根据淬火深度及轧辊材料要求调节电源频率,本发明淬火深度可控,工装准备比较简单,适用于多种规格的轧辊表面淬火热处理要求。
本发明是这样实现的:一种轧辊电加热淬火方法,首先将轧辊放置在保护气氛中预热并保温一定时间,然后将轧辊送入淬火工位,用一对电极分别连接在轧辊辊面两端形成通路,再根据要求的淬火深度通对应频率的交流电源加热轧辊,待轧辊辊面温度达到淬火温度950℃~1050℃,保持淬火温度1~5min,最后关闭电源停止加热立即喷水冷却完成淬火。
所述的淬火深度δ与交流电频率的关系式为δ=sqrt(1/(p*μ*σ*f)),其中μ是轧辊磁导率,σ是轧辊电导率,f是交流电频率。
所述预热温度300~500℃,保温时间5~10h。
所述通电加热时逐步升高交流电源的输出电压,直到轧辊辊面温度达到淬火温度后调节交流电源的输出电压,使轧辊辊面的温度保持在淬火温度。
所述喷水冷却时,轧辊绕辊轴来回转动,提高冷却均匀性。
一种轧辊电加热淬火装置,包括电极、电源、冷却水喷嘴组件、红外测温器、压紧气缸和轧辊支架,轧辊设置在轧辊支架上,所述电极为一对环形电极,电极由压紧气缸压贴在轧辊的辊面两端,电源与电极连通成回路,红外测温器与轧辊相配合探测轧辊辊面温度,冷却水喷嘴组件的喷嘴面向轧辊辊面。
所述的电极为分瓣式电极,由电极头组和电极环构成,所述电极头组由若干独立的电极头构成,电极头以电极环的轴心为圆心环形阵列在电极环上。
该淬火装置还包括补热线圈和补热电源,所述补热线圈和补热电源设置在轧辊的辊面两端。
所述轧辊支架上还装有轧辊转动机构。
所述轧辊支架为竖直形支架,冷却水喷嘴组件中各个冷却水喷嘴沿辊面上下方向的分布上近下远。
本发明一种轧辊电加热淬火方法与装置用一对电极分别连接在轧辊辊面两端形成通路,根据淬火深度及轧辊材料要求,取电源频率50~200Hz可调,再根据要求的淬火深度通所对应频率的交流电源加热轧辊,逐步升高交流电源输出电压/功率,辊面温度随之升高至淬火温度,保持淬火温度保持一定时间后关闭电源停止加热,立即喷水冷却,至辊面温度达到马氏体转化温度以下时完成淬火处理。本发明加热效率高,淬火质量均匀,淬火深度可控,工装准备比较简单,适用于多种规格的轧辊表面淬火热处理要求。
附图说明
图1为本发明轧辊电加热淬火方法中轧辊截面内电流密度分布图;
图2为本发明轧辊电加热淬火装置结构示意图;
图3为本发明轧辊电加热淬火装置中电极的结构示意图;
图4为本发明轧辊电加热淬火装置中补热装置的示意图;
图5为本发明轧辊电加热淬火装置中冷却水喷嘴组件的布置示意图。
图中:1轧辊、2电极、3电源、4冷却水喷嘴组件、5红外测温器、6压紧气缸、7轧辊支架、8补热线圈、9补热电源、21电极头组、22电极环。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明表述的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种轧辊电加热淬火方法,首先将轧辊放置在保护气氛中预热并保温一定时间,然后将轧辊送入淬火工位,用一对电极分别连接在轧辊辊面两端形成通路,再根据要求的淬火深度通对应频率的交流电源加热轧辊,待轧辊辊面温度达到淬火温度950℃~1050℃,保持淬火温度1~5min,最后关闭电源停止加热立即喷水冷却完成淬火;为了节约能源,通常喷水冷却至220℃以下,即马氏体转化温度以下时即可停止喷水,放置在空气中使其自然降至常温。
进行淬火时,电极施加一个交变电压U,交变电压U就会在导电性的辊身内部直接产生交变电流I,根据欧姆定律,I=U/R,式中R为两电极之间辊身的交流阻抗,对导电体的轧辊来说,此阻抗可以近似等效成一个纯电阻。又由于电阻的欧姆热效应,电流I从轧辊辊身一侧经过辊身内流动至辊身另一侧时,产生的欧姆热Q=I2Rt,式中t为通电时间,这样处于两电极之间的辊身部分得到电加热,而辊身两侧的辊轴由于没有电流经过而不会发热。又由于根据电磁理论可知,导体截面内电流密度分布如图1所示,当交变电流通过导体时电流在导体横截面存在“集肤”或“趋肤”效应,交变电流将趋于沿着导体表面流过。交变电流频率越高,集肤效应越明显,交变电流在导体横截面上的分布密度在导体表面最高,向内以指数型方式迅速减小,所以本发明中可以通过以下关系式来控制轧辊需要淬火深度:所述的淬火深度δ与交流电频率的关系式为δ=sqrt(1/(p*μ*σ*f)),其中μ是轧辊磁导率,σ是轧辊电导率,f是交流电频率。
本发明的方法可以进一步描述为,所述预热温度300~500℃,保温时间5~10h;为了使淬火温度能得到精确的控制,所述通电加热时逐步升高交流电源的输出电压/功率,直到轧辊辊面温度达到淬火温度后调节交流电源的输出电压/功率,使轧辊辊面的温度保持在淬火温度。
另外为了提高冷却的均匀性,所述喷水冷却时,轧辊绕辊轴来回转动,上述加热、保温、冷却水压以及轧辊摆动等均可通过淬火控制系统实现自动控制。
如图2所示,一种轧辊电加热淬火装置,包括电极2、电源3、冷却水喷嘴组件4、红外测温器5、压紧气缸6和轧辊支架7,轧辊1设置在轧辊支架7上,所述电极2为一对环形电极,电极2由压紧气缸6压贴在轧辊1的辊面两端,电源3与电极2连通成回路,红外测温器5与轧辊1相配合探测轧辊1辊面温度,冷却水喷嘴组件4的喷嘴面向轧辊1辊面。
为了提高本装置的通用性,能够适应不同辊径的轧辊,所述的电极2为分瓣式电极;电极内部通冷却水冷却,防止电极升温过大,为了不使冷却水影响轧辊两端的温度,如图3所示,电极2由电极头组21和电极环22构成,所述电极头组21由若干独立的电极头构成,电极头以电极环22的轴心为圆心环形阵列在电极环22,电极头采用钢质材料,这样电流流过时电极头可以自身发热,隔绝电极环和轧辊辊面的热流通道,达到既不影响电极导电又隔绝了电极对轧辊的接触冷却。
如图4所示,为了提高轧辊辊面轴向温度均匀性,在轧辊辊面两端设置感应加热的补热线圈8和补热电源9对辊面两端加热来补充辊面两端因电极接触冷却所带来的热量散失,使辊面温度更加均匀地保持在淬火温度,提高辊面宽度方向的加热均匀性,所述补热线圈8和补热电源9设置在轧辊1的辊面两端。
在本发明中为了方便淬火中冷却水的收集循环,所述轧辊支架7为竖直形支架,轧辊1竖直设置在轧辊支架7上;在冷却方面,为了提高轧辊周向上的冷却均匀性,所述轧辊支架7上还装有轧辊转动机构,在开始喷水冷却前启动轧辊转动机构,使轧辊1沿辊轴来回摆动,以提高轧辊辊面周向冷却的均匀性;如图5所示,冷却水喷嘴组件4出来高压水碰到辊面以后,有一部分水会沿着辊面从上到下流淌,影响下方辊面喷水冷却,考虑冷却水在辊面淌流冷却作用,冷却水喷嘴组件4中各个冷却水喷嘴沿辊面上下方向的分布密度上密下疏或距辊面距离上近下远,即冷却水喷嘴组件4内部包络面呈圆锥形,使辊面上端冷却作用比较强,向下则逐渐减弱,弥补淌流冷却作用的影响,从而保证辊面宽度方向的冷却均匀性。
本实施例需要淬火的一根轧辊,淬火温度950℃,要求的淬火深度δ为40mm,轧辊在淬火温度下的磁导率μ=                                               ,电导率σ=
Figure 2012100268073100002DEST_PATH_IMAGE004
,通过δ=sqrt(1/(p*μ*σ*f))计算得到所需要的交流电频率f为200Hz,为了保证淬火效果,使淬火深度δ略大于理论值,因此推荐使用50Hz的交流电源。调质热处理后的待淬火轧辊1,首先在箱式或井式电阻炉内进行整体预热处理,预热温度300℃,保温时间5h,预热过程采用保护气氛,减轻或防止轧辊表面氧化,影响与电极接触部位的导电性能。预热处理完成后,把轧辊1吊运至立式淬火加热工位,采取立式淬火,由轧辊支架7的上、下顶针固定住轧辊1,电极2通过压紧气缸6压紧在轧辊1的辊面两端位置。打开电源3开始通电加热,电源输出频率为50Hz,逐步升高电源输出电压/功率,辊面得到电加热,温度不断升高。待辊面温度通过红外测温器5达到预定淬火温度950℃后,调节电源输出电压,使辊面温度保持2min后,关闭电源3停止加热。并迅速打开冷却水电磁阀,使冷却水通过冷却水喷嘴组件4迅速喷射到辊面上冷却淬火,在加热停止后启动喷水前,启动轧辊转动机构,使轧辊1绕辊轴来回转动,提高冷却均匀性,待辊面温度下降到220℃或200℃以下后停止喷水,通常大约需要喷水2小时,然后空冷至室温完成淬火处理。
实施例2
一种轧辊电加热淬火方法,本实施例需要淬火的一根轧辊,淬火温度1050℃,要求的淬火深度δ为30mm,实施例2和实施例1的区别在于轧辊表面淬火温度升高,淬硬深度变浅。在确定电源频率时,轧辊在淬火温度下的磁导率μ=、电导率σ=
Figure 939109DEST_PATH_IMAGE004
条件下,参考表1电源频率f与辊面集肤层深度δ之间的理论对照关系值,推荐采用电源频率200Hz,电加热到淬火温度后的保温时间为5min,以保证30mm以上的待淬硬层内温度充分达到1050℃。淬火温度的升高则可以通过升高电源输出电压/功率来实现。其它方面与实施例1中基本相同。
表1.电源频率f与辊面集肤层深度δ的理论对照关系
f,(Hz) 25 50 100 200 400
δ,(mm) 116 82 58 41 29
实施例3
一种轧辊电加热淬火方法,本实施例需要淬火的一根轧辊,淬火温度980℃,要求的淬火深度δ为40mm,实施例3和实施例1、2的区别主要在于轧辊材料变化,轧辊在淬火温度下的磁导率μ=
Figure 718847DEST_PATH_IMAGE002
,电导率由于合金元素的增加而高温电导率σ减小,σ=。参考表2电源频率f=50Hz时轧辊材料高温电导率σ与辊面集肤层深度δ之间的理论对照关系值,可见电源频率f不变,淬火深度δ随着材料电导率σ的减小而增大。因此,在高温磁导率μ=
Figure 238690DEST_PATH_IMAGE002
、电导率σ=
Figure 53062DEST_PATH_IMAGE006
、所要求的淬火深度δ为40mm条件下,推荐采用的电源频率提高为100Hz。电加热到淬火温度后保温时间为1min,以保证40mm以上的待淬硬层内温度充分达到淬火980℃。其它方面与实施例1相同。
表2. 轧辊材料电导率σ与淬火深度δ之间的理论对照关系(f=50Hz)
σ,(
Figure 2012100268073100002DEST_PATH_IMAGE008
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
δ,(mm) 112 100 92 85 79 75
实施例4
一种轧辊电加热淬火方法,本实施例为了解决淬火冷却时大型轧辊摆动的困难问题,在加热保温完成停止电源3和补热电源9加热后开始喷水冷却前,及时松开压紧气缸2,使电极2脱离接触轧辊1侧面,此后启动轧辊1转动机构,使轧辊可以绕辊轴方向连续转动而不用来回摆动,再启动喷水冷却,也可以实现均匀冷却的目的。其它方面与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种轧辊电加热淬火方法,其特征是:首先将轧辊放置在保护气氛中预热并保温一定时间,然后将轧辊送入淬火工位,用一对电极分别连接在轧辊辊面两端形成通路,再根据要求的淬火深度通对应频率的交流电源加热轧辊,待轧辊辊面温度达到淬火温度950℃~1050℃,保持淬火温度1~5min,最后关闭电源停止加热立即喷水冷却完成淬火。
2.如权利要求1所述的轧辊电加热淬火方法,其特征是:所述的淬火深度δ与交流电频率的关系式为δ=sqrt(1/(p*μ*σ*f)),其中μ是轧辊磁导率,σ是轧辊电导率,f是交流电频率。
3.如权利要求1或2所述的轧辊电加热淬火方法,其特征是:所述预热温度300~500℃,保温时间5~10h。
4.如权利要求1或2所述的轧辊电加热淬火方法,其特征是:所述通电加热时逐步升高交流电源的输出电压,直到轧辊辊面温度达到淬火温度后调节交流电源的输出电压,使轧辊辊面的温度保持在淬火温度。
5.如权利要求1或2所述的轧辊电加热淬火方法,其特征是:所述喷水冷却时,轧辊绕辊轴来回转动,提高冷却均匀性。
6.一种轧辊电加热淬火装置,其特征是:包括电极(2)、电源(3)、冷却水喷嘴组件(4)、红外测温器(5)、压紧气缸(6)和轧辊支架(7),轧辊(1)设置在轧辊支架(7)上,所述电极(2)为一对环形电极,电极(2)由压紧气缸(6)压贴在轧辊(1)的辊面两端,电源(3)与电极(2)连通成回路,红外测温器(5)与轧辊(1)相配合探测轧辊(1)辊面温度,冷却水喷嘴组件(4)的喷嘴面向轧辊(1)辊面。
7.如权利要求6所述的轧辊电加热淬火装置,其特征是:所述的电极(2)为分瓣式电极,由电极头组(21)和电极环(22)构成,所述电极头组(21)由若干独立的电极头构成,电极头以电极环(22)的轴心为圆心环形阵列在电极环(22)上。
8.如权利要求6所述的轧辊电加热淬火装置,其特征是:该淬火装置还包括补热线圈(8)和补热电源(9),所述补热线圈(8)和补热电源(9)设置在轧辊(1)的辊面两端。
9.如权利要求6所述的轧辊电加热淬火装置,其特征是:所述轧辊支架(7)上还装有轧辊转动机构。
10.如权利要求6所述的轧辊电加热淬火装置,其特征是:所述轧辊支架(7)为竖直形支架,冷却水喷嘴组件(4)中各个冷却水喷嘴沿辊面上下方向的分布上近下远。
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