CN103276177A - 用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于棒线材生产过程中的热处理-矫直及一体化装置及应用该装置进行棒线材的热处理-矫直方法。该装置包括顺序连接的、其工作面处于同一水平面上的上料装置、热处理炉、冷却装置、多辊矫直机和成品收集装置，上料装置的储料平台上的棒线材自然滚动至送料辊上，被送入热处理炉；热处理炉允许单根棒线材通过其中心，冷却装置利用压缩空气对经过的棒线材进行强制冷却；多辊矫直机对棒线材进行精密矫直；成品收集装置将矫直后的棒线材传送到料框中。同传统技术相比，本发明的装置具有生产自动化程度高，产品组织、性能及平直度的一致性和批次稳定性好等优点，特别适合用于小规格、直条型、高性能钛合金棒线材钛的中、小批量生产。

Description

用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及棒线材生产领域，特别是涉及一种用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置。

背景技术

在航天、航空和医疗等领域，常常需要使用高性能的钛合金（如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb等）等材料的棒线材，这类棒线材的特点是产品规格小，规格范围为φ5～20㎜×2000-3000㎜，但对产品的一致性和批次稳定性有很高的要求。正是由于对此类产品的稳定性的要求高，国产钛合金棒线材的质量往往达不到设计要求，因此钛合金棒线材至今还依赖进口，价格昂贵，成本高。

生产高性能、小规格的钛合金棒线材通常有两种方法：

一种是通过纵向轧制线制成盘条，然后进行热处理、矫直、磨削等工序，这种方法生产效率高，可以生产单重在100㎏以上的合金棒线材，适于大批量生产，但设备投资大，设备利用率很低，生产灵活性不好，造成产品成本高。

另一种方法是通过横列式轧机，生产单重约10㎏以下的直条棒线材，切成2-3米的定尺之后，成批进行热处理，然后逐根进行矫直及磨削等精整处理。该方法生产效率较低，但设备投资少，生产灵活性强，适于多种、小批量生产，为大多数钛材生产厂家所用。此类钛合金直条棒线材生产的传统热处理设备是箱式电阻炉，成批的棒线材在炉中经历热处理后，然后逐根取出，进行热矫直。这种生产方式存在下述缺陷问题：

1、热处理为间歇式作业，每根棒线材材料在箱式电阻炉中所处位置不同，在同批次的每根棒线材因在炉中的部位不同，其经历的热处理的升温、冷却过程也不尽相同，因此同批次产品会产生一定组织与性能差别，而且棒线材的直径越小，热处理过程的差异所造成的产品的组织与性能差别也越大；

2、热处理装炉量、操作方法和操作速度随机变化，也会影响棒线材热处理的一致性和批次稳定性；

3、热处理后的棒线材矫直温度也是不稳定的、不受控的，矫直后棒线材可能产生二次变形，影响其平直度和后续加工，降低成材率。

发明内容

针对现有棒线材技术中存在的热处理与矫直问题，本发明的目的是型提供一种用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，同传统技术相比，该装置具有生产自动化程度高，产品组织、性能及平直度的一致性和批次稳性好等优点，特别适用于小规格、直条型、高性能的钛合金棒线材中、小批量生产。

本发明的技术方案是：

用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，包括顺序连接的、其工作面处于同一水平面上的上料装置、热处理炉、冷却装置、多辊矫直机和成品收集装置，其特征在于：

所述上料装置安装在所述热处理炉的进口端，包括储料架、架设在所述储料架上的储料平台以及架设在所述储料架上、低于所述储料平台的多根送料辊；所述送料辊垂直于所述棒线材的运动方向设置，所述送料辊的转动方向与所述棒线材的运动方向一致；所述送料辊的中央点略低于所述储料平台；位于所述储料平台上的棒线材自然滚动至所述送料辊的滚轮上，送料辊的转动将位于所述送料辊上的单根棒线材送入热处理炉；

所述热处理炉为管式电阻热处理炉，它允许单根棒线材通过其中心，对所述棒线材进行升温及保温热处理；所述管式电阻热处理炉的炉管的中下两侧每间隔一定距离对称地开有小洞，穿过每对小洞分别安装有送料辊；所述棒线材位于所述送料辊上且位于所述炉管的中心，所述送料辊的转动引导所述炉管中的棒线材向所述冷却装置的方向移动；

所述冷却装置安装在所述热处理炉的出口端，所述冷却装置为箱式结构，在靠近所述热处理炉的一端的箱壁上开有与进气管连通的进气口；在远离所述热处理炉的一端的箱壁上开有与出气管连通的出气口；压缩空气自所述进气管进入所述冷却装置，对经过热处理后的棒线材进行强制冷却后自所述出气管排出；所述冷却装置内、垂直于所述棒线材的运动方向设置多根送料辊；所述送料辊的转动方向与所述棒线材的运动方向一致；所述送料辊的转动将位于所述送料辊上的棒线材送入多辊矫直机；

所述多辊矫直机位于所述冷却装置的出口端,对所述棒线材进行精密矫直；

成品收集装置位于所述多辊矫直机的出口端,连接所述多辊矫直机和所述成品收集装置的送料辊将矫直后的棒线材送入成品收集装置的的出口端的料框中；

所述上料装置、所述热处理炉所述冷却装置和所述成品收集装置内的每根送料辊的中央分别套设一送料滚轮，所述送料滚轮位于同一直线上，所述送料滚轮的外表面向内凹进，呈V型凹槽，用于容纳单根棒线材。

进一步地，本发明的技术方案还可以是：

所述V型凹槽的最大宽度为20㎜，最大深度为10㎜。

所述上料装置的送料辊的转动速度、所述热处理炉的送料辊的转动速度和所述冷却装置中的送料辊的转动速度相同；所述多辊矫直机的矫直速度等于或略大于所述上料装置的送料辊的转动速度；所述成品收集装置的送料辊的传动速度等于或略大于所述多辊矫直机的矫直速度。

所述管式电阻热处理炉为多段组合式的管式加热炉；每段管式加热炉长5～6米；所述热处理炉传动辊至少有3根；相邻两根热处理炉的送料辊的间距要小于单根棒线材的长度。

所述管式加热炉的炉管用耐热钢管制成；包围所述炉管的外周、由内向外依次安装有电炉绝缘体层、电炉加热体层、电炉保温耐火材料层和钢制炉壳。

热处理测温元件自所述管式加热炉外伸入所述炉管内，实时监测所述炉管内的炉温。

冷却测温元件自所述冷却装置外伸入所述箱式结构内，实时监测所述冷却装置内的温度。

本发明还提供应用上述装置进行棒线材的热处理-矫直的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）送料：将储存在上料装置的储料架上的所述棒线材逐根滚落至所述送料辊的送料滚轮上，送料滚轮将单根棒线材送入热处理炉；

（2）热处理：热处理炉允许单根棒线材通过其中心，热处理炉的送料辊的转动引导炉管中的位于送料辊的中央的送料滚轮上的棒线材向冷却装置的方向移动；热处理炉对对棒线材进行升温及保温热处理；热处理温度约550℃-850℃，热处理测温元件实时监测炉管内的炉温；

（3）冷却：利用压缩空气对通过冷却装置的经过热处理的棒线材进行强制冷却处理，通过调节压缩空气的流量，可控制棒线材的冷却速度和矫直前的温度；冷却测温元件实时监测冷却装置内的温度;冷却装置内的送料辊传动辊的转动将位于送料滚轮上的棒线材送入多辊矫直机；

（4）矫直：多辊矫直机对通过的棒线材进行精密矫直；

(5)成品收集：利用送料辊将矫直后的棒线材送入成品收集装置的出口端的料框中；

所述上料装置、热处理炉、冷却装置和成品收集装置内的送料辊的送料滚轮均在同一条直线上，送料滚轮的外表面向内凹进，呈V型凹槽，根据被传送的棒线材的尺寸，V型凹槽的最大宽度为20㎜，最大深度为10㎜，用于容纳棒线材，且每个V型凹槽每次仅限装入φ5～20㎜的单根棒线材；

所述的上料装置的送料辊的转动速度、热处理炉的送料辊的转动速度和冷却装置中的送料辊的转动速度相同；

多辊矫直机的的矫直速度等于或略大于上料装置的送料辊的转动速度；

成品收集装置的送料辊的传动速度等于或略大于所述多辊矫直机的矫直速度。

本发明具有以下优点：

1.连续化热处理，热处理效果好。每根棒线材依次通过热处理炉和冷却装置，所经历的升温、保温及冷却过程完全相同，热处理后的棒线材的端部和中间部分的组织与性能的一致性好；

2.智能化程度高。使用该装置，热处理和矫直的工艺参数可以自动记录、显示、存储和打印，工艺可控性与可追溯性好，各批产品的工艺重现性好，产品批次稳定性好。

3.设备全程自动化操作，工况环境好，劳动条件好，用人少，整个装置仅需1-2人操作。在批量很小，加料频次低（如小于20根/分）的情况下，可以采用人工加料；在加料频次较大时，宜用机器加料。

4.工艺灵活性好。可通过控制棒线材的移动速度来灵活的调节生产效率，适应不同批量生产的需要。

5.矫直效果好。可通过控制棒线材的冷却速度，使各根棒线材在最佳的温度范围内温矫，矫直后不会产生大的残余应力和回弹，使矫直棒线材保持很高的平直度,减少棒线材的磨削量，提高成材率。

附图说明

图1为本发明的一种用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置的结构示意图。

图2为图1中的上料装置的B向结构示意图。

图3为图1中的热处理炉的A向结构示意图。

图4为图1中的热处理炉的B向结构示意图。

图5为图1中单根送料辊的B向结构示意图。

附图标记说明

1、上料装置 2、热处理炉 3、冷却装置 4、多辊矫直机 5、成品收集装置 6、棒线材 7、储料架 8、储料平台 9、送料辊 10、送料传动轴 11、送料滚轮 12、传动轮 13、支架 14、炉管 15、进气管 16、出气管 17、冷却测温元件 18、料框 19、电炉绝缘体层20、电炉加热体层 21、电炉保温耐火材料层 22、钢制炉壳 23、热处理测温元件

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1～5所示的本发明为一种用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，可实现对于直条棒线材的连续热处理与矫直，包括顺序连接的、其工作面处于同一水平面上的上料装置1、热处理炉2、冷却装置3、多辊矫直机4和成品收集装置5。棒线材6依次通过上料装置、热处理炉、冷却装置、多辊矫直机和成品收集装置。上料装置1、热处理炉2、冷却装置3、多辊矫直机4和成品收集装置的工作面处于同一水平面上，可以保证棒线材在同一水平线上运动，以保证棒线材通畅前进。

其中，上料装置安装在热处理炉的进口端，包括储料架7、架设在储料架上的两侧带档板的储料平台8以及架设在储料架上、低于储料平台、每间隔一定距离设置的送料辊9，送料辊包括传动轴10、位于传动轴中间且其外表面带“V”型凹槽的送料滚轮11及安装在传动轴一端的传动轮12。本发明后文中的热处理炉2，冷却装置3及成品收集装置5中的送料辊结构与上料装置1的送料辊结构相同，不再赘述。

本例中，上料装置的储料平台长约3m，宽约1m，可储存一定数量的钛合金棒线材。送料辊垂直于棒线材的运动方向设置，至少3个，送料辊的转动方向与棒线材的运动方向一致；送料辊的中央点略低于储料平台。当位于储料平台上的棒线材滑落到送料滚轮上时，送料滚轮将单根棒线材送入热处理炉。

热处理炉2为管式电阻热处理炉，架设在炉体支架13上，它允许单根棒线材通过其中心，对棒线材进行升温及保温热处理；管式电阻热处理炉的炉管14的中下两侧每间隔一定距离对称开有小洞，穿过每对小洞分别安装送料辊9；棒线材置于送料辊的送料滚轮上，在送料辊的传动轮的带动下炉管中的棒线材向冷却装置的方向纵向移动。

冷却装置3安装在热处理炉的出口端；冷却装置为箱式结构，可控制棒线材的冷却速度和矫直前的温度；在靠近热处理炉一端的箱壁上开有与进气管15连通的进气口；在远离热处理炉的一端的箱壁上开有与出气管16连通的出气口；压缩空气自进气管进入冷却装置，对热处理后的棒线材进行强制冷却，然后自出气管排出；冷却装置内、垂直于棒线材的运动方向设置多根送料辊；送料辊的转动方向与棒线材的运动方向一致；可将棒线材送入多辊矫直机。

本发明的冷却装置利用压缩空气对热处理后的棒线材进行强制冷却，缩短钛合金棒线的冷却时间，以保证在最适合的温度下对棒线材进行温矫。冷却测温元件17伸入冷却装置内，实时监测冷却装置内的温度。通过调节进气(压缩空气)的流量，可控制棒线材的冷却速度和矫直前的温度。

多辊矫直机4位于冷却装置的出口端,对通过的棒线材进行精密矫直；特别适合对φ5～20㎜的钛棒线材进行精密矫直。

成品收集装置5位于多辊矫直机的出口端，连接多辊矫直机和成品收集装置的送料辊将棒线材传送到收集装置出口端的料框18中。

本发明的上料装置、热处理炉、冷却装置及成品收集装置中的送料滚轮结构与尺寸一致，并且所有的送料滚轮在同一条直线上；滚轮的外表面向内凹进，呈V型凹槽；根据被传送的棒线材的尺寸，V型凹槽的最大宽度为20㎜，最大深度为10㎜，用于容纳棒线材，且每个V型凹槽每次仅限容纳一根φ5～20㎜的棒线材。

本发明利用滚轮驱动棒线材向前运动，使之通过热处理炉的加热区。滚轮表面带V型凹槽，使小棒（最小φ5㎜）和大棒（最大φ20㎜）都能进入，热处理炉传动辊安装在在炉管下侧壁的小洞中，通过调速电机驱动传动轮使送料滚轮按所需的速度转动。带动V型凹槽中的棒线材向前运动，特别是当棒线材规格较小和/或有矫曲变形时，棒线材与普通的滚轮可能不接触或接触面很小，使得该滚轮无法带动棒线材向前移动。本申请的滚轮上的V型凹槽设计可以增大棒线材与滚轮的接触面和摩擦力，增强驱动力，防止棒线材在滚轮表面上打滑，停滞不前。

本发明的管式电阻热处理炉为多段组合式的管式加热炉；每段管式加热炉长5～6米；管式加热炉的段数和总长度根据生产效率（或年产能）要求来决定。段数越多，生产效率越高。每段热处理炉送料辊至少有3组，使相邻两个滚轮的间距要小于单根棒线材的长度，能使棒线材作纵向运动。

本发明的管式加热炉的炉管用耐热钢管制成；炉管14的外围，依次安装有电炉绝缘体层19、电炉加热体层20、电炉保温耐火材料层21和钢制炉壳22，能使炉管加热到所需的热处理（退火或时效）温度，约550℃-850℃，热处理测温元件23伸入炉管内，实时监测炉管内的炉温。

上料装置、热处理炉、冷却装置、及成品收集装置中的送料辊传送速度可调。本发明的上料装置的送料辊的转动速度、热处理炉的送料辊的转动速度和冷却装置中的送料辊转动速度优选相同；多辊矫直机的矫直速度等于或略大于上料装置的送料辊的转动速度；成品收集装置送料辊的传动速度等于或略大于多辊矫直机的矫直速度，以保证棒线材沿纵向协调、通畅地前进。

本发明还提供应用上述装置进行棒线材的热处理-矫直的方法，包括以下步骤：

（1）上料：将储存在上料装置的储料架上的所述棒线材逐根滑落至所述送料辊的送料滚轮上，送料辊的转动将位于其送料滚轮上的单根棒线材送入热处理炉；

（2）热处理：热处理炉允许单根棒线材通过其中心，热处理炉的送料辊的转动引导炉管的中央的送料滚轮上的棒线材，向冷却装置的方向移动；热处理炉对对棒线材进行升温及保温热处理，热处理温度约550℃-850℃，热处理测温元件实时监测炉管内的炉温；

（3）冷却：冷却装置利用压缩空气对通过热处理的棒线材进行强制冷却处理；通过调节压缩空气的流量，可控制棒线材的冷却速度和矫直前的温度；冷却测温元件实时监测所却装置内的温度;冷却装置的送料辊的转动将送料滚轮上的棒线材送入多辊矫直机；

（4）矫直：多辊矫直机对通过的棒线材进行精密矫直；

（5）成品收集：利用连接多辊矫直机和成品收集装置的送料辊将矫直后的棒线材送入成品收集装置的料框中；

送料辊、热处理炉、冷却装置和成品收集装置的送料辊的送料滚轮均在同一条直线上，滚轮的外表面向内凹进，呈V型凹槽，根据被传送的棒线材的尺寸，V型凹槽的最大宽度为20㎜，最大深度为10㎜，用于容纳棒线材，且每个V型凹槽每次仅限容纳φ5～20㎜的单根棒线材；

上料装置的送料辊的转动速度、热处理炉的送料辊的转动速度和冷却装置中的送料辊的转动速度相同；

多辊矫直机的传动速度等于或略大于上料装置的送料辊的转动速度；

成品收集装置的送料辊的传动速度等于或略大于多辊矫直机的矫直速度。

本发明具有以下优点：

1.连续化热处理，热处理效果好。每根棒线材依次通过热处理炉和冷却装置，所经历的升温、保温及冷却过程完全相同，热处理后的棒线材的端部和中间部分的组织与性能的一致性好；

2.智能化程度高。使用该装置，热处理和矫直的工艺参数可以自动记录、显示、存储和打印，工艺可控性与可追溯性好，各批产品的工艺重现性好，产品批次稳定性好。

3.设备全程自动化操作，工况环境好，劳动条件好，用人少，整个装置仅需1-2人操作。在批量很小，加料频次低（如小于20根/分）的情况下，可以采用人工加料；在加料频次较大时，宜用机器加料。

4.工艺灵活性好。可通过控制棒线材的移动速度来灵活的调节生产效率，适应不同批量生产的需要。

5.矫直效果好。可通过控制棒线材的冷却速度，使各根棒线材在最佳的温度范围内温矫，矫直后不会产生大的残余应力和回弹，使矫直棒线材保持很高的平直度,减少棒线材的磨削量，提高成材率。

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，包括顺序连接的、其工作面处于同一水平面上的上料装置、热处理炉、冷却装置、多辊矫直机和成品收集装置，其特征在于：

所述上料装置安装在所述热处理炉的进口端，包括储料架、架设在所述储料架上的储料平台以及架设在所述储料架上、低于所述储料平台的多根送料辊；所述送料辊垂直于所述棒线材的运动方向设置，所述送料辊的转动方向与所述棒线材的运动方向一致；所述送料辊的中央点略低于所述储料平台；位于所述储料平台上的棒线材自然滚动至所述送料辊的滚轮上，送料辊的转动将位于所述送料辊上的单根棒线材送入热处理炉；

所述热处理炉为管式电阻热处理炉，它允许单根棒线材通过其中心，对所述棒线材进行升温及保温热处理；所述管式电阻热处理炉的炉管的中下两侧每间隔一定距离对称地开有小洞，穿过每对小洞分别安装有送料辊；所述棒线材位于所述送料辊上且位于所述炉管的中心，所述送料辊的转动引导所述炉管中的棒线材向所述冷却装置的方向移动；

所述冷却装置安装在所述热处理炉的出口端，所述冷却装置为箱式结构，在靠近所述热处理炉的一端的箱壁上开有与进气管连通的进气口；在远离所述热处理炉的一端的箱壁上开有与出气管连通的出气口；压缩空气自所述进气管进入所述冷却装置，对经过热处理后的棒线材进行强制冷却后自所述出气管排出；所述冷却装置内、垂直于所述棒线材的运动方向设置多根送料辊；所述送料辊的转动方向与所述棒线材的运动方向一致；所述送料辊的转动将位于所述送料辊上的棒线材送入多辊矫直机；

所述多辊矫直机位于所述冷却装置的出口端,对所述棒线材进行精密矫直；

成品收集装置位于所述多辊矫直机的出口端,连接所述多辊矫直机和所述成品收集装置的送料辊将矫直后的棒线材送入成品收集装置的的出口端的料框中；

所述上料装置、所述热处理炉所述冷却装置和所述成品收集装置内的每根送料辊的中央分别套设一送料滚轮，所述送料滚轮位于同一直线上，所述送料滚轮的外表面向内凹进，呈V型凹槽，用于容纳单根棒线材。

2.根据权利要求1所述的用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，其特征在于：所述V型凹槽的最大宽度为20㎜，最大深度为10㎜。

3.根据权利要求1所述的用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，其特征在于：所述上料装置的送料辊的转动速度、所述热处理炉的送料辊的转动速度和所述冷却装置中的送料辊的转动速度相同；所述多辊矫直机的矫直速度等于或略大于所述上料装置的送料辊的转动速度；所述成品收集装置的送料辊的传动速度等于或略大于所述多辊矫直机的矫直速度。

4.根据权利要求1所述的用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，其特征在于：所述管式电阻热处理炉为多段组合式的管式加热炉；每段管式加热炉长5～6米；所述热处理炉传动辊至少有3根；相邻两根热处理炉的送料辊的间距要小于单根棒线材的长度。

5.根据权利要求4所述的用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，其特征在于：所述管式加热炉的炉管用耐热钢管制成；包围所述炉管的外周、由内向外依次安装有电炉绝缘体层、电炉加热体层、电炉保温耐火材料层和钢制炉壳。

6.根据权利要求5所述的用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，其特征在于：热处理测温元件自所述管式加热炉外伸入所述炉管内，实时监测所述炉管内的炉温。

7.根据权利要求6所述的用于棒线材生产过程中的热处理-矫直一体化装置，其特征在于：冷却测温元件自所述冷却装置外伸入所述箱式结构内，实时监测所述冷却装置内的温度。

8.应用权利要求1所述的装置进行棒线材的热处理-矫直的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）送料：将储存在上料装置的储料架上的所述棒线材逐根滚落至所述送料辊的送料滚轮上，送料滚轮将单根棒线材送入热处理炉；

（2）热处理：热处理炉允许单根棒线材通过其中心，热处理炉的送料辊的转动引导炉管中的位于送料辊的中央的送料滚轮上的棒线材向冷却装置的方向移动；热处理炉对对棒线材进行升温及保温热处理；热处理温度约550℃-850℃，热处理测温元件实时监测炉管内的炉温；

（3）冷却：利用压缩空气对通过冷却装置的经过热处理的棒线材进行强制冷却处理，通过调节压缩空气的流量，可控制棒线材的冷却速度和矫直前的温度；冷却测温元件实时监测冷却装置内的温度;冷却装置内的送料辊传动辊的转动将位于送料滚轮上的棒线材送入多辊矫直机；

（4）矫直：多辊矫直机对通过的棒线材进行精密矫直；

(5)成品收集：利用送料辊将矫直后的棒线材送入成品收集装置的出口端的料框中；

所述上料装置、热处理炉、冷却装置和成品收集装置内的送料辊的送料滚轮均在同一条直线上，送料滚轮的外表面向内凹进，呈V型凹槽，根据被传送的棒线材的尺寸，V型凹槽的最大宽度为20㎜，最大深度为10㎜，用于容纳棒线材，且每个V型凹槽每次仅限装入φ5～20㎜的单根棒线材；

所述的上料装置的送料辊的转动速度、热处理炉的送料辊的转动速度和冷却装置中的送料辊的转动速度相同；

多辊矫直机的的矫直速度等于或略大于上料装置的送料辊的转动速度；

成品收集装置的送料辊的传动速度等于或略大于所述多辊矫直机的矫直速度。

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