CN104805276B - 一种支承辊用整体感应加热温度控制方法 - Google Patents

Abstract

一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，将感应线圈分为5个分段，其中感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度在感应线圈中段的电流强度80％～120％之间，然后将支承辊整体加热，在加热过程中支承辊通过支撑件始终沿其轴线旋转，同时，在加热过程中支承辊通过支撑件沿其轴向往复窜动，整个加热过程分为使用大功率加热至接近辊身表面目标温度阶段和使用多个不同小功率进行保温阶段，总加热时间控制在90～240min之间，支承辊辊身表面轴向温差控制在±10℃以内。本发明使得工件的温度分布可以完全满足工艺的要求，且能获得理想的工件表面硬度层，另外本发明降低了生产成本，节能效果显著，清洁环保。

Description

一种支承辊用整体感应加热温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种金属加工领域中的温度控制方法，尤其涉及一种应用于钢铁加工领域中的轧制线上的支承辊的对其整体感应加热温度控制方法。

背景技术

目前，在钢铁生产领域中的轧制线的轧制过程中，其关键性零部件之一-支承辊对工作辊起到了支承作用，支承辊必须具有良好的刚度，且由于支承辊使用周期长，与工作辊或中间辊长时间滚动接触，辊面易产生磨损和加工硬化现象，所以支承辊的辊面材料必须具有较高的硬度、耐磨性和抗裂纹扩展能力，尤其是大型钢铁生产线上所使用的大直径支承辊更需要良好的工作性能，而为了提高关键性指标之一-辊面硬度需对支承辊进行热处理。

现有技术下对大直径支承辊的最终热处理工艺中一般采用差温淬火和整体感应淬火两种方式，这两种方法使得支承辊辊身表面一定深度奥氏体化而芯部仍保持在相变点温度以下，从而使辊身获得有效的硬度和淬硬层深度。目前，国内轧辊厂商基本都采用差温淬火工艺生产支承辊，整体感应淬火工艺是将辊身表面感应加热+辊身喷雾淬火再低温回火的工艺方法，其特点是加热时间短、加热温度均匀、加热层深，是增加淬硬层深度、提高辊身表面硬度及均匀性的有效方法。

而第二种整体感应淬火技术是国际上最先进的辊身表面淬火技术，其淬硬层深度及硬度均高于差温式淬火，现已开始逐步取代差温淬火。相比于差温式淬火，感应加热淬火热处理具有更加高效、节能、环保的优势，而感应加热又分为扫描式和整体式两类，其具体如下：

1.扫描式感应加热：线圈位置固定不动，工件从线圈内部慢速通过，并进入淬火工序。此时，工件上先加热的部分首先进行淬火热处理，而工件尾部处于初始温度状态，受热、应力和冷却传递的影响，很难获得稳定均一的硬度层；

2.整体式感应加热：工件整体位于线圈内部固定位置静止或做小幅往复运动，该技术首先使工件整体同时达到目标温度分布，然后又整体进行淬火冷却，因而可以获得稳定均匀的组织。但是这一技术同样也存在不足，即加热工件表面温度均匀性不高的问题。具体而言，即温度分布存在端部效应：当圆柱型工件置于感应加热线圈中时，无论工件高度和线圈高度如何选取，感应加热过程中工件端部位置的温度始终会出现一个非线性的分布。

为了解决整体式感应加热所存在的上述问题，虽然可以采用两套电源的方法来加以解决，但是同频率的两套电源之间往往存在相互干扰，无法启动的问题。而采用不同频率的两套电源时，则频率不同会带来肌肤深度的不同，造成工件上不同位置处的温度分布又完全不同。日本专利JPA2001297868采用的脉冲调幅变频电源的方法，虽然从描述可以解决上述两大问题，但实际应用后发现该专利仅针对扫描式淬火而言，对整体式感应加热淬火是否有效无法保证。

综上所述，现有技术下的整体感应淬火技术虽然已经慢慢取代差温淬火成为金属材料表面热处理的常规技术，但是作为大型大直径支承辊的整体感应加热，在技术上仍然存在很大难度，具体主要体现在：

1)径向上，对满足工艺要求的温度梯度分布的控制较为困难；

2)轴向上，温度分布的均匀性控制较为困难，即由于端部效应的存在，使端部温度分布存在非线性；

3)由于大型大直径支承辊体积庞大，因此达到目标温度所需的功率、加热时间均要远远高于常规感应加热，这对稳定、合理的工业化生产带来一定的风险。

故现有技术下的整体感应淬火技术对于加工大型大直径支承辊仍有不小的缺陷。

发明内容

为了解决现有技术下的整体感应淬火技术所存在的缺陷以及无法应对大型大直径支承辊的整体加热，而为了获得工艺所要求的温度分布，本发明提供了一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，其采用整体式感应加热淬火，通过在加热过程中对电源的输出功率进行控制，对线圈上的电流进行再分配，利用辊子的旋转和窜动，同时借助于温度监控等技术手段保证工件温度不偏离目标值，最终取得满足工艺要求的表面温度均匀性和径向梯度分布要求。本发明的具体方法如下所述：

一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，包括设置在感应线圈内进行整体加热的支承辊，该支承辊由支撑件支撑使其在加热过程中沿其轴线旋转和窜动，其特征在于：

1)将感应线圈分为感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈中段、感应线圈次下段和感应线圈下段这5个分段，其中感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度在感应线圈中段的电流强度80％～120％之间，其中，当辊身表面温度低于居里温度760℃时，感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度为感应线圈中段的电流强度110％～120％，而当辊身表面温度高于居里温度760℃时，感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度为感应线圈中段的电流强度80％～100％；

2)将支承辊整体加热，在加热过程中支承辊通过支撑件始终沿其轴线旋转，以提高辊身周向温度均匀性，同时，在加热过程中支承辊通过支撑件沿其轴向往复窜动，以提高轴向温度均匀性；

3)上述步骤2)的整个加热过程分为二个阶段，第一阶段为快速加热阶段，使用大功率加热至接近辊身表面目标温度，随后第二阶段为保温阶段，使用多个不同小功率进行保温，使辊身表面温度相对维持在目标温度附近，其中，第一阶段功率范围在1.5MW～3.5MW，而第二阶段功率范围在0.5MW～1.5MW，第一阶段和第二阶段的正常温度波动范围在±25℃以内；

4)加热总能量W满足：

式中：D为辊身直径，单位mm

L为辊身长度，单位mm

W为加热总能量，即加热系统有功功率与加热时间的乘积，单位MW·h；

5)为实现淬硬层深度和硬度要求，加热结束后辊身表面中点至内部径向温度分布，由于实际温度检测通常用热电偶方式，因此不可避免存在一定的测量误差，通常误差在±10℃以内，因此实际测量温度需满足如下所示的多项式关系：

T(x)＝-Ax⁴+Bx³-Cx²+Dx+T₀±10

其中：

2.8×10^-7≤A≤4.5×10^-7，无量纲

10^-4≤B≤2×10^-4，无量纲

2.10×10^-2≤C≤2.98×10^-2，无量纲

0.38≤D≤0.68，无量纲

920≤T₀≤1070，单位℃

x≤150，为径向位置，单位mm。

根据本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，其特征在于，所述的感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段这4个分段的长度均为感应线圈整体的10％，而感应线圈中段的长度为感应线圈整体的60％。

根据本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，其特征在于，所述的步骤2)的加热过程中支承辊通过支撑件始终沿其轴线旋转，其转速为0.5～2r/min，同时，在加热过程中支承辊通过支撑件沿其轴向往复窜动，其窜动距离≤200mm，窜动频率≤0.003Hz。

根据本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，其特征在于，所述的步骤1)至步骤5)中支承辊的目标温度分布的总加热时间控制在90～240min之间，其中，当第一阶段-快速加热阶段的功率为第二阶段-保温阶段平均功率2倍以上时，总加热时间控制在90～160min之间，而当第一阶段-快速加热阶段的功率为第二阶段-保温阶段平均功率2倍以下时，总加热时间控制在160～240min之间。

根据本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，其特征在于，所述的步骤1)至步骤5)的整体加热结束后将支承辊辊身表面的轴向温差控制在±10℃以内。

感应淬火工艺包括辊身表面感应加热、辊身喷雾淬火和低温回火等工艺方法，其中感应加热过程最为关键。为达到支承辊淬硬层深度和硬度要求，感应加热结束后，辊身轴向及径向温度分布均需满足一定的要求。为此，在加热过程中必须严格控制加热工艺参数，并且使加热结束后温度分布满足特殊工艺要求，从而最终可以取得理想的淬硬层深度和硬度。

使用本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法获得了如下有益效果：

1.本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，工件的温度分布可以完全满足工艺的要求，特别是在轴向的温度均匀性及径向上的梯度分布要求，从而为后续淬火等热处理工艺创造条件；

2.本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，获得理想的工件表面硬度层，即工件具有足够均匀的硬度和较好的淬硬层，可以保证高的耐磨性、抗剥落性和抗冲击性；

3.本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，利用感应加热进行热处理大大降低了生产成本，节能效果非常显著。同时生产中没有其他辅助材料的消耗和污染，清洁环保。

附图说明

图1为本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法具体实施结构图；

图2为本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法的加热结束后径向温度分布图。

图中：1-感应线圈，2-支承辊，3-支撑件，1a-感应线圈上段，1b-感应线圈次上段，1c-感应线圈中段，1d-感应线圈次下段，1e-感应线圈下段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法做进一步的描述。

如图1所示，一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，包括设置在感应线圈1内进行整体加热的支承辊2，该支承辊由支撑件3支撑使其在加热过程中沿其轴线旋转和窜动，其特征在于：

1)将感应线圈1分为感应线圈上段1a、感应线圈次上段1b、感应线圈中段1c、感应线圈次下段1d和感应线圈下段1e这5个分段，其中感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度在感应线圈中段的电流强度80％～120％之间，其中，当辊身表面温度低于居里温度760℃时，感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度为感应线圈中段的电流强度110％～120％，而当辊身表面温度高于居里温度760℃时，感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度为感应线圈中段的电流强度80％～100％；

2)将支承辊2整体加热，在加热过程中支承辊通过支撑件3始终沿其轴线旋转，以提高辊身周向温度均匀性，同时，在加热过程中支承辊通过支撑件沿其轴向往复窜动，以提高轴向温度均匀性；

3)上述步骤2)的整个加热过程分为二个阶段，第一阶段为快速加热阶段，使用大功率加热至接近辊身表面目标温度，随后第二阶段为保温阶段，使用多个不同小功率进行保温，使辊身表面温度相对维持在目标温度附近，其中，第一阶段功率范围在1.5MW～3.5MW，而第二阶段功率范围在0.5MW～1.5MW，第一阶段和第二阶段的正常温度波动范围在±25℃以内；

4)加热总能量W满足：

式中：D为辊身直径，单位mm

L为辊身长度，单位mm

W为加热总能量，即加热系统有功功率与加热时间的乘积，单位MW·h；

5)为实现淬硬层深度和硬度要求，加热结束后辊身表面中点至内部径向温度分布，由于实际温度检测通常用热电偶方式，因此不可避免存在一定的测量误差，通常误差在±10℃以内，因此实际测量温度需满足如下所示的多项式关系：

T(x)＝-Ax⁴+Bx³-Cx²+Dx+T₀±10

其中：

2.8×10^-7≤A≤4.5×10^-7，无量纲

10^-4≤B≤2×10^-4，无量纲

2.10×10^-2≤C≤2.98×10^-2，无量纲

0.38≤D≤0.68，无量纲

920≤T₀≤1070，单位℃

x≤150，为径向位置，单位mm。

感应线圈上段1a、感应线圈次上段1b、感应线圈次下段1d和感应线圈下段1e这4个分段的长度均为感应线圈1整体的10％，而感应线圈中段1c的长度为感应线圈整体的60％。

步骤2)的加热过程中支承辊2通过支撑件3始终沿其轴线旋转，其转速为0.5～2r/min，同时，在加热过程中支承辊通过支撑件沿其轴向往复窜动，其窜动距离≤200mm，窜动频率≤0.003Hz。

步骤1)至步骤5)中支承辊2的目标温度分布的总加热时间控制在90～240min之间，其中，当第一阶段-快速加热阶段的功率为第二阶段-保温阶段平均功率2倍以上时，总加热时间控制在90～160min之间，而当第一阶段-快速加热阶段的功率为第二阶段-保温阶段平均功率2倍以下时，总加热时间控制在160～240min之间。

步骤1)至步骤5)的整体加热结束后将支承辊2辊身表面的轴向温差控制在±10℃以内。

感应淬火工艺包括辊身表面感应加热、辊身喷雾淬火和低温回火等工艺方法，其中感应加热过程最为关键。为达到支承辊淬硬层深度和硬度要求，感应加热结束后，辊身轴向及径向温度分布均需满足一定的要求。为此，在加热过程中必须严格控制加热工艺参数，并且使加热结束后温度分布满足特殊工艺要求，从而最终可以取得理想的淬硬层深度和硬度。

实施例

本实施例中对规格为ф1000×1500mm的轧辊进行感应热处理，预热温度为400度，工件加热表面目标温度T_a为1050度。加热之前，利用仿真软件对加热过程进行模拟，计算所需要的加热功率、加热时间以及加热过程的馈电方式(加热过程中施加电流、频率的变化曲线，端部补偿方法等)。计算结果导入控制终端的控制模型中作为加热过程参数控制的依据，控制模型在加热过程中判断加热时间，如超过计算得出的所需加热时间则发出报警。轧辊在预热炉内预热至预热温度400后，经行车吊装至工位，确保与感应线圈在圆周方向的间隙尽可能均匀一致，工件辊身中心与线圈中心尽可能重合。

根据支承辊的实际规格，选择使用的加热线圈时，以加热间隙尽可能小为宜，并调整感应线圈1的高度至合适位置，将感应线圈分为5段，感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段这4个分段的长度均为感应线圈整体的10％，而感应线圈中段的长度为感应线圈整体的60％，在本实施例中即为，感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的总和长度为600mm左右，感应线圈中段为900mm左右，加热过程中控制感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段这4个分段的电流强度为感应线圈中段电流的90％。

本实施例中，为提高周向温度均匀性，加热过程中支承辊始终沿其轴线旋转，转速为1r/min；为提高轴向温度均匀性，加热过程中支承辊沿轴向往复窜动，窜动距离为100mm，窜动频率为0.0008Hz。

根据上述轧辊具体规格，可以计算选择加热总能量为：

本实施例中，总加热时间为100min。

整个加热阶段及保温阶段工件沿自身轴线做圆周运动，以提高其周向上表面温度均匀性。本实施例中，保温阶段结束后，工件最终的表面轴向上温度温差可以控制在+/-5℃以内，热电偶测量径向温度分布如下表1所示：

离开表面距离

离开表面距离

表1-辊身中心径向温度分布表

如图2所示，表1中温度分布控制在如下温度带范围以内：

T(x)＝-2.8×10^-7x⁴+2×10^-4x³-2.98×10^-2x²+0.4861x+T₀(965≤T₀≤980)

至此本实施例结束，相关数据符合标准，制得了具有足够均匀的硬度和较好的淬硬层，可以保证高的耐磨性、抗剥落性和抗冲击性的支承辊。

本发明的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，工件的温度分布可以完全满足工艺的要求，特别是在轴向的温度均匀性及径向上的梯度分布要求，从而为后续淬火等热处理工艺创造条件；本发明能获得理想的工件表面硬度层，即工件具有足够均匀的硬度和较好的淬硬层，可以保证高的耐磨性、抗剥落性和抗冲击性；本发明利用感应加热进行热处理大大降低了生产成本，节能效果非常显著，同时生产中没有其他辅助材料的消耗和污染，清洁环保。本发明适用于各种支承辊的对其整体感应加热领域。

Claims (5)

1.一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，包括设置在感应线圈(1)内进行整体加热的支承辊(2)，该支承辊由支撑件(3)支撑使其在加热过程中沿其轴线旋转和窜动，其特征在于：

1)将感应线圈(1)分为感应线圈上段(1a)、感应线圈次上段(1b)、感应线圈中段(1c)、感应线圈次下段(1d)和感应线圈下段(1e)这5个分段，其中感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度在感应线圈中段的电流强度80％～120％之间，其中，当辊身表面温度低于居里温度760℃时，感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度为感应线圈中段的电流强度110％～120％，而当辊身表面温度高于居里温度760℃时，感应线圈上段、感应线圈次上段、感应线圈次下段和感应线圈下段的电流强度为感应线圈中段的电流强度80％～100％；

2)将支承辊(2)整体加热，在加热过程中支承辊通过支撑件(3)始终沿其轴线旋转，以提高辊身周向温度均匀性，同时，在加热过程中支承辊通过支撑件沿其轴向往复窜动，以提高轴向温度均匀性；

3)上述步骤2)的整个加热过程分为二个阶段，第一阶段为快速加热阶段，使用大功率加热至接近辊身表面目标温度，随后第二阶段为保温阶段，使用多个不同小功率进行保温，使辊身表面温度相对维持在目标温度附近，其中，第一阶段功率范围在1.5MW～3.5MW，而第二阶段功率范围在0.5MW～1.5MW，第一阶段和第二阶段的正常温度波动范围在±25℃以内；

4)加热总能量W满足：

$2.4\×\frac{\mathrm{\π}\×D\×L}{{10}^7}\≤W\≤3.4\×\frac{\mathrm{\π}\×D\×L}{{10}^7}$

式中：D为辊身直径，单位mm

L为辊身长度，单位mm

W为加热总能量，即加热系统有功功率与加热时间的乘积，单位MW·h；

5)为实现淬硬层深度和硬度要求，加热结束后辊身表面中点至内部径向温度分布，由于实际温度检测通常用热电偶方式，因此不可避免存在一定的测量误差，通常误差在±10℃以内，因此实际测量温度需满足如下所示的多项式关系：

T(x)＝-Ax⁴+Bx³-Cx²+Dx+T₀±10

其中：

2.8×10^-7≤A≤4.5×10^-7，无量纲

10^-4≤B≤2×10^-4，无量纲

2.10×10^-2≤C≤2.98×10^-2，无量纲

0.38≤D≤0.68，无量纲

920≤T₀≤1070，单位℃

x≤150，为径向位置，单位mm。

2.如权利要求1所述的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，其特征在于，所述的感应线圈上段(1a)、感应线圈次上段(1b)、感应线圈次下段(1d)和感应线圈下段(1e)这4个分段的长度均为感应线圈(1)整体的10％，而感应线圈中段(1c)的长度为感应线圈整体的60％。

3.如权利要求1所述的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，其特征在于，所述的步骤2)的加热过程中支承辊(2)通过支撑件(3)始终沿其轴线旋转，其转速为0.5～2r/min，同时，在加热过程中支承辊通过支撑件沿其轴向往复窜动，其窜动距离≤200mm，窜动频率≤0.003Hz。

4.如权利要求1所述的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，其特征在于，所述的步骤1)至步骤5)中支承辊(2)的目标温度分布的总加热时间控制在90～240min之间，其中，当第一阶段-快速加热阶段的功率为第二阶段-保温阶段平均功率2倍以上时，总加热时间控制在90～160min之间，而当第一阶段-快速加热阶段的功率为第二阶段-保温阶段平均功率2倍以下时，总加热时间控制在160～240min之间。

5.如权利要求1所述的一种支承辊用整体感应加热温度控制方法，其特征在于，所述的步骤1)至步骤5)的整体加热结束后将支承辊(2)辊身表面的轴向温差控制在±10℃以内。