CN106967940A - 一种制备弧形异形钢的方法及装置 - Google Patents

一种制备弧形异形钢的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种制备弧形异形钢的方法及装置，通过异型钢表面浸镀上一层含有稀土等微量元素的铝镀层，经磁场下热处理使铝镀层与异型钢间的界面合金化，再对获得的异型钢表面经喷丸强化处理，然后将表面强化处理过的异型钢直接经冷弯成型而得到隧道桥梁等特殊领域用弧形工字钢。本发明采用电磁搅拌可以使异型钢表面与浸镀液充分接触，同时可以使浸镀液比较均匀分布防止产生偏析，然后将带有铝镀层的异型钢进行磁场下热处理，通过表面形成热浸镀层和喷丸强化处理，获得力学性能优良的隧道桥梁等特殊领域用弧形异型钢。本发明操作简单,成本低廉，成材率高，可连续制备出力学性能优良的隧道桥梁等特殊领域用弧形异型钢。属于冶金技术与材料科学领域。

Description

一种制备弧形异形钢的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种制备具有隧道桥梁等特殊领域用弧形的工字钢的方法及其装置。属于冶金技术与材料科学领域。
背景技术
异形钢特别是工字钢广泛用于建筑、隧道、桥梁等领域，市场前景非常好。而生产隧道、桥梁等特殊领域拱形顶部用的弧形异形钢，一般对异形钢钢均直接采用冷弯工艺而获得弧形工字钢，但是由于工字钢的脆性，在冷弯的过程中容易产生开裂现象，显著降低了弧形异型钢产品的成材率。目前一般采用焊接制品替代，而很少直接采用冷弯工艺制备，因此，很难采用冷弯工艺制备出合格的隧道桥梁等领域用特殊要求的弧形异形钢。因此，开发廉价高效的高隧道桥梁等特殊领域用异形钢的制备方法仍然是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种制备隧道桥梁领域用弧形工字钢的方法及装置，首先，在工字钢进行表面处理，浸镀上一层其他金属层，改变异型钢表面的受力状态；然后对异形钢进行表面强化处理，植入一定的压应力，进一步降低在冷弯过程开裂的趋势，可实现长尺寸、连续操作，操作简单，因而可以大幅度降低制备成本。
为达到上述目的，将异形钢通入含有一定稀土等微量组分铝熔液中，在异型钢表面上浸镀上一层带铝镀层，再经过热处理与异型钢表面形成一层合金化层，达到改性异型钢表面的力学状态的作用，然后再进一步对改性异型钢表面进行强化处理，如滚压、激光脉冲、喷丸等处理，进一步降低在冷弯过程开裂行为的趋势，防止然后在后续冷弯过程中出现开裂行为。在浸镀的过程中，为了让异形钢表面充分浸镀上一层铝镀层，在浸镀的过程中，采用电磁振荡，使铝液及微量稀土等元素均匀分布，同时让异型钢的表面与铝液充分接触，并初步形成合金化层。然后将浸镀上的一层铝镀层进过热处理，使得异形钢表层铁与铝、稀土表面合金化层，施加磁场能能促进铝、铁、稀土等元素之间的扩散作用，同时还可以调解改善铁、铝、稀土层的显微组织，从而改善异形钢表面的力学状态，减轻在后续冷弯工艺出现开裂倾向。同时，对获得表面具有铝-稀土-铁层的工字钢进行冷弯工艺的外表面进行表面强化处理，植入一定的压应力，进一步减小甚至完全消除工字钢在冷弯过程中出现的开裂行为。从而获得力学性能优良的隧道桥梁等特殊领域用弧形异形钢。
基于上述构思，拟采用这样一种制备弧形异形钢的方法，包括如下步骤：
(a) 对出炉后异型钢进行喷丸处理，清除异型钢表面氧化层；
(b) 热浸镀过程：将表面除氧化层的异型钢通入加有铝熔液的浸镀熔池中，铝熔液中加入有稀土元素，开启电磁振荡，使得异型钢表面与浸镀液充分接触，并初步在异型钢表面形成一层合金化层；
(c) 热处理：将表面具有稀土-铝层的异型钢通入热处理炉中，进行扩散处理，使得异型钢与浸镀层界面处形成一层合金层；
(d) 异型钢表面强化工艺处理：采用表面强化工艺对异型钢进行表面强化处理，植入一定的压应力，有利于降低甚至消除在后续冷弯过程出现开裂行为；
(e) 冷弯工艺：对表面强化后的异型钢进行一定曲率冷弯处理，从而获得力学性能优异的弧形异型钢。
前述方法中，铝熔液中加入占总熔体质量的0.01~5wt%的稀土元素，不仅可以改善熔液的流动性，还可以显著增加异形钢铝耐腐蚀性能；
前述方法中，热浸镀前，将高纯铝锭、铈和锌按质量比100：0.2:1加入到浸镀熔池中，常把纯度（铝含量）大于99.8%的纯铝叫做高纯铝，控制温度在750±25℃，形成铝熔液；
前述方法中，所述表面强化工艺为滚压、激光脉冲或喷丸。
本发明还提供一种制备弧形异形钢的装置，包括用于传送原异型钢的传送辊，原异型钢的传送路径上依次设置有喷丸机、热浸镀池、热处理炉、表面强化装置和冷弯机，热处理炉对应设置有磁场发生器、磁场发生器作用于热处理炉的热处理区。
前述装置中，所述热浸镀池对应设置有电磁振荡装置，所述喷丸机和热处理炉分别设置于热浸镀池相对的两侧，且所述热浸镀池相对的两侧均设置有电磁封阀，运用电磁封阀技术，能成功通过热浸镀铝法制备异形钢，由于无需采用沉没辊，提高了液态熔液纯净度，从而大大减小了有害元素对最终样品力学性能的影响；
前述装置中还包括有热处理室，所述热处理炉设置于热处理室内，所述表面强化装置设置于热处理室的外侧，表面强化装置为辊压机、喷丸机或激光脉冲装置，进行热处理的时候，利用热浸镀过程产生的余热作为样品后续热处理的辅助热源，可以节约能量。
与现有技术相比，本发明的优势如下：
1）在浸镀过程中加电磁振荡，使异型钢与浸镀液可以充分接触，同时可以让金属液组分均匀分布，可以显著降低成分偏析。
2）在异型钢表面首先形成一层浸镀铝层后，不行可以显著改善异型钢表面力学性能；同时还可以显著提成异型钢的耐蚀性能。
3）由于运用了电磁封阀技术，能成功通过热浸镀铝法制备在异形钢表面形成一层合金化层，由于无需采用沉没辊，提高了液态熔液纯净度，从而大大减小了有害元素对最终样品力学性能的影响。
4）在异型钢钢液中添加了稀土等微量元素，对钢液中杂质进行改性，可以显著降低应力集中。在铝熔液中加入了占总熔体质量的0.01~5wt%的稀土等其他元素，不仅可以改善熔液的粘度，还可以显著增加铝镀层的耐腐蚀性能和力学性能。
5）在进行热处理的时候，可以运用热浸镀过程的余热作为对样品进行热处理的辅助热源，节约能量。
6）在异型钢表面表面进行喷丸强化处理，植入一定的压应力，减弱冷弯过程中的开裂行为。
7）该方法能够进行大规模连续操作，本方法操作简单，能耗低，显著降低生产成本。
附图说明
图1是本发明所述弧形异形钢连续制备的实施装置简图；
其中，附图标记1表示传送辊，2表示喷丸机，3表示热浸镀池，4表示热处理炉，5表示表面强化装置，6表示冷弯机，7表示磁场发生器，8表示电磁振荡装置，9表示电磁封阀，10表示热处理室，11表示异形钢。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将通过附图对发明作进一步地详细描述。
实施例：
参见图1，本实施例提供一种制备弧形异形钢的装置，包括用于传送原异型钢的传送辊1，原异型钢的传送路径上依次设置有喷丸机2、热浸镀池3、热处理炉4、表面强化装置5和冷弯机6，热处理炉4对应设置有磁场发生器7、磁场发生器7作用于热处理炉4的热处理区，所述热浸镀池3对应设置有电磁振荡装置8，所述喷丸机2和热处理炉4分别设置于热浸镀池3相对的两侧，且所述热浸镀池3相对的两侧均设置有电磁封阀9，所述热处理炉4设置于热处理室10内，所述表面强化装置5设置于热处理室10的外侧，表面强化装置5为辊压机、喷丸机或激光脉冲装置。
利用上述装置制备弧形异形钢的方法如下：
(a) 对出炉后异型钢进行喷丸处理，清除异型钢表面氧化层；
(b) 热浸镀过程：将表面除氧化层的异型钢通入加有铝熔液的浸镀熔池中，铝熔液中含有稀土元素，开启电磁振荡，使得异型钢表面与浸镀液充分接触，并初步在异型钢表面形成一层合金化层，热浸镀前，将高纯铝锭、铈和锌按质量比100：0.2:1加入到浸镀熔池中，常把纯度（铝含量）大于99.8%的纯铝叫做高纯铝，控制温度在750±25℃，形成铝熔液；
(c) 热处理：将表面具有稀土-铝层的异型钢通入热处理炉中，进行扩散处理，使得异型钢与浸镀层界面处形成一层合金层；
(d) 异型钢表面强化工艺处理：采用喷丸对异型钢进行表面强化处理，植入一定的压应力，有利于降低甚至消除在后续冷弯过程出现开裂行为；
(e) 冷弯工艺：对表面强化后的异型钢进行一定曲率冷弯处理，从而获得力学性能优异的弧形异型钢。
其具体过程为：将100kg的高纯铝锭和0.2kg铈、1kg锌加入到热浸镀池3，控制温度在750±25℃，利用喷丸机2对异型钢进行去除氧化皮，同时开启传送辊1和电磁封阀9，使异型钢快速通过热浸镀池3，异型钢采用采用尺寸为100×63×4.5的Q235工字钢，传输速度控制为12m/min中，在熔液粘度下在工字钢钢表面覆盖上一层铝镀层，即可获得表面质量好镀层厚度比较均匀约5μm的铝镀层，然后传送到通有氩气保护气体的热处理炉4中，增加工字钢基体与铝镀层结合力，热处理温度为520℃中保持0.5 h，然后得到含稀土铈铝镀层的耐蚀性优良的工字钢，再经过表面强化装置5对异型钢外表面进行表面处理，在其表层植入一定的压应力，然后在经过冷弯机6进行冷弯处理，从而得到弧形异型钢，制备弧形异型钢的成材率可以达到99%以上。

Claims (7)

1.一种制备弧形异形钢的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a) 对出炉后异型钢进行喷丸处理，清除异型钢表面氧化层；
(b) 热浸镀过程：将表面除氧化层的异型钢通入加有铝熔液的浸镀熔池中，铝熔液中含有稀土元素，开启电磁振荡，使得异型钢表面与浸镀液充分接触，并初步在异型钢表面形成一层合金化层；
(c) 热处理：将表面具有稀土-铝层的异型钢通入热处理炉中，进行扩散处理，使得异型钢与浸镀层界面处形成一层合金层；
(d) 异型钢表面强化工艺处理：采用表面强化工艺对异型钢进行表面强化处理；
(e) 冷弯工艺：对表面强化后的异型钢进行冷弯处理，得到所需弧形异型钢。
2.根据权利要求1所述一种制备弧形异形钢的方法，其特征在于：铝熔液中加入占总熔体质量的0.01~5wt%的稀土元素。
3.根据权利要求2所述一种制备弧形异形钢的方法，其特征在于：热浸镀前，将高纯铝锭、铈和锌按质量比100：0.2:1加入到浸镀熔池中，控制温度在750±25℃，形成铝熔液。
4.根据权利要求1所述一种制备弧形异形钢的方法，其特征在于：所述表面强化工艺为滚压、激光脉冲或喷丸。
5.一种制备弧形异形钢的装置，其特征在于：包括用于传送原异型钢的传送辊（1），原异型钢的传送路径上依次设置有喷丸机（2）、热浸镀池（3）、热处理炉（4）、表面强化装置（5）和冷弯机（6），热处理炉（4）对应设置有磁场发生器（7）、磁场发生器（7）作用于热处理炉（4）的热处理区。
6.根据权利要求5所述一种制备弧形异形钢的装置，其特征在于：所述热浸镀池（3）对应设置有电磁振荡装置（8），所述喷丸机（2）和热处理炉（4）分别设置于热浸镀池（3）相对的两侧，且所述热浸镀池（3）相对的两侧均设置有电磁封阀（9）。
7.根据权利要求5所述一种制备弧形异形钢的装置，其特征在于：还包括有热处理室（10），所述热处理炉（4）设置于热处理室（10）内，所述表面强化装置（5）设置于热处理室（10）的外侧，表面强化装置（5）为辊压机、喷丸机或激光脉冲装置。
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