CN109593941A - 一种钢轨感应正火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钢轨感应正火方法，该方法将感应加热技术应用到轨道的无缝焊接的正火过程中，先进行中频感应加热至正火火温度840‑880℃，并保温8‑10分钟，然后利用设计的一种新型的感应线圈，再感应线圈中通入冷水对感应加热后的钢轨进行水冷，使钢轨的整体进行水冷降温，最后待钢轨温度降至445‑455℃时自然冷却至室温。与现有技术相比，本发明通过对感应加热在轨道焊接正火中的应用，减少了原有技术中的环境污染问题，且有效提高了加热速度与加热效率，大大减少了整个正火过程的时间，满足易于实现自动化的需求。

Description

一种钢轨感应正火方法
技术领域
本发明涉及轨道焊接和电磁感应加热技术领域，尤其是涉及一种钢轨感应正火方法。
背景技术
正火是—种改善钢材韧性的热处理，即将工件加热到临界温度Ac或Accm以上30-50℃后，保温一段时间出炉空冷。其中，Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度，Accm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线。保温适当时间后，在静止的空气中冷却达到完全奥氏体化后的金属热处理工艺，正火的主要目在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，降低材料的硬度，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织，提高焊件的可靠性和寿命。现有的正火处理方法对钢轨表面加热不够充分，对钢轨存在端部效应的影响，且容易对其他部位的母材性质产生影响。此外，正火处理各部位受热不均，能效转化较低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种加热充分、时间短、能效转化高的钢轨感应正火方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种钢轨感应正火方法，该方法包括下列步骤：
S1：将钢轨固定，加入改进的感应线圈，并将感应线圈接入中高频发生器电源，通入交流电进行加热，加热至指定温度后进行保温。
其中，加热通入的电流为中频为1.5～3.0kHz的交流电流。优选加热通入的电流为中频为2.5kHz的交流电流；加热的指定温度为840-880℃；保温的时长为8～10分钟。
改进的感应线圈为一种开合式水冷钢轨感应正火线圈，开合式水冷钢轨感应正火线圈与中高频发生器电源、冷却水箱采用四根水冷软连接电缆连接。此外，该线圈的形状与钢轨自身形状相同，该线圈顶部延伸处安装有用以将两根线圈固定在一起的限位装置，两根线圈固定后与供水、供电系统连接。
优选地，改进的感应线圈的工作线圈长度为690mm，铜管宽度为17mm，铜管厚度为12mm，铜管的外侧缠绕绝缘耐高温布保护线圈，两根铜管并联的宽度为35mm。开合式水冷钢轨感应正火线圈的工作距离为轨顶长度为10mm、轨腰长度为15mm、轨底角宽度为18mm、轨底长度为18mm。钢轨外设有绝缘耐高温布。
S2：连接冷却水箱至改进的感应线圈，通入冷水至感应线圈，对钢轨进行覆盖式水冷降温，控制冷却速度。
S3：当步骤S2中的钢轨温度降低至445～455℃时停止冷却控制，将钢轨自然冷却至室温。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明方法将感应加热这个加热速度快，加热效率高，环境友好型以及易于实现自动化等突出特点的技术应用于正火处理中，通过中频感应加热温度升至840～880℃正火热处理的合理温度范围，所使用的开合式水冷钢轨感应正火线圈其形状仿造钢轨本身的形状，线圈工作长度为690mm，铜管宽度为17mm，铜管厚度为12mm，铜管的外侧缠绕绝缘耐高温布保护线圈，两根铜管并联的宽度为35mm，通过以上线圈参数的设计，使得通入的2.5kHz的交流电流在线圈周围产生透入钢轨中的感应磁场强度集中分布于钢轨表面，使得钢轨表面产生的涡流的集肤效果更加明显，铜管的宽度与厚度的选择既满足了对钢轨的降温，又不妨碍正常的感应加热进行，从而充分对钢轨表面进行加热，减小了端部效应的影响，并且还可以实时通入冷水对线圈与钢轨焊缝进行及时降温，线圈的宽度充分考虑焊接热影响区宽度；
二、本发明仅对热影响区实施正火，不对其他部位母材性质产生影响，本发明在钢轨上加入改进的开合式水冷钢轨感应正火线圈，在感应线圈中通入冷水对感应加热后的钢轨进行水冷，使钢轨的整体进行水冷降温，最后待钢轨温度降至445-455℃时自然冷却至室温，线圈仿形钢轨异型断面，各部位受热均匀，加热时间短，能效转化高；
三、本发明方法将线圈内通水进行循环降温，可进一步延长线圈寿命；
四、本发明方法所利用的开合式水冷钢轨感应正火线圈能满足固定、移动场所，高架、隧道内环境，地铁、国铁领域的应用，满足易于实现自动化的需求。
附图说明
图1为本发明一种钢轨感应正火方法的流程示意图；
图2为本发明方法中开合式水冷钢轨感应正火线圈的截面示意图；
图2中标号所示：
1、限位装置，2、铜管，3、钢轨，4、感应线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种钢轨感应正火方法，具体包括以下步骤：
步骤一、由于在实际的感应加热中，加热温度较高，频繁的对温度进行测量是无法实现的，所以选用数学模拟的方法对钢轨中频感应加热进行模拟，通过对钢轨的建模和通入电流为2×107A/m3，电流频率为2.5kHz时所模拟出的温度值与实际温度值相差不超过3％，证明数学模拟可信度极高。
步骤二、通过数学模拟得到最适合钢轨感应加热淬火的通入电流密度、电流频率以及感应线圈与钢轨之间的间距。
综合考虑轨道上端与下端的温度差，保证这个温度差尽量小，为下一步的正火冷却提供便利的情况下，得到最佳的接入电流密度为3.5×107A/m3。
随着频率的增大，钢轨的集肤深度降低，使热量更加趋于表面，致使表面温度上升较快，而内部温度会上升较慢，综合考虑集肤深度的要求，得到最佳的电流频率为2.5kHz。
随着间距的增加，使钢轨与感应线圈之间的空气缝隙逐渐增加，导致感应磁力线逸散损耗大大增加，温度逐渐减小，综合考虑尽量减小端部效应，得到最佳的开合式水冷钢轨感应正火线圈与钢轨之间的间距为20mm。
通过得到的各个热工艺参数的最佳设置值，对整个感应加热正火过程进行重新模拟，得到正火温度为857℃。
步骤三、待步骤二结束后，将钢轨进行温度冷却。具体内容为：
将设计的改进的感应线圈与循环水箱连接，使用无杂质的纯净冷水进行降温，避免水锈沉积缩短线圈寿命，利用冷水对钢轨3的整体进行水冷，控制冷却速度为8-10℃/s。
改进的感应线圈为一种开合式水冷钢轨感应正火线圈，开合式水冷钢轨感应正火线圈与中高频发生器电源、冷却水箱采用四根水冷软连接电缆连接。该线圈的顶部延伸处安装有用以将两根线圈固定在一起的限位装置1，两根感应线圈4固定后与供水、供电系统连接。感应线圈4的工作线圈长度为690mm，铜管2的宽度为17mm，铜管2的厚度为12mm，铜管2的外侧缠绕绝缘耐高温布保护线圈，两根铜管2并联的宽度为35mm。
步骤四、将步骤三中正火后的钢轨温度降至457℃时自然冷却至室温。
本实施例通过实际实验对本发明方法得到的正火过程与传统的正火过程相比做进一步说明。
为了验证本发明提供的轨道感应加热正火方法的使用程度，本实施例与传统的正火方式加热炉反复加热进行对比。该正火方法用高温对加热介质反复加热，达到正火所需要的温度，再将要热处理的钢轨放入正火液里进行降温。本发明的钢轨感应加热正火方法与传统的钢轨正火方法对比如表1所示：
表1正火过程对比
由表1对比可以看出，本发明方法得到的感应正火过程时间大大减少，钢轨韧性程度更高，且对环境无污染，不释放有害气体，传统正火能达到正火所需温度，而本发明方法的感应加热的加热效率更高，正火速度快，易于实现自动化，表明本发明方法更加适合轨道正火过程。
本发明通过中频感应加热温度升至840～880℃正火热处理的合理温度范围，此外，所设计的开合式水冷钢轨感应正火线圈其形状仿造钢轨本身的形状，线圈工作长度为690mm，铜管宽度为17mm，铜管厚度为12mm，铜管的外侧缠绕绝缘耐高温布保护线圈，两根铜管并联的宽度为35mm。通过改进的线圈参数，使得通入的2.5kHz的交流电流在线圈周围产生透入钢轨中的感应磁场强度集中分布于钢轨表面，使得钢轨表面产生的涡流的集肤效果更加明显，铜管的宽度与厚度的选择既满足了对钢轨的降温，又不妨碍正常的感应加热进行，从而充分对钢轨表面进行加热，减小了端部效应的影响，并且还可以实时通入冷水对线圈与钢轨焊缝进行及时降温，加热稳定速度快且受热均匀。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种钢轨感应正火方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)将钢轨固定，加入改进的感应线圈，并将感应线圈接入中高频发生器电源，通入交流电进行加热，加热至指定温度后进行保温；
2)连接冷却水箱至改进的感应线圈，通入冷水至感应线圈，对钢轨进行覆盖式水冷降温，控制冷却速度；
3)待步骤2)中的钢轨温度降低至445～455℃时停止冷却控制，将钢轨自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种钢轨感应正火方法，其特征在于，所述的改进的感应线圈为一种开合式水冷钢轨感应正火线圈，该线圈的形状与钢轨自身形状相同，该线圈顶部延伸处安装有用以将两根线圈固定在一起的限位装置，两根线圈固定后与供水、供电系统连接。
3.根据权利要求2所述的一种钢轨感应正火方法，其特征在于，所述的改进的感应线圈的工作线圈长度为690mm，铜管宽度为17mm，铜管厚度为12mm，铜管的外侧缠绕绝缘耐高温布保护线圈，两根铜管并联的宽度为35mm。
4.根据权利要求3所述的一种钢轨感应正火方法，其特征在于，开合式水冷钢轨感应正火线圈与中高频发生器电源、冷却水箱采用四根水冷软连接电缆连接。
5.根据权利要求1所述的一种钢轨感应正火方法，其特征在于，步骤1)中，加热通入的电流为中频为1.5～3.0kHz的交流电流。
6.根据权利要求5所述的一种钢轨感应正火方法，其特征在于，步骤1)中，加热通入的电流为中频为2.5kHz的交流电流。
7.根据权利要求5所述的一种钢轨感应正火方法，其特征在于，步骤1)中，加热的指定温度为840-880℃。
8.根据权利要求5所述的一种钢轨感应正火方法，其特征在于，步骤1)中保温的时长为8～10分钟。
9.根据权利要求4所述的一种钢轨感应正火方法，其特征在于，开合式水冷钢轨感应正火线圈的工作距离为轨顶长度为10mm、轨腰长度为15mm、轨底角宽度为18mm、轨底长度为18mm。
10.根据权利要求4所述的一种钢轨感应正火方法，其特征在于，钢轨外设有绝缘耐高温布。
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