CN114015842B - 一种薄壁方管连续约束淬火装置 - Google Patents

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Abstract

一种薄壁方管连续约束淬火装置，包括纵向约束系统、横向约束系统、喷水系统，纵向约束系统由纵向约束辊组、纵向液压位移装置、辊道传动轴、传动电机及减速箱组成，伺服控制系统控制液压缸带动上纵向约束辊升降，实施恒位置闭环控制；横向约束系统结构与工作原理与纵向约束系统相似；喷水系统由大/小喷水单元、横移机构组成，依据方管规格自动切换水雾喷嘴；多组纵向/横向约束系统和喷水系统交替布置，对方管实施连续约束淬火。本发明解决了方管淬火过程变形大、淬火均匀性差、生产效率低等问题，实现按工艺路径柔性化淬火，多种冷却模式有利于实现方管组织性能调控，有效改善方管力学性能和服役性能。

Description

一种薄壁方管连续约束淬火装置
技术领域
本发明属于钢材热处理技术领域，涉及一种薄壁方管连续约束淬火装置。
背景技术
方型管材(简称方管)是一种边长相等的管材，通常由带钢经过平整、卷曲、焊接形成圆管，再轧制成方管。此类钢材广泛应用于机械化工、汽车、海工、结构制造等领域。对于某些特殊用途方管，因强韧性要求高、服役环境恶劣，对材料强度、韧塑性、硬度、耐蚀性等机械性能要求苛刻，需要经过淬火热处理，利用不同的加热制度和冷却制度来调控钢材组织和板形，得到更优异的性能。
目前国内外方管淬火普遍采用浸入式冷却方式，方管加热后通过专用机构转移至淬火池/淬火槽内淬火，通过池/槽内冷却水搅拌加速方管壁面对流，实现较快速冷却。这种淬火热处理方式存在如下缺点：①方管淬火冷速低，冷却水与方管壁面通过完整或间断的蒸汽膜传热，传热效率低；②方管淬火均匀性差，搅拌产生的水流速度在池内各处不一致，壁面蒸汽膜分布不均，导致方管壁面各处冷却强度分布不均；③方管淬火后畸变明显，水槽内无约束淬火无法抑制淬火畸变，不均匀冷却加剧方管不均匀淬火变形，甚至产生裂纹、开裂等问题；④方管淬火历程冷速可控性差，无法通过有效的壁面传热效率控制，实现材料温降-冷速-组织演变协同控制，进而更有效提升方管机械性能和服役性能。
现有专利中，中国专利申请(公开号CN112375879A)公开了一种矩形方管淬火处理系统，旨在解决现有淬火处理系统自动化程度低、处理效率低的问题。该专利为较简易方管淬火设计方案，方管运输形式、淬火喷嘴形式、淬火约束形式、淬火介质等与本发明区别很大。
中国专利申请(公开号CN112011672A)提出一种五金零件热处理淬火烘干系统，包括升落机构、夹持机构和淬火槽，用于高强度螺栓热处理。该专利采用水槽浸入式淬火方式，与本发明连续射流冷却从设备结构和工艺等方面区别很大。
中国专利申请(公告号CN107760837A)公开了一种多角度气淬装置，利用冷却室侧壁的出风口喷风，搅动冷却室内气流实现铝压铸件固溶处理快速冷却。该装置处理对象、冷却介质、设备结构、换热方式等与本发明存在根本性差别。
发明内容
针对现有高强薄壁方管淬火均匀性差、淬火过程可控性差、淬火后材料畸变严重、生产效率低等问题，本发明的目的是提供一种薄壁方管连续约束淬火装置，能满足此类钢材高均匀性、高精度、高效率淬火热处理。
本发明的技术方案是：
一种薄壁方管连续约束淬火装置，该装置包括纵向约束系统1、横向约束系统2、喷水系统3，在方管4横截面方向上，纵向约束系统1沿方管4上下表面垂直对称布置，横向约束系统2沿方管4左右侧面水平对称布置，喷水系统3沿方管4四周外侧与方管4同心布置；沿方管4长度方向上，一组纵向约束系统1、一组横向约束系统2、2组喷水系统3组成一个淬火单元5，二～四个淬火单元5依次沿方管4运动方向布置，最后一个淬火单元5后布置1组纵向约束系统1和一组横向约束系统2；装置与生产线通过运输辊道6相连，实现方管4连续淬火。
所述纵向约束系统1主要由纵向约束辊组7、纵向液压位移装置8、辊道传动轴9、传动电机10及减速箱11组成，下纵向约束辊12位置固定，用于承载并运输方管4，上纵向约束辊13上侧安装纵向液压位移装置8，通过伺服控制系统14控制液压缸15带动上纵向约束辊13垂直上下移动，用于调整上纵向约束辊13和下纵向约束辊12间辊缝，该辊缝方管外侧边长+1～4mm，伺服控制系统14控制方式为恒位置闭环控制；由传动电机10通过减速箱11连接辊道传动轴9，带动纵向约束辊组7按一定辊速转动，传动电机10采用变频矢量控制方式。
所述横向约束系统2主要由横向约束辊组16、横向液压位移装置17、辊道传动轴9、传动电机10及减速箱11组成，左横向约束辊18左侧、右横向约束辊19右侧分别安装横向液压位移装置17，通过伺服控制系统14控制液压缸15带动左横向约束辊18、右横向约束辊19水平移动，用于调整左横向约束辊18和右横向约束辊19间辊缝，该辊缝＝方管外侧边长+1～4mm，伺服控制系统14控制方式为恒位置闭环控制；由传动电机10通过减速箱11连接辊道传动轴9，带动横向约束辊组16按一定辊速转动，传动电机10采用变频矢量控制方式。
所述喷水系统3由大喷水单元20、小喷水单元21、横移机构22组成，大喷水单元20和小喷水单元21横向水平并列布置、结构相同，均由进气管路23、进水管路24、水雾喷嘴25、水冷腔26组成，大喷水单元20和小喷水单元21水雾喷嘴25喷水长度相差4～10mm，大喷水单元20和小喷水单元21安装在同一横移机构22上，当方管外侧边长＞小喷水单元21水雾喷嘴25喷水长度时，横移机构22侧面安装的液压缸15由伺服控制系统14控制伸长，将大喷水单元20定位于方管4同心轴线上，当方管外侧边长＜小喷水单元21水雾喷嘴25喷水长度时，横移机构22侧面安装的液压缸15由伺服控制系统14控制缩短，将小喷水单元21定位于方管4同心轴线上；四组水雾喷嘴25分别沿方管4外侧四周、与方管4壁面平行布置，冷却水由进水管路24进入水雾喷嘴25内部，水压0.5～5bar、水量5～15m3/h，压缩空气由进气管路23进入水雾喷嘴25内部，气压2～6bar、气量30～100m3/h，水/气在水雾喷嘴25内混合后由连续缝隙、垂直方管壁面喷出，缝隙宽度0.5～1.5mm，喷水系统3内每相邻两组水雾喷嘴25顶角布置水冷腔26，用于冷却喷水系统3。
本发明的有益效果：本发明薄壁方管连续约束淬火装置，采用液压伺服控制约束辊道限制方管横向、纵向淬火变形，适用于不同尺寸方管，控制精度高、约束效果好，能够实现方管高平直度淬火，淬火畸变≤2mm/m，达到国际最好水平。
本发明薄壁方管连续约束淬火装置，采用内置混合水雾喷嘴，实现方管四周管壁均匀温降，淬火均匀性好，生产效率高，能够实现薄壁方管高强均匀淬火。
本发明薄壁方管连续约束淬火装置，设计喷水单元横移机构，满足80～160mm外侧边长方管淬火温降需求，减小因水雾喷水距离变化产生的方管壁面换热系数剧烈波动，实现高效壁面换热。
本发明薄壁方管连续约束淬火装置，将多组淬火单元排列组合，通过控制每组淬火单元冷却强度实现方管柔性化淬火，便于直接淬火、控温淬火、控制冷却等冷却功能的实施，实现了淬火方式的多样化和复杂工艺路径的精确控制，有利于实现方管多相、多尺度组织性能调控，有效改善淬火后方管力学性能和服役性能。
附图说明
图1是本发明中的薄壁方管连续约束淬火装置布置图；
图2是本发明中的纵向约束系统结构示意图；
图3是本发明中的横向约束系统结构示意图；
图4是本发明中的喷水系统喷水单元结构示意图；
图5是本发明中的喷水系统大喷水单元、小喷水单元、横移机构工作原理图。
图中：1纵向约束系统；2横向约束系统；3喷水系统；4方管；5淬火单元；6运输辊道；7纵向约束辊组；8纵向液压位移装置；9辊道传动轴；10传动电机；11减速箱；12下纵向约束辊；13上纵向约束辊；14伺服控制系统；15液压缸；16横向约束辊组；17横向液压位移装置；18左横向约束辊；19右横向约束辊；20大喷水单元；21小喷水单元；22横移机构；23进气管路；24进水管路；25水雾喷嘴；26水冷腔
具体实施方式
选用外侧边长150mm、壁厚8mm耐磨钢方管为例，结合附图1-5，说明薄壁方管连续约束淬火装置具体实施方式。方管4淬火前，喷水系统3横移机构22侧面安装的液压缸15由伺服控制系统14控制伸长，将大喷水单元20定位于方管4同心轴线上、将小喷水单元21横向移出淬火区域。由前至后共开启5组喷水系统3大喷水单元20，压力2bar、水量40m3/h的冷却水由进水管路24进入喷水系统3大喷水单元20的4组水雾喷嘴25，压力4bar、气量240m3/h的压缩空气由进气管路23进入喷水系统3大喷水单元20的4组水雾喷嘴25，冷却水与压缩空气在水雾喷嘴25内混合由170mm宽连续缝隙喷出。纵向约束系统1中纵向约束辊组7由传动电机10带动减速箱11、辊道传动轴9，驱使所有下纵向约束辊12和上纵向约束辊13以0.32m/s辊道线速度正向转动，所有纵向液压位移装置8由伺服控制系统14控制液压缸15，将与其连接的上纵向约束辊13下移，直至上纵向约束辊13与下纵向约束辊12间辊缝为153mm，之后所有纵向液压位移装置8伺服控制系统14投入恒位置闭环控制模式。横向约束系统2中横向约束辊组16由传动电机10带动减速箱11、辊道传动轴9，驱使所有左横向约束辊18和右横向约束辊19以0.32m/s辊道线速度正向转动，所有横向液压位移装置17由伺服控制系统14控制液压缸15，将与其连接的左横向约束辊18右移、右横向约束辊19左移，直至左横向约束辊18与运输辊道6中心线距离76mm、右横向约束辊19与运输辊道6中心线距离76mm，之后所有横向液压位移装置17伺服控制系统14投入恒位置闭环控制模式。至此，淬火装置准备完毕。方管4加热后，由运输辊道6运入淬火装置，依次经过每个淬火单元5的纵向约束系统1、横向约束系统2和喷水系统3，完成淬火过程，之后由运输辊道6运出淬火装置。淬火完毕后，所有纵向约束辊组7、横向约束辊组16停止转动，冷却水和压缩空气停止供给，所有喷水系统水冷腔26通水冷却。至此薄壁方管连续约束淬火装置淬火完毕。

Claims (4)

1.一种薄壁方管连续约束淬火装置，其特征在于，该薄壁方管连续约束淬火装置包括纵向约束系统(1)、横向约束系统(2)、喷水系统(3)，在方管(4)横截面方向上，纵向约束系统(1)沿方管(4)上下表面垂直对称布置，横向约束系统(2)沿方管(4)左右侧面水平对称布置，喷水系统(3)沿方管(4)四周外侧与方管(4)同心布置；沿方管(4)长度方向上，一组纵向约束系统(1)、一组横向约束系统(2)、二组喷水系统(3)组成一个淬火单元(5)，二～四个淬火单元(5)依次沿方管(4)运动方向布置，最后一个淬火单元(5)后布置一组纵向约束系统(1)和一组横向约束系统(2)；薄壁方管连续约束淬火装置与生产线通过运输辊道(6)相连，实现方管(4)连续淬火；
喷水系统(3)由大喷水单元(20)、小喷水单元(21)、横移机构(22)组成，大喷水单元(20)和小喷水单元(21)横向水平并列布置、结构相同，均由进气管路(23)、进水管路(24)、水雾喷嘴(25)、水冷腔(26)组成，大喷水单元(20)和小喷水单元(21)安装在同一横移机构(22)上；
当方管外侧边长＞小喷水单元(21)水雾喷嘴(25)喷水长度时，横移机构(22)侧面安装的液压缸(15)由伺服控制系统(14)控制伸长，将大喷水单元(20)定位于方管(4)同心轴线上；当方管外侧边长＜小喷水单元(21)水雾喷嘴(25)喷水长度时，横移机构(22)侧面安装的液压缸(15)由伺服控制系统(14)控制缩短，将小喷水单元(21)定位于方管(4)同心轴线上。
2.如权利要求1所述的薄壁方管连续约束淬火装置，其特征在于，纵向约束系统(1)主要由纵向约束辊组(7)、纵向液压位移装置(8)、辊道传动轴(9)、传动电机(10)及减速箱(11)组成，下纵向约束辊(12)位置固定，用于承载并运输方管(4)，上纵向约束辊(13)上侧安装纵向液压位移装置(8)，通过伺服控制系统(14)控制液压缸(15)带动上纵向约束辊(13)垂直上下移动，用于调整上纵向约束辊(13)和下纵向约束辊(12)间辊缝，该辊缝方管外侧边长+1～4mm，伺服控制系统(14)控制方式为恒位置闭环控制；由传动电机(10)通过减速箱(11)连接辊道传动轴(9)，带动纵向约束辊组(7)按一定辊速转动，传动电机(10)采用变频矢量控制方式。
3.如权利要求1或2所述的薄壁方管连续约束淬火装置，其特征在于，横向约束系统(2)主要由横向约束辊组(16)、横向液压位移装置(17)、辊道传动轴(9)、传动电机(10)及减速箱(11)组成，左横向约束辊(18)左侧、右横向约束辊(19)右侧分别安装横向液压位移装置(17)，通过伺服控制系统(14)控制液压缸(15)带动左横向约束辊(18)、右横向约束辊(19)水平移动，用于调整左横向约束辊(18)和右横向约束辊(19)间辊缝，该辊缝＝方管外侧边长+1～4mm，伺服控制系统(14)控制方式为恒位置闭环控制；由传动电机(10)通过减速箱(11)连接辊道传动轴(9)，带动横向约束辊组(16)按一定辊速转动，传动电机(10)采用变频矢量控制方式。
4.如权利要求1或2所述的薄壁方管连续约束淬火装置，其特征在于，四组水雾喷嘴(25)分别沿方管(4)外侧四周、与方管(4)壁面平行布置，冷却水由进水管路(24)进入水雾喷嘴(25)内部，水压0.5～5bar、水量5～15m3/h，压缩空气由进气管路(23)进入水雾喷嘴(25)内部，气压2～6bar、气量30～100m3/h，水/气在水雾喷嘴(25)内混合后由连续缝隙、垂直方管壁面喷出，缝隙宽度0.5～1.5mm，喷水系统(3)内每相邻两组水雾喷嘴(25)顶角布置水冷腔(26)，用于冷却喷水系统(3)。
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