CN1192476A - 加热和冷却非调质钢的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种加热和冷却非调质钢的方法及其设备。在加热炉15中将非调质钢加热到1150℃～1300℃的温度范围内,再经过热锻加工,从而制成了锻件3。在锻件3用传送带1送到冷却室10过程中,锻件3的温度控制到1000℃以下的温度。锻件3的冷却在这样的状态下进行:锻件3的冷速由中央处理器控制。结果,在锻件3经过冷却室10的过程中,锻件3的温度梯度保持在设定的温度梯度。

Description

加热和冷却非调质钢的方法及其设备

本发明一种加热和冷却非调质钢的方法及其设备。特别是这样一种加热和冷却非调质钢的方法及设备，它通过控制热锻后的锻件的冷却速度，而不需要附加热处理组织细化工艺，就可实现非调质钢具有调质钢一样高的所需强度。

为增进机器零件的强度和韧性，通常进行组织细化热处理。自本世纪70年代，世界两次石油危机以来，工业先进国家，趋向于发展节能钢材作为主要指标。近年来，由于石油价格上升和环境保护的要求，世界所有国家都深切感受到发展节能钢材的必要性。

在表1中给出了锻件的制造过程。

表1

A：调质钢	切割下料→加热→锻造→修整清理→→空冷→正火→热处理组织细化→加工
		B：非调质钢	切割下料→加热→锻造→修整清理→控制冷却→加工

如表1所述，工艺A是用调质钢作原料生产锻件的过程。工艺B是用非调质钢作原料生成锻件的过程。

图1表示中碳调质钢的热处理工艺，但没表示出其锻造工艺和正火工艺，图2 A表示中碳非调质钢的锻造工艺和控制冷却工艺。

非调质钢锻件的制造工艺，存在下述一些优点：

首先，由于锻件冷却后不需要组织细化热处理，可消除组织细化热处理带来的耗费，并缩短锻件生产的时间。

第二，由于锻件冷却后，不需要对其进行组织细化热处理，不必燃烧石油或耗费电能来产生上述所需能量。因而，减少了环境污染物如SO₂，CO₂的排放。

第三，由于为了锻造非调质钢而控制加热温度或冷却温度，从而减少了质量低劣的成因如脱碳，进而减少了质量低劣。

最后，这种工艺可消除热锻过程中的非平衡冷却导致的相变和残余应力的影响。

尽管，非调质钢具有上述优点，但非调质钢并不常用作锻件原料。换句话说，由于利用现有锻造工艺和锻造设备，不能获得与调质钢相同的质量或机械性能如高韧性，并不常用非调质钢作为锻件原料。

日本公开的专利申请No.55-158218公开了一种锻造中碳非调质钢制造曲轴的技术。然而，这个专利申请仅公布了以50℃/min的速度冷却非调质钢的方法，没公布锻造非调质钢的具体方法。

另外，日本公开的专利申请No.58-177414公开了一种锻造非调质钢的具体设备。在这种设备中在送运非调质钢件的传送带上方某处安装着用于喷水或喷气的多叉喷嘴。然而，上述设备不包含以来自运算器的温度值为基础的控制冷却速率的装置。因而，设备操作员通过测量经过可调冷却室的锻件的温度而调整传送机的速度，来控制冷却速度。因此，设备的响应速度慢。而且，若锻件温度不均，则冷却室中冷速就变化。

在700℃～1000℃温度范围内，非调质钢的冷速线性变化，并有一定的冷却速度。图2B表示中碳非调质钢的冷却速率。

参照图2B，在700℃～600℃温度范围内，非调质钢发生相变。因而，非调质钢的热传导率变化，相应地其冷却速率变化。并且，由于非调质钢冷却过程中，相变潜热释放，非调质钢的温度会升高。

日本公开的专利申请No.2-209419公开了一种方法，可解决上述问题。在此专利申请中，在冷却室的进口和出口都安装了温度传感器。并且为控制排风量，中央处理器接收温度传感器产生的温度传感信号，并向风扇电机发出指令。可是，温度传感器安装位置须距离冷却件约200-300mm之间，才可基于测量温度与设定温度的差别来控制电机转数(RPM)。结果，温度传感器暴露于高温下，缩短了其寿命。

同时，日本已公开的本专利申请No.4-276010公开了一种锻造适应技术，这种方法即使不在传送中测量锻件的温度，也能精确地控制锻造后的冷速。按照该发明，通过利用温度计测量锻件的温度来确定最佳冷气流速度，从而在900℃～600℃范围内控制冷速。

结果，可获得满足上述冷速要求的最佳排风量。然而，上述这种锻造适应技术只能用于保持确定生产率的生产线。在这种生产线中，没有必要测量锻件的温度。

本发明为解决上述问题而设计。它的一个目的就是提供一种非调质钢加热和冷却的方法，这种方法通过控制锻件热锻后的冷速，而不用附加组织细化的热处理，就能使非调质钢具有与调质钢一样高的所需强度。

本发明的另一个目的是提供一种加热和冷却非调质钢的设备，它能够通过控制锻件热锻后的冷速，而不用附加的组织细化热处理，使非调质钢具有与调质钢一样高的所需强度。

为达到上述目的，本发明提供了一种加热和冷却非调质钢的方法，步骤包括：

(S1)在加热炉中，在1150℃到1300℃温度范围内的一温度下，加热非调质钢；对非调质钢热锻以生产锻件；

(S2)在利用传送带将锻件传送到冷却室的过程中，将锻件温度控制在1000℃以下；

(S3)锻件在下述状态下冷却：在锻件经过冷却室的过程中，为保持锻件的温度梯度在设定的温度梯度范围内，由中央处理器控制锻件的冷却。

并且，为达到上述第二个目的，本发明提供一种加热和冷却非调质钢的设备，该设备包括：

一个带有温度传感器的加热炉，该温度传感器用于在加热炉出口测量锻件温度；

一个冷却室，它包括一进口，一出口，一安装在冷却室上部的冷却部件，以及安装在冷却室中的一些温度传感器，其中冷却室进口宽度大于出口的宽度；

一个中央处理器，通过接受来自温度传感器的信号，控制冷却部件。

通过结合附图，对本发明的一个优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和其它特点、优点都将变得十分明了，附图中：

图1表示中碳调质钢的热处理工艺图，其中没给出热锻工艺和正火工艺；

图2A表示中碳非调质钢的锻造工艺和控制冷却工艺图；

图2B表示中碳非调质钢的冷却速率图；

图3是按照本发明的中碳非调质钢加热和冷却设备示意图；

图4是中碳非调质钢加热和冷却方法及其设备控制系统的流程图。

在下面，参照附图，详细描述本发明的优选实施例。

为用石油燃烧，加热非调质钢，有必要设有连续控制油量的油阀和控制油阀的控制装置。由于精密机械或电子元件的发展，上述由油阀和油阀控制装置构成的控油系统很容易实现。在控油系统中，中央处理器，接收信号如电动力，这些信号由安装在加热炉中的光温度计如光纤温度计或红外温度计产生。然后，中央处理器对油阀控制装置发出指令，这样控制装置可保持炉中温度在所需温度范围内。

当用电加热炉对非调质钢加热时，炉中的输入功率和温度很容易由安培计或功率表控制。另外，当用感应加热炉对非调质钢加热时，炉中的输入功率和温度通过恰当控制下述参数来控制：高频或低频的频率，线圈内径和非调质钢的外径差值，电流大小，电压大小，非调质钢的供料速度。

在所述控制系统中，在加热炉将要锻造的钢材，要加热到1150℃到1300℃的范围，最好钢材温度介于1200℃～1250℃之间。若加热温度高于1300℃，非调质钢的晶粒快速长大，结果，最终锻件的韧性恶化，并发生严重脱碳。若非调质钢加热温度低于1150℃进行热锻，则钢的热加工性恶化。因而，为使钢材成形，过大的载荷加在金属模具上，或在锻件内会出现裂纹。

加热过程中，非调质钢用两座加热炉加热，或采用两步加热工艺。在两步加热工艺中，先进行预热(第一步)，再进入主加热阶段(第二步)。

因而，可解决钢材内部加热至锻造温度，而钢材表面过烧的问题。可是，除了大型零件或热导率低的零件，大多数钢件均可用单步加热工艺。锻件坯在加热炉中加热时，其温度低于炉中温度，这是它自身的热导率和体积大小造成的。因而，若操作员基于炉中温度测量锻件坯温度，会产生测量偏差。

图3是按照本发明加热和冷却中碳非调质钢的设备示意图。参照图3，锻件温度由安装在邻近加热炉出口的温度计测量。中央处理器20接收由温度计测出的温度值，并向控制装置如控制锻件加热温度的油阀或安培计发出指令。换句话说，为达到需要的温度，由中央处理器20控制油阀或安培计实现。

过去，由于炉中气体的存在，温度计传感部分不能测量精确温度。然而，现在通过应用红外温度计可测精确温度。

下面，描述控制锻件冷却速度的方法。

根据非调质钢锻件3的温度，确定传送带与冷却室10进口之间的距离间隔，以及传送的速度。亦即经热锻后锻件3的温度，在锻件3经传送带2直到抵达冷却室10时，保持在1000℃以下。因为为保持冷却过程中现有的冷却速率，进入冷却室10的锻件3的温度必须保持均匀。

并且，由于锻件3在高温下装入冷却室10，锻件3在相变未完成的状态下，不从冷却室10中卸出。因而，可获得需要的机械性能。

在锻件3相变点温度以下，必须进行充分的冷却，然后，进行空冷。合金相变点温度根据合金成分，热处理条件及冷却速度而变化。最好，冷却过程中的终温通过工作现场直接测量锻件温度确定。

用作机器零件的非调质碳钢，必须是细晶粒组织。并且为生产所需锻件，需要控制沉淀硬化相的沉淀析出条件。若不能满足上述所需条件，不可能获得具有优良韧性和强度的锻件。

在锻件3经过冷却室10的时候，装在冷却室10进口处的温度计，测量锻件3的表面温度，并将其测量值传送给中央处理器20。然后，中央处理器从上述测量值减去装在冷却室10出口处温度计所测锻件3表面的温度值；随后用锻件3在冷却室10中的停留时间间隔去除上述结果。此时，时间间隔，利用冷却室10的长度除以传送带2的移动速度获得。冷却室10长度根据装备的需要确定。

尽管传送带1的移动速度变化，但对相同产品可考虑生产率保持一移动速度。结果，通过运行标准化，可确定对于各个产品的传送带1的固定移动速度。

若锻件3由传送带1以固定速度装入冷却室10，安装在冷却室10进口和出口的温度计分别测量锻件3的温度，并将其温度测量值传送给中央处理器20。然后，中央处理器20根据温度测量值计算出温度梯度。若由中央处理器20计算出的温度梯度与设定的温度梯度差别高于30％，中央处理器20将发出指令到各个电机，对送风扇8和排风扇5进行加速或减速。

若锻件3没装入冷却室10，安装在冷却室10进口处的温度计9，在时间间隔高于2分钟的范围内，为低于500℃的一个特定温度。因而，在锻件经过冷却室10所需时间上减去2分钟的特定时间间隔内，中央处理器20向风扇电机发出指令，使送风扇和排风扇停止工作。

由送风扇8送入的冷空气，对经冷却室10入口装入的锻件3冷却。此时，空气温度升高，体积增加。结果，空气密度降低，从而空气上升。由于冷却室10进口处的顶板高度低于冷却室10出口的顶板高度，在冷却锻件3中升温的空气顺利排出冷却室10。因此，新的冷空气可进入冷却室10。并且，可通过在冷却室10中产生涡流，防止锻件3的不均匀冷却。

鉴于冷却室10的内部结构，在送风扇8或排风扇5工作时，空气可自然地从冷却室10进口流向出口。当对锻件3的冷却速度要求高于其空冷速度时，需要加速空气流动。因而，为获得所需冷却速度，须同时打开送风扇8和排风扇5。

空气供给管7安装在冷却室内部顶板上。一些用于向锻件3喷射空气的空气喷嘴安装在空气供给管7的下部。空气喷嘴11的排列从冷却室1 0的进口到出口向上倾斜布置。这样，从空气喷嘴11喷出的空气冷却锻件3，并且变热的空气自然流向冷却室10的出口。

一个或多个如排气管6的装置，沿长轴方向安装在冷却室10顶板上，其中排气管6具有大的内径，它们构成空气供给管7的一部分。另外，可使用主管道和带有许多喷嘴口的支管道，它们彼此相连，正如动物的脊柱和肋骨。若将主管道与支管道用作空气供给管7，可从不同方向冷却锻件3，并对锻件3各部分均匀冷却。此时，喷嘴口可位于支管道长轴方向或垂直方向切去一部分构成，或以小孔形式构成。为使空气慢慢流向冷却室10的出口，空气喷嘴11喷射角度在10～80度之间，最好为45度，喷到锻件3上。为均匀冷却在传送带1移动的锻件3，空气必须在冷却室10中均匀流动。然后，能容易在控制锻件3的冷却速率。然而，当喷射角度低于10度或高于80度时，空气不能顺利流动。

通常，中碳非调质钢在空气中获得的冷速因锻件3尺寸不同而不同。可是，若非调质钢的重量为1到20kg，则冷速为30～80℃/min。

根据电机功率和锻件3的尺寸不同，用强制排风获得的加速冷却的冷速发生变化。可是，非调质钢需要的冷速为50℃～160℃/min。用低碳贝氏体系列非调质钢作原料时，冷速须达到120～150℃/min，才适用于此半淬火工艺。在这种情况下，必须在空气供给管7附近安装附加的冷却供给管，用于喷水或喷雾。

同时，由于冷却室10中的蒸汽，温度计4，9，12在测量中会出错。近年来，发展起来的一种温度计可解决上述问题。用光传感器测量温度时，需要在邻近温度传感器处安装一个附加的空气供给管，用于消除测量误差。通过安装空气供给管可消除位于温度传感器与锻件3之间的气层。

按照本发明，为均匀地控制冷速，附加温度计安装在冷却室10进口和出口间距离为基准的1/10到1/3区域的设定位置。根据设定位置的热梯度，控制冷却速度。因此，这样可有效地控制冷却速度。

以冷却室10进口与出口之间距离为基准，在其1/10到1/3的区域的设定位置，须安装内部温度传感器12。因为在各区域中冷却速率线性变化，因而可获得适于控制冷速的准确数据。

若内部温度传感器12装在上述各区域的前方某处，温度梯度则小而且变化快。若内部温度传感器12安装在上述各区域的后方某处，则冷速变化构成一曲线。特别是由于锻件3的相变，在625℃～700℃温度范围内，冷速变化无规律。最后，若以冷却室10的出口与进口之间距离为基准，其2/3处后方位置，安装内部温度传感器12，冷速变化缓慢，且沿移动距离热梯度小。

当冷却室10长度长或设定的温度梯度低时，需要在冷却室10的进口和出口之间各处装一些温度计。然后，可精确地控制冷速。

加速冷却用的送风扇8和排风扇5，分别安装在冷却室10的进口和出口处，由直流电机驱动。因而，可容易地控制送风扇8和排风扇5的驱动速度，并且响应速度快。

由于冷却室10室壁中带有绝热件，冷却室的热不会传到工件上。因而，工作环境不会恶化，可对慢冷锻件3进行控制冷却。此处，热绝缘件选自于由石棉、云母、陶瓷及其它一些绝热材料组成的群组。

使用恒定速度电机或压缩机将空气供给到冷却室时，可安装一个控制阀用来控制流速，从而控制冷却速率。其中控制阀安装在电机或压缩机与空气供给管7连接部分的某位置。本方法适于对锻件3缓冷的控制冷却。

下文将详细描述本发明的一个例子。

例子

在一重型装置的履带的零件中，一个在履带上支承该重型装置的辊轮这样制造：两个锻造而成的壳体经锻造和机加工后，将其中间部分焊接而成。此时，制造一个非调质钢的而不是调质钢的17kg的锻造件。锻造件的加热温度保持在1200～1250℃范围内，而相应炉内温度保持在1390～1400℃。经锻造加工后，锻件的加热温度保持在900～500℃的温度范围内。

图4是表示中碳非调质钢加热和冷却方法及其设备控制系统的流程图。

表2

序号	炉内温度(℃)	终锻温度(℃)	清理结束温度(℃)	在950-500℃冷速(℃/min)	冷速改变温度(℃)	钢组分(wt％)
							1	1390～1400	1230	1094	79	665	C 0.38，Si 0.23，Mn 1.32，P 0.015，S 0.024，V 0.105，A l0.028，N0.0103，Mo 0.02，Ti 0.01
2	1161	1042	64	660
					3	1195	1050		74	670

如表2所示，当中碳非调质钢在强制排风中冷却时，冷速约60～80℃/min。此时，金属最终结构为铁素体+珠光体，其晶粒度为ASTM标准中的5级到6级。

若中碳非调质钢空冷，其冷速为37～41℃/min。最终获得金属结构为铁素体+珠光体，其晶粒度为ASTM标准中的1到3级。此时，铁素体相体积分数低于上述钢中的情况，晶粒变得粗大。

若大量非调质钢以通常的锻造工艺加工，同样方式冷却，冷速低于上述值。

冷速和上述值之间差别增大了。考虑到钢件的厚度为50mm，这一结果与由日本热处理工程协会出版的“热处理”杂志Vol.20，No.7公布结果相同。按此出版物，非调质钢直径为20mm时，冷速为80℃/min，当非调质钢直径为40mm时，冷速为44℃/min，并且当非调质钢直径为70mm时，冷速为27℃/min。

当锻件由喷水冷却时，冷速达150～174℃/min。当用沸水冷却锻件时，冷速介于105～129℃/min。此时，在冷速增大的表面，上贝氏体和下贝氏体共存。在深处，由上贝氏体和“铁素体+珠光体”构成混合组织。此时冷速增大，贝氏体的量增加。

因而，根据水温，雾和空气比率，雾的喷射压和空气流量，容易控制喷雾冷却非调质钢的工艺。尽管，在同样条件下冷却锻件，锻件冷速是变化的。因为锻件冷却过程中存在相变。

按照本发明，非调质钢的相变发生在700℃到625℃。在此温度范围内，奥氏体转变为铁素体和珠光体。

若锻件在冷却室10中用上述冷却工艺冷却，则锻模温度低，且锻件经清理后，温度不均匀。因而，没能在获得所需物理性能的温度条件下冷却。为解决这一问题，锻件重新加热到900～950℃温度内。

随后，锻件冷却，从而可获得需要的物理性能。

锻件表面的温度由安装在冷却室10出口处的温度计测量。温度计测得的温度值传送给中央处理器20。然后，中央处理器20，与由安装在冷却室进口处温度计的测量值一起，计算该值。然后，中央处理器20判断冷却室10中温度梯度是否合适，并向电机发出控制信号。

如上所述，在本发明的加热和冷却非调质钢的方法及其设备中，冷却室10中锻件温度的测量在冷却室10进口和出口处同时测量。因而，可精确控制电机并保持均匀温度梯度。从而，可提供具有均匀性能的锻件。

本发明解决了某些问题如过烧引起的晶粒长大，韧性降低，表面脱碳，由不均匀冷却和相变造成的强度差异(不均匀)。这些问题的解决是通过控制锻件的加热和冷却过程来实现的。并且可减少锻件加工所需的制造费用。此外，可防止环境污染，获得均匀冷速。

尽管本发明仅特别描述了特定的实施例，应该明白，在不脱离本发明权利要求书所限定的范围和精神的前提，本领域技术人员在形式和细节作出修正是可能的。

Claims (13)

1.一种加热和冷却非调质钢的方法，它包括下述步骤：

(S1)在加热炉(15)中，在1150℃到1300℃温度范围内的一个温度下，加热非调质钢，并且对上述非调质钢热锻以便获得锻件(3)；

(S2)在用传送带(1)将锻件(3)送到冷却室(10)过程中，控制锻件(3)温度在1000℃以下。

(S3)在下述状态下冷却锻件3，该状态是：在锻件(3)经过冷却室10过程中，为保持锻件(3)的温度梯度与设定的温度梯度一致，用中央处理器控制锻件(3)的冷却速度。

2.如权利要求1所述的加热和冷却非调质钢的方法，其特征在于，在所述步骤(S2)中，对所述锻件(3)的温度控制，是通过控制加热炉(15)的出口和冷却室(10)的进口之间的间距，以及控制传送机(1)的移动速度来实现的。

3.如权利要求1所述的加热和冷却非调质钢的方法，其特征在于，在所述步骤(S3)中，锻件(3)的温度借助中央处理器控制，以便锻件的温度梯度与设定温度梯度相比，保持在低于30％的范围内。

4.一种用于加热和冷却非调质钢的设备，该设备包括：

一个带有温度传感器的加热炉(15)，该温度传感器在加热炉出口处用来测量锻件(3)的温度；

一个冷却室(10)，包括进口，出口，一个安装在冷却室(10)上部的冷却部件(17)，以及安装在冷却室(10)中的一些温度传感器(4，9，12)，其中：

冷却室进口的宽度大于出口的宽度；以及

一个中央处理器，借助接收由所述温度传感器(4，9，12)产生的信号，来控制冷却部件(17)。

5.如权利要求4所述的用于加热和冷却非调质钢的设备，其特征在于，所述冷却部件包括一个安装在所述冷却室(10)进口处的送风扇(8)和一个安装在所述冷却室(10)出口处的排风扇(5)；所述送风扇(8)和排风扇(5)由所述中央处理器控制，并且所述送风扇(8)与空气供给管以及一些空气喷嘴顺序相连通。

6.如权利要求5所述的加热和冷却非调质钢的设备，其特征在于，所述送风扇(8)和排风扇(5)由直流电机驱动。

7.如权利要求5所述的加热和冷却非调质钢的设备，其特征在于，所述空气供给管7倾斜布置成：所述空气供给管(7)的位于邻近所述冷却室(10)进口的一端，高于所述空气供给管(7)的位于邻近所述冷却室(10)出口的另一端。

8.如权利要求5或7所述的加热和冷却非调质钢的设备，其特征在于，所述用于喷水或喷雾的冷却水供给管安装在所述空气供给管7处。

9.如权利要求5所述的加热和冷却非调质钢的设备，其特征在于，所述空气喷嘴11，以介于10-80度之间的喷射角，喷射空气到所述传送机(1)上的锻件3上。

10.如权利要求5或9所述的加热和冷却非调质钢的设备，其特征在于，所述空气喷嘴(11)倾斜排列，位于邻近所述冷却室(10)的出口处的空气喷嘴(11)的高度大于邻近所述冷却室(10)的进口处的空气喷嘴(11)的高度。

11.如权利要求4所述的加热和冷却非调质钢的设备，其特征在于，所述温度传感器(9)安装在所述冷却室(10)的所述进口处；所述温度传感器12安装在相对于所述冷却室(10)的所述出口与所述进口之间的距离的1/10到1/3的区域中设定的位置上；所述温度传感器(4)安装在所述冷却室(10)的所述出口处。

12.如权利要求4所述的加热和冷却非调质钢的设备，其特征在于，所述冷却室(10)具有倾斜顶板结构，所述冷却室(10)的所述进口的高度小于所述冷却室(10)的所述出口高度。

13.如权利要求4所述的加热和冷却非调质钢的设备，其特征在于，所述冷却室(10)包括由热绝缘材料构成的壁。

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