CN1710115A - 不锈钢材料的高能连续电脉冲在线软化退火方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明锈钢材料的高能连续电脉冲在线软化退火方法及设备，其方法包括：通过开、收卷装置带动连续不锈钢材料以一定速度向所述收卷装置方向传输；配置一高能连续电脉冲电源，该电源可连续不断地输出多个高能电脉冲并通过一对电接触装置输入运动的连续不锈钢材料的加电区域段进行在线退火，同时通过冷却装置对所述运动的连续不锈钢材料的加电区域段进行冷却。其采用高能连续脉冲电流对运动着的连续不锈钢材料进行退火处理，能耗低，生产效率高，避免了退火过程中不锈钢材料的表面氧化现象，特别适用于直径或厚度不大于3mm不锈钢材料(管、线、带)的连续完全软化要求的热处理。

Description

不锈钢材料的高能连续电脉冲在线软化退火方法及设备

技术领域

本发明涉及连续不锈钢材料退火技术，特别是一种不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火方法及在线退火设备。

背景技术

不锈钢材料在国民经济领域中应用相当广阔，特别是增强纤维等民用和工业领域中占有十分重要的位置。其具体应用都基于不锈钢有着较好的机械性能、物理性能、耐蚀性等综合特性。

特别对于直径或厚度不大于3mm的不锈钢材料(管、线、带)，在其加工过程中，虽然材料塑性较好，但当反复加工至冷变形率超过70％时，加工硬化增大使之变形抗力急剧增加，同时断裂概率也加大，此时需要进行完全软化要求的热处理，另外有时用户也需要对成品进行软化退火。退火目的主要有以下两种：1)保证后续加工塑性变形能力，降低变形抗力；2)控制成品的热处理状态，以确保使用时的机械性能，如韧性等等。

目前不锈钢材料的软化退火技术主要有以下几种方式：

1、井式或钟罩式退火方式，该方式以电阻发热元件为热源，在炉内形成热源、炉衬、不锈钢材料之间的热交换，以对流和辐射传热为主对不锈钢材料间接加热至1000℃以上，该方法存在热效率低，通常为30％-45％；由于井式或钟罩式炉的温度场上下分布难以保证均匀，还存在退火均匀性差，加热时间长等缺陷，

2、管式(如马弗管)在线退火方式，该方式虽然退出的材料性能较为均匀，但也是以对流和辐射的形式与不锈钢材料进行热交换，热效率低，通常为40％-50％。

3、电直热式在线退火方式，如专利号为99112345.X的电直热式不锈钢带材在线连续光亮退火设备，它由变压器将三相电降至超低压引入退火炉内的一段不锈钢带材上，通过该段带材的内阻发热实现退火，然后再经过均热炉、冷却炉和吹干炉处理，还需要设置氨分解炉和氨瓶。较前述两种方式，其能耗相对较低。采用该方式，完全是用焦耳热效应所产生的高温来实现退火的。

上述退火方式中均需要通入保护气氛或真空热处理，以确保退出后不锈钢的表面质量，但这也增加了相关辅助设备的成本和能耗。

发明内容

为解决现有不锈钢井式或钟罩式、管式退火技术存在的耗电量大、生产效率低、成本高的缺陷，而且较电直热式在线退火方式能耗更低，本发明提供了一种不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火方法及设备，以节省能源，简化生产程序，提高生产率，降低生产成本，减小退火过程中不锈钢材料的表面氧化现象。

本发明不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火方法，包括以下步骤：

通过开、收卷装置带动连续不锈钢材料以一定速度向所述收卷装置方向传输；

配置一高能连续电脉冲电源，该电源连续不断地输出多个高能电脉冲并通过一对电接触装置输入运动的连续不锈钢材料的加电区域段进行连续退火，同时通过强制冷却装置对所述运动的连续不锈钢材料的加电区域段进行强制冷却。

上述强制冷却装置设置于运动的连续不锈钢材料的加电区域段周围，强制冷却装置采用油冷方式。退火过程中，输入不锈钢材料的加电区域段的高能连续脉冲电的工艺参数可以为：脉冲宽度5-200μs，频率500-3000Hz，电流密度的幅值≥500A/mm²。其中，优选高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度10-100μs，频率600-2000Hz，电流密度的幅值≥1000A/mm²。

实现上述方法的一种不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火设备，包括开卷装置5、收卷装置6、退火用电源1和设置于开卷装置5和收卷装置6之间的两个电接触装置3、3’，所述开卷、收卷装置带动连续不锈钢材料2经过所述两个电接触装置以一定速度向收卷装置方向传输；退火用电源1为高能连续电脉冲电源，该高能连续电脉冲电源的正、负输出端分别连接两个电接触装置3、3’，通过该两个电接触装置使高能连续脉冲电流输入运动的连续不锈钢材料2的加电区域段2’，在运动的连续不锈钢材料的加电区域段2’周围设置强制冷却装置4，用于对运动的连续不锈钢材料的加电区域段同时进行强制冷却。

本发明与现有技术相比有以下有益效果：

1、能耗低。由于采用高能连续脉冲电源，通过不锈钢材料本身做为电阻直接加热，能量转换效率远高于传统的热辐射与对流软化退火方式，能量的利用率可达90％以上。另外，本发明中所述的高能连续脉冲电的软化退火机制，除了产生一定的焦耳热效应作用外，还会由于非热效应(如电子风)的耦合作用，使原子振动能量进一步急剧增加，位错的攀移加大，有利于加工硬化所形成的亚晶转动，这些促使再结晶进程加速，再加上本发明中在不锈钢材料加电区域段加入强制冷却措施，用本专利实施不锈钢再结晶退火时，再结晶形核率迅速加大，再结晶速度加快，同时急速冷却等在加电区域中反复进行的过程均促使不锈钢再结晶后的晶粒细化高速完成。这在一定程度上降低了常规热处理技术的再结晶所需的温度，而又达到软化材料的效果。专利99112345.X的电直热式退火是通过纯焦耳热效应来实现高温软化退火的，而本发明中的高能连续脉冲电则用相对较低的焦耳热效应加上与非热效应的耦合作用，即可达到软化退火的效果，因此相应所耗电能更少。

2、能够在降低能耗的同时，降低退火过程中不锈钢材料的氧化程度。高能连续脉冲电作用于不锈钢材料时，由于较低的焦耳热效应所产生的温度也较低，再加上退火过程中基本均在冷却介质中，从而大大避免和减少了常规热处理技术因升高温度所带来的氧化加剧的现象。

3、本发明构思新颖，生产效率高，能耗低，特别适用于直径或厚度不大于3mm不锈钢材料(包括不锈钢线、带、板材以及壁厚小于3mm的管材)的连续完全软化或不同硬态要求的热处理。

附图说明

图1为本发明不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火设备实施例示意图。

具体实施方式

参照图1，不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火设备包括开卷装置5、收卷装置6、退火用高能连续电脉冲电源1、设置于开卷装置5和收卷装置6之间强制冷却装置4以及一对电接触装置3、3’。连续的不锈钢材料2由开、收卷装置支撑并张紧，它们带有的张力调整机构保证不锈钢材料运动过程的稳定性，开、收卷装置旋转能带动连续不锈钢材料2以一定速度向所述收卷装置方向(图1箭头方向)连续传输，连续不锈钢材料的传输速度可为0-1200mpm，传输速度由变频器和力矩电机调整控制(图中未画出)，在0-1200mpm范围内连续可调。

高能连续电脉冲电源1的正、负输出端分别连接两个电接触装置3、3’，通过两个电接触装置使高能连续脉冲电流输入运动的连续不锈钢材料2的加电区域段2’，连续运动的不锈钢材料在加电区域段2’的前后需分别通过导向轮9、9’导入和导出，导向轮的位置微调可调整材料连续运动过程中的张力。在运动的连续不锈钢材料2的加电区域段2’周围设置强制冷却装置4，对运动的连续不锈钢材料的加电区域段2’同时进行强制冷却处理，以保证不锈钢材料表面光洁，消除不锈钢材料表面氧化现象。强制冷却装置为油冷装置等。冷却装置4可包括冷却槽41，冷却槽41内通以循环冷却介质43，42、44分别为循环冷却介质的进口和出口。冷却方式可以是不锈钢材料的加电区域段2’浸入冷却介质中。

高能连续电脉冲电源1的最大输出功率为10KW，输出脉冲宽度可为5-200μs，输出脉冲频率为500-3000Hz。

两个电接触装置3、3’是两个采用铜覆镍层制成的直径为160mm的导电轮，导电轮外周与不锈钢材料接触处设置用于容纳不锈钢材料的槽，以保证接触良好，减小材料与电极间接触电阻，两导电轮之间的距离在100-1500mm范围内可调，使用时根据所需的退火速度调整，速度越快，两导电轮之间的距离应加长。导电轮直径根据材料尺寸确定，待退不锈钢材直径或厚度越小，导电轮的直径也相应变小。导电轮也可以采用铜-石墨、弥散强化铜或黄铜等导电性较好且耐磨的材料制成，也可以用铜覆镍层、铜-石墨、或黄铜等材料制成的上、下电极压块作为电接触装置，同样在上、下电极压块与不锈钢材料接触处设置用于容纳不锈钢材料的槽，以保证与导线接触良好，减小接触电阻。

采用图1所示设备实现不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火工艺过程如下：

通过图1所示开、收卷装置带动连续不锈钢材料2以一定速度向所述收卷装置方向传输，连续不锈钢材料的传输速度根据需要可在0-1200mpm范围内调整；

将所述高能连续电脉冲电源的高能连续脉冲电流通过一对电接触装置输入运动的连续不锈钢材料的加电区域段2’进行退火，同时通过设置于运动的连续不锈钢材料的加电区域段2’周围强制冷却装置对所述运动的连续不锈钢材料的加电区域段2’进行强制冷却。强制冷却装置可采用油冷方式等。

退火时输入运动的连续不锈钢材料的加电区域段的高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度5-200μs，频率500-3000Hz，电流密度的幅值≥500A/mm²。优选高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度10-100μs，频率600-2000Hz，电流密度的幅值≥1000A/mm²。

对于具体不同尺寸、不同冷加工变形量、不同退火硬度要求的不锈钢材料，输入的高能连续脉冲电的工艺参数的原则是：

1、按集肤效应公式δ＝(π*μ*f/ρ)^-1/2，其中μ、ρ、f分别为磁导率、电阻率、频率，δ为电流渗入的厚度。即不锈钢材料直径或厚度越小，相应输入的高能连续脉冲频率可增大；

2、冷加工变形量越大，相应输入的高能连续脉冲宽度或电流密度幅值应提高才能达到软化效果；

3、退火后硬度要求越软，相应输入的电流密度幅值应提高至一定临界值后才能达到。

下面为采用本发明提出的不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火方法及装置对不锈钢材料退火处理的一个实施例：

实施例：冷加工后的1Cr18Ni9不锈钢材料直径为1.2mm，需在线退火至完全软态。

参照图1，连续的不锈钢线材2由开、收卷装置带动按箭头方向以速度6mpm传输，高能连续电脉冲电源1的正、负极则分别从铜覆镍层制成的导电轮3、3’(导电轮直径为160mm，加电段距离250mm)接入运动的连续不锈钢材料的加电区域段2’进行退火，连续运动的不锈钢材料在加电区域段2’的前后需分别通过导向轮9、9’导入和导出，同时采用油封式冷却装置4对上述不锈钢线材的加电区域段2’进行冷却处理，循环冷却介质为普通淬火油，通过进口42泵入已冷却的油，而通过出口44不断排出因退火过程而加热的油。输入的高能连续脉冲电的脉冲宽度20μs，频率为1000Hz，电流密度幅值为1100A/mm²。

退火前后不锈钢材料性能比较：

退火前不锈钢材料的抗拉强度为1700MPa，延伸率小于0.5％。

经本发明高能连续电脉冲在线退火后测得不锈钢材料的抗拉强度为785MPa，延伸率≥35％，表面光亮，即达到了完全退火的目的。

Claims (10)

1、一种不锈钢材料的高能连续电脉冲在线软化退火方法，其特征是包括以下步骤：

通过开、收卷装置带动连续不锈钢材料以一定速度向所述收卷装置方向传输；

配置一高能连续电脉冲电源，该电源可连续不断地输出多个高能电脉冲并通过一对电接触装置输入运动的连续不锈钢材料的加电区域段进行连续退火，同时通过强制冷却装置对所述运动的连续不锈钢材料的加电区域段进行强制冷却。

2、根据权利要求1的不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火方法，其特征是：所述强制冷却装置设置于运动的连续不锈钢材料的加电区域段周围，强制冷却装置采用油冷方式。

3、根据权利要求1的不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火方法，其特征是：退火时输入运动的连续不锈钢材料的加电区域段的高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度5-200μs，频率500-3000Hz，电流密度的幅值≥500A/mm²。

4、根据权利要求3的不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火方法，其特征是：所述高能连续脉冲电的工艺参数为：脉冲宽度10-100μs，频率600-2000Hz，电流密度的幅值≥1000A/mm²。

5、不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火设备，包括开卷装置(5)、收卷装置(6)、退火用电源(1)、设置于开卷装置(5)和收卷装置(6)之间的两个电接触装置(3、3’)，所述开卷、收卷装置带动连续不锈钢材料(2)经过所述两个电接触装置以一定速度向收卷装置方向传输；其特征是：

所述退火用电源(1)是高能连续电脉冲电源，所述高能连续电脉冲电源的正、负输出端分别连接两个电接触装置(3、3’)，通过所述两个电接触装置使高能连续脉冲电流输入到运动的连续不锈钢材料(2)的加电区域段(2’)；

在运动的连续不锈钢材料的加电区域段(2’)周围设置强制冷却装置(4)，用于对运动的连续不锈钢材料的加电区域段同时进行强制冷却。

6、根据权利要求5的不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火设备，其特征是：所述强制冷却装置(4)为油冷装置。

7、根据权利要求5的不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火设备，其特征是：所述电接触装置(3、3’)为两个导电轮，导电轮外周与不锈钢材料接触处设置用于容纳不锈钢材料的槽。

8、根据权利要求5的不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火设备，其特征是：所述电接触装置(3、3’)均包括上、下电极压块，上、下电极压块与不锈钢材料接触处设置用于容纳不锈钢材料的槽。

9、根据权利要求5的不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火设备，其特征是：所述两个电接触装置(3、3’)之间的距离为100-1500mm。

10、根据权利要求5的不锈钢材料的高能连续电脉冲在线退火设备，其特征是：所述高能连续脉冲电源输出脉冲宽度为5-200μs，输出脉冲频率为500-3000Hz。

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