CN214655106U

CN214655106U - 一种钢铸件表面淬火模拟装置

Info

Publication number: CN214655106U
Application number: CN202022962271.9U
Authority: CN
Inventors: 成国光; 侯雨阳; 申文君; 李尧; 詹欣林; 张涛
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2030-12-11

Abstract

本实用新型提供了一种钢铸件表面淬火模拟装置，涉及热处理设备技术领域，包括信号采集模块、淬火模块、水路模块和气路模块；淬火模块包括淬火腔体、顶部盖板、底部盖板、喷嘴、钢铸件和固定板；顶部盖板和底部盖板分别设在淬火腔体的上下两侧；顶部盖板上开有淬火孔，钢铸件的下端插入淬火孔中；固定板设在顶部盖板上方，钢铸件与固定板固定连接；喷嘴设置在底部盖板上方；水路模块和气路模块分别连接至喷嘴；信号采集模块的一端与水路模块和气路模块分别连接，另一端连接至钢铸件。本实用新型所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，使用方便，可以在特定成分以及冷却条件下对微合金化的钢铸件进行表面淬火模拟。

Description

一种钢铸件表面淬火模拟装置

技术领域

本实用新型涉及热处理设备技术领域，尤其是涉及一种钢铸件表面淬火模拟装置。

背景技术

目前，钢材的主要生产流程包括冶炼，连铸，加热炉加热，热加工等工序。然而大多数特殊钢连铸坯在连铸结束后往往需要完全冷却后，再进入加热炉进行加热，这种生产方式不仅生产节奏不够紧凑，也会浪费连铸坯本身热量。因此为了提高生产效率，同时达到节能降耗的目的，冶金工作者提出了连铸坯的热送热装工艺，也就是将刚凝固结束的高温连铸坯直接送入加热炉进行加热，然后紧接着轧制。

然而在生产实践中，有些特殊钢连铸坯经过热送热装工序后，常常出现表面裂纹缺陷，其中比较典型的是添加Al、Nb、V、N等微合金元素的钢种。研究表明，表面裂纹的产生原因与连铸坯表层微观组织以及在晶界形成的有害析出物密切相关。尤其是当连铸坯进入加热炉时的入炉温度在铁素体相变区以及在奥氏体晶界有大量AlN等细小颗粒析出时，在热应力以及机械应力的作用下容易产生沿晶界裂纹，该裂纹逐渐扩展并形成缺陷。为此，研究人员提出连铸坯表面淬火工艺，即对凝固刚结束的高温连铸坯表面进行短时间的强冷淬火，使得连铸坯表层温度显著降低，抑制了上述铁素体的相变和AlN等析出物的形成，淬火后的铸坯表面所获得的致密的自回火组织有效地阻碍了铁素体的形成和AlN等的析出，避免了热送热装过程中连铸坯表面裂纹的产生。使得连铸坯内部的热量得到了充分利用。对这种连铸坯表面淬火工艺，不同钢种、不同的生产现场工况、不同的铸坯特性等所需的表面淬火工艺均会有较大区别。为了达到最优化的冷却效果，获得理想的表面淬火组织并抑制AlN等有害析出物的形成，需要进行深入的模拟实验基础研究，为工业性淬火设备的制造和淬火工艺确定打下基础。

中国实用新型专利《一种可控水空间歇端部淬火模拟试验装置》(授权公开号：CN208995537U)报道了一种可控水空间歇端部淬火模拟试验装置，可用于不同旋转喷淬条件下工件表面换热系数和材料淬透性的测定，为大型旋转喷淬装置喷嘴分布设计及工件喷淬工艺参数制定提供数据支持。然而该装置主要针对不同旋转喷淬条件下，材料表面换热系数以及淬透性的测定，无法设计多种喷淋模式的切换以及模拟研究。

中国发明专利《一种多功能淬火检测装置》(授权公开号：CN107831189A)报道了一种多功能淬火检测装置，能够分别模拟并测试液体由上向下喷淋板材表面、液体由下向上喷淋板材表面、以及表面浸入液体三种情况下的热交换系数和淬透性。然而该装置主要针对中厚板铝合金，最高加热温度有限，样品加热过程温度分布均匀性有待提高。并且其温度测量位置聚焦于样品中间部分，无法对样品表面温度进行有效测量。

根据上述现有表面淬火研究方法可以看出，目前针对微合金化特殊钢材料的表面淬火模拟尚鲜有报道。微合金化特殊钢材料品种多样、成分以及应用领域广阔，连铸坯表面淬火过程通常需要控制喷水类型、水流量、水压、喷淋距离等复杂的参数设置，目前对于特定成分以及工艺条件下表面淬火冷却制度的研究模拟缺乏有效手段。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出了一种钢铸件表面淬火模拟装置，使用方便，可以在特定成分以及冷却条件下对微合金化的钢铸件进行表面淬火模拟。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种钢铸件表面淬火模拟装置，包括信号采集模块、淬火模块、水路模块和气路模块；

所述淬火模块包括淬火腔体、顶部盖板、底部盖板、喷嘴、钢铸件和固定板；

所述顶部盖板和所述底部盖板分别设在所述淬火腔体的上下两侧；

所述顶部盖板上开有淬火孔，所述钢铸件的下端插入所述淬火孔中；

所述固定板设在所述顶部盖板上方，所述钢铸件与所述固定板固定连接；

所述喷嘴设置在所述底部盖板上方；

所述水路模块和所述气路模块分别连接至所述喷嘴；

所述信号采集模块的一端与所述水路模块和所述气路模块分别连接，另一端连接至所述钢铸件。

进一步的，所述信号采集模块为无纸记录仪；

进一步的，所述钢铸件的上表面分别开有中心放置孔和表层放置孔；

所述中心放置孔和所述表层放置孔的底部均设有测温单元；

所述测温单元与所述信号采集模块连接。

进一步的，所述钢铸件外侧设有隔热保温层。

进一步的，所述隔热保温层采用石墨碳毡。

进一步的，所述测温单元为热电偶。

进一步的，所述表层放置孔的底部距离钢铸件底部1～10mm，所述中心放置孔的底部位于所述钢铸件高度中心位置。

进一步的，所述水路模块包括输水管路和依次设在所述输水管路上的增压泵、水路流量计、水路压力计和水路阀门；

所述水路流量计和所述水路压力计分别连接至所述信号采集模块。

进一步的，所述气路模块包括输气管路和依次设在所述输气管路上的气路流量计、气路压力计和气路阀门；

所述气路流量计和所述气路压力计分别连接至所述信号采集模块。

进一步的，所述淬火腔体的直径为400～750mm，高度为200～400mm。

进一步的，所述顶部盖板的直径为160～240mm，所述底部盖板的直径为120～180mm。

进一步的，所述钢铸件的直径为30～60mm，高度为50～150mm。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置具有以下优势：

本实用新型所述的淬火模拟装置适用于多种喷淋模式以及多钢种条件下，不同冷却条件的表面淬火模拟研究，所述淬火模拟装置适用性强，操作简便，可在较大程度范围内调节设备的冷却参数，对连铸坯局部区域进行放大模拟，实现工艺参数的定量化以及精确化控制。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为钢铸件表面淬火模拟装置的示意图；

图2为钢铸件的内部结构图；

图3为钢铸件的俯视图；

图4为实际模拟过程中表面温度以及中心温度的变化曲线。

附图标记说明：

1-固定板；2-热电偶；3-钢铸件；4-隔热保温层；5-淬火腔体；6-样品连接螺栓；7-支撑螺栓；8-顶部紧固螺栓；9-顶部盖板；10-信号采集模块；11-喷嘴；12-可调高度喷嘴接口；13-底部盖板；14-底部紧固螺栓；15-气动开关；16-水路阀门；17-气路气动阀门；18-增压泵开关；19-增压泵；20-水路流量计；21-水路压力计；22-气路流量计；23-气路压力计；24-水路接口；25-气路接口；26-表层放置孔；27-中心放置孔；28-样品连接螺栓孔；29-淬火端；30-非淬火端。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图1所示的一种钢铸件表面淬火模拟装置，包括固定板1，热电偶2，钢铸件3，隔热保温层44，淬火腔体5，样品连接螺栓6，支撑螺栓7，顶部紧固螺栓8，顶部盖板9，信号采集模块10，喷嘴11，可调高度喷嘴接口12，底部盖板13，底部紧固螺栓14，气动开关15，水路阀门16，气路气动阀门17，增压泵开关18，增压泵19，水路流量计20，水路压力计21，气路流量计22，气路压力计23，水路接口24，气路接口25。

淬火腔体5顶面中心设有顶部盖板9,通过顶部紧固螺栓8与淬火腔体5固定。

顶部盖板9上设有支撑螺栓7，支撑螺栓7上面设有固定板1，固定板1中心设有样品连接螺栓6，样品连接螺栓6下面固定在钢铸件3上表面的样品连接螺栓孔28，钢铸件3外面包裹有隔热保温层44，钢铸件3顶部有热电偶2插入，热电偶2另一端接入信号采集模块10。

淬火腔体5底面中心设有底部盖板13，通过底部紧固螺栓14和淬火腔体5固定。底部盖板13上方设有可调高度喷嘴接口12，可调高度喷嘴接口12上方设有喷嘴11。

底部盖板13下方连接有水路模块和气路模块。

气路模块包括气路接口25，气路上设有气路流量计22、气路压力计23，并与信号采集模块10连接。气路上设有气路气动阀门17。

水路模块包括水路接口24，水路上设有水路流量计20、水路压力计21，并与信号采集模块10连接。水路上设有水路阀门16。气动开关15可同时控制水路阀门16和气路气动阀门17。上述淬火模拟装置的实验方法包括样品准备、样品加热和样品淬火三个步骤。

钢铸件3尺寸高度范围为50～150mm，直径范围为30～60mm。样品的加热保温温度范围为700～1400℃。

淬火模拟所选用的喷嘴11可以是纯水喷嘴，也可以是气雾喷嘴。当采用纯水喷嘴时，喷嘴11角度范围为30～60度，水压力范围为0.1～0.5Mpa，水流量范围为3.6～16L/min。当采用气雾喷嘴时，水压力范围为0.1～0.5Mpa，气体压力范围为0.15～0.4Mpa，水流量范围为0.75～15L/min，气流流量范围为4～20Nm³/h。可调高度喷嘴接口12高度范围为40～180mm。

钢铸件的上表面分别开有中心放置孔27和表层放置孔26，中心放置孔27和表层放置孔26的底部设有热电偶2。

样品淬火过程采用双热电偶对样品内部温度进行测量，所述热电偶2采用双铂铑热电偶，测量温度范围为200～1800℃，温度精度为±3℃范围内。所述的双热电偶安放位置，其中一个放置在距离所述钢铸件3喷淋面2.5mm处，另外一个放置在所述钢铸件3高度中心位置。

所述信号采集模块10具有8路信号采集功能，可以同时对温度变化、水路流量、水路压力、气路压力以及气体流量进行采集记录。所述淬火腔体5采用透明材质，即亚克力材料，直径范围为400～750mm，高度范围为200～400mm。所述顶部盖板9以及底部盖板13采用不锈钢材质，所述顶部盖板9直径范围为160～240mm，所述底部盖板13直径范围为120～180mm。所述盖板与腔体的连接采用不锈钢螺栓。

上述淬火模拟装置的实验方法包括样品准备、样品加热和样品淬火三个步骤：

1、样品准备

(1)制定淬火制度以及样品温度检测位置设计。

(2)根据研究目的以及样品温度检测位置，加工合适的样品。

(3)根据淬火制度，将型号合适的喷嘴11安装于可调高度喷嘴接口12上。

2、样品加热

(1)通过样品连接螺栓6将样品与固定板1固定，并将热电偶2固定在样品上，并保证热电偶2头部与温度检测位置接触良好。

(2)将固定好热电偶2的样品放置于真空加热炉(或其他类似功能的加热炉)中，连接好温度显示器。

(3)关闭炉门，开始抽真空，当炉内达到一定真空度后，开始加热升温。

3、表面淬火

(1)待温度显示器显示样品已达到设计温度后，控制加热炉加热功率，将样品保温一定时间。

(2)保温阶段完成后，打开加热炉，将高温样品迅速放置于支撑螺栓7上，连接热电偶2与信号采集模块10，而后打开水路气路气动联动阀门(根据淬火制度选择是否连通气路)，开始进行表面淬火模拟。

(3)根据表面淬火模拟制度，当达到终点淬火时间或目标温度时，关闭水路气路气动联动阀门，停止表面淬火。

(4)待样品达到室温温度，将样品取下，制定合理的取样方案进行研究或者按照要求进行加工完成制备。

实施例

1、样品准备

如图2和图3所示，首先制备齿轮钢淬火样品，在原铸坯上切取直径45mm，高度112.5mm的棒状样品，保留原铸坯表面为淬火端29。根据齿轮钢成分以及研究目的，确定温度检测位置为皮下2.5mm处以及与淬火端29距离52.5mm处，在非淬火端30距圆心11mm处对称加工出两个分别为直径3.5mm且深度110mm、直径3.5mm且深度60mm的孔，用于放置热电偶2。同样在非淬火端30距圆心15mm处对称加工出两个深度为15mm的M6螺孔，用于样品连接螺栓6连接固定板1。本实施例中所述的齿轮钢样品成分如下，C含量为0.22wt％，Mn含量为0.87wt％，Si含量为0.29wt％，Cr含量为1.2wt％，Mo含量为0.023wt％，Al含量为0.031wt％，N含量为0.02wt％，本实施例所述齿轮钢样品的熔点为1506℃，Ac1温度为789℃，Ac3温度为817℃，第二相AlN开始析出温度为1100℃。安装合适型号喷嘴11。根据齿轮钢特性，本实施例中所述的模拟实验中所述喷嘴11为纯水喷嘴，喷射角度为45度，水压设计为620kPa，表面淬火模拟时间为18min。

2、样品加热

将样品放入感应炉中，连接好温度显示器。关闭炉门，开始抽真空，当炉内真空度小于10Pa时，开始感应加热升温。待温度显示器显示样品已达到设计温度后，控制感应炉加热功率，将样品保温一定时间。本实施例的设计温度为1150℃，保温时间为30min。

3、表面淬火

保温阶段完成后，打开真空感应炉，将高温样品迅速放置于支撑螺栓7上，迅速连接热电偶2与信号采集模块10，而后打开水路气路气动联动阀门，开始对淬火端29进行表面淬火模拟，读取水压示数为620kPa。本实施例的表面淬火模拟时间为18min，当淬火时间达到18min时，立即关闭水路气路气动联动阀门，停止表面淬火模拟。表面淬火模拟实验完成后，取出样品并在样品上取距淬火端29不同深度的面进行微观组织以及第二相析出情况观察。导出信号采集模块10中的数据信息并进行分析。

通过本实施例所述的操作步骤，得到的齿轮钢模拟淬火过程中的温度变化结果如图4所示。可以看出本实施例所述齿轮钢样品在本实施例所述喷嘴11以及620kPa水压下淬火18分钟，其皮下2.5mm处以及与淬火端29距离52.5mm处的温度快速降低，温度曲线平滑且变化明显，说明本实用新型所述的一种钢铸件3表面淬火模拟装置可以很好地模拟表面淬火过程，且能够很好地获取样品不同位置在表面淬火模拟过程中的温度变化信息，可以为钢铸件3的淬火研究提供可靠方法，为钢铸件3淬火工艺制度的设定提供有效参考依据。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，包括信号采集模块、淬火模块、水路模块和气路模块；

所述喷嘴设置在所述底部盖板上方；

所述水路模块和所述气路模块分别连接至所述喷嘴；

2.根据权利要求1所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，所述钢铸件的上表面分别开有中心放置孔和表层放置孔；

所述中心放置孔和所述表层放置孔的底部均设有测温单元；

所述测温单元与所述信号采集模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，所述钢铸件外侧设有隔热保温层。

4.根据权利要求2所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，所述测温单元为热电偶。

5.根据权利要求2所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，所述表层放置孔的底部距离钢铸件底部1～10mm，所述中心放置孔的底部位于所述钢铸件高度中心位置。

6.根据权利要求1所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，所述水路模块包括输水管路和依次设在所述输水管路上的增压泵、水路流量计、水路压力计和水路阀门；

7.根据权利要求1所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，所述气路模块包括输气管路和依次设在所述输气管路上的气路流量计、气路压力计和气路阀门；

8.根据权利要求1所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，所述淬火腔体的直径为400～750mm，高度为200～400mm。

9.根据权利要求1所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，所述顶部盖板的直径为160～240mm，所述底部盖板的直径为120～180mm。

10.根据权利要求1所述的一种钢铸件表面淬火模拟装置，其特征在于，所述钢铸件的直径为30～60mm，高度为50～150mm。