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熱處理、調質案例

名稱42crmo鋼棒感應加熱熱處理調質設備

主要技術參數: 供电系统:淬火电源:160KW-1000KW/0.5-2.5KHz; 回火电源:100KW-600KW/0.5-2.5KHz; 小时产量0.5-3.5吨,适用范围20-120。 输送辊道:辊道轴线与工件轴线成夹角18~21°,工件一边自转,一边匀速前进,使加热更均匀,炉体间辊道采用304無磁不鏽鋼并水冷。 温度闭环控制:淬火及回火均采用美國雷泰红外测温仪并与西门子PLC组成闭环控制系统,
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42crmo鋼棒感應加熱熱處理調質設備

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感應加熱原理:

   感應加熱的加天天看高清圈與被加熱物(金屬)的關系就如同變壓器的1次側、2次側線圈的關系一樣。
   如圖所示,由加天天看高清圈通高頻電流産生的磁力線集中在被加熱物上、由電磁的感應作用,産生渦旋電流,將被加熱物加熱。在這個時候,根據鋼材的種類和形狀選擇適當的交流電流的頻率、功率、加熱時間、保持時間、線圈的形狀等,就能使各種鋼材得到適當的品質特性。其熱效率爲95%,感應加熱,是把三相工頻交流電,整流後變成直流電,再把直流電變爲可調節的中頻電流,供給由電容和感應線圈裏流過的中頻交變電流,在感應圈中産生高密度的磁力線,並切割感應圈裏盛放的金屬材料,在金屬材料中産生很大的渦流。工件依靠這些電流的焦耳熱達到預計溫度。如果圓柱體放在線圈中心,那麽圓柱體周邊的溫度是一樣的,圓柱體加熱過程中也不會産生有害氣體、強光汙染環境等。正因爲感應加熱有以上的優點,在各種天天看高清得到了廣泛推廣使用。


主要技術參數:
●供电系统:淬火电源:160-1000KW/0.5-2.5KHz; 回火电源:100-600KW/0.5-2.5KHz,小时产量0.5-3.5吨,适用范围20-120。
●輸送輥道:輥道軸線與工件軸線成夾角18~21°,工件一邊自轉,一邊勻速前進,使加熱更均勻,爐體間輥道采用304無磁不鏽鋼並水冷。
●輥道分組:進料組、感應器組及出料組各自獨立控制,有利于連續加熱而不至于工件之間産生間隙。
●溫度閉環控制:淬火及回火均采用美國雷泰紅外測溫儀並與德國西門子S7組成閉環控制系統,精確控溫。
●工控機系統:實時顯示當時工作參數的狀態,工件參數記憶、存儲、打印、故障顯示、報警等功能。
▲ 能量转换:采用淬火+回火方式,吨耗电280~320度。
●根據用戶需要提供帶觸摸屏或者工控機系統的遠程操作台。
●專門定制的人機界面,高度人性化的操作指示。
●全數字、高深度的可調節參數,讓您對設備的控制得心應手。
●嚴格的等級管理制度,完善的一鍵還原系統。
●根據不同國家和地區提供相應的語言切換。
配方管理功能:
    强大的配方管理系统,输入待天天看高清的鋼種、直徑、長度等參數後,自動調用相關參數,不用再手動記錄、查閱、輸入各種工件所需的參數值。
曆史曲線功能:
    可追溯的工艺历史曲线( 工控机系统标配), 精确至0 . 1 秒的记录精度,形象、准确的再现单支天天看高清的处理温度趋势图。高达1T 的容量储存空间,永久保存数十年内的所有天天看高清工艺记录。
曆史記錄:
    可追溯的工艺数据表格,可以在每支天天看高清上取出多组采样点, 准确的再现单支天天看高清各段的处理温度值。触摸屏系统中可储存约3 万条工艺记录, 可以U盘或者网络备份; 工控机系统中则完全不受储存空间限制,永久保存数十年内的所有天天看高清工艺记录。
長杆類鋼管鋼棒感應加熱熱處理優勢:
   長杆類中碳低合金鋼管鋼棒,其熱處理加熱方式爲燃氣加熱、電阻爐加熱和感應加熱三種。燃氣加熱、電阻爐加熱對于長杆類鋼棒鋼管的熱處理,其關鍵點之一就是整體均勻並且高效的加熱、淬火較難實現,這是造成長杆類工件的變形、調質後硬度不均勻難以控制的原因之一,而感應加熱熱處理較爲經濟合理,通過感應加熱熱處理調質線,對天天看高清進行調質以提升鋼材性能。感應加熱熱處理調質的主要特點是加熱速度快、表面氧化少、旋轉加熱過程中實現淬、回火過程,調質後鋼材直線度好、不彎曲。感應調質熱處理在生産這類長材天天看高清熱處理時應用較爲廣泛。國外在加熱方式上選用較多的也是感應加熱。
長杆類鋼管鋼棒感應加熱熱處理調質生産線特點:
   我們設計的鋼棒鋼管感應熱處理線,在傳動設計上采用斜放布置的V型輥,減小徑向的跳動。使工件産生自旋轉運動,采用壓力噴射冷卻技術,冷卻介質從壓力噴嘴中以一定壓力噴出呈紊流狀態的連續水流,利用液流破碎前的連續噴流沖擊鋼棒而冷卻。穿透性好,適用于水汽膜較厚的環境,冷卻效率高。當冷卻水接觸到熾熱的鋼棒時,産生汽化並形成汽膜,由于連續水流沖擊在表面,該表面很難形成穩定的蒸汽膜。表面溫度迅速下降,此時核沸騰爲主要的換熱方式。核沸騰一開始,熱流密度q就急劇增加,當鋼棒鋼管表面溫度降到低于氣泡沸騰的溫度下限時,沸騰停止,熱流密度下降。
   射流的正下方存在一个单相对流换热区域,随着距驻点的半径增大,将出现核沸腾和膜沸腾区。单相对流时换热系数的影响因素为射流速度和冷却水温度,完全核沸腾时自由流体的温度和速度对换热系数影响不大。核沸腾出现的半径由射流速度和过冷度决定,一定位置热流密度最大的时刻即为出现核沸腾的时刻。在天天看高清中的喷水淬火情况下,淬火烈度H可达到3~4,在高速冷却下,钢棒在几秒钟内就全部冷却到马氏体转变点以下。芯部基本上也完全转变成均匀细小的马氏体,工件的整个横截面上组织趋于一致,使得钢材的性能得到充分的发挥。淬火过程中的喷水冷却阶段,冷却水从环形的喷水装置中喷出后,汇聚到工件表面,出水压力最高达0. 3MPa。充分将工件表面的蒸汽膜破坏掉,使得淬火效率和天天看高清质量大大提高。基体组织就基本上转变成马氏体,组织较为均匀,有利于回火后强度和韧性的提高。

   噴射的水流在工件表面形成更加均勻接觸的核沸騰,使其橫截面的溫度場分布更加合理,抑制了整體的變形。冷卻水流噴至工件表面後沿工件前進方向形成一個包絡住工件表面的水柱,保證冷卻水和工件充分接觸,提高了偏心運動的工件均勻淬透。連續冷卻方式爲鋼棒在通過控制冷卻裝置時,邊前進邊冷卻,使之從頭至尾漸次達冷卻到規定的終冷溫度,這是目前采用最多的冷卻方式,被廣泛應用于長杆管件淬火中。由于生産線爲連續不間斷工作模式,整條生産線的控制采用PLC與人機交互系統,傳動采用變頻式對整條生産線進行調度調節,控制精度高、調節範圍廣、運行更加平穩。同時在電源配置上留有一定的富余量,以保證一定的加熱速度:在配套熱處理工藝中使用了相對Ac3高出很多的淬火溫度,讓工件芯部在足夠高的溫度進行奧氏體化。生産線溫度檢測采用高精度非接觸紅外線測溫儀,確保了天天看高清質量的穩定性。紅外實時測溫系統將數據傳至操作台的無紙記錄儀中,方便工作人員的遠端監控和生産關鍵參數的回溯。

成套設備組成及主要元器件廠家:
  1)淬火IGBT双频感應加热电源:
  2)回火IGBT双频感應加热电源:                
  3)淬火感應加热炉体
  4)回火感應加热炉体
  5)储料架
  6)输送架
  7)淬火炉体柜(含不锈钢管道、双频电容器柜组、输送托辊)               
  8)淬火水箱(含不锈钢喷水圈,流量计及变频托辊)                
  9)回火炉柜体(含不锈钢管道、双频电容器柜组、变频拖动)       
  10)寸动凉料装置
  11)收料架
  12)PLC总控制台
  13)變頻器控制柜                                            
  14)氧化皮过滤箱                                                               
  15)红外测温自动控温系统  


主要元器件廠家及零部件材質

序號

名稱

産地或品牌

1

紅外線測溫儀

美國雷泰

2

PLC控制系統硬件

SIEMENS

3

變頻器

SIEMENS

4

IGBT模塊

英飛淩

5

開關、按鈕

施耐德

6

接近開關

歐姆龍

7

氣動元件

煙台氣動液壓應用有限公司

8

主控板

河北遠拓

9

感應線圈

河北遠拓,線圈绝缘材料进口,線圈使用寿命和无故障使用时间长,加热效率高

10

調諧電容

杭州科昂,該電容耐高溫高壓,使用穩定,壽命長

11

冷卻水管

韓國三山優質多層無碳絕緣管,不會斷裂、不導電。

12

卡箍

不鏽鋼不導磁,強磁場下不發熱,不會斷裂

13

銅材

中國洛銅,T2高純度99.99%導電率無氧銅管,大截面母排,傳導性好,發熱小,能耗損失小,壽命也長

14

耐火水泥

美国联矿(天津分公司),特别配方,和銅材热膨胀系数接近,不易开裂、脱落,使用寿命长。

15

減速機

江蘇泰隆、國茂或德國諾德、SEW

16

爐體中間托送輥

304無磁不鏽鋼


設備機械系統工作過程:
   
本成套設備機械動作采用PLC控制,只需人工將棒料置于儲料架,其余動作均由PLC控制下的系統自動完成。可根據用戶的每個天天看高清規格設定一套程序,工作時只需在觸摸屏上點擊需要生産的天天看高清規格一切動作均有PLC程序自動完成。
天车吊料→储料平台→自动续料机构→进料辊道→淬火感應加热→红外线测温→出料辊道→喷淋淬火→淬火完成→回火输送机构→回火感應加热→红外线测温→出料辊道→凉料机构→收料架


PLC總操作控制系統
   良好的人機對話窗口,可實時檢測整個系統設備的運行狀態。方便快捷的操作方式轉換,在自控運行狀態可實現人工參與對電源功率或運行速度的調整,對人工參與的調整數據系統將進行實時記錄。
   實時檢測加熱過程溫度變化趨勢能自動分辨出加熱溫度的高低並報警。通過測溫儀可對工件在加熱過程中各段的升溫情況進行檢測。
   实时采集、记录、存储过程控制的数据并具有相应的分类检索、查询、打印功能。过程数据可按年月日详细记录、查询、打印。 (工控机)对过程加热设定参数可自动形成数据库并可储存至少半年,数据能够拷贝,以备随时抽查。(工控机)自动记录所采集到的加热温度,自动生成加热温度时间曲线,并能查询。(工控机)集成VGA+DVI显示接口,4PCI,6COM口,6USB,1PCIEX1,1PCIEX16,2个千兆网卡,功能强大的研华IPC-610L/EBC-MB06/I5-2400/4G/1T 工控机。
   由于天天看高清线为连续不间断运行,故电机与电源的自动控制显得尤为重要,并且将直接影响到天天看高清的质量。电机传动部分SIEMENS 变频调速电源来控制传送线的运行速度。利用集控台,通过SIEMENS PLC 及工控机人機界面等控制系统,可实现下述功能:
   1).生産線啓動時,能自動完成傳動機構及各電源的啓動,並自動實現速度與功率上升的合理匹配。自動調節加熱電源功率,盡量減少溫度波動。
   2).控制系統具有20套工藝參數的設定、存儲、調節、修改、統計、等功能。
   3).系統具有溫度、電流、電壓等閉環功能,確保生産線按最佳工藝參數運行,保證天天看高清質量不受人工及環境因素的影響。
   4).人機界面中文圖形文本(觸摸屏)可設定及實時顯示以下參數:
     a.电源电压、功率
     b.线速度、直径、重量
     c.电源工作状态
     d.故障信息显示,10组历史故障存储
     e.天天看高清线工作状态信息显示
   5).同時可實現生産數據實時記錄、存檔、查詢、打印等功能(包括實時顯示生産數據、生産效率、工件溫度及電源運行參數等)根據技術要求,自動記錄和分析參數變化,自動預測故障和報警,設備遠程集中控制,自動生成各種報表實現生産過程的可追溯性。
   电气控制主要完成对整个天天看高清线的过程控制和调节,完成天天看高清线相关设备及其各个相关专业之间的工艺联结、连锁,以保证整个天天看高清线设备能够按照天天看高清和工艺要求,正常、正确、准确地进行相应的有序动作。各动作过程设有调整、手动、自动等操作方式。


PLC總操作控制台

人機界面

斜置V型輸送輥道

反向壓送校直裝置

淬火噴淋系統


以42CrMoS4鋼棒爲例,我們做出的實驗:

表1  42CrMoS4化学成分(质量分数)(%) 

規格/mm

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Cu

Al

Ф65

0.41

0.27

0.75

0.011

0.028

1.05

0.07

0.20

0.11

0.043

Ф35

0.41

0.31

0.74

0.011

0.021

1.04

0.12

0.18

0.12

0.027


   
钢棒调质前状态为热轧态,42CrMoS4为亚共析钢,42CrMoS4钢Ac3温度约为780℃,常规热处理选取淬火温度一般为850~860℃。但在感應加热中加热速度非常快,其临界点Ac3随加热速度的增大而升高,而且我们要考虑奥氏体化的充分性,应适当提高加热温度。根据钢材标准的力学性能要求,既要有一定的强度、硬度,又要有良好的塑性及冲击韧度,确定钢材回火温度应为高温回火,希望得到更多的回火索氏体。所以我们试验设定感應加热调质工艺见表2,我们在已调质的钢材上取样检测纵向力学性能,截取位置为距表面12.5mm处,取样两支,检验结果及标准性能指标要求见表3。 

表2  42CrMoS4感應加热调质工艺 

規格/mm

淬火1區/℃

淬火2區/℃

保溫區/℃

水流量l/s

回火1區/℃

回火2區/℃

輥速/mm·s-1

Ф65

720

900

920

65

710

710

37.32

Ф35

725

900

920

55

700

700

147.12

表3  力学性能指标及检验结果 

規格/mm

Rm/MPa

ReL/MPa

A(%)

Z(%)

KV2/J(20℃)

KV2/J(-20℃)

Ф65

1 005

865

19

66

117.2/96.3/115.5

≥35

108.4/117.6/101.5

≥35

標准要求

900~1100

≥650

≥12

≥50

Ф35

1 068

922

15

57

86/85.3/90.9

87.1/83.4/88.9

標准要求

1 000~1200

≥750

≥11

≥45

≥35

≥35

組織性能分析 
   从试验结果来看,力学性能符合標准要求,Ф35mm由于规格较小,在淬火过程中全截面都可以达到很快的冷却速度,我们取其调质后半径1/2位置的金相组织(如图1所示),我们可以得到较为均匀的回火索氏体组织,未见贝氏体组织及块状铁素体出现。对于Ф65mm规格我们取样分别观察钢材横截面上不同位置的金相组织,靠近表面位置为比较均匀的回火索氏体(距表面距离≤15mm以内),如图2所示。 
   隨著距表面距離的增加逐漸有貝氏體出現,圖3爲距表面16mm處組織,回火索氏體+少量貝氏體組織,圖4爲距表面25mm處組織,回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體。由于鋼材在淬水冷卻過程中隨著鋼材橫截面深度的增加,冷卻強度逐漸下降,越往心部冷卻速度越慢,當小于馬氏體轉變臨界冷卻速度就會析出貝氏體。 
   如圖5所示,42CrMo鋼奧氏體連續冷卻轉變曲線可以看出,過冷奧氏體轉變同時存在珠光體區和貝氏體區,但貝氏體區超前于珠光體轉變區。在設備現有冷卻條件下,小直徑棒材連續冷卻過程中心部不會有先共析鐵素體析出,因此圖4中的鐵素體相是由于加熱過程中心部位置加熱保溫不足造成的,從鐵素體分布情況也可以做出明確判斷。但總體來說不論從力學性能檢測情況及金相組織情況來看,均可以滿足性能要求。 

图5  42CrMo CCT曲线

   结论
   对于感應加热淬火+回火连续热处理线,由于其加热的物理特性均可以达到很快的加热速度,我们需应采用比传统加热方式更高的淬火及回火温度,当采用不同的加热速度时也应做出相应的调整。我们目前制定的感應加热调质工艺完全可以满足天天看高清的力学性能要求。

定制:42crmo鋼棒感應加熱熱處理調質設備

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