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　　 立式支承輥感應(yīng)加熱差溫淬火機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)

　　 作者:劉志剛、菊晁海、朱峰、董季承、賈田冰、北京機(jī)電學(xué)。

　　 牛洪堂、張健、劉詢、張彤、陜西軋鋼設(shè)備廠

　　 資料來源:屬加工(熱加工) )雜志

　　 大型立式中頻感應(yīng)加熱托輥復(fù)合淬火機(jī)床是在概念下設(shè)計(jì)的種型機(jī)床，替代煤氣、油、托輥差溫爐，其升降、加熱、操作和噴霧淬火方式不同于傳統(tǒng)托輥差溫爐。 針對(duì)煤氣溫差爐在生產(chǎn)過程中存在的加熱時(shí)間長、能耗高、吊裝不便等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了型機(jī)床的設(shè)計(jì)思想. )。 因此，型機(jī)床在生產(chǎn)效率、加熱方式、噴霧淬火方式、生產(chǎn)成本、工作安全、勞動(dòng)強(qiáng)度、工件適應(yīng)、工件質(zhì)量和工藝設(shè)置等方面顯示出較強(qiáng)的優(yōu)勢。

　　 眾所周知，提高支承輥的質(zhì)量、精度、使壽和短支承輥的加工周期是軋鋼領(lǐng)域的個(gè)重要研究課題。 生產(chǎn)支承輥的工藝能有效提高材料利率。 支承輥的使壽與輥的表面硬度、硬化層的深度和支承輥的耐磨密切相關(guān)。 同時(shí)，對(duì)原有制造方法改進(jìn)和對(duì)托輥材料的選擇是提高托輥能的主要措施。

　　 立式托輥感應(yīng)加熱差溫淬火機(jī)床是由北京機(jī)電研究所為中冶陜西重工裝備有限公司設(shè)計(jì)的.有限公司. 特殊制造，享有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 機(jī)床加工工件范圍為:托輥長6000 mm，直徑φ800 -φ1。.680 mm，輥長度為7.80 - 2.500mm，質(zhì)量小于等于60t，硬化層深度為3。.0 - 118毫米.。

　　1. 支承輥感應(yīng)加熱的設(shè)計(jì)理念

　　 感應(yīng)加熱術(shù)在機(jī)械加工中得到了廣泛的應(yīng)，但低頻大功率電源很少于熱處理. 這種低頻大功率感應(yīng)加熱在支承輥上的應(yīng)是感應(yīng)熱處理術(shù)的重大突破，為感應(yīng)熱處理提供了個(gè)的術(shù)。

　　 利visual basic軟件對(duì)ANSYS進(jìn)行了封裝，并根據(jù)參數(shù)的變化對(duì)支承輥感應(yīng)加熱的溫度場進(jìn)行了模擬析。 對(duì)支承輥材料感應(yīng)加熱的溫度場進(jìn)行了模擬析，推導(dǎo)了支承輥加熱過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，括感應(yīng)器的設(shè)計(jì)、加熱過程的制定以及磁場強(qiáng)度和磁場布。

　　2. 機(jī)床設(shè)計(jì)與制造特點(diǎn)

　　 這種感應(yīng)熱處理和噴淬火的方法是種概念。

　　 ( 1 )立式支撐輥感應(yīng)差溫淬火機(jī)床可站完成送料、加熱、噴淋淬火工作。

　　 ( 2 )大型吊掛工件做上下操作和穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。

　　 ③低頻大功率感應(yīng)加熱及溫度控制。

　　 ( 4 ). )噴淋淬火站噴水，噴淋、噴按工藝可自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

　　 本發(fā)明涉及種托輥感應(yīng)化加熱淬火機(jī)床，是我研制的先進(jìn)的托輥熱處理設(shè)備. 本發(fā)明具有低碳、環(huán)、節(jié)能、使成本低、產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)異、淬火層超深等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)托輥熱處理設(shè)備節(jié)能30 %以上，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，是目前托輥熱處理理想的設(shè)備。

　　 ( 1 )機(jī)床

　　 機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造是基于立式工件整加熱淬火的原理；要求機(jī)床具有承載能力、穩(wěn)定、抗振、穩(wěn)定和安全可靠。 機(jī)床的主(見圖. 1 )頂部為凹形設(shè)計(jì)的龍門結(jié)構(gòu)，機(jī)床上的移動(dòng)梁通過專夾具提升托輥；上移動(dòng)梁可通過螺桿上下移動(dòng)，移動(dòng)位置括送料、加熱、噴淋淬火三個(gè)位置；上移動(dòng)梁的下降速度可通過變頻調(diào)節(jié)；下光束通過光條上下調(diào)節(jié)，起到中和定工件的作。 機(jī)床上裝有液壓配重裝置，可以衡機(jī)床的應(yīng)力，提高機(jī)床的穩(wěn)定，延長機(jī)床的使壽。

　　 ()備輥感應(yīng)立式機(jī)床片

　　 (二)托輥立式機(jī)床示意圖

　　 圖1

　　 工作時(shí)，被上移動(dòng)梁懸掛工件向下運(yùn)行至下梁頂部位置居中，定下梁，使上、下梁與工件連接成負(fù)載，整個(gè)工件在感應(yīng)爐中旋轉(zhuǎn)加熱，加熱完成后，負(fù)載下降至噴淋淬火位置進(jìn)行噴淋淬火。 噴淋淬火完成后返對(duì)中位置，解后提升至送料位置。 在同工位加熱淬火。 每個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都經(jīng)過了jq的計(jì)算和專家論。 本發(fā)明結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，空轉(zhuǎn)距離短，工件適范圍廣，工作穩(wěn)定。

　　 ( 2 )電源

　　 采可控硅變頻電源，效率高、積小、重量輕、操作方便、啟動(dòng)靈活。 電源頻率為36 - 60hz。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，900℃時(shí)鋼的當(dāng)前穿透深度為:

　　 δ= 500 / f1 / 2 ( f為電源頻率)

　　 從上述公式可以看出，頻率越低，電流穿透深度越深，穿透深度和穿透溫度以及持時(shí)間決定奧氏化深度。 在定穿透深度的前提下，溫時(shí)間決定了穿透深度后的奧氏化深度。 由于奧氏化深度在控制范圍內(nèi)可調(diào)，提高了加熱速度，節(jié)約了時(shí)間和能源。

　　 感應(yīng)爐加熱是帶負(fù)荷啟動(dòng)的，如果電源和爐能抗大功率沖擊和低頻振動(dòng)，電源啟動(dòng)成功率為100 %。 由于工件在加熱過程中旋轉(zhuǎn)，可以克加熱過程中工件偏心引起的加熱不均勻現(xiàn)象。

　　 感應(yīng)電爐測溫系統(tǒng)采紅外測溫-閉環(huán)控制，閉環(huán)過程為:工件溫度→紅外測溫→PLC計(jì)算機(jī)控制輸出號(hào)→中頻電源→感應(yīng)電爐輸出功率控制→工件溫度，了工件在加熱過程中在設(shè)定溫度的10℃以內(nèi)工作，現(xiàn)了輥表層均勻奧氏化。

　　 ( 3 )噴霧淬火

　　 將加熱后的工件下送到噴淋淬火位置進(jìn)行噴淋淬火，噴淋淬火機(jī)構(gòu)由多個(gè)混合噴淋淬火組成，噴淋淬火時(shí)工件表面形成多個(gè)淬火帶，由于噴淋淬火時(shí)工件旋轉(zhuǎn)，所以3s內(nèi)多個(gè)噴淋淬火帶可以蓋支撐輥的所有表面；噴淋淬火機(jī)構(gòu)的工作模式為水態(tài)、霧態(tài)、氣態(tài)，各模式中噴淋量的大小比例可以調(diào)節(jié)，形成相對(duì)完整的淬火工藝模式鏈；通過計(jì)算機(jī)控制噴淋淬火的大小、方式和時(shí)間，使噴淋淬火機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)各種規(guī)格托輥的淬火工藝。

　　 噴淋淬火部整結(jié)構(gòu)采機(jī)械運(yùn)動(dòng)，噴淋淬火距離可根據(jù)支撐輥外徑大小隨時(shí)調(diào)整，使各種規(guī)格輥的表面水壓和密度相同，工件質(zhì)量的均勻。

　　 ( 4 )電氣控制

　　 立式托輥感應(yīng)加熱淬火機(jī)的電氣控制由機(jī)械操作、中頻加熱、設(shè)備冷卻、噴淋淬火冷卻、閉環(huán)溫度控制、PLC和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。 設(shè)備運(yùn)行可由主控計(jì)算機(jī)在自動(dòng)運(yùn)行，并可逐級(jí)立控制。

　　 在運(yùn)行時(shí)，工藝參數(shù)從計(jì)算機(jī)傳輸?shù)絇LC. PLC發(fā)出指令，控制各部件的啟停和運(yùn)行. 運(yùn)行中的參數(shù)、狀態(tài)和溫度顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上，其運(yùn)行數(shù)據(jù)將長期存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。 控制部設(shè)有完整的息測記錄系統(tǒng)，并設(shè)有與二次計(jì)算機(jī)連接管理的電氣系統(tǒng)的接口控制器系統(tǒng)、邏輯控制系統(tǒng)、狀態(tài)測系統(tǒng)以及系統(tǒng)中的儀表。

　　3. 際應(yīng)效果

　　 ( 1 )差熱處理工藝

　　 支撐輥為快速感應(yīng)差溫加熱前，在箱式加熱爐內(nèi)整預(yù)熱至350 ~ 500℃(預(yù)熱可使輥內(nèi)外溫度均勻)。 預(yù)熱后進(jìn)行快速感應(yīng)加熱，在輥表面與190 mm層深度之間形成810 ~ 940℃的加熱層，形成工件內(nèi)外溫差，減小加熱引起的熱應(yīng)力。

　　 將備輥預(yù)熱到感應(yīng)差溫爐內(nèi)，經(jīng)過三段:

　　 ( 1 )將預(yù)熱溫度快速加熱至工藝設(shè)定溫度，同時(shí)通過電磁感應(yīng)從輥表面加熱至70 mm深度，在表面形成高溫儲(chǔ)能層，為溫度的內(nèi)傳導(dǎo)提供熱能。

　　 ( 2 )表面加熱層經(jīng)過居里點(diǎn)后，加大功率開始溫，儲(chǔ)能面積進(jìn)步擴(kuò)大到90 mm，同時(shí)高溫儲(chǔ)能層的熱量向內(nèi)傳導(dǎo)，所需奧氏化層的深度由溫時(shí)間決定。

　　 ( 3 )工件溫后，降至噴淋淬火位置進(jìn)行強(qiáng)噴水淬火；當(dāng)工件表層溫度降至工藝的第過渡點(diǎn)時(shí)，通過強(qiáng)噴涂方式將工件轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)噴涂方式；當(dāng)達(dá)到工藝第二過渡點(diǎn)時(shí)，由強(qiáng)噴涂方式改為弱噴涂方式；工件可獲得佳淬火效果。

　　 注:溫時(shí)間長短根據(jù)輥身直徑、硬化層深度要求和際加熱速度確定. 溫時(shí)間過長，輥芯溫度過高，工藝控制輥芯溫度<600℃。

　　 奧氏化層深度至少為所需硬化層深度的2倍以上，使淬火后得到的硬化層具有夠坦的過渡層布空間，硬化層和過渡層處于壓應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力峰值向內(nèi)移動(dòng)，大大提高了表層的抗疲勞能。

　　 在同支承輥的不同深度處的際溫度曲如圖1所示. 2。 曲由加熱、溫和噴霧淬火三部組成。

　　 9k型熱電偶安裝在工件的軸向由外向內(nèi)，鉆孔深度為600 mm，第熱電偶輥表面為50 mm深，每隔20 mm1測點(diǎn)后，深個(gè)210 mm，從記錄儀中可以清楚地看到加熱、溫、噴霧淬火的全過程，深度越深，溫度越低，溫差越大，溫差越好。

　　 注:熱電偶: (鎳鉻鎳硅)雷克- k型；記錄器:紙F(tuán)X 112 ( 10通)。

　　 ( 2 )支承輥的生產(chǎn)能力5爐規(guī)格為gt -φ1000、gt -φ1150、gt -φ1320、gt -φ1500、gt -φ1700，可適應(yīng)輥身直徑φ800 ~ 1680 mm、輥身長度2050 mm、質(zhì)量60t的支承輥內(nèi)加熱工作。

　　 以質(zhì)量為20t支承輥為例。 加熱方式的比較:傳統(tǒng)的溫差爐通過爐溫從工件表面內(nèi)部傳導(dǎo)熱量，感應(yīng)加熱直接作在加熱層上，然后傳導(dǎo)熱量到內(nèi)部。 立式感應(yīng)加熱淬火機(jī)均每天每班生產(chǎn)2，1年按225天計(jì)算，年生產(chǎn)能力為2×225×20 = 9000 ( t )。 常規(guī)差溫爐每天每班生產(chǎn)1. 5、年生產(chǎn)能力1. 5×225×20 = 6750 (噸)。 因此感應(yīng)加熱比傳統(tǒng)差溫爐耗時(shí)少，生產(chǎn)能力高。

　　 ( 3 )硬化層深度與硬度曲的比較

　　 果. 圖3示出了支承輥淬火后，在輥端面切下10 mm，Hg - 141輥專硬度計(jì)點(diǎn)測硬度，500 - 144數(shù)字尺測量硬化層深度，測量數(shù)據(jù)鏈。

　　 測量支撐輥的表面硬度和有效硬化層深度示于表1中。 從JB / t 4 120 - 2006大型鍛鋼支承輥可以看出，支承輥感應(yīng)加熱淬火機(jī)生產(chǎn)的支承輥硬化層深度和硬度達(dá)到并超過家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，過渡層較深，wq符合支承輥的使能。

　　 表1支承輥身有效硬化層深度

　　 支承輥

　　 直徑/毫米

　　 硬度

　　 標(biāo)準(zhǔn)硬度

　　 70鉻3鉬

　　 45cr4ni莫夫

　　 測量硬度

　　 深度/毫米

　　 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)深度/毫米

　　 際深度/毫米

　　 深度/毫米

　　 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)深度/毫米

　　 際深度/毫米

　　 1100

　　 65 - 75

　　 72 - 82

　　 77 - 80

　　 ≥55

　　 ≥50

　　 ≥80

　　 - -

　　 - -

　　 - -

　　 1200

　　 65 - 75

　　 70 - 80

　　 - -

　　 - -

　　 - -

　　 - -

　　 60歲以上

　　 ≥100

　　 ≥110

　　 1250

　　 65 - 75

　　 65 - 70

　　65. 8～70

　　 ≥55

　　 ≥80

　　 105

　　 - -

　　 - -

　　 - -

　　 1350

　　 65 - 75

　　 70 - 75

　　 70 - 73

　　 ≥55

　　 40歲以上

　　 ≥57

　　 - -

　　 - -

　　 - -

　　 果. 4顯示了際硬度與硬化層深度之間的關(guān)系。 感應(yīng)淬火后，解剖70cr 3 nimo支承輥以獲得數(shù)據(jù)，并使Hg - 141輥比硬度計(jì)在距輥表面每切割5 mm的端部150 mm和400 mm的距離處測量硬度，以獲得由數(shù)據(jù)鏈形成的圖。

　　4. 使成本比較

　　 果. 5是常規(guī)差溫爐和感應(yīng)差溫立機(jī)床生產(chǎn)的支承輥的加熱曲。 生產(chǎn)托輥的感應(yīng)差溫立式機(jī)床的淬火步驟為預(yù)熱、加熱、功率轉(zhuǎn)換、再加熱、溫、噴霧淬火。

　　 表2從加熱時(shí)間和能耗方面比較了常規(guī)差溫爐和感應(yīng)加熱差溫爐。

　　 表2常規(guī)差溫爐和感應(yīng)差溫爐生產(chǎn)20t支承輥的能耗和時(shí)間

　　 裝備

　　 能源消耗類型

　　 噸消耗量

　　 價(jià)/元

　　 能耗

　　 能源消費(fèi)價(jià)格/元

　　 準(zhǔn)備時(shí)間/鐘

　　 加熱時(shí)間/鐘

　　 噴霧淬火時(shí)間/鐘

　　 硬化層深度/毫米

　　 常規(guī)差溫爐

　　 天然氣

　　 300立方米

　　3

　　 6000立方米

　　 18000

　　210

　　210

　　90

　　70

　　 料

　　 120公斤

　　7

　　 2400公斤

　　 16800

　　210

　　210

　　90

　　70

　　 感應(yīng)差溫立式機(jī)床

　　 功率消耗

　　 280瓦

　　1

　　 5600瓦

　　5600

　　30

　　120

　　90

　　 ≥80

　　 通過比較，本發(fā)明具有明顯的節(jié)能效果，產(chǎn)質(zhì)量高。 同時(shí)，傳統(tǒng)的差溫爐料或天然氣會(huì)造成環(huán)境污染，而感應(yīng)加熱立式機(jī)床對(duì)環(huán)境污染、低碳環(huán)。 此外，如可以從圖1直觀地看到的. 5 .采感應(yīng)差溫立式機(jī)床可以大大短托輥的加熱時(shí)間，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

　　 六月初

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