軋輥電加熱淬火方法與裝置的制作方法

專利名稱：軋輥電加熱淬火方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及軋輥熱處理領域，尤其涉及一種軋輥淬火方法與裝置。
背景技術：
軋輥是軋鋼生產的重要零件。目前，大型軋輥特別是冷軋工作輥均有一層淬硬工作層，其厚度大約為40 60mm，其硬度大約為60 62HRC，目的是減少軋輥在軋鋼工作過程磨擦磨損；而工作輥的輥心及輥軸均處于硬度較低的調質狀態，使軋輥保持較高的韌性，防止軋輥斷裂。淬火是軋輥熱處理的最重要工序，工作層的淬火質量在很大程度上決定了軋輥的后續使用性能和壽命。軋輥表面淬火一般是在箱式/井式電阻爐內整體加熱，升溫速率￡50°C /h，中間分段保溫時間4 8h，至淬火溫度，按軋輥材質不同一般950°C 1050°C;后保溫8 16h，然后吊運出爐，并把輥子置于淬火介質池內，通常為油或水池內進行急冷，這種傳統淬火方式的缺點是加熱保溫時間長，總時間約40 50h、輥軸需要采取局部隔熱或單獨進行熱處理。為此，差溫淬火爐通過兩個可以自動開合的半圓形爐體閉合后開始對軋輥工作段進行局部不燒透加熱，而輥軸處于爐體外，輥面加熱到預定淬火溫度并保溫2 4h后，打開爐體移出軋輥并進入冷卻區進行冷卻，但受輻射傳熱方式限制，加熱時間長達IOh左右。近年來，軋輥感應淬火通過在感應線圈內通以工頻或中低頻電感應加熱表面層，可以較好地控制淬硬層深度，而且晶粒細化，由于電磁感應加熱速度很快，大大提高了軋輥淬火效率，淬火質量也有所提高，因此感應加熱在軋輥熱處理領域得到迅速推廣。目前，感應淬火方法可分兩種:1、連續式感應淬火，即采用比較短窄的感應線圈，線圈匝數只有幾匝，軋輥和線圈可以沿軸向相對移動，電源頻率多為工頻50Hz，這樣軋輥從輥面一側到另一側連續得到感應加熱和冷卻淬火，處理時間大約需要Ih ;以1500mm長的淬火輥面為例，線圈和軋輥相對移動速度假設為0.5mm/s，則連續淬火時間至少需要50min。連續感應淬火技術目前已經比較成熟，其不足之處是當軋輥外徑改變時，需要更換專用的感應器來匹配，因此熱處理廠常常需要準備一系列不同內徑規格的感應線圈，淬火成本提高。2、整體式感應淬火，即感應線圈匝數覆蓋整個輥面，輥面全部置于線圈內部整體得到同時感應加熱，然后移出輥體再進行冷卻淬火。整體感應淬火加熱時間進一步縮短，但感應器規格大，在軋輥工作直徑和長度變化時仍也需更換匹配的感應器。從上可知，已有感應加熱的不足之處是其存在電一磁一電一熱轉換過程，存在能量轉換損耗，在當軋輥規格變化時需要頻繁更換專用感應圈來匹配，增加了淬火工裝準備，而且輥面軸向加熱溫度均勻性也有待進一步提高。

發明內容
本發明 所要解決的技術問題是提供一種軋輥電加熱淬火方法與裝置用一對電極分別連接在軋輥輥面兩端形成通路，根據淬火深度及軋輥材料要求調節電源頻率，本發明淬火深度可控，工裝準備比較簡單，適用于多種規格的軋輥表面淬火熱處理要求。
本發明是這樣實現的:一種軋輥電加熱淬火方法，首先將軋輥放置在保護氣氛中預熱并保溫一定時間，然后將軋輥送入淬火工位，用一對電極分別連接在軋輥輥面兩端形成通路，再根據要求的淬火深度通對應頻率的交流電源加熱軋輥，待軋輥輥面溫度達到淬火溫度950°C 1050°C，保持淬火溫度I 5min，最后關閉電源停止加熱立即噴水冷卻完成淬火。所述的淬火深度δ與交流電頻率的關系式為S=sqrt (I/ (ρ* μ * σ *f ))，其中μ是軋輥磁導率，σ是軋輥電導率，f是交流電頻率。所述預熱溫度300 500°C，保溫時間5 IOh。所述通電加熱時逐步升高交流電源的輸出電壓，直到軋輥輥面溫度達到淬火溫度后調節交流電源的輸出電壓，使軋輥輥面的溫度保持在淬火溫度。所述噴水冷卻時，軋輥繞輥軸來回轉動，提高冷卻均勻性。一種軋輥電加熱淬火裝置，包括電極、電源、冷卻水噴嘴組件、紅外測溫器、壓緊氣缸和軋輥支架，軋輥設置在軋輥支架上，所述電極為一對環形電極，電極由壓緊氣缸壓貼在軋輥的輥面兩端，電源與電極連通成回路，紅外測溫器與軋輥相配合探測軋輥輥面溫度，冷卻水噴嘴組件的噴嘴面向軋輥輥面。所述的電極為分瓣式電極，由電極頭組和電極環構成，所述電極頭組由若干獨立的電極頭構成，電極頭以電極環的軸心為圓心環形陣列在電極環上。該淬火裝置還包括補熱線圈和補熱電源，所述補熱線圈和補熱電源設置在軋輥的輥面兩端。所述軋輥支架上還裝有軋輥轉動機構。所述軋輥支架為豎直形支架，冷卻水噴嘴組件中各個冷卻水噴嘴沿輥面上下方向的分布上近下遠。本發明一種軋輥電加熱淬火方法與裝置用一對電極分別連接在軋輥輥面兩端形成通路，根據淬火深度及軋輥材料要求，取電源頻率50 200Hz可調，再根據要求的淬火深度通所對應頻率的交流電源加熱軋輥，逐步升高交流電源輸出電壓/功率，輥面溫度隨之升高至淬火溫度，保持淬火溫度保持一定時間后關閉電源停止加熱，立即噴水冷卻，至輥面溫度達到馬氏體轉化溫度以下時完成淬火處理。本發明加熱效率高,淬火質量均勻,淬火深度可控，工裝準備比較簡單，適用于多種規格的軋輥表面淬火熱處理要求。


圖1為本發明軋輥電加熱淬火方法中軋輥截面內電流密度分布 圖2為本發明軋輥電加熱淬火裝置結構示意 圖3為本發明軋輥電加熱淬火裝置中電極的結構示意 圖4為本發明軋輥電加熱淬火裝置中補熱裝置的示意 圖5為本發明軋輥電加熱淬火裝置中冷卻水噴嘴組件的布置示意圖。圖中:1軋輥、2電極、3電源、4冷卻水噴嘴組件、5紅外測溫器、6壓緊氣缸、7軋輥支架、8補熱線圈、9補熱電源、21電極頭 組、22電極環。
具體實施方式
下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明表述的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。實施例1
一種軋輥電加熱淬火方法，首先將軋輥放置在保護氣氛中預熱并保溫一定時間，然后將軋輥送入淬火工位，用一對電極分別連接在軋輥輥面兩端形成通路，再根據要求的淬火深度通對應頻率的交流電源加熱軋輥，待軋輥輥面溫度達到淬火溫度950°C 1050°C，保持淬火溫度I 5min，最后關閉電源停止加熱立即噴水冷卻完成淬火；為了節約能源，通常噴水冷卻至220°C以下，即馬氏體轉化溫度以下時即可停止噴水，放置在空氣中使其自然降至常溫。進行淬火時，電極施加一個交變電壓U，交變電壓U就會在導電性的輥身內部直接產生交變電流I，根據歐姆定律，I = υ/R，式中R為兩電極之間輥身的交流阻抗，對導電體的軋輥來說，此阻抗可以近似等效成一個純電阻。又由于電阻的歐姆熱效應，電流I從軋輥輥身一側經過輥身內流動至輥身另一側時，產生的歐姆熱Q= I2Rt,式中t為通電時間，這樣處于兩電極之間的輥身部分得到電加熱，而輥身兩側的輥軸由于沒有電流經過而不會發熱。又由于根據電磁理論可知，導體截面內電流密度分布如圖1所示，當交變電流通過導體時電流在導體橫截面存在“集膚”或“趨膚”效應，交變電流將趨于沿著導體表面流過。交變電流頻率越高，集膚效應越明顯，交變電流在導體橫截面上的分布密度在導體表面最高，向內以指數型方式迅速減小，所以本發明中可以通過以下關系式來控制軋輥需要淬火深度:所述的淬火深度δ與交流電頻率的關系式為5=sqrt (I/ (ρ* μ * σ *f ))，其中μ是軋棍磁導率，σ是軋輥電導率，f是交流電頻率。

本發明的方法可以進一步描述為，所述預熱溫度300 500°C，保溫時間5 IOh ;為了使淬火溫度能得到精確的控制，所述通電加熱時逐步升高交流電源的輸出電壓/功率，直到軋輥輥面溫度達到淬火溫度后調節交流電源的輸出電壓/功率，使軋輥輥面的溫度保持在淬火溫度。另外為了提高冷卻的均勻性，所述噴水冷卻時，軋輥繞輥軸來回轉動，上述加熱、保溫、冷卻水壓以及軋輥擺動等均可通過淬火控制系統實現自動控制。如圖2所示，一種軋輥電加熱淬火裝置，包括電極2、電源3、冷卻水噴嘴組件4、紅外測溫器5、壓緊氣缸6和軋輥支架7，軋輥I設置在軋輥支架7上，所述電極2為一對環形電極，電極2由壓緊氣缸6壓貼在軋輥I的輥面兩端，電源3與電極2連通成回路，紅外測溫器5與軋輥I相配合探測軋輥I輥面溫度，冷卻水噴嘴組件4的噴嘴面向軋輥I輥面。為了提高本裝置的通用性，能夠適應不同輥徑的軋輥，所述的電極2為分瓣式電極；電極內部通冷卻水冷卻，防止電極升溫過大，為了不使冷卻水影響軋輥兩端的溫度，如圖3所示，電極2由電極頭組21和電極環22構成，所述電極頭組21由若干獨立的電極頭構成，電極頭以電極環22的軸心為圓心環形陣列在電極環22，電極頭采用鋼質材料，這樣電流流過時電極頭可以自身發熱，隔絕電極環和軋輥輥面的熱流通道，達到既不影響電極導電又隔絕了電極對軋輥的接觸冷卻。如圖4所示，為了提高軋輥輥面軸向溫度均勻性，在軋輥輥面兩端設置感應加熱的補熱線圈8和補熱電源9對輥面兩端加熱來補充輥面兩端因電極接觸冷卻所帶來的熱量散失，使輥面溫度更加均勻地保持在淬火溫度，提高輥面寬度方向的加熱均勻性，所述補熱線圈8和補熱電源9設置在軋輥I的輥面兩端。在本發明中為了方便淬火中冷卻水的收集循環，所述軋輥支架7為豎直形支架，軋輥I豎直設置在軋輥支架7上；在冷卻方面，為了提高軋輥周向上的冷卻均勻性，所述軋輥支架7上還裝有軋輥轉動機構，在開始噴水冷卻前啟動軋輥轉動機構，使軋輥I沿輥軸來回擺動，以提高軋輥輥面周向冷卻的均勻性；如圖5所示，冷卻水噴嘴組件4出來高壓水碰到輥面以后，有一部分水會沿著輥面從上到下流淌，影響下方輥面噴水冷卻，考慮冷卻水在輥面淌流冷卻作用，冷卻水噴嘴組件4中各個冷卻水噴嘴沿輥面上下方向的分布密度上密下疏或距輥面距離上近下遠，即冷卻水噴嘴組件4內部包絡面呈圓錐形，使輥面上端冷卻作用比較強，向下則逐漸減弱，彌補淌流冷卻作用的影響，從而保證輥面寬度方向的冷卻均勻性。本實施例需要淬火的一根軋輥，淬火溫度950 °C,要求的淬火深度S為40_，軋輥在淬火溫度下的磁導率μ =4τΓχ10'7Ω.ηι ,電導 率 σ =CnSxlOtlSZm，通過 δ =Sqrt (I/ (ρ*μ * σ *f))計算得到所需要的交流電頻率f為200Hz，為了保證淬火效果，使淬火深度δ略大于理論值，因此推薦使用50Hz的交流電源。調質熱處理后的待淬火軋輥1，首先在箱式或井式電阻爐內進行整體預熱處理，預熱溫度300°C，保溫時間5h，預熱過程采用保護氣氛，減輕或防止軋輥表面氧化，影響與電極接觸部位的導電性能。預熱處理完成后，把軋輥I吊運至立式淬火加熱工位，采取立式淬火，由軋輥支架7的上、下頂針固定住軋輥1，電極2通過壓緊氣缸6壓緊在軋輥I的輥面兩端位置。打開電源3開始通電加熱，電源輸出頻率為50Hz，逐步升高電源輸出電壓/功率，輥面得到電加熱，溫度不斷升高。待輥面溫度通過紅外測溫器5達到預定淬火溫度950°C后，調節電源輸出電壓，使輥面溫度保持2min后，關閉電源3停止加熱。并迅速打開冷卻水電磁閥，使冷卻水通過冷卻水噴嘴組件4迅速噴射到輥面上冷卻淬火，在加熱停止后啟動噴水前，啟動軋輥轉動機構，使軋輥I繞輥軸來回轉動，提高冷卻均勻性，待輥面溫度下降到220°C或200°C以下后停止噴水，通常大約需要噴水2小時，然后空冷至室溫完成淬火處理。實施例2
一種軋輥電加熱淬火方法，本實施例需要淬火的一根軋輥，淬火溫度1050°C，要求的淬火深度S為30mm，實施例2和實施例1的區別在于軋輥表面淬火溫度升高，淬硬深度變淺。在確定電源頻率時，軋輥在淬火溫度下的磁導率μ =4/γχ ItT7Ω.m、電導率σ =
0.75XIO5SZm條件下，參考表I電源頻率f與輥面集膚層深度δ之間的理論對照關系值，推薦采用電源頻率200Hz，電加熱到淬火溫度后的保溫時間為5min，以保證30mm以上的待淬硬層內溫度充分達到1050°C。淬火溫度的升高則可以通過升高電源輸出電壓/功率來實現。其它方面與實施例1中基本相同。表1.電源頻率f與輥面集膚層深度δ的理論對照關系
f, (Hz)|25 |50|100|200|400'
δ，(mm) 丨116丨82丨58 !41 丨29 '
實施例3一種軋輥電加熱淬火方法，本實施例需要淬火的一根軋輥，淬火溫度980°C，要求的淬火深度S為40_，實施例3和實施例1、2的區別主要在于軋輥材料變化，軋輥在淬火溫度下的磁導率μ =4 rxlO^Q-m ,電導率由于合金元素的增加而高溫電導率σ減小，σ =
0.55XIO6S/m。參考表2電源頻率f=50Hz時軋輥材料高溫電導率σ與輥面集膚層深度δ之間的理論對照關系值，可見電源頻率f不變，淬火深度δ隨著材料電導率σ的減小而增大。因此，在高溫磁導率μ = 4^rxl0'7Q-m、電導率σ = 0.55xIO6SZm、所要求的淬火深度δ為40mm條件下，推薦采用的電源頻率提高為100Hz。電加熱到淬火溫度后保溫時間為lmin，以保證40mm以上的待淬硬層內溫度充分達到淬火980°C。其它方面與實施例1相同。表2.軋輥材料電導率σ與淬火深度δ之間的理論對照關系(f=50Hz)
權利要求
1.一種軋輥電加熱淬火方法，其特征是:首先將軋輥放置在保護氣氛中預熱并保溫一定時間，然后將軋輥送入淬火工位，用一對電極分別連接在軋輥輥面兩端形成通路，再根據要求的淬火深度通對應頻率的交流電源加熱軋輥，待軋輥輥面溫度達到淬火溫度950°C 1050°C，保持淬火溫度I 5min，最后關閉電源停止加熱立即噴水冷卻完成淬火。
2.如權利要求1所述的軋輥電加熱淬火方法，其特征是:所述的淬火深度δ與交流電頻率的關系式為S=sqrt (I/ (ρ*μ * σ *f))，其中μ是軋棍磁導率，σ是軋棍電導率，f是交流電頻率。
3.如權利要求1或2所述的軋輥電加熱淬火方法，其特征是:所述預熱溫度30(T500°C，保溫時間5 IOh0
4.如權利要求1或2所述的軋輥電加熱淬火方法，其特征是:所述通電加熱時逐步升高交流電源的輸出電壓，直到軋輥輥面溫度達到淬火溫度后調節交流電源的輸出電壓，使軋輥輥面的溫度保持 在淬火溫度。
5.如權利要求1或2所述的軋輥電加熱淬火方法，其特征是:所述噴水冷卻時，軋輥繞輥軸來回轉動，提高冷卻均勻性。
6.一種軋輥電加熱淬火裝置，其特征是:包括電極(2)、電源(3)、冷卻水噴嘴組件(4)、紅外測溫器(5)、壓緊氣缸(6)和軋輥支架(7)，軋輥(I)設置在軋輥支架(7)上，所述電極(2)為一對環形電極，電極⑵由壓緊氣缸(6)壓貼在軋輥⑴的輥面兩端，電源(3)與電極(2)連通成回路，紅外測溫器(5)與軋輥(I)相配合探測軋輥(I)輥面溫度，冷卻水噴嘴組件⑷的噴嘴面向軋輥⑴輥面。
7.如權利要求6所述的軋輥電加熱淬火裝置，其特征是:所述的電極(2)為分瓣式電極，由電極頭組(21)和電極環(22)構成，所述電極頭組(21)由若干獨立的電極頭構成，電極頭以電極環(22)的軸心為圓心環形陣列在電極環(22)上。
8.如權利要求6所述的軋輥電加熱淬火裝置，其特征是:該淬火裝置還包括補熱線圈(8)和補熱電源(9)，所述補熱線圈⑶和補熱電源(9)設置在軋輥⑴的輥面兩端。
9.如權利要求6所述的軋輥電加熱淬火裝置，其特征是:所述軋輥支架(7)上還裝有軋輥轉動機構。
10.如權利要求6所述的軋輥電加熱淬火裝置，其特征是:所述軋輥支架(7)為豎直形支架，冷卻水噴嘴組件(4)中各個冷卻水噴嘴沿輥面上下方向的分布上近下遠。
全文摘要
本發明涉及軋輥熱處理領域，尤其涉及一種軋輥淬火方法與裝置。本提供一種軋輥電加熱淬火方法，首先將軋輥放置在保護氣氛中預熱并保溫一定時間，然后將軋輥送入淬火工位，用一對電極分別連接在軋輥輥面兩端形成通路，再根據要求的淬火深度通對應頻率的交流電源加熱軋輥，待軋輥輥面溫度達到淬火溫度，保持淬火溫度，最后關閉電源停止加熱立即噴水冷卻完成淬火。一種軋輥電加熱淬火裝置，電極為一對環形電極，電極壓貼在軋輥的輥面兩端，電源與電極連通成回路，紅外測溫器與軋輥相配合探測軋輥輥面溫度，冷卻水噴嘴組件的噴嘴面向軋輥輥面。本發明加熱效率高，淬火質量均勻，淬火深度可控，工裝準備比較簡單，適用于多種規格的軋輥表面淬火熱處理要求。
文檔編號C21D1/09GK103243211SQ20121002680
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月8日 優先權日2012年2月8日
發明者溫宏權, 孫大樂, 吳瓊, 李文霄 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司