齊盛文 ，孟慶智 ，周丹 ，王玲

（1.鞍鋼重型機(jī)械有限責(zé)任公司,遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院,遼寧 鞍山 114009）

熱軋球扁鋼是一種主要應(yīng)用于造船和造橋領(lǐng)域的中型鋼材，其中船用球扁鋼是造船用輔助中型材，一般較大的船只和正規(guī)船舶設(shè)計(jì)時(shí)主船體多選用船用球扁鋼，采用與相連板材相同厚度與材質(zhì)的球扁鋼做骨材，可以提高船的承載能力和安全航行能力。近年來(lái)隨著造船業(yè)的迅猛發(fā)展，船用球扁鋼需求旺盛。鞍鋼近年來(lái)對(duì)球扁鋼生產(chǎn)也在不斷進(jìn)行研發(fā)，通過(guò)嚴(yán)格控制冶煉成分，提高軋制精度，優(yōu)化工藝參數(shù)，新建軋制、熱處理調(diào)質(zhì)等球扁鋼生產(chǎn)線(xiàn)，已形成全規(guī)格各型號(hào)熱軋球扁鋼生產(chǎn)能力。在一些關(guān)鍵重要部位，對(duì)球扁鋼的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)要求極為嚴(yán)格，熱軋態(tài)的球扁鋼不能達(dá)到使用要求，必須通過(guò)熱處理調(diào)質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

快速感應(yīng)加熱是依據(jù)電磁感應(yīng)、“集膚效應(yīng)”和熱傳導(dǎo)三項(xiàng)基本原理，在金屬內(nèi)部利用感應(yīng)電流以電熱轉(zhuǎn)換的方式，對(duì)金屬進(jìn)行直接加熱的方法。它可以迅速使金屬獲得很高的溫度，實(shí)現(xiàn)快速加熱［1］。與傳統(tǒng)熱處理工藝相比，感應(yīng)加熱快速熱處理可顯著改善鋼材力學(xué)性能，提高鋼材表面質(zhì)量，縮短鋼材熱處理周期，節(jié)約能源，并能實(shí)現(xiàn)熱處理過(guò)程機(jī)械化與自動(dòng)化，減少環(huán)境污染，是一種先進(jìn)的綠色熱處理工藝［2］。

鞍鋼重機(jī)公司自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了球扁鋼淬火生產(chǎn)線(xiàn)，并采用了快速感應(yīng)加熱技術(shù)，在熱軋球扁鋼淬火生產(chǎn)實(shí)踐中取得了成功，為今后此類(lèi)工件淬火處理提供了有益的借鑒。本文對(duì)此加以詳細(xì)介紹。

1 球扁鋼生產(chǎn)主要技術(shù)數(shù)據(jù)

球扁鋼剖面圖見(jiàn)圖1。主要規(guī)格如下：

寬度：100、120、140、160、180、200、220、240、270、300 mm，厚度：6～16 mm，長(zhǎng)度：6～12 m。

球扁鋼為低碳合金鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

球扁鋼淬火回火后的性能要求見(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)品性能要求

2 加熱工藝及設(shè)備工藝參數(shù)

2.1 感應(yīng)加熱方式

由于球扁鋼腹板和球頭的尺寸差異非常大，有效厚度差達(dá)3～5倍，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)截面溫度均勻一致是快速感應(yīng)加熱球扁鋼的一個(gè)難題，如果不解決，將無(wú)法保證球扁鋼淬火的質(zhì)量。

單匝線(xiàn)圈、一次加熱的加熱方式通過(guò)改變線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)和尺寸，也可以實(shí)現(xiàn)截面的溫度均勻，但需要大量的試驗(yàn)，且調(diào)整起來(lái)非常困難，同時(shí)要求淬火過(guò)程中所有的參數(shù)都要非常穩(wěn)定，由于電網(wǎng)供電、設(shè)備運(yùn)行發(fā)熱等原因，使這些參數(shù)恒定不變很難實(shí)現(xiàn)。另外，一組線(xiàn)圈只能滿(mǎn)足一個(gè)工藝溫度的加熱，改變工藝溫度，就要更換線(xiàn)圈，實(shí)際使用也非常不方便，因此單匝線(xiàn)圈、一次加熱無(wú)法滿(mǎn)足球扁鋼淬火加熱的實(shí)際需要。

雙匝線(xiàn)圈可以增大工件的加熱面積和延長(zhǎng)工件在線(xiàn)圈中的加熱時(shí)間，能充分利用感應(yīng)加熱的“熱態(tài)的渦流透入式加熱”原理，提高電源的利用效率和加熱效果，通過(guò)熱傳導(dǎo)使工件表面獲得一個(gè)合理的溫度分配。然后再用同樣的雙線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，對(duì)工件進(jìn)行二次加熱，最終獲得非常理想的加熱效果。這種方法對(duì)外界操作環(huán)境要求不是很苛刻，且可以根據(jù)工件溫度的實(shí)際情況，隨時(shí)調(diào)整電源的參數(shù)，達(dá)到不同的加熱溫度并保證工件加熱均勻，不需要重新調(diào)整和更換線(xiàn)圈，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。

因此，最終確定球扁鋼淬火的加熱采用預(yù)熱、加熱兩次加熱及每次加熱采用雙匝線(xiàn)圈的加熱方式。

2.2 感應(yīng)電源功率

根據(jù)球扁鋼規(guī)格，可以將工件分為7類(lèi)，若要保證0.6 m/min的淬火速度，需要按照厚度最大的工件進(jìn)行設(shè)備功率選型。按產(chǎn)量計(jì)算方法，確定電源功率為［3］：

式中，P為加熱電源功率容量，kW；G為熱處理鋼材的產(chǎn)量，kg/s；C為鋼材的平均比熱容，kJ/kg·℃；T1為鋼材初始溫度，℃；T2為鋼材加熱溫度，℃；η為感應(yīng)加熱系統(tǒng)的總效率，%。

計(jì)算后確定預(yù)熱和加熱電源功率為300 kW。

2.3 電源頻率

工件厚度不同，選擇加熱設(shè)備的頻率也不同。工件厚度越大，選擇的頻率應(yīng)該越低；反之應(yīng)該越高［4］。電源頻率通過(guò)下式選擇：

式中，δ為電流透入深度；ρ為材料電阻率；μ為材料磁導(dǎo)率；f為電流頻率。

ρ在加熱過(guò)程中隨溫度升高不斷增加（在800～900℃范圍內(nèi)，各類(lèi)鋼的電阻率基本相同，約為10-4Ω·m）；μ在失磁點(diǎn)以下基本不變，但在達(dá)到失磁點(diǎn)時(shí)，突然下降為真空磁導(dǎo)率（μ=1）。因此，當(dāng)溫度達(dá)到失磁點(diǎn)時(shí)，渦流的透入深度將顯著增大。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)，不同規(guī)格的球扁鋼電源的頻率確定為預(yù)熱5～10 K，加熱10～20 K。

3 熱軋球扁鋼熱處理淬火生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)制造

3.1 感應(yīng)加熱電源的選用

感應(yīng)加熱電源是鋼材實(shí)現(xiàn)快速熱處理的重要裝備，它的功能和特性對(duì)鋼材加熱質(zhì)量、溫度控制、產(chǎn)品熱處理性能和電能單耗都產(chǎn)生重要影響。根據(jù)前述“加熱工藝及設(shè)備工藝參數(shù)的確定”的結(jié)論，確定選用2臺(tái)300 kW設(shè)備加熱工件，其中一臺(tái)設(shè)備用于工件預(yù)熱，將工件加熱到500～700℃，另一臺(tái)設(shè)備用于工件加熱，將工件加熱到淬火溫度。為適應(yīng)全規(guī)格的球扁鋼淬火，每臺(tái)設(shè)備均采用雙頻率，可任意切換調(diào)整到不同的頻率范圍。

3.2 機(jī)械傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)

球扁鋼單根長(zhǎng)度較長(zhǎng)（6～12 m/根），故在實(shí)現(xiàn)球扁鋼連續(xù)淬火時(shí)，采用球扁鋼水平運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)器、噴水器等裝置固定的方式。球扁鋼的運(yùn)動(dòng)采用輥道傳送的方式，利用主動(dòng)輥帶動(dòng)球扁鋼在生產(chǎn)線(xiàn)上勻速移動(dòng)，達(dá)到連續(xù)淬火的目的。

機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備主要由兩組傳動(dòng)輥架、四組側(cè)擋輥、前后支承輥架組成，實(shí)現(xiàn)球扁鋼水平勻速移動(dòng)。傳動(dòng)輥架由上下兩個(gè)輥組成，下輥為主動(dòng)輥，由電機(jī)、減速機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)球扁鋼的運(yùn)動(dòng)，上輥為自由輥，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩輥面間隙的調(diào)整，以適應(yīng)不同厚度的球扁鋼通過(guò)，電機(jī)采用變頻電機(jī)，通過(guò)改變頻率，能夠得到不同的運(yùn)行速度。

四組側(cè)擋輥安裝在兩組傳動(dòng)輥架兩側(cè)，可以調(diào)節(jié)不同寬度，適應(yīng)不同寬度球扁鋼，并對(duì)球扁鋼的水平方向給予定位，前后支撐輥架在側(cè)擋輥的兩側(cè)，在球扁鋼移動(dòng)過(guò)程中起支撐作用。

3.3 隨動(dòng)淬火架的設(shè)計(jì)和制作

為保證球扁鋼能準(zhǔn)確的穿過(guò)感應(yīng)器、且與感應(yīng)器的間隙保持不變，設(shè)計(jì)一種隨動(dòng)裝置，如圖2所示。感應(yīng)器與隨動(dòng)裝置聯(lián)接，保證球扁鋼穿過(guò)感應(yīng)器時(shí)，感應(yīng)器能隨球扁鋼的變形上下前后自動(dòng)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)器自動(dòng)調(diào)整，進(jìn)而保證球扁鋼加熱的均勻性以及淬火時(shí)不與感應(yīng)器觸碰打火，使連續(xù)淬火得以實(shí)現(xiàn)。

隨動(dòng)淬火架由隨動(dòng)框架、支座和底座組成。隨動(dòng)淬火架是整個(gè)球扁鋼中頻淬火生產(chǎn)線(xiàn)的關(guān)鍵部件，軋制后的球扁鋼在直線(xiàn)度和平面度上都有較大變形，當(dāng)球扁鋼通過(guò)隨動(dòng)淬火架時(shí)，隨動(dòng)淬火架隨著球扁鋼水平和上下兩個(gè)方向移動(dòng)，帶動(dòng)與之相聯(lián)的感應(yīng)器水平和上下移動(dòng)，消除工件在長(zhǎng)度和高度方向彎曲變形的影響，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)圈與球扁鋼表面距離穩(wěn)定。

感應(yīng)器、噴水器、噴風(fēng)裝置都連接在隨動(dòng)淬火架上，隨著隨動(dòng)淬火架一起移動(dòng)，另外感應(yīng)器與淬火變壓器之間采用軟線(xiàn)聯(lián)接，以確保隨動(dòng)淬火架能夠?qū)崿F(xiàn)自由移動(dòng)。

3.4 智能控制系統(tǒng)

球扁鋼淬火生產(chǎn)線(xiàn)共有機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備、2臺(tái)感應(yīng)加熱設(shè)備，兩套換熱器、淬火水噴淋、空壓機(jī)等眾多設(shè)備，操作動(dòng)作較多，為此配備一臺(tái)智能控制臺(tái)操作整條生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)、電器設(shè)備參數(shù)調(diào)整、噴水噴風(fēng)、工藝溫度的自動(dòng)控制及工藝數(shù)據(jù)的監(jiān)控、顯示、儲(chǔ)存等，保證球扁鋼淬火和質(zhì)量穩(wěn)定。

3.5 感應(yīng)器、噴水器、噴風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)

感應(yīng)線(xiàn)圈為仿形的雙匝結(jié)構(gòu)，用紫銅扁方管焊接，外面包裹耐熱絕緣制品，防止加熱過(guò)程中工件與裸露的感應(yīng)器接觸打火。感應(yīng)連續(xù)加熱表面淬火，通常感應(yīng)器線(xiàn)圈尺寸選擇與工件間隙在3～5 mm，考慮到球扁鋼原料的變形情況和球扁鋼加熱需要整個(gè)截面溫度均勻一致，以及球扁鋼特殊的尺寸規(guī)格形狀，兼顧電源使用效率，感應(yīng)線(xiàn)圈尺寸選擇與球扁鋼的各部縫隙為20 mm，這樣既保證了球扁鋼加熱的均勻性，同時(shí)兼顧了電源效率，并可減少感應(yīng)器線(xiàn)圈的刮碰打火損壞。

噴水器為一側(cè)開(kāi)環(huán)的矩形結(jié)構(gòu)，用紫銅扁方管焊接而成，焊接時(shí)各方管與工件成45°角，整個(gè)噴水器為一喇叭口形狀，以減少?lài)娝畷r(shí)水倒流回加熱區(qū)域。噴水孔為三排Φ1.5 mm小孔，每排孔之間的距離為5 mm，每個(gè)孔之間的距離為10 mm，每?jī)膳趴字g為交錯(cuò)排列，噴水器共分5路進(jìn)水，以保證噴水的均勻。

噴風(fēng)裝置與噴水器小端焊在一起，為一與噴水器小端尺寸、形狀一致的紫銅方管焊接而成，在靠近球扁鋼的一側(cè)鉆Φ1.5mm的圓孔，孔距10 mm。通過(guò)銅管兩端向噴風(fēng)裝置中通以高壓風(fēng)，高壓風(fēng)通過(guò)小孔噴射在球扁鋼上，用以阻止淬火時(shí)噴水器噴出的水沿工件表面倒流回加熱區(qū)，影響加熱。

3.6 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)采用2臺(tái)閉式換熱器，分別組成對(duì)電源和淬火液冷卻的兩套冷卻系統(tǒng)。

感應(yīng)加熱設(shè)備在加熱工件時(shí)，內(nèi)部的各種大功率電器件發(fā)熱量較大，需要使用冷卻水進(jìn)行冷卻。根據(jù)2臺(tái)感應(yīng)加熱設(shè)備（包括淬火變壓器）的發(fā)熱量，選擇以一臺(tái)閉式換熱器為中心，中間以管路聯(lián)接各設(shè)備，并配一冷卻液儲(chǔ)存罐組成電源的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)。為減少普通水在管壁內(nèi)結(jié)垢影響冷卻效果，冷卻介質(zhì)選用工業(yè)軟水或純凈水。冷卻介質(zhì)在閉環(huán)冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，損耗很小，幾乎不用補(bǔ)充。因?yàn)樯a(chǎn)線(xiàn)24 h生產(chǎn)，需要大量的淬火水，為減少浪費(fèi)，將冷卻水循環(huán)使用。為此，制作一水箱（或人工水池），將淬火后的水收集起來(lái)，然后以一臺(tái)閉式換熱器為中心，用管路將換熱器、水箱、噴水器聯(lián)接起來(lái)，通過(guò)換熱器將淬火水冷卻，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。生產(chǎn)線(xiàn)布置圖見(jiàn)圖3。

4 應(yīng)用效果

經(jīng)淬火生產(chǎn)線(xiàn)淬火及隨后的常規(guī)回火后，球扁鋼性能滿(mǎn)足了標(biāo)準(zhǔn)要求。性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，軋態(tài)金相組織見(jiàn)圖4。

表3 性能檢驗(yàn)結(jié)果

從圖4可以看出，球扁鋼金相組織為珠光體和鐵素體組織，經(jīng)感應(yīng)加熱淬火后轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡吞及鍡l馬氏體，從而保證了力學(xué)性能要求。

生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)后，取得了令人非常滿(mǎn)意的效果，與常規(guī)熱處理淬火設(shè)備相比，生產(chǎn)線(xiàn)有了許多突破，各項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)要求，使熱軋球扁鋼的淬火得以實(shí)現(xiàn)。提高了成材率，降低了制造成本。感應(yīng)加熱快速熱處理技術(shù)在熱軋球扁鋼熱處理上的應(yīng)用取得了良好效果。

5 結(jié)論

（1）采用兩次加熱、雙匝線(xiàn)圈，低頻率穿透預(yù)熱、高頻率加熱，同時(shí)配以雙匝線(xiàn)圈的加熱方式，使截面尺寸差異很大的球扁鋼的整個(gè)截面加熱溫度均勻。

（2）采用感應(yīng)器浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)圈與球扁鋼表面距離穩(wěn)定。

（3）選擇了2臺(tái)雙頻感應(yīng)加熱設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了預(yù)熱和淬火加熱功能，可適應(yīng)不同規(guī)格球扁鋼淬火的需要。

（4）實(shí)現(xiàn)了智能檢測(cè)控溫。當(dāng)偏離設(shè)定溫度時(shí)，智能控溫系統(tǒng)可控制感應(yīng)加熱設(shè)備調(diào)整輸出功率，確保加熱溫度的一致性，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

［1］ 劉宗昌.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］ 王振東，馬秀忠.國(guó)外鋼材感應(yīng)加熱快速熱處理概況［M］.特殊鋼通訊，1985.

［3］ 王振東，牟俊茂.鋼材感應(yīng)加熱快速熱處理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［4］ 侯增壽，樊東黎，熱處理手冊(cè)第三版（第一卷）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.