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| 立式支承辊感应加热差温淬火机床的设计及应用 |
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大型立式中频感应加热支承辊复合型淬火机床，是在全新概念下设计、取代燃气、燃油、支承辊差温炉的新型机床，其吊装、加热、运行以及喷淬方式等都有别于传统的支承辊燃气差温炉。新型机床的设计理念是针对燃气差温炉在生产过程中存在的不足（加热时间长，能耗高，吊装不方便等）而进行设计的。因此，新机床在生产效率、加热方式、喷淬方式、生产成本、工作安全性、劳动强度、工件适应性、工件的质量以及工艺的设置等都显现出强大的优势。众所周知提高支承辊的质量、精度、使用寿命以及缩短加工周期是当今轧钢领域的重要研究课题。研究生产支承辊的新技术能够有效地提高材料的利用率。支承辊的寿命又和辊身表面硬度及淬硬层深度，耐磨性密不可分。同时，改进原始制造方法和选择更优支承辊材质是提高支承辊性能的首要措施。立式支承辊感应加热差温淬火机床是由北京机电研究所自主设计，并为中冶陕压重工设备有限公司专门制造，享有独立知识产权。该机床处理工件范围：支承辊总长度为6000mm，直径为φ800~φ1680mm，辊身长度为780~2500 mm，质量≤60t，淬硬层深为30~118mm。1.支承辊感应加热设计理念感应加热技术在机械加工中已经得到普遍的应用，但是低频大功率电源在热处理方面应用很少，此次运用低频大功率做支承辊感应加热，是感应热处理技术的重大突破，此项应用为感应热处理提供了一个新的技术平台。利用Visual Basic软件封装ANSYS，结合变化参数对支承辊感应加热的温度场进行了仿真分析。对支承辊材料的感应加热温度场进行了数值模拟分析，从而推出支承辊加热过程的相关数据，包括感应器的设计、加热工艺的制定以及磁场强度和磁场的分布状态。2.机床设计制造特点这种支承辊感应热处理和喷淬方式是一个全新的概念。①立式支承辊感应差温淬火机床可以在一个工位上完成上料、加热、喷淬工作。②大型吊挂工件做上下运行以及平稳旋转。③低频大功率整体感应加热以及温度控制。④喷淬工位喷水、喷雾、喷气按工艺可自动转换。支承辊感应整体加热淬火机床，是我所新研发的先进的支承辊热处理设备，它具备低碳、环保、节能、使用成本低、产品质量优、超深的淬硬层等优点，比传统的支承辊热处理设备节能30％以上，而且大大降低操作者的劳动强度，是目前支承辊热处理理想的设备。（1）机床机床设计制造是以垂直工件整体加热和淬火为原则；要求机床具有承载能力，平稳性、防震动性、稳定性以及安全可靠性。机床主体（见图1）是龙门式结构，顶端的凹型设计，机床上移动横梁通过专用卡具将支承辊吊起；上移动横梁通过丝杠可以上下运行，运行位置包括进料、加热和喷淬3个位置；上移动横梁下降速度变频可调；下横梁是通过光杠做上下调整的，它起着工件对中和锁紧的作用。机床配有液压配重装置，起到平衡机床受力、增加机床稳定性和延长使用寿命的作用。（a） 支承辊感应立式机床照片（b）支承辊立式机床示意简图 图 1 运行时上移动横梁吊挂工件向下运行至下横梁位置对中，并锁定下横梁，使上下横梁以及工件连成一个载荷体，工件整体在感应炉内旋转加热，加热完成后，载荷体下行到喷淬位置进行喷淬。喷淬完成后返回定中位置，解锁、并提升到进料位置。因此称为在同一工位上完成进料、加热和淬火工作。各个结构的设计都是经过专家的精密计算和论证。该机床结构严谨、空走距离短、工件适用范围宽且工作稳定。（2）电源采用可控硅变频电源，效率高、体积小质量轻、操作方便、启动灵活。电源频率为 36～60Hz。根据经验公式，钢在900℃时的电流透入深度为：δ=500/f1/2（f为电源频率）从上式可以看出，频率越低，电流透入深度越深，透热深度和透热温度以及保温的时间，决定了奥氏体化深度。在透热深度一定的前提下，保温时间长短决定了过透热深度以后的奥氏体化深度。因为奥氏体化深度在控制范围内是可以调节的，所以加热速度提高了，节省了时间和能源。感应炉加热是带载启动的，因此中频电源和炉体能够抗击大功率冲击和低频引起的震动，电源启动成功率100%。由于工件在加热时是旋转的，所以在加热时可以克服工件偏心而引起的加热不均匀的现象。感应炉的测温系统采用红外测温-闭环控制，其闭环过程是：工件温度→红外测温→PLC计算机控制输出信号→中频电源→控制感应炉输出功率→工件温度，这样就确保了工件加热时设定温度±10℃以内运行，也实现了辊身表层均匀奥氏体化。（3）喷淬加热完成后的工件下行到喷淬位置进行喷淬，喷淬机构由多路混合喷淬体组成，喷淬时在工件表面形成多条淬火带，由于工件在喷淬时是旋转的，因此多路喷淬带可以在3s内覆盖支承辊的所有表面；喷淬机构的工作方式有水态、雾态、气态3种，每种方式中喷量的大小比例可以调节，这样就形成了一个比较完整淬火工艺方式链，喷淬的大小、方式以及时间由计算机控制，可适应多种规格的支承辊淬火工艺。喷淬部分整体结构采用机械式运动，根据支承辊外径的大小随时调整喷淬距离，使各种规格的轧辊表面水压、密度相同，确保工件质量的统一性。（4）电控立式支承辊感应加热淬火机床的电控是由机床运行、中频加热、设备冷却、喷淬冷却、闭环控温、PLC和计算机系统等几部分组成。设备操作既能由主控制计算机进行联机自动作业，又能独立进行分步操控。在联机操作中，工艺参数是由计算机下传给PLC，PLC发指令控制各个部分的启停和运行，而运行中的各个参数、状态以及温度都从计算机显示器中显示，其运行数据会长期在计算机中保存。该控制部分具备完整的信息检测和记录系统，并配置与二级计算机进行联网管理的接口控制器系统，逻辑控制以及系统中电气系统和仪器仪表的状态检测系统。3.实际应用效果（1）差温热处理工艺支承辊进行快速感应差温加热之前要在箱式炉内整体预热到350~500 ℃（预热可使辊身内外温度均匀一致）。预热后经快速感应加热，在辊身表面至190mm层深处形成了810~940℃的加热层，使工件内外形成温差，从而减小了加热造成的热应力。预热后的支承辊转入感应差温炉内，要经过三段：①快速将预热温度加热到工艺设定温度，从辊身表面到70mm深处同时被电磁感应加热，形成表面高温蓄能层，为温度向内传导提供热动力。②表面加热层过居里点后提升功率并开始保温，此时蓄能区进一步扩大到90mm，同时高温蓄能层的热量向内传导，保温时间确定了所需奥氏体化层的深度。③工件保温到时后下降到喷淬位置进行强喷水淬火；当工件表面层温度下降到工艺转变点时，由强喷水方式转换成强喷雾方式；当到工艺第二转变点时，由强喷雾方式转换成弱喷雾方式；可以使工件获得佳的淬火效果。注：保温时间长短是根据辊身直径大小、淬硬层深要求及实际达到的升温速度来综合考虑确定，保温时间过长会造成辊心温度过高，工艺控制辊心温度<600℃。奥氏体化层深至少达到所要求淬硬层的2倍以上，这样淬火后得到的淬硬层有足够平缓过渡层分布空间，淬硬层与过渡层处于压应力区，而拉应力峰向内部推移，使表面层抗疲劳性能有和大提高。同一支承辊不同深度的实际温度曲线如图2所示。曲线分别包含加热、保温和喷淬3个部分。在工件的轴向从外到内安装9根K型热电偶，钻孔深度600mm，根热电偶辊身表面深50mm，以后每隔20 mm1个测量点，深一根210mm，从记录仪上可以清晰的看到加热、保温、喷淬的全过程，深度越深，温度越低，温度差距越大，差温性越好。注：热电偶：（镍铬—镍硅）WREK-K型；记录仪：无纸FX112（10通道）。（2）支承辊的生产能力 5套炉体规格为GT-φ1000、GT-φ1150、GT-φ1320、GT-φ1500、GT-φ1700，可以适应辊身直径为φ800~1680 mm，辊身长度为2050 mm、质量为60 t以内的支承辊进行加热工作。以质量为20 t支承辊为例。加热方式比较：常规差温炉是靠炉温从工件表面内部导热，感应加热直接作用在一个加热层，再向内部导热。立式感应加热淬火机床每天每班平均生产2支，1年按225天计算，年生产能力为2×225×20=9000（t）。常规差温炉每天每班生产1.5支，年生产能力为1.5×225×20=6750（t）。所以感应加热要比常规差温炉加热用时少，生产能力高。（3）淬硬层深度及硬度曲线对比图3所示的是支承辊淬火完成后，在辊身的端面向下切削10mm，采用HG-141轧辊专用硬度计打点测量硬度，采用500-144数显卡尺测量淬硬层深度，以测得数据链而形成的坐标图。测得支承辊的表面硬度和有效淬硬层深度如表1所示。结合JB/T 4120—2006《大型锻造合金钢支承辊》可以看出，支承辊感应加热淬火机床生产支承辊淬硬层深度和硬度均达到并超过了国家标准和企标标准，并且过渡层很深，完全符合支承辊的使用性能。表1支承辊辊身有效淬硬层深度支承辊直径/mmJB/T硬度HS企标硬度HS70Cr3Mo45Cr4NiMoV实测硬度HSJB/T深度/mm企标深度/mm实际深度/mmJB/T深度/mm企标深度/mm实际深度/mm110065~7572~8277~80≥55≥50≥80———120065~7570~80————≥60≥100≥110125065~7565~7065.8~70≥55≥80≥105———135065~7570~7570~73≥55≥40≥57———图4为实际硬度与淬硬层深的关系。70Cr3NiMo支承辊在感应淬火以后，解剖取得数据，在辊身表面每切削5mm就在距离端部150mm和400mm处，采用HG-141轧辊专用硬度计测量硬度，以测得数据链而形成的坐标图。4.使用成本比较图5为常规差温炉和感应差温立式机床生产的支承辊的加热曲线。感应差温立式机床生产支承辊的淬火步骤为预热、升温、功率变换、再升温、保温和喷淬。表2从加热时间和能耗等方面对常规差温炉和感应加热差温炉进行了比较。表2常规差温炉和感应差温炉生产20t支承辊的耗能与时间设备耗能种类吨消耗单价/元总耗能量能耗价格/元准备时间/min加热时间/min喷淬时间/min淬硬层深/mm常规差温炉天然气300m336000m3180002102109070燃油120kg72400kg168002102109070感应差温立式机床耗电量280kW15600kW56003012090≥80通过比较，感应差温立式机床节能明显、产品质量高。同时，常规差温炉燃油或天然气多少会对环境造成污染，而感应加热立式机床对环境无污染，低碳环保。而且从图5可以很直观的看出，采用感应差温立式机床可以大大缩短支承辊的加热时间，降低了工人的劳动强度，提高了生产效率。
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