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熱處理、調質案例

名稱風電、電力鐵塔地腳螺栓熱處理調質生產線

主要技術參數: ●供電系統:淬火電源:160-1000KW/0.5-2.5KHz; 回火電源:100-600KW/0.5-2.5KHz,小時產量0.5-3.5噸,適用范圍?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無磁不銹鋼并水冷。 ●溫度閉環控制:淬火及回火均采用美國雷泰紅外測溫儀并與西門子PLC組成閉環控制系統,精確控溫。
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風電、電力鐵塔地腳螺栓熱處理調質生產線

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感應加熱原理:

   感應加熱的加熱線圈與被加熱物(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,由加熱線圈通高頻電流產生的磁力線集中在被加熱物上、由電磁的感應作用,產生渦旋電流,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。其熱效率為95%,感應加熱,是把三相工頻交流電,整流后變成直流電,再把直流電變為可調節的中頻電流,供給由電容和感應線圈里流過的中頻交變電流,在感應圈中產生高密度的磁力線,并切割感應圈里盛放的金屬材料,在金屬材料中產生很大的渦流。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,那么圓柱體周邊的溫度是一樣的,圓柱體加熱過程中也不會產生有害氣體、強光污染環境等。正因為感應加熱有以上的優點,在各種行業得到了廣泛推廣使用。


主要技術參數:
●供電系統:淬火電源:160-1000KW/0.5-2.5KHz; 回火電源:100-600KW/0.5-2.5KHz,小時產量0.5-3.5噸,適用范圍?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無磁不銹鋼并水冷。
●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產生間隙。
●溫度閉環控制:淬火及回火均采用美國雷泰紅外測溫儀并與德國西門子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。
▲ 能量轉換:采用淬火+回火方式,噸耗電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臺。
●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:
    強大的配方管理系統,輸入待生產的鋼種、直徑、長度等參數后,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。
歷史曲線功能:
    可追溯的工藝歷史曲線( 工控機系統標配), 精確至0 . 1 秒的記錄精度,形象、準確的再現單支產品的處理溫度趨勢圖。高達1T 的容量儲存空間,永久保存數十年內的所有產品工藝記錄。
歷史記錄:
    可追溯的工藝數據表格,可以在每支產品上取出多組采樣點, 準確的再現單支產品各段的處理溫度值。觸摸屏系統中可儲存約3 萬條工藝記錄, 可以U盤或者網絡備份; 工控機系統中則完全不受儲存空間限制,永久保存數十年內的所有產品工藝記錄。
長桿類鋼管鋼棒感應加熱熱處理優勢:
   長桿類中碳低合金鋼管鋼棒,其熱處理加熱方式為燃氣加熱、電阻爐加熱和感應加熱三種。燃氣加熱、電阻爐加熱對于長桿類鋼棒鋼管的熱處理,其關鍵點之一就是整體均勻并且高效的加熱、淬火較難實現,這是造成長桿類工件的變形、調質后硬度不均勻難以控制的原因之一,而感應加熱熱處理較為經濟合理,通過感應加熱熱處理調質線,對產品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,調質后鋼材直線度好、不彎曲。感應調質熱處理在生產這類長材產品熱處理時應用較為廣泛。國外在加熱方式上選用較多的也是感應加熱。
長桿類鋼管鋼棒感應加熱熱處理調質生產線特點:
   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。使工件產生自旋轉運動,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,產生汽化并形成汽膜,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,此時核沸騰為主要的換熱方式。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個單相對流換熱區域,隨著距駐點的半徑增大,將出現核沸騰和膜沸騰區。單相對流時換熱系數的影響因素為射流速度和冷卻水溫度,完全核沸騰時自由流體的溫度和速度對換熱系數影響不大。核沸騰出現的半徑由射流速度和過冷度決定,一定位置熱流密度最大的時刻即為出現核沸騰的時刻。在生產中的噴水淬火情況下,淬火烈度H可達到3~4,在高速冷卻下,鋼棒在幾秒鐘內就全部冷卻到馬氏體轉變點以下。芯部基本上也完全轉變成均勻細小的馬氏體,工件的整個橫截面上組織趨于一致,使得鋼材的性能得到充分的發揮。淬火過程中的噴水冷卻階段,冷卻水從環形的噴水裝置中噴出后,匯聚到工件表面,出水壓力最高達0. 3MPa。充分將工件表面的蒸汽膜破壞掉,使得淬火效率和產品質量大大提高。基體組織就基本上轉變成馬氏體,組織較為均勻,有利于回火后強度和韌性的提高。

   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后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。連續冷卻方式為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,被廣泛應用于長桿管件淬火中。由于生產線為連續不間斷工作模式,整條生產線的控制采用PLC與人機交互系統,傳動采用變頻式對整條生產線進行調度調節,控制精度高、調節范圍廣、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。生產線溫度檢測采用高精度非接觸紅外線測溫儀,確保了產品質量的穩定性。紅外實時測溫系統將數據傳至操作臺的無紙記錄儀中,方便工作人員的遠端監控和生產關鍵參數的回溯。

成套設備組成及主要元器件廠家:
  1)淬火IGBT雙頻感應加熱電源:
  2)回火IGBT雙頻感應加熱電源:                
  3)淬火感應加熱爐體
  4)回火感應加熱爐體
  5)儲料架
  6)輸送架
  7)淬火爐體柜(含不銹鋼管道、雙頻電容器柜組、輸送托輥)               
  8)淬火水箱(含不銹鋼噴水圈,流量計及變頻托輥)                
  9)回火爐柜體(含不銹鋼管道、雙頻電容器柜組、變頻拖動)       
  10)寸動涼料裝置
  11)收料架
  12)PLC總控制臺
  13)變頻器控制柜                                            
  14)氧化皮過濾箱                                                               
  15)紅外測溫自動控溫系統  


主要元器件廠家及零部件材質

序號

名稱

產地或品牌

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

英飛凌

5

開關、按鈕

施耐德

6

接近開關

歐姆龍

7

氣動元件

煙臺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,線圈絕緣材料進口,線圈使用壽命和無故障使用時間長,加熱效率高

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

不銹鋼不導磁,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

美國聯礦(天津分公司),特別配方,和銅材熱膨脹系數接近,不易開裂、脫落,使用壽命長。

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無磁不銹鋼


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。可根據用戶的每個產品規格設定一套程序,工作時只需在觸摸屏上點擊需要生產的產品規格一切動作均有PLC程序自動完成。
天車吊料→儲料平臺→自動續料機構→進料輥道→淬火感應加熱→紅外線測溫→出料輥道→噴淋淬火→淬火完成→回火輸送機構→回火感應加熱→紅外線測溫→出料輥道→涼料機構→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并報警。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。
   實時采集、記錄、存儲過程控制的數據并具有相應的分類檢索、查詢、打印功能。過程數據可按年月日詳細記錄、查詢、打印。 (工控機)對過程加熱設定參數可自動形成數據庫并可儲存至少半年,數據能夠拷貝,以備隨時抽查。(工控機)自動記錄所采集到的加熱溫度,自動生成加熱溫度時間曲線,并能查詢。(工控機)集成VGA+DVI顯示接口,4PCI,6COM口,6USB,1PCIEX1,1PCIEX16,2個千兆網卡,功能強大的研華IPC-610L/EBC-MB06/I5-2400/4G/1T 工控機。
   由于生產線為連續不間斷運行,故電機與電源的自動控制顯得尤為重要,并且將直接影響到產品的質量。電機傳動部分SIEMENS 變頻調速電源來控制傳送線的運行速度。利用集控臺,通過SIEMENS PLC 及工控機人機界面等控制系統,可實現下述功能:
   1).生產線啟動時,能自動完成傳動機構及各電源的啟動,并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,確保生產線按最佳工藝參數運行,保證產品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.電源電壓、功率
     b.線速度、直徑、重量
     c.電源工作狀態
     d.故障信息顯示,10組歷史故障存儲
     e.生產線工作狀態信息顯示
   5).同時可實現生產數據實時記錄、存檔、查詢、打印等功能(包括實時顯示生產數據、生產效率、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產過程的可追溯性。
   電氣控制主要完成對整個生產線的過程控制和調節,完成生產線相關設備及其各個相關專業之間的工藝聯結、連鎖,以保證整個生產線設備能夠按照生產和工藝要求,正常、正確、準確地進行相應的有序動作。各動作過程設有調整、手動、自動等操作方式。


PLC總操作控制臺

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鋼棒為例,我們做出的實驗:

表1  42CrMoS4化學成分(質量分數)(%) 

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


   
鋼棒調質前狀態為熱軋態,42CrMoS4為亞共析鋼,42CrMoS4鋼Ac3溫度約為780℃,常規熱處理選取淬火溫度一般為850~860℃。但在感應加熱中加熱速度非常快,其臨界點Ac3隨加熱速度的增大而升高,而且我們要考慮奧氏體化的充分性,應適當提高加熱溫度。根據鋼材標準的力學性能要求,既要有一定的強度、硬度,又要有良好的塑性及沖擊韌度,確定鋼材回火溫度應為高溫回火,希望得到更多的回火索氏體。所以我們試驗設定感應加熱調質工藝見表2,我們在已調質的鋼材上取樣檢測縱向力學性能,截取位置為距表面12.5mm處,取樣兩支,檢驗結果及標準性能指標要求見表3。 

表2  42CrMoS4感應加熱調質工藝 

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  力學性能指標及檢驗結果 

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

標準要求

900~1100

≥650

≥12

≥50

Ф35

1 068

922

15

57

86/85.3/90.9

87.1/83.4/88.9

標準要求

1 000~1200

≥750

≥11

≥45

≥35

≥35

組織性能分析 
   從試驗結果來看,力學性能符合標準要求,Ф35mm由于規格較小,在淬火過程中全截面都可以達到很快的冷卻速度,我們取其調質后半徑1/2位置的金相組織(如圖1所示),我們可以得到較為均勻的回火索氏體組織,未見貝氏體組織及塊狀鐵素體出現。對于Ф65mm規格我們取樣分別觀察鋼材橫截面上不同位置的金相組織,靠近表面位置為比較均勻的回火索氏體(距表面距離≤15mm以內),如圖2所示。 
   隨著距表面距離的增加逐漸有貝氏體出現,圖3為距表面16mm處組織,回火索氏體+少量貝氏體組織,圖4為距表面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。 

圖5  42CrMo CCT曲線

   結論
   對于感應加熱淬火+回火連續熱處理線,由于其加熱的物理特性均可以達到很快的加熱速度,我們需應采用比傳統加熱方式更高的淬火及回火溫度,當采用不同的加熱速度時也應做出相應的調整。我們目前制定的感應加熱調質工藝完全可以滿足產品的力學性能要求。

定制:風電、電力鐵塔地腳螺栓熱處理調質生產線

電話:15731716669 郵箱:yuantuojidian@aliyun.com 地址:吳橋縣經濟技術開發區嘉陵江路北燕山道西側
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