棒材管材钢的感应穿透加热调质
利用感应加热对钢棒进行穿透加热淬火，并随之进行感应穿透加热高温回火，可在连续生产线上完成调质工艺。这种工艺方法对各类中碳钢、低合金钢的的棒料、管材、轴类零件均适用。国内有石油机械企业 Φ280×9000~12000 mm 的圆钢就是在这种设备上进行调质处理。这种设备具有生产效率高，单位能耗低，工件畸变小，少氧化脱碳，无污染，易于自动化，占地面积小等特点，特别适合于大批量生产。
▲棒料感应透热调质线现场图片
1 穿透加热频率的选择
感应加热条件下，感应电流的有效透入深度 h 为
式中:
被加热圆棒直径 d 与电流透入深度 h 之比值为 4:1 时，对应的电源电流频率称为临界频率。设备频率低于临界频率时，感应加热的效率急剧下降，高于临界频率时，电效率增加不大，但设备造价明显提高。
几种材料有效临界频率与工件尺寸的关系见图1 ，感应透热电源频率应尽量接近临界频率。
▲图1 几种材料有效加热临界频率与工件尺寸的关系
2 穿透加热设备功率的选择
在穿透加热时，工件截面的透热靠外层向内层的热传导实现，需要有一个适当的温度梯度，又要使截面不出现过热区域，所以，选用的能量密度不能太高，过低又将使加热效率显著下降。表1 列出了钢穿透加热所需功率密度。
▼表1 钢穿透加热所需功率密度（kW/in²）
在连续感应加热调质线上，穿透加热电源设备采用的功率应考虑生产能力。此时功率 P 可用下式表示：
P=ηGQ
式中:
η——加热效率
G——每小时产能（kg/h）
Q——单位重量工件加热所需能量
（kW·h/kg，或kW·h/t）见图2 。
▲图2 工件感应透热加热温度与单重所需能耗
透热过程与金属的热导率（W/（mm·℃））及感应热系数KT（W/（mm·℃））有关。圆棒的 d/h（直径与透热深度比）值与KT及热导率的关系见图3 。
利用上图求透热功率的步骤为：
（1）选择加热频率并计算棒料 d/h 值，（d/h在1~4之间）。
（2）用金属加热时的热导率及 d/h 值，在图3 中查出对应的感应热系数Kτ。
（3）单位长度工件所需功率 PL 由下式决定：
PL=KT（ts-tc）
式中:
ts——表面温度（℃）
tc——中心温度（℃）
（4）考虑各项功率损失的效率 η ，除以 PL 可得到加热单位长度工件所需的功率的大小。
3 感应加热调质连续生产线
图4 为自动四头螺旋驱动滚动系统用于在线感应调质实例。
▲图4 四头螺旋驱动滚动系统感应调质生产线
这种自动化感应加热线包括自动处理系统、可编程控制器及光纤传感器。由传送系统送到热加工区后，工件由四头倾斜滚筒系统QHD处理。滚动驱动器与头盘相连，使工件一边绕轴线转动一边沿轴线方向向前移动。一旦工件进入此系统，光纤传感器监测到它的位置，便开始奥氏体化加热。这个传感器还可以觉察不正常操作，例如进料不当，可报警并自动关闭。
▲倾斜滚动传送装置实物图片
▲加热端进料过程中
HQD系统在淬火过程中，感应频率通常是在500kHz，或3~10kHz。在每种情况下，一个温度传控制器可自动检查工件温度的高低，以防止不当奥氏体化的工件通过系统。工件通过淬火环后被冷却到95℃左右，在回火器啊完成马氏体转变。当工件被运送到回火系统时，光纤传感器觉察到工件，开始用低频（300Hz）电流进行回火加热，温度一般在400~600℃范围，完成回火加工。
▲图5 管材感应透热调质生产线
注：管材从右侧进入，加热奥氏体化后经过淬冷、输出、回火。随后被送到加工机床冷却。
▲棒料调质加热进行中
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