卡电分级油淬火回火钢丝生产线的设计思考

1、卡电分级油淬火回火钢丝生产线的设计思考第25卷VoI_25第2新No2金属制品SteelWireProducbl999年4月Ap1999f斗卡电分级油淬火回火钢丝生产线的设计思考(冶金部盘属御品研究院450007)摘要:介绍目前国内普遍使用的油淬JJA钢丝生产线.对卡电式分级油淬火回JA钢丝生产线设计中需要注意的问题进行了简单的论述.结合工艺试验,提出了在该生产线上对钢丝形变热处理的一些设想.关键词:油淬火回火弹簧钢丝ThinkingoftheTypeGradedOiltemperedSteelWireProductionLineGuoPing(kReearchmSteelWireProdum

2、derMmryoffgT丁y450007)Abstract:Tointroduceltemperedsteelw】productionlinebeinguseduniversallyathomeatprcvent.Somepmemstobeattendedtoindesignofstrongcurrent,directheatingtypegradedoiltemDeredsteelreproductionlinearerelatedBycombin?ingwithpmeelest,8lmethinkingsaboutthermomechaoicaltreatraeutofsteelwire0

3、ntheprodllclionlinenputforwardKeywords:oiltempered;pnngsteelwire;design;thermoraeclmtficaltreatyaeut1国内油淬火回火钢丝生产线现状生产重要用途及高质量的弹簧,大部分都要使用油淬火回火台金弹簧钢丝.El前国内制品厂生产油淬火回火弹簧钢丝大多采用的是线落子放线,管式炉加热,油槽淬火,铅锅（粒子炉）回火,水槽冷却,卷筒收线的生产线.这种传统生产线随技术发展也在不断地改进.比如,管式加热炉除在能源上可实现煤,电,油,气多种加热方式外,还在炉管中通人保护气体以减少钢丝的氧化及脱碳;也有些生产线使用明火加热

4、炉对钢丝进行加热,以达到提高加热效率及减少氧化的目的;淬火油槽增加了低温加及高温冷却的控制装置,可使淬火油温度始终保持在±2的范围之内,从而减少了油温对钢丝强度波动的影响.传统的铅锅回火也可被无铅尘污染的粒子回火炉所代替.冶金部金属制品研究院从国外引进的粒子回火炉就是一例,在近两年的使用中.产品性能基本稳定.为保证油淬火回火钢丝产品的平直度,有些生产线还在放线之后,收线之前增加一对具有速度差的牵引轮.由于收线之前的牵引轮线速度大于放线侧牵引轮的线速度,故使得在加热炉,淬火油槽,回火槽之间的钢丝始终有一张力.这一设施对保证较粗规格钢丝的平直度尤其重要.除此之3qb硝酸酒精腐蚀800x工

5、艺（E的变化）:02.86（440C回A）一455（480回火）一5.18圈9P=5.18时的显微组织塑性真应变E约为2.86时,进行中间回火是必要的,其回火温度不能超过500屯.r(4)随着中间回火温度升高，冷拔双相钢丝强度下降,弯曲性能提高,但扭转性能变化比较复杂,约在400500之间存在一脆性区,在脆性区回火扭转值很低,但经小变形量拉拔后,会增加,扭转性能得到改善.(5)对冷拔双相钢丝进行350480oC成品前回火是必要的.这有助于成品钢丝的扭转和弯曲性能达到国标要求.(收稿日期:1998一ll一02)完卫国师.彭大成作者简介1964年6月生.马鞍山钢铁岱司钢研所高衄工程1940年7月生

6、,马鞍山钢铁辞司高毁工程师第2期郭平:卡电分级油淬火回火钢丝生产线的设计思考外,还有的生产线增加了涂油槽,无损探伤等装置;电气上采用了PLC微机程序控制,触摸屏操作及显示等等.上述的传统油淬火回火生产线由于其加热炉储能高,热容量大,可同时处理多根钢丝,产量高,同时由于钢丝通过加热炉速度缓慢,被加热的钢丝可以充分奥氏体化,产品质量易于做到稳定控制,因此,目前该类型的生产线在油淬火回火钢丝的生产中仍占有主导地位,也是各生产厂家的首选设备.然而,近代的弹簧设计对弹簧疲劳次数及使用应力都有较大幅度的提高,对钢丝的各项性能也就提出了更高的要求.国内外的冶金企业开展对钢种及其纯净度的研究,力求能提供高质量

7、的原料:生产钢丝的厂家也开展了对原材料进行剥皮工艺及设备的研究以及形变热处理工艺及设备的研究.其目的都是为了能使钢丝达到高应力工作状态下所要求的疲劳次数.在生产高应力,高疲劳寿命且小直径类似气门弹簧钢丝的油淬火回火钢丝产品时,使用传统的油淬火回火生产线也暴露出很多问题,显得不能与之适应.因此,用于油淬火的感应式加热炉及卡电式加热炉等各种新型热处理方式开始研究,试验及用于生产之中.2卡电分级油淬火回火钢丝生产线介绍卡电加热工作原理较为简单.国内的制品厂家多用于半成品弹簧钢丝的铅淬火索氏体化处理,而用于油淬火回火钢丝生产的不多.卡电咖热由于受电气元件电流值的限制,多用于处理中,小规格的钢丝.卡电加

8、热的方式可以使钢丝横断面内外同时加热,且具有加热速度快,无脱碳,氧化很少,钢丝晶粒细化,热效率高,方便形变热处理等优点.我院卡电油淬火回火生产线的主要工艺流程及设备组成如下:2t工字轮放线一无级调速动力放线装置一活套系统装置一铅槽（I）一卡电加热奥氏体化一铅槽（n）一油淬火装置一气擦装置一铅槽（田）一冷却永槽一无级调速动力牵引装置一涂油装置一2t工字轮收线装置.由于卡电油淬火线采用了单根快速加热处理的方案,故传统的线落子放线不能满足使用的需要.使用容量为2t的大工字轮放线,高效,快速且可以做到百分之百可靠.同时工字轮放线架上带有简易的弹簧式阻尼装置,使其放线时钢丝不可能甩出大圈,使用过程中无需

9、人照看.工字轮上放出的钢丝经过一组轮式矫直器的夹持进八无级调速的动力牵引轮上.采用动力牵引的目的一是钢丝盘重较大,仅仅靠被加热后的细丝驱动放线容易造成断线及缩径;二是本牵引轮将与后边的牵引轮之间形成一定的速度差使钢丝平直度较好.在油淬火生产线上增加活套系统的目的一是方便观察与调节收放线之间的速度匹配,二是可在活套系统上配挂一定重量的配重,使钢丝受到一恒定的张力.铅槽I与普通卡电式铅淬火生产线中的接触槽作用一样,一是作为电极给钢丝卡电;二是起到预热钢丝的作用铅槽I可以做成活动的,便于调节钢丝卡电加热的距离.钢丝卡电加热奥氏体化的温度控制主要是调整卡电电压.也可以辅助调节钢丝的卡电距离.由于是单根

10、钢丝卡电加热,故在卡电段使用了内部为陶瓷管,中间为耐火纤维,外部为钢管的保护管.被加热的钢丝从内部通过,一可减少热量的散发,节约能源;二可减少空气的流动,减轻表面氧化;三是安全,不易伤人.铅槽n是对钢丝卡电的另一电极，同时又相当于淬火槽.也就是说钢丝在进行油淬火之前先进行了一次铅淬火,即所谓的分级淬火.这一级淬火并没有使温度降至钢丝的Ms温度点以下,而淬火的时间也相当短.由于卡电的两个电极都采用了液态铅槽,故钢丝在加热过程中不会因打火而引起表面缺陷.油淬火装置是油淬火生产线不可缺少的重要组成部分.本次设计除了严格控制油温的恒定外,最大特点是改掉了传统的油槽敞开滥流淬火的工作方式,首次采用了强压

11、环状喷嘴射流及完全封闭的淬火形式.其主要优点是:在加大冷却速度的同时,从根本上解决了淬火油易燃的难题.环状气擦的目的是为了将钢丝上的淬火油吹掉,达到节油及减少回火时产生的油烟,使工作环境得以改善.铅槽田是回火铅槽.它的最大特点是在很短的长度内可容纳数十米长度的钢丝,从而有效地保证在钢丝快速运动情况下必需的回火时间.它的另一特点是钢丝在通过铅槽时从上到下,从左到右循环运动,并且铅液也时常处于搅拌状态,温度比较均匀.冷却永槽是将回火之后的钢丝快速冷却,避免产生脆性,同时钢丝降温后也便于后续的操作.无缀调速动力牵引装置主要作用是保证钢丝在运行过程中速度恒定,因为在牵引轮上无积线,无负l2垒属制品第2

12、5卷载大小的变化.其另一作用是与前边的放线牵引轮构成速度的差动.从而保持了钢丝的张力,即保证钢丝的平直度.涂油装置实际上是一个防锈油擦拭装置.通过阀门的调节,可使每分钟滴于海棉体上的油滴数量合适即可.工字轮收线机用力矩电机驱动,容线量为2t.力矩大小视丝径的需要连续可凋.卡电油淬火回火生产线由于全部采用了自动控制及2t重的大盘重收放线,所以工作起来只需一人看守即可.不足之处是必须按用户的要求盘重进行次打轴.3卡电油淬火线设计中的注意事项3.1 铜丝速度的控制精度在单根快速卡电油淬火回火生产线设计中.钢丝运行速度的恒定至关重要,它是影响钢丝强度通条性的一大因素,因此必须引起足够的重视在以往的传统

13、油淬火生产线上,收线用电机多采用滑差电机且以集体传动的方式拖动收线卷筒.这种电机的速度稳定性很差且随着昼夜温差的变化,控制器内部电子原件的零点飘移非常严重.我们曾对使用数显控制器控制的滑差电机进行了24h环境温度变化空运行观察记录,结果发现电机转速极差竟达到100多rtmin.当然，这种变化是非常缓慢的，是在一天24h之内周期性变化的.另一影响速度稳定的原因是皮带传动.这种传动方式在传统的收线机上经常使用.皮带的摩擦传动造成的丢转是很难发现及控制的.这种传动方式在动力放线及动力收线有严格速度差要求的新型生产线上绝对不允许使用.根据El前的成熟技术,推荐使用带有光码盘反馈系统的交流变频调速器及与

14、减速机直联的交流变频电机做为动力放线和收线牵引装置的动力源.该调速系统可将钢丝的速度稳定在3%的范围内.3.2 卡电电压的控制精度在单根快速卡电分级油淬火回火钢丝生产线中,钢丝卡电段的电压恒定与否是影响钢丝强度通条性的又一重要因素.在以往的卡电铅淬火生产线上,影响电压稳定的原因一是电网电压的波动,二是多根钢丝处理过程中断丝造成负载变化,三是由于同批钢丝尺寸公差波动造成电压的波动,四是走线速度不稳使电压跟随波动,五是与卡电炉使用同一变压器的较大功率用电器的频繁启动与停止造成的电压波动.在单根钢丝恒速运行的卡电油淬火线上,影响电压稳定的主要原因是电网电压的波动.解决这一问题的办法一是卡电生产线单独

15、使用一台动力变压器,二是减少同一变压器电网中大功率用电器的启动与停止次数但是这些方法对很多企业都无法实现或实现较为困难.另一方法是在卡电控制系统上实行诃压,稳压解决电压的波动.新型的可控硅供电控制系统使用了负载的电压,电流闭路反馈诃节装置,基本上能够保证电压的稳定.我们本次使用的可控硅供电及控制系统与传统卡电炉的最大区别是将可控硅诃压,稳压控制系统放置在整流变压器之前的高压侧.即在电网的三相380V侧首先使用带有调压,稳压电路的3个双向可控硅,将电压诃节到需要值后输出到低压变压器的高压侧,然后将变压的三相电经二极管组成的三相拼式全波整流器整为直流电输送到钢丝上.这一方案大大降低了可控硅的电流容

16、量,从而使电控柜费用降低了50%,并且安全可靠,不易出故障.由于高压侧的电流较小，仅是低压侧电流的1181t6,故诃节的动态响应速度较快高压侧稳压之后的电压波动值又经变压器降压衰减之后,在输出侧的电压波动量仅为原波动值的1t81t6左右该系统最终使用效果为当电网电压在340420V之间变化时，加在钢丝上的直流电压波动不超过0.5V.3.3 各铅槽铅温的控制在卡电油淬火回火生产线上共使用了3个铅槽,其中回火铅槽铅温的稳定与否最关键.设计铅槽的供电与温度控制系统时,最好使用双向可控硅调功器供电及智能控温仪表.仪表的温度设定采用数码式,设定精度为1.最终使每个铅槽的铅温变化范围为±2.热电

17、偶的安装位置应尽可能靠近钢丝的走线位置,最大限度地减少温度的测量误差.设计中值得注意的是铅槽R.由于被加热的钢丝不断将热量带人铅槽,所以当正常生产时铅温有可能不停地升高,因此必须设计玲却装置,使铅液温度降下来,否则钢丝人口处的局部铅温将达到700以上,铅液氧化将十分严重.设计中采用强制风冷的方式较安全.铅液的上下温度限均采用自动控制.另外，铅槽II与淬火油槽之间的距离要短.钢丝在两槽之间停留的时问一般不要超过2s,具体时间在安排工艺时根据钢种的C曲线确定.3.4 淬火油温度的控制与过滤在钢丝油淬火过程中,油温的大幅度变化直接影响淬火油的粘度,从而对钢丝的淬透性及强度产生一定的影响.因此,新型的

18、油淬火生产线都对油第2期郭平:卡电丹级油淬火回火钢丝生产线的设计思考?l3温进行严格的控制.在没有淬火时,先通过电加热管将油加热到设定的温度;淬火时,钢丝带八的热量会使油温迅速升高,必须有降温冷却装置.整个过程实行自动化控制.设计中应注意:当采用电加热器对淬火油加温时,一定先让油循环起来,否则,局部温度过高易造成事故.应在电路的设计中保证只有当油泵启动之后,电加热管才能启动.冷却方式可采用风冷或水冷,只要是设计的冷却器换热面积能够满足生产需要即可.淬火油使用后很快被污染.为保证淬火的质量,使钢丝不出现软点,在供油系统中应设计安装过滤器.过滤器的滤芯最好使用80 目以上的铜网,并经常清洗.淬火油

19、槽与储油槽在设计时最好要分离开,以增加使用的安全性.在单根卡电油淬火生产线上,淬火油槽可用钢管代替做到完全封闭淬火,彻底杜绝火灾的发生.将传统敞开式溢流淬火改为强压环状喷嘴射流淬火,钢丝从环状喷嘴的中心通过,冷却能力大大加强.在同样的油槽长度内钢丝运行的速度可有较大提高,也可以认为是相对缩短了淬油时间.81 5钢丝卡电距离的确定钢丝的卡电加热距离是决定生产线处理不同直径钢丝时能否正常发挥直流供电系统功率的关键,也是提高生产率的关键.钢丝的卡电距离可根据生产线处理的钢丝规格范围及供电系统的电压调节范围,采用计算机优化的方法计算出最佳的合适长度最佳设计是将铅槽I制作成活动可调的.根据我们的实践，如

20、果生产15mm的钢丝且最高直流电压为80v时,则卡电加热距离应在25m的范围内调节，能够满足2040m/rain的处理速度.4 工艺试验及生产中注意事项单根卡电分级油淬火生产线与普通油淬火线的一个裉明显的区别是热处理线速度较快,否则将无产量可言.普通管式炉油淬火线如果其DV值设计为20,处理05mm钢丝时的走线速度为4m/rain;若走6根线,则折算速度为24m/rain在单根卡电油淬火生产线上实现24m/rain的走线速度是很容易的事情.但是,在工艺实验及生产中应注意以下事项41钢丝加热奥氏体化温度的控制钢丝的奥氏体化是保证淬火的前提.普通管式炉加热制定工艺时，往往是根据钢种的Ac值再加上3

21、05oC作为炉子的控制温度由于钢丝在炉时间长,调节走线速度使钢丝奥氏体化一般不会出现淬火不良的现象.然而,使用同样的温度在卡电油淬火生产线上大多数情况下根本无法实现淬火.这是由于钢丝运行速度较快,加热时间过短造成的.因此,在不增加加热时间的情况下必须提高奥氏体化的加热温度.根据我们的实验,合金弹簧钢需要在原来管式炉加热温度的基础上再提高508oC才能保证其淬透性.4.2 油淬火时问的确定普通溢流式油淬火生产线的钢丝淬火时间往往根据每毫米直径在油时间不少于4s确定据此，钢丝淬火比较充分,残余奥氏体含量较少.如果将其照搬到卡电油淬火生产线上,淬火油槽的长度将很长.例如:5mm的钢丝，在油时间需20

22、s如果钢丝的运行速度是20m/raln,油槽长度将近7nl.但在卡电油淬火生产线上由于使用了强制压力环状喷嘴射流淬火,可将原来溢流淬火条件下的每毫米直径钢丝淬火时间4s缩短为23s.因此，处理5mnl钢丝时的油槽最大长度可减少为34m.由于各钢种的淬透性不同,当一定速度下淬火时要对在线样进行金相检验,不但要使钢丝完全淬透,并且要让残奥的含量达到正常比例.4.3 回火温度与时闻的确定钢丝在充分淬透的情况下,要回火到某一要求的强度值时主要是调整回火温度与回火时间.回火温度与回火时间从某种意义上来说是可以互补的.对于某一给定的强度值,通过降低回火温度,延长回火时间或提高回火温度,缩短回火时间都可实现

23、.温度与时间的关系可根据不同钢种的回火方程式进行计算.然而,温度与时间之间并没有线性关系,对强度的影响程度差别也较大.其中温度变化的影响远远大于时间的影响.即当回火温度降低10时,回火时间有可能延长几小时,十几小时甚至几十小时才能得以补偿.这种利用延长回火时间来补偿因降低回火温度对钢丝强度造成的变化,在实际生产中是不现实的.由于卡电式油淬火生产线钢丝运行速度较快,在铅的回火时间较短,故回火温度要相应地提高.不能完全照搬普通油淬火线的回火温度.但这一回火温度的提高仅需1020即可.4.4 钢丝直径公差的控制在普通的铅淬火卡电炉上,往往是同时处理十几根或几十根钢丝.每根钢丝之间都存在有尺寸误差,从

24、而造成每根钢丝之间温度差别.由于卡电式油淬火线只走一根钢丝,因此尺寸误差造成的温度变化相对较小.值得注意的是同一盘钢丝头尾的公差波动.由于钢丝的盘重较大,拉拔细丝时因拉丝14?金属村品第25卷模的磨损造成头尾公差不一.所以最后一道拉拔时要经常测量,确保同盘钢丝的头尾公差在0.02mm之内c只要钢丝磷化质量好,拉丝润滑充分,拉丝模孔型加工合理,拉拔2t盘重的钢丝,保证其头尾尺寸满足上述公差要求是完全可实现的.保证钢丝直径公差的另一含义是指油淬火之后的成品钢丝公差要符合标准要求.由于卡电式油淬火线在放线与收线之间因速度差而产生有张力,被加热的钢丝在张力的作用下将产生微量的延伸.根据体积不变的原理,

25、钢丝在产生延伸的同时其直径也将产生微量的收缩.这一收缩量的大小与加热温度及张力值有关.实际生产中,张力值的给定又与钢丝的直径和运行速度有关.一般情况下,张力值是按收,放线之间速度差为0.5%一1.5%来给定的.根据给定的张力值可计算出钢丝在加热过程中的延伸值,从而推算出直径的缩小量.一般情况收缩量预留0.叭0.02mm.因此，在油淬火处理之前的钢丝最后一道拉拔时要预留正差,热处理收缩之后正好达到理论标称值.5 在卡电油淬火线上实现搿变热处理钢丝形变热处理的难点与重点一是如何根据各钢种的C曲线图制定出合适的形变温度并在实际处理过程中较准确地控制住这一温度i二是如何准确地掌握住钢丝在奥氏体状态下从加热温度降至形变温度所需的时问i三是应根据不同钢种制定出合适的形变量.随着对弹簧钢丝力学性能要求的提高,在国内也开始了研究和试生产形变热处理钢丝,经形变热处理的钢丝其金相的主要特征是晶粒细化坷达12级以上.在力学性能上,简单地说是在相同的强度下其塑性较好,不易脆断及延时脆断,即面缩率及延伸率较高;在弹簧的使用上,在高应力状态下疲劳寿命长,疲劳源裂纹不易扩展或扩展缓慢在单根快速卡电分级油淬火回火生产线上进行