■劉磊

新型差溫爐測(cè)溫研究與工藝改進(jìn)

■劉磊

支承輥在軋機(jī)中用來支承工作輥或中間輥，軋制時(shí)防止工作輥出現(xiàn)撓曲變形而影響板形質(zhì)量。支承輥質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響軋板的產(chǎn)量及質(zhì)量。

熱處理過程是影響支承輥質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，合理的熱處理工藝可以有效的優(yōu)化組織分布，控制晶粒尺寸，改善應(yīng)力狀態(tài)。我公司Cr4系材料支承輥?zhàn)罱K熱處理，采用差溫?zé)崽幚?回火工藝。差溫?zé)崽幚硎菍⒅С休佪伾碇糜趯Ｓ貌顪貭t內(nèi)，由高速燒嘴噴出火焰對(duì)輥身表面進(jìn)行快速加熱，使輥身表面產(chǎn)生一定深度的奧氏體層而心部仍保持在相變點(diǎn)以下，然后進(jìn)行噴霧淬火的一種熱處理方法。

差溫爐是差溫?zé)崽幚碜钪匾脑O(shè)備，本文對(duì)一套新型差溫爐系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)溫研究，從而掌握該設(shè)備的性能和輥?zhàn)釉诓顪剡^程中的溫度變化情況，并依此對(duì)原有的差溫?zé)崽幚砉に囘M(jìn)行優(yōu)化。

一、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用φ1600m m支撐輥，材質(zhì)為Cr4。輥身采用敷偶的方法測(cè)定差溫?zé)崽幚磉^程中不同位置和深度的溫度變化，敷偶位置及深度見圖1。輥身螺紋孔從左到右依次排開，偶孔號(hào)依次標(biāo)記為1#、2#、……、7#，實(shí)際深度分別對(duì)應(yīng)為90mm、90mm、110m m、20m m、795m m、160mm、20mm。

差溫試驗(yàn)共進(jìn)行兩次，以便對(duì)比不同工藝下的差溫效果，試驗(yàn)工藝如圖2所示。整個(gè)試驗(yàn)過程中，熱電偶全程記錄試驗(yàn)件的溫度變化。此外差溫爐內(nèi)的紅外測(cè)溫裝置能記錄輥身外表面溫度變化，通過與電偶數(shù)據(jù)對(duì)比，可以檢驗(yàn)測(cè)溫儀的準(zhǔn)確性，從而在實(shí)際生產(chǎn)中通過測(cè)溫儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來掌握輥?zhàn)拥臒崽幚砬闆r。

進(jìn)入差溫爐前試驗(yàn)件在回火電爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱升溫，以保證輥身內(nèi)外溫度均勻一致，整個(gè)輥身進(jìn)入塑性狀態(tài)，為承受后續(xù)劇烈的快速加熱做準(zhǔn)備，并且減少加熱造成的熱應(yīng)力。經(jīng)過預(yù)熱的支承輥轉(zhuǎn)入差溫爐后，先以較大的功率使?fàn)t溫迅速加熱到高保溫度（1070℃、1040℃）保持，以使輥面溫度迅速達(dá)到奧氏體化溫度，然后適當(dāng)降低爐溫（1010℃、1000℃）進(jìn)行保溫，避免輥身過熱。如果輥面溫度過高導(dǎo)致淬火組織粗化，淬火容易脫肩。保溫時(shí)間根據(jù)輥身直徑大小、淬硬層深度及實(shí)際升溫速度綜合考慮。測(cè)溫試驗(yàn)結(jié)束后不進(jìn)行噴淬而是先空冷降溫，然后轉(zhuǎn)回電爐內(nèi)進(jìn)行回火。

圖1　試驗(yàn)件敷偶孔位置及深度

圖2　測(cè)溫工藝曲線

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

1. 第一次測(cè)溫結(jié)果與分析

（1）測(cè)溫曲線 第一次差溫加熱過程中不同深度孔的測(cè)量溫度值隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。預(yù)熱出爐后，差溫爐出問題，試驗(yàn)件空冷4.5h，其心部溫度由456℃升至462℃（max），后又降至415℃時(shí)開始執(zhí)行差溫工藝，故試驗(yàn)件入差溫爐時(shí)的溫度偏低。由圖可知：①整個(gè)升溫及高保階段，工件表面及內(nèi)部各區(qū)域（除5#偶外）均處于快速升溫過程，未出現(xiàn)曲線拉平現(xiàn)象。心部5#偶溫前期先降低再升高，是由于入爐前空冷時(shí)間過長(zhǎng)，輥身外部熱損失大，導(dǎo)致心部蓄熱量減少所致。②高保降溫開始后，4#和7#偶及1#偶溫度小幅降低后保持穩(wěn)定，其他偶繼續(xù)升溫并保持穩(wěn)定的梯度，但升溫速度較高保階段明顯變慢，且越靠近表面越明顯，心部基本無影響。

從具體數(shù)據(jù)上來看：①4#偶（中部）：高保1.5h后偶溫到達(dá)941℃，高保結(jié)束升至962℃（max）；降溫及低保階段，偶溫先降至938℃，最后緩慢升至944℃。②7#偶（邊部）：高保1.5h后偶溫達(dá)942℃，高保結(jié)束升至957℃（max）；降溫及低保階段，偶溫一直下降至928℃，并保持不變。③整個(gè)差溫過程至低保結(jié)束，1#偶（邊部）升至901℃；2#偶（中部）升至895℃，3#偶升至878℃，6#偶升至837℃，5#偶（心部）升至634℃。

（2）紅外測(cè)溫儀與表面偶數(shù)據(jù)對(duì)比 選取位于爐膛中間部位的紅外測(cè)溫儀數(shù)據(jù)與表面偶數(shù)據(jù)對(duì)比分析，如圖4所示。在工藝開始階段，由于爐膛內(nèi)的燒嘴在開始時(shí)以最大功率加熱，所以輥?zhàn)拥耐獗砻鏈囟妊杆偕?；?dāng)進(jìn)入到高溫保持階段后，燒嘴熱輸入基本保持穩(wěn)定，故紅外所示的輥?zhàn)油獗砻鏈囟冗_(dá)到峰值后保持穩(wěn)定，而由于輥?zhàn)觾?nèi)部升溫吸熱的影響，導(dǎo)致表面熱電偶的溫度低于最外層的溫度；在低溫保持階段，燒嘴功率降低，三者溫度均小幅下降并趨于一致。同時(shí)也能看到在輥?zhàn)颖砻嬷辽?0mm深度的表層已經(jīng)完全奧氏體化，且內(nèi)部溫度梯度也比較合適，已滿足出爐噴淬的要求。

（3）試驗(yàn)輥開爐空冷溫度變化分析 在實(shí)際生產(chǎn)中，輥?zhàn)硬顪責(zé)崽幚沓鰻t后要馬上進(jìn)行噴淬，但是中間需要一定的時(shí)間把輥?zhàn)右苿?dòng)到噴霧淬火機(jī)床上，時(shí)間大概要7～10min，所以了解輥?zhàn)釉诔鰻t后的溫度變化情況也很有必要，輥身不同位置的溫度變化趨勢(shì)如圖5所示。

從4#和7#兩個(gè)表面偶數(shù)據(jù)對(duì)比來看，出爐時(shí)4#945℃、7#930℃，二者相差15℃；10min后4#731℃、7#715.5℃，相差15.5℃；降溫分別為214℃和214.5℃，這說明在10min內(nèi)表面降溫速率相同。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，邊部的降溫明顯加快，這說明邊部的散熱條件較好。

對(duì)于1#和2#兩支偶，出爐時(shí)1#（902.4℃）比2#（896.9℃）偶高出5.5℃，但是空冷10min后，1#（830.2℃）比2#（841.6）偶低11.4℃，分別下降72.2℃和55.3℃，說明邊部降溫更快些?？绽鋾r(shí)間越長(zhǎng)，溫差越明顯。

5#為內(nèi)部傳熱，對(duì)外界溫度變化無反應(yīng)，溫度穩(wěn)定升高。

上述數(shù)據(jù)表明，在差溫出爐空冷的一定時(shí)間內(nèi)，軋輥外層降溫明顯，且越靠近表面降溫越快；邊部比中部降溫快些，且時(shí)間越長(zhǎng)越明顯；心部基本不受影響。在實(shí)際的噴淬條件下，邊部的降溫將會(huì)明顯快于輥?zhàn)拥闹虚g位置，所以在制定熱處理工藝時(shí)要考慮到此種情況，以避免輥?zhàn)蛹绮块_裂或硬度不合格。

2. 第二次測(cè)溫結(jié)果與分析

（1）第二次測(cè)溫曲線 由于第一次測(cè)溫時(shí)，高保1.5h兩支20mm深偶溫即超了940℃，高保結(jié)束時(shí)偶溫最高達(dá)962℃（對(duì)應(yīng)紅外達(dá)980℃），溫度過高將使輥?zhàn)油鈱泳Я?yán)重長(zhǎng)大，組織粗大，合金碳化物溶解，不利于良好淬硬層的形成。故調(diào)整了工藝的高保和低保溫度進(jìn)行第二次測(cè)溫，為了保證淬硬層深，并未調(diào)整工藝時(shí)間。

不同深度的溫度值隨時(shí)間變化的曲線如圖6所示。從各偶的溫度變化趨勢(shì)來看，與第一次測(cè)溫基本一致。從具體溫度數(shù)據(jù)上來看：①第二次測(cè)溫高保階段，兩支表面偶最高溫均比第一次低。4#偶（中部）升至918℃，7#偶（邊部）達(dá)到908℃；降溫及低保階段，溫度先降后升，但溫度仍未達(dá)940℃（4#-927℃，7#-906℃）。②在進(jìn)入高保后，90mm深電偶溫度變化與第一次基本相同，低保結(jié)束時(shí)，1#偶（邊部）升至904℃，2#偶（中部）溫度達(dá)到891℃，與第一次僅相差3、4度，基本相同；③3#偶升至868℃，比第一次測(cè)溫878℃低10℃。5#偶升至649℃，較第一次634℃高出15℃，這一反?，F(xiàn)象主要是因?yàn)榈谝淮尾顪厍翱绽鋾r(shí)間過長(zhǎng)，內(nèi)部溫度過低所致，不過對(duì)表面溫度影響不大。

（2）紅外測(cè)溫儀與表面偶數(shù)據(jù)對(duì)比 從紅外測(cè)溫儀與實(shí)際敷偶數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來看（見圖7），在升溫及高保階段，紅外溫度高于偶溫，降溫及低保階段，溫度差距逐漸減小，趨于一致，這與前一次的差溫?zé)崽幚斫Y(jié)果一致。說明利用紅外測(cè)溫儀來了解輥?zhàn)拥膶?shí)時(shí)加熱情況是可行的，但是要對(duì)高保階段的溫度進(jìn)行一定的下調(diào)。

（3）試驗(yàn)輥開爐空冷溫度變化分析 關(guān)注試驗(yàn)件重點(diǎn)部位空冷10min左右時(shí)的溫度變化： ①?gòu)?#和7#兩表面偶數(shù)據(jù)對(duì)比來看，出爐時(shí)4#927℃、7#906℃，二者相差21℃；10min后4#754.4℃、7#732.6℃，相差21.8℃；降溫分別為172.6℃和173.4℃，這說明在10min內(nèi)表面降溫速率基本相同。②對(duì)于1#和2#兩支偶，出爐時(shí)1#（904℃）偶比2#（891℃）偶高出13℃，但是空冷10min后，1#（850.4℃）比2#（848.3）偶高2.1℃，分別下降53.6℃和43.7℃，表明邊部降溫更快些。③5#深偶為內(nèi)部傳熱，對(duì)外界溫度變化無反應(yīng)，溫度穩(wěn)定升高。

三、結(jié)語

（1）通過對(duì)比兩次測(cè)溫結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于第二次高保和低保溫度分別下降了20℃和10℃，導(dǎo)致后者外表面溫度一致保持在930℃以下，但出爐時(shí)90mm處的溫度依然達(dá)到了900℃左右。這也導(dǎo)致第二次測(cè)溫空冷的降溫速率較小。所以，雖然第二次差溫結(jié)束時(shí)的溫度低于第一次差溫，但是空冷10min后第二次差溫的溫度反而比第一次高，這更加有利于后續(xù)噴淬的進(jìn)行。

（2）結(jié)合測(cè)溫結(jié)果，此差溫爐的最終熱處理方案為高保1040℃/2.5h低保1000℃（不同鋼種微調(diào)±10℃）/1.5h。

（3）工件差溫效果的好壞還與車間的實(shí)際執(zhí)行密不可分，必須嚴(yán)格執(zhí)行工藝，按時(shí)裝爐出爐，盡量縮短輥?zhàn)映鰻t轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間，以減少熱損失，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖3　第一次差溫測(cè)溫曲線

圖4　紅外測(cè)溫儀與表面偶數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5　出爐后試驗(yàn)件溫度-時(shí)間變化曲線

圖6　二次差溫不同孔深溫度-時(shí)間曲線

圖7　紅外測(cè)溫儀與表面偶數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8　出爐后試驗(yàn)件溫度-時(shí)間變化曲線

劉磊，天津重型裝備工程研究有限公司軋輥研究所。