一种大型支承辊淬火时的加热方法.pdf

本发明涉及一种大型支承辊淬火时的加热方法，其包括（I）低温等温加热、（II）中温不穿透加热和（III）高温感应加热三个阶段，且在阶段（III）还可以采用“加热-冷却-加热”的动态保温的高温感应加热工艺，提高了支承辊的加热质量以及淬火质量。具有加热深度大、加热温度均匀、组织细化等优点，适于大型辊、轴、棒等工件的深度淬火热处理，推广应用前景广阔。

1.  一种大型支承辊淬火时的加热方法，其特征在于包括如下阶段：
（I）低温等温加热：在350～450℃下，保温20～30h；
（II）中温不穿透加热：加热使轧辊辊身表面温度升高至750～800℃，保 温1～3h；
（III）高温感应加热：使轧辊辊身表面温度升高至预定淬火温度Tq= 850～1050℃，并保温30～60min。

2.  如权利要求1所述的大型支承辊淬火时的加热方法，其特征在于：阶 段（III）所述的保温30～60min采用动态保温的高温感应加热工艺，具体为：
（1）Tq保温5～10min，轧辊辊身表面温度冷却至Tc1，加热使轧辊辊身 表面温度升高至Tq保温5～10min；
（2）轧辊辊身表面温度冷却至Tc2，加热使轧辊辊身表面温度升高至 Tq保温5～10min；
……
（n）轧辊辊身表面温度冷却至Tcn，加热使轧辊辊身表面温度升高至 Tq保温5～10min；
Tcn=Tq－△Tn，△Tn=10～100℃，n=3～6。

一种大型支承辊淬火时的加热方法
技术领域
本发明涉及金属热处理技术领域，涉及大直径辊/轴/棒类零件的淬火热 处理方法，特别涉及一种大型支承辊淬火时的加热方法。
背景技术
轧辊是轧钢生产的主要工具，其辊面一般都要经过淬火硬化处理，目的 是提高辊面耐磨性能，延长轧辊使用寿命，同时改善钢板表面轧制质量。对 大型支承辊来说，能实现深度淬火意义十分重大。目前，提高轧辊淬硬层深 度的方法主要有：（1）合金化法，即通过添加Cr、Mo、Mn等合金元素，提 高轧辊材料本身的淬透性来增加淬硬层深度；（2）强烈冷却，通过改进淬火 介质、加强对流搅拌等措施，以在辊面内更深处获得足够高的冷却速度，从 而在深层得到马氏体或贝氏体的淬火组织；（3）不穿透式加热，即仅加热零 件表层需要淬硬的深度范围，减小淬火工件的热容量，强化后续冷却效果， 从而增大淬硬层深度。从目前国内外大型支承辊制造技术现状来看，支承辊 材质已发展到5%Cr水平，继续增加高淬透性合金元素往往导致辊坯的可锻 性降低；在冷却技术方面，过度强烈的冷却则往往导致辊坯的淬火开裂风险 增大。鉴于此，开发新的加热技术和方法则成为实现大型支承辊深度淬火的 一条主要途径。
在大型支承辊加热方面，目前现有的先进的不穿透式加热技术有：（1） 差温加热，如我国专利CN101698902A“整体铸钢支承辊淬火方法”所述， 由于仅加热辊身而且是不穿透式，加热效率比整体加热有所提高。目前差温 炉处理的支承辊淬硬深度可达60～80mm，但差温加热的热量需要从工件表面 向内部逐步传递，工件加热内外温差大、时间长，导致轧辊淬硬层硬度降大， 影响轧辊工作稳定性；（2）感应加热，具有加热速度快、穿透深度大等特点， 受交变电流“集肤效应”的影响，辊坯表层（集肤层）加热温度均匀性有所 提高，但由于工频50Hz时高温钢坯表层感应电流集肤深度大约为80mm，其 内层加热仍将主要依靠热传导方式来进行，轧辊加热径向深度及温度均匀性 必然受到限制。感应加热淬火如专利CN101328533“冷轧工作辊棒形整体感 应加热淬火装置”所述。因此，无论是差温加热还是感应加热要在短时间内 实现超过80mm以上深度的均匀加热在实际上仍显得颇为困难。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种大型支承辊淬火时的 加热方法，使得大型支承辊表面获得温度更深且更均匀的加热层，从而使轧 辊在淬火后获得淬硬层更深、硬度更均匀且晶粒更细化的高性能的淬硬工作 层。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种大型支承辊淬火时的加热方法，其包括如下阶段：
（I）低温等温加热：在350～450℃下，保温20～30h；
（II）中温不穿透加热：加热使轧辊辊身表面温度升高至750～800℃，保 温1～3h；
（III）高温感应加热：使轧辊辊身表面温度升高至预定淬火温度Tq= 850～1050℃，并保温30～60min。
具体的：
阶段（I）低温等温加热：可以在电阻炉内进行低温长时间保温，加热温 度350～450℃，保温20～30h；
阶段（II）中温不穿透加热：可以在电阻炉或差温炉内进行较短时间的 中温加热，加热温度750～800℃，保温1～3h，使轧辊辊身表面及辊面以下 50～100mm深范围内温度在此过程中逐步上升至轧辊材料的“居里”温度以 上，而轧辊心部仍基本保持在阶段（I）的温度水平；
阶段（III）高温感应加热：可以在高温感应加热炉内进行，在 1000～2000kW范围内逐步升高电源功率，频率为50Hz左右，使轧辊辊身表 面及表面以下80mm左右深度范围的温度在电磁场作用下迅速升高至预定淬 火温度850～1050℃并保温30～60min，辊面以下100～150mm深范围内温度在 此过程也逐步上升至轧辊材料最低可淬火温度以上，为后续冷却淬火做好了 条件准备。
优选的，阶段（III）所述高温感应加热为“加热－冷却－加热”的动态 保温的高温感应加热，即在所述的30～60min保温过程分为如下步骤：
（1）Tq下保温5～10min，轧辊辊身表面温度冷却至Tc1，加热使轧辊辊 身表面温度升高至Tq下保温5～10min；
（2）轧辊辊身表面温度冷却至Tc2，加热使轧辊辊身表面温度升高至 Tq下保温5～10min；
……
（n）轧辊辊身表面温度冷却至Tcn，加热使轧辊辊身表面温度升高至 Tq下保温5～10min；
n为冷却的次数，取值范围3～6，△Tn为每次冷却温度Tcn与预定淬火 温度Tq相比的温降，△Tn=10～100℃，Tq=850～1050℃，Tcn=Tq－△Tn。
请参考图1和2，在本发明中，阶段（I）所采用的低温等温加热，可以 使轧辊辊身表面和轧辊心部温度充分均匀，为后续对轧辊辊身表面的加热提 供基础，缩小后续加热时因内外存在较大温差而产生过大的热应力，但是阶 段（I）的加热温度不宜超过前期的调质回火温度，否则轧辊心部和辊轴调质 性能就会被破坏，影响轧辊整体刚度和强度。
阶段（II）所采用的中温不穿透加热，可以仅使轧辊辊身表面以下 50～100mm深度范围内温度升高至“居里”温度之上接近奥氏体相变温度， 而心部仍基本保持在阶段（I）的温度水平，两端辊轴部分可以通过包裹隔热 棉甚至局部冷却等保护措施使其温度不致升高过多，或者阶段（II）转移至 差温炉中仅对辊身段加热，以免破坏辊轴调质性能。阶段（II）所述中温加 热的温度在750～800℃，因为此时电磁集肤效应深度可以迅速增加，但又可 避免晶粒粗化发生。
阶段（III）采用高温感应加热，通过逐步升高电源功率，使辊身表面至 其以下80mm左右的深度范围内的温度在电磁场作用下快速响应，并随电源 功率的逐步升高而逐步升高至预定淬火温度Tq（850～1050℃）并保温一定时 间（30～60min），保温过程中辊面温度不再升高而辊内热量继续向100～150mm 深处传递温度升高至预定淬火温度Tq（850～1050℃），此阶段进行奥氏体化 和碳化物固溶处理，为后续冷却淬火做好准备。优选的，阶段（III）电源功 率1000～2000kW，频率为工频50Hz左右，加热保温总时间1～2h。
在优选的技术方案中，在阶段（III）采取“加热－冷却－加热”的动态 保温的高温感应加热工艺，如图2所示，即在轧辊表面被感应加热到预定淬 火温度Tq后，通过调节加热功率使该温度保持一定时间t（通常只是 5～10min），此时轧辊辊身表面由于阶段（II）加热的影响，温度已超过“居 里”温度，电磁集肤效应深度迅速增大，轧辊辊身表面较深范围内的温度随 之迅速升高；随后又通过降低加热功率或者停止加热的方式冷却辊面（在炉 冷却或其它强制冷却），使轧辊辊身表面温度有一定降低至Tc1，避免轧辊辊 身表面惯性过热，同时次表层仍处于较高温度状态，热量在此期间向内层深 处（包括向外）继续扩散，提高了径向加热深度与温度均匀性；随后再次加 热使轧辊辊身表面温度至Tq，再保温、再冷却，……，如此反复，以至辊身 表层较深范围得到均匀加热而心部仍保持在调质温度以下的较低温度。且动 态加热增大了奥氏体的形核几率，细化了淬火前的奥氏体原始晶粒。且每次 加热的上限温度可以比常规恒温保温时的预定淬火温度Tq有所提高，以实 现高温淬火效果，这是因为动态保温时轧辊处于上限温度的累计时间比恒温 保温大为缩短因而不必担心出现晶粒粗大问题。每次降温△Tn可以相同也可 以逐步减小，以逐渐逼近所要求的出炉温度。保温过程温度-时间曲线呈锯齿 形、波浪形或其它更复杂形式。
这样，支承辊辊身表面加热深度大（100～150mm）、加热层内外温差小 （50～100℃），且加热层处于高温状态的时间短（0.5～1h），轧辊表层奥氏体 化晶粒细小，为最终获得硬度均匀且晶粒细化的马氏体或贝氏体组织奠定了 基础。
本发明的技术方案的特征是采用上述三阶段复合式加热方法，使低温等 温加热、中温不穿透加热和高温感应加热有机结合在一起，发挥各种加热方 法的优势作用，避免了单独加热时各自的不足之处，使支承辊工作层的淬火 质量得到提高，同时节能降耗。
附图说明
图1为本发明所述的大型支承辊淬火时的加热方法与传统的加热方法的 温度（T）-时间（t）变化示意图；图中实线为本发明的三段式加热方法，虚 线为传统的两段式加热方法。
图2为本发明所述大型支承辊淬火时的加热方法的阶段（III）的温度（T） -时间（t）变化示意图；图中实线为优选的动态保温的高温感应加热方式， 虚线为恒温保温的高温感应加热方式。
图3为实施例1所述加热方法的流程图。
图4为实施例2所述加热方法的流程图。
图5为实施例3所述加热方法阶段（III）的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步描述。实施例中的支承 辊为辊身直径在1600mm左右的大型支承辊，材质为5%Cr级别的支承辊用 钢。
本发明实施例中使用的设备信息见下表：