棒材管材鋼的感應穿透加熱調質
利用感應加熱對鋼棒進行穿透加熱淬火，并隨之進行感應穿透加熱高溫回火，可在連續生產線上完成調質工藝。這種工藝方法對各類中碳鋼、低合金鋼的的棒料、管材、軸類零件均適用。國內有石油機械企業 Φ280×9000~12000 mm 的圓鋼就是在這種設備上進行調質處理。這種設備具有生產效率高，單位能耗低，工件畸變小，少氧化脫碳，無污染，易于自動化，占地面積小等特點，特別適合于大批量生產。
▲棒料感應透熱調質線現場圖片
1 穿透加熱頻率的選擇
感應加熱條件下，感應電流的有效透入深度 h 為
式中:
被加熱圓棒直徑 d 與電流透入深度 h 之比值為 4:1 時，對應的電源電流頻率稱為臨界頻率。設備頻率低于臨界頻率時，感應加熱的效率急劇下降，高于臨界頻率時，電效率增加不大，但設備造價明顯提高。
幾種材料有效臨界頻率與工件尺寸的關系見圖1 ，感應透熱電源頻率應盡量接近臨界頻率。
▲圖1 幾種材料有效加熱臨界頻率與工件尺寸的關系
2 穿透加熱設備功率的選擇
在穿透加熱時，工件截面的透熱靠外層向內層的熱傳導實現，需要有一個適當的溫度梯度，又要使截面不出現過熱區域，所以，選用的能量密度不能太高，過低又將使加熱效率顯著下降。表1 列出了鋼穿透加熱所需功率密度。
▼表1 鋼穿透加熱所需功率密度（kW/in2）
在連續感應加熱調質線上，穿透加熱電源設備采用的功率應考慮生產能力。此時功率 P 可用下式表示：
P=ηGQ
式中:
η——加熱效率
G——每小時產能（kg/h）
Q——單位重量工件加熱所需能量
（kW·h/kg，或kW·h/t）見圖2 。
▲圖2 工件感應透熱加熱溫度與單重所需能耗
透熱過程與金屬的熱導率（W/（mm·℃））及感應熱系數KT（W/（mm·℃））有關。圓棒的 d/h（直徑與透熱深度比）值與KT及熱導率的關系見圖3 。
利用上圖求透熱功率的步驟為：
（1）選擇加熱頻率并計算棒料 d/h 值，（d/h在1~4之間）。
（2）用金屬加熱時的熱導率及 d/h 值，在圖3 中查出對應的感應熱系數Kτ。
（3）單位長度工件所需功率 PL 由下式決定：
PL=KT（ts-tc）
式中:
ts——表面溫度（℃）
tc——中心溫度（℃）
（4）考慮各項功率損失的效率 η ，除以 PL 可得到加熱單位長度工件所需的功率的大小。
3 感應加熱調質連續生產線
圖4 為自動四頭螺旋驅動滾動系統用于在線感應調質實例。
▲圖4 四頭螺旋驅動滾動系統感應調質生產線
這種自動化感應加熱線包括自動處理系統、可編程控制器及光纖傳感器。由傳送系統送到熱加工區后，工件由四頭傾斜滾筒系統QHD處理。滾動驅動器與頭盤相連，使工件一邊繞軸線轉動一邊沿軸線方向向前移動。一旦工件進入此系統，光纖傳感器監測到它的位置，便開始奧氏體化加熱。這個傳感器還可以覺察不正常操作，例如進料不當，可報警并自動關閉。
▲傾斜滾動傳送裝置實物圖片
▲加熱端進料過程中
HQD系統在淬火過程中，感應頻率通常是在500kHz，或3~10kHz。在每種情況下，一個溫度傳控制器可自動檢查工件溫度的高低，以防止不當奧氏體化的工件通過系統。工件通過淬火環后被冷卻到95℃左右，在回火器啊完成馬氏體轉變。當工件被運送到回火系統時，光纖傳感器覺察到工件，開始用低頻（300Hz）電流進行回火加熱，溫度一般在400~600℃范圍，完成回火加工。
▲圖5 管材感應透熱調質生產線
注：管材從右側進入，加熱奧氏體化后經過淬冷、輸出、回火。隨后被送到加工機床冷卻。
▲棒料調質加熱進行中
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