钢铁耐磨材料热处理特性(中).pdf

1钢铁耐磨材料热处理特性(中篇)王定祥(青岛华昆港机耐磨铸钢有限公司E-mail:)5 热处理炉热处理炉是实现热处理工艺的设备,其先进性保证耐磨材料铸件产品的性能与质量。钢铁耐磨材料机械化与自动化生产线的实现离不开先进的热处理炉。常用的热处理炉有连续热处理炉与周期热处理炉,热源通常为电、天然气与煤气。连续热处理炉的炉膛为贯通式,多为直线贯通,亦有环形贯通,若干铸件(或料盘)顺序地通过炉膛。热处理工艺是沿炉膛长度方向设置的,运行长度则为工艺时间。因此,每一铸件(或料盘)在炉内运行过程都同样准确地按同一工艺而获得同一性的品质。炉子结构复杂,铸件产品稳定性好。周期热处理炉一般为单一炉膛结构,铸件按一炉量装入与出炉,在炉内固定位置上周期地完成一个工艺,结构简单,铸件产品的稳定性、同一性差。炉型的选用是由钢铁耐磨材料产品的品种与产量决定的。耐磨铸件品种单一、规格呈系列、产量在三千吨以上适合选用连续热处理炉。耐磨铸球产量达到此规模的企业的磨球生产线都是选用连续热处理炉,其炉型多为推杆式炉及隧道窑车式炉等。连续热处理炉型还有步进式炉、辊底式炉、输送带式炉、振底式炉等。连续热处理炉要求三班作业连续生产,只有在检修期间停炉。周期热处理炉,周期与周期之间炉子是不工作的。对于耐磨铸件产品品种多、规格不摘要:我国钢铁耐磨材料的发展是从冶金、建材、电力、建筑、铁路、军工、船舶、煤炭、化工和机械等行业当中的耐磨损零部件的析出而联合形成的专业化产业,生产耐磨材料的企业达到上万家,而它又不统属于独立的某个部门。钢铁耐磨材料的热处理又不同于汽车、火车、飞机、轮船、机床、农具、汽轮机、纺织机、柴油机、起重机以及工模具的热处理。对共性热处理的优化选择与发展形成了具有特性的钢铁耐磨材料热处理。本文从这一产业领域阐述钢铁耐磨材料热处理特性。关键词:钢铁;耐磨材料;热处理;特性一、批量少,则不宜选用连续热处理炉,这就是大多数生产球磨机衬板、锤式破碎机锤头、反击式破碎机板锤、颚式破碎机颚板及立磨磨辊及衬板的企业只选用周期热处理炉的原因,这也是连续热处理炉的机械化自动化程度较高,而周期热处理炉机械化自动化程度较低的原因。周期热处理炉有罩式炉、台车式电阻炉、台车式煤气炉、井式电阻炉、井式回火电阻炉、台车式回火电阻炉、箱式电阻炉、油浴炉、硝盐槽等。几种周期热处理炉炉膛温差如表7。炉膛温差小,对铸件氧化少是选择炉型的主要因素之一。罩式炉的密封结构紧密,炉膛温差小,可实现在3以内,氧化程度少。台车式电阻炉炉门为升降式,炉膛与台车之间密封装置为砂封或双层砂封,密封程度比罩式炉差,炉门与炉膛密封性差,氧化较严重。单层砂封的炉膛温差在10内,双砂封的炉膛温差可达5内。台车式煤气炉无内罩,烧嘴在炉底或两侧上部错开对喷,炉门、炉膛与台车密封用单层砂封,所以温差在10以内。笔者对台车式燃煤炉曾实测炉门下部与火焰反射孔位置温差150,温差太大,密封性最差,氧化程度严重,在处理高锰钢时,氧化皮可达1.5mm以上,脱碳层0.8mm以上,不能保障铸件热处理质量。密封性好的铸件氧化少,密封性差的铸件氧化程度大。可见,周期热处理炉中以罩式炉炉膛温度差最小,以台车式燃煤炉膛温差最大。表7 几种周期热处理炉炉膛温差25.1 罩式炉应郑州鼎盛工程技术有限公司卢洪波总经理之邀,于2008年6月9日对郑州洪威工业有限公司与江苏丹阳华信工业电炉有限公司合作生产的RT2-110-12型全纤维罩式台车电阻炉炉膛温差,在1090工作温度进行监测。炉膛内以炉膛顶部、炉膛东墙前后部与炉膛两墙前后部共5点同时测温,测量结果是温差在3以内。炉子外墙表面温度50,但炉后墙电阻丝引出棒处以及炉顶热电偶插入孔处墙表面温度稍高些。罩式炉炉膛内温差之所以较小系罩体与台车间密封结构好、炉墙隔热性能好所致。台车电阻炉炉膛温度大是由于砂封槽结构与炉门间隙密封结构散温所致。RT2-110-12型罩式台车电阻炉技术指标及技术数据如表8。RT2-110-12全纤维罩式台车电阻炉罩式炉见图3。图中是钢铁耐磨铸件正在出炉淬火。驻马店市中集华骏铸造有限公司总经理周立刚首先将罩式炉应用在钢铁耐磨材料产业。该公司RT3-150-12型罩式翻转台车电阻炉见图4,尺寸2m1m0.8m,功率150kW,最高工作温度1200,装炉量2.5t。图片中显示4台。该公司的RT-3-330-12型全纤维带炉门罩式台车电阻炉见图5,炉膛尺寸3m1.5m1.2m,功率330kW,最高工作温度1200,台车形式为固定式。图中为耐磨铸件正吊入淬火槽中淬火。表8 RT2-110-12型罩式台车电阻炉技术指标及技术数据图3 RT2-110-12全纤维罩式台车电阻炉图4 RT3-150-12型全纤维罩式翻转台车电阻炉图5 RT3-330-12型全纤维带炉门罩式台车电阻炉5.2 全纤维台车电阻炉笔者于2010年9月7日访问了冀东水泥集团唐山盾石机械制造有限责任公司热处理车间。盾石机械制造有限责任公司前身系唐山水泥机械厂,笔者于1961年大学毕业分配到此工作27年。笔者看到了在1981年与贾存玉高工、周以粤高工设计建成的700kW全纤维台车电阻炉,该炉当时是我国第一台最大功率的全纤维台车电阻炉,设计成果曾在华北地区热处理经验交流会交流,炉子论文在“金属热处理”杂志刊登,投产消息在“唐山劳动日报”报导。该炉生产使用30年还在继续服役,称为“寿星炉”。现将RT3-700-10型3700kW全纤维台车电阻炉主要技术指标列如表9。表9 RT3-700-10型全纤维台车电阻炉主要技术指标该炉炉膛设计为“扁方”形,除可用于耐磨合金钢淬火、退火、正火、回火之外,设计考虑解决水泥回转窑轮带、球磨机齿轮、齿圈的热处理,用于不超过4.5m之齿轮、齿圈与轮带进行热处理。该炉炉膛顶部设计有二台风扇,主要是适用回火的需要,既是淬火、退火、正火炉,又是回火炉,一炉多用。该炉与耐火砖炉对比有如下特点:技术经济指标好,具有炉体小、重量轻、耗电省、效率高、操作方便、性能好等特点。炉子生产能力高,铸件淬火后停炉,炉膛冷却速度快,淬火铸件可及时使用该炉回火,缩短淬火与回火之间停留时间,提高生产率35%,适合一炉多用。炉内温度能满足控温精度5要求。全纤维炉衬使空炉升温时间缩短,减少空载损耗,节电15.5%。全纤维炉衬重量轻、无推力、炉壳骨架、炉门及平衡锤重量减轻,节约筑炉材料30%。全纤维炉衬体积减小,炉子占用空间缩小20%。炉子总重减轻18%。缺点是硅酸铝耐火纤维强度低,炉衬易损坏。2010年9月7日拍摄的700kW全纤维台车电阻炉见图6及图7。700kW全纤维台车电阻炉及配套均为100t图6 700kW全纤维台车电阻炉图7 全纤维台车电阻炉及配套淬火水槽、淬火油槽淬火水槽,淬火油槽。从图7可见,左前方为700kW炉门架,右侧二个大槽子为100t淬火水槽及100t淬火油槽,可供装炉量为10t的耐磨铸件淬火用。淬火油槽及水槽口平面在地面1.8m的平台上,700kW全纤维台车电阻炉的台车位置在地面上。5.3 煤气台车炉钢铁耐磨材料企业发展的多元化以及对耐磨铸件产品设备的配套生产,对热处理炉的要求愈来愈大,先进的热处理炉为钢铁耐磨材料企业提供了广阔的发展空间。热处理电阻炉的大型化受到供电的限制,大型煤气热处理炉不受电的限制,适应高速发展唐山盾石机械制造有限责任公司的燃气式台车炉如图8,图9为燃气式台车炉烧嘴。炉子型号为NCL2001-868,额定耗气:8820m3/h,额定温度:1000,炉膛尺寸:1074m;控制温区14区,炉子质量:235t。河北海钺耐磨材料科技有限公司的100t热处理炉如图10。此类大型热处理炉多为大型铸件退火用。45.3 等温淬火热处理设备中国铸造协会耐磨铸件分会近期在河北省唐山市组织举办了“第一届耐磨行业心连心联谊活动”,到河北迁西奥迪爱机械铸造有限公司参观交流和访问,与ADI、CADI等温淬火球墨铸铁热处理设备近距离接触。该设备在盐熔淬火炉领域处于世界先进水平。一台ADI、CADI等温淬火热处理设备年产量为一万吨。ADI、CADI等温淬火热处理设备为保护气氛炉,等温淬火热处理设备见图11,等温淬火热处理设备炉门装置见图12。热源为天然气,炉后有天然气发生炉装置。靠炉门处为预热区,炉膛处为工作温度。图8 燃气式台车炉图9 燃气式台车炉烧嘴图10 100t热处理炉图12 等温淬火热处理设备炉门装置图11 等温淬火热处理设备预热低温区约250-400,工作温度按铸件材料而定,在790-930,最高操作温度980。淬火槽采用专利冷却技术,使铸件淬火深度达152mm以上。每炉处理量高可达2.73吨,有效铸件尺寸为914mm1828mm1422mm。整体工艺流程、控制管理都由UBQPC系统自动化控制,人工操作简单。铸5件从炉门进入低温区保温完毕被输送至工作温度区,保温时间按铸件装炉量与尺寸决定,大约2-2.5小时。炉门四角处有四支燃烧小火柱,以防铸件装炉时炉内保护气体外泄以及炉外空气进入混合发生爆炸。铸件装炉用料盘,见图13,左为曲轴料盘,右为铸球料盘。中发钢球有限责任公司生产铬合金铸造磨球用连续式电加热隧道热处理炉见图15。安徽省宁国诚信耐磨材料有限公司生产热处理铬合金铸造磨球用风淬热处理炉见图16,油淬热处理炉见图17。图13 铸件装炉料盘铸件在炉膛工作区保温完毕下降至等温槽中等温淬火。等温槽中硝盐量为70吨(硝盐量为装炉量与料盘质量的20倍)。在硝盐槽的表面有喷水装置加(H2O)=0.2%过饱和水以增加淬火的冷却速度。等温槽内盐浴的温度根据铸件淬火对显微组织的要求而定,如要求得到上贝氏体,等温温度约在370-420之间,曲轴即是要求得到上贝氏体。如要求得到下贝氏体,则等温温度不高于370,还可获得部分马氏体,铸球即是要求得到有碳化物的下贝氏体。等温槽置于地下室的工程内。槽子四周及底部为专利冷却技术,是用深度冷却气体由进到排出循环冷却,在硝盐槽四周按不同部位以九点测温控制温度,采用电脑控制系统,确保淬火铸件迅速冷却至等温温度,可使硝盐槽的温差确保在3以内。铸件在硝盐槽内等温约2小时出槽,不需回火,经清洗机生产出成品。5.5 连续热处理炉推杆式连续热处理炉依靠推料机间隙地把放在轨道上的若干料盘(料盘内装铸件)推入炉内或推出炉外。铸件在出炉淬火时料盘倾倒,铸件倒出进入淬火槽,或者铸件随同料盘进入淬火槽冷却。安徽宁国市四方钢球模具设备制造有限公司生产的功率480kW,额定温度1000推杆式连续热处理炉见图14。采用PLC智能化自动程序控制,触摸屏操作显示工艺流程,分段连续加热,出炉、翻料、滚动自动调节、液压平稳加载。隧道连续热处理炉是将铸件放在台车上,将若干台车依次从炉头推入炉内,经过预热段,保温段从炉尾出炉,经台车翻转机构将铸件倒出进入淬火槽。北京图14 推杆式热处理炉图15 连续式电加热隧道热处理炉图17 油淬连续热处理炉图16 风淬连续热处理炉5.6 台车炉对翻车与不翻的选择台车炉的台车有翻车与固定两种。如何选用？翻车可以做固定的使用,而固定的则不能翻车。用固定的选择翻车造成了机构的闲置。翻车与固定的选择要以钢铁耐磨铸件热处理工艺过程中达到力学性能与金相组织的技术要求而定。热处理工艺过程中耐磨铸件在淬火时有台车翻车的形式,也有料盘的形式,也有吊捆的形式,也有在台车上冷却的形式。这四种形式中后三种肯定是用台车固定不翻的。翻车淬火对耐磨铸件的质量怎样,现对淬火过程剖析一下。钢铁耐磨铸件进行淬火时以淬水、淬油以及淬入冷却介质的较多,当钢铁耐磨铸件有序的搁置在台车上在炉内加热保温终了开出炉外到淬火槽旁,启动台车固定6架液压杆将台车面顶向一侧倾斜至57时钢铁耐磨铸件沿台车面滑落于淬火槽,呈“金字塔”形堆叠散落在底部。“金字塔”中下部密集堆叠,也有零星散落在“金字塔”周围的。以淬水为例分析密集堆叠的耐磨铸件在冷却的三个阶段:第一阶段的蒸气膜不能迅速打破、热传导不良冷却缓慢;在冷却的第二阶段水被汽化沸腾速度不快;冷却速度在不能超过临界冷却速度,躲不开C曲线的牛鼻子尖时则不能获得淬火显微组织。钢铁耐磨铸件有的在“金字塔”中、下部,也有的在“金字塔”上面与表面的,也有散落在“金字塔”形周边的,其部位不同冷却速度不同,得到的显微组织不同,因而力学性能也不同。从而钢铁耐磨铸件硬度有的合格有的不合格。淬火槽内装置螺旋桨搅拌机或者在淬火槽底部装置喷射管对着“金字塔”强力喷射冷的淬火介质均对“金字塔”中部的铸件不能产生冷透的效果。如何解决？方法之一是增加淬火槽的深度。目前的淬火槽深度一般在3m左右,翻车入槽的铸件路程较短,如果增加淬火槽深度使铸件在淬火槽中路程长到保证铸件冷透。实现在冷却的三个阶段中的一、二阶段蒸汽膜打破、汽化沸腾速度快,冷却速度躲过C曲线鼻子尖,则可获得正常的淬火效果。第二种解决方法是将台车宽度变窄,窄到什么程度？图18 吊捆式淬火窄到使台车翻车对铸件倒入淬火槽中不发生堆叠,呈均匀分布。目前的台车炉台车面积为长方形,宽度均1m,翻车后铸件在槽底呈“金字塔”形,如果将台车面积设计为长条形,台车宽度1m,则可能消除“金字塔”形堆叠。第三种解决方法:在现实中解决办法多采用吊捆式淬火,或料盘式淬火。避免堆叠。海南省儋州磊鑫耐磨材料有限公司吊捆式淬火见图18。铸件用8mm钢丝焊接成綑,图中所示为吊捆铸件淬入油槽出油情况。郑州鼎盛工程技术有限公司对铸件不采用翻车淬火而用料盘式淬火的情景见图3。(未完待续下期续登)