感应加热技术在机械工程当中的应用电炉转炉平炉在生产过程中的区别

1、感应加热技术作为一种新的技术被广泛应用到机械工程当中， 其是利用电磁感应使被加热的材料 （即工件） 的内部产生电流，依靠这些涡流的能量来达到加热的目的。感应加热系统的基本组成包括感应线圈、交流 电源和工件。根据加热对象的不同，可以把线圈制作成不同的形状。线圈和电源相连，电源为线圈提供交变电流，流过线圈的交变电流产生一个通过工件的交变磁场，该 磁场使工件产生涡流来加热。感应加热是伴随着汽车工业和拖拉机工业的诞生而起步的。由于其具有加热 效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化和自动化等优点。目前常用的最有效的热处理工艺， 具有下列多种应用： 表面淬火、 透热淬火、 回火和消除应力 （低温）、 退

2、火和正火（高温） 、焊缝退火、粉末金属烧结等。已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行 业广泛应用。在铸造方面，正在迅速发展双联熔炼工艺，即利用中频炉保温改性，进行球墨铁或合金钢的 精密浇铸；在锻造方面，利用敢于加热实现快速透热热锻，不仅减少了氧化皮损耗而且大大地增加了锻模 的寿命，其材料利用率可达 85%，锻件表面粗糙度可小于 50gm ;在焊接、淬火方面，国外一方面致力于 开发大功率全固态高频电源，一方面致力于开发高度自动化热处理成套处理系统。我国目前每年大约需要 1000 万 t 铸件，而铸造行业仍以冲天炉熔炼、一般铸铁的铸造为主，吨位较小，导致温度及成份波动大， 废品率高。较好

3、的铸造业废品率也在6%15%间，而一般铸造厂的废品率则高达30%。感应淬火技术在汽车制造业的应用前景分析1 、感应淬火工艺随着汽车工业的迅速发展， 我国采用感应淬火的零件的种类和品种不断增加。 目前我国汽车零件感应 淬火用材料包括： 45#、 40Cr、 55MnVS 、 40MnB 、 42CrMo 、 35#、 ZG45 、球铁、合金铸铁等。 感应加热 淬火 介质包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介质、 UCON 、豪富顿 251 等。所采用的加热方式及应用 主要包括：横向磁场静止一次加热淬火（销轴类零件、凸轮轴）；横向磁场连续加热淬火（减振器杆、变 速叉轴、扭杆等）；横向磁场多段连续加热

4、淬火（起动机轴、空压机轴等）；纵向磁场整体一次加热淬火 （半轴等）；仿形感应器零件旋转加热淬火（球头销）；感应接触加热淬火（转向齿条）；内孔的一次及 连续加热淬火（输出法兰、钟型壳内腔）；阶梯轴类零件的旋转加热淬火（小红旗后轮毂轴、转向节）； 平面类零件的一次及连续加热淬火（钢板弹簧横向限位板）；薄壁类复杂零件一次及连续加热淬火（前轮 毂、滑动轴叉）；复杂形状零件的一次加热淬火（钟型壳变截面轴）；槽口一次淬火（变速叉）；复杂回 线工件旋转一次加热淬火（曲轴）等。2、电源电源是感应加热的关键设备之一， 随着感应加热技术的发展， 经历了机械式中频发电机组和真空管式 高频电源、晶闸管中频电源及全晶体

5、管电源三个发展阶段。在 20 世纪 80 年代后期，在工业发达国家，晶 闸管中频电源已完全取代了中频发电机组，我国自 90 年代中期也已逐步取代。同机械式中频发电机组相比， 晶闸管 （SCR ）中频电源具有以下优点： 体积小、 重量轻、 材料消耗少； 电效率高，逆变停止时几乎不消耗电能，逆变效率可达 90% 以上；无机械运动、噪音小、运行可靠、负载 匹配容易，可以根据负载情况确定电源的频率；启动停止方便，频率能自动跟踪以保持最佳运行状态；产 品设计简单、制造周期短；安装容易，不需要特殊的基础；维修方便等。我国的晶闸管中频电源的共同特点是全集成化控制线路数字化程度高于90% 、启动成功率几乎达到

6、100% 、除具有常规的水压不足、快熔熔断、过流、过压等保护功能外，还具有限流、限压等保护功能、 功能较齐全的晶闸管电源还配置逆变失败、 水温监视等可选功能， 其频率最高可以作到 8kHz ，额定功率可 以作到 1000kW 左右，如果在装配工艺上再进一步改进的话，可以接近世界先进水平。随着技术的进步，跟踪 80 年代国际感应加热技术水平，我国于 90 年代中期开发出第一台电效率较 高的50kW/50kHz IGBT 电流型超音频感应加热电源 （图2）。目前可做到频率 0.450kHz、最大功率可达到 800 kW ，频率达到 100kHz 时功率达到 100 kW 。IGBT 应用同期， 我

7、国还成功研制出 20 kW/300kHz MOSFET 高频电源， 缩小了同国际先进水平的差 距，随着大功率 MOSFET 器件的问世，大功率的晶体管高频电源有望年内在感应淬火中应用。3、淬火机床为了适应多品种的批量生产， 在汽车生产应用中， 我国引进的感应淬火机床种类由传统的专用设备逐 步向柔性化程度较高的通用设备和专用淬火自动生产线发展。通用淬火机床方面，一汽技术中心开发的卧式数控淬火机床（图3 ）主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高；零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求；采用能量 和数控技术对不同性能要求的不同零件感应加热淬火，甚至在同一零件上实现多段

8、变功变速，编程容易可 操作性强。专用淬火机床方面，宁波市神光电炉有限公司经过多年努力，攻克一个个难关，采用功率脉冲分配技 术、尾座自由顶尖技术、薄型淬火变压器技术、独立悬挂技术、悬挂平衡技术等分别研制成功曲轴全自动 淬火机床 （图 4），与电源、 水冷系统组成成套淬火设备可对车用内燃机曲轴进行各轴径的圆角+轴径淬火、轴径淬火自回火，采用计算机控制，通过显示屏对设备的加热、淬火工艺参数诸如电压、电流、频率、时 间、压力、流量温度等进行监控和显示，目前国内多家采用。这些机床在传动系统方面主要采用机械传动，代表现代机械传动技术的滚珠丝杠和直线导轨等先进 技术被广泛采用；主驱动采用伺服数控、变频调速，

9、移动速度稳定均匀；拖架定位准确，重复精度高；工 件旋转采用变频调速取代固定转速，能适应多方面工艺要求；上下料系统采用较先进的步进链传动、托盘 送进料、人工送取料。另外，在一条生产线中，大功率电源用于淬火，然后用较低功率回火，两个工序在 一条生产线上自动完成，减少了重复上下工件的工序，降低了劳动强度，提高了生产效率。4、其他器件及冷却系统在气动式和接触器式功率切换器、电热电容器、淬火变压器、动作顺序控制及显示、变压器三维移动 快换接头等方面，我国也取得了很多技术进步，使淬火技术和工艺水平不断提高。对于冷却和淬火水循环装置， 在消化理解国际 感应加热成套设备 用水冷系统最新技术基础上， 我国自 行

10、研制成功适合我国国情的新型、高效、价廉的软水冷却机和水 -水冷却机，换热效率高，大大提高了加热 设备的可靠性，延长了设备的使用寿命。虽然近年来我国感应淬火技术得到了迅速发展，但与工业发达国家相比，还有相当大的差距。MOSFET 高频电源是工业发达国家的首选产品，而我国在高频段仍以晶闸管交流调压、高压硅堆整 流、节能型电子管振荡器式电源为主； IGBT 超音频电源有部分取代晶闸管中频电源的趋势， 而我国在这方 面的应用还不够普及；近些年来虽然晶闸管中频电源应用较为普遍，但由于老企业改造步伐的限制，还有 部分中频停留在发电机组。必须指出，虽然我国能够生产 MOSFET 、 IGBT 和 SIT 感

11、应加热淬火用电源，但品种和规格没有国 外那么多、那么细，由于关键主要电力电子器件国内还不能生产，必须进口， 所以从性能和技术水平方面 和国外相比仍有相当大的差距。总体来说，和工业发达国家相比，我国的数控及全自动淬火机床开发属起步阶段。在自动化水平上， 国内设备大部分是人工上下料， 自动化程度较低； 能量监控虽有应用但技术还不够成熟； FUNAC 、SIMENS 伺服系统有所应用，但多为点位直线运动，属简易型，多轴连动类型的数控系统尚未得到应用。另外，计 算机控制技术在感应加热淬火中应用远不如国外那样成熟， 例如自动识别进机零件、 不合格零件自动剔除； 工艺参数跟踪及偏离给定值修正等。在感应器制

12、造技术、感应器快换、导磁体材料与利用、冷却水循环系 统、淬火介质研究与应用等方面也有相当大的差距。鉴于这些差距，我国应积极行动，建立严格的引进消化政策，避免重复引进，限期淘汰耗能严重的电 源，集中力量开发短缺部件，提高淬火机床配套质量等，使感应加热技术迅速赶上世界先进水平。淬火工艺过程中的一些关键点控制淬火工艺 是将钢加热到 AC3 或 AC1 点以上某一温度， 保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏 体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是提高硬度、强度、耐磨性以满足零件的使用性能。淬火工艺应用最为广泛，如工具、量 具、模具、轴承、弹簧和汽车、拖拉机、柴油机、切削加工机床、气动工具、

13、淬火工艺是将钢加热到 AC3 或 AC1 点以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工 艺。（ 1 ） 淬火加热温度淬火加热温度根据钢的成分、组织和不同的性能要求来确定。亚共析钢是AC3+ （3050 C）;共析钢和过共析钢是 AC1+（ 3050C）。亚共析钢淬火加热温度若选用低于AC3的温度，则此时钢尚未完全奥氏体化，存在有部分未转变的铁素体，淬火后铁素体仍保留在淬火组织中。铁素体的硬度较低，从而使 淬火后的硬度达不到要求，同时也会影响其他力学性能。若将亚共析钢加热到远高于AC3 温度淬火，则奥氏体晶粒回显著粗大，而破坏淬火后的性能。所以亚共析钢淬

14、火加热温度选用AC3+ （ 3050 C）,这样既保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小。过共析钢的淬火加热温度一般推荐为AC1+ （3050 C）。在实际生产中还根据情况适当提高20 C左右。在此温度范围内加热，其组织为细小晶粒的奥氏体和部分细小均匀分布的未溶碳化物。淬火后除极 少数残余奥氏体外，其组织为片状马氏体基体上均匀分布的细小的碳化物质点。这样的组织硬度高、耐磨 性号，并且脆性相对较少。过共析钢的淬火加热温度不能低于 AC1 ，因为此时钢材尚未奥氏体化。 若加热到略高于 AC1 温度时， 珠光体完全转变承奥氏体，并又少量的渗碳体溶入奥氏体。此时奥氏体晶粒细小，且其碳的质量分数已稍

15、高于共析成分。如果继续升高温度，则二次渗碳体不断溶入奥氏体，致使奥氏体晶粒不断长大，其碳浓度 不断升高，会导致淬火变形倾向增大、淬火组织显微裂纹增多及脆性增大。同时由于奥氏体含碳量过高， 使淬火后残余奥氏体数量增多， 降低工件的硬度和耐磨性。 因此过共析钢的淬火加热温度高于 AC1 太多是 不合适的，加热到完全奥氏体化的 ACm 或以上温度就更不合适。在生产实践中选择工件的淬火加热温度时，除了遵守上述一般原则外，还要考虑工件的化学成分、 技术要求、尺寸形状、原始组织以及 中频加热设备 、冷却介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调 整。如合金钢零件，通常取上限，对于形状复杂零件取下限。强韧化

16、新工艺选用的淬火加热温度与常用淬火温度有所区别。 如亚温淬火是亚共析钢在略低于 AC3 的温度 奥氏体化后淬火，这样可提高韧性，降低脆性转折温度，并可消除回火脆性。如45、 40Cr、 60Si2 等材料制成的工件亚温淬火加热温度为 AC3 （ 510 C）o采用高温淬火可获得较多的板条状马氏体或使全部板条马氏体提高强度和韧性。如16Mn钢在940 °C淬火，5CrMnMo钢在890 C淬火，20CrMnMo钢在920 C淬火，效果较好。高碳钢低温、快速、短时加热淬火，适当降低高碳钢的淬火加热温度，或采用快速加热及缩短保温时间的办法，可减少奥氏体的碳含 量，提高钢的韧性。（2 ）保温

17、时间为了使工件内外各部分均完成组织转变、 碳化物溶解及奥氏体的成分均匀化， 就必须在淬火加热温度 保温一定时间，既保温时间。（3 ）淬火介质 工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质（或淬火介质）。理想的淬火介质应具备的条件是 使工件既能淬成马氏体，又不致引起太大的淬火应力。这就要求在 C 曲线的“鼻子”以上温度缓冷，以减小 急冷所产生的热应力；在 “鼻子”处冷却速度要大于临界冷却速度，以保证过冷奥氏体不发生非马氏体转变； 在“鼻子”下方，特别是 Ms 点以下温度时，冷却速度应尽量小，以减小组织转变的应力。常用的淬火介质有 水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。 水 水是冷却能力较强的淬火介质

18、。来源广、价格低、成分稳定不易变质。缺点是在 C 曲线的“鼻子”区（500600 'C左右），水处于蒸汽膜阶段，冷却不够快，会形成软点”而在马氏体转变温度区（300100 C），水处于沸腾阶段，冷却太快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形甚 至开裂。当水温升高，水中含有较多气体或水中混入不溶杂质（如油、肥皂、泥浆等），均会显著降低其 冷却能力。因此水适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。盐水和碱水在水中加入适量的食盐和碱， 使高温工件浸入该冷却介质后， 在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即 爆裂，将蒸汽膜破坏，工件表面的氧化皮也被炸碎，这样可以提高介质在

19、高温区的冷却能力。其缺点是介 质的腐蚀性大。一般情况下，盐水的浓度为10 %，苛性钠水溶液的浓度为 10 %15 %。可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不应超过60 C,淬火后应及时清洗并进行防锈处理。 油冷却介质一般采用矿物质油（矿物油）。如机油、变压器油和柴油等。机油一般采用10 号、 20 号、30 号机油，油的号越大，黏度越大，闪点越高，冷却能力越低，使用温度相应提高。目前使用的新型淬火油主要有高速淬火油、光亮淬火油和真空淬火油三种。高速淬火油是在高温区冷却速度得到提高的淬火油。获得高速淬火油的基本途径有两种，一种是选取不同类型和不同黏度的矿物 油，以适当的配比相互混合，

20、通过提高特性温度来提高高温区冷却能力；另一种是在普通淬火油中加入添 加剂，在油中形成粉灰状浮游物。添加剂游磺酸的钡盐、钠盐、钙盐以及磷酸盐、硬脂酸盐等。生产实践 表明，高速淬火油在过冷奥氏体不稳定区冷却速度明显高于普通淬火油，而在低温马氏体转变区冷速与普 通淬火油相接近。这样既可得到较高的淬透性和淬硬性，又大大减少了变形，适用于形状复杂的合金钢工 件的淬火。光亮淬火油能使工件在淬火后保持光亮表面。 在矿物油中加入不同性质的高分子添加物， 可获得不同 冷却速度的光亮淬火油。这些添加物的主要成分是光亮剂，其作用是将不溶解于油的老化产物悬浮起来， 防止在工件上积聚和沉淀。另外，光亮淬火油添加剂中还含

21、有抗氧化剂、表面活性剂和催冷剂等。真空淬火油是用于真空热处理淬火的冷却介质。 真空淬火油必须具备低的饱和蒸汽压， 较高而稳定的 冷却能力以及良好的光亮性和热稳定性，否则会影响真空热处理的效果。盐浴和碱浴淬火介质一般用在分 级淬火和等温淬火中。 新型淬火剂有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。聚乙烯醇常用质量分数为 0.1 %0.3 %之间的水溶液，共冷却能 力介于水和油之间。当工件淬入该溶液时，工件表面形成一层蒸汽膜和一层凝胶薄膜，两层膜使加热工件冷却。进入沸腾阶段后，薄膜破裂，工件冷却加快，当达到低温时，聚乙烯醇凝胶膜复又形成，工件冷却 速度又下降，所以这种溶液在高、低温区冷却能力低，在中温区冷却

22、能力高，有良好的冷却特性。三硝水溶液由25 %硝酸钠+20 %亚硝酸钠+20 %硝酸钾+35 %水组成。在高温（650500 C）时由于 盐晶体析出，破还蒸汽膜形成，冷却能力接近于水。在低温（300200 C）时由于浓度极高，流动性差，冷却能力接近于油，故其可代替水油双介质淬火。（ 4 ）冷却方法 生产实践中应用最广泛的淬火分类是以冷却方式的不同划分的。主要有单液淬火、双液淬火、分级淬 火和等温淬火等。 单液淬火是将奥氏体化工件浸入某一种淬火介质种，一直冷却到室温的淬火操作方法。单液淬火介质有水、盐 水、碱水、油及专门配制的淬火剂等。一般情况下碳素钢淬火，合金钢淬油。单液淬火操作简单，有利于实

23、现机械化和自动化。其缺点是冷速受介质冷却特性的限制而影响淬火质量。单液淬火对碳素钢而言只适 用于形状较简单的工件。 双液淬火是将奥氏体化工件先浸入一种冷却能力强的介质， 在钢件还未达到该淬火介质温度之间即取出， 马上 浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却，如先水后油、先水后空气等。双液淬火减少变形和开裂倾向，操作 不好掌握，在应用方面有一定的局限性。 马氏体分级淬火是将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当的时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。分 级淬火由于在分级温度停留到工件内外温度一致后空冷，所以

24、能有效地减少相变应力和热应力，减少淬火 变形和开裂倾向。分级淬火适用于对于变形要求高的合金钢和高合金钢工件，也可用于截面尺寸不大、形 状复杂地碳素钢工件。 贝氏体等温淬火是将钢件奥氏体化，使之快冷到贝氏体转变温度区间（260400 C）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺，有时也叫等温淬火。一般保温时间为3060min。 复合淬火将工件急冷至Ms以下获得10 %20 %马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。这种冷却方法可使较 大截面地工件获得组织 M+B 组织。预淬时形成的马氏体可促进贝氏体转变， 在等温时又使马氏体回火。 复 合淬火用于合金工具钢工件，可避免第一类回火脆性，减少残余奥氏体量即

25、变形开裂倾向。特殊工件也采 用压缩空气淬火、喷雾淬火、喷流淬火。电炉转炉平炉在生产过程中的区别生产过程中炼钢的方法有很多种， 其基本原理是相同的， 所不同的是在冶炼过程中需要的氧和热能来 源不同，所用的设备和操作方法不同。目前各国采用的炼钢方法有转炉炼钢、电炉炼钢和平炉炼钢等，而 主要发展趋势为纯氧顶吹转炉炼钢。至 1976 年，转炉钢已占世界钢总产量的 70%。（ 1 ）电炉炼钢法电炉炼钢法主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4000 C。冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，因此脱磷、脱硫的效率很高。以废钢为原料的电炉炼钢，比之高炉转炉法基建投资少，同时由于直接还原的发展，为电炉提供金属 化球团代替大部分废钢，因此就大大地推动了电炉炼钢。世界上现有较大型的电炉约 1400 座，目前电炉 正在向大型、超高功率以及电子计算机自动控制等方面发展，最大电炉容量为 400t 。国外150t以上的电炉几乎都用于冶炼普通钢，许多国家电炉钢产量的6080 %均为低碳钢。我国由于