专利名称:钢件在流化床中的热处理的制作方法
本发明涉及钢在流化床中的热处理工艺，特别涉及金属线材在韧化处理中的淬火及其后的等温转变过程。
韧化包括加热碳钢线材至奥氏体相，一般高于800℃，然后在选定的温度下淬火，并使线材在该温度下保持足够的时间，以便完成奥氏体的等温分解。温度通常为550℃左右。目的在于获得细晶珠光体组织。线材随后进行拉制。
线材一般为普通钢或合金钢其含碳量为0.1%到＞1%，最好为0.25%到1.25%，可具任何截面，如正方形或矩形，最好是通用的面积大于0.15mm的园形截面。术语“线材”包括棒材，带材和其它细长型材。
在常规韧化处理中，淬火和转变步骤是在恒温下在铅浴槽中进行。尽管从熔铅吸热量大可以得到迅速冷却的观点来看，这种方法效果较好，但它存在不少问题。除了熔铅操作的环境和安全问题外，铅可能被带出以及由铅沾污而引起表面缺陷。
曾建议用强制气体或空气冷却代替铅浴槽但对于直径小于5mm的线材，那是不可靠的。而在拉丝厂中，大多数情况线材直径都小于5mm。
也曾建议用加热流化床设备。它相对于强制气体或空气处理而言，改善了热传导性能。典型的流化床设备是一个由固定水平板分隔成两室的耐火炉上室形成一个长的U形容器，在里面惰性粒状物(氧化硅，氧化铝，氧化锆等)被穿过水平底板而喷入的热气体加热并流态化。为此目的，水平底板上开有很多孔(钻孔或开狭缝)或者由多孔陶瓷材料如陶瓷板或多孔石棉板制成。在布风板下面的下室是集气室，流态化气体在压力下从这里进入粒子容器。由悬浮在具有适当速度(对平均粒子尺寸范围从150μ到500μ的粒子，通常为8～15cm/s)的流态化气体中的固体粒子形成的流态化粒子介质的作用就象液态热传导介质一样，并具有较高的热传导系数，其值介于强制空气冷却热传导系数和熔铅冷却热传导系数之间。
已发现，在这样的流化设备中处理的线材的机械性能和显微组织比铅浴处理的要差得多，发生偏离理想细晶珠光体组织的情况较多，形成相当数量的粗晶珠光体或贝氏体。与铅浴槽相比，这些问题被认为是流化床的低热容量和低热传导性能所造成，它导致低的冷却速度，并缺乏前后一致的等温转变条件。
为了克服这些问题，特别是对于直径大于2.5mm的棒材或粗线材，已在美国专利3，615083中提出了建议，采用分开的以冷空气流态化的予冷床，放置在奥氏体化炉与加热流化床之间。依据这个美国专利，采用前述工艺的问题是冷却速度不够快。试验表明，这个美国专利中的各种建议没有使线材质量得到必要的改进，特别是对于直径为3mm或更小的线材(尤其是直径为0.7～1.5mm者)在质量上没有得到改进。
我们现在确信，与流化床工艺有关的这些问题主要不是由冷却决定的，而在于难以选择床的温度，这个温度将令人满意地兼顾淬火与高温均热二者的要求。
在均热阶段应该发生相当的等温转变。但转变是放热的，线材温度将会升高。具有相当热容量的铅浴槽温度几乎可保持不变，但对于常规的流化床较大的温升就会发生。这会导致粗晶珠光体形成。另一方面，在转变阶段的高温均热之前的过冷，可能促使形成不理想的组织，如上贝氏体。
能可靠地获得细晶珠光体组织的温度带相对地窄，而获得最佳显微组织的温度带就更窄。在用于处理线材的常规加热流化床中，温度变化可能超过或大于这些最佳温度带。如果流化床的温度设定得足够低，将转变的放热性质也考虑在内，而低于许可的均热温度，那将会在淬火阶段有过冷的危险，并形成不理想的贝氏体。如果升高床温来避免这个问题，在转变阶段就会有过热的危险并形成不理想的粗晶珠光体。
美国专利3，615，083并没有提供这些问题的解决办法，尽管它设置了两个床，其布置极可能会导致过冷，特别是在处理细线材时。
本发明的目的在于至少解决一些与已知的流化床技术有关的问题。
为此，考虑到美国专利3，615，083的工艺，即在韧化操作中热处理钢线材的工艺，在该工艺中，奥氏体化的线材在第一个流化床段里淬火，然后转移到第二个流化床段，在那里相变发生，第二个段由流化气体加热。本发明的特征在于，第一个流化床段由流化气体加热，两段的温度分别控制。
本发明中的设备的特征在于，它具有供给热流化气体至第一流化床段的装置，以及分别控制第一段和第二段温度的装置。
根据本发明，没有必要同时兼顾淬火及转变的工艺要求。第二段的温度可以选定，输入的热量可以控制，以获得所需要的显微组织，而不影响第一段的淬火温度，反过来也一样。
在第一段，热流化气体可保证总热量输入，这个热量输入包括被处理线材带来的热量。这个总的热量输入使得线材的温度不致降低到形成贝氏体的临界线以下。当处理细线材时此优点更突出，因为细线材蓄热量没有粗线材多。一般说来，线材需要层状显微组织，但需保证线材温度不致升高到使细晶组织转变为粗晶珠光体组织的温度。借助于在第一流化床段的分别控制的冷却装置，这是可以达到的。在热输入和冷却装置之间获得的平衡，使得维持所需要的温度变得容易。
这些冷却方法可能包括浸没水冷却管，其流量可固定，但最好可调节，或者是可调节的水喷射，或者最好是流化床表面空气冷却。
在许多情况下，尽管考虑到不同的条件和要求各自的热量输入可分别控制，但两段分别采用的温度是相近的，第二段控制系统的改进使得均热温度保持在稳定的水平上。这将进一步改善可能得到的显微组织。因此采用现有工艺的流化床系统的另一个问题便减小了。将控制线材冷却的可能性和相变的起始条件结合，便可获得重大的改进。
两个流化床段可以由两个带有独立控制流化态的分开的流化床来提供。或者将一个流化床分为两段。这两段可由单一的热气源使它们流态化，但至少有一段应配备独立控制的辅助加热和/或冷却装置。因此淬火段可配备如前面所提到的那些冷却装置以及/或均热段可以配备加热装置，这取决于加热气的原始温度。
我们已发现，即使在均热段采用本发明而改进了操作性能，但由于相变的放热性质而引起的偏离理想温度情况仍然存在。这可通过将均热段分成为个各自带有辅助加热和/或冷却装置的相互隔离的小区来校正。
由此，从发明的另一方面来看，使热处理的钢制件通过由热气源来流态化和加热的单个流化床的工艺的特征在于流化床中各独立小区的温度可用相互独立的辅助加热和/或冷却装置来控制。
由于这种工艺所用的设备有着较广的适应性。从本发明的另一方面来看，热气加热的流化床的特征在于，提供了独立控制的辅助加热和/或冷却装置以控制该床中各独立小区的温度。
如上所述，用于韧化处理的两段流化床中，均热段一般不需要辅助冷却装置，也许设置辅助加热装置更为有利。在优先选用的布置中，电阻加热器埋入连续的均热床里。它们能被浸没式辐射管加热器所代替。按这种布置，流化气体的原始热输入即它的入口温度被设定得相当低，而依靠辅助加热器使流化床达到所需要的温度。
在所有的布置中，对任一段的流化气体的入口温度的调节，可采用贫瘠或极贫瘠的混合气，混合冷却空气与可燃烧性气体，或在集风室与烧嘴之间配置一个调节热交换器。
在本发明的推荐实施例中，沿流化床均热段纵向设有几个互不相同的热传导和控制间隔，使得适应局部的能量平衡成为可能，这些能量包括热处理工件蓄热，原始流化气以及辅助加热器的热输入，冷却系统和环境热损失。由此，能改进局部床温的瞬时精确性，这个温度能在整个均热床长度上保持不变，或者在均热段的入口至出口有计划的施加或保持予定的温度分布。
虽然与本发明各方面一致的设备和工艺，对采用常规淬火和均热温度的韧化处理特别有用，但也设想了其它各种可能性。为此，可能采用“分级韧化”。此过程的淬火温度较低如400℃，但仍高于Ms(马氏体转变起始温度)线，并随之给以迅速加热至选定的转变温度。“渐进韧化”也可能被采用，其过程是在淬火后在选定的温度梯度下实现转变过程，此温度梯度用分别对流化床各个小区进行温度控制来达到。这种设备也可能用于其它过程，如马氏体的形成及随后的回火以产生硬的组织。在这样的过程中，淬火温度将低于Ms线。其它可能的过程是沉淀硬化，淬硬等。
在渐进韧化工艺中，珠光体反应开始于低温，如540-560℃，并继续反应到给定的程度。这里开始形成细晶索氏体。之后，例如在10-20%转变之后，剩余的奥氏体在较高的温度下如600-650℃(或更高)被分解。因此，渗碳体的生长速度就非常慢。这就可能生成具有小层间距的细晶组织，而不会有在较高速度下(在不变的较低温度下)等温反应生成细晶珠光体所遇到的生长缺陷。
由这种方法生产的线材改善了拉伸性和强度特性。事实上流化床设备和所选定的实施例允许选择任何常用的温度-时间-转变(T.T.T.)图中的冷却-转变-曲线。或者根据特殊的曲线进行韧化处理;以得到特殊的效果，或特殊的线材特性。普通的流化床装置或铅浴槽没有上述优点。
一种可能性是充分利用反应的放热性质，以便形成具有大于通常的层间距的均匀珠光体组织。为此，反应可始于580～600℃。线材可由于转变热的作用而升温(温度升高60-80℃)。虽然线材的强度降低，但它有较好的变形性能。
在采用以前工艺的流化床如冷空气床中对钢线材淬火的另一个问题是线材的表面氧化，产生不需要的锈层。为此我们建议使用实质上不氧化的热气体来流化(和加热)淬火段。从这方面的观点来看，本发明改进了钢的热处理工艺。在这个工艺中，从奥氏体化炉来的钢在流化床中淬火。这种改进的特征在于，流化床被来自奥氏体化炉的非氧化排气流态化。与本发明这方面相一致的钢热处理设备，包括一个奥氏体化炉，一个淬火床。其特征在于，装备有将炉子排气输送到流化床的装置，以便使床流态化。
这类工艺和设备可用于许多方面，但特别适用于前述的韧化处理。
其中采用了两个流化床段，排气穿过这两段时，或者流化分做几个小区的单床，或者穿过两个分离的床。在后一种情况下，排气可能依次穿过两个床。
排气中的容积氧含量为5%或者更少，不超过2%，以1%为最好。最佳的含量是不超过0.5%，最理想的为0.1%，或0.2%，而残余-氧化碳含量则不少于0.1%，最好在0.5～0.2%的范围内。
不能从奥氏体化炉获得非氧化性气体时，可设想采用其它类型的气体。
在一个推荐的布置中，热排气在热回收器如余热锅炉中被予冷至不超过150℃。随后被加热至所需的进口温度。这可由几个不同功率的电加热器来完成。根据操作步骤(如开始时需要的最高温度)和线材的直径不同，入口温度可能变化从100-150℃到450-500℃。
符合本发明的流化床设备里，一个分开的流化气体发生站位于流化床本体之外。流化床设计时，不宜采用常规炉子设计结构(带固定耐火层的刚性结构/金属联接)，最好采用标准组件和灵活的结构，如同在英国专利申请书No.84.26455中所描述的那样。虽然这种选择对于实施本发明的各个方面不是实质性的。特殊地讲，一种优选的结构包括一个钢支撑的耐火室，形成一个隧道状的空间，由可移动或可提升的顶盖盖住。在里面至少放置有两个分离的流化床标准组件(不带烧嘴)，分别为一个淬火标准组件和一个或多个均热标准组件。一种标准组件做成双室式金属装配件，包括一个盛装粒子的开式容器和一个在它下方的相邻的集风室，由一个气体分布底板(带很多孔和/或喷嘴，使流化气体能通过)将它和粒子容器分隔开。进一步的改进在于，标准组件的零件已集成化在一个完整的装配件。这种标准设计中，没有燃气加热器，对于运行和检修是有利的单个的小区标准组件容易装入设备里，如果需要，又能容易的拆除(为了检修)并由其它的标准组件所替换。
均热段包括一个适当长度的流化床标准组件，如果需要相当长度的均热段，则由几个较小的标准组件联接在一起。流化气体通向具有一个或多个标准组件的均热段，可以借助于中心入口从均热气体站进入公共集流管，该管延伸至相邻的各个集风室下部。
而且以前那种不适宜的工艺装备设计和设备结构带有内部烧嘴，热敏元件(直接暴露于火焰中)，在不同的金属和耐火组件之间用固定联接，增加了设备频繁检修的停车时间，高的维修费用和生产的损失。这些长期存在的不同性质的问题，采用前述的实施例，至少能得到部分的解决。
在推荐的布置里，每个段装备有它自己的流化回路和完整的热控制系统。独立的淬火段和均热段分别采用适当的气体混合物(具有可调的起始温度)来流化。这种混合物在位于流化床设备之外的每个区的气体发生站制备。并配有各自的热输入调节和床温控制系统。这种每段一个的完整的系统在实践上对于流化床生产线的起动和操作是很有效的。这就允许在每个段采用适当的气体混合物，在淬火段最好是非氧化气体以达到无锈冷却热线材。也使得气体入口温度能逐渐适应每段中从起动到正常运行的特定起始温度要求(该温度依照线材种类和工艺条件选定)。从该起始温度出发，可利用与淬火段及均热段分别联接的特设二级控制装置精确地调节此推荐实例中的流化床内部温度。此外，在小区标准组件中，因为没有烧嘴(用于加热和流化)，直接的热烧损降低了，接近，修理和更换标准组件零件也更容易。
本发明不同方面的实施例将用举例的方法并参考附图加以说明。
图1(a)和图(b)，图2(a)和(b)分别表示标准铅浴槽和常规流化床淬火设备的纵剖面及其相应的线材冷却相变曲线
图3表示铅浴淬火和常规流化床淬火碳钢线材的温度-时间-相变(T.T.T.)图和冷却-相变曲线之间的关系。
图5(a)和(b)表示符合本发明的设备的第三个例子的草图及可能得到的淬火曲线;
图6表示符合本发明的设备详图;
图7表示符合本发明的流化床淬火工艺可能获得的线材冷却相变区线;
图8表示符合本发明设备的详图;
图9(a)和(b)比较了在铅浴槽中和流化床中淬火的线材强度的波动;
图10是一些特殊选出的流化床淬火曲线。
参考图1a和2a，表示了铅浴淬火和以前工艺的流化床淬火生产线。线材W在奥氏体化炉1中加热后进入铅浴槽2′，或通常只有一个段的流化床设备2，并由适当的装置(未表示)保持不变的温度。
图1b和2b表示了在两种情况下从奥氏体温度(Ta)到淬火保持温度(Tp)，线材温度作为时间的函数变化曲线。Tq表示淬火过程中线材温度的变化情况。比较图1b和2b可清楚看到，在常规流化床设备中曲线T表示的相变开始温度和实际的线材转变温度以及荫影区都相当地偏离了所希望的温度(Tp)，此外珠光体的反应能在较宽的温度范围内发生。在反应过程中，由于线材释热(相变放热)和较低的热传导以及较低的流化床热容量的综合作用，这些现象更趋严重。
在图3中，由常规流化床淬火得到的线材冷却相变曲线(FB)示于温度-时间-转变图里，并与铅浴淬火(Pb)相比较。虚线(TR)和(TR)100表明奥氏体转变的开始和结束，荫影区(OTB)表示获得细晶珠光体组织的最佳转变带。应注意到，在常规流化床淬火的情况下，温度偏离了OTB区。以前的工艺试图弥补这种情况，例如采用予冷装置如冷空气流化床区，或激剧降低流化床均热温度以获得如图2b中T那样的温度曲线，但这种尝试是很危险的，因为低于Tp的T2过冷度可能引起贝氏体形成。
图4a用草图表示了本发明的一个一般的实施例。它有一个奥氏体化加热炉1和一个带有独立的淬火段Q及转变一均热区TR-S的两段流化床设备。每个段有标准组件3，主要包括一个粒子容器4，一个集气室5，一个气体分配板(如钻孔板，最好带气体管道或喷嘴)，这个板连接容器4的底部和集气室的上部，一个连接于集气室底部的气体导入管5′。管道接头8(要求可拆)把每个标准组件连接到流化气体发生站7(未详细表示)的供气导管上。所需气体(容量、组成)在发生站7按变动的起始温度制备。每个段的起始温度是依据线材的型式和所选的工艺来决定的，并在处理过程中依据决定性的床体条件即起动或运行及线材直径的变化等加以调节。对于外部的气体发生站，可能的设备是气体发生器，或供给燃烧混合气(最好是贫瘠的)的最合适的供气烧嘴或强制空气加热器，或它们的组合。两个段Q和TR-S由绝热墙隔开，墙上开孔以便线材通过。设备设计成可处理几根线材直线平行前进。线材从炉子1到淬火段Q可能穿过一个保护罩或类似的部件。
图4b表示两段流化床的另一个实施例。奥氏体化炉的排气首先用做均热段的然后用做淬火段的流化气(或者反过来，当使用予冷的炉排气时)。这种情况下，排气从奥氏体化炉1由抽风机7′经管道8送至流化床设备2。在进入均热和淬火段标准组件之前，气体起始温度的调节由位于各段入口处的热交换器10和10′来完成。
图5a表示一个优选的实施例，其优点突出。它有一个燃气奥氏体加热炉1，一个由分离的淬火和均热标准组件Q及TR-S组成的两段流化床。淬火段由炉子排气8(最好为非氧化气体)来流化，而均热段TR-S则装备单独的气体发生器7为合适的燃烧器(供气烧嘴)。在这种特殊情况下，淬火段入口处的流化起始温度按下述方法控制。首先由炉子热量回收器11予冷抽出的炉子排气至150℃以下，然后输送至可调节热交换器12(如气体电加热器)以调节实际气体温度至瞬时需要的入口温度，这个温度可能依据在淬火床里主要瞬时加热条件而变化，这些取决于操作状态，热线材的释热量，通过速度等。淬火气体入口温度的主要调节是由第二控制系统来补充以精确调节淬火床内的温度，维持任何需要的值。在实践中，当整个运行操作完全建立起来时，便完全由第二控制系统起作用，即当从流化气获得附加的热输入不再需要时，淬火气体的予热装置就被关掉。这将在下面更详细地说明。
均热段TR-S由热气体来流化和加热，热气体来自发生站7即供气烧嘴，它供给具有一定起始温度的可燃气体混合物至均热段标准组件。为了加热和保持均热床在固定的平均温度所需要的气体入口温度能自动地适应要求，随实际均热床的热平衡而变化(工件蓄热，释热，热损失等)。
为此，淬火和均热床分别流化，加热和控制温度，用这种方法以保持不变的床温，这是每个段的特征，同时对给定的工艺，依据线材和所需的性质加以应用。例如在线材韧化处理中，内部淬火床温可能变化从250至600℃(以获得线材温度在Ms线和给定的珠光体反应温度之间)，而在均热段，予设的温度能选择在450到700℃的范围内(以获得不同细度的珠光体组织)。
图5b表示一组线材冷却一相变曲线，该曲线系利用本发明的优选实施例的设备和工艺进行线材韧化而获得的。(FB-IN)并与已有的单段流化床韧化曲线(FB-PA)对比。由此图可见，曲线FB-IN代表一比已有工艺可能达到的控制严格得多的韧化处理过程，它较好地调节了线材冷却过程及相变起始条件以及更精确地控制了珠光体反应温度。
由于前面提到的释热效应(相变热的释放)，在一定的转变阶段在某些地方的局部床温就有升高到最佳温度之上的趋势。从试验中我们发现，在均热段释热的程度及其温度峰值效应的位置随线材的直径，通过速度和所选的相变曲线而变化。
在优选实施例中，在均热段标准组件的粒子床中装有辅助加热元件和温度传感器，这些元件被分成组，运行在几个不同的区间格里，这些区间格构成一个完整长度的均热-相变区。元件组分区间独立调节温度并与初始流化热控制相结合，以校正局部均热区温度。在有不同转变热释放出现时，为了解决不均衡热损失的问题，将平均热输入分为最初的和第二的两部分，而最初部分的热量则有意地选择为低于稳定运行所需的热量。这样，辅助加热器不仅输送必需的功率以补偿局部热量的不足，而且输送部份初始热。结果，由于线材释热高峰(可能超过平均热损失)而致的局部床过热可以抵消而不致影响相邻的相变区。这种措施的附带优点是可能使珠光体反应按顺序进行，例如按不同温度线和反应速度分级。实践中这有几个优点，例如增加了按照根本目标完成韧化处理的灵活性(甚至有可能比铅浴韧化好);在通常应用的冷却-相变曲线之外控制韧化反应的能力;以及由于所使用的设备起动时间短，并能迅速过渡到所需的规范操作状态，而具有较高的生产率。
图6表示在转变过程中依据上述原则如何精确调节线材W的最佳反应温度。为此目的，均热床TR-S被分为几个小区13，每一小区包括一组在流化床内的加热元件14，一个合适的温度传感器16以及一个联接到控制盘15上的加热功率调节器17。加热元件在给定的起始功率下运行，与均热床气体发生供给的热流化的热输入相结合，保持均热床处在予定的温度。当局部床温下降或超过予定的均热温度，它们将启动以增加或减少功率。加热和流化气体的发生站放置在主设备系统之外。发生站实质上是一个燃烧装置，按所需的流量，温度和压力制备燃烧混合气，它包括一个燃烧室20和一个气体燃嘴21，从鼓风机7经管22供给压缩空气，气体燃料(如天燃气)则经管23供给。气体入口温度的控制由管线18连至控制盘15。送至淬火段Q的气体，例如予冷过的炉排气，经过加热器12。
图7说明了对应于TTT图上韧化曲线所在区域的均热段内附加温度校正的效果。可以看到线材相变温度或珠光体反应能通过瞬时校正局部均热床温，而完全强制在要求的最佳OTB-区里(曲线A)。反之(曲线B)即在各床小区没有单独调节时，相变温度就会在一定程度上偏离最佳相变温度带，导致部分退火的(粗晶的)珠光体组织。
图8表示了流化床装置的优选实施例的详图。该流化床利用了图6的原理。在燃气炉1里奥氏体化后的线材W连续穿过流化床装置2的淬火段Q和分隔开的冷却段TR-S。均热段包含有数个小区13，每个段装有浸没式辅助床加热器和相关的控制装置(见图6，图8中未表示)。烧嘴21的燃烧用空气需适当予热，为此目的而用鼓风机7经过位于均热床排气口25内的热回收器24供给。
从燃烧室20将制备好的流化气用管子送到均热段标准组件TR/S，它实际上是一个金属装配件，放置在流化炉的U形室内空间里。在这个装配件里，粒子容器、集气室和气体输送管装成一体。包含在容器3里的粒子床4被流态化。图中也表示了带有气体导管5′的气体集气室5和一个在容器底部与相邻集气室之间的气体分配装置6。这个分配装置最好是一个钻有孔的板，带有大量的流化喷嘴6′，喷嘴按规则排列，相互间距离很短(如在3～20cm范围内)。喷嘴接收从集气室来的流化气体，集气室的气体导管5′连接到均热床流化气发生器20的供气管9上，使得获得和保持最佳流化速度(通常约10～12cm/s)与稳定床条件成为可能。均热床的控制方法包括一个控制装置(未表示出)用以调节供气燃嘴21以建立和调节所需要的均热气体入口温度(均热床初加热并保持初始温度)。如前所述(图6)，第二控制装置连接到每个均热小区的辅助加热器上以校正局部均热床温和增大送至均热段的热流化气的初始热输入(在起动流化床设备时特别有用)。
淬火段Q包括一个如上所述用于均热段的同样形式的流化床标准组件，只是长度较短，最好在50～250cm之间。原则上，淬火段同均热段一样被流态化，即采用分离开的外部燃烧发生站连接到淬火段标准组件上。但是，在本实施例中，淬火气体来源于前面的气体燃气奥氏体化炉的排气。排气的组成应适于在淬火期间降低甚至避免热线材的氧化。为此，进入淬火段标准组件的排气混合气的氧含量最大为2%(容积)，最好不超过0.5%以减慢或防止不需要的表面氧化。理想的情况是将氧的最大含量限制在0.1%以内以得到无氧化淬火，加上少量的CO约为0.5～2%可保证满足无氧化条件。在后一情况下，由于在加热炉中的非化学当量配比燃烧，能量的消耗略有增加。
抽风机8′经过予冷器或排气热回收器(未表示出)以降低气体的温度。可调节的气体电加热器12可使流化气在任何需要的入口温度下送至淬火段。初始控制包含一个控制装置34，它调节予热器12的电流36。此调节按淬火床温以及管线33和35供给的气体入口温度的变化来进行。
设置了附加冷却和床控制装置，在稳定运行时用以调节和保持在淬火床内的予定温度，即在入口气体予热器关掉时，当热线材的热输入大大超过流化淬火床的散热能力时，可使用它们。这些辅助冷却装置包括固定的床冷却装置如浸没式水螺旋管(未表示出)和可调节的床冷却装置。后者包括一个鼓风机28，从气源29经过管子26把不同量的冷空气引到淬火床的表面上的，以至引到床的内部。电动阀27经过导线30连接到适当的控制系统34上以调节冷空气的流量。控制系统34经传感器33测量实际的床温，将它与淬火所需床温比较，随之调节供给冷空气的电动阀。另一办法是采用可调节的水冷装置，即把热交换螺旋管(压力水或沸水)放置在粒子床内，冷却水流量可用电动控制阀来调节。
在碳钢线材韧化的应用过程中，淬火段将调节和保持在250～650℃的温度范围内，对长度为0.5～2.4m的淬火段，最好的温度为350～550℃。均热段的温度应在450～700℃的范围内调节，最好的范围是500～650℃。
上述不同的加热和冷却装置的控制最好是自动的。
下面举出若干例子供参考
例1
直径1.5mm含碳量0.71%的钢丝在不同的流化床韧化处理线上处理，并与铅浴韧化相比较。在每种情况下奥氏体化温度和线材速度相同，分别为920℃和24m/min。
采用了不同的两种流化床
FB1带有一个浸没区的常规流化床设备;床温设定在TFB＝560℃。
FB2符合本发明的流化床，带有分隔开的淬火和均热段以及各自独立的流化和段控制装置。床温调整如下
温度控制
Tq＝500℃ 在淬火段
TFB＝560℃ 在均热段
淬火段长度 2.5m
均热段长度 4.5m
韧化后钢丝的性能如下
表1
拉伸强度 最大拉伸力＊ 显微组织
(Max.spread)
N/mm2钢丝上N/mm2
铅浴韧化 1240-1255 15 细珠光体100%
FB1(以前 1140-1204 64 混合，较粗的珠
工艺) 光体至20%
FB2(本发明)1186-1222 36 细珠光体 一些
粗光体层状区
(5～10%)
＊最大的拉伸力系在同一钢丝上测量，不同的钢丝之间的最大拉伸力值，则依据它们在炉中的同一位置测量。
结果表明，与以前工艺的流化床韧化(FB-1)相比，在韧化后钢丝的性能上，本发明(FB-2)的效果更有利。
例2
符合本发明的36根钢丝的流化床韧化处理线，装备有两段流化床设备，包括一个1.5米长的淬火段和一个5.5米长的均热段，各段带有独立的温度装置。淬火段用不同的气体混合物流化。
工艺条件
-钢丝直径1.3mm;0.69%碳钢
-淬火床温度455℃
-均热床温度530℃
-奥氏体化温度900℃;钢丝速度
30m/min
-依据在淬火区的气体来源和组成，淬火方式为
·FB-3炉子排气CO0.15%;O22%
·FB-4从外部燃烧站来的燃烧气CO24%;O25%;CO 0%
·FB-5热空气。
流化床韧化钢丝的结果与铅浴韧化钢丝相比较，等温转变为560℃钢丝性能列表如下
表2
拉伸强度 收缩率 显微组织 表面氧化
N/mm2% 锈层厚度μ
FB-3 1207-1221 56.5-53.5 细索氏体
微量层状 0.6-0.9
珠光体
FB-4 1205-1222 52-57 细索氏体
微量层状 1.2-1.5
珠光体
FB-5 1191-1281 41-54 细索氏体
粗珠光状 1.5
铁素体
铅浴 1224-1238 48-55 细索氏体 1.0-1.2
560℃
由此可见，按本发明韧化处理的钢丝的性能和显微组织，除用热空气淬火(较少控制)的外，接近于铅浴韧化的钢丝。采用非氧化淬火气体对钢丝表面氧化的有利效果是十分明显的。
例3
本例采用用同例2一样的流化床韧化处理线，但增加了均热-相变段的附加温度调节。该段被分做5个小区，各小区有各自的加热元件以便产生附加热量和校正局部均热段的温度。
钢丝直径1.25mm;0.73%碳钢
预定温度淬火段 550℃
均热段 520℃
对流化床韧化处理线的试验运行情况在下列条件下加以比较
A均热段各小区的加热元件均接通电源。
A1入口气体温度调节在400℃;各小区加热器的总功率为12KW。
A2入口气体温度355℃;
各小区加热器的总功率增至25KW，使它能够补偿局部温度和供给基本热需要。
B均热段同往常一样(不用辅助加热器，流化气温度约500℃)。情况A1达到有效运行的时间少于40分钟;情况A2.少于30分钟。情况B，在转变区获得需要温度的时间多于1小时。
此外，对不同的小区在正常运行操作期温度的分布和扩展进行比较。温度测量的结果总结在表3
表3
流化床纵向温度的分布
试验 淬火段 均热段
条件
小区1 小区2 小区3 小区4 小区5＊
A1 440-450 495-510 515-525 510-520 510-515 485-500
A2 440-450 515-525 520 520 520 515-520
B 440-460 490-530 520-550 525-580 540-570 450-490
注＊最末小区的温度下降是由于流化床炉出口的影响。
从试验A1和A2可明显看出分离控制均热段各小区对床温均衡的有利效果。在实验B中局部粒子床温持续上升(实际钢丝或转变温度甚至更高一点)，可能超过最佳温度。若改变钢丝直径以及当间歇操作(停止、起动)发生时(如运行发生故障)，这些不需要的温度波动会变得相当大。这会导致低劣的钢丝质量和大量的生锈钢丝，如同采用以前工艺的流化床韧化处理一样。从实验A2也可看到，合理地选择辅助加热功率(它必须足够大以包含一个宽的补偿范围)及比通常情况更低的初始气体温度可获得最大的灵活性并使保持局部温度非常接近规定的水平成为可能。
在实验A1，A2和B之后得到的钢丝性能如下(以铅浴韧化作参考)
拉伸强度N/mm2钢丝之间的平均(mean spread)
拉伸力 N/mm2
A1 1217 12.7
A2 1234 10.2
B 1192 19.5
铅浴(560℃) 1247 12.4
在图9(a)和(b)中，依据A1和B处理的钢丝(和它们的炉中位置有关)的拉伸强度分布与铅浴韧化处理钢丝相比较。由实验A1得到的钢丝性能一致性的改善是明显的。
图10表示了多种韧化方式，采用符合本发明的两段流化包括分离的均热段控制间格，这些方式均可选择并准确地完成韧化。在温度-时间-转变图上，曲线1和2表示转变开始于第一温度并逐渐进展，终止于选定的较高温度的流化床韧化处理。这个较高的温度可从任何转变部分开始施加，如从(TR)x至(3a，3b，3c)。曲线4是分级韧化的例子，在迅速加热至合适的温度以便等温转变至珠光体之前，进行了奥氏体过冷处理。
两段流化床的一个特殊的应用是钢线材的连续马氏体硬化。为此目的，配备有深度冷却淬火段，使它可能完成软淬火至Ms线(马氏体相变起始温度)以下而不与温度-时间-转变曲线的珠光体鼻部交叉。淬火段足够长，如果需要，可附加冷床标准组件，以保证进入均热段之前奥氏体至马氏体的完全转变。在均热段，马氏体在预定恒温下回火。
对特别小的直径的钢线材韧化处理的一种布置，可能采用仅有一个公共粒子浸没床的设备，由气体混合物(由炉排气或供气烧嘴供给)在有意选定的“低”起始温度下来流化。浸没区或标准组件全长度再分为许多分离控制小区，其第一段用于淬火，装备有固定冷却及可调冷却装置以除去过剩的淬火热。第二和随后的标准组件段构成适当的转变区，装备有功率足够的可调内部加热器以便建立和保持选定的转变温度。这种情况下，流化床硬件组装成一个标准组件结构。反之，用于淬火和转变或均热的热控制和温度补偿装置则形成两个分别独立的系统。
可以理解，把一个特殊的设施视为几个分开的流化床或一个单床分隔为几个区，至少对本发明的某些方面说来是不重要的。例如渐进韧化就可能采用几个相邻的、分开的流化床。
本发明的原理和实施例的改进对熟悉本技术领域：
者是显而易见的，对那些保持了本发明的优点的改进都可认为已包括在本发明中。
权利要求
1、一种钢线材的韧化热处理工艺，其特征在于奥氏体化的线材在第一流化床段(Q)淬火，然后转移到第二流化床段(TR-S)，在那里发生相变，第二段由流化气体加热，其特征还在于第一流化床段由自身的流化气体加热，两段的温度分别控制。
2、根据权利要求
1的工艺，其特征在于第一和第二段(Q，TR-S)由分别控制的气体(7)来流化。
3、根据权利要求
1或2中的工艺，其特征在于第二段(TR-S)的温度至少部分的由在床中的辅助加热装置(14)控制。
4、根据权利要求
3中的工艺，其特征在于沿第二段(TR-S)的各个小区(13)的温度至少部分的由各小区的单独的加热装置来控制。
5、根据权利要求
4中的工艺，其特征在于控制各小区(13)的温度使第二段内(TR-S)形成温度梯度。
6、根据权利要求
5中的工艺，其特征在于温度梯度的变化是使相变在第一温度开始并随后在第二较高的温度下继续。
7、根据权利要求
6中的工艺，其特征在于在第二温度下的相变开始时于已有10～20%的转变发生。
8、根据权利要求
1至5的任何一项的工艺，其特征在于奥氏体化线材迅速过冷之后立即迅速加热至适于相变的温度。
9、根据前述权利要求
任一项中的工艺，其特征在于，第一段(Q)的温度至少部分利用辅助冷却系统(28)控制。
10、根据权利要求
9中的工艺，其特征在于第一段(Q)受到第一冷却装置的连续冷却及第二冷却装置(28，27)的可变冷却。
11、根据前述权利要求
任一项中的工艺，其特征在于第一段(Q)由奥氏体化炉(1)的实际上为非氧化排气来流化。
12、根据权利要求
11中的工艺，其特征在于排气在进入第一段(Q)之前由辅助装置(11，12)来冷却和/或加热。
13、根据权利要求
11或12中的工艺，其特征在于排气的容积氧含量为2%或更少。
14、根据权利要求
13中的工艺，其特征在于排气含有残余一氧化碳以进一步改善非氧化条件。
15、根据权利要求
14中的工艺，其特征在于一氧化碳的含量在0.5%和2%之间。
16、根据前述权利要求
中任一项的工艺，其特征在于各种工艺条件的控制应能产生实质上完全层状的显微组织。
17、根据权利要求
16中的工艺，其特征在于各种工艺条件的控制应能产生实质上由细晶珠光体或索氏体组成的显微组织。
18、热处理钢线材的流化床设备包括淬火线材的第一流化床段(Q)，第二加热流化床段(TR-S)，流化和加热第二段的装置(2)，以流化和加热第一流化床段的装置(8′)，以及分别控制第一和第二段温度的装置(34，15)。
19、根据权利要求
18中的设备，其特征在于配备有冷却第一段(Q)的装置(28)。
20、根据权利要求
18中的设备，其特征在于冷却装置包括固定的冷却装置和附加的可调冷却装置(28，27)。
21、根据权利要求
18，19或20中的设备，其特征在于配置有沿第二段分别控制各分离小区(13)温度的装置(14)。
22、根据权利要求
21中的设备，其特征在于在床的各分离区段(13)里配置有分开控制的加热元件。
23、根据权利要求
18至22中任一项的设备，其特征在于向第一段(Q)供给奥氏体化炉(1)的排气。
24、根据权利要求
23中的设备，其特征在于在排气输送至第一段(Q)之前排气配置有予冷器(11)和辅助加热器(12)。
25、根据权利要求
23或24中的设备，其特征在于配置有为排气顺序通过第一和第二段(Q，TR-S)的装置，也配置有分开的温度控制装置(10，10′)以控制进入不同区排气的温度。
26、根据权利要求
10至24项任何一项的设备，其特征在于第一和第二段(Q，TR-S)完全由分开的气源(8，21)来流化。
27、一种热处理钢制件的工艺，其特征在于工件通过单个流化床(TR-S)，该床由热气源(21)来流化和加热，其特征在于床内各分离小区(13)的温度由分别控制的辅助加热和/或冷却装置(14)来控制。
28、由热气源(21)流化和加热的流化床(TR-S)其特征在于配置有分别控制的辅助加热和/或冷却装置(14)以控制床的各分离小区(13)的温度。
29、一种热处理钢的工艺，钢经奥氏体化炉(1)之后在流化床(Q)里淬火，其特征在于床由奥氏体化炉的实质上是非氧化性的排气来流化。
30、包括奥氏体化炉(1)和淬火流化床(Q)的钢件热处理设备，其特征在于为输送这炉(1)的排气至床(Q)使床流化，配置有装置(8′)。
31、根据权利要求
27中的工艺，其特征在于已被奥氏体化和淬火的钢制件通过床(TR-S)，控制床各小区(13)的温度以产生温度梯度，奥氏体化钢件的转变开始于第一温度并在第二较高的温度继续。
32、一种钢制件的韧化热处理工艺，其中钢件被奥氏体化、淬火、通过加热流化床设备(TR-S)并在其中发生相变其特征在于沿设备(TR-S)的温度分布由独立的加热和/或冷却装置控制以产生温度梯度，奥氏体化钢件的转变开始于第一温度然后在第二较高的温度下继续。
33、根据权利要求
31或32中的工艺，其特征在于转变开始于温度范围540～500℃以促使细晶珠光体或索氏体的产生并在较高的温度下继续，这样渗碳体的生长就相当的慢。
专利摘要
在钢线材(W)韧化热处理过程中从奥氏体化炉(1)来的线材首先在流化床(Q)中淬火。床(Q)由炉(1)的热排气流化并配置有冷却系统(28)。然后线材进入第二流化床(TR-S)，并在此完成相变。此流化床由独立的热气源(21)来流化并沿它的长度分为多个小区(13)，各小区有独立的可控制的辅助加热器(14)。控制(Q)段和沿(TR-S)段的各小区(13)的温度以使线材得到细晶珠光体显微组织。
文档编号C21D9/54GK86101334SQ86101334
公开日1986年11月19日 申请日期1986年3月3日
发明者迈克尔·尼思克 申请人:贝克特股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan