一种大规格棒材的热处理冷却装置及冷却方法与流程

1.本发明涉及热处理领域，尤其涉及一种大规格棒材的热处理冷却装置及冷却方法。


背景技术：

2.热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。大规格棒材需要通过固溶热处理，将合金加热至高温单相区恒温保持，使中间相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到饱和固溶体；其中大规格棒材的规格为φ350-500mm、长2000-4000mm，由于其规格大，固溶温度高(大于1000℃)，整只棒材经过加热保温后热量大，热处理出炉后快速入水冷却，淬火池的冷却水因大棒材的热量传递而迅速升温，冷却效果会明显下降，无法保证其棒材整个截面都能均匀冷透，导致产品的组织和力学性能不均匀甚至不合格。
3.为了改进大棒材固溶后的淬火冷却效果，需要对淬火槽冷却效果进行提升。改进水冷效果的传统方式是在淬火槽内注入新的冷却水，排出已升温的冷却水，通过循环的方式加强水冷效果，该方法操作简单，但对冷却槽及其循环动力装置要求较高，结构较为复杂，且长期使用会造成水资源的浪费。相关文献(张晓东.钢铁工件控制新型淬火槽的改进设计探索[j].科技资讯,2008(23):56.)研究表明，通过良好的搅拌可以改善淬火介质温度的均匀性，从而提高淬火工件的冷却速度和冷却的均匀性，达到改善工件组织和性能的目的。而实际生产中有应用叶轮机械地引起液体搅拌-循环的方式来加速淬火介质的流动(见文献：k.s.lally,g.e.totten,赵海鸥,等.淬火槽用搅拌器[j].金属热处理.)，从而提高工件的冷却效果；虽然该方法的确可以较好的提高淬火介质的冷却效率，但需要结合淬火槽的尺寸和空间，设计安放一个或一组正确尺寸的叶轮及其驱动装置，操作的便捷性降低；同时搅拌机发生故障时可能会损坏淬火工件或淬火槽，存在一定的安全隐患。
[0004]
鉴于此，亟待研发一种新的适用于大规格棒材的热处理冷却装置及冷却方法，能够解决大规格棒材固溶热处理后水冷效果差，截面组织性能均匀性欠佳的问题。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种大规格棒材的热处理冷却装置及冷却方法，通过在淬火槽底部设置高压空气管道和槽周高压空气管道，依靠多个方向吹高压空气，搅动冷却水流动，调整冷却水流速，提冷却水的冷却效率，从而解决大规格棒材固溶热处理后水冷效果差，截面组织性能均匀性欠佳的问题，保证了大规格棒材固溶处理后组织和性能的稳定性。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0007]
本发明第一方面提供了一种大规格棒材的热处理冷却装置，包括淬火槽、设于所述淬火槽底部的槽底空气管道、设于所述淬火槽四周槽壁上的多个槽周空气管道以及分别与所述槽底空气管道和多个槽周空气管道连通的高压空气存储机构；
[0008]
所述槽底空气管道呈矩形的螺旋结构排布；所述槽底空气管道设有多个槽底出气孔，所述槽底出气孔上设有与其相匹配的防堵机构；
[0009]
所述槽周空气管道呈矩形的环状结构排布；所述槽周空气管道上设有多个槽周出气孔；
[0010]
所述高压空气存储机构上设有空气开关。
[0011]
优选地，所述槽底空气管道、槽周空气管道的管径为25mm～55mm，管间距为300mm～500mm。
[0012]
优选地，所述槽底出气孔之间的间距为400mm～1000mm，出气孔的直径为2mm～6mm；
[0013]
所述槽周出气孔之间的间距为400mm～1000mm，出气孔的直径为2mm～6mm。
[0014]
优选地，所述防堵机构为直径6mm～8mm的伞状结构。
[0015]
本发明第二方面提供了一种采用如本发明第一方面所述的大规格棒材的热处理冷却装置的大规格棒材的冷却方法，所述大规格棒材的冷却方法包括以下步骤：
[0016]
(1)在大规格棒材出炉前3-5min，打开槽底空气管道与槽周空气管道的空气开关，并测量淬火槽内水温t0；
[0017]
(2)所述大规格棒材出炉后，确保其出炉到入水的间隔时间≤5min，所述大规格棒材入水后，确保其上表面距离冷却水液面高度≥1/2大规格棒材的直径；
[0018]
(3)所述大规格棒材入水后，每间隔5min测量所述大规格棒材周边四个测量点的温度，确保四个测量点的平均温度≤1.3t0；
[0019]
(4)所述大规格棒材出水后，测量其表面温度，确保达到工艺设定要求后空冷至室温。
[0020]
优选地，所述槽底空气管道与槽周空气管道内的空气流速为10-15m/s，空气的压强为200-500kpa，出气孔处空气的流速为20-30m/s。
[0021]
优选地，所述步骤(3)中，所述大规格棒材出炉后的入水间隔时间≤3min。
[0022]
优选地，所述步骤(4)中，所述大规格棒材入水20-35min后出水。
[0023]
优选地，所述步骤(4)中，所述大规格棒材冷却至室温后，所述大规格棒材在室温下的抗拉强度rm≥585mpa，屈服强度为240-345mpa，延伸率≥30％。
[0024]
优选地，所述步骤(4)中，所述大规格棒材冷却至室温后，所述大规格棒材在350℃下的抗拉强度rm≥500mpa，屈服强度≥190mpa。
[0025]
本发明的有益效果为:
[0026]
本发明的大规格棒材的热处理冷却装置，结构简单不需要改动冷却槽整体结构和占地面积，也不需要额外增加动力，仅依靠高压空气搅动冷却水流动即可，操作简便，环保节能的同时有效提升冷却水的冷却效率，配合该大规格棒材热处理装置对大规格棒材进行冷却处理能够解决大规格棒材固溶热处理后水冷效果差，截面组织性能均匀性欠佳的问题，保证大规格棒材固溶处理后组织和性能的稳定性。
附图说明
[0027]
图1为本发明的大规格棒材的热处理冷却装置的槽底高压空气管道的俯视图；
[0028]
图2为本发明的大规格棒材的热处理冷却装置的槽周高压空气管道的俯视图；
[0029]
图3为本发明槽底高压空气管道的槽底出气孔结构示意图，其中(a)是空气管道的纵向剖面视图，(b)为图(a)的俯视图；
[0030]
图4为本发明的大规格棒材的热处理冷却装置的淬火槽内水温测量点示意图；
[0031]
图5中，(a)为采用常规冷却装置处理后的大规格棒材的金相示意图；(b)为实施例1采用本发明的热处理冷却装置处理后的大规格棒材的金相示意图；(c)为实施例2采用本发明的热处理冷却装置处理后的大规格棒材的金相示意图；
[0032]
图6中，(d)为实施例3采用本发明的热处理冷却装置处理后的大规格棒材的金相示意图；(e)为实施例4采用本发明的热处理冷却装置处理后的大规格棒材的金相示意图。
具体实施方式
[0033]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
[0034]
结合图1、图2所示，本发明所提供的大规格棒材的热处理冷却装置，为解决大棒材固溶热处理后水冷效果差，截面组织性能均匀性欠佳的问题，通过对现有的淬火槽进行改进；该大规格棒材的热处理冷却装置包括淬火槽1、设于淬火槽1底部的槽底空气管道2、设于淬火槽1四周槽壁上的多个槽周空气管道6以及分别与槽底空气管道2和多个槽周空气管道6连通的高压空气存储机构；槽底空气管道2呈矩形的螺旋结构排布(参见图1)，槽底空气管道2上设有多个槽底出气孔3(图3b所示)，槽底出气孔3上设有与其相匹配的防堵机构4(参见图3a)；槽周空气管道2呈矩形的环状结构排布(参见图2)，槽周空气管道6上设有多个槽周出气孔；高压空气存储机构上设有空气开关；其中槽周空气管道6分布的个数可根据热处理工件(即大规格棒材)的冷却要求进行增减，比如槽周空气管道6可设置为0～8个，其从上至下依次设置在淬火槽1的四周槽壁上；
[0035]
在具体的实施例中，槽底空气管道2、槽周空气管道6的管径均为25mm～55mm，管间距均为300mm～500mm。槽底出气孔3之间的间距为400mm～1000mm，槽底出气孔3的直径为2mm～6mm。槽周出气孔之间的间距为400mm～1000mm，出气孔3的直径为2mm～6mm
[0036]
结合图3a、图3b所示，在具体的实施例中，防堵机构4为连通槽底空气管道2并置于槽底出气孔3上方的伞状结构，该防堵机构4的目的是防止淬火工件氧化皮脱落堵塞槽底空气管道2出气孔的出口。
[0037]
结合图1～6所示，本发明还提供一种大规格棒材的冷却方法，采用上述的大规格棒材的热处理冷却装置对大规格棒材进行冷却处理，具体包括以下步骤：
[0038]
(1)在大规格棒材出炉前3-5min，打开槽底空气管道与槽周空气管道的空气开关，并测量淬火槽内水温t0；
[0039]
具体过程为：大规格棒材进行固溶热处理后，需要进行冷却处理，在其出炉前(即固溶热处理保温时间到达前)3-5min，需要把大规格棒材热处理冷却装置上的槽底空气管道与槽周空气管道的空气开关打开，使淬火槽内的冷却水处于流动状态，测量并记录此时淬火槽内冷却水的水温t0；其中槽底空气管道与槽周空气管道内的空气流速为10-15m/s，空气的压强为200-500kpa，出气孔处空气的流速为20-30m/s；
[0040]
(2)所述大规格棒材出炉后，确保其出炉到入水的间隔时间≤5min，所述大规格棒材入水后，确保其上表面距离冷却水液面高度≥1/2大规格棒材的直径；
[0041]
具体过程为：在大规格棒材出炉后，确保其出炉到入水的间隔时间≤5min，优选为出炉到入水的间隔时间≤3min；大规格棒材入水后，其吊入深度要确保大规格棒材上表面距离冷却水液面高度≥1/2大规格棒材的直径，在优选方案中，确保大规格棒材上表面距离冷却水液面高度≥大规格棒材的直径；
[0042]
(3)所述大规格棒材入水后，每间隔5min测量所述大规格棒材周边四个测量点的温度，确保四个测量点的平均温度≤1.3t0；
[0043]
具体过程为：大规格棒材入水后，每间隔5min采用测温枪测量淬火槽内大规格棒材周边四个测量点a、b、c、d的温度，其中4个测量点a、b、c、d参见图4所示，并确保四个测量点a、b、c、d的平均温度≤1.3t0，若冷却水升温过高，可调整槽底空气管道与槽周空气管道内空气的流速。
[0044]
(4)所述大规格棒材出水后，测量其表面温度，确保达到工艺设定要求后空冷至室温。
[0045]
具体过程为：大规格棒材入水20-35min后将大规格棒材吊出淬火槽，并测量大规格棒材表面温度，即表面头部、尾部、中部以及两侧端面的温度，确保其平均温度达到工艺设定要求，若温度高于工艺设定要求，则可再次入水适当延长其冷却时间；大规格棒材出水后放置于空旷处空冷至室温；
[0046]
经上述处理后该大规格棒材在室温下的抗拉强度rm≥585mpa，屈服强度为240-345mpa，延伸率≥30％；在350℃下的抗拉强度rm≥500mpa，屈服强度≥190mpa。
[0047]
下面结合具体例子进一步对本发明的大规格棒材的热处理冷却装置及冷却方法进行说明；
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例中对φ490*4000mm的大棒材进行固溶热处理后的水冷。
[0050]
(1)在大规格棒材出炉前(即固溶热处理保温时间到达前)3min，开启槽底空气管道与槽周空气管道的空气开关，使淬火槽内的冷却水处于流动状态，并测量记录棒材入水前的水温t0＝23.5℃；
[0051]
(2)大规格棒材出炉后用行车吊运至淬火槽中，从出炉到入水间隔时间为4min；大规格棒材入水后，通过行车移动行程控制其入水深度≥490mm，即大规格棒材上表面距冷却水面高度≥490mm，槽底空气管道与槽周空气管道内的流速为12m/s，空气的压强为300kpa，出气孔处空气的流速为25m/s；
[0052]
(3)大规格棒材入水后，每间隔5min用测温枪测试淬火槽内的大规格棒材周边四个测量点冷却水的温度，其中，测温数据见表1，其平均值均小于30.55℃(为1.3t0)；
[0053]
表1大规格棒材入水后周边四个测量点冷却水的温度
[0054][0055]
(4)大规格棒材入水冷却25min后将大棒材吊出淬火槽，测量棒材表面温度数值如表2所示，其温度平均值为208℃，达到了预期的冷却效果；之后将大规格棒材置于空旷处空冷至室温。
[0056]
表2大规格棒材出水后表面温度
[0057]
测温位置头中尾端面1端面2平均温度温度/℃206210208209207208
[0058]
实施例2
[0059]
本实施例中对φ410*4000mm的大棒材进行固溶热处理后的水冷。
[0060]
(1)在大规格棒材出炉前(即固溶热处理保温时间到达前)3min，开启槽底空气管道与槽周空气管道的空气开关，使淬火槽内的冷却水处于流动状态，并测量记录棒材入水前的水温t0＝24.5℃；
[0061]
(2)大规格棒材出炉后用行车吊运至淬火槽中，从出炉到入水间隔时间为3min；大规格棒材入水后，通过行车移动行程控制其入水深度≥410mm，即大规格棒材上表面距冷却水面高度≥410mm，槽底空气管道与槽周空气管道内的流速为11m/s，空气的压强为300kpa，出气孔处空气的流速为23m/s；
[0062]
(3)大规格棒材入水后，每间隔5min用测温枪测试淬火槽内的大规格棒材周边四个测量点冷却水的温度，其中，测温数据见表3，其平均值均小于31.85℃(为1.3t0)；
[0063]
表3大规格棒材入水后周边四个测量点冷却水的温度
[0064][0065]
(4)大规格棒材入水冷却23min后将大棒材吊出淬火槽，测量棒材表面温度数值如表4所示，其温度平均值为176.8℃，达到了预期的冷却效果；之后将大规格棒材置于空旷处空冷至室温。
[0066]
表4大规格棒材出水后表面温度
[0067]
测温位置头中尾端面1端面2平均温度温度/℃175178176178177176.8
[0068]
实施例3
[0069]
本实施例中对φ350mm*4000mm的大棒材进行固溶热处理后的水冷。
[0070]
(1)在大规格棒材出炉前(即固溶热处理保温时间到达前)5min，开启槽底空气管道与槽周空气管道的空气开关，使淬火槽内的冷却水处于流动状态，并测量记录棒材入水前的水温t0＝22.5℃；
[0071]
(2)大规格棒材出炉后用行车吊运至淬火槽中，从出炉到入水间隔时间为5min；大规格棒材入水后，通过行车移动行程控制其入水深度≥350mm，即大规格棒材上表面距冷却水面高度≥350mm，槽底空气管道与槽周空气管道内的流速为10m/s，空气的压强为320kpa，出气孔处空气的流速为20m/s；
[0072]
(3)大规格棒材入水后，每间隔5min用测温枪测试淬火槽内的大规格棒材周边四个测量点冷却水的温度，其中，测温数据见表5，其平均值均小于29.25℃(为1.3t0)；
[0073]
表5大规格棒材入水后周边四个测量点冷却水的温度
[0074][0075]
(4)大规格棒材入水冷却23min后将大棒材吊出淬火槽，测量棒材表面温度数值如表6所示，其温度平均值为169.2℃，达到了预期的冷却效果；之后将大规格棒材置于空旷处空冷至室温。
[0076]
表6大规格棒材出水后表面温度
[0077]
测温位置头中尾端面1端面2平均温度温度/℃170169172168167169.2
[0078]
实施例4
[0079]
本实施例中对φ455mm*4000mm的大棒材进行固溶热处理后的水冷。
[0080]
(1)在大规格棒材出炉前(即固溶热处理保温时间到达前)5min，开启槽底空气管道与槽周空气管道的空气开关，使淬火槽内的冷却水处于流动状态，并测量记录棒材入水前的水温t0＝23.5℃；
[0081]
(2)大规格棒材出炉后用行车吊运至淬火槽中，从出炉到入水间隔时间为5min；大规格棒材入水后，通过行车移动行程控制其入水深度≥455mm，即大规格棒材上表面距冷却水面高度≥455mm，槽底空气管道与槽周空气管道内的流速为15m/s，空气的压强为310kpa，出气孔处空气的流速为28m/s；
[0082]
(3)大规格棒材入水后，每间隔5min用测温枪测试淬火槽内的大规格棒材周边四个测量点冷却水的温度，其中，测温数据见表7，其平均值均小于30.55℃(为1.3t0)；
[0083]
表7大规格棒材入水后周边四个测量点冷却水的温度
[0084][0085]
(4)大规格棒材入水冷却23min后将大棒材吊出淬火槽，测量棒材表面温度数值如表8所示，其温度平均值为207℃，达到了预期的冷却效果；之后将大规格棒材置于空旷处空冷至室温。
[0086]
表8大规格棒材出水后表面温度
[0087]
测温位置头中尾端面1端面2平均温度温度/℃204208207209207207
[0088]
对照组
[0089]
本对照组对φ455mm*4000mm的大规格棒材进行固溶热处理后的水冷；采用常规的未改进的淬火槽进行水冷，其中，水冷过程中淬火槽内水温快速升高，棒材入水10min后水温升至39℃，25min后水温升至56℃，大棒材吊出后测量表面温度(头/350℃、中/362℃、尾/356℃、端面1/354℃、端面2/358℃)平均值为356℃。
[0090]
将大规格棒材置于空旷处空冷，待温度降至室温后取样进行性能检验，其中本实施例大规格棒材的组织和力学性能参见图5、图6和表9所示，其中图5中(a)为对照组处理后的大规格棒材的金相图，图5中(b)为实施例1处理后的大规格棒材的金相图；图5中(c)为实施例2处理后的大规格棒材的金相图；图6中(d)为实施例3处理后的大规格棒材的金相图；图6中(e)为实施例4处理后的大规格棒材的金相图。
[0091]
表9大规格棒材的力学性能
[0092][0093]
通过对比可以看出，实施例1、实施例2、实施例3、实施例4处理后的大规格棒材的组织相较于对照组处理后的大规格棒材的组织更细小，高温力学性能也明显提升，较对照组有更大的裕量。由此可见，本发明的大规格棒材的热处理冷却装置及冷却方法可以很好的解决大规格棒材固溶后的冷却效率问题，保证了大规格的组织和性能稳定性。
[0094]
综上所述，上述实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实
施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种大规格棒材的热处理冷却装置，其特征在于，包括淬火槽、设于所述淬火槽底部的槽底空气管道、设于所述淬火槽四周槽壁上的多个槽周空气管道以及分别与所述槽底空气管道和多个槽周空气管道连通的高压空气存储机构；所述槽底空气管道呈矩形的螺旋结构排布；所述槽底空气管道设有多个槽底出气孔，所述槽底出气孔上设有与其相匹配的防堵机构；所述槽周空气管道呈矩形的环状结构排布；所述槽周空气管道上设有多个槽周出气孔；所述高压空气存储机构上设有空气开关。2.如权利要求1所述的大规格棒材的热处理冷却装置，其特征在于，所述槽底空气管道、槽周空气管道的管径为25mm～55mm，管间距为300mm～500mm。3.如权利要求1所述的大规格棒材的热处理冷却装置，其特征在于，所述槽底出气孔之间的间距为400mm～1000mm，出气孔的直径为2mm～6mm；所述槽周出气孔之间的间距为400mm～1000mm，出气孔的直径为2mm～6mm。4.如权利要求1所述的大规格棒材的热处理冷却装置，其特征在于，所述防堵机构为直径6mm～8mm的伞状结构。5.一种采用如权利要求1～4任一项所述的大规格棒材的热处理冷却装置的大规格棒材的冷却方法，其特征在于，所述大规格棒材的冷却方法包括以下步骤：(1)在大规格棒材出炉前3-5min，打开槽底空气管道与槽周空气管道的空气开关，并测量淬火槽内水温t0；(2)所述大规格棒材出炉后，确保其出炉到入水的间隔时间≤5min，所述大规格棒材入水后，确保其上表面距离冷却水液面高度≥1/2大规格棒材的直径；(3)所述大规格棒材入水后，每间隔5min测量所述大规格棒材周边四个测量点的温度，确保四个测量点的平均温度≤1.3t0；(4)所述大规格棒材出水后，测量其表面温度，确保达到工艺设定要求后空冷至室温。6.如权利要求5所述的大规格棒材的冷却方法，其特征在于，所述槽底空气管道与槽周空气管道内的空气流速为10-15m/s，空气的压强为200-500kpa，出气孔处空气的流速为20-30m/s。7.如权利要求5所述的大规格棒材的冷却方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述大规格棒材出炉后的入水间隔时间≤3min。8.如权利要求5所述的大规格棒材的冷却方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述大规格棒材入水20-35min后出水。9.如权利要求5所述的大规格棒材的冷却方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述大规格棒材冷却至室温后，所述大规格棒材在室温下的抗拉强度rm≥585mpa，屈服强度为240-345mpa，延伸率≥30％。10.如权利要求5所述的大规格棒材的冷却方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述大规格棒材冷却至室温后，所述大规格棒材在350℃下的抗拉强度rm≥500mpa，屈服强度≥190mpa。

技术总结
本发明公开了大规格棒材的热处理冷却装置及冷却方法，其中大规格棒材的热处理冷却装置包括淬火槽、槽底空气管道、多个槽周空气管道以及高压空气存储机构；槽底空气管道呈矩形的螺旋结构排布；槽底空气管道设有多个槽底出气孔，槽底出气孔上设有与其相匹配的防堵机构；槽周空气管道呈矩形的环状结构排布；槽周空气管道上设有多个槽周出气孔；高压空气存储机构上设有空气开关。本发明通过在淬火槽底部和槽周设置高压空气管道，依靠多个方向吹高压空气，搅动冷却水流动，调整冷却水流速，提高冷却水的冷却效率，从而解决大规格棒材固溶热处理后水冷效果差，截面组织性能均匀性欠佳的问题，保证了大规格棒材固溶处理后组织和性能的稳定性。稳定性。稳定性。


技术研发人员：敖影 徐长征 胡仁民
受保护的技术使用者：宝武特种冶金有限公司
技术研发日：2022.01.05
技术公布日：2023/7/22