差温加热

复合铸钢支承辊的差温热处理开始于20世纪60年代的欧美 ，之后中国的一些轧辊生产厂家开始采用这一技术.但是，由于受技术装备的限制以及工艺技术不成熟，大多厂家仅仅是采用台车式热处理炉或井式炉进行较快速度的升温，短时间保温，以达到轧辊内外温度存在一定的差别；事实上，此种热处理方法远远不能达到差温热处理的效果。与整体加热淬火相比，该工艺可减小淬火开裂的危险性，节约能源，并可显著提高轧辊的表面硬度、耐磨性和高抗剥落性能，而轧辊芯部又具有高抗断裂性能等良好的综合性能，从而提高轧辊质量和延长使用寿命。2002年，一重集团通过对其差温热处理炉进行改造，基本上实现了锻钢支承辊的差温热处理。2003年，邢台机械轧辊集团有限公司差温热处理炉上马，为复合铸钢支承辊实现完全的差温热处理创造了条件。复合铸钢支承辊生产初期，外层为Cr2材质，通常采用整体加热淬火工艺方法;然而，这一方法工艺周期长，生产效率低，能源消耗大，生产的轧辊残余应力大，难以适应合金含量高、技术要求高的复合支承辊的热处理生产，易造成轧辊断裂等轧辊使用事故发生。对于合金含量高的Cr3~Cr5系列复合铸钢支承辊，差温热处理方法的优势更为明显。大型轧辊由于体积大、工序多、周期长，对产品质量要求较高，如何制订合理的热处理工艺在生产中显得非常重要。通过实验去摸索则代价太高且周期过长，而计算机模拟具有快速、成本低的特点，因此利用计算机模拟大型轧辊的热处理过程具有极大优势。

开合式差温加热炉属于轧辊行业专用热处理设备，主要特点是炉膛空间小，升温速度快，既节能高效又提高了产品产量和质量。针对以上特点，炉衬设计主要从以下几方而进行考虑：

（1）热震稳定性

由于差温加热升温速度快，达到≧33 ℃/min，因此炉衬必须有很好的热震稳定性，也就是抗急冷急热性要好，这是一般普通勃土耐火砖炉衬所不具备的性能。

（2）抗风蚀性

差温加热炉不仅要求加热速度快，而且要求有很好的炉温均匀性，关键是必须满足工件的温度均匀性，这就是差温加热炉选用高速烧嘴的原因，但是高速烧嘴的出口火焰速度很高，能达到100 m/s以上，要求炉衬必须具备良好的抗风蚀性，否则炉衬的使用寿命会受到影响。

（3）抗振动性

由于差温加热炉在生产过程中，要经常的进行开合运行，以实现工件的装出炉，炉体的驱动由电机、减速机、丝杠组成，运行过程中存在一定的振动，因此炉衬必须牢固抗振，不能因为振动而出现脱落，尤其在炉衬出现损坏的情况下，不能出现稍有振动就会大而积掉落现象。

（4）保温、耐高温性

由于差温加热炉炉膛空间很小，工件与炉壁之间距离在400~600mm范围，炉膛几乎没有蓄热能力，因此高温烟气会很快的排入烟道。另外，差温加热炉炉体是由两个半圆构成，生产过程中经常进行开合运动，在炉体接合密封处的密封结构经常会损坏，若维修不及时也会造成跑火。炉膛1300℃的温度也要求炉衬必须有很好的保温性和耐高温性能，以保证炉膛温度，同时起到很好的节能效果。

结合以上几方面的因素，还考虑到炉体经常进行开合运动，所以炉体重量也是本次炉衬设计考虑的重要因素之一。因此经过热工计算，最终选用了耐火纤维毯 耐火纤维可塑料的复合炉衬结构。

差温加热指对被加热件采用不同的温度同时进行加热或者随时间变化的温度进行加热的方式。用这种温度差的加热方式来使被加热件的性能达到指定要求。

差温加热原工艺分析

原最终热处理工艺如图1所示。

按此工艺，2001年年底我厂生产的一件马钢开槽轧辊，在加热后喷雾时，两侧外端角崩边，崩边尺寸：35mmx25mm，长度达2/3圆周，导致报废。

由于上述工艺是根据相近尺寸直面辊整体快速加热工艺制订的，存在以下缺点：

（1）槽底与辊面温差过大，若按槽底计保温时间，辊面温度会在高温保温时间过长，尤其尖角处容易引起过热;若按辊面计保温时间，槽底加热时间明显不足。

（2）槽底、辊面截面相差较大，端角处必然过热。而我公司喷雾设备无法精确调整喷嘴，若喷雾参数不当极易崩边，产生废品。为验证以上间题，我们分别在工件槽底及辊面处敷偶进行测温。

由图2可见，按此工艺执行，开槽辊辊面与槽底温度相差极大，温差最高点达85℃。若按辊面偶温计保温，槽底处4h才能到温，加热明显不足，若按槽底偶温计保温，辊面处920℃左右高温加热时间已达4h，明显过长，尤其端角处容易引起表面晶粒粗大，从而增加了辊身喷雾时的开裂倾向。

详细分析上只开槽轧辊的报废原因，主要有以下几点：

（1）端角倒角R10mm过小，冷却时易引起应力集中。

（2）喷雾时，轧辊侧面溅水方向不定，导致辊面冷却不均。

（3）工件圆角处光洁度过低，喷嘴又无法调整，使尖角冷却过激，导致应力集中。

（4）尖角加热时间过长。

差温加热开槽辊整体快速不透烧加热工艺的改进

根据以上情况，我们对原工艺进行了改进，具体方法如下：

（1）适当调整高温温度和保温时间，延长低温保温时间。避免工件端角加热时间过长，同时又要保证工件槽底处的加热时间和加热温度。

（2）研制附具（见图3）对端角进行保护，防止水雾对工件端角冷却过激。

我们投制了12件附具对工件各处端角进行保护，喷雾时将附具放置在辊身端角处，将雾水隔开。实际生产中，该附具有效地避免了雾水直接喷射到工件端角处，其效果非常有效。具体改进工艺参数见图4。

此工艺工件端角、辊面高温时间明显缩短，尤其端角处温度高温时间更短，而槽底温度及加热层深足够。各处温度分布见图5。

经实际操作，从升温开始到900℃高温均温结束，总时间为4.5h，850℃保温总时间为3h为宜。

按上述改进后的工艺，又生产了多支同类开槽轧辊，均未发现端角开裂，且经回火后，辊身一次交检全部合格。

温差电偶材料有银 和铋、锰和铜镍合金、铜和铜镍合金、 铋和铋锡合金等。用若干对温差电偶串联（或并联）还可制成温差发电器 。

制作温差发电器要求其热冷结点温度 （T_b、T_c）间差值尽可能增大，温差电材料的品质因素Z（为温差电动势率、 电导率和热导率的函数）尽量高。

不同温度下的最佳温差发电材料不同： 300℃以下P型为Bi₂Te₃-Sb₂Te₃；N 型为Bi₂Te₃-Bi₂Se₃; 300～600℃下有 PbTe、PbTe-SnTe、PbTe-PbSe、GeTe 及AgSbTe等；600～1000℃下有 GeSi合金和MnTe等。

温差发电器可利用固、液、气态燃料及太阳能、核能、 废能等多种能源，适用作卫星、海上灯塔等的电源。利用珀耳帖效应可制作温差电致电器。目前所用材料均为半导体，性能最好的为以Bi₂Te₃为基的固溶体材料。

半导体致冷器无机械转动部件、无致冷剂、无噪音、可小型化， 且改变电流方向变致冷为加热，是理想的无污染致冷器，可用于冰箱、冷藏箱、冷饮器、冷热箱及科学测试仪器中降温和医学设备中冷冻。