感應加熱在鋼絲生產中的應用

馮偉年

中國兵器工業部新技術推廣研究所 北京 100089

1 序言

鋼絲在國民經濟中的應用十分廣泛，如鋼筋混凝土、電纜、輪胎中的簾子線及彈簧等。有資料顯示：鋼絲的生產量約占鋼材總產量的7%[1]，按此推算，我國線材、鋼絲的年產量達7000萬t左右，這是一個巨大的數量。

鋼絲是由熱軋盤條經多次拉拔變形后加工制成的，在拉拔過程中，鋼絲產生硬化，塑性下降。為了進一步拉拔變形需要進行恢復塑性的熱處理；彈簧鋼絲、預應力鋼筋等則是用淬火、回火處理方法來獲得其需要的強度和塑性。而簾子線則是由熱處理和冷拉拔變形相結合以達到其超高強度的要求，在鍍層鋼絲中則用加熱來達到預熱或擴散的作用。鋼絲絕大部分是規則的圓形斷面，特別適合于連續感應加熱，是感應加熱技術應用發展的廣闊領域。

2 頻率的選擇

鋼絲生產中主要是應用感應透熱，整個鋼絲斷面要加熱到所需的均勻溫度，在此前提下，要求盡量減小能耗。常用的方法是選用合理的電流頻率，減少工件與線圈之間的間隙。選用合理的電流頻率f可得到高的功率因數cosφ，提高電效率。理論和實際都證明，當選用電流頻率f在鋼絲中的穿透層δ與鋼絲直徑之比為3.5～4時，其他條件相同，則感應器-工件系統的電效率cosφ最高。在感應加熱過程中，感應器產生的電磁波透過空氣隙進入工件后產生的能量，其中一部分是加熱的有功功率P，另一部分是不作功的無功率Q，感應器輸出的視在功率為

理論計算表明，當d/δ≥3.5～4.0時，進入工件電磁波的功率因數可達，功率因數升高，感應器電流減小，銅耗降低，相應地提高效率。電流穿透層計算式為

式中ρ——加熱材料的電阻系數；

μr——加熱材料的相對導磁率；

f——電流頻率（Hz）。

在加熱過程中ρ隨著溫度的升高而增加，而導磁率μr在常溫時可達10～100或更高。當加熱到760℃左右時（居里點），下降到μr=1，所以穿透層δ是隨溫度變化的，達到居里點時，陡然加大。為了適應這種變化，在連續加熱鋼絲溫度超過760℃后，通常采用雙頻加熱，在低溫時選用2500～8000Hz的中頻，超過居里點后采用頻率10kHz以上的高頻加熱。

英國RADYNE公司推薦各種金屬絲用于不同工藝時采用的頻率見表1。

表1 英國RADYNE公司推薦各種金屬絲用于不同工藝時采用的頻率

3 感應加熱再結晶退火處理

鋼絲在拉拔加工中發生晶體組織的變形、扭曲、破碎，表現為伸長率和斷面收縮率下降，強度則升高，組織處于不穩定狀態，不能進行進一步拉拔變形，需要進行再結晶退火，再結晶的理論溫度為T＝（0.5～0.7）T熔，一般采用在平衡圖PSK線以下650～700℃，感應加熱退火的加熱速度在1000℃/s以上，鋼絲走速v＞50m/min，加熱時間只有數秒鐘。為了達到整個斷面上的溫度均勻，使表面穿透層的熱量有足夠的時間傳導到心部，必須設置保溫區，保溫區緊接感應器，保溫室中填充耐高溫的低導熱性材料，如玻璃纖維等，也有在保溫室內設置電阻絲加熱，以免加熱鋼絲在保溫室內表面降溫，鋼絲走出保溫室后由紅外線測溫和控制加熱溫度，然后進行空冷，空冷到200℃左右時水冷。不同直徑的鋼絲需要空冷的時間不同，因此噴水冷卻器應是可移動的，以調控其空冷時間。鋼絲比較細，很難直接測量表面與心部之間的溫差，但是從性能上可以判斷出，當退火后鋼絲的強度合格而伸長率低于指標時，很大可能是心表溫差較大，心部并未達到退火溫度，此時應降低感應加熱的頻率并增加保溫段的長度。

為了提高效率，線圈內徑與鋼絲之間的間隙為5mm左右，在感應器的兩端設置張力控制器，保證鋼絲在通過線圈時不產生大振幅跳動。

在感應器和保溫室中通入隋性氣體后可以實行無氧化退火，空冷段可改為水套管冷卻，最后水冷，無氧化退火的鋼絲表面光潔，可以不再酸洗。

4 鋼絲的淬火和回火

采用感應加熱淬火和回火的方法來提高鋼筋的性能是起始于20世紀60年代，日本首先將中碳低合金鋼筋進行感應加熱淬火、回火后抗拉強度Rm＞1000MPa，伸長率A＞5%，鋼筋φ7.1～φ12mm，表面刻有3～6條陰螺紋，主要用于預應力混凝土管樁的配筋，稱為PC鋼筋，不久這項產品和技術傳到世界各地。隨后，日本又開發彈簧鋼絲感應加熱淬火、回火生產線，采用SUP6、SUP12（相當于我國的65Mn鋼、60SiMn鋼）等盤料，經拉拔和感應熱處理后制作汽車懸架彈簧和發動機汽門彈簧，代替傳統的先卷成彈簧、后淬火和回火的模式，避免了成形彈簧淬火時產生的變形和表面脫碳。

20世紀90年代，我國從日本和歐洲引進了多條PC鋼筋生產線。

1994年我國在南通設計建造了第一條PC鋼筋感應熱處理生產線，鋼絲感應熱處理的線速度v＝20～30m/min，1997年又在南京設計建造了彈簧鋼絲生產廠。PC鋼筋和彈簧鋼絲都是以盤料為原料，成卷連續感應加熱和冷卻，工藝和設備都相似，在此一并闡述。

彈簧鋼絲感應熱處理生產線如圖1所示。加熱奧氏體化采用兩種頻率裝置，由8kHz的中頻加熱到750～760℃，再由50kHz的高頻加熱到900℃左右，然后空冷一段時間后進入噴射淬火冷卻，再感應加熱回火，經保溫后水冷。

圖1 彈簧鋼絲生產線[3]

高頻加熱奧氏體化和回火感應加熱后，出口處有紅外測溫控溫，驅動電動機為無級調速，在感應器前后的校直輥之間采用張力控制（鋼絲通過感應器時應無跳動，可防止鋼絲在行走中因跳動而損壞感應器）。

噴水液冷卻器如圖2所示。冷卻液沿鋼絲行走方向噴射，不產生回水現象，鋼絲在噴射后的套管中持續冷卻，套管有內套和外套，內套可以移動，根據鋼絲直徑來調控套管長度，即調控冷卻時間。

圖2 噴水液冷卻器

彈簧鋼絲的wC一般在0.5%以上，采用合成冷卻液淬火，設置循環冷卻系統，PC鋼筋則采用水冷。

生產中主要為65Mn鋼、60SiMn鋼、55CrSi鋼及60SiCr鋼等。

奧氏體化溫度在Ac3以上50～100℃，加熱速度為100～150℃/s。

回火溫度以Hollomon-Jaffe公式換算，加熱速度為100℃/s左右。

彈簧鋼絲處理后的力學性能見表2。

表2 彈簧鋼絲處理后的力學性能

快速感應加熱處理后的晶粒度為12級左右，細晶粒組織不僅提高了強度，還能降低低溫脆性的溫度，有利于在低溫條件下工作的車輛彈簧。

感應回火的時間僅為5～6s，以提高回火溫度的方法彌補回火時間短，而快速短時間回火使析出的碳化物來不及擴散積聚，細小的碳化物有助于提高鋼絲的強韌化，回火加熱速度與硬度及沖擊之間的關系如圖3所示[2]。

圖3 回火加熱速度與硬度及沖擊值之間關系[4]

5 鋼絲感應加熱等溫處理

在中高碳鋼絲生產中，應廣泛地應用等溫處理來實現組織索氏體化，以索氏體組織為基體進行拉拔成形。

奧氏體等溫處理后的索氏體是由細片狀的滲碳體和鐵素體組成的，拉拔變形時，片狀滲碳體沿受力方向扭轉、破碎、引伸，有利于鋼絲的延伸變形，由于滲碳體間距減小、破碎滲碳體及部分碳原子向鐵素體擴散，使鋼絲的強度增加，等溫索氏體化的鋼絲在具有較強度的同時，又有很好的伸長率。

19世紀中葉，英國人JECME.Hossfoll首先將加熱奧氏體化的鋼絲浸入500℃左右的鉛熔液中冷卻并保溫，由此獲得索氏體，作為拉拔前的準備組織，從此使高強度的中碳鋼、高碳鋼絲得以生產和應用。強度4000MPa以上的超高強度簾子線就是采用高碳鋼絲索氏體化后經多次拉拔成形的。

圖4所示為0.75%高碳鋼的等溫索氏體分解圖，900℃左右的奧氏體鋼在500℃左右的等溫分解圖，鋼絲在鉛浴中等溫10s左右分解為索氏體，鉛浴既是冷卻介質，又是保溫系統。這項技術在工業生產中應用了近200年，但是鉛浴的致命缺點是對環境的污染，鉛的熔點為310℃，不能用于較低溫的等溫分解[3]。

圖4 0.75%高碳鋼奧氏體等溫轉變索氏體化的溫度和時間參數

我國開發了單根鋼絲感應加熱，噴水霧冷卻的技術，圖5所示為鋼絲常溫水噴射冷卻索氏體化等處理溫度曲線。

圖5 鋼絲常溫水噴射冷卻索氏體化等處理溫度曲線

具體過程參數為：①φ2.17mm的鋼絲由輥輪夾送通過感應器加熱到900℃左右，走絲速度v＝100m/min。②空冷時間1s。③噴射冷卻時間1s。④空冷時間1s。⑤水霧冷卻時間1s。⑥進入保溫室5～6s。

處理后檢測顯示，索氏體化達90%以上。索氏體的片間距為0.15～0.3μm，抗拉強度為1199MPa，斷面收縮率為55%，伸長率為13.5%，晶粒度12～14級，鋼絲由φ2.17mm拉拔至φ0.55mm，再拉拔到φ0.42mm后的抗拉強度為3030MPa。

該工藝的特點如下。

1）感應加熱速度500～600℃/s。快速加熱導致晶粒細化為12～14級，強度和塑性綜合性能提高。

2）水霧中的水與空氣比例可以無級調控，當水最大時，空氣為零，噴射的是壓力水，冷卻速度最大；當空氣最大時，水為零，噴出的空氣，冷卻速度最小。由于其冷卻能力在壓力水和壓縮空氣之間無級可調，因此可適應不同直徑和不同成分的鋼絲。

3）將冷卻和保溫分離，先由水霧冷卻，然后進入保溫室等溫轉變，不僅可以用于索氏體，也可以用于貝氏體和馬氏體的冷卻，更適應于等溫轉變時間要求長的工藝。如下貝氏體等溫轉變，下貝氏體的等溫區為300～400℃，等溫時間長達數十分鐘，鉛浴顯然是無法應用的，只有分離的保溫室可以實現。

采用T8鋼和80Si2Cr鋼兩種試樣，分別進行索氏等溫處理、調質處理和下貝氏體等溫處理后，其強度和斷面收縮率見表3。由表3可見，T8鋼經300℃等溫60min下貝氏體等溫處理，抗拉強度Rm＝1420MPa，而經520℃等溫15min的索氏體，抗拉強度Rm＝1080MPa，兩者的斷面收縮率相近，可見下貝氏體的強度要比索氏體高30%左右。經過加工變形80%后，下貝氏體的Rm＝1900MPa，索氏體的Rm＝1470MPa，仍然保持30%的差距。由此啟示，采用下貝氏體為基體經拉撥加工后，可生產超強度的鋼絲，如輪胎簾子線，高強度預應力鋼絲等，是一條新的技術路徑。

表3 不同熱處理后鋼絲的力學性能

6 感應加熱鋼絲生產的其他應用

6.1 擴散加熱

為了增加簾子線與橡膠之間的結合力，簾子線表面需要鍍黃銅，曾經采用氧化電解鍍銅，氧化法對環境產生嚴重污染，近來采用熱擴散鍍，即在簾子線表面先以硫酸鹽鍍銅，再以硫酸鹽鍍鋅，最后感應加熱到500℃左右，鋅、銅擴散形成黃銅，簾子線直徑較小，采用在感應器內多根鋼絲同時加熱。

6.2 低松弛化處理

預應力混凝土構件廣泛地應用建筑中，混凝土是抗壓強度很高、而抗拉強度低的脆性材料，而鋼筋具有良好的抗拉強度，兩者結合各盡其能，預應力鋼筋是在張力作用下承載以抵消負載的應力。鋼筋承載后發生彈性變形，如果在長時期承載過程中發生常溫蠕變而松弛，則張力就會消失。因此，預應力的鋼絲需要進行低松化處理，其工藝為鋼絲在承受30%～50%抗拉強度的張力作用下，進行感應加熱回火，消除應力，回火溫度350～400℃。

6.3 鍍前預熱

絕大部分鋼絲表面需要熱鍍鋅，鍍鋅層有良好的防腐作用，熱鍍鋅時的鋅液溫度為450℃左右，傳統的方法是將室溫狀況的鋼絲浸入鋅液中，鋼絲先被鋅液加熱，直到表面溫度達450℃左右，才能產生鍍覆作用，熱鍍鋅時間為5～10s。后來發展的新技術，鋼絲在鍍鋅前，去除氧化皮后，在惰性氣體保護下進行感應加熱，加熱溫度440～460℃，與鋅液的溫度相同，鋼絲進入鋅液后，立即發生鍍鋅作用，與鋼絲表面接觸的鋅液表面張力下降，被吸附和沉積在鋼絲表面，鍍鋅時間縮短到1s左右，極大地提高了生產效率。

7 結束語

鋼絲生產具有久遠的歷史，已經形成一套傳統的生產技術，而感應加熱電源從工頻到中頻再到高頻的較長發展過程中，很少能進入鋼絲生產領域。直到近年來IGBT、MOSFET的固體變頻電源出現后，拓寬了頻率范圍，提高了變頻效率，為感應加熱技術進入鋼絲生產開創了條件。要擴大感應加熱技術在鋼絲生產中的應用，還需要進行研究、試驗的開發工作，期望應用感應加熱技術在鋼絲生產中開發生產超高強度簾子線、氣門彈簧鋼絲等優質、高效、節能與環境和諧的生產線。