鋼錠室式燃氣爐的鍛造節(jié)能加熱

文/向延平·廣州造船廠有限公司

鋼錠室式燃氣爐的鍛造節(jié)能加熱

文/向延平·廣州造船廠有限公司

鍛前或鍛造過程中加熱是鍛造生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，鍛前加熱目的主要是提高金屬塑性，降低變形抗力，增加可鍛性，以利于金屬的成形并獲得所要求的組織和性能。鍛前加熱對提高鍛造生產(chǎn)率，節(jié)約能源，降低鍛造生產(chǎn)成本都有直接的影響，基于蓄熱式室式燃氣鍛爐節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟的特性，其在鍛造加熱中的應(yīng)用越來越廣泛。

鋼錠是大型鍛件中常用的鍛造原材料，因其重量和體積都大，且內(nèi)部組織為細晶粒層、柱狀晶區(qū)、樹枝晶區(qū)及粗大等軸晶粒區(qū)等鑄態(tài)組織，為了保證鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，除了提高鋼錠的冶煉質(zhì)量外，還應(yīng)從鍛造工藝方面采取措施。鋼錠的鍛造不僅是為了得到一定形狀和尺寸的鍛件，更重要的是通過鍛造達到破碎鋼錠的鑄態(tài)組織，焊合鋼錠內(nèi)部的疏松、裂紋和氣孔等缺陷，均勻和密實金屬組織以提高機械性能、抗疲勞性等，在這過程中，鋼錠的加熱工序為改變組織準備發(fā)揮了重要作用。

鍛造船用舵桿鍛件鋼錠，重量達5t，材料20Mn，其形狀尺寸、組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖15t鋼錠縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖

鋼錠的加熱規(guī)范

室式燃氣爐是利用煤氣、石油氣和天然氣燃料在火焰加熱爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生含有大量熱能的高溫火焰，通過對流、輻射把熱能傳給鋼錠坯料表面，再由表面向中心熱傳導。鍛造加熱規(guī)范必須保證：加熱過程中不產(chǎn)生裂紋，不過熱過燒，溫度均勻，氧化脫碳少，加熱時間短，加熱效率高，節(jié)約燃料；而且保證碳素鋼、低合金鋼坯料截面溫差小于50～100℃，高合金鋼坯料截面溫差小于40℃，溫度應(yīng)力小。

鍛造溫度范圍確定以鋼的鐵－碳平衡圖為基礎(chǔ)，參照塑性圖、抗力圖和再結(jié)晶圖，從塑性、質(zhì)量及變形抗力三個方面綜合分析。20Mn鋼錠的鍛造溫度范圍可通過鐵－碳平衡圖直接確定，其始鍛溫度低于熔點（鐵－碳平衡圖的固相線）150～200℃。鋼錠加熱時，鑄態(tài)組織較穩(wěn)定，產(chǎn)生過燒的傾向性較小，鋼錠的始鍛溫度比同鋼種鋼坯的始鍛溫度高20～50℃，加熱鋼錠時，室式燃氣爐溫度頭取30～50℃，20Mn鋼錠的鐵－碳平衡圖溫度范圍如圖2所示。

圖220Mn鋼錠、碳鋼鍛造溫度范圍

鋼錠在室式爐中加熱到1250℃的時間可用式（1）表示：

式中t——總加熱時間，h；

 D——鋼錠直徑或有效厚度，m；

 k－系數(shù)，碳鋼與低合金鋼k＝10。

鋼錠加熱可分為兩個階段0～850℃與850～1250℃。確定鋼錠的五段式加熱規(guī)范如圖3所示。

實際加熱操作時，前一班班晚熱空爐進爐，不加熱升溫，6～8h后再加熱升溫。時，必須緩慢加熱、限制裝料爐溫和加熱速度。

圖320Mn鋼錠鍛造加熱規(guī)范（爐溫）

鋼的加熱溫度超過一定溫度，并在此溫度停留時間太長，會引起奧氏體晶粒迅速長大的過熱現(xiàn)象，20Mn鋼的過熱溫度為1300℃，過熱會導致鍛鋼件的強度和沖擊韌性降低。當亞共析鋼過熱嚴重時，冷卻時由于奧氏體晶粒的分解形成所謂魏氏組織。產(chǎn)生過熱的鋼，在同樣的鍛造條件下，冷卻后晶粒仍然粗大。單純原高溫奧氏體晶粒粗大形成的不穩(wěn)定過熱，可以用一般的熱處理方法消除。除原高溫奧氏體晶粒粗大外，還沿奧氏體晶界析出第二相的穩(wěn)定過熱，用一般熱處理的方法不易改善或不能消除。

為避免形成穩(wěn)定過熱，應(yīng)嚴格控制加熱溫度，盡可能縮短高溫保溫時間，鍛造保證足夠的變形量，破碎過熱形成的粗大晶粒，并破壞其沿晶界析出相的連續(xù)網(wǎng)狀分布，從而可以改善或消除穩(wěn)定過熱。

鍛前加熱中的溫度應(yīng)力、過熱和加熱裂紋缺陷

鋼錠或鋼材在加熱過程中，溫度升得太快，表面與中心溫度出現(xiàn)溫差，內(nèi)外膨脹不均，溫度應(yīng)力如果超過強度極限，便會出現(xiàn)裂紋。升溫速度過于緩慢，降低生產(chǎn)率，增加燃料消耗。導溫性好，斷面尺寸小的鋼料，按最大可能加熱速度加熱；導溫性差，斷面尺寸大的鋼料，允許的加熱速度小。鋼錠加熱在低于500℃時，鋼錠的塑性很差，鋼錠內(nèi)部的殘余應(yīng)力與溫度應(yīng)力相同，鋼錠存在的各種組織缺陷還會造成應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋，鋼錠在低溫階段加熱

過熱后冷卻速度快，第二相可能來不及沿晶界析出；冷卻速度過慢，則析出相聚集成較大的質(zhì)點，這兩種情況都不易形成穩(wěn)定過熱。冷卻速度要適當控制，避免采取中等的冷卻速度。

對于沒有相變重結(jié)晶的鋼種，如在加熱過程中發(fā)生了過熱現(xiàn)象，鍛后采用熱處理的方法也不能將其消除，必須嚴格執(zhí)行加熱規(guī)范，避免過熱。對于大型鍛件的鍛造，最后一火的始鍛溫度，應(yīng)根據(jù)剩余鍛比確定，以避免鍛后晶粒粗大。

換熱式鍛造加熱爐

換熱式鍛造加熱爐的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4?lián)Q熱式鍛造加熱爐構(gòu)造原理圖

其由進料爐門1、出料爐門6、爐襯2、空氣換熱器3、助燃空氣管4、燃燒器5構(gòu)成，爐膛包括連通的加熱區(qū)7和預熱區(qū)8，進料口位于預熱區(qū)，出料口位于加熱區(qū)，燃燒器5位于爐膛的加熱區(qū)上端并與加熱區(qū)連通，空氣換熱器3位于爐膛的預熱區(qū)上端并與預熱區(qū)連通，空氣換熱器的進氣端通過空氣管道與風機連接，出氣端通過空氣管道與燃燒器連接。預熱區(qū)及換熱器可對工件、燃氣及空氣進行預熱，利用了高溫氣體的余熱，使熱效率得以提高。熱效率約為17％～20％。排煙溫度約為700℃。該爐型因為建造成本低，仍有一定的市場。

蓄熱式燃氣鍛造加熱爐加熱原理

20世紀90年代以來，蓄熱式燃燒技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了很大進展，蓄熱式燃燒技術(shù)與常規(guī)燃燒技術(shù)比較，其節(jié)能效果可高達40％～50％，熱效率可達85％，70％～80％的余熱被回收和利用。蓄熱式燃氣鍛造加熱爐融合了高風溫無焰燃燒技術(shù)、脈沖燃燒控制技術(shù)和工業(yè)爐的特點。

圖5為蓄熱式燃氣鍛造加熱爐的結(jié)構(gòu)原理示意圖：

蓄熱式燃氣鍛造加熱爐主要由爐門及其升降機構(gòu)、爐體鋼結(jié)構(gòu)和耐火爐襯、蓄熱式燃燒控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和排煙管道等構(gòu)成。

圖5蓄熱式雙室鍛造加熱爐結(jié)構(gòu)原理示意圖

圖中1、2分別為爐門和爐門升降機構(gòu)，3、4分別為耐火澆注料爐內(nèi)襯和輕質(zhì)保溫材料爐外襯，爐體外覆以鋼板、型材鋼結(jié)構(gòu)；圖中6、7、8、9分別為煙囪、排煙風機、排煙管熱電偶、排煙管道；11為兩通式脈沖換向閥，由電路和壓縮空氣管路控制；12、13、14、15為點火和噴嘴系統(tǒng)，燒嘴最大能力可達150m3/h，點火設(shè)有點火燃氣小管及噴入爐膛的噴火大燃氣管及進氣管、并帶有火焰檢測器；18為壓縮空氣儲氣罐，由空機壓機供給壓縮空氣，壓縮空氣壓力為0.4～0.5MPa；19、20、21為鼓風機、膨脹節(jié)、蓄熱體進出氣管道，其進氣空氣壓力為3000～4500Pa；22即為蓄熱體總成，內(nèi)部的蓄熱體主要由剛玉質(zhì)蓄熱球構(gòu)成，23、26為蓄熱體在爐膛內(nèi)的左右兩個蓄熱室的進、排氣口；24為火焰噴嘴口；25為爐膛內(nèi)測溫熱電偶。

該爐的燃燒機理是通過爐膛內(nèi)的左右兩個蓄熱室交替切換工作狀態(tài)來回收煙氣中的余熱。工作狀態(tài)是左側(cè)蓄熱體放熱，加熱了流經(jīng)左側(cè)蓄熱體的空氣；右側(cè)蓄熱體吸熱，回收流經(jīng)右側(cè)蓄熱體的煙氣中的顯熱。燃燒系統(tǒng)換向后，右側(cè)的蓄熱體放熱，加熱流經(jīng)的空氣；左側(cè)蓄熱體吸熱狀態(tài)，吸收流經(jīng)煙氣中的顯熱。通過兩通式脈沖換向閥11不斷地切換工作狀態(tài)，左右兩側(cè)的蓄熱體可以把煙氣中的顯熱傳遞給空氣或燃氣。適當設(shè)計蓄熱體的蓄熱量和換向時間，可以將煙氣溫度降低到150℃，最大限度地提高燃料的熱利用率。

表12010年下半年鍛造生產(chǎn)用量統(tǒng)計

蓄熱式燃氣室式鍛造加熱爐的應(yīng)用和統(tǒng)計分析

蓄熱式燃氣室式鍛造加熱爐的燃氣有幾種供應(yīng)方式，如高爐煤氣、焦爐煤氣、發(fā)生爐煤氣，較常用的是液化石油氣、天然氣，現(xiàn)在蓄熱式燃氣室式鍛造加熱爐采用燃氣最廣泛的是天然氣。

天然氣是直接由地下開采出來的可燃氣體，主要成分是甲烷（CH4），含量在85％～98％之間，還有少量重碳氫化合物及H2、CO等可燃氣體，發(fā)熱量在33500～46000kJ/m3之間。天然氣燃燒時所需的空氣量較大，每立方米天然氣需9～14m3空氣，輻射能力強，甲烷及其他碳氫化合物分解析出大量固體炭粒。

液化石油氣是氣井噴出的天然氣，或以石油精煉和石油化工企業(yè)的副產(chǎn)燃氣為原料，經(jīng)過蒸餾、分離得到的以C3和C4的烴為主要成分的可燃混合氣體，主要由丙烷（C3H8）、丙烯（C3H6）丁烷（C4H10）和丁烯（C4H8）組成，丙烷的發(fā)熱量為913000kJ/m3，丁烷的發(fā)熱量為118700kJ/m3，每立方米液化石油氣根據(jù)成分的不同，燃燒所需的理論空氣量為20～30m3空氣。其幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質(zhì)，燃燒時不產(chǎn)生SO2和粉塵。

液化石油氣的采用如果沒有管道供氣，則需建站混空供氣，氣站與鍛造爐需保證一定的安全距離，并保證輸送管道的安全，使爐前燃料壓力達到10kPa。廣州造船廠有限公司采用的液化氣混空燃料的發(fā)熱值約為8400kcal/Nm3，我們采用液化石油氣爐配套4t電液鍛錘，鍛造的燃料消耗情況大概為，每鍛造1t自由鍛件耗用液化石油氣120～150kg（液化石油氣單價約為8元/kg），每噸鍛件的加熱成本約為960～1200元。

某專業(yè)自由鍛造廠應(yīng)用大型電液鍛錘進行鍛造，加熱則采用管道天然氣供氣、蓄熱式燃氣室式鍛造加熱爐加熱，其2010年下半年鍛造生產(chǎn)用氣量統(tǒng)計如表1（當?shù)靥烊粴鈫蝺r4.8元/m3）。

其每噸鍛件的加熱成本為536.3元，相比采用重油、煤氣發(fā)生爐的加熱成本要低，蓄熱式燃氣鍛造加熱爐的天然氣加熱確實經(jīng)濟環(huán)保。

結(jié)束語

鋼錠的加熱是鋼錠鍛造過程中的重要環(huán)節(jié)，規(guī)范的鍛前加熱可使鍛件具有良好的機械性能。鍛造燃氣加熱綠色環(huán)保，蓄熱式燃氣鍛造加熱爐的脈沖、高風溫、無焰燃燒技術(shù)較先進，熱效率大幅提高，并降低鍛造加熱成本。換熱式燃氣鍛造加熱爐的熱效率不高，但建爐投入不大。隨著天然氣資源的拓展，燃氣鍛造加熱的應(yīng)用將有廣闊的前景。

項目來源：廣東省重大科技專項（2009A080304004）