大型鍛件生產(chǎn)工程設(shè)計(jì) （上）

文／喻興娟，王宙平，陳文勛·中國(guó)聯(lián)合工程公司馮會(huì)來(lái)·大連世杰航空鍛造有限公司

大型鍛件生產(chǎn)工程設(shè)計(jì) （上）

文／喻興娟，王宙平，陳文勛·中國(guó)聯(lián)合工程公司馮會(huì)來(lái)·大連世杰航空鍛造有限公司

大型自由鍛生產(chǎn)建設(shè)工程綜合性強(qiáng)，涉及的工種多，必須從多角度分析、考慮選擇匹配系統(tǒng)的設(shè)備，進(jìn)而確定廠房土建、公用工程的設(shè)計(jì)。

大型鍛件制造業(yè)既是國(guó)家裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，也是關(guān)系到國(guó)家安全和國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈不可或缺的戰(zhàn)略性行業(yè)，是國(guó)家能力的重要組成，其發(fā)展水平是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。大型鍛件產(chǎn)品是電力、冶金、石化、造船、鐵路、礦山、航空航天、軍工、工程等裝備的基礎(chǔ)部件，其經(jīng)濟(jì)帶動(dòng)性強(qiáng)，輻射作用大，是產(chǎn)業(yè)鏈上不可缺少的重要一環(huán)。隨著經(jīng)濟(jì)和裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)鍛造行業(yè)發(fā)展速度加快，行業(yè)內(nèi)重要企業(yè)數(shù)量快速增加，鍛件產(chǎn)量也迅速增長(zhǎng)，全國(guó)自由鍛件產(chǎn)量已超過(guò)300萬(wàn)噸。

大型自由鍛生產(chǎn)建設(shè)工程綜合性強(qiáng)，涉及的工種多，必須從鍛件產(chǎn)品的尺寸、重量、年產(chǎn)量等角度來(lái)分析、考慮選擇壓機(jī)的規(guī)格，配套加熱爐和熱處理爐的數(shù)量、參數(shù)，以及上下道工序煉鋼、鑄造、鍛造、熱處理、加工等的設(shè)備匹配，進(jìn)而確定各廠房的參數(shù)，進(jìn)行廠房土建、公用工程的設(shè)計(jì)。

市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，服務(wù)對(duì)象、服務(wù)范圍在不斷變化，服務(wù)的產(chǎn)品品種、等級(jí)、數(shù)量不可避免會(huì)有較大發(fā)展或變化，工程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮分期建設(shè)的可能，必須遵循一次規(guī)劃、綜合考慮、分期實(shí)施的設(shè)計(jì)原則。

對(duì)于產(chǎn)品品種和等級(jí)基本不變或變化的范圍不涉及廠房設(shè)備升級(jí)，只涉及規(guī)模加大及產(chǎn)量提高的鍛件生產(chǎn)項(xiàng)目，分期建設(shè)一般有以下3種方式：

⑴擴(kuò)建廠房，增加壓機(jī)。

⑵在已建的廠房?jī)?nèi)增加壓機(jī)(現(xiàn)有廠房面積足夠的前提下）。

⑶通過(guò)挖潛式技術(shù)改造，提高現(xiàn)有壓機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的機(jī)械化、自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率等。

對(duì)于產(chǎn)品品種和等級(jí)變化大，涉及廠房、設(shè)備升級(jí)的項(xiàng)目，只能采用擴(kuò)建廠房、增加壓機(jī)的方式。

不管是采用擴(kuò)建廠房增添設(shè)備或另建廠房增添設(shè)備的方法，還是廠房一次建成、設(shè)備分期增添，都需要進(jìn)行多種方案的比較，然后擇優(yōu)選定。不管是哪種發(fā)展方式，加熱爐、鍛后熱處理的能力、上下道工序以及公用動(dòng)力配套設(shè)施等的設(shè)計(jì)都應(yīng)留有同步發(fā)展的可能。

系統(tǒng)平衡配套

大型鍛件的生產(chǎn)是一個(gè)有機(jī)的整體，是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括煉鋼、鑄造、鍛造、熱處理、加工等各個(gè)子系統(tǒng)，而每個(gè)子系統(tǒng)又包括若干環(huán)節(jié)。如煉鋼包括備料、電爐、精煉爐、真空室、真空泵、起重運(yùn)輸、作業(yè)面積等環(huán)節(jié)，鍛造包括加熱爐、壓機(jī)、操作機(jī)、鍛后熱處理爐、排煙系統(tǒng)等，每個(gè)環(huán)節(jié)的能力都將影響整個(gè)煉鋼系統(tǒng)、鍛造系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。同樣，每個(gè)子系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，也將影響整個(gè)大型鍛件熱加工系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。大型鍛件的生產(chǎn)，必須考慮整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)能力、生產(chǎn)系統(tǒng)的配置合理、綜合平衡。

上述各個(gè)環(huán)節(jié)中，鍛造能力是核心，前后工序——煉鋼、熱處理、加工設(shè)備能力的配備都必須圍繞這個(gè)核心進(jìn)行。作為一個(gè)新建或改擴(kuò)建的大型鍛件生產(chǎn)工程項(xiàng)目，必須針對(duì)具體項(xiàng)目的生產(chǎn)綱領(lǐng)、薄弱環(huán)節(jié)采取措施，不能只考慮在一定程度上解決產(chǎn)品生產(chǎn)等級(jí)和生產(chǎn)能力的問(wèn)題，而未完全解決規(guī)模批量生產(chǎn)的系統(tǒng)平衡問(wèn)題，以致企業(yè)只在一定程度上具備大型鍛件的生產(chǎn)能力。任何一道工序、一個(gè)子系統(tǒng)能力的不協(xié)調(diào)、不平衡，都將直接導(dǎo)致處于核心地位的鍛造能力得不到最大的發(fā)揮，必將成為生產(chǎn)能力提升的瓶頸。

例如，雖然有的鍛造生產(chǎn)企業(yè)配備了相當(dāng)噸位的鍛造壓機(jī)，也配備了操作機(jī)，但沒(méi)有配套煉鋼設(shè)施，其所需鋼錠必須向鋼廠或重機(jī)廠采購(gòu)，這些重機(jī)廠的液壓機(jī)提高產(chǎn)量或增加鍛造壓機(jī)后，鋼錠外供量明顯減少，鋼錠采購(gòu)成了問(wèn)題。對(duì)新上60MN、70MN自由鍛液壓機(jī)來(lái)說(shuō)，常用鋼錠重量為50～160t，80～125MN自由鍛液壓機(jī)常用鋼錠重量為80～300t。為保證鍛件質(zhì)量，應(yīng)采用熱鋼錠，以減少能耗、降低成本。由于沒(méi)有配套煉鋼設(shè)施，故只能采用冷鋼錠，鋼錠脫模以后要入爐做緩冷處理，大鋼錠冷卻以后再加熱到鍛造溫度，不僅加熱緩慢、時(shí)間長(zhǎng)，要耗費(fèi)大量燃料，大大增加成本，而且難免在加熱中會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。從產(chǎn)品質(zhì)量的角度講，大型自由鍛件的質(zhì)量受鋼錠影響巨大，要提高大鍛件的綜合性能，必須減少鋼錠的成分偏析，改變非金屬夾雜物的形態(tài)，使鋼中有害氣體和有害元素的含量達(dá)到最低，這是保證大鍛件質(zhì)量的必要前提條件。而目前國(guó)內(nèi)擁有60MN以上自由鍛液壓機(jī)的民營(yíng)企業(yè)大都無(wú)煉鋼能力，所需50t以上鋼錠都只能采用冷錠，原材料質(zhì)量無(wú)法自我控制，不僅影響鍛件質(zhì)量，也增加了企業(yè)的能耗和成本。與此同時(shí)，為使大型鍛造液壓機(jī)能正常生產(chǎn)，必須準(zhǔn)備較多的加熱爐加熱冷鋼錠，不僅增加了加熱爐的數(shù)量，也增加了廠房面積，生產(chǎn)成本難以下降，以上種種因素直接影響了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。而這些企業(yè)要新建煉鋼設(shè)施有一定難度，一方面投資有限，另一方面國(guó)家會(huì)嚴(yán)格控制。

設(shè)備的選擇與匹配

遵循“生產(chǎn)綱領(lǐng)不可沒(méi)有但不宜死扣”的自由鍛造車間設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮到市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下不斷變化的服務(wù)對(duì)象、服務(wù)范圍，大型自由鍛車間應(yīng)按照“以不變應(yīng)萬(wàn)變”的指導(dǎo)思想，不經(jīng)能力計(jì)算而配套選用鍛造設(shè)備、加熱爐、熱處理爐的方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

自由鍛壓機(jī)

根據(jù)大型鍛件的尺寸、重量、材質(zhì)決定自由鍛液壓機(jī)的壓力噸級(jí)以及輔助設(shè)備的規(guī)格，根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)決定鍛造液壓機(jī)的數(shù)量。常規(guī)鍛造時(shí)，自由鍛造液壓機(jī)生產(chǎn)能力按表1選用，特殊情況下鍛造液壓機(jī)的生產(chǎn)能力則需依據(jù)采取的特殊措施來(lái)分析選定。

以前，常規(guī)鍛造時(shí)120～125MN等級(jí)自由鍛造液壓機(jī)可鍛最大鋼錠按300t考慮，并以此進(jìn)行車間設(shè)備的配套。后來(lái)隨著鍛造工藝技術(shù)的進(jìn)步以及鍛造操作機(jī)等輔助設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，這一界定早已被突破，最大鋼錠等級(jí)已達(dá)500t，名義重量已達(dá)570t。隨著科技的發(fā)展和大型高性能產(chǎn)品的出現(xiàn)，鍛件生產(chǎn)不可避免地面臨大型化、高性能這一新的要求與挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在自由鍛造液壓機(jī)的規(guī)格最大已經(jīng)達(dá)到185MN，最大的鋼水澆鑄能力也已超過(guò)600t，中信重工的一次性鋼水澆鑄能力已達(dá)到750t。

加熱爐、鍛后熱處理爐

大型自由鍛液壓機(jī)是大型自由鍛生產(chǎn)企業(yè)的核心，為了充分發(fā)揮自由鍛液壓機(jī)的能力，配套加熱爐和鍛后熱處理爐數(shù)量、規(guī)格的匹配選擇，其最基本的要求是不能由于爐子生產(chǎn)能力的不足而影響或限制鍛壓設(shè)備生產(chǎn)能力的發(fā)揮。

■ 表1 自由鍛造液壓機(jī)常規(guī)鍛造時(shí)的生產(chǎn)能力

在爐子參數(shù)、規(guī)格的選擇上，必須能滿足配套設(shè)備可生產(chǎn)的最重、最長(zhǎng)、最寬尺寸的鋼錠、毛坯和鍛件的加熱與熱處理的要求，有利于配爐和組織生產(chǎn)，即遵循所謂“柔性生產(chǎn)”的指導(dǎo)思想。而爐子的配套數(shù)量和規(guī)格，不僅要考慮上述3個(gè)方面的要求，而且還要根據(jù)壓機(jī)近期和遠(yuǎn)期生產(chǎn)的發(fā)展目標(biāo)，工藝設(shè)計(jì)中所考慮的生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)械化、自動(dòng)化程度的配套水平以及工業(yè)爐自身所具有的技術(shù)性能等來(lái)確定。項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)可采取一次規(guī)劃、分步實(shí)施的辦法來(lái)進(jìn)行，廠房一次建成或分期建設(shè)，爐子分批分期采購(gòu)安裝，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留相應(yīng)的爐子安裝的可能性，煙道走向、煙囪位置、高度、出口直徑等設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)統(tǒng)籌考慮。

常規(guī)生產(chǎn)時(shí)，以氣體燃料為熱源時(shí)推薦的加熱爐、鍛后熱處理爐與鍛造設(shè)備的習(xí)慣配套見(jiàn)表2、3。

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展、鍛造工藝技術(shù)的進(jìn)步、鍛造操作機(jī)等輔助設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展完善，壓機(jī)的生產(chǎn)能力大幅度提高。尤其是先進(jìn)工業(yè)爐技術(shù)的大量應(yīng)用，如新型筑爐材料、燃燒器的應(yīng)用，控制技術(shù)和爐子技術(shù)性能的提高，爐子的熱效率、單位生產(chǎn)率大大提高，上述習(xí)慣已被突破。同時(shí)，隨著重大裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展升級(jí)，所需鍛造壓機(jī)的規(guī)格也越來(lái)越大，爐子的規(guī)格、數(shù)量也在不斷升級(jí)、擴(kuò)大、增加。

■ 表2 鍛造設(shè)備與加熱爐配套選用推薦表

■ 表3 鍛造設(shè)備與鍛后熱處理爐配套選用推薦表

廠房參數(shù)的選擇

作為大型自由鍛件生產(chǎn)的核心——鍛造車間，具有以下兩個(gè)特點(diǎn)。

廠房高大

一般由多跨廠房組成，主跨——液壓機(jī)鍛造跨大多在30～36m，起重機(jī)軌高一般在15～24m。目前國(guó)內(nèi)外大鍛件生產(chǎn)所用的鍛造設(shè)備及主廠房的參數(shù)見(jiàn)表4。

■ 表4 鍛造設(shè)備與主廠房參數(shù)

■ 表5 鍛造設(shè)備與起重運(yùn)輸設(shè)備、鍛造操作機(jī)的常規(guī)配套習(xí)慣

起重能力大

作為車間的運(yùn)輸(操作）設(shè)備的起重機(jī)、鍛造操作機(jī)等，同樣起著關(guān)鍵的作用，如果這些配套設(shè)備的能力不足以滿足車間大型鍛件的運(yùn)輸或鍛造操作，也會(huì)成為鍛造產(chǎn)能提升的瓶頸。目前國(guó)內(nèi)外在大鍛件生產(chǎn)方面形成的液壓機(jī)與起重機(jī)、鍛造操作機(jī)的常規(guī)配套習(xí)慣見(jiàn)表5。

但經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)，表5中的起重能力已顯不足。據(jù)悉，國(guó)外在技術(shù)改造設(shè)計(jì)中已有100～125MN鍛造壓機(jī)選配起重能力為700t的鍛造起重機(jī)的報(bào)道。我國(guó)新建的大型自由鍛廠家配套的起重機(jī)能力也有擴(kuò)大的趨勢(shì)，如通裕重工120MN油壓機(jī)就配備了400t·m鍛造操作機(jī)和550t/300t鍛造行車。

物流運(yùn)輸方式的選擇

廠區(qū)內(nèi)的物料運(yùn)輸是各工序之間生產(chǎn)聯(lián)系的紐帶，通過(guò)運(yùn)輸使廠區(qū)內(nèi)各部門的生產(chǎn)成為有機(jī)的整體，合理的物流運(yùn)輸是工廠設(shè)計(jì)成功的重要因素。工廠物料運(yùn)輸工具和運(yùn)輸方式的選擇與生產(chǎn)產(chǎn)品、產(chǎn)品工件特征及產(chǎn)品批量密切相關(guān)，運(yùn)輸方式?jīng)Q定運(yùn)輸工具。對(duì)大型自由鍛件的專業(yè)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，鍛件尺寸、重量大，很難采用叉車、汽車等運(yùn)輸工具來(lái)輸送。

大型鍛件生產(chǎn)廠大多自帶煉鋼設(shè)施，為避免大鍛件生產(chǎn)所用的熱錠在運(yùn)輸過(guò)程中因室外氣象條件變化造成鋼錠內(nèi)外大溫差而形成表面開(kāi)裂，并確保熱錠送至鍛件生產(chǎn)車間后的表面溫度不低于550℃，滿足其熱裝爐的要求，熱錠的運(yùn)輸一般采用保溫車；鍛后熱處理后進(jìn)入下道工序——粗加工，粗加工后再進(jìn)行熱處理，廠房之間、跨與跨之間最為簡(jiǎn)便有效的運(yùn)輸方式是采用電動(dòng)地面平車；廠房跨內(nèi)工位間的吊運(yùn)大多采用空中運(yùn)輸起重機(jī)。

根據(jù)供電方式不同，廠房之間、跨與跨之間的鍛件運(yùn)輸電動(dòng)平車有以下4種選擇：

⑴拖纜式。需分段設(shè)電源插座，拖地電纜易磨損或被熱的料頭、氧化皮燒壞，或被車上掉落的料頭、運(yùn)料等物砸斷，運(yùn)距受限。

⑵滑線式。需設(shè)供電地溝，溝內(nèi)易積水或臟物等從而影響安全供電。同時(shí)車上載物掉落易砸壞地溝蓋板，阻礙平車正常行駛。保持溝內(nèi)清潔干燥不易，清理更難，不少?gòu)S家不愿意采用。

⑶卷纜式。供電電纜收放的速度難與平車運(yùn)行同步，時(shí)有拉斷電纜或拔出供電插銷的現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)際生產(chǎn)中較少采用。

⑷低壓滑觸式。以36V安全電壓供電，適應(yīng)性較強(qiáng)，現(xiàn)在有不少?gòu)S家采用此種車型。但低壓滑觸式電動(dòng)平車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)需要跟上。 (未完待續(xù))