軸承鹽淬貝氏體生產(chǎn)線熱量綜合回收利用的改進設計

天龍科技爐業(yè)（無錫）有限公司（江蘇 214105）薛元強 宗國良

江蘇省機電研究所 （徐州 221004）劉肅人

熱處理工作者都十分清楚，下貝氏體具有優(yōu)良的綜合力學性能，在強韌性、疲勞性等方面優(yōu)于普通的馬氏體。隨著近年來熱處理裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，以及機械零部件特別是軸承、齒輪、液壓件等對綜合力學性能（強韌性及疲勞性等）的要求日益趨高，普通的常規(guī)熱處理工藝已經(jīng)不能滿足這一要求。國內外熱處理設備制造商近年來根據(jù)這一情況開發(fā)出貝氏體等溫淬火，應用于高性能軸承的熱處理。

目前，常規(guī)批量GCr15軸承貝氏體淬火采用氮基氣氛保護輥底式爐加熱，熱處理工藝為（230±10）℃硝鹽（55%KNO3+45%NaNO3）等溫淬火較多。產(chǎn)品在進入主爐加熱前進行清洗及預氧化處理。由于貝氏體轉變需要很長的孕育期，鹽浴還要保持較高的溫度，因此能耗較大。

天龍公司針對目前鹽淬貝氏體生產(chǎn)線的運行能耗較高、熱能綜合利用率較低等情況。并參考國內外相關設備特點，對生產(chǎn)線增加了熱交換回收裝置，充分利用淬火余熱，研制出了熱回收型等溫貝氏體生產(chǎn)線?？商岣邿崃康木C合利用率，既可實現(xiàn)節(jié)能減排，又能降低運行成本。

1.熱回收型鹽淬貝氏體生產(chǎn)線綜述

（1）熱回收型鹽淬貝氏體生產(chǎn)線簡介 以GCr15軸承鋼為例，其典型貝氏體淬火工藝曲線見圖1。

圖1 GCr15軸承鋼貝氏體淬火工藝曲線

普通的軸承鹽淬貝氏體生產(chǎn)線主要由上料機構、清洗機、預氧化室、加熱爐、換氣保溫室、鹽淬槽（含等溫、回火）、后清洗、出料機構等部分組成。

同時，貝氏體轉變要求工件等溫加熱淬火后轉移到硝鹽槽中進行較長時間的等溫轉變，在這一過程中硝鹽溫度不能變動太大。為保證貝氏體轉變工藝溫度基本恒定，通常在硝鹽槽內設置冷卻系統(tǒng)，一般是在槽內設置多路空氣盤管，利用風機鼓入冷風對硝鹽進行冷卻，換熱后的熱風排入空氣中。以我公司給瓦房店軸承集團公司提供的鹽淬貝氏體生產(chǎn)線（產(chǎn)能1800kg/h）為例，在連續(xù)生產(chǎn)運行中，其各部分能量消耗見表1。

由表1看出，在連續(xù)運行時，貝氏體生產(chǎn)線單位能耗為：0.47kW·h/kg，遠高于先進國家能耗（≤0.4kW·h/kg）。

與普通加熱淬火工藝相比，由于貝氏體轉變溫度較高，從而使得整個熱處理系統(tǒng)熵增較小，余熱價值較高。由傳統(tǒng)型貝氏體生產(chǎn)線運行狀況可知，其能源消耗主要在淬火溫降過程中，工件所吸收熱量除爐體本身熱短路損失外，其余大部分均轉變?yōu)闊峥諝獍装桌速M掉。據(jù)現(xiàn)場實際測量值，熱風出口溫度基本穩(wěn)定在180～200℃，按風量平均值估測熱量損失高達1.15×106kJ/h，換算耗電量約320kW·h。

改進后的熱回收型貝氏體生產(chǎn)線在不改變生產(chǎn)線主體結構的情況下，將淬火過程中消耗熱量通過換熱器傳遞加熱空氣，然后再對熱空氣所帶走熱量進行回收利用。這也同時減少了熱量的直接排放對環(huán)境造成的影響，達到節(jié)能減排的目的。

熱回收型貝氏體生產(chǎn)線優(yōu)化設計了硝鹽淬火槽氣液換熱器，提高了冷卻空氣與硝鹽換熱效率。同時，在前后清洗機中設置換熱盤管，將經(jīng)鹽淬槽加熱后的熱空氣引至盤管中對清洗液進行加熱。換熱后的空氣在通過熱風干燥室對清洗后的工件進行干燥加熱。此舉有效回收了淬火熱量，同時在前清洗中經(jīng)熱風干燥的工件溫度比傳統(tǒng)型中的工件溫度要高，減少了換氣預熱室及主爐的熱負荷。

（2）熱回收型鹽淬貝氏體生產(chǎn)線主要參數(shù)及設備組成 在傳統(tǒng)鹽淬貝氏體生產(chǎn)線中增設了熱量回收系統(tǒng)后，其主體部分不變，減少了部分工作室的加熱功率。其功率參數(shù)見表2。

新型熱回收型鹽淬生產(chǎn)線的主要組成設備及平面布置如圖2所示。

2.生產(chǎn)線設計特點

熱回收型生產(chǎn)線主要目的是減少熱量損失，合理利用工件淬火余熱。因此，此型生產(chǎn)線設計關鍵在于熱能的回收和分配。即在保證淬火槽硝鹽溫度基本穩(wěn)定的前提下，充分利用設置在槽內硝鹽里的空氣換熱器將淬火熱量轉換到空氣中，再將回收的熱空氣合理分配至各加熱單元中。

表1 生產(chǎn)線改進前各單元功率

表2 改進后的熱回收型生產(chǎn)線各部分功率

圖2 生產(chǎn)線設備及平面布置

（1）鹽淬（等溫淬火）槽設計 連續(xù)生產(chǎn)運行時，鹽淬槽主要依靠槽體自身及設置在硝鹽內的氣液換熱器將淬火產(chǎn)生的熱量帶走。為減少熱量損失，在設計中加厚槽體保溫層，減少熱短路，并將槽體加強筋板也隱藏于保溫材料內。

冷卻風機采用變頻電機，合理控制所需冷卻風量。同時，合理設計選擇氣液換熱器，改進結構，將原單層換熱板改為U形多管焊接結構，即集中進風、分散換熱、集中排風。采用此類設計增加了氣液換熱面積，提高了換熱效率，其換熱器結構見圖3。

圖3 氣液換熱器結構

為確保槽內硝鹽溫度的均勻性，在鹽淬槽布置了大流量攪拌器。為達到更好的換熱效果，合理設計攪拌器位置，攪拌器可以較大的流速經(jīng)過換熱器，實現(xiàn)氣液熱量交換強度，提高換熱效率，及時將富裕熱量回收。同時，也防止冷空氣進入換熱器，導致?lián)Q熱器周邊溫度較低，造成管路附近硝鹽結晶。

（2）熱風管道及風量分配設計 該生產(chǎn)線熱量回收主要用于工件進爐前清洗和淬火后清洗階段的加熱補充，由于前清洗、后清洗的工件量一致（即進爐量等于出爐量），因此，熱風管道前后按1:1熱量分配。由于熱風管內溫度較高（180～200℃），為消除生產(chǎn)隱患，在設計中按較低溫升（≤15℃）設置保溫層。

熱風管按生產(chǎn)線最大生產(chǎn)能力所確定的換熱風量確定，同時，考慮到生產(chǎn)任務不同而導致的工件處理量大小的差別，在熱風管道上設置了高溫比例調節(jié)閥，以適應不同生產(chǎn)量。

為防止短時間內大批量工件淬火導致熱風溫度過高，在熱風管上還設置了高溫比例旁路閥，以防止生產(chǎn)事故的產(chǎn)生。

（3）清洗機及熱風干燥室設計 傳統(tǒng)生產(chǎn)線清洗機清洗液及熱風干燥室均采用電熱管加熱，熱回收型將來自鹽淬槽中的熱風引至設置在清洗槽內的換熱盤管中。按照熱交換所需換熱面積確定盤管長度，盤管采用20鋼折彎焊接制作，為達到更好的換熱效果，在盤管外增焊了多層翅片。

熱風經(jīng)盤管換熱后集中通過熱風干燥室，利用熱風烘干清洗后的工件。為防止熱蒸汽對管道造成腐蝕，熱風干燥室管路均采用不銹鋼制作。

考慮熱風管路檢修等諸多因素，清洗機和熱風干燥室均配備了少量電加熱管，以適應短時間生產(chǎn)線整體運行。

（4）熱回收控制系統(tǒng)設計 貝氏體生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由人機界面、溫控、氣氛控制器、PLC、傳感器、比例閥、電磁閥、繼電器、接觸器、伺服電機、變頻器及編碼器等部件組成。

西門子PLC配有以太網(wǎng)接口，與上位機進行以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)全部熱處理過程中溫度、動作的自動控制。操作、管理人員可通過工況圖，觀察所有動作運行的準確性及產(chǎn)品在爐內的傳動狀態(tài)，使設備在任何時候的工作狀態(tài)處于可監(jiān)控狀態(tài)。為方便設備維護跟蹤，設備報警點能直觀、準確及時報告設備的故障點，使操作和維修人員及時處理設備故障，同時采集設備運行過程中的所有報警點的發(fā)生時間和解除時間，并保存歷史記錄。

在控制系統(tǒng)中無需增加電氣元件便可實現(xiàn)熱回收系統(tǒng)的升級改造，只需在PLC和上位機上稍做改動便可實現(xiàn)。實際運行中，可根據(jù)鹽淬槽硝鹽溫度控制風機風量，各部分溫度合理開啟設置在熱風管上的比例調節(jié)閥和旁路閥，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的熱量平衡。

3.生產(chǎn)線應用效果

生產(chǎn)線通過在瓦軸幾年的連續(xù)運行，熱風通過換熱器與清洗液及工件換熱完全達到使用要求。除生產(chǎn)線前期啟動外，連續(xù)運行時，前清洗、后清洗清洗液加熱器基本處于停用狀態(tài)；經(jīng)風管排出的空氣溫度與原有生產(chǎn)線相比有較大幅度下降。

經(jīng)綜合評定測算，熱回收型貝氏體生產(chǎn)線單位能耗為0.40kW·h/kg，比傳統(tǒng)型生產(chǎn)線節(jié)能約15%，能耗標準達到了國際同類產(chǎn)品先進水平。

4.結語

綜合回收利用熱處理過程余熱是熱處理節(jié)能技術的新領域，熱回收型貝氏體生產(chǎn)線的成功開發(fā)，提高了熱處理生產(chǎn)過程熱效率，是熱處理設備節(jié)能減排的發(fā)展方向。