鍛后余熱利用的生產(chǎn)實踐

文/于成發(fā)，成功·南京汽車鍛造有限公司

鍛后余熱利用的生產(chǎn)實踐

文/于成發(fā)，成功·南京汽車鍛造有限公司

鍛造行業(yè)屬于傳統(tǒng)高耗能行業(yè)。近年來，在國家節(jié)能減排政策的推動下，各種節(jié)能技術(shù)在鍛造行業(yè)內(nèi)的應用越來越廣，全行業(yè)的單位產(chǎn)值能源消耗成本不斷降低。盡管國際市場能源價格有所下跌，但是作為構(gòu)成鍛造成本的主要項目，鍛造企業(yè)必須積極應對節(jié)能問題。

鍛造行業(yè)的節(jié)能途徑有很多，材料、設(shè)備、工藝等都會對能耗產(chǎn)生影響。這方面的報道和文章經(jīng)常見諸報端，本文結(jié)合我公司的生產(chǎn)實踐，介紹了余熱淬火和余熱正火工藝的實際應用。

通常，熱模鍛件的主要生產(chǎn)工序有落料→加熱→鍛造→切邊→熱處理→清理等，其中鍛前加熱和熱處理加熱是耗能最大的工序，其能耗占整個鍛造過程能耗80%以上。熱鍛工序完成后鍛件仍有1000℃左右的高溫，為后續(xù)的熱處理提供了可利用的空間。鍛后余熱用于熱處理，不僅可以大大降低熱處理能耗，還可以縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，減少設(shè)備投資，是一條行之有效的節(jié)能途徑。

利用余熱淬火的生產(chǎn)實踐

余熱淬火處理的鍛件不僅具有優(yōu)良的綜合機械性能，并且有工序短、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。南汽鍛造在20世紀70年代就在70發(fā)動機連桿的生產(chǎn)過程中應用過此項技術(shù)。近年來，經(jīng)過不斷探索，在鏈軌節(jié)上應用余熱淬火工藝的實際生產(chǎn)中取得了顯著成果。

鏈軌節(jié)鍛件的材料屬于中碳含硼鋼，原生產(chǎn)工藝為：下料→中頻加熱→鍛造→切邊沖孔→再加熱→淬火→回火。由于該產(chǎn)品需求量巨大，開發(fā)初期，采用了推桿通過式電阻加熱爐，存在以下4個問題。

⑴該鍛件需求批量大，除了鍛造需消耗大量電能外，熱處理加熱能耗也很大。

⑵熱處理工序效率低下。如果要滿足需求則需增加數(shù)條大功率網(wǎng)帶式淬火爐，涉及到公司的電容量所限，投入巨大且不易實現(xiàn)。

⑶該產(chǎn)品外形復雜，截面變化大，熱處理后的產(chǎn)品變形無法控制，一次合格率低。

⑷整個制造周期長，生產(chǎn)中間過程存貨過多。

經(jīng)過對鍛件的全面分析，針對上述問題，我們認為采用余熱淬火工藝是一個綜合效果理想的出路。經(jīng)過大量試驗，分別對中頻加熱節(jié)拍、始鍛和終鍛溫度，鍛后停留時間，淬火溫度、介質(zhì)濃度和溫度等各項因素對淬火質(zhì)量的影響，搜集了大量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，制定了一套合理的工藝規(guī)范。大規(guī)模應用后，產(chǎn)品質(zhì)量完全符合客戶的要求。新工藝為：下料→中頻加熱→鍛造→切邊沖孔→淬火→回火。取消了原工藝中的再加熱工序，省卻了這部分的能耗。

圖1 余熱淬火線布局圖

我們先后對5條壓力機鍛造生產(chǎn)線進行了改造，把余熱淬火、回火、探傷檢驗等組合成線。典型布局示意圖如圖1所示。

根據(jù)該產(chǎn)品的材料特性，在實施余熱淬火過程中，重點要關(guān)注以下3點：

⑴實施嚴格的溫度控制。在中頻加熱爐的出爐側(cè)和淬火入水前安裝了紅外自動分選裝置，分別對加熱溫度和淬火溫度進行在線檢測，確保這兩個影響質(zhì)量的參數(shù)穩(wěn)定。

⑵適當?shù)募訜釡囟?，為了保證產(chǎn)品滿足客戶對產(chǎn)品沖擊性能的要求，選擇合適的始鍛溫度非常重要，始鍛溫度不宜過高，否則會導致坯料晶粒迅速長大，影響沖擊性能。為此，對重復加熱的坯料也要加以控制。

⑶淬火介質(zhì)的濃度控制。我們選擇了PAG淬火介質(zhì)，這種介質(zhì)的冷卻特性介于水和油之間，既能解決油淬不易達到淬硬層深的問題，又能避免水淬開裂傾向大的風險。當然，介質(zhì)濃度的控制是保證淬火介質(zhì)性能滿足要求的關(guān)鍵。此外，須對淬火后的產(chǎn)品進行磁粉探傷檢查，控制淬火開裂產(chǎn)品漏出。

余熱淬火工藝的實施，為公司帶來巨大成功，生產(chǎn)成本大幅降低，讓利于客戶后，公司的競爭力大大增強，業(yè)務量持續(xù)增長。公司的效益也在不斷提升。由于余熱淬火工藝的開發(fā)應用，使得公司的總體能耗大幅下降，公司每萬元產(chǎn)值消耗能源折合標煤的指標成為南京市行業(yè)準入的標準。企業(yè)不僅收獲了經(jīng)濟效益，也為擴大社會效益作出貢獻。

利用余熱正火的生產(chǎn)實踐

近年來，汽車工業(yè)在我國呈顯出“井噴式”發(fā)展。家用轎車的需求帶動了小汽車鍛件的旺盛需求。我公司承接的汽車等速傳動軸內(nèi)、外星輪鍛件，具有批量大、需求穩(wěn)定的特點，公司作為新的增長點給予重點關(guān)注。這類產(chǎn)品的材質(zhì)為含碳量0.53%的碳鋼，為了保證良好的切削性能，鍛后要進行正火工序，其最終熱處理為滲碳淬火?，F(xiàn)行工藝為采用兩條IPSEN推桿式正火爐(圖2）進行正火，正火質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)量也能滿足要求。但是，隨著時間推移，推桿爐能耗高，效率低的缺點正逐漸顯現(xiàn)，并且由于正火高溫產(chǎn)生的氧化皮致密厚實，噴丸清理的耗時也比較長，這些因素導致鍛件生產(chǎn)的效益微薄，影響企業(yè)的綜合競爭力。

圖2 IPSEN推桿式正火爐

這類產(chǎn)品的正火主要是為后續(xù)機加工調(diào)整硬度，同時為后續(xù)的滲碳淬火做組織準備。產(chǎn)品的正火硬度要求為205～252HB，晶粒度5～8級，具備進行余熱正火處理的條件。

這類材料的再結(jié)晶溫度約為750℃，而終鍛產(chǎn)品（切邊沖孔后）的溫度約為950℃。為了確保鍛造后的產(chǎn)品能通過再結(jié)晶完成產(chǎn)品的組織調(diào)整，比較穩(wěn)妥的方案是在正火前增加一個預冷裝置，使鍛后產(chǎn)品進爐前溫度控制在750℃以下，考慮到鍛后產(chǎn)品內(nèi)部的溫度要高于表面溫度，實際進到正火爐的溫度控制得還要低一些。

圖3 余熱正火線設(shè)計圖

該產(chǎn)品的鍛件重量在0.64～1.66kg之間；使用400kW中頻爐加熱，1000t熱模鍛壓力機鍛造，鍛造只有鐓粗、終鍛兩個工步；160t沖床完成切邊沖孔。生產(chǎn)節(jié)拍為6～9s，每小時產(chǎn)量最高達600kg。根據(jù)這些參數(shù)我們和廠家一道設(shè)計了專用余熱正火線，其設(shè)計方案如圖3所示。

該余熱正火生產(chǎn)線(圖4）的特點是：沖床沖孔完畢后的產(chǎn)品落在預冷傳送帶上，預冷傳送帶上的風機對工件進行預冷，風機的轉(zhuǎn)速和傳送帶的輸送速度可以調(diào)節(jié)，以控制進爐溫度，在傳送帶的頂端裝有溫度分選裝置，對過高或過低的鍛件進行篩選，爐體長5m，功率為180kW。爐內(nèi)設(shè)有兩個區(qū)，考慮產(chǎn)品進爐時有較高的初始溫度，因此第一加熱區(qū)相對較短，第二保溫區(qū)比較長，以確保保溫時間足夠。后端是冷卻傳送帶，風量可多級調(diào)整。

圖4 余熱正火生產(chǎn)線

經(jīng)過工藝試驗，余熱正火工藝在該產(chǎn)品上的應用是完全可行的，具體實施時要注意以下5點。

⑴為使余熱正火獲得比較好的晶粒度，鍛造的始鍛溫度不宜過高；應低于材料高溫區(qū)晶粒度急劇長大的拐點溫度20℃左右為宜。

⑵正火爐的保溫區(qū)可適當加長，以保證足夠的保溫時間，為保溫時間調(diào)整留有裕度。

⑶重復加溫的材料應嚴格避免進入余熱正火，重復加溫的材料晶粒度不可控。

⑷在進入爐腔之前，工件需要有“理料”過程，避免產(chǎn)品堆積造成的硬度波動，同時減少堆積料卡住網(wǎng)帶。

⑸為提高自動化水平，正火爐選用網(wǎng)帶式更好些。

我們做的多輪工藝試驗表明：該生產(chǎn)線正火質(zhì)量穩(wěn)定，晶粒度6～8級，硬度值波動很小，硬度值的CPK高于1.33，與IPSEN推桿爐相當，脫碳層優(yōu)于推桿爐。特別是鍛件表面的氧化大大減少，鍛件表面質(zhì)量明顯提高，后續(xù)清理工序的工作量也為之降低。這條生產(chǎn)線由于自動化程度較高，可比原工藝節(jié)省1個加熱工步，鍛件生產(chǎn)周期平均縮短3天。余熱正火工藝的節(jié)能效果也非常顯著，與常規(guī)正火相比，可降低能耗30%，每年節(jié)電37.4萬kWh，合27.78萬元。

當然，生產(chǎn)的連續(xù)性對余熱正火的收益有很大影響，頻繁的停爐、或者長時間低負荷運行，會使余熱利用的效果得不到發(fā)揮。因此，在決定采用此項工藝的時候要做認真全面的評估。

結(jié)束語

余熱淬火和余熱正火是兩種使用比較普遍的余熱利用方式。鍛造行業(yè)的余熱利用遠遠不止這兩個方面。由于產(chǎn)品、設(shè)備、材料甚至客戶認可度等原因，余熱利用的開展受到較大局限。作為一項效果顯著的節(jié)能技術(shù)，目前還缺少相應的標準。國家相關(guān)部門應大力宣傳推廣這項技術(shù)，組織制定技術(shù)標準。推動該項技術(shù)的應用，將會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。