環(huán)形熱處理爐爐溫均勻性測(cè)試及分析

程德利，畢軍華，鄧榮杰

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司車(chē)輪公司，安徽馬鞍山 243000）

前言

馬鋼車(chē)輪公司作為中國(guó)最大的火車(chē)車(chē)輪專(zhuān)業(yè)制造廠家，對(duì)火車(chē)車(chē)輪的質(zhì)量控制非常嚴(yán)格。在車(chē)輪制造環(huán)節(jié)中，熱處理工序質(zhì)量控制優(yōu)劣直接關(guān)系到車(chē)輪運(yùn)用質(zhì)量水平。車(chē)輪工件因形狀特殊，體積較大，產(chǎn)線產(chǎn)量要求高，馬鋼車(chē)輪公司采用環(huán)形加熱爐完成熱處理工序淬火加熱。環(huán)形爐在使用過(guò)程中，熱工結(jié)構(gòu)、爐壓控制以及爐體密封性受到影響時(shí)，爐膛溫度場(chǎng)均勻性會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，對(duì)車(chē)輪熱處理性能均勻性產(chǎn)生影響。因此，設(shè)計(jì)合理的溫度場(chǎng)測(cè)量方法，開(kāi)展定期分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響溫度場(chǎng)均勻性波動(dòng)的因素，進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)非常重要。

1 環(huán)形爐結(jié)構(gòu)介紹

馬鋼車(chē)輪熱處理環(huán)形爐直徑28000 mm，爐底可以沿圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)輪放置在爐底梅花樁上，爐底和爐墻間隙采用水封槽進(jìn)行密封。燃燒系統(tǒng)采用有焰式側(cè)燒燒嘴。爐膛沿周向分為預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段、三加熱段，均熱一段和均熱二段共六段式加熱[1]。

圖1 熱處理環(huán)形爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)試基本思路和方法設(shè)計(jì)

按照《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》GB/T9452-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，采用隨爐裝入黑匣子直接測(cè)試爐膛溫度[2]?？紤]到工件是隨爐底沿周向運(yùn)動(dòng)，測(cè)試工裝設(shè)計(jì)為沿徑向方向布置熱電偶?？紤]到爐膛寬度較寬，為便于測(cè)試臺(tái)架入爐，測(cè)試分兩次開(kāi)展，一次測(cè)試爐內(nèi)靠?jī)?nèi)環(huán)半?yún)^(qū)，一次測(cè)試爐內(nèi)靠外環(huán)半?yún)^(qū)?？紤]到車(chē)輪工件形狀為一圓盤(pán)狀的特點(diǎn)，車(chē)輪高度一般為120～150 mm，圓盤(pán)直徑一般為700～1250 mm，因此測(cè)試電偶布置在車(chē)輪輞高一半位置。熱電偶沿徑向方向最遠(yuǎn)位置為最大直徑車(chē)輪放置時(shí)輪輞最遠(yuǎn)位置。測(cè)試示意圖見(jiàn)圖2。測(cè)試臺(tái)架見(jiàn)圖3和4。圖4中9#、10#位置代表爐膛中環(huán)區(qū)域位置。

圖2 測(cè)試示意圖

圖3 熱電偶固定工裝圖

圖4 熱電偶固定位置圖

3 測(cè)試試驗(yàn)與測(cè)試數(shù)據(jù)

12月9日測(cè)試靠外環(huán)半?yún)^(qū)溫度場(chǎng)，工藝控制目標(biāo)值為860～880 ℃。在測(cè)試臺(tái)架1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#位置處分別安裝一只熱電偶。測(cè)試結(jié)果如圖5。

圖5 環(huán)形爐外環(huán)半?yún)^(qū)溫度場(chǎng)均勻性測(cè)試

從圖5可以看出，1#、2#位置熱電偶溫度明顯偏低。

12月11日測(cè)試靠?jī)?nèi)環(huán)半?yún)^(qū)溫度場(chǎng)，工藝控制目標(biāo)值為840～860 ℃。在測(cè)試臺(tái)架1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#位置處分別安裝一只熱電偶。測(cè)試結(jié)果如圖6。

圖6 環(huán)形爐內(nèi)環(huán)半?yún)^(qū)溫度場(chǎng)均勻性測(cè)試

從圖6可以看出，內(nèi)環(huán)半?yún)^(qū)溫度比外環(huán)半?yún)^(qū)溫度均勻。

4 測(cè)試結(jié)果分析

以爐膛中心部位溫度TC為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)TC和各測(cè)溫點(diǎn)Tn之間的溫差ΔT（Tn-TC）沿爐膛徑向方向作分布分析，如圖7。

4.1 溫差分布分析

圖7 環(huán)形爐爐膛徑向溫差分布曲線圖

根據(jù)分析結(jié)果可以得出：

（1）外環(huán)溫差比內(nèi)環(huán)溫差大，內(nèi)外環(huán)溫度都比中環(huán)低；

（2）相對(duì)內(nèi)環(huán)，外環(huán)低溫區(qū)溫度更低，并且低溫區(qū)范圍大；

（3）外環(huán)從2測(cè)溫點(diǎn)到3測(cè)溫點(diǎn)，溫度有了較大幅度提高，說(shuō)明1、2測(cè)溫點(diǎn)區(qū)域存在一個(gè)明顯的低溫區(qū)。

4.2 爐膛低溫區(qū)位置確定

根據(jù)計(jì)算出的溫差分布曲線，將爐膛徑向尺寸坐標(biāo)不變，溫差數(shù)據(jù)映射到爐膛橫向截面上，尋找低溫區(qū)域存在部位。見(jiàn)圖8。

從溫差曲線和爐膛結(jié)構(gòu)疊加圖可以看出，爐膛低溫區(qū)主要存在于爐墻兩側(cè)區(qū)域，水封槽開(kāi)口之上。水封槽開(kāi)口對(duì)爐溫影響較大。

圖8 測(cè)定爐膛低溫區(qū)域示意圖

5 分析及討論

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，車(chē)輪環(huán)形熱處理爐膛溫度場(chǎng)沿徑向呈現(xiàn)出中間高兩邊低的分布。爐膛低溫區(qū)主要在兩側(cè)靠爐墻處，水封槽開(kāi)口上方區(qū)域。

低溫區(qū)的產(chǎn)生可能與水封槽開(kāi)口過(guò)大有關(guān)系。水封槽中全部為接近常溫的水，并在爐氣高溫影響下，不斷有水蒸氣從開(kāi)口處蒸發(fā)到爐膛中，降低了爐墻與爐底間隙區(qū)域的溫度；同時(shí)水封槽中的水溫度較低，是一個(gè)吸熱體，當(dāng)水封槽開(kāi)口過(guò)大，水會(huì)直接面向車(chē)輪，高溫車(chē)輪就會(huì)向水進(jìn)行輻射散熱，降低直接面向水封槽的車(chē)輪部位溫度。水封槽的開(kāi)口對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響程度還需進(jìn)一步測(cè)試確認(rèn)。

在生產(chǎn)時(shí)，如果出現(xiàn)車(chē)輪局部加熱溫度偏低，有可能導(dǎo)致車(chē)輪熱處理后強(qiáng)硬度偏低，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪組織粗晶。

如果采取在低溫區(qū)布置熱電偶監(jiān)控的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)空煤氣配比提升低溫區(qū)的溫度，雖然能有效解決低溫區(qū)的問(wèn)題，但是爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)中間高兩邊低的形態(tài)，在將兩側(cè)低溫區(qū)溫度提升時(shí)，中間高溫區(qū)溫度也會(huì)上升。因此靠單純提升低溫區(qū)溫度的方法會(huì)導(dǎo)致放置在爐膛中環(huán)的車(chē)輪加熱溫度偏高，有可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪熱處理后強(qiáng)硬度超標(biāo)，韌性指標(biāo)下降的問(wèn)題[3]。

6 結(jié)論

（1）環(huán)形爐爐墻和爐底間隙較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致靠?jī)蓚?cè)爐墻處爐膛溫度偏低，使環(huán)形爐爐膛溫度場(chǎng)沿徑向呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的分布。

（2）單純提升兩側(cè)爐墻低溫區(qū)的方法解決低溫區(qū)的問(wèn)題，可能會(huì)帶來(lái)爐膛中間部位溫度偏高，同樣會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪熱處理性能出現(xiàn)偏差。

（3）確保環(huán)形爐爐膛溫度場(chǎng)均勻，應(yīng)該對(duì)兩側(cè)爐墻和爐底間隙影響度進(jìn)行測(cè)試分析，并針對(duì)性地對(duì)爐體熱工結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。