盤圓料球化退火質(zhì)量和成本控制

龍必查

(廣東自生電力器材股份有限公司，廣東 佛山 528234)

得出了如下的規(guī)律：

1) 調(diào)質(zhì)預備熱處理的抗內(nèi)氧化的能力明顯好于正回火預備熱處理的；

2)一次淬火的抗內(nèi)氧化的能力明顯好于二次淬火的；

3)隨著滲碳保溫時間的延長，表層內(nèi)氧化層的深度增加，內(nèi)氧化程度嚴重。

結論：12Cr2Ni4合金滲碳鋼預備熱處理采用調(diào)質(zhì)、滲碳后采用一次淬火、滲碳保溫時間短，表層內(nèi)氧化層深明顯減小。

1 選題背景

球化退火作為預先熱處理，是我公司緊固件生產(chǎn)過程中首個關鍵工序和關鍵環(huán)節(jié)，也是最為耗時、耗能的工序[1]。15～24噸/爐產(chǎn)品大裝爐量；生產(chǎn)周期又長，超過30 h；每爐電費多，大于 7000度/爐。退火后硬度高低對生產(chǎn)效率的提高、防止冷鐓開裂、提高冷鐓模具使用壽命有直接影響[2]。退火后受表面脫碳的影響，會改變螺栓的機械或物理性能，降低螺紋強度并可能造成螺紋失效，從而直接影響產(chǎn)品的機械性能[3]。

2 設備檢查

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

通過對球化退火爐設備的檢查發(fā)現(xiàn)：爐底風機壞了，長期的加熱導致爐底板也開裂了，爐內(nèi)膽有泄漏，見圖1。技術資料顯示，在爐壁、內(nèi)桶(或爐膽)上，一個10 cm2的小孔，每小時侵入爐內(nèi)的空氣可高達10 m3[4]。

球化退火爐的爐蓋、爐膽和熱電偶測溫及電熱元件引出孔等處的密封性不夠好，在這些部位容易產(chǎn)生漏熱，一個1 cm3的小孔的熱損失要比爐殼表面的熱損失大50倍左右，而大孔的熱損失可大到100倍以上?？自酱笤絿乐?。因此，需采取措施加強密封[5]。

爐底板開裂、爐底氧化物積集嚴重；設備控制儀的4個控溫儀表有2個需更換，熱電偶控溫不準，也要進行更換。

由于設備維修欠及時，導致退火后硬度高，ML40Cr退火后硬度達88 HRB、SWRCH35K退火后硬度達78 HRB；如未通保護氣體，退火后脫落的氧化皮厚度達0.10～0.18 mm。

圖1 爐內(nèi)熱電偶測溫處裂縫Fig.1 Crack at temperature measurement position of thermocouple in furnace

2.2 對流系統(tǒng)

由內(nèi)桶、對流桶、對流風扇、導流板、爐底板和爐蓋組成一個封閉的內(nèi)循環(huán)對流系統(tǒng)，見圖2。其功效主要有兩點：在強對流風扇的作用下，氣流沿內(nèi)桶和對流桶之間的空隙自下而上以旋轉方式流通到頂部后，轉而均勻地向下覆蓋整個工件后流向底部風扇進行循環(huán)對流；除可保證爐內(nèi)氣氛的均勻性外，重要的是系統(tǒng)強化了熱對流這一加熱形式，使爐內(nèi)工件的受熱更加均勻，從而使爐內(nèi)氣氛均勻性和爐溫均勻性達到了最佳狀態(tài)[6]。

圖2 對流系統(tǒng)循環(huán)圖Fig.2 Circulation diagram of the convection system

在導流板上蓋有φ3850 mm×40 mm的爐底支撐板(形成密封)，見圖3，使葉輪風機產(chǎn)生的風力沿導流板、導流桶外側、爐旁邊自下而上對流(從旁邊而非從中間)，即為超強對流型球化退火爐，詳見對流系統(tǒng)。從上向下觀察，如圖4所示的強對流風扇葉輪(順時針)的旋向和導流板(逆時針)弧度相反。因爐底板(圖5) 開裂，導流板和爐底板間有泄漏：會影響爐內(nèi)氣體循環(huán)，對流不好，也影響材料硬度。

圖6是安裝在爐底的強對流風扇葉輪，把風引導吹向旁邊、熱量向四周擴散。圖7 是底座料架將材料懸空擱置。形成氣體循環(huán)回路，圖8為波紋型導流桶，特殊波紋構造有利于加強爐內(nèi)氣體循環(huán)流動，加強對流傳熱，更增加了溫度的均勻性。

圖3 爐底支撐板Fig.3 Support plate of furnace buttom

圖4 對流方向Fig.4 Convection direction

圖5 爐底(支撐板) 開裂Fig.5 Cracking of furnace bottom(support plate)

圖6 強對流風扇葉輪Fig.6 Fan impeller of strong convection

圖7 底座Fig.7 Pedestal

圖8 波紋型導流桶Fig.8 Corrugated guide bucket

3 原因分析確認

對球化退火爐設備進行原因分析確認，見表1。

4 試驗生產(chǎn)

我廠對設備的狀況進行了分析和深入研究，對球化退火爐及控制系統(tǒng)進行了維修、維護及保養(yǎng)，并確認設備性能達到最佳狀態(tài)后，按原工藝(1#、2#)和新工藝(3#)進行生產(chǎn)試驗，工藝曲線見圖9～圖11。

表1 要因確認表

圖9 工藝1#球化退火曲線Fig.9 Spheroidizing annealing curve of 1# process

圖10 工藝2#球化退火曲線Fig.10 Spheroidizing annealing curve of 2 # process

圖11 工藝3#球化退火曲線Fig.11 Spheroidizing annealing curve of 3 # process

試驗前設定了目標值，每爐節(jié)省用電500度，(按電費0.8元/度)，每爐節(jié)約費用400元，每月生產(chǎn)10爐，全年節(jié)約用電12×10×400=48000元。

按緊固件冷鐓工藝要求，球化退火最終目的是改善盤圓鋼材的原始組織，以降低材料硬度，提高材料塑性，以滿足冷拔變形的要求。根據(jù)不同鋼號，試驗前也制定了球化退火技術要求，SWRCH35K退火后硬度不大于75 HRB，SWRCH45K退火后硬度不大于77 HRB，ML40Cr退火后硬度不大于82 HRB，SCM435和ML42CrMo經(jīng)球化退火后不大于85 HRB。

按3#工藝球化退火后實測SWRCH35K、SWRCH45K、ML40Cr、SCM435和ML42CrMo退火后硬度分別為72、74、79.5、83和84 HRB；球化退火后金相如圖12所示，符合JB/T 5074—2007《低中碳鋼球化體評級》標準的要求。

5 成本控制結果與分析

表2為(按退火降溫至500 ℃出爐時)三種工藝與電費分析表，設備加熱爐功率為580 kW, 各工藝與電費分析表中以P代替。

綜合分析：3#工藝在降溫階段采用了控制冷卻速度(簡稱“控制冷”)方法，將 “原先傳統(tǒng)冷卻方法，760 ℃隨爐冷卻至650 ℃”改為：從760 ℃分兩步控制冷卻至650 ℃，即第4步從760 ℃降溫至700 ℃和第5步從700 ℃降溫至650 ℃；結合第3步，也確保了球化退火組織轉變所需的加熱溫度和保溫時間(760 ℃×5.5 h)，以得到均勻分布的球化組織，從而降低盤圓鋼的硬度。由于工藝的改變縮短了降溫時間，同時每退火一爐生產(chǎn)總時間比原先減少13 h，電費自然可節(jié)約，最終結果也會達到(或接近)實驗開始時設定的目標值，不可否認，也大大提升了生產(chǎn)效率。

(a) SWRCH35K；(b) SWRCH 45；(c) SCM 435；(d) ML42CrMo；(e) ML40Cr圖12 工藝3#球化退火后的試樣金相組織Fig.12 Microstructure of sample after spheroidizing annealing of 3# process

工藝升溫保溫降溫合計時間/h電費(時間×0.85P)時間/h電費(時間×0.4P)時間/h電費(時間×0.1P)時間/h各工藝耗電之和1#1613.6P292.9P4516.5P2#97.65P9.253.7P262.6P44.25 13.95P3#97.65P6.252.5P161.6P31.2511.75P備注耗電系數(shù)在0.8～1.0范圍內(nèi)選取,本工藝按0.85 P耗電系數(shù)按0.4P耗電系數(shù)按0.1P

6 改進措施及效果確認

針對生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，我廠經(jīng)過對球化退火設備的全面檢查，對原因進行了分析，對設備及生產(chǎn)工藝進行了技術改進和優(yōu)化，對盤圓料球化退火的保溫時間和冷卻時間作出調(diào)整，得到符合技術要求的金相組織和硬度。滿足了緊固件生產(chǎn)過程中的要求。新工藝的應用為工廠帶來了直接經(jīng)濟效益，預計每年可節(jié)約電費成本5萬元[7]。