具有工件公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)功能的高精度回火爐蓋的研發(fā)

常富明，劉俊杰，李賢君，張文良，胡博，安偉騁

1.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司 內(nèi)蒙古包頭 014033 2.北京機(jī)電研究所有限公司 北京 100083

隨著管坯壽命要求的提高，需要韌性好、高溫強(qiáng)度和耐磨損、耐燒蝕性高的高強(qiáng)度鋼，而高強(qiáng)度鋼整體性能的均勻性被提到了一個(gè)新的高度。高強(qiáng)度鋼整體性能的均勻性需通過有效的熱處理手段來保證，尤為重要的就是高強(qiáng)度鋼的二次回火處理，傳統(tǒng)的常規(guī)靜止吊掛爐蓋已無法滿足高精度回火處理的要求。本文介紹的公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)功能高精度回火爐蓋即為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼均勻回火而研制，新型回火爐蓋通過連續(xù)生產(chǎn)檢驗(yàn)，經(jīng)回火處理后的各項(xiàng)性能均勻性遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)靜止吊掛爐蓋處理水平，達(dá)到了高強(qiáng)度鋼的性能均勻性要求，設(shè)備運(yùn)行良好。

1 研發(fā)背景

目前，行業(yè)上應(yīng)用的厚壁管回火設(shè)備幾乎都是傳統(tǒng)的兩半對開式爐蓋靜止吊掛的井式爐，在爐子的圓周方向一次吊掛多件厚壁管進(jìn)行回火，在這個(gè)加熱過程中，工件始終處于靜止?fàn)顟B(tài)[1]。因?yàn)榫綘t結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，只能在其圓周四壁上布置加熱元件，工件在加熱時(shí)不可避免地會(huì)造成靠近加熱元件的部分受熱溫度高、遠(yuǎn)離加熱元件的部分受熱溫度低，即“陰陽面”問題。工件在此種情況下加熱不僅造成圓周方向的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率和硬度等關(guān)鍵性能指標(biāo)超差，甚至產(chǎn)生廢品，而且也會(huì)造成工件的變形。配備傳統(tǒng)爐蓋的井式爐已不能滿足新一代高強(qiáng)度鋼的高精度要求[2]。因此，我們迫切需要解決高強(qiáng)度鋼加熱“陰陽面”的問題，從而研發(fā)出公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋，以滿足新的需求。

2 公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋簡介及主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)實(shí)際需處理工件的直徑、長度和裝爐數(shù)量不一的要求，研制直徑3.4m公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋。將公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋設(shè)計(jì)成6工位帶底座、可旋轉(zhuǎn)的行星齒輪結(jié)構(gòu)，具有使高強(qiáng)度鋼回火時(shí)繞爐體中心軸公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)的功能，可滿足2、3、4、6工位裝爐需求。

2.1 公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)爐蓋簡介

雙旋轉(zhuǎn)爐蓋為6工位整體密封爐蓋結(jié)構(gòu)，引入行星齒輪結(jié)構(gòu)，僅需一臺(tái)變頻減速電動(dòng)機(jī)通過銷齒鏈驅(qū)動(dòng)爐蓋旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)爐內(nèi)工件繞爐體中心軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行自轉(zhuǎn)。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

有效尺寸：φ1.9m；外形尺寸：φ3.4m×1.5 m；最大工件尺寸：φ0.38m×10m；最大一次裝爐量：22t（含吊具）；單支最大裝載重量：5t（含吊具）；最大裝爐數(shù)量：6支；最高使用溫度：650℃；裝爐形式：吊掛式；爐蓋公轉(zhuǎn)和工件自傳速度：≥10圈/h。

3 公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋結(jié)構(gòu)及主要特點(diǎn)

公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋由吊裝爐蓋、爐蓋旋轉(zhuǎn)座、驅(qū)動(dòng)裝置、支撐及定心裝置、中心軸固定梁及定位柱、水冷油封裝置和電氣控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

3.1 吊裝爐蓋

吊裝爐蓋由支撐殼體、硅酸鋁纖維氈、行星齒輪傳動(dòng)裝置、散熱裝置、工件吊裝鉤頭、傳動(dòng)部件防護(hù)罩及爐蓋定位導(dǎo)向裝置組成。

（1）支撐殼體 支撐殼體主要由型鋼和鋼板組合焊接而成，底部爐內(nèi)部分為不銹鋼材質(zhì)，在吊裝軸軸肩和與爐蓋旋轉(zhuǎn)座結(jié)合處設(shè)計(jì)為Z形迷宮密封結(jié)構(gòu)，防止熱量直接逸出爐蓋，以減少熱損失。

（2）行星齒輪傳動(dòng)裝置 主體是由1套中心齒輪（太陽輪）與6套行星齒輪緊密嚙合而成。中心齒輪和中心軸相對于爐體靜止不動(dòng)，行星齒輪和行星軸在繞中心軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)，從而使得吊掛在行星軸上的工件能夠在繞爐蓋中心公轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)。圖2為公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋的俯視圖。

（3）爐蓋定位導(dǎo)向裝置 爐蓋定位導(dǎo)向裝置分為導(dǎo)向柱和導(dǎo)向套兩部分構(gòu)成，圓周均布2 個(gè)，通過導(dǎo)向柱和導(dǎo)向套的配合定位吊裝爐蓋對中位置，導(dǎo)向套安裝在爐蓋上。

圖1 高強(qiáng)度鋼回火公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋

圖2 公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)爐蓋俯視圖

3.2 爐蓋旋轉(zhuǎn)座

爐蓋旋轉(zhuǎn)座由殼體、硅酸鋁纖維毯、定位導(dǎo)向裝置組成：殼體由碳素鋼外圈、上支撐板、下支撐板、殼體之內(nèi)支撐筋板和不銹鋼內(nèi)圈、Z形迷宮密封圈板組合焊接而成。在靠近爐膛部分使用不銹鋼材料制作。下支撐板下部設(shè)置密封圈板，與油封裝置結(jié)合保證爐蓋與爐體間的密封；定位導(dǎo)向裝置即吊裝爐蓋定位導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向柱安裝在旋轉(zhuǎn)座上，配合爐蓋上的導(dǎo)向套定位爐蓋。

3.3 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置由減速機(jī)、銷齒鏈輪、銷齒鏈條和減速機(jī)安裝座組成：減速機(jī)選用低轉(zhuǎn)速高扭矩K型變頻減速機(jī)，輸出軸轉(zhuǎn)速1.0～1.6r/min，保證爐蓋公轉(zhuǎn)和工件自傳速度≥10圈/h；銷齒鏈條安裝在爐蓋旋轉(zhuǎn)座的外圈板上，形成整圈傳動(dòng)鏈，減速機(jī)通過銷齒鏈輪嚙合銷齒鏈條驅(qū)動(dòng)爐蓋旋轉(zhuǎn)；減速機(jī)安裝座為碳素鋼板組合焊接而成，安裝座設(shè)置螺桿螺母位置調(diào)整裝置，以便調(diào)整減速機(jī)安裝位置。

3.4 支撐及定心裝置

支撐及定心裝置由支撐環(huán)板、支撐輪組和定心輪組組成：支撐輪組圓周均布12套，固定在旋轉(zhuǎn)支撐固定平臺(tái)上，支撐爐蓋旋轉(zhuǎn)座；定心輪組圓周均布5套，固定在支撐固定平臺(tái)上，調(diào)節(jié)形式為螺桿螺母結(jié)構(gòu)，從側(cè)面頂緊爐蓋旋轉(zhuǎn)座外圈板，起旋轉(zhuǎn)定心作用。

3.5 中心軸固定梁及定位柱

共一套固定梁和兩套定位柱，起固定中心軸的作用。中心軸固定梁由一根型鋼梁和一個(gè)中心軸套、兩個(gè)梁端定位方軸組成，保證具有足夠的強(qiáng)度、剛度，承受扭轉(zhuǎn)變形的外力，本身不變形；定位柱由型鋼焊接而成，支撐定位固定梁。

3.6 水冷油封裝置

水冷油封裝置是爐蓋旋轉(zhuǎn)座與爐體密封的裝置，安裝在爐體面板上，由兩圈板及爐體面板組成密封槽，盛裝密封油，密封油閃點(diǎn)260℃。

冷卻水通過布置在油封槽內(nèi)的環(huán)管冷卻密封油的油溫。冷卻水量2m3/h，進(jìn)水壓力0.2～0.3MPa，進(jìn)水溫度≤28℃。

3.7 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要完成對驅(qū)動(dòng)裝置的起停、調(diào)速控制，并設(shè)有爐蓋定位檢測裝置和報(bào)警裝置。

根據(jù)高強(qiáng)度鋼回火的工藝要求，調(diào)節(jié)變頻器的頻率以調(diào)整公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的速度，爐蓋定位檢測裝置確保爐蓋每次停止位置一致，方便工件的裝卸。

報(bào)警裝置對減速機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和密封油油溫、油位、冷卻水供應(yīng)起監(jiān)督提醒作用。

4 管坯回火旋轉(zhuǎn)爐蓋測試效果及產(chǎn)品性能檢測

4.1 管坯回火旋轉(zhuǎn)爐蓋性能指標(biāo)測試結(jié)果

經(jīng)實(shí)際測試，總承重22t，單承重5t，爐蓋公轉(zhuǎn)和工件自轉(zhuǎn)速度均≥10圈/h，滿足用戶要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4.2 產(chǎn)品性能檢測指標(biāo)

公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋投產(chǎn)以來運(yùn)行穩(wěn)定。處理最大單件5t，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，處理完成的高強(qiáng)度鋼的指標(biāo)優(yōu)于常規(guī)靜止吊掛爐蓋所處理的工件最好指標(biāo)。工件硬度性能檢測（常規(guī)靜止吊掛爐蓋和公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)爐蓋對比）見表1。

表1 工件硬度性能檢測結(jié)果

5 結(jié)束語

1）該公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)爐蓋采用了行星齒輪結(jié)構(gòu)技術(shù)，使工件在回火過程中繞爐體中心軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)，大大提高了工件圓周方向上的性能均勻性。

2）經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，設(shè)備滿足和超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)爐蓋處理的高強(qiáng)度鋼熱處理質(zhì)量完全超過了常規(guī)靜止吊掛爐蓋所處理高強(qiáng)度鋼的熱處理水平。

3）公轉(zhuǎn)＋自轉(zhuǎn)爐蓋的成功研制為更高規(guī)格的高強(qiáng)度鋼提供了有效的精確熱處理手段，國內(nèi)首創(chuàng)，并獲得了國家專利[3]。