節(jié)能環(huán)保智能連續(xù)式鑄件退火生產(chǎn)線的研制

李 松，時 哲，張德奎，趙 濤

（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

在鑄造過程中，澆注后冷卻過程積累了大量的內(nèi)應(yīng)力，為減小在使用和后續(xù)加工過程中的變形、開裂傾向，鑄件落砂后通常要進行退火以降低硬度，改善切削加工性，同時消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向，并細化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷[1-2]。因此鑄造件退火爐在鑄造行業(yè)應(yīng)用廣泛，退火爐技術(shù)的關(guān)鍵在于提高溫度控制精度、提高設(shè)備自動化程度、運行可靠平穩(wěn)[3]，但是隨著鑄造產(chǎn)能的不斷提高和國家“雙碳”戰(zhàn)略的實施，需要退火爐向節(jié)能、高效、連續(xù)、智能化方面發(fā)展。本文介紹一種節(jié)能環(huán)保智能連續(xù)式鑄件退火生產(chǎn)線的研制。

1 基本工藝參數(shù)

連續(xù)爐總長：≤90 000 mm

工作制度：三班連續(xù)生產(chǎn)，每周6 d，全年280 d，年時基數(shù)：5 660 h

生產(chǎn)方式：雙爐膛閉合式循環(huán)生產(chǎn)

窯車尺寸：2 400 mm×1 200 mm

鑄件外型尺寸：969 mm×352 mm×365 mm

工件擺放：9件/車，上下兩層，上層4件，下層5件

窯車裝載量：9個鑄件，400 kg/件，共計3 600 kg

爐子生產(chǎn)率：70件/h

鑄件進爐初始溫度：常溫或（400±100）℃鑄件最終溫度：（550±10）℃

升溫速度：80～120℃/h，升溫至520～550℃

保溫時間：520～550℃保溫120～150 min

降溫速度：50℃/h，降溫至200℃后強冷至60℃

鑄件從進爐到出爐時間：≤960 min

工件上下料方式：上料采用機械手碼放，下料采用平衡吊車人工吊運

上下料及清掃工位：不少于6個

燃料：天然氣，熱值為36.4～40.3 MJ/m3

爐子熱效率：≥40%

爐子外表溫升：≤30℃

2 生產(chǎn)線實施方案

本方案是圍繞節(jié)能、環(huán)保、智能、連續(xù)這一主題和設(shè)備基本要求進行設(shè)計的。本連續(xù)式燃氣退火爐如圖1所示，工作系統(tǒng)由爐體、窯車、轉(zhuǎn)運車、燃燒系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及熱工檢測系統(tǒng)等組成。其特點介紹如下。

圖1 設(shè)備平面布置圖

2.1 爐體

爐體為雙室式，一室為工件加熱室，另一室為冷卻室，兩室間由鋼結(jié)構(gòu)及爐襯相隔。爐體由鋼結(jié)構(gòu)和爐襯兩部分組成。在工件運行方向上由預(yù)熱、加熱、保溫、緩冷及速冷五段。全部爐體采用架空式輕型結(jié)構(gòu)，使得窯車的鋼架和車輪行走裝置完全暴露在大氣之中，避免窯車變形所造成的卡窯現(xiàn)象。爐襯材料全部采用耐火纖維，其較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較小的蓄熱可以大大提高爐子的熱效率。

預(yù)熱段長5.1 m，不設(shè)置燒嘴。在預(yù)熱段進口處設(shè)置爐門及風(fēng)幕裝置，以阻止?fàn)t外冷空氣進入爐內(nèi)。排煙口設(shè)在預(yù)熱段靠近進口端處，保溫段及加熱段燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)逆向流向預(yù)熱段，使預(yù)熱段內(nèi)的工件得到有效的預(yù)熱，預(yù)熱段爐頂采用壓下的平頂結(jié)構(gòu)以加強煙氣對工件的對流換熱，因此，行進在預(yù)熱段內(nèi)的工件能大量地吸收煙氣的余熱，從而提高爐子的熱效率。

加熱段長48 m，設(shè)置40臺燒嘴，分5區(qū)控制，燒嘴分布在側(cè)墻上，每個燒嘴的額定供熱能力為15×4.18×104kJ/h，加熱段最大供熱能力為600×4.18×104kJ/h。保溫段長24.3 m，設(shè)10臺燒嘴，分兩區(qū)控制，燒嘴分布在側(cè)墻上，每個燒嘴的額定供熱能力為15×4.18×104kJ/h，保溫段總供熱能力為150×4.18×104kJ/h。

緩冷段長62.8 m，設(shè)6臺燒嘴，分7區(qū)控制，燒嘴分布在緩冷段前3區(qū)的側(cè)墻上，每區(qū)兩臺燒嘴，每個燒嘴的額定供熱能力為15×4.18×104kJ/h，保溫段總供熱能力為90×4.18×104kJ/h，后4區(qū)不布置燒嘴，布置風(fēng)冷管。緩冷段靠近速冷段位置設(shè)置排煙口。緩冷段工件冷卻速度～50℃/h，冷卻速度可控，因此前3區(qū)布置的燒嘴帶有吹冷風(fēng)作用，當(dāng)工件冷卻速度大于50℃/h時，燒嘴自動點火供熱，當(dāng)工件冷卻速度小于50℃/h時，燒嘴自動吹風(fēng)冷卻，所有控制均在儀表和燒嘴控制器的作用下自動完成。當(dāng)工件進入緩冷段后4區(qū)時，在緩冷段后4區(qū)布置的風(fēng)冷系統(tǒng)對工件進行冷卻，各區(qū)風(fēng)冷量單獨控制，由控溫儀表及管道上電動閥門控制進冷風(fēng)量，實現(xiàn)對工件降溫速度的控制。

速冷段長4.8 m，設(shè)置兩臺軸流風(fēng)機，對工件進行強制冷卻。

2.2 窯車

整條生產(chǎn)線共配備129輛窯車。其中預(yù)熱段4輛，加熱段40輛，保溫段20輛，緩冷段52輛，速冷段4輛，上下料及清掃工位8輛，裝運輸送一輛。

窯車長1 200 mm、寬2 400 mm、高770 mm。窯車之間的密封及窯車與爐體之間的密封效果是退火爐考核節(jié)能效果和保證窯車壽命的關(guān)鍵?？紤]退火爐的實際情況，本方案設(shè)計一種密封性能好、蓄熱少、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的窯車，如圖2所示。

圖2 設(shè)備剖面圖

窯車與爐體之間的密封形式采用砂封，窯車車頭與車尾之間采用“迷宮”及石棉盤根密封。

窯車上耐火材料由不同規(guī)格的輕質(zhì)耐火磚及輕質(zhì)澆注料預(yù)制塊組成，用耐熱鑄鐵邊框和砂封刀，普通鋼材焊接車架，保證窯車的承載能力和受熱不變形。

窯車上的砂封刀與爐體上砂封槽以及窯車之間的密封裝置使窯車鋼結(jié)構(gòu)與爐膛分開，直接與爐外空氣接觸，因而使窯車下部的溫度都比較低，大大減少窯車鋼結(jié)構(gòu)因受高溫而引起的變形，保證窯車的使用壽命。

2.3 燃燒系統(tǒng)

為適應(yīng)多種工藝的供熱要求，達到嚴(yán)格的爐溫均勻性,本爐燒嘴及其布置具有如下特點：

（1）采用德國霍科德公司技術(shù)的高效低氮燒嘴，脈沖式比例燃燒，使?fàn)t溫均勻性更好。共使用56臺燒嘴，每臺燒嘴的供熱能力為15×4.18×104kJ/h。分布為加熱段5區(qū)，每區(qū)8臺燒嘴，保溫段2區(qū)，每區(qū)5臺燒嘴，緩冷段前3區(qū)，每區(qū)2臺燒嘴。

（2）燒嘴控制方式為脈沖控制。每臺燒嘴配備手動空氣流量調(diào)節(jié)閥、燃氣流量調(diào)節(jié)閥、空氣電磁碟閥、空氣/燃氣比例閥、燃氣電磁閥、燒嘴控制器、點火變壓器以及每兩區(qū)配備一臺脈沖控制器。

2.4 天然氣供氣系統(tǒng)

天然氣由廠區(qū)主管路供至爐前與爐前燃氣主管路相連，爐前燃氣主管路設(shè)置手動球閥、燃氣高壓端壓力表及壓力表手動氣塞閥、燃氣過濾器、機械式安全切斷閥、燃氣減壓穩(wěn)壓閥、燃氣低壓端壓力表、自動放散閥、壓力開關(guān)、流量計及電磁安全切斷閥VG等。同時設(shè)置檢修盲板接口。所有手動、電磁閥等均采用進口閥，以保證使用可靠。

2.5 排煙系統(tǒng)

退火爐最大煙氣量為12 000 m3/h，高溫?zé)煔饨?jīng)預(yù)熱段后進入換熱器和助燃空氣進行熱交換。在換熱器前的管道上設(shè)置一個電動調(diào)節(jié)閥以調(diào)整爐膛的壓力。經(jīng)換熱后的煙氣經(jīng)鋼制煙囪排出車間廠房。

煙氣經(jīng)爐內(nèi)預(yù)熱段回收熱能以后，進入金屬管式對流換熱器。該種換熱器具有體積小、換熱面積大和換熱效率高等特點。換熱器換熱面積為50 m2，熱風(fēng)溫度為150～200℃。

2.6 機械傳動裝置

傳動機構(gòu)包括兩套推料機構(gòu)、兩套裝運輸送小車、兩套鉤料機構(gòu)、兩套爐門提升機構(gòu)及一套臺面落砂清掃裝置。

推料機構(gòu)、鉤料機構(gòu)及爐門提升機構(gòu)均采用液壓傳動，液壓系統(tǒng)配備液壓站，具有過濾、油溫加熱和冷卻、油溫控制等功能。主要液壓元件如換向閥、疊加節(jié)流閥和電磁溢流閥等均選用德國博世-力士樂公司產(chǎn)品。

轉(zhuǎn)運平車通過電機、減速機的驅(qū)動可以在其軌道內(nèi)來回行走，轉(zhuǎn)運平車的行走與定位由限位裝置和制動電機實現(xiàn)。

整個生產(chǎn)線的機械動作包括推料、爐門升降、轉(zhuǎn)運平車行走以及鉤料的動作都由PLC全自動控制。

2.7 智能數(shù)字控制系統(tǒng)

2.7.1 程序控制系統(tǒng)

程序控制系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)輸入信號和動作流程控制各個執(zhí)行機構(gòu)，使各設(shè)備按照工藝要求的流程動作。程序控制系統(tǒng)主要由PLC、輸入信號和執(zhí)行機構(gòu)組成。中央控制室內(nèi)設(shè)置主站，通過profibus連接生產(chǎn)線現(xiàn)場各個從站，系統(tǒng)核心部件CPU通過輸入模塊、輸出模塊以及從站控制著整條生產(chǎn)線各設(shè)備的運行。生產(chǎn)線上各點位的行程開關(guān)、接近開關(guān)和壓力開關(guān)用于檢測和指示各個機構(gòu)的位置和狀態(tài)。

2.7.2 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)的功能是控制加熱段、保溫段及緩冷段的溫度，使其精確控制在工藝要求的范圍內(nèi)。溫度控制系統(tǒng)由溫控儀表、溫度檢測裝置和加熱裝置組成，各區(qū)溫度控制全部采用雙偶雙表。一塊作為主控表，用來控制溫度；另外一塊作為監(jiān)控和報警，報警采用偏差值報警，當(dāng)過程值超過報警偏差值后會發(fā)出報警，以便切斷和調(diào)整燃燒系統(tǒng)有關(guān)裝置。主控表和監(jiān)控表均具有編程功能，事先將工藝溫度編入程序，按程序進行升溫和控溫。溫度信號采集依靠室體上安裝的熱電偶，每個區(qū)段一個控制回路。

控溫冷卻系統(tǒng)的工件溫度信號采集使用美國雷泰遠紅外測溫儀，實時監(jiān)控工件表面溫度，并與PLC計算溫度比較，由PLC控制風(fēng)機變頻，調(diào)節(jié)風(fēng)量。該系統(tǒng)的室體內(nèi)部在關(guān)鍵位置安裝多只溫度信號采集熱電偶，實時監(jiān)控室體內(nèi)部溫度的均勻性，并由PLC控制各組噴風(fēng)嘴方向調(diào)節(jié)執(zhí)行器，調(diào)節(jié)風(fēng)向。

2.7.3 HMI監(jiān)控系統(tǒng)

觸摸屏采用西門子MP277，既可以顯示設(shè)備各個系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)，還可以控制和修改系統(tǒng)的狀態(tài)和運行參數(shù)，是整個生產(chǎn)線的控制和顯示中心。顯示線上各點位的行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力開關(guān)位置和狀態(tài)；各個執(zhí)行機構(gòu)（包括電機、液壓缸、氣動缸、停止器、閥門）的位置和狀態(tài)；系統(tǒng)各區(qū)溫度；控溫冷卻系統(tǒng)各區(qū)段工件實時溫度、室體內(nèi)溫度；緩冷系統(tǒng)各區(qū)段工件溫度等。

觸摸屏共有七組畫面，分別是主畫面、工藝設(shè)定、執(zhí)行器控制、初始狀態(tài)、流程監(jiān)控、I/O監(jiān)控及報警信息。

2.7.4 程序運行保護

生產(chǎn)線所有動作流程預(yù)先編制在PLC的自動運行程序中，生產(chǎn)線自動運行時按照動作流程運行。程序具有斷點保持功能，當(dāng)自動運行出現(xiàn)故障報警時，自動運行停止，當(dāng)故障處理完以后，可以繼續(xù)自動運行。

在“自動程序”運行中，每一步都針對每個動作檢查相關(guān)的設(shè)備狀態(tài)，檢測前提條件是否滿足，出現(xiàn)故障及時報警以提示操作者立即處理。

程序運行涉及的機械動作非常多，在每個動作和動作之間都設(shè)置了連鎖的保護措施，在保護條件沒有被滿足的情況下，程序運行的下一個動作不會被執(zhí)行。自動程序運行自動“退出”。故障出現(xiàn)后，設(shè)置的保護會輸出報警以提示操作者立即處理故障。

2.8 信息管理系統(tǒng)

采用Visual C++與SQL200開發(fā)設(shè)計，包括設(shè)備信息管理模塊、設(shè)備維護維修信息、產(chǎn)品信息模塊、生產(chǎn)線工藝參數(shù)模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊、基本信息管理模塊及生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)模塊，可實現(xiàn)對生產(chǎn)線各設(shè)備信息、工藝參數(shù)等進行記錄、修改、查詢、分析及統(tǒng)計。采用人機對話界面方式，使操作簡單、方便。在初始界面中，設(shè)置用戶名和登錄密碼，保證系統(tǒng)安全性。

3 特點及效果

3.1 先進獨特的控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及燃燒控制系統(tǒng)

3.1.1 控溫系統(tǒng)

爐頂安裝的測溫?zé)犭娕?，與智能溫度控制器、燒嘴控制器和脈沖控制器一起形成閉環(huán)的燃燒控制系統(tǒng)。退火爐溫度場除預(yù)熱段和速冷段不參與溫度控制外，其余爐內(nèi)各段分成十四區(qū)控溫，自動控制爐內(nèi)各區(qū)的溫度，保證爐內(nèi)溫度均勻性。

系統(tǒng)具有降溫速度控制功能，由計算機同WEST智能儀表以及燒嘴脈沖控制器配合，當(dāng)溫度降得太快時，系統(tǒng)會自動點火；當(dāng)溫度降得太慢時，系統(tǒng)會自動送風(fēng)，整個過程進行PID調(diào)節(jié)，以使降溫速度控制在一定范圍內(nèi)，滿足工藝要求。

3.1.2 燃燒控制系統(tǒng)

為了保證加熱制度的靈活性，并滿足特殊工件的加熱要求。該爐的燃燒采用全數(shù)字化的燃燒技術(shù)——脈沖控制技術(shù)，對每個燒嘴進行單獨調(diào)節(jié)和控制。

數(shù)字化的燃燒技術(shù)是通過控制燒嘴的燃燒時序和燃燒時間來控制爐子的溫度，并且每個燒嘴可以進行單獨的調(diào)節(jié)和控制。這種控制方式的動態(tài)性能好，控制溫度波動小，節(jié)約燃料，目前已經(jīng)得到廣泛的重視和應(yīng)用。

燒嘴何時點燃是由脈沖控制器控制的，而燒嘴的燃燒時間是由設(shè)定溫度和爐子實際溫度的偏差值決定的，燒嘴頻繁地點燃和熄滅，這就要求燒嘴控制器和燒嘴有快速的反應(yīng)能力。當(dāng)燒嘴控制器檢測不到火焰時，便將相應(yīng)的燃氣閥門切斷，提高了系統(tǒng)的安全性，空氣隨燃氣流量變化時具備快速的跟隨性。

3.2 大量減少排放污染和能源浪費

SO2排放：煙囪高度30 m，高出廠房2 m，SO2排放量、落地濃度低于國家標(biāo)準(zhǔn)。

CO排放：采用高速調(diào)溫?zé)欤烊粴饬?、空氣量和各種壓力的全自動控制，保證燃燒充分，消除碳粒子和CO。

NO2排放：高速調(diào)溫?zé)斓慕Y(jié)構(gòu)使燃氣與空氣充分混合燃燒，燒嘴的火焰噴出速度較高，抑制NOx的產(chǎn)生。

采用全纖維爐襯、高速調(diào)溫?zé)?、溫度自動控制、爐壓自動控制、空燃比自動調(diào)節(jié)及空氣預(yù)熱措施，在結(jié)構(gòu)上采用下壓式預(yù)熱段爐膛，增加對流換熱效果；耐火纖維爐襯；金屬管式換熱器回收預(yù)熱；風(fēng)幕密封；窯車間迷宮及石棉盤根密封、窯車與爐體間砂封密封；爐體設(shè)計適合鑄件各種溫度進料，達到鑄后余熱利用的最佳效果；采用上述節(jié)能措施，可使?fàn)t子熱效率在滿載時達到40%以上。

3.3 將生產(chǎn)線過程控制信息納入公司ERP管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括生產(chǎn)線各設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)兩部分。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)能自動采集設(shè)備運行信息，完成設(shè)備故障診斷、統(tǒng)計，自動計算設(shè)備開工率和故障率。設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)分為程序控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和HMI監(jiān)控系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間相互獨立，但又有著緊密的聯(lián)系。程序控制系統(tǒng)控制生產(chǎn)線的全部動作，溫度控制系統(tǒng)控制加熱段以及保溫段的溫度，觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)作為整條生產(chǎn)線的核心部分，用來對以上各個系統(tǒng)進行集中監(jiān)控，顯示生產(chǎn)線各系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)，控制和修改系統(tǒng)的狀態(tài)和運行參數(shù)，顯示各機械執(zhí)行機構(gòu)的動作狀態(tài)，并對工藝數(shù)據(jù)進行記錄、上傳至管理計算機。

設(shè)置管理計算機，通過工業(yè)以太網(wǎng)與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和上位公司級管理系統(tǒng)連接，實現(xiàn)實時信息通訊，以人機對話方式，完成對生產(chǎn)線設(shè)備運行狀況信息、各類產(chǎn)品生產(chǎn)工藝參數(shù)的采集，產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、打印報表等，可調(diào)用任意時間段內(nèi)完成產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的建立有利于企業(yè)科學(xué)化、合理化、制度化、規(guī)范化管理，提升了企業(yè)管理水平，解決了生產(chǎn)中產(chǎn)品的多樣性、生產(chǎn)條件不確定性及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性等問題，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

4 應(yīng)用效果及社會效益

本生產(chǎn)線依靠先進的控制手段，使產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高，性能可靠穩(wěn)定。生產(chǎn)線滿足了鑄件的大批量生產(chǎn)要求，使得鑄件的熱處理質(zhì)量迅速提高。熱處理后鑄件變形量很小，為后續(xù)機加工打下良好的基礎(chǔ)，鑄件金相組織和力學(xué)性能達到國內(nèi)行業(yè)的先進指標(biāo)。產(chǎn)品的優(yōu)秀率和合格率大幅度提高，為使用單位創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

在生產(chǎn)線設(shè)計中采用了多項創(chuàng)新技術(shù)，并吸收了國內(nèi)鑄造行業(yè)先進的管理理念，實現(xiàn)了工藝技術(shù)先進、產(chǎn)品多樣化、質(zhì)量控制可靠、數(shù)字信息化生產(chǎn)、高效節(jié)能、環(huán)境和諧等目標(biāo)，符合國家雙碳戰(zhàn)略下的鑄造行業(yè)需求，有一定的推廣價值。