軸類鍛件調(diào)質(zhì)設(shè)備高效節(jié)能改進(jìn)

文/于明星，郝以領(lǐng)，張延森，劉雪喜，欒巖巖·一拖（洛陽）鑄鍛有限公司

問題描述

我公司原用懸掛式調(diào)質(zhì)爐(天然氣爐)對客戶的軸類鍛件進(jìn)行熱處理調(diào)質(zhì)，該設(shè)備爐膛較大再加上爐頂是懸鏈?zhǔn)矫芊獠粐?yán)，致使該爐能耗巨高，隨著近幾年天然氣費(fèi)用不斷上漲，該設(shè)備平均能耗達(dá)532 元/噸(行業(yè)平均能耗低于300 元/噸)，嚴(yán)重降低了產(chǎn)品利潤空間，同時該設(shè)備自動化程度低，需要5 人操作，人工成本高，軸類鍛件在此設(shè)備中熱處理出現(xiàn)虧損狀態(tài)，而新產(chǎn)品的報價又毫無競爭力。

現(xiàn)通過設(shè)計制造生產(chǎn)能力為1 噸/小時的推桿式電加熱調(diào)質(zhì)爐，全年產(chǎn)能為7200 噸(按開動300天計算)，從懸掛式調(diào)質(zhì)爐轉(zhuǎn)移的軸類鍛件產(chǎn)能基本滿足新建調(diào)質(zhì)爐的滿負(fù)荷生產(chǎn)。新爐能耗小于260 元/噸，能大幅降低目前能耗，降低能源成本、清潔環(huán)保，提高市場競爭力的同時，通過自動化控制，新調(diào)質(zhì)爐只需2 人操作，節(jié)約了人工成本。

設(shè)備簡介

如圖1 所示，推桿式電加熱調(diào)質(zhì)爐采用推盤式結(jié)構(gòu)(加熱爐和回火爐)，呈“一”字式布置，除裝、卸料為人工操作外，其余均為全自動化生產(chǎn)；整條生產(chǎn)線配置可靠的機(jī)械傳動裝置，高質(zhì)量、高精度的自動溫度控制系統(tǒng)，直觀的生產(chǎn)線動作狀態(tài)顯示界面，是一種高可靠、高質(zhì)量、智能化的熱處理調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線。

圖1 軸類鍛件調(diào)質(zhì)爐整體布置圖

淬火加熱爐及循環(huán)機(jī)構(gòu)

由淬火主推料機(jī)、爐體、爐襯、加熱器(電輻射管)、爐內(nèi)軌道、料盤、料高限制裝置、爐門及升降機(jī)構(gòu)、攪拌風(fēng)機(jī)、淬火出料倒料機(jī)構(gòu)、淬火料盤移位機(jī)構(gòu)(前/后)、淬火料盤返回機(jī)構(gòu)、上料平衡吊等組成。

其中，加熱器由兩側(cè)布置的裸露式電加熱輻射管，鼠籠狀電阻絲及陶瓷芯組成，裸露式電加熱輻射管共36 支，電阻絲材質(zhì)為0Cr27Al7Mo2，分5 區(qū)布置，總功率540kW。在加熱爐爐體后半段保溫區(qū)設(shè)置有2 套高溫軸流攪拌風(fēng)機(jī)強(qiáng)循環(huán)，保證工件加熱均勻度。風(fēng)機(jī)采用風(fēng)冷卻，軸承、軸、螺母、風(fēng)葉均為0Cr25Ni20Si2 材料制作。在爐體的頂部5 個加熱區(qū)各設(shè)有0 ～1100℃“K”型雙芯控溫?zé)犭娕紲囟葌鞲衅鳎瑢⑿盘杺魉偷诫娍毓竦臏囟葍x表。淬火槽由槽體、筒式循環(huán)攪拌機(jī)、換液泵、換熱器、測溫?zé)犭娕嫉冉M成。工件淬火端設(shè)有強(qiáng)循環(huán)管道攪拌裝置，使循環(huán)液強(qiáng)制循環(huán)沖擊工件，提高工件淬透性。筒式循環(huán)攪拌機(jī)采用4 臺7.5kW 電機(jī)，并設(shè)有氧化皮過濾網(wǎng)。淬火有效區(qū)域內(nèi)介質(zhì)流速大于1.07m/s，攪拌電機(jī)采用變頻設(shè)計，可根據(jù)淬火工藝的需要調(diào)整流速大小。同時淬火槽淬火區(qū)域內(nèi)有介質(zhì)溫度檢測點和溫度顯示裝置，檢測點盡量靠近工作區(qū)，監(jiān)測點2 個。設(shè)檢測淬火液溫度的熱電阻Pt100，并帶超溫報警。

回火加熱爐及循環(huán)機(jī)構(gòu)

由回火主推料機(jī)、爐體、爐襯、加熱器、爐內(nèi)軌道、料盤、料高限制裝置、爐門及升降機(jī)構(gòu)、循環(huán)風(fēng)導(dǎo)向板(內(nèi)膽)、風(fēng)機(jī)循環(huán)系統(tǒng)、回火出料機(jī)構(gòu)、風(fēng)冷室、回火料盤位移機(jī)構(gòu)(前/后)、回火料盤返回機(jī)構(gòu)、上料平衡吊等組成。

其中，加熱器由兩側(cè)布置的裸露式電加熱輻射管，鼠籠狀電阻絲及陶瓷芯組成，電加熱輻射管共48 支，電阻絲材質(zhì)為0Cr27Al7Mo2，分8 區(qū)布置,總功率510kW。在爐體的頂部8 個加熱區(qū)各設(shè)有0 ～1000℃“K”型雙芯控溫?zé)犭娕紲囟葌鞲衅?，將信號傳送到電控柜的溫度儀表。爐頂上布有高溫離心循環(huán)風(fēng)機(jī)共8 套，風(fēng)機(jī)電機(jī)為Y 系列，功率5.5kW，通風(fēng)機(jī)軸、螺母、葉輪、爐內(nèi)導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)、導(dǎo)流板材質(zhì)均為不銹鋼SUS304。循環(huán)風(fēng)導(dǎo)向板(內(nèi)膽)為使熱風(fēng)的循環(huán)按一定的方向高速流動、熱傳導(dǎo)，讓工件的受熱更加的均勻，爐溫均勻性要在±5℃以內(nèi)。冷卻噴淋室為籠式結(jié)構(gòu)，設(shè)置在料盤返回架后半段，料盤返回架移動到噴淋室中間位置，噴淋室前后安裝有阻擋門，頂部有800mm×800mm 排熱氣口，在料盤的上部及前后左右均設(shè)置有噴淋水嘴，下部設(shè)置有接水盤，噴淋落下的水就集中到接水盤，再通過管道排走。噴淋管道設(shè)置有自動控制閘閥，料盤到位后阻擋門關(guān)閉，自動噴淋打開，噴淋完成后自動噴淋關(guān)閉，阻擋門打開(阻擋門為液壓式)。冷卻主要是為了防止工件出現(xiàn)回火脆性，同時降溫便于人工卸料。

控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分溫度控制、記錄和機(jī)械動作控制節(jié)拍時間兩大部分。根據(jù)該爐設(shè)計分區(qū)要求，淬火爐分5個溫區(qū)，回火爐分8 個溫區(qū)，共13 個溫區(qū)。每個溫區(qū)均采用雙表制(即日本原裝進(jìn)口儀表控溫并帶超溫報警，觸摸屏式記錄儀記錄溫度)，功率調(diào)控器PID調(diào)節(jié)。淬火槽介質(zhì)采用熱電阻檢測顯示淬火液溫度?？販貎x采用日本原裝進(jìn)口的高精度智能數(shù)控儀，該表內(nèi)置“專家PID”調(diào)節(jié)模型，具有無超調(diào)、無欠調(diào)的高調(diào)節(jié)品質(zhì)，質(zhì)量可靠，電壓、環(huán)境溫度適應(yīng)范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。該表操作簡單，雙排數(shù)顯分別顯示設(shè)定值和實測值，具有PID 參數(shù)自動控溫，熱電偶或系統(tǒng)誤差校正等多種功能，帶通訊接口與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，并帶超溫報警，當(dāng)溫度超過設(shè)定值，報警儀斷開交流接觸器，使加熱主回路停止加熱，保證工件加熱不超溫。記錄儀采用昆侖通態(tài)觸摸屏式記錄儀，可記錄顯示淬火爐、回火爐升溫、保溫、程序動作等熱處理工藝的全部過程。主回路采用大功率一體化調(diào)功器作為調(diào)功執(zhí)行元件，在可控硅前端設(shè)有復(fù)合式自動空氣開關(guān)，作為主回路過流、過載保護(hù)。并設(shè)有可控硅專用快熔保護(hù)可控硅。在主回路中設(shè)有電流互感器和電壓換相開關(guān)，通過電流、電壓表，監(jiān)視主回路電流大小、三相是否平衡和缺相情況。

在機(jī)械動作控制系統(tǒng)中，淬火爐的出料機(jī)構(gòu)、移位機(jī)構(gòu)、返回機(jī)構(gòu)，回火爐的出料機(jī)構(gòu)、移位機(jī)構(gòu)、返回機(jī)構(gòu)均采用電機(jī)減速機(jī)傳動執(zhí)行其機(jī)械動作，電機(jī)控制由按鈕、指示燈、電機(jī)保護(hù)開關(guān)、熱繼電器、交流接觸器等組成，并設(shè)有過載缺相保護(hù)。其他淬火爐和回火爐爐門升降，倒料翻轉(zhuǎn)、淬火籠升降、淬火爐和回火爐主推料機(jī)的機(jī)械動作均由液壓系統(tǒng)完成，液壓回路設(shè)有單向節(jié)流調(diào)速閥、電磁換向閥、卸荷閥等；所有的動作和時間控制由一臺西門子可編程邏輯控制器PLC 來完成，通過事先編制的軟件嚴(yán)格控制工藝流程和聯(lián)鎖邏輯保護(hù)，并設(shè)有原點自診斷功能，以及“手動—自動”切換。

一體機(jī)觸摸屏顯示系統(tǒng)及控制

該爐由一體機(jī)觸摸屏、PLC 可編程序控制器、操作執(zhí)行等三大部分組成一套完整的控制模式。通過觸摸屏可查詢整個生產(chǎn)線的各種工藝參數(shù)，通過電腦可操作總攬全部設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過一體機(jī)觸摸屏能供用戶隨時輸入及導(dǎo)出數(shù)據(jù)和圖表。

觸摸顯示屏系統(tǒng)采用一體機(jī)觸摸屏對整個生產(chǎn)線的溫度、機(jī)械動作實現(xiàn)監(jiān)控管理，采用組態(tài)式工控軟件，能以棒圖、趨勢圖、數(shù)字或模擬儀表等多種畫面顯示各區(qū)的測量溫度、工藝設(shè)定溫度、溫區(qū)的功率輸出百分?jǐn)?shù)等。同時以動態(tài)畫面實時反映生產(chǎn)線的動作過程。并可在觸摸屏上對各工藝參數(shù)、溫度參數(shù)進(jìn)行設(shè)定、修改等。由控溫儀、PLC 可編程控制器內(nèi)部的通訊接口與觸摸屏聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)觸摸屏停止使用時，生產(chǎn)線自動轉(zhuǎn)為儀表和PLC 控制，不影響設(shè)備的正常運(yùn)行和自動化程度。觸摸屏可存儲歷史工藝曲線，便于追查和質(zhì)量分析。

智能儀表、PLC 采用日本原裝進(jìn)口的高精度智能PID 溫度控制器儀表SRS13A，該表是專為熱處理設(shè)備設(shè)計生產(chǎn)的溫控專家儀表，其具有熱電偶自由輸入功能，質(zhì)量可靠，電壓環(huán)境溫度適應(yīng)范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)，能在環(huán)境惡劣的熱處理車間現(xiàn)場長期穩(wěn)定工作。其控溫調(diào)節(jié)算法是繼雙自由度、自適應(yīng)、模糊等控制理論之后，在世界上首次針對熱處理爐的“無超調(diào)”專家PID 新算法，實現(xiàn)了無超調(diào)、無欠調(diào)、快速升溫和抑制擾動的優(yōu)異調(diào)節(jié)品質(zhì)，簡化了操作者對控溫PID 參數(shù)整定。同時，可在觸摸屏系統(tǒng)中完成爐溫測量與調(diào)節(jié)，并通過標(biāo)準(zhǔn)通訊接口與上位機(jī)通訊，其與觸摸屏通訊的軟件，已由生產(chǎn)廠家固化在儀表中，無需用戶再開發(fā)。

PLC 采用西門子可編程控制器，該控制器質(zhì)量可靠，電壓環(huán)境溫度適應(yīng)范圍寬，并設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，與觸摸屏聯(lián)網(wǎng)組成實時控制系統(tǒng)，其與觸摸屏的通訊軟件已由生產(chǎn)廠家固化在PLC 中，無需再開發(fā)，方便聯(lián)網(wǎng)。組態(tài)式工控軟件采用工業(yè)自動化監(jiān)控專用軟件，該軟件是一種通用性極強(qiáng)的軟件，可運(yùn)行于Win98/2000/XP 等中文平臺，具有友好的全中文界面，簡便易學(xué)；具有完善的工程管理系統(tǒng)，對所作的工程具有有效的管理和保護(hù)；具有強(qiáng)大的畫面制作系統(tǒng)，支持無限色32 位真彩，過渡色紋理，支持多種圖形文件格式，擁有完備的工具箱和豐富的圖庫，能構(gòu)造出逼真鮮明的圖形界面；豐富的組態(tài)管理工具如變量報告，查找變量，替換變量拷貝動畫等，能構(gòu)造出龐大的動畫系統(tǒng)；具有強(qiáng)大可靠的數(shù)據(jù)記錄和查詢系統(tǒng)，記錄曲線和制作報表。卓越的報警管理系統(tǒng)和查詢系統(tǒng)，支持多種報警方式，能忠實記錄報警，并方便查詢。

目前，需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的鍛件主要是曲軸類和半軸類零件，幾種典型零件工藝參數(shù)見表1。

表1 調(diào)質(zhì)處理的幾種典型零件工藝參數(shù)

質(zhì)量指標(biāo)及優(yōu)點

晶粒度小于等于5 級(按照GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)評定)。要求淬火后硬度不小于450HBW(45 材料)；淬火后硬度散差單件不大于15HBW，同批不大于20HBW?；鼗鸷笥捕壬⒉顔渭淮笥?5HBW，同批不大于20HBW。熱處理質(zhì)量受鋼材成分、工藝、淬火液冷卻性等影響。

針對需求方加熱工藝特點，進(jìn)行調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的優(yōu)化設(shè)計，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、熱工動力和電控系統(tǒng)等等。采取成熟、先進(jìn)的工藝技術(shù)措施，使得生產(chǎn)線熱效率和爐溫均勻性、溫控曲線準(zhǔn)確性、生產(chǎn)效率等與目標(biāo)熱處理要求相匹配。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、保護(hù)功能可靠、故障率低。在保證設(shè)備正常運(yùn)行的同時實現(xiàn)節(jié)能降耗，單位耗能達(dá)到一等爐標(biāo)準(zhǔn)(噸耗小于390kW·h)。

該推桿式電加熱調(diào)質(zhì)爐為連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)線，爐體內(nèi)襯采用硅酸鋁全耐火纖維模塊結(jié)構(gòu)，爐子四周采用全耐火纖維軟密封結(jié)構(gòu)，即可靠簡單，密封保溫性又好、重量輕蓄熱損失少，確保爐子升溫速度快、達(dá)到節(jié)約能源、使用壽命長之效果；推料方式采用液壓缸推料形式，通過推動料盤在滾輪(固定在導(dǎo)軌導(dǎo)枕上)上按節(jié)拍行走，料盤可實現(xiàn)爐外自動回轉(zhuǎn)功能；爐體、爐門采取可靠的密封方式，并與推拉料實現(xiàn)安全互鎖；采用人工智能調(diào)節(jié)方式和觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)，以對生產(chǎn)線的爐溫等參數(shù)、加熱狀態(tài)進(jìn)行實時采集和監(jiān)控；爐溫采用智能溫控儀表控制，以提高控制精度。

該條生產(chǎn)線設(shè)計淬火進(jìn)料為人工裝料，淬火時工件直接傾倒入水，保證了淬火的時間(入水時間小于18 秒)，然后料盤自動返回裝料位置；由于工件的特殊性，回火進(jìn)料裝料和卸料在同位置，人工干預(yù)裝、卸料，整條生產(chǎn)線安全可靠，動作準(zhǔn)確順暢，兩人操作即可完成。

結(jié)論

新建節(jié)能、高品質(zhì)、自動化的調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線可以降低能源消耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率，產(chǎn)品市場競爭力明顯增加。設(shè)計、制造推桿式電阻調(diào)質(zhì)爐，對軸類鍛件進(jìn)行調(diào)質(zhì)，能大幅降低目前能耗，降低能源成本、清潔環(huán)保，提高市場競爭力的同時，通過自動化控制，節(jié)約人工成本。