群控循環(huán)冷卻系統(tǒng)在可控氣氛轉(zhuǎn)爐中的應(yīng)用

廖杭州,夏金財(cái),徐俊彪,方 健,朱紀(jì)廣

(杭州東華鏈條集團(tuán)有限公司,杭州 浙江 311102)

1 問題的提出

目前熱處理工序轉(zhuǎn)爐采用單循環(huán)淬火介質(zhì),不能根據(jù)淬火介質(zhì)溫度對(duì)單臺(tái)可控氣氛轉(zhuǎn)爐進(jìn)行控制,導(dǎo)致各臺(tái)可控氣氛轉(zhuǎn)爐冷卻性能不一致,產(chǎn)品存在多種熱處理問題。合金鋼淬火常用的冷卻介質(zhì)為淬火油,對(duì)于鏈條行業(yè)薄壁異形類零件,每臺(tái)可控氣氛轉(zhuǎn)爐可以淬火冷卻的零件數(shù)量不同,淬火介質(zhì)與工件的熱交換在保證淬火硬度的前提下,應(yīng)減少淬火畸變。因此需要根據(jù)每臺(tái)可控氣氛轉(zhuǎn)爐的加工產(chǎn)品要求及淬火介質(zhì)與工件的熱交換能力對(duì)淬火介質(zhì)溫度進(jìn)行未端控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)置換循環(huán)冷卻,使工件獲得馬氏體組織,從而具有高硬度及耐磨性;同時(shí)能降低能耗,減少環(huán)境污染,改善工人的作業(yè)環(huán)境。

2 工藝分析

目前,可控氣氛轉(zhuǎn)爐普遍采用機(jī)械控制淬火介質(zhì),導(dǎo)致產(chǎn)品組織、硬度不均勻,不能滿足國(guó)內(nèi)高端客戶及國(guó)外歐美客戶對(duì)產(chǎn)品的要求,且熱處理車間產(chǎn)生大量的油煙,影響工人健康,造成環(huán)境污染。目前,國(guó)外先進(jìn)的可控氣氛轉(zhuǎn)爐設(shè)備廠家采用PLC溫度控制淬火介質(zhì)和淬火工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,自動(dòng)化程度高。本項(xiàng)目開發(fā)了一種可控氣氛轉(zhuǎn)爐淬火介質(zhì)循環(huán)控制系統(tǒng)。工件淬火是通過控制熱處理過程獲得馬氏體組織,使工件具有高硬度和高耐磨性[1-4]。該過程的關(guān)鍵在于工件的充分冷卻,其中淬火介質(zhì)的冷卻速度主要取決于淬火介質(zhì)與工件之間的熱交換能力。增加淬火介質(zhì)的流動(dòng)速度能夠有效地加強(qiáng)冷卻效果,同時(shí)有助于提前破裂工件周圍可能形成的蒸汽膜[5]。在生產(chǎn)過程中,通過對(duì)淬火池進(jìn)行旋渦式對(duì)稱性強(qiáng)烈攪拌,可以顯著提高冷卻強(qiáng)度,相比于靜止?fàn)顟B(tài)下的淬火,冷卻效果有大幅度的提升,進(jìn)而增強(qiáng)工件的硬度和耐磨性。同時(shí)是減少工件畸變和延長(zhǎng)淬火油使用壽命的關(guān)鍵。

3 循環(huán)冷卻系統(tǒng)的研究

3.1 淬火油槽結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)熱處理工作實(shí)際及循環(huán)冷卻特點(diǎn),設(shè)計(jì)的淬火油槽如圖1所示。該淬火油槽被劃分為淬火區(qū)和排油區(qū),兩個(gè)區(qū)域之間由溢流板隔開。淬火油槽的出口和入口均設(shè)置在下部。淬火油通過換熱器注入淬火槽的下部,并噴射到散流板上,以確保淬火油在淬火區(qū)內(nèi)流動(dòng)更加平穩(wěn)。在淬火區(qū)上部,熱淬火油會(huì)溢流入排油區(qū),然后通過下部的抽油裝置被抽回到換熱器中[5]。該設(shè)計(jì)確保了淬火油在整個(gè)淬火過程中的循環(huán),并能夠有效地進(jìn)行熱交換,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的理想淬火效果。

圖1 油槽管道循環(huán)示意圖

3.2 淬火油槽容量的確定

通常置換冷卻的淬火槽淬火介質(zhì)的重量為淬火工件重量的3～6倍。根據(jù)熱處理工序生產(chǎn)需要,零件最大批次淬火重量為130件,單個(gè)零件為0.1～0.2 kg,同時(shí)考慮發(fā)展的需要,確定同批次零件淬火總重量為100 kg。因此,淬火油槽容量V=5×100/850=0.5882 m3。

根據(jù)熱交換量Q=G工件(CT-C′T′)/τ

式中:G工件為批次淬火總重量100 kg;τ為批次淬火實(shí)際操作時(shí)間15 s;C、C′為冷卻開始(880 ℃)和終了(約100 ℃)時(shí)的平均比熱;T、T′為淬火前和淬火后溫度,分別為880 ℃和100 ℃。計(jì)算熱交換量Q=179340 J

3.3 循環(huán)系統(tǒng)淬火介質(zhì)溫度的理論測(cè)算

根據(jù)熱力學(xué)能量轉(zhuǎn)換和能量守恒定律,在忽略其他熱損失的情況下,工件淬火所釋放的熱量應(yīng)當(dāng)?shù)扔诖慊鸾橘|(zhì)所吸收的熱量,即:

Q工件=Q介質(zhì)

Q工件=G工件(CT-C′T′)/τ

計(jì)算T介質(zhì)為47 ℃完全符合工作淬火的要求。

經(jīng)綜合分析,采用熱淬火介質(zhì)通過換熱器進(jìn)行連續(xù)強(qiáng)制冷卻,并將冷卻后的淬火介質(zhì)連續(xù)循環(huán)注入淬火槽中,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)淬火介質(zhì)的循環(huán)利用以及對(duì)溫度的精確控制。這一循環(huán)往復(fù)的過程確保了淬火過程的穩(wěn)定性和可控性,為工件獲得理想的淬火效果奠定了基礎(chǔ)。

4 根據(jù)各獨(dú)立油池的計(jì)算設(shè)計(jì)自動(dòng)控制程序

根據(jù)每臺(tái)轉(zhuǎn)爐的加工要求及淬火介質(zhì)與工件的熱交換能力對(duì)淬火介質(zhì)溫度進(jìn)行未端控制,實(shí)現(xiàn)連續(xù)置換循環(huán)冷卻,目的是使工件獲得馬氏體組織,具有高硬度及耐磨性[1]。圖2為淬火介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)控制圖,由溫度檢測(cè)裝置、電動(dòng)碟閥程序控制裝置、PLC控制器及伺服系統(tǒng)、溫控裝置及油路循環(huán)裝置組成。熱電偶檢測(cè)到溫度異常,由溫控表通過PID計(jì)算模式[3],發(fā)出模擬信號(hào),通過PLC控制程序反饋后,將模擬信號(hào)經(jīng)溫控表轉(zhuǎn)換到電動(dòng)碟閥進(jìn)行控制開合大小,并控制管道內(nèi)流量單位,到設(shè)定溫度后關(guān)閉或重新啟動(dòng)。由原24 h循環(huán)泵開機(jī),改為出料前15 min自動(dòng)開啟,與工藝實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng),減少能耗80%以上。

圖2 淬火介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)控制圖

圖3 PLC控制梯形原理圖

該淬火介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)各裝置作用如下:

1)溫度檢測(cè)裝置:對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)爐油池內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)定位,并根據(jù)油面高度安裝熱電偶,采用專用屏蔽線與溫控儀相聯(lián);

2)電動(dòng)碟閥程序控制裝置:對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)爐油池進(jìn)油管前端的機(jī)械閥門更換為電磁閥門,并通過橋架將信號(hào)線接入信號(hào)控制器,由信號(hào)控制器并入PLC編制器[3];

3)PLC控制器及伺服系統(tǒng):通過編程軟件對(duì)熱處理油溫檢測(cè)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,并通過設(shè)定要求參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,實(shí)現(xiàn)電磁閥門的自動(dòng)開合;調(diào)整油管里的流量,實(shí)現(xiàn)溫度的控制。該循環(huán)冷卻系統(tǒng)群控原理:每臺(tái)都有單獨(dú)儀表控制爐內(nèi)溫度,用固態(tài)繼電器控制加熱器,溫控儀表根據(jù)設(shè)定溫度,用PID控制[3]輸出,輸出信號(hào)控制給固態(tài)繼電器,使溫度保持較高的精度。

淬火液冷卻采用共用循環(huán)系統(tǒng)。12臺(tái)轉(zhuǎn)爐共用一套冷卻系統(tǒng),冷卻系統(tǒng)有循環(huán)泵、電磁閥、熱交換器等組成。每臺(tái)爐的淬火槽的冷卻器通過電磁閥來控制冷卻水的冷卻。電磁閥由淬火液溫度表通過PLC控制。

4)溫控裝置:通過熱電偶檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)成信號(hào)在溫度表上顯示,并對(duì)溫度進(jìn)行定位通過溫度表與電流表相聯(lián),控制淬火介質(zhì)的溫差;

5)油路循環(huán)裝置:對(duì)油路進(jìn)行改造,由單循環(huán)變?yōu)槎喾矫嫘郎u循環(huán),提高進(jìn)、出油的流量,進(jìn)油口均采用噴油嘴。

采用該群控循環(huán)冷卻系統(tǒng)對(duì)20CrMnMo鋼銷進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),其組織由4～5級(jí)提高到3～4[5],如表1和圖4所示。

表1 20CrMnMo鋼銷改進(jìn)前后的性能比較

(a)改進(jìn)前表層組織;(b)改進(jìn)前心部組織;(c)改進(jìn)后表層組織;(d)改進(jìn)后心部組織

5 結(jié)論

1)群控循環(huán)冷卻系統(tǒng)對(duì)可控氣氛轉(zhuǎn)爐溫度進(jìn)行精確控制及自動(dòng)循環(huán),具有操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、能耗低等特點(diǎn),能顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的污染。

2)群控循環(huán)冷卻系統(tǒng)能有效提高材料的組織級(jí)別。

3)在正常裝爐情況下,加熱功率直接決定零件裝量的大小,冷卻控制系統(tǒng)PLC設(shè)計(jì)的優(yōu)化可提高冷卻性能的好壞。

4)群控循環(huán)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用與熱處理工藝參數(shù)的結(jié)合,可節(jié)省冷卻系統(tǒng)電能耗80%以上。