輥底式淬火爐技術改造

程宏偉，儲少敏

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039）

輥底爐生產線是具有氮基保護氣氛的較為先進的金屬熱處理生產線，主要用于大批量的軸承套圈、滾動體、各類緊固件、小型環狀零件等的光亮淬火、回火和調質處理。近年來，對該設備加工的產品質量統計發現，同一批次產品既產生馬氏體大于5級又產生屈氏體大于1級的現象，返工率極高。在對設備的技術狀況進行檢查時發現，該設備爐溫均勻性較差，且爐壁溫升較高。針對出現的問題對輥底式淬火爐進行了技術改造。

1 存在問題及分析

輥底爐生產線的淬火爐由前室（進料室）、前爐門、加熱室、后爐門等幾部分組成。改造前前室及前、后爐門保溫密封材料均采用輕質鈣板和輕質抗滲碳磚砌筑；加熱室采用輕質鈣板作為保溫層，輕質抗滲碳磚作為耐火層。由于爐襯的熱脹冷縮造成粘接縫大量出現開裂，加上維修更換輻射管和輥棒對爐襯的碰撞造成爐襯破碎、塌陷。爐門的升降由液壓缸驅動，對進、出料口的爐襯產生一定的震動，造成爐襯和爐門磚開裂、松動、掉落，最終造成前、后爐門保溫密封材料損壞。以上問題使得淬火爐的保溫性能急劇下降，爐壁溫度急劇升高，動能消耗隨之迅速升高。

該淬火爐分為4個區，均采用電輻射管加熱。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區每區設計安裝15根輻射管，Ⅳ區設計安裝9根輻射管。Ⅰ區為預熱區，即零件從前室進入Ⅰ區后溫度開始緩慢升高，到達Ⅰ區測溫點時溫度還達不到Ⅱ區工藝設定溫度的區域；Ⅱ區為加熱區，即零件進入Ⅱ區后在較短時間內達到工藝設定溫度，并實現在工藝設定的時間內進行加熱；Ⅲ，Ⅳ區為保溫區，即按照工藝要求，當零件進入Ⅲ區后在一個相對恒定的溫度下加熱的區域。Ⅲ，Ⅳ區最為重要，是完成零件內部顯微組織和零件表面化學成分改變的關鍵區域。

改造前的爐溫曲線如圖1所示。由圖可知，Ⅰ，Ⅱ區及Ⅲ，Ⅳ區之間出現較大波峰和波谷，溫差超過10℃。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區出現較大波峰和波谷系爐襯破損造成保溫性能下降所致。從Ⅲ，Ⅳ區到達光電開關位置，爐溫已降低22℃，原因在于加熱系統功率設計偏低和分布偏差過大以及快速傳動的光電開關位置離出口太近。以上爐溫的波動是造成同一批次產品既產生馬氏體大于5級（過熱）又產生屈氏體大于1級（欠熱）的關鍵因素。

圖1 輥底爐改造前、后爐溫曲線（儀表溫度設定為850℃）

2 改造措施

為了解決淬火爐保溫性能急劇下降和爐壁溫度急劇升高的問題，同時提升設備的整體性能，降低能耗，研究采用高鋁纖維材料重新設計改造爐襯。改造后爐襯結構如圖2所示。由于高鋁纖維熱導率低，蓄熱量少（僅為一般磚爐襯的1／4左右），因而爐體升溫時間短，同時，該材料具有抗熱震性能強，化學穩定性好等優點［1-2］。為使爐襯具備較強的抗震動及沖擊能力，克服熱變形，確保爐襯的穩定性，采用整體壓制，確保其容重達到350 kg／m3左右。同時，為了克服熱變形以及安裝輻射管和輥棒時產生的震動、沖擊，確保爐襯的穩定性，兩側爐壁和爐頂設計錨固件，其設計在爐襯中間，可避免高溫時熱量向爐殼傳遞，減少熱量損失。為了保證輻射管支撐點的牢固，設計耐熱鋼掛件進行支撐［3-4］。

圖2 爐襯結構圖

重新計算第Ⅳ區加熱系統功率，設計電輻射加熱系統。首先，增加了輻射管的數量，并重新分布安裝。原設備Ⅳ區加熱系統為9根電輻射管加熱，上層6根，下層3根。重新設計分布后，將上層輻射管增加2根并依次遞減一定距離后再向Ⅲ區方向分布，下層的輻射管向出口方向增加1根。其次，光電開關位置（光1）離出口太近，造成工件未到達光電開關處時溫度急劇下降。經測算，將光電開關裝置（光2）前移0.2 m，可縮短工件在淬火爐出口處的停留時間3 min左右，使工件未降溫就進入淬火油中，達到工件淬火工藝要求。

通過對輥底爐爐襯、第Ⅳ區加熱系統及光電開關位置的改造后，爐溫較為均勻，測繪出的爐溫曲線（圖1）非常平緩，未出現較大的波峰和波谷。在Ⅱ區測溫點到Ⅳ區測溫點區域內，測試溫度最低為845℃，僅低于設定溫度5℃，而最高溫度與設定溫度相同，Ⅳ區測溫點溫度為849℃，零件到達光電開關處（光2）溫度為845℃，僅降溫4℃，極大地改善了爐溫均勻性，完全滿足工藝要求。

3 改造前、后設備性能對比

設備改造前、后的技術狀況檢測數據如表1所示。

輥底爐改造前、后加工的同一型號軸承零件質量技術檢測統計如表2所示。由表2可知，改造前設備加工零件不合格率非常高，重點產品352226／04，353130B／04，NJ3226／04出現大批量多次返工，主要原因是爐溫不均勻造成零件過熱（M＞5級）和加熱不足（T＞1級）。改造后設備加工零件不合格率大幅降低，從根本上解決了此類重點零件加工難的瓶頸問題，達到了零件熱處理后的技術要求。此外，改造前的能耗為720 kW·h／t，改造后的能耗為640 kW·h／t，下降了11.1%。

表1 設備技術狀況檢測數據表

表2 軸承零件質量檢測統計表

4 結束語

對輥底爐生產線淬火爐進行的全纖維結構爐襯設計及爐溫均勻性改造，整體上提升了設備的技術性能和經濟效益。爐壁保溫性能明顯提高，能耗下降了11.1%，年可節約電費25.3萬元，年新增利潤65萬元；爐溫均勻性提升到±5℃，達到了加工重點零件時對設備爐溫均勻性的技術要求。