正火控冷技術在火車軸熱處理中的應用

崔永亮，徐俊生，趙興龍

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

國內鐵路車輛用軸材質主要為LZ50鋼，其主要熱處理工藝為二次正火＋回火，正火后冷卻速度與車軸熱處理后性能有直接的關系，但是在實際生產過程中正火冷卻靠的是出爐后風機吹冷的工藝，風冷工藝受季節影響特別大。特別是到夏季最炎熱時節，車軸的屈服強度就很難達到標準要求，通過控制正火后風冷的能力來控制車軸性能成為迫在眉睫的問題。太原重工輪軸分公司與邢臺鼎盛工業爐有限公司合作對車軸正火冷卻系統進行了改造。通過壓縮空氣均勻吹冷正火出爐后車軸，解決了由于季節環境溫度因素造成車軸性能不穩定的問題。

1 控冷原理及功能介紹

車軸正火采用步進式加熱爐，出料節拍為4min～5min，二次正火后出爐溫度為790℃～850℃。車軸規格直徑為Φ180mm～Φ240mm，單重為550kg，空壓機風冷設備需具備單工位單節拍使車軸表面從810℃左右降至650℃的能力。

控冷設備應用軋輥噴淬的原理，所不同的是噴管噴的是高壓空氣。車軸上方布置兩排高壓空氣噴管，噴管在軸向上按每100mm布置一對，保證車軸表面沒有噴吹盲區。車軸放置于兩對滾輪上面，滾輪驅動車軸旋轉，使得車軸整體均勻、快速冷卻。出口高壓管上布置調壓閥，噴管出口設有空氣流量計，通過調整噴管出口風速來控制車軸冷卻速度。根據不同季節環境溫度來調節噴管出口風速，從而控制車軸冷卻速度，使車軸正火后冷卻過程中組織轉變可控，達到一年四季車軸性能指標均勻穩定的目標。

2 控冷設備組成

控冷設備包括由一臺38m3／min雙螺桿空壓機和靜壓包組成的供氣機構、車軸旋轉機構、撥料裝置、噴氣系統（管路、閥、噴嘴等）、阻緩裝置、氣壓控制器，如圖1所示。

圖1 車軸正火控制冷卻設備示意圖

2．1 空壓機組

根據工藝要求選用上海東方空壓機廠雙螺桿空壓機，其排氣量為38m3／min，壓力為0．7MPa，功率為220kW，可連續工作，由其提供壓縮空氣。

2．2 車軸旋轉機構

車軸在進入托轉輪上后可實現60r／min左右的轉動，由2臺2．2kW減速機帶動托轉輪轉動。由于車軸溫度高，會影響支承輪軸承的轉動，在支撐軸承盒上設計有水冷軸承支座。兩個主驅動輪能保證較長車軸的均勻轉動。

2．3 撥料裝置

車軸冷卻時間達到后依靠撥料裝置將車軸從托輪裝置上撥入下一級軌道，采用液壓油缸自動托起的工作方式。

2．4 噴氣系統

由空壓機提供的壓縮空氣經DN80管接入分氣包，經相關閥門調節后再由特制噴嘴噴出，能在出口產生80m／s的噴射速度。在車軸縱向布2排，共計24個噴嘴。噴嘴距車軸表面距離在200mm處可作微調，每個噴嘴流量可調。在分氣包上除引出各個噴嘴，還裝有排污閥、安全閥、壓力表。每個噴嘴與分氣包間安裝有手閥，可對每個噴嘴流量進行單獨調節。

2．5 阻緩裝置

車軸從步進爐出料后，先進入輥道，進入旋轉工位前設置阻緩裝置，使車軸輕輕滾入工位，減少車軸對設備的沖擊，此機構仍然使用液壓缸實現停放作用。

2．6 氣壓控制器

總進風管道口設計有壓力檢測調節及報警裝置，并配有車軸溫度檢測顯示功能，方便根據不同環境溫度來調節壓力及出口風速。

3 設備運行驗證

3．1 測溫驗證

鐵道部常規RE2B車軸二次正火810℃出爐后經控冷裝置冷卻，噴管出口風速50m／s，環境溫度（廠內白天平均）23℃，對出爐的13根車軸表面溫度進行紅外測溫，測溫位置分別為左軸頸、左輪座、軸身、右輪座、右軸頸，測溫結果如圖2所示。

圖2 測溫結果顯示

測溫結果表明在環境溫度為23℃時，車軸經控冷裝置5min冷卻后，車軸表面溫度均勻，且平均冷卻到650℃，達到了預期目標。車軸各部位溫度相差不大，說明冷卻裝置可使車軸均勻冷卻。

3．2 車軸性能統計分析

我們對3月與6月份兩個月的鐵道部常用貨車車軸RE2B共226批車軸性能進行統計，3月份為控冷設備運行之前，3月份廠內平均氣溫為11℃，6月份為控冷設備運行之后，6月份廠內平均氣溫為22℃。正火后冷卻速度越快，車軸冷卻過程析出鐵素體組織會越少，車軸屈服強度越高。按往年經驗，6月份由于環境溫度很高，車軸冷卻速度會變慢，車軸屈服強度要比3月份低。車軸性能取樣位置為延長段處。圖3為采用控冷措施前、后車軸屈服性能對比。

圖3 采用控冷措施前后車軸屈服性能對比

由圖3可知，3月份與6月份車軸性能差異不大，且6月份車軸性能更為穩定。6月份車軸性能均在345MPa以上，全部符合標準要求，表明車軸性能由于環境溫度變化造成的季節性性能差異得到了很好控制。下一步將摸索噴管高壓空氣出口速度與廠內環境溫度的對應關系，來穩定車軸性能，達到車軸性能全年一致的效果。

4 結論

應用軋輥噴淬原理，開發了通過壓縮空氣均勻吹冷正火后車軸，來控制車軸冷卻速度的裝置。結果表明，應用此裝置后車軸性能得到一定程度的穩定。隨季節溫度改變車軸的性能差異減小，車軸熱處理一次合格率得到了提升。

［1］ 何春雨．中厚板正火控制冷卻系統的設計與應用［J］．金屬熱處理，2008，7（2）：171－175．

［2］ 胡光立，謝希文．鋼的熱處理原理與工藝［M］．西安：西北工業大學出版社，1993．

［3］ 康大韜，葉國斌．大型鍛件材料及熱處理［M］．北京：龍門書局，1998．