熱成形領(lǐng)域中不同類型的加熱爐技術(shù)及其應(yīng)用

目前.汽車輕量化的發(fā)展要求既要給汽車乘客提供最高等級的安全性.同時又要實現(xiàn)車身減重.這給所有的汽車制造商帶來了挑戰(zhàn)。最佳的設(shè)備和具有吸引力的工藝解決方案.為實現(xiàn)更高級別的汽車安全性及結(jié)構(gòu)輕量化提供了前提。汽車制造商中的領(lǐng)導(dǎo)者們已經(jīng)開始嘗試使用熱沖壓或硬化汽車車身的技術(shù)來滿足這個要求。現(xiàn)在絕大多數(shù)商用車制造者都開始考慮采用熱成形零部件.而在整個熱成形工藝過程中.加熱毛坯零部件的加熱爐是非常重要的設(shè)備。

所有的熱成形零部件制造商都希望能夠以較低的生產(chǎn)成本.重復(fù)大量地生產(chǎn)高質(zhì)量的零部件.從而保證產(chǎn)品優(yōu)勢。熱成形加熱爐必須滿足這些要求.比如所需空間小、維護(hù)簡單快速、高靈活性、高利用率以及較短的工藝時間。目前在市場上有多種類型加熱爐適用于這個工藝步驟.所有這些類型加熱爐都有它們本身的優(yōu)點和不足之處。本文重點介紹目前熱成形工藝中應(yīng)用最普遍的一種類型加熱爐——輥底式加熱爐。

概念

單線直列式輥底爐

單線直列式輥底爐是最普通的輥底式加熱爐設(shè)計方式.如圖1所示。采用這種結(jié)構(gòu).壓機(jī)可以擺放在加熱爐適合的角度范圍內(nèi).或者與加熱爐擺在一條中線上。這樣設(shè)計的優(yōu)點是.便于接近加熱爐.物流方向簡單；另外.還可以減短加熱爐與壓機(jī)的距離.讓加熱的毛坯件運輸時間降至最低。最重要的.相比其他類型的設(shè)計.單線直列式設(shè)計能把投資成本降至最低。

圖1 單線直列式輥底爐

相對式（并列式）輥底爐

相對式（并列式）輥底爐結(jié)合了便于接近設(shè)備、易于設(shè)備維護(hù)和具有備用解決方案兩大優(yōu)點。加熱爐可并排排列（并列式）或者面對面排列（相對式）.它們的下料輥架及壓機(jī)擺放在生產(chǎn)線的中間（圖2）。如果有一臺加熱爐或上下料輥架由于產(chǎn)生故障停機(jī)或設(shè)備維護(hù).那么另外一臺加熱爐仍然可以繼續(xù)生產(chǎn).只是降低了總產(chǎn)量而已。這種設(shè)計常用于對生產(chǎn)穩(wěn)定性具有較高要求的客戶.比如在美國Clinton市的MAGNA Cosma就有一條相對式輥底爐的生產(chǎn)線。

圖2 相對式輥底爐

相比較于單線直列式輥底爐.相對式（并列式）輥底爐由于有兩套上下料輥架.所以需要略微多一點的廠房空間。

雙層式輥底爐

雙層式輥底爐結(jié)合了帶有備用解決方案.同時只有較小空間需求的兩大優(yōu)點。這種設(shè)計方式是一臺加熱爐疊加在另一臺加熱爐之上.在較緊湊的空間內(nèi)完成高產(chǎn)量。

這種設(shè)計方式的不足之處在于.由于設(shè)計比較緊湊.操作人員接近加熱爐進(jìn)行設(shè)備維護(hù)較困難。

圖3 雙層式輥底爐

多層箱式加熱爐

多層箱式加熱爐應(yīng)用于對廠房空間有嚴(yán)格限制的場所。在這種設(shè)備中.毛坯件在一個多層的箱式空間內(nèi)加熱。該設(shè)計方案結(jié)構(gòu)十分緊湊.它能關(guān)閉單獨的箱式空間以適應(yīng)靈活生產(chǎn)的需求。不足之處為不同的箱式加熱區(qū)與壓機(jī)的工作臺距離不同.這就意味著毛坯件從加熱爐運輸?shù)綁簷C(jī)工作臺.會冷卻到不同的溫度.這會導(dǎo)致成品件的機(jī)械性能在一個較大的范圍內(nèi)波動。這個問題可以通過在加熱爐內(nèi)添加一個保溫箱來解決.以確保每一塊毛坯件都以相同的溫度到達(dá)壓機(jī)工作臺。

但是這套設(shè)備的主要不足之處是無法使用保護(hù)氣氛。由于該爐型設(shè)計帶有很多爐門且爐門開關(guān)很頻繁.較多量的空氣會混入加熱爐爐腔內(nèi).這將會導(dǎo)致之前所述的缺陷.比如嚴(yán)重的表面鱗片、脫碳和晶間氧化。

加熱系統(tǒng)

輥底式加熱爐可通過電或天然氣加熱.這取決于客戶所在地的條件和能源價格因素。天然氣式加熱是通過輻射管來完成.采用輻射管的原因是可以保證爐內(nèi)氣氛的低露點.以防止毛坯件吸收氫元素.否則將會導(dǎo)致成品的氫致裂紋.產(chǎn)生早期缺陷。

燃?xì)馐捷椛涔苡蓳Q熱式燒嘴、內(nèi)部火焰管和外管組成。由于換熱式燒嘴的作用.燃燒廢氣可以預(yù)熱新進(jìn)來的助燃空氣.通過這個設(shè)計可將燃燒效率提高到67%～70%。

輻射管的外管可由金屬或陶瓷制成。但是金屬管在長期高溫下.由于自身重量的原因會產(chǎn)生彎曲變形.而需要在規(guī)定的時間內(nèi)對輻射管進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)。這樣就產(chǎn)生了額外的設(shè)備維護(hù)成本.而這些都可以通過采用陶瓷輻射管來避免。陶瓷輻射管的另外一個優(yōu)點是.其熱傳輸效率要高于金屬輻射管。

對于采用電加熱的輥底爐有不同的執(zhí)行方案。在加熱爐的升溫區(qū)通過裝有電加熱元件的陶瓷輻射管實現(xiàn)較小范圍內(nèi)高的熱量輸出。這套加熱系統(tǒng)可以和加熱爐內(nèi)的氣氛完全隔離.不會被污染或被熔融的液態(tài)鋁硅涂層所損壞。在加熱爐后邊的均熱部分.由于毛坯件已經(jīng)被加熱到高溫且僅需要較少的熱量輸入.因此可采用電加熱板來完成。

還有很多加熱爐設(shè)備綜合了燃?xì)饧訜岷碗娂訜醿煞N方式。燃?xì)馐郊訜岜话惭b在加熱爐的前段.這里可以提供較高的熱量輸入。在加熱爐的后段.采用電加熱方式.這部分加熱系統(tǒng)僅需要把加熱爐中的熱損失補(bǔ)充回來即可。略高的運行成本可通過較好的控制特性和電加熱系統(tǒng)的低投入來填補(bǔ)。

保護(hù)氣氛

熱成形工藝中的保護(hù)氣氛常采用純氮氣保護(hù).或氮氣與最大量為5%的天然氣混合氣作為保護(hù)氣體。通過向氮氣中添加天然氣.這樣的保護(hù)氣氛能減少在加熱過程中毛坯表面的氧化.防止表面鱗片的產(chǎn)生。

不準(zhǔn)確的保護(hù)氣氛調(diào)節(jié)系統(tǒng)或者錯誤的加熱爐型選擇會導(dǎo)致毛坯件的脫碳、晶間氧化和嚴(yán)重的表面鱗片產(chǎn)生。所有這些缺陷都會給成品帶來相當(dāng)大的負(fù)面影響.會導(dǎo)致高成本的返工（比如說大量的表面鱗片）或較高的廢品率。

目前市場上某些工業(yè)爐的工藝控制系統(tǒng)通過一套氣體分析儀.來持續(xù)地監(jiān)控保護(hù)氣氛的成分。該分析儀也能持續(xù)地檢測保護(hù)氣氛的質(zhì)量.把氣體消耗量盡可能降至最低。這些質(zhì)量數(shù)據(jù)將被記錄并存儲.用于將來的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)條件控制。

結(jié)束語

為了提高產(chǎn)品的競爭力.今天的加熱爐設(shè)備供應(yīng)商要準(zhǔn)確地滿足客戶對于產(chǎn)品高質(zhì)量、高產(chǎn)量、高效率且經(jīng)濟(jì)性的要求。因此.熱成形加熱爐的設(shè)計要滿足大范圍的需求.比如較少空間要求、高靈活性、易于操作、高產(chǎn)量等。加熱爐作為能夠影響產(chǎn)品性能和能源消耗量的設(shè)備.是實現(xiàn)低故障、高效率生產(chǎn)的基石。

熱成形領(lǐng)域中不同類型的加熱爐技術(shù)及其應(yīng)用

文/陳林·艾伯納工業(yè)爐（太倉）有限公司