大型立式高壓氣淬真空爐的研制

宋景龍，劉文瑛，孟麗，劉曉偉，趙燕平

目前，真空淬火爐主要以真空油淬和真空氣淬為主，它們各有其優缺點。從淬火后的表面質量看，真空油淬比真空氣淬光亮度低20%～30%，而且要進行清洗；從淬火后工件力學性能看，高速鋼工具經過真空油淬后在工件表面形成一個由殘留奧氏體和碳化物組成的白亮層，經X射線結構分析證明：白亮層是由大量復合碳化物和殘留奧氏體組成，形成碳化物的碳不是來自于爐內的殘存氣氛，而是來自淬火油。

1.研制的原因

影響真空氣淬冷卻能力有三個因素：一是淬火氣體的種類，冷卻能力從高到低依次是H2、He、N2、Ar；二是淬火時充氣的壓力，充氣壓力越高，真空爐的冷卻能力越強，但當壓力增高到一定程度后其影響減弱；三是通過工件的傳熱介質的流量，通過工件的流量越大，真空爐的冷卻能力越強。另外，通過爐料的氣流分布以及流過工件加熱氣體的再冷卻，也對高壓氣體淬火的冷卻效果有影響。

2.真空爐組成及性能介紹

HZQL—450立式高壓氣淬真空爐主要由設備主體、升降機構、水冷系統、充氣系統、真空機組、氣動系統、電氣系統及液壓系統等組成。設備主體如圖1所示。

（1）殼體 爐體由雙層鋼板構成套形的立式圓筒結構，套內通入冷卻水，兩端與法蘭焊接而成。這種爐殼結構強度高、易加工、焊縫少、節省材料。爐體內壁刷有低放氣率、防銹、耐高溫的聚四氟乙烯涂層，能夠適應溫度及壓力的急劇變化。

爐體上設有用于加熱的水冷電極接口、熱電偶接口（可根據客戶要求配置相應數量的熱電偶接口，以保證加熱室爐溫均勻度的控溫精確和安全性），以及便于起吊安裝用的吊耳。另外，還有真空管路、放氣閥等接口以及用于觀察室內情況的觀察窗。各個部件的連接處都有可靠的真空密封。

（2）加熱元件及隔熱屏 加熱室形狀為圓筒形，由加熱元件和隔熱屏組成。加熱元件為石墨板材，加熱最高溫度可達1320℃。采用三角形接法，沿加熱區圓周均勻分布，以提供良好的爐溫均勻度。多塊石墨板材搭接不但保證了加溫迅速，長期使用不易因高溫產生變形，而且拆卸方便，易于維修。

目前，真空爐中絕緣裝置的導電桿上多采用普通結構瓷墊，由于爐體內有很多粉塵，容易覆蓋在瓷墊上，污染瓷墊，生產幾爐產品后，瓷墊開始變得導電，瓷墊絕緣失效。筆者設計的陶瓷絕緣結構克服了瓷墊易變導電等不足。

圖1 HZQL—450立式高壓氣淬真空爐

水冷電極與爐室內電熱元件相連，通過爐殼時采用真空橡膠圈密封。通水的目的是防止溫度過高而燒壞密封圈。電極采用大面積純銅制造，能夠保證電流密度盡量小且拆卸方便。

文獻[1]規定鏈路總衰減量為30dB，文獻[2]規定鏈路總衰減量為20dB，相當于本文方法中可調衰減器衰減量分別為20dB和10dB時的情況.

隔熱屏為兩層石墨硬氈和三層軟氈組成的圓形結構，保溫效果好，使用壽命長。石墨硬氈分瓣搭接并用鉬螺栓固定在加熱室框架上。加熱室框架作加固處理，保證工作時不變形。且設有觀察孔便于觀察爐內工作狀態。

測溫元件采用“S”偶和工件偶進行測溫。在1000～1300℃用“S”偶，在1000℃以下用工件偶，以跟蹤工作溫度變化。

（3）氣淬循環系統及充氣系統 氣淬循環系統位于殼體上方，由處于密封狀態下的風機機組、熱交換器、內置風道裝置及噴嘴組成。風冷電動機功率315kW，連接離心葉輪，轉速可達3000r/min，以實現快速起動。

內置風道上出口端布置有風向強制導流板，可保證氣流均勻、高速噴吹料筐內的各個工件，設計速度達20m/s，高速氣流將高溫工件的熱量強力吹出，并通過熱交換器進行熱量交換，冷卻后的氣體又被離心葉輪再次高速噴出，形成一個循環回路。

熱交換器由帶翅片的全銅管制作，換熱面積大，冷卻快，效率高，可以實現氣體的快速冷卻。24根通風管沿圓周均勻分布且每根上布有5個噴嘴，共計120個噴嘴對工件360°范圍內噴射冷卻。傳統氣淬結構由噴嘴直接吹出高壓氣體，易使工件變形大，筆者設計的噴嘴裝置可使氣體從四周噴出，有效防止了直接吹向工件引起變形大的問題。

高純氮氣儲氣罐連通的管路上裝有壓力傳感器、安全控制閥、電磁氣動蝶閥等，根據熱處理工藝壓力的要求完成工件淬火氣體的快速充入及淬火完成后氣體的排出。充氣壓強最高可達10bar。

真空爐中的充氣冷卻技術是決定熱處理質量的關鍵技術，為了實現零件淬火時的快速充氣，配備了2.5MPa、13.5m3的儲氣罐、充氣閥和管路組成的空氣系統。爐體內的壓力值由電接點真空壓力表控制和指示，大口徑充氣裝置可使真空爐在很短時間內獲得工藝要求的充氣壓力，保證工件淬火時的冷卻速度，大大提高了工件的淬火冷卻能力，且拓寬了真空淬火工藝的應用領域。

（4）爐臺升降及旋轉機構 爐臺升降及旋轉機構如圖2所示，爐門位于爐體的下部，爐床及爐門的隔熱屏均安裝在爐門上。爐門采用電動機驅動絲杠進行升降；爐門的行走由電動機通過減速機進行驅動；相應的行程開關對爐蓋小車的升降位置和水平運行位置進行控制。傳統真空爐工件的加熱方式是工件固定不動放在料盤上，料筐內工件容易受熱不均勻而產生變形。

我們克服了現有技術中的缺點，提供了一種料盤旋轉裝置，把工件直接放在料盤上隨之旋轉，并附帶對旋轉工件測溫裝置。保證工件的加熱均勻，防止受熱不均產生變形，并且能實時監測、記錄料筐內工件溫度。

熱處理實例：材料為H13鋼，工件形狀如圖3所示，加熱溫度1030℃，5bar氣冷。裝爐垂直擺放，用料臺旋轉法處理的結果是工件圓度誤差量平均為6.5μm，而料臺不旋轉法處理的圓度誤差量平均為19.5μm，回火后此值變化不大，硬度均能達到48～52HRC。

爐體與爐蓋之間的密封，采用橡膠密封圈，并用鎖圈保證負壓的密封及爐蓋和工件的重量支撐。鎖圈的的啟閉采用液壓方式。

爐床支撐在爐體上的爐床支座上，采用八爪式結構（見圖2b），能夠保證爐床支座轉動時料筐的穩定。爐床上安有使之與工件絕緣隔離的氧化鋁隔條，防止工件受污染。我們采用了一種爐床支柱可調節裝置，克服了以往爐床支柱不可以進行精準調節等不足。

圖2 爐臺升降及旋轉機構

（5）真空系統 真空機組由兩套羅茨泵和滑閥泵、真空管路、真空蝶閥、電磁閥、真空壓力表、真空規管及真空繼電器組成，確保極限真空度能達到4×10-1Pa，工作真空度5Pa，壓升率≤0.5Pa/h。在泵的選擇上對容器的容積具有充分準備，保證了迅速抽空時間。即使其中一臺真空泵出現故障，另一組真空泵也能照常工作，不影響生產。

所有閥由電/氣自動程序實施控制且聯動互鎖，斷電時閥門自動關閉以保持爐內壓力狀態。真空管路采用氣流流態優化設計理論，阻力極小，管路短且緊湊。此外，在真空管路中還采用了傳遞扭動或擺動的不銹鋼波紋管密封結構，能夠有效減少振動。

目前，常規真空爐上真空規管直接與爐體接管相通，爐體內有粉塵或處于高壓狀態時對真空規管造成污染，使真空規管失靈或損壞。我們采用真空規管保護裝置，能夠有效地保護真空規管，防止其損壞。

（6）水冷系統 水冷卻系統為封閉式進回水方式，由不銹鋼截止閥、電接點壓力表、管路、水流顯示器等組成。用于對殼體、電動機罩、水冷電極等設備機構的冷卻，保證設備溫度正常，延長設備使用壽命。進水管預留消防水接口，增加三通和截止閥。外循環水管布置整齊美觀，每根水管上皆有水路標識，便于維修。

為了保證標準的水流量，一個水流閉鎖裝置安設于明顯位置，當開關正常工作時，電流施加于加熱元件上，爐子工作，如果水流斷流>5s，在工作溫度下工作的爐子電源切斷加熱元件。

（7）供電及控制系統 電氣控制系統由調壓器、晶閘管和微處理機組成的溫度可編程序控制和由PLC組成的機械動作可編程序控制兩部分組成，可實現自動化程序操作，并兼有手動操作功能。

主、從表采用英國歐陸公司生產的2604智能化溫度控制儀，控溫精度±0.1%，可存儲50條工藝曲線，每條曲線20段，多組PID參數，有PID參數自整定功能，并帶有RS232接口，可與外部設備進行通信。

采用CP1E可編程序控制器（日本歐姆龍），實現操作過程自動控制。機械動作及熱處理工藝所要求的充氣、超壓放氣、水壓、真空系統的各個閥門的控制信號全部由PLC完成，自動化程度高，并有故障自診和監視功能。系統除了具備全部操作過程完全自動功能外，還具備手動操作功能，以便操作者逐步操作完成各個步驟。

采用大電流、低電壓供電方式，使用晶閘管調壓器與智能化控溫儀表配合，可實現溫度的連續調節。

記錄儀采用32通道DPR250寬幅有紙記錄儀（美國霍尼韋爾公司），具有溫度、壓強、時間和記錄功能。其精度等級為0.05級，采樣率20次/s，走紙速度和表格模式可選，具有報警功能。可通過U盤方便地轉移數據，在計算機上觀看和打印歷史數據。

圖3 階梯軸的形狀及真空氣淬后的變形量

測溫元件采用雙芯偶，一芯用于控制溫度，一芯用于記錄和報警。

控制柜上設有大型控制模擬板。控制模擬板可直觀地顯示泵、閥門、風冷電動機、液壓缸等工作狀態信息，并可通過有關按鈕進行手動操作。控制柜留有備用操作按鈕，平時可鎖閉，計算機控制系統出現故障時可啟用備用控制單元，避免延誤生產。

具有超溫、過流、斷水、誤操作等聯鎖保護功能，并設有簡單故障自診斷功能，能及時顯示故障源并且有聲光報警系統。

采用觸摸屏控制系統，采用MCGS人機界面對整體設備的工況進行控制和記錄。