等溫正火線風冷系統探討

馬鋒剛，雷海嬌

隨著等溫正火工藝在實踐中的不斷應用，各種等溫正火設備也越來越多。在設備的組成部分中最重要的就是冷卻系統，因為在等溫正火工藝中其中間冷卻系統是決定工件質量的關鍵環節。

要比較等溫正火風冷系統必須先從工藝入手。圖1是材質為SEA8620RH鍛件的等溫正火工藝曲線，在將工件完全加熱到Ac3線以上的適當溫度得到均勻的奧氏體后，先將工件冷卻到等溫轉變圖鼻子溫度，然后在低溫爐中進行等溫轉變，最后再空冷到室溫。中間冷卻階段（從奧氏體化溫度冷卻至等溫處理溫度的階段）是等溫正火的關鍵，其又分為速冷和緩冷兩個階段。

為了有效地控制帶狀組織，又避免貝氏體出現，在工藝上制訂出速冷與緩冷相結合的方法，在速冷結束時已經有一定量的鐵素體從奧氏體中析出，工件溫度約720℃，冷卻速度約70℃/min；緩冷階段風量相對較小，此過程要控制不讓鐵素體析出，防止形成魏氏體組織, 冷卻速度約20℃/min，工件溫度600℃左右。中間冷卻過程必須要有可靠的冷卻系統來保證。下面分析一下常見的幾種冷卻系統的作用及優劣。

1. 風冷系統比較

以下對目前實際生產中使用較廣泛的幾種等溫正火線風冷系統進行介紹和比較，最后提出認為較為理想、功能齊全的風冷系統。

（1）第一種 這是最基本的一種風冷系統，結構簡單，造價較低，經濟適用，能夠滿足掛裝的裝料形式，或20CrMnTi、20MnCr5、8627、45鋼之類不易出現斷離珠光體或魏氏體等非平衡組織的材料。它是由變頻器、電動機、風機、速冷室和管道組成，強冷和緩冷通過變頻器調節電動機轉速，從而改變風量控制。進風口和出風口直通外界大氣。圖2是向下吹風形式，圖3是向上吹風形式，相比上吹比下吹冷卻速度快、效率高，且容易布置，節省管道，唯一要注意的是料盤的透風性要好。根據設備情況、工件堆放情況和工件截面大小，緩冷風量（或風機轉速）一般為強冷的1/5～1/2。

（2）第二種 這種風冷系統強冷和緩冷風量控制跟 “第一種”一樣，但是多加了緩冷時的內循環換向蝶閥和速冷室上端和下端蝶閥。內循環換向蝶閥如圖4所示，有“開”和“關”兩個位置，其通過電動機帶動，在緩冷時吹向工件的風是已經被工件加熱過的空氣，其作用是冷卻速度更慢，能更好地起到緩冷的作用，而不至于使料盤上表面的工件溫度降得太低，使堆放的工件冷卻更均勻。速冷室上端和下端蝶閥可將冷卻系統有效隔離，在工件轉料過程中不受冷卻系統干擾，特別是冷卻室和加熱室只有一門之隔的爐子結構就更需要這兩個蝶閥了。總的來說，這種結構簡單實用，工藝性能穩定，能夠生產出質量穩定的產品，可以滿足需求。

（3）第三種 這種結構（見圖5）變化較大，首先強冷增加了風向變化。先向上吹風，特點是管道短、彎曲少、冷速最快；再向下吹風，使堆放的工件上下冷卻均勻，冷速快。其次，增加了一個小風機，這樣就省去了價格昂貴的變頻器控制裝置。再次，由于管道上閥門較多，使用電動機帶動造價太高，所以一般都會選擇氣動元件（氣缸）帶動，這就使閥門控制的故障率較高。最后，其還有一個不足就是沒有變頻器控制的風機，其強冷和緩冷的強度（即風量）無法靈活調節，這就限制了工藝的靈活性。

圖1 齒輪鍛件的等溫正火工藝曲線

圖 2

圖 3

圖 4

圖 5

（4）第四種 最理想的風冷系統，這是因為其除了有前面各種系統的所有優點，即變頻器控制電動機轉速的風機（實現強冷和緩冷風量可調）、上下吹風變化和緩冷內循環功能，而且還增加了噴霧裝置和測溫系統（見圖6）。當熱處理截面較大、淬透性較低的工件時，即使將風機轉速調到最大也不能滿足工藝要求的冷卻速度，這時，解決辦法有兩種：一是減少裝筐量；二是增加風的冷卻能力。

第一種直接影響生產效率，不可取；第二種就可由噴霧裝置實現，在速冷室上端和下端分別伸出的兩個噴頭噴出霧化的水是混合在風中直接作用于工件，使風的冷卻能力大大提高。而測溫裝置的作用主要用于新設備的工藝調試，如前所述，工件要在速冷室強冷后約720℃，緩冷后約600℃，只要通過觀察紅外測溫裝置的指示值就很容易確定工藝規定的強冷時間和緩冷時間參數。但是平時生產中一般不用，因為等溫正火是預處理，一般沒有氣氛保護，工件在加熱和冷卻過程中會產生大量氧化皮，其與灰塵共同作用很容易遮擋紅外探頭，影響測量的準確性。風溫測溫裝置可以直觀地指示強冷和緩冷時的風溫，指導工藝人員調整工藝參數。隨著四季溫度的變化，在強冷過程中風溫分別是15℃和45℃時，其冷卻能力是不同的，這時就需要調整工藝參數。方法一，提高風機轉速；方法二，延長吹風時間。

2. 影響風冷系統的其他方面

前面提到，中間冷卻階段是等溫正火的關鍵，所以吹風系統的可靠性直接關系到產品質量。而實現上下吹風和內循環轉換的擋板又必不可少，所以要降低擋板故障率的最好辦法是用電動機驅動6個擋板動作，或選用質量較好的氣動元件和氣管。因為速冷室周圍溫度較高，特別是工件轉移過程中的烘烤和吹風時漏出的熱氣很容易使氣管軟化爆裂，所以還應將氣管用耐熱或隔熱材料（如保護套管）保護。同時為防止高溫工件烘烤，還應將所有氣動元件和氣管布置在接近低溫爐的一面。一旦發生故障，要能夠及時發現，所以風冷系統的可視化監測功能就尤為重要。速冷室一般離操作臺較遠，故障時不易發覺，如果操作臺上的顯示屏能直接顯示風機運行情況和擋板位置，最好是示意圖的形式，操作工就很容易掌握風冷系統的情況，從而防止大批量不合格情況發生。

從工藝性來說，正火不需要預冷，所以轉料時間越短越好。這里所說的轉料時間有兩個，即S1：料盤從高溫爐開始出料到進入速冷室開始吹風所需時間；S2：料盤開始出速冷室到進等溫爐所需時間。對于S1以15s以內最佳，最長不能超過30s。S2可以相對放寬要求，但也不能超過60s，最好也在15s以內。之所以要求轉料時間，這是因為根據長期生產經驗，轉料時間越短的設備，產品質量越穩定。

速冷室各部位風量和強度的均勻性也很重要，直接影響到整筐工件冷卻的均勻性，導致產品質量是否穩定，工件硬度散差較大或個別工件的金相組織部分不合格。解決這一問題的最簡單和有效的方法就是在風道內加“導流板”，同時可以利用“風速測量儀”定量測量速冷室內料盤所在平面各個部位的風量強度，調整導流板直至達到均勻為止。

圖 6

3. 結語

通過以上等溫正火線各種風冷系統的對比，總結出以下幾點：基本功能要有強冷和緩冷轉換； 可選功能包括風量可調、風向轉換、內循環、噴霧和測溫；同時降低故障率、可視化監測、控制轉料時間、風量均勻性也是非常重要的影響因素。