軸類鍛件調質設備高效節能改進

文/于明星，郝以領，張延森，劉雪喜，欒巖巖·一拖（洛陽）鑄鍛有限公司

問題描述

我公司原用懸掛式調質爐(天然氣爐)對客戶的軸類鍛件進行熱處理調質，該設備爐膛較大再加上爐頂是懸鏈式密封不嚴，致使該爐能耗巨高，隨著近幾年天然氣費用不斷上漲，該設備平均能耗達532 元/噸(行業平均能耗低于300 元/噸)，嚴重降低了產品利潤空間，同時該設備自動化程度低，需要5 人操作，人工成本高，軸類鍛件在此設備中熱處理出現虧損狀態，而新產品的報價又毫無競爭力。

現通過設計制造生產能力為1 噸/小時的推桿式電加熱調質爐，全年產能為7200 噸(按開動300天計算)，從懸掛式調質爐轉移的軸類鍛件產能基本滿足新建調質爐的滿負荷生產。新爐能耗小于260 元/噸，能大幅降低目前能耗，降低能源成本、清潔環保，提高市場競爭力的同時，通過自動化控制，新調質爐只需2 人操作，節約了人工成本。

設備簡介

如圖1 所示，推桿式電加熱調質爐采用推盤式結構(加熱爐和回火爐)，呈“一”字式布置，除裝、卸料為人工操作外，其余均為全自動化生產；整條生產線配置可靠的機械傳動裝置，高質量、高精度的自動溫度控制系統，直觀的生產線動作狀態顯示界面，是一種高可靠、高質量、智能化的熱處理調質生產線。

圖1 軸類鍛件調質爐整體布置圖

淬火加熱爐及循環機構

由淬火主推料機、爐體、爐襯、加熱器(電輻射管)、爐內軌道、料盤、料高限制裝置、爐門及升降機構、攪拌風機、淬火出料倒料機構、淬火料盤移位機構(前/后)、淬火料盤返回機構、上料平衡吊等組成。

其中，加熱器由兩側布置的裸露式電加熱輻射管，鼠籠狀電阻絲及陶瓷芯組成，裸露式電加熱輻射管共36 支，電阻絲材質為0Cr27Al7Mo2，分5 區布置，總功率540kW。在加熱爐爐體后半段保溫區設置有2 套高溫軸流攪拌風機強循環，保證工件加熱均勻度。風機采用風冷卻，軸承、軸、螺母、風葉均為0Cr25Ni20Si2 材料制作。在爐體的頂部5 個加熱區各設有0 ～1100℃“K”型雙芯控溫熱電偶溫度傳感器，將信號傳送到電控柜的溫度儀表。淬火槽由槽體、筒式循環攪拌機、換液泵、換熱器、測溫熱電偶等組成。工件淬火端設有強循環管道攪拌裝置，使循環液強制循環沖擊工件，提高工件淬透性。筒式循環攪拌機采用4 臺7.5kW 電機，并設有氧化皮過濾網。淬火有效區域內介質流速大于1.07m/s，攪拌電機采用變頻設計，可根據淬火工藝的需要調整流速大小。同時淬火槽淬火區域內有介質溫度檢測點和溫度顯示裝置，檢測點盡量靠近工作區，監測點2 個。設檢測淬火液溫度的熱電阻Pt100，并帶超溫報警。

回火加熱爐及循環機構

由回火主推料機、爐體、爐襯、加熱器、爐內軌道、料盤、料高限制裝置、爐門及升降機構、循環風導向板(內膽)、風機循環系統、回火出料機構、風冷室、回火料盤位移機構(前/后)、回火料盤返回機構、上料平衡吊等組成。

其中，加熱器由兩側布置的裸露式電加熱輻射管，鼠籠狀電阻絲及陶瓷芯組成，電加熱輻射管共48 支，電阻絲材質為0Cr27Al7Mo2，分8 區布置,總功率510kW。在爐體的頂部8 個加熱區各設有0 ～1000℃“K”型雙芯控溫熱電偶溫度傳感器，將信號傳送到電控柜的溫度儀表。爐頂上布有高溫離心循環風機共8 套，風機電機為Y 系列，功率5.5kW，通風機軸、螺母、葉輪、爐內導風系統、導流板材質均為不銹鋼SUS304。循環風導向板(內膽)為使熱風的循環按一定的方向高速流動、熱傳導，讓工件的受熱更加的均勻，爐溫均勻性要在±5℃以內。冷卻噴淋室為籠式結構，設置在料盤返回架后半段，料盤返回架移動到噴淋室中間位置，噴淋室前后安裝有阻擋門，頂部有800mm×800mm 排熱氣口，在料盤的上部及前后左右均設置有噴淋水嘴，下部設置有接水盤，噴淋落下的水就集中到接水盤，再通過管道排走。噴淋管道設置有自動控制閘閥，料盤到位后阻擋門關閉，自動噴淋打開，噴淋完成后自動噴淋關閉，阻擋門打開(阻擋門為液壓式)。冷卻主要是為了防止工件出現回火脆性，同時降溫便于人工卸料。

控制系統

控制系統分溫度控制、記錄和機械動作控制節拍時間兩大部分。根據該爐設計分區要求，淬火爐分5個溫區，回火爐分8 個溫區，共13 個溫區。每個溫區均采用雙表制(即日本原裝進口儀表控溫并帶超溫報警，觸摸屏式記錄儀記錄溫度)，功率調控器PID調節。淬火槽介質采用熱電阻檢測顯示淬火液溫度。控溫儀采用日本原裝進口的高精度智能數控儀，該表內置“專家PID”調節模型，具有無超調、無欠調的高調節品質，質量可靠，電壓、環境溫度適應范圍寬，抗干擾能力強等優點。該表操作簡單，雙排數顯分別顯示設定值和實測值，具有PID 參數自動控溫，熱電偶或系統誤差校正等多種功能，帶通訊接口與計算機聯網，并帶超溫報警，當溫度超過設定值，報警儀斷開交流接觸器，使加熱主回路停止加熱，保證工件加熱不超溫。記錄儀采用昆侖通態觸摸屏式記錄儀，可記錄顯示淬火爐、回火爐升溫、保溫、程序動作等熱處理工藝的全部過程。主回路采用大功率一體化調功器作為調功執行元件，在可控硅前端設有復合式自動空氣開關，作為主回路過流、過載保護。并設有可控硅專用快熔保護可控硅。在主回路中設有電流互感器和電壓換相開關，通過電流、電壓表，監視主回路電流大小、三相是否平衡和缺相情況。

在機械動作控制系統中，淬火爐的出料機構、移位機構、返回機構，回火爐的出料機構、移位機構、返回機構均采用電機減速機傳動執行其機械動作，電機控制由按鈕、指示燈、電機保護開關、熱繼電器、交流接觸器等組成，并設有過載缺相保護。其他淬火爐和回火爐爐門升降，倒料翻轉、淬火籠升降、淬火爐和回火爐主推料機的機械動作均由液壓系統完成，液壓回路設有單向節流調速閥、電磁換向閥、卸荷閥等；所有的動作和時間控制由一臺西門子可編程邏輯控制器PLC 來完成，通過事先編制的軟件嚴格控制工藝流程和聯鎖邏輯保護，并設有原點自診斷功能，以及“手動—自動”切換。

一體機觸摸屏顯示系統及控制

該爐由一體機觸摸屏、PLC 可編程序控制器、操作執行等三大部分組成一套完整的控制模式。通過觸摸屏可查詢整個生產線的各種工藝參數，通過電腦可操作總攬全部設備的運行狀態，通過一體機觸摸屏能供用戶隨時輸入及導出數據和圖表。

觸摸顯示屏系統采用一體機觸摸屏對整個生產線的溫度、機械動作實現監控管理，采用組態式工控軟件，能以棒圖、趨勢圖、數字或模擬儀表等多種畫面顯示各區的測量溫度、工藝設定溫度、溫區的功率輸出百分數等。同時以動態畫面實時反映生產線的動作過程。并可在觸摸屏上對各工藝參數、溫度參數進行設定、修改等。由控溫儀、PLC 可編程控制器內部的通訊接口與觸摸屏聯網。當觸摸屏停止使用時，生產線自動轉為儀表和PLC 控制，不影響設備的正常運行和自動化程度。觸摸屏可存儲歷史工藝曲線，便于追查和質量分析。

智能儀表、PLC 采用日本原裝進口的高精度智能PID 溫度控制器儀表SRS13A，該表是專為熱處理設備設計生產的溫控專家儀表，其具有熱電偶自由輸入功能，質量可靠，電壓環境溫度適應范圍寬，抗干擾能力強，能在環境惡劣的熱處理車間現場長期穩定工作。其控溫調節算法是繼雙自由度、自適應、模糊等控制理論之后，在世界上首次針對熱處理爐的“無超調”專家PID 新算法，實現了無超調、無欠調、快速升溫和抑制擾動的優異調節品質，簡化了操作者對控溫PID 參數整定。同時，可在觸摸屏系統中完成爐溫測量與調節，并通過標準通訊接口與上位機通訊，其與觸摸屏通訊的軟件，已由生產廠家固化在儀表中，無需用戶再開發。

PLC 采用西門子可編程控制器，該控制器質量可靠，電壓環境溫度適應范圍寬，并設有標準通訊接口，與觸摸屏聯網組成實時控制系統，其與觸摸屏的通訊軟件已由生產廠家固化在PLC 中，無需再開發，方便聯網。組態式工控軟件采用工業自動化監控專用軟件，該軟件是一種通用性極強的軟件，可運行于Win98/2000/XP 等中文平臺，具有友好的全中文界面，簡便易學；具有完善的工程管理系統，對所作的工程具有有效的管理和保護；具有強大的畫面制作系統，支持無限色32 位真彩，過渡色紋理，支持多種圖形文件格式，擁有完備的工具箱和豐富的圖庫，能構造出逼真鮮明的圖形界面；豐富的組態管理工具如變量報告，查找變量，替換變量拷貝動畫等，能構造出龐大的動畫系統；具有強大可靠的數據記錄和查詢系統，記錄曲線和制作報表。卓越的報警管理系統和查詢系統，支持多種報警方式，能忠實記錄報警，并方便查詢。

目前，需要進行調質處理的鍛件主要是曲軸類和半軸類零件，幾種典型零件工藝參數見表1。

表1 調質處理的幾種典型零件工藝參數

質量指標及優點

晶粒度小于等于5 級(按照GB/T 6394-2002標準評定)。要求淬火后硬度不小于450HBW(45 材料)；淬火后硬度散差單件不大于15HBW，同批不大于20HBW。回火后硬度散差單件不大于15HBW，同批不大于20HBW。熱處理質量受鋼材成分、工藝、淬火液冷卻性等影響。

針對需求方加熱工藝特點，進行調質生產線的優化設計，包括機械結構、熱工動力和電控系統等等。采取成熟、先進的工藝技術措施，使得生產線熱效率和爐溫均勻性、溫控曲線準確性、生產效率等與目標熱處理要求相匹配。系統工作穩定、保護功能可靠、故障率低。在保證設備正常運行的同時實現節能降耗，單位耗能達到一等爐標準(噸耗小于390kW·h)。

該推桿式電加熱調質爐為連續作業生產線，爐體內襯采用硅酸鋁全耐火纖維模塊結構，爐子四周采用全耐火纖維軟密封結構，即可靠簡單，密封保溫性又好、重量輕蓄熱損失少，確保爐子升溫速度快、達到節約能源、使用壽命長之效果；推料方式采用液壓缸推料形式，通過推動料盤在滾輪(固定在導軌導枕上)上按節拍行走，料盤可實現爐外自動回轉功能；爐體、爐門采取可靠的密封方式，并與推拉料實現安全互鎖；采用人工智能調節方式和觸摸屏監控系統，以對生產線的爐溫等參數、加熱狀態進行實時采集和監控；爐溫采用智能溫控儀表控制，以提高控制精度。

該條生產線設計淬火進料為人工裝料，淬火時工件直接傾倒入水，保證了淬火的時間(入水時間小于18 秒)，然后料盤自動返回裝料位置；由于工件的特殊性，回火進料裝料和卸料在同位置，人工干預裝、卸料，整條生產線安全可靠，動作準確順暢，兩人操作即可完成。

結論

新建節能、高品質、自動化的調質生產線可以降低能源消耗、提高產品質量、提升生產效率，產品市場競爭力明顯增加。設計、制造推桿式電阻調質爐，對軸類鍛件進行調質，能大幅降低目前能耗，降低能源成本、清潔環保，提高市場競爭力的同時，通過自動化控制，節約人工成本。