環(huán)件軋制節(jié)能節(jié)材新路徑

文/戴玉同，胡飄·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

環(huán)件軋制節(jié)能節(jié)材新路徑

文/戴玉同，胡飄·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

環(huán)件軋制又稱環(huán)件輾擴(kuò)或擴(kuò)孔，是生產(chǎn)環(huán)形件的一種有效方法，它是借助環(huán)件軋制設(shè)備—軋環(huán)機(jī)（又稱輾擴(kuò)機(jī)、輾環(huán)機(jī)或擴(kuò)孔機(jī)）使環(huán)件產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壁厚減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形的塑性加工工藝。目前用于軋制成形的環(huán)件材料主要有碳素鋼、合金工具鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金和鈦合金等。

圖1臥式徑軸向熱軋制技術(shù)

臥式徑軸向熱軋制技術(shù)如圖1所示，其軋制原理為：驅(qū)動輥?zhàn)餍D(zhuǎn)運(yùn)動，靠其與環(huán)件表面的摩擦，帶動環(huán)件一起旋轉(zhuǎn)，芯輥?zhàn)髦本€進(jìn)給運(yùn)動，并在與環(huán)件的摩擦作用下，作空轉(zhuǎn)運(yùn)動，使環(huán)件在驅(qū)動輥和芯輥構(gòu)成的孔型中實(shí)現(xiàn)局部徑向壁厚減小。與此同時，兩個軸向錐輥?zhàn)餍D(zhuǎn)運(yùn)動和軸向進(jìn)給運(yùn)動，使環(huán)件在兩輥構(gòu)成的孔型中實(shí)現(xiàn)局部高度減小。兩個導(dǎo)向輥在背壓力作用下，以一定的方式運(yùn)動，并始終與環(huán)件保持接觸，對環(huán)件施加很小的支持力，使環(huán)件保持一定的圓度和防止環(huán)件在軋制過程中歪斜。這樣經(jīng)過多轉(zhuǎn)軋制，環(huán)件就能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)地壁厚減小、高度減小、內(nèi)外徑增大和截面輪廓成形的塑性變形，并最終獲得符合尺寸要求和形狀要求的環(huán)形產(chǎn)品。對于臥式徑軸向環(huán)件軋制，其一般加工過程如圖2所示。

圖2臥式徑軸向環(huán)件軋制加工過程

能源消耗和材料損失

能源消耗

在環(huán)鍛件的生產(chǎn)過程中，工件和坯料的加熱過程對能源的消耗最為明顯，這與我國現(xiàn)行的加熱設(shè)備損耗高、資源浪費(fèi)、污染嚴(yán)重及使用壽命短等普遍現(xiàn)象有密切的關(guān)系。就整體而言，我國熱處理設(shè)備陳舊，爐襯蓄熱量大，爐壁溫升高，散熱損失大，保溫性能差，管理落后，工藝也保守，這些都致使熱處理過程能源利用率偏低。目前，環(huán)鍛加工過程中鋼錠加熱和后續(xù)熱處理的傳統(tǒng)加熱設(shè)備主要有燃煤爐和電阻爐兩種，其加熱的效率偏低，爐溫均勻性較差，爐體設(shè)計(jì)欠佳直接導(dǎo)致熱量的損失嚴(yán)重和能源的浪費(fèi)。

在制坯和輾環(huán)過程中，所使用的設(shè)備主要是以水或油為介質(zhì)的液壓機(jī)和各種型號的輾環(huán)機(jī)，其中大部分是沿襲蘇聯(lián)20世紀(jì)四五十年代的設(shè)計(jì)方案，存在先天性能耗高問題，其能耗損失與介質(zhì)傳遞過程的長短，設(shè)備技術(shù)狀態(tài)與管理的科學(xué)性因素有著密切的關(guān)系，因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)，注重保養(yǎng)，科學(xué)管理都有利于能耗的減少，其節(jié)能潛力很大。另外，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各工序之間的輪轉(zhuǎn)所帶來的附加熱量損失不僅影響到正常加工，還增加了單位能耗，所以合理布置生產(chǎn)線，提升生產(chǎn)線的自動化程度，減少生產(chǎn)輔助時間都有利于節(jié)能。

材料損失

為使生產(chǎn)的最終環(huán)鍛件滿足使用要求，在各工序中都需要考慮材料的損失，并留有足夠的余量，但這也增加了生產(chǎn)的成本和材料的浪費(fèi)。在機(jī)加工過程中，損失最為嚴(yán)重，目前國內(nèi)的環(huán)件軋制技術(shù)，特別是對于大中型環(huán)件，精度很難保證，穩(wěn)定性也不夠高，因此，為保證產(chǎn)品合格率，過分放大了加工余量，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在車削加工中，損失的材料達(dá)到鍛件的10％～25％，嚴(yán)重地浪費(fèi)了材料。

廢品的產(chǎn)生也是材料浪費(fèi)的重要來源之一。在環(huán)鍛件的生產(chǎn)過程中，廢品率可達(dá)到1％～3％，特別是中大型環(huán)件，其廢品率可高達(dá)5％。廢品的產(chǎn)生與生產(chǎn)過程的不穩(wěn)定性有密切的關(guān)系，環(huán)件鍛壓與徑軸向軋制過程自動化程度不夠高，軋制工藝規(guī)范理論還不夠成熟，研究所得的成果也還沒有真正用于實(shí)際生產(chǎn)，工藝規(guī)范很大程度上取決于操作工人的經(jīng)驗(yàn)，大大增加了廢品率。另外坯料加熱所帶來的氧化損失也不容忽視，火耗量一般為3％～8％，成為材料浪費(fèi)的又一來源，采用少無氧化加熱，在爐體設(shè)計(jì)中增加排氧耗氧裝置，不但能減少氧化損耗，還有利于鍛件質(zhì)量的提高。

節(jié)約能源，提高材料利用率的措施

提高加熱爐的加熱效率

采用新型燃燒裝置和爐用材料，提升爐子的升溫速度和爐溫均勻性，改進(jìn)加熱方式，高效地進(jìn)行余熱回收，實(shí)現(xiàn)爐子的自動檢測與控制是提高能源利用率的有效手段。在設(shè)計(jì)新爐時，要根據(jù)鍛造加熱工藝的要求與加熱工件特點(diǎn)，合理選擇爐型，并有針對性地選用高效節(jié)能型燒嘴?？蓪t襯材料改為耐火纖維或輕質(zhì)耐火磚，也可用耐火纖維和爐頂預(yù)制塊相結(jié)合的方式以及爐頂整體澆注的方式代替耐火磚作為加熱爐爐襯。設(shè)置合理的高效余熱回收裝置，利用煙氣余熱對燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)行預(yù)熱，這些都有助于提高爐子的熱效率。與此同時，要將工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用到生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)全面管理，減少人為因素，促使加熱過程乃至整個生產(chǎn)過程趨于規(guī)范化、精細(xì)化。

將傳統(tǒng)的燃煤爐改造成天然氣爐，利用燃燒高效，分布合理的燒嘴并采用先進(jìn)的控制方案，能有效地節(jié)省能耗。張家港海陸環(huán)鍛公司投資800余萬元實(shí)施加熱爐煤氣改用天然氣，淘汰目前高能耗、高污染的10臺煤氣發(fā)生爐，環(huán)鍛生產(chǎn)線加熱爐全部采用天然氣，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約標(biāo)煤704t，每年可減少SO2等污染源排放400多噸，同時煤改氣加熱的鍛件，加熱過程均衡，氧化量有效降低，有利于確保鍛造質(zhì)量。具有代表性的燃?xì)鉅t是9m×9m×3m臺車式燃?xì)鉅t，此臺車式燃?xì)鉅t和部件都選用優(yōu)質(zhì)材料制作，采用16個自動溫控天然氣高速燒嘴，時序脈沖式燃燒，自動點(diǎn)火，保留了手動溫控功能。熱處理工作效率高，燃料消耗低，其噪聲的產(chǎn)生及有害氣體的排放指標(biāo)均低于國家標(biāo)準(zhǔn)。近年來，張家港海陸環(huán)鍛公司著力進(jìn)行舊煤氣爐的改造，改進(jìn)爐門及吊門上限設(shè)計(jì)，加熱爐爐口由原來的直口改為臺階型，燃燒嘴由原來排布的直線形改為三角形，使?fàn)t子燃燒更加合理、耐用。煤氣管道加保溫棉，輸能管道采用5mm厚硅酸鋁耐火棉為內(nèi)膽，外邊用0.4mm彩鋼板包裹保溫材料。完善煤氣爐生產(chǎn)操作規(guī)程，合理安排加熱爐裝爐量，加煤作業(yè)時，勤加、少加，確保了煤炭充分燃燒。

改進(jìn)熱處理工藝

熱處理工藝可向兩方面改進(jìn)，一是通過控制鍛件的鍛后冷卻，防止形成粗大的鐵素體、珠光體以及析出網(wǎng)狀碳化物，使其直接獲得相當(dāng)于鍛后再次加熱進(jìn)行的常規(guī)淬火、退火、正火和等溫正火所得到的組織、性能，這樣常規(guī)的淬火、退火、正火和等溫正火的加熱均可取消。另一種方法是將鍛件直接送入熱處理爐中，利用鍛件的余熱進(jìn)行熱處理，以取代常規(guī)熱處理方式。最為典型的便是余熱淬火，其是指利用鍛件余熱在介質(zhì)中淬火，一般在820～900℃左右立即放入淬火介質(zhì)急冷以獲得淬火組織，并在合適的溫度下回火，用以代替調(diào)質(zhì)熱處理。環(huán)鍛件余熱淬火與常規(guī)熱處理相比，由于高溫加熱鍛造形變，使鋼件的馬氏體小角晶界增多，位錯密度增加，原始?xì)洳糠忠莩觯剂鸭y愈合減少，以及碳化物的彌散析出等使鋼件淬火硬度顯著提高，一般提高10％左右。在回火時，鋼件具有很高的回火抗力，回火溫度較常規(guī)提高，一般提高20～30℃，不僅提高了鍛件的質(zhì)量，也極大地縮短熱處理時間，可節(jié)省10％～20％的燃料。

優(yōu)化鍛造設(shè)備，注重設(shè)備維護(hù)

開發(fā)出精度更高、更穩(wěn)定、更節(jié)能的鍛壓機(jī)和輾環(huán)機(jī)，或者有針對性地進(jìn)行二次開發(fā)，使其更符合徑軸向環(huán)件軋制生產(chǎn)的特點(diǎn)，提升設(shè)備的自動化程度，降低報(bào)廢率。目前，不論是鍛壓機(jī)還是輾環(huán)機(jī)，人為因素對加工質(zhì)量都具有決定性的影響，加工進(jìn)給過程基本由人的經(jīng)驗(yàn)來指導(dǎo)，很容易導(dǎo)致廢品的產(chǎn)生，因此，自動化改造將是徑軸向環(huán)件軋制中的一個重要課題。例如，在現(xiàn)有的輾環(huán)機(jī)上可設(shè)計(jì)CAPP軟件系統(tǒng)或CAPP與CAM的集成軟件系統(tǒng)，使軋制過程更加規(guī)范化。另外，在日常使用過程中，要注意各運(yùn)動件之間保持潤滑，避免磨損與振動，防止生銹，從而降低機(jī)器的額外功率與耗電量。

采用近凈成形技術(shù)，減少材耗和能耗

近凈成形技術(shù)改造了傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)，使之由粗糙成形變?yōu)閮?yōu)質(zhì)、高效、高精度、輕量化和低成本成形，其使得成形的機(jī)械構(gòu)件具有精確的外形、較高的尺寸精度、形位精度和良好的表面粗糙度。在國內(nèi)大中型環(huán)件軋制生產(chǎn)中，近凈成形技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用發(fā)展?jié)摿€很大。隨著異形截面環(huán)件軋制的研究與應(yīng)用不斷發(fā)展，后續(xù)機(jī)加工成本大大降低，近凈成形技術(shù)將成為環(huán)件軋制中一種節(jié)能節(jié)材、降低成本的重要方式。另外，這種技術(shù)的研究和使用，也會使加工余量控制在最小范圍內(nèi)，并保證鍛件質(zhì)量。

異形環(huán)鍛件作為節(jié)能節(jié)材型的新產(chǎn)品，是國內(nèi)外鍛造行業(yè)倡導(dǎo)的方向。4150H礦機(jī)電鏟異形環(huán)鍛件是張家港海陸環(huán)鍛公司的代表性產(chǎn)品，公司根據(jù)用戶對環(huán)鍛件的最終規(guī)格尺寸需要，開發(fā)設(shè)計(jì)了中模套、螺孔圈等十余類工裝模具，詳細(xì)如圖3所示。一次輾壓成異形環(huán)鍛件，比原矩形環(huán)件確定鍛件工藝重量，能夠節(jié)省18％～25％的鋼錠，也大大節(jié)省環(huán)坯后續(xù)的機(jī)加工消耗和時間。以2008年公司所生產(chǎn)的異形環(huán)鍛件為例，平均每年可節(jié)約鋼錠1791.5t，僅按每噸鋼鍛造能耗350kg標(biāo)煤計(jì)，公司可直接減少627t標(biāo)煤。此外，按5998件矩形環(huán)減少后續(xù)機(jī)加工用電約80萬度，折合標(biāo)煤98t。

圖3張家港海陸環(huán)鍛公司開發(fā)的主要異形環(huán)鍛件

結(jié)束語

徑軸向熱軋是生產(chǎn)大中型無縫環(huán)件的主要手段，隨著此類環(huán)件的需求量逐漸增大和人們節(jié)能環(huán)保的意識不斷增強(qiáng)，淘汰能源消耗高，材料利用率低的生產(chǎn)工藝和設(shè)備勢在必行。環(huán)件生產(chǎn)企業(yè)必須加大對技術(shù)的投入力度，不斷研究環(huán)件軋制的規(guī)律，提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性、精確性，推進(jìn)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的規(guī)范化、自動化進(jìn)程，將當(dāng)今先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與生產(chǎn)相結(jié)合。只有這樣才有可能在保證環(huán)件質(zhì)量的前提下，不斷降低能源與材料的消耗。

戴玉同，高級工程師，主要從事鑄鐵、碳鋼、合金鋼及耐熱鋼等新產(chǎn)品金屬成形及熱加工工藝開發(fā)與研究工作。

江蘇省科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化（重大科技支撐與自主創(chuàng)新）專項(xiàng)，編號BE2011093