臺(tái)車式電阻加熱退火爐的研究

魏 佳，張曉冬，劉玲玲

（1. 機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007；2. 鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院，河南鄭州 451200；3. 鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院，河南鄭州 450044）

臺(tái)車式電阻加熱退火爐的研究

魏 佳1，張曉冬2，劉玲玲3

（1. 機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007；2. 鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院，河南鄭州 451200；3. 鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院，河南鄭州 450044）

針對鑄鋼件退火熱處理的工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種臺(tái)車式電阻熱處理爐，介紹了這種工業(yè)爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)，并通過制定多項(xiàng)技術(shù)措施，提高了熱處理爐的熱效率和爐溫均勻性，對提高生產(chǎn)效率和節(jié)能環(huán)保有一定的推廣價(jià)值。

臺(tái)車式電阻加熱；退火爐；熱處理爐；電控系統(tǒng)

0　引言

鍛鑄件熱處理常用的工業(yè)爐有罩式爐、井式爐和臺(tái)車式爐等，其中罩式爐和井式爐多為小型爐，便于密封和采用氮?dú)獗Ｗo(hù)防氧化。大型鑄件的熱處理操作要求爐腔體積較大的臺(tái)車爐，但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的臺(tái)車爐體積大不易密封[1]，熱處理爐的熱效率和爐溫?zé)峋鶆蛐跃艿揭欢ǖ挠绊懀膊焕诠?jié)能環(huán)保。為此本文研究了一種臺(tái)車式電阻加熱熱處理爐，通過改善電加熱布置和密封系統(tǒng)提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和節(jié)能環(huán)保，該臺(tái)車爐爐膛尺寸7 000×5 000×3 000(mm)，最高使用溫度950 ℃，控溫區(qū)間達(dá)12個(gè)，控溫方式采用智能微電腦可控硅模塊移相觸發(fā)和PID控制，控溫精度±1 ℃，滿載荷100 t時(shí)的升溫速度為常溫～900 ℃≤10 h。

1　方案綜述

電阻爐主要由爐體（爐子骨架和內(nèi)襯）、臺(tái)車及臺(tái)車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、爐門及爐門升降機(jī)構(gòu)、密封裝置、電加熱裝置、壓縮空氣系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

爐體內(nèi)襯采用硅酸鋁耐火纖維結(jié)構(gòu)，重量輕，蓄熱少，節(jié)約能源，使用壽命長；臺(tái)車采用自行走車輪式結(jié)構(gòu)，行走穩(wěn)定可靠；臺(tái)車、爐門密封采用氣動(dòng)和彈簧壓緊方式；配置工控機(jī)和觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)，對電阻爐的爐溫等參數(shù)、加熱狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控；爐溫采用智能溫控儀表控制，控制精度高。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1爐體和襯體部分

爐體由鋼骨架和內(nèi)襯兩部分組成, 鋼骨架采用型鋼及鋼板焊接而成, 整體具有足夠的強(qiáng)度和剛度，使用中不產(chǎn)生歪斜、扭曲變形。重要受力對接采用雙面焊接工藝。爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造安裝精良，爐體外壁溫升不大于30 ℃。在爐體后墻上設(shè)有2處觀察孔，以便操作人員觀察爐內(nèi)狀況。

內(nèi)襯采用輕質(zhì)耐火材料，具有重量輕、蓄熱量小、保溫性能好，施工快捷、升溫速度快、使用壽命長等特點(diǎn)。內(nèi)襯由平鋪層和折疊塊層組成，內(nèi)襯用耐熱鋼錨固件固定在爐子骨架鋼板上。內(nèi)襯共4面墻，包括后墻、爐頂和2側(cè)墻。爐頂內(nèi)襯總厚度320 mm，側(cè)墻及后墻內(nèi)襯總厚度320 mm。平鋪層均為50 mm厚，爐頂折疊塊層厚度270 mm，側(cè)墻和后墻折疊塊層厚度270 mm，折疊塊尺寸為300×300×230/270（mm）。平鋪層采用普通硅酸鋁耐火纖維毯，折疊塊層采用高純硅酸鋁耐火纖維針刺毯。

2.2臺(tái)車部分

臺(tái)車及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由車輪式臺(tái)車、自行走驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。臺(tái)車既是承載工件的平臺(tái)，又要具有移動(dòng)性、耐高溫性。

臺(tái)車由鋼車架、行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、耐熱內(nèi)襯等組成。為確保臺(tái)車運(yùn)行可靠、長期高溫不變形，臺(tái)車鋼車架是關(guān)鍵問題，必須保證臺(tái)車鋼車架的強(qiáng)度和剛度。

鋼車架由兩層組成，上層骨架采用型鋼和鋼板焊接成板狀物，下層骨架用大規(guī)格型鋼焊接成縱梁結(jié)構(gòu)。

行走裝置包括主動(dòng)車輪和被動(dòng)車輪，均固定在縱梁上。主動(dòng)車輪、從動(dòng)車輪采用ZG50MnMo材料，硬度不少于HRC50，均勻安裝在臺(tái)車兩側(cè)。每側(cè)的主動(dòng)車輪通過鏈條相連，并與位于臺(tái)車前部的減速機(jī)相連，均具有足夠的硬度和耐磨性。

2.3驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由擺線針輪減速機(jī)、鏈條、鏈輪，臺(tái)車式電阻爐采用1臺(tái)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，減速機(jī)安裝在車架前部。減速機(jī)通過鏈條、鏈輪驅(qū)動(dòng)主動(dòng)車輪。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，無卡滯、振動(dòng)、沖擊、異聲等現(xiàn)象。臺(tái)車行走軌道的兩端部裝有機(jī)械擋塊，防止臺(tái)車跑出軌道，軌道采用38 kg重軌。

臺(tái)車布置爐絲加熱元件，布置防護(hù)及隔離的耐熱鋼板墊鐵，厚度大于35 mm，材質(zhì)為ZG35Cr25Ni20系耐熱鋼，長期使用耐熱溫度不小于1 000 ℃。獨(dú)特設(shè)計(jì)雙層復(fù)合墊鐵，上層為1Cr18Ni9Ti型鋼承載架，中間為硅酸鋁繩，下層為耐熱鋼爐底板，使工件質(zhì)量均布，減少裝卸工件沖擊，提高爐底壽命。

2.4爐門及其升降系統(tǒng)

爐門及其升降機(jī)構(gòu)由爐門、爐門架、升降機(jī)構(gòu)等部分組成。爐門鋼骨架采用型鋼及鋼板焊接而成，鋼板厚度6 mm，型鋼和鋼板材料采用國內(nèi)優(yōu)質(zhì)碳素鋼，重要受力對接采用雙面焊接工藝，并按規(guī)定進(jìn)行檢查，爐門壁面平整。爐門內(nèi)襯與爐體側(cè)墻一樣，采用輕質(zhì)耐火材料。具有重量輕、蓄熱量小、保溫性能好，施工快捷、使用壽命長等特點(diǎn)。內(nèi)襯由平鋪層和折疊塊層組成，內(nèi)襯用耐熱鋼錨固件固定在爐門骨架鋼板上。爐門內(nèi)襯總厚度280 mm，平鋪層為厚度50 mm，疊塊層厚度230 mm，折疊塊尺寸為300×300×230（mm）。平鋪層采用普通硅酸鋁耐火纖維毯，折疊塊層采用高純耐火纖維針刺毯。折疊塊壓縮后容重達(dá)到230 kg/m3。爐門架由立柱和橫梁組成，立柱和橫梁均采用型鋼、鋼板焊接組合而成。立柱與爐體骨架進(jìn)行連接，大大增強(qiáng)了爐門立柱強(qiáng)度和剛度。

爐門升降機(jī)構(gòu)有驅(qū)動(dòng)裝置、鏈輪、鏈條、配重、導(dǎo)向裝置等組成。爐門驅(qū)動(dòng)裝置采用減速機(jī)，升降速度約為8 m/min。爐門上升和下降極限位置均設(shè)有機(jī)械限位和電氣限位，上限位電氣限位采用雙限位，以保證爐門升降安全。爐門上裝有4個(gè)導(dǎo)向輪，立柱上裝有2個(gè)導(dǎo)向槽，爐門在導(dǎo)向槽內(nèi)上下移動(dòng)，減少爐門搖擺。

2.5密封裝置

爐子密封狀況的好壞是十分重要的，這是保證爐溫均勻性、減少能耗、保證設(shè)備安全等的重要組成部分。如果爐子密封不好，一方面會(huì)使?fàn)t外冷空氣從爐子密封不嚴(yán)密處進(jìn)入爐內(nèi)，使?fàn)t內(nèi)溫度均勻性大大變壞，還會(huì)使燃料消耗量增多；同時(shí)另一方面爐內(nèi)高溫爐氣從爐子縫隙處外逸，甚至可能燒壞某些部件，可能使?fàn)t子部件如爐門鋼骨架、爐體骨架、臺(tái)車鋼骨架局部受熱嚴(yán)重，增大骨架等變形量，這種不利因素如果不及時(shí)解決，會(huì)進(jìn)一步惡化爐子的密封效果，爐子的密封狀況會(huì)變得越來越差，直至造成爐子無法工作。

為此本爐采取了有效可靠的密封措施，分述如下。

密封裝置由三部分組成：后密封、側(cè)密封、爐門密封。這三部分的密封方法經(jīng)過多年數(shù)臺(tái)爐子的實(shí)際使用，效果很好。

爐門與爐體前端部及爐門與臺(tái)車前端部都留有間隙，此間隙必須進(jìn)行密封，此處密封即為爐門密封。爐門與爐體前端部密封采用壓緊方式進(jìn)行密封，爐門兩側(cè)各安裝2個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)爐門壓緊功能。爐門與臺(tái)車前端部爐門是臺(tái)車式爐最容易忽視的部位，本文在此處采用彈簧密封的方案很好地解決了這一問題，結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠。

2.6電加熱裝置

臺(tái)車式熱處理爐加熱元件采用OCr21Al6Nb材質(zhì)的電阻帶，電熱體采用每區(qū)“星”形聯(lián)接法，以增大爐膛內(nèi)加熱面積。引出棒為直徑≥?12 mm，OCr25AL5材質(zhì)鋼棒。在爐體的頂部每個(gè)加熱區(qū)各設(shè)有0～1 100 ℃“K”型熱電偶，分別提供溫度信號(hào)和溫度記錄信號(hào)，控溫?zé)犭娕寂c電控柜上的溫控儀表一起完成爐溫控制調(diào)節(jié)和超溫報(bào)警[2-4]。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電阻爐設(shè)有電氣控制系統(tǒng)，包括工控機(jī)、控制柜、現(xiàn)場控制箱、各種傳感器等?？刂乒駜?nèi)安有空氣開關(guān)、交流接觸器、PLC、變頻器、繼電器等各種電氣元件，控制柜面板裝有各種控制儀表、按鈕、開關(guān)、指示燈等；現(xiàn)場控制箱面板裝有按鈕、指示燈，箱內(nèi)裝有電氣控制器等元件?？刂苾?nèi)容包括動(dòng)力控制、加熱控制、爐溫控制等。

采用PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)、儀表的通信。通過西門子可編程序PLC控制器（S7-200）實(shí)現(xiàn)對加熱系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、臺(tái)車進(jìn)出爐、爐門升降、密封裝置的自動(dòng)聯(lián)鎖控制，并具備完善的自診斷、自巡檢功能，可以對各層設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，并通過上位工控機(jī)進(jìn)行顯示。通過集中控制系統(tǒng)，利用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的輸入輸出、存儲(chǔ)，設(shè)備運(yùn)行信息管理、故障診斷，工控機(jī)顯示界面設(shè)有色彩美觀的系統(tǒng)全貌、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示、設(shè)定曲線、過程曲線、過程模擬、報(bào)警界面及報(bào)表定時(shí)打印和幫助工作界面[5]。

4　結(jié)束語

研究實(shí)踐表明，該臺(tái)車式電阻加熱退火爐節(jié)能效果達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，單位耗能達(dá)到國家一等爐標(biāo)準(zhǔn)。電阻爐實(shí)際運(yùn)行爐溫曲線如圖1所示。爐體內(nèi)襯采用了全耐火纖維結(jié)構(gòu)，重量輕、蓄能少。采用了可靠密封裝置，減少或避免了冷風(fēng)吸入量，同時(shí)提高了電阻爐和熱效率和爐溫均勻性，節(jié)能效果明顯，有一定的推廣價(jià)值。

圖1　電阻爐實(shí)際運(yùn)行爐溫溫度曲線

［1］ 王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊（第2版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 郭潔，黃學(xué)武,等.基于CAN-bus的分布式電阻爐智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010（4 ）:59-61.

［3］ 高金鳳，王清輝，谷利飛，等.基于AVR單片機(jī)的熱處理電阻爐智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2010，31（6）: 47-50.

［4］ 唐來光，邵衛(wèi)宏.熱處理爐新型溫控方式的研制［J］.工業(yè)加熱1999,（6）:40-41.

［5］ 柳海濤，李保強(qiáng)，魏佳. 基于WinCC用戶歸檔的工業(yè)爐數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)［J］. 中國鑄造裝備與技術(shù)，2012（5）:34-36.

［6］ 申國強(qiáng),康新亞,黃力生. 15t臺(tái)車式機(jī)械燃煤鑄鋼件退火爐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］. 中國鑄造裝備與技術(shù),1998（2）:43-45.

The research of Car-type annealing furnace with electric resistance

WEI Jia1,ZHANG XiaoDong2,LIU LingLing3
(1. SIPPR Engineering Group Co., Ltd, Zhengzhou 450007, Henan,China; 2. Zhengzhou Chenggong University of Finance and Economics, Zhengzhou 451200,Henan, China 3. Zhengzhou Institute of Finance and Economics, Zhengzhou 450044, Henan,China)

According to the characteristics of the steel annealing heat treatment process, design a kind of car type resistance furnace, heat treatment were introduced the mechanical structure and electric control system of the industrial furnace， and formulates a number of technical measures to improve the thermal effciency of heat treatment furnace and furnace temperature uniformity， to improve the production effciency， energy conservation and environmental protection has certain promotion value.

Car-type resistance heating; Annealing furnace; Heat treatment furnace; Electric control system

TG155；

A；

1006-9658（2015）06-0054-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.015

2015-07-01

稿件編號(hào):1507-984

魏佳（1979—） 男，工程師,主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制、智能控制系統(tǒng)和人機(jī)組態(tài)界面等.