臺(tái)車式熱處理爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

盧曉云

（大慶油田裝備制造集團(tuán)抽油機(jī)制造分公司，黑龍江 大慶 163255）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)大型裝備制造業(yè)提出了更高的要求，也對(duì)常規(guī)臺(tái)車式熱處理爐在技術(shù)層面有著更高的要求。特別是在加熱大型鑄鍛件過程中，需要控制精度較高、爐膛跨度較大、沖擊載荷大、集中載荷大和大載重的臺(tái)車式爐。為應(yīng)對(duì)這一要求，就需要對(duì)現(xiàn)有的熱處理進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。本文選取某型號(hào)臺(tái)車式熱處理爐項(xiàng)目為例，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程展開探討。

1 性能優(yōu)化需求分析

該熱處理爐臺(tái)車尺寸7.5m×15m；爐膛進(jìn)料高度8m；最高爐溫1150℃；最大裝爐量700t；升溫速度15～120℃/h可調(diào)；降溫速度15～120℃/h可調(diào)；保溫結(jié)束爐溫均勻度為±5℃；燃料消耗量1500m3/h；低位熱值 36000kJ·m-3。

該處理爐具有爐膛跨度大、臺(tái)車面寬、單間工件重量大以及高精度控溫等特點(diǎn)，需要爐子有足夠的爐體強(qiáng)度、抗沖擊能力、臺(tái)車承載能力、爐體密封性和爐溫均勻性。

對(duì)臺(tái)車式爐進(jìn)行改造時(shí)，主要是對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以此來提升其使用壽命和性能。主要包括優(yōu)化大爐膛空間內(nèi)的改善爐內(nèi)加熱環(huán)境、優(yōu)化精確控制爐內(nèi)工件的冷卻速度；提升寬臺(tái)車的抗沖擊載荷能力和承載能力；改進(jìn)骨架在熱態(tài)下的抗變形能力；改進(jìn)爐架衡量強(qiáng)度。這些問題在小型熱處理爐中能有效解決，但是對(duì)于大型臺(tái)車式爐則提出了更大的挑戰(zhàn)，科學(xué)、合理設(shè)計(jì)各部位結(jié)構(gòu)之外還要保證設(shè)備能在高溫下具有足夠的可靠性和平穩(wěn)性。

2 優(yōu)化措施分析

大型臺(tái)車式熱處理爐的優(yōu)化主要是從改善爐內(nèi)加熱環(huán)境、工件在爐內(nèi)的冷卻速度方案、臺(tái)車結(jié)構(gòu)、爐門骨架結(jié)構(gòu)以及爐架衡量強(qiáng)度幾個(gè)方面入手。

2.1 改善爐內(nèi)加熱環(huán)境

改善爐內(nèi)加熱環(huán)境主要是從加強(qiáng)爐子密封程度以及優(yōu)化電加熱裝置兩個(gè)方面實(shí)施。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，在優(yōu)化方面采取了有效可靠的密封措施，主要包括以下措施。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，可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。

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≥Φ12mm，OCr25AL5 材質(zhì)鋼棒。在爐體的頂部每個(gè)加熱區(qū)各設(shè)有0～1100 ℃“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。

2.2 工件爐內(nèi)冷卻速度方案優(yōu)化

臺(tái)車式熱處理爐的降溫方式主要有吹風(fēng)冷卻、噴霧冷卻、噴水冷卻、爐外空冷和隨爐冷卻等方式，這些方式都無法控制工件冷卻速度。在特殊用途零件的熱處理方面，會(huì)嚴(yán)格要求冷卻速度，特別是在相關(guān)回火工藝方面。對(duì)于大爐膛空間，要想保持爐內(nèi)溫度場良好的均勻性，且爐冷速度能精確控制在15℃/h附近，就需要通過對(duì)多區(qū)控制方式進(jìn)行改進(jìn)，增設(shè)風(fēng)冷系統(tǒng)是一種有效的方式，符合產(chǎn)品的工藝要求，能有效控制降溫速度。

降溫冷風(fēng)風(fēng)量計(jì)算的依據(jù)是要求的降溫速度、爐內(nèi)溫度以及爐子體積等。為保證爐內(nèi)溫度的均勻性，冷風(fēng)的出口速度要合理設(shè)置，使其能充分?jǐn)噭?dòng)爐氣。如果工件表面直接接觸冷風(fēng)會(huì)加大斷面溫差，在具體的設(shè)計(jì)過程中，可調(diào)整冷風(fēng)管口角度，將中層冷風(fēng)管口傾斜135°。在生產(chǎn)過程中，工件溫度達(dá)到650℃進(jìn)行保溫，可通過冷風(fēng)系統(tǒng)來進(jìn)行爐冷，控溫電偶會(huì)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)溫度，并將信號(hào)傳遞到電動(dòng)蝶閥，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)來對(duì)降溫速度進(jìn)行控制，當(dāng)工件達(dá)到300℃時(shí)，采取保溫并進(jìn)行后續(xù)熱處理工藝。在這種結(jié)構(gòu)中，同時(shí)具備了爐外風(fēng)冷和隨爐冷卻的優(yōu)點(diǎn)，不再需要爐外冷卻或是開啟爐門等環(huán)節(jié)，能對(duì)工件的降溫速度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，使工藝執(zhí)行時(shí)間大大降低，同時(shí)也避免了爐內(nèi)熱量的擴(kuò)散，降低能耗。

2.3 臺(tái)車結(jié)構(gòu)改進(jìn)

小型臺(tái)車熱處理爐中的常見形式是兩排支撐軌道，承重橫梁直接連接到傳動(dòng)齒條。在大型臺(tái)車式熱處理爐中，加熱的通常是大重量、大尺寸工件，集中載荷更容易影響臺(tái)車，此類大型工件通過吊裝設(shè)備進(jìn)行裝卸的過程中，無法保證絕對(duì)平穩(wěn)，通常會(huì)形成沖擊載荷。這一特殊工況中，常規(guī)的傳動(dòng)方式和支撐方式無法適應(yīng)，車架經(jīng)長時(shí)間使用后就可能無法保證拖曳機(jī)構(gòu)的可靠性和平穩(wěn)性。

對(duì)臺(tái)車承載量進(jìn)行受力分析可發(fā)現(xiàn)，從導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)變形的機(jī)理出發(fā)，主要從以下幾個(gè)方面來提升結(jié)構(gòu)的合理性：其一，為保證其受力均勻，可增加受力支撐點(diǎn)。其二，為防止對(duì)傳統(tǒng)平穩(wěn)性造成影響，可分離稱重梁與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在具體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，臺(tái)車的縱梁制作可采用分段的方式，采用銷軸和連接板連接，在受到?jīng)_擊載荷作用下，能有效緩解其縱向形變。承載梁的支撐軌道可變?yōu)樗呐?，將兩排車輪承重增加的原兩排滾子帶中間，以此來緩解車架的橫向形變。在車架主橫梁間設(shè)置安裝傳動(dòng)齒條的小梁，分離承重機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在車架變形的情況下有效保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

2.4 爐門骨架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

臺(tái)車式熱處理率為間歇式變溫爐，在生產(chǎn)實(shí)際中，需要頻繁開閉爐門，這就使得爐門所處的環(huán)境出現(xiàn)頻繁冷熱交替，長時(shí)間的使用就會(huì)導(dǎo)致爐門骨架的受熱變形，降低了門框板的使用壽命，也無法保證良好的密封效果。而對(duì)于大型臺(tái)車式熱處理爐，這一現(xiàn)象更嚴(yán)重。在設(shè)計(jì)的過程中，不僅僅是保證爐門內(nèi)襯具有足夠的抗熱震性，還需提升金屬結(jié)構(gòu)的抗變形能力，使其能適應(yīng)冷熱交替的環(huán)境，主要可通過以下措施來實(shí)現(xiàn)：其一，改進(jìn)爐門骨架結(jié)構(gòu)，由常規(guī)單層變?yōu)殡p層骨架。其二，在外側(cè)金屬結(jié)構(gòu)與安裝纖維模塊面板之間增加隔熱塊，使其分離，這種結(jié)構(gòu)下，爐門結(jié)構(gòu)各層之間的導(dǎo)熱變?yōu)榭諝馀c金屬之間的對(duì)流傳熱，而不再是金屬間導(dǎo)熱，有效降低了鋼結(jié)構(gòu)與爐門之間的熱傳導(dǎo)，從根本上緩解導(dǎo)致變形的因素。采取這一結(jié)構(gòu)，不僅能提升爐門骨架的強(qiáng)度，也能有效緩解因受熱導(dǎo)致的形變，保障良好的密封性，提升爐門使用壽命。

2.5 爐架橫梁強(qiáng)度改進(jìn)

臺(tái)車式熱處理爐中，爐頂橫梁一般采取型鋼搭接的形式而建成，對(duì)于小型臺(tái)車式熱處理爐，這種結(jié)構(gòu)能有效實(shí)現(xiàn)且獲得較好的效果。但是在大型臺(tái)車式熱處理爐中，仍采取這種方式就無法達(dá)到要求的強(qiáng)度。這就需要優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，使其有足夠的抗下?lián)夏芰妥銐虻膹?qiáng)度。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 爐架衡量改進(jìn)示意圖

這種爐體結(jié)構(gòu)能有效保證強(qiáng)度，在生產(chǎn)過程中能促進(jìn)爐頂纖維模塊的耐用性，在爐膛高溫情況下，橫梁良好的抗下?lián)闲詷O大降低了開裂的可能性，能保障工件的正常加熱，也延長了爐襯纖維的使用壽命。

3 結(jié)語

對(duì)爐子的供熱形式進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)爐子的密封方式和電加熱裝置進(jìn)行優(yōu)化，保證燃燒效率，提升爐溫的均勻性，保證大型臺(tái)車式熱處理爐在可控范圍內(nèi)。對(duì)于難以控制爐內(nèi)降溫的問題，通過增設(shè)風(fēng)冷系統(tǒng)能有效控制降溫、恒溫和升溫過程，通過精準(zhǔn)溫度控制來提升工件的熱處理質(zhì)量。針對(duì)大型臺(tái)車式爐的特征，從爐架衡量、爐門骨架和臺(tái)車幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，排除可能存在的故障點(diǎn)帶來的影響，力求達(dá)到可靠、平穩(wěn)性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的臺(tái)車式熱處理爐有效提升爐內(nèi)溫度的均勻性，保證加工工件的熱處理質(zhì)量，也極大的降低了能耗。

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