環(huán)形連續(xù)式加熱爐爐況測(cè)試方法及分析

陳云平，薛 軍，任學(xué)藝

（太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西 太原 030032）

國(guó)、內(nèi)外客貨用輪軸屬于法規(guī)強(qiáng)制性認(rèn)證產(chǎn)品，輪軸產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量直接影響到車(chē)輛運(yùn)行的可靠性與安全性。環(huán)形加熱爐是輪軸制造的首選爐型之一。由于環(huán)形加熱爐結(jié)構(gòu)的特殊性，國(guó)標(biāo)GB/T 9452標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該類(lèi)爐型的測(cè)試方法沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的定義與要求。根據(jù)近年來(lái)我們對(duì)新建以及大修使用的環(huán)形爐的爐溫均勻性的跟蹤測(cè)試，認(rèn)為規(guī)范統(tǒng)一該爐型測(cè)試方法很有必要。

1 環(huán)形加熱爐結(jié)構(gòu)

環(huán)形爐主要由鋼結(jié)構(gòu)/砌體、燃燒系統(tǒng)、爐底機(jī)械及液壓/潤(rùn)滑系統(tǒng)組成。爐體側(cè)墻及爐頂固定在設(shè)備基礎(chǔ)上，爐底盤(pán)在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，裝入爐內(nèi)的鋼錠或坯料，隨著旋轉(zhuǎn)爐底一起轉(zhuǎn)動(dòng)，坯料按固定的布料角度擺放。每次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)布料角，如此經(jīng)過(guò)若干次的轉(zhuǎn)動(dòng)，使坯料從爐子的裝料端移動(dòng)至出料端。在此過(guò)程中坯料通過(guò)預(yù)熱、加熱和均熱，達(dá)到設(shè)定的工藝加熱溫度，等待出爐進(jìn)行鍛造。在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，爐底每旋轉(zhuǎn)一個(gè)料位角，即有一塊坯料到達(dá)出料位等待出料，與此同時(shí)裝料位也空出一個(gè)料位等待裝料。

環(huán)形加熱爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 環(huán)形加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 環(huán)形爐的加熱工作制度與溫度控制

根據(jù)環(huán)形爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了合理的加熱工作制度。即三段式加熱方式：預(yù)熱→加熱→均熱。在加熱段中可按照工藝溫度梯度設(shè)置加熱Ⅰ段、加熱Ⅱ段等。

為了保證環(huán)形加熱爐爐溫均勻性，采用先進(jìn)的亞高速燒嘴、脈沖控制方式，并配備自動(dòng)點(diǎn)火和火焰監(jiān)測(cè)功能，燒嘴結(jié)構(gòu)及效果見(jiàn)圖2。通過(guò)控制燒嘴的開(kāi)閉時(shí)間調(diào)節(jié)供熱量，保證燒嘴處于最佳燃燒狀態(tài)，進(jìn)一步提高爐溫均勻性。為便于控制爐溫，爐內(nèi)設(shè)計(jì)多道隔墻，并在出鋼室爐頂配有平焰燒嘴，以保持爐子的爐壓穩(wěn)定和出爐坯料的出爐溫度要求，同時(shí)避免了冷風(fēng)吸入、煙氣外溢。

圖2 燒嘴外形及燃燒效果圖

3 有效加熱區(qū)的確定

環(huán)形加熱爐有效加熱區(qū)通常指加熱爐均熱段區(qū)域，該區(qū)域設(shè)定的工藝溫度與相鄰的加熱溫度段工藝溫度相一致，并按照加熱工藝規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行加熱與保溫。為便于均熱段爐氣溫度的測(cè)試，可按照坯料在均熱段占用的最大空間作為有效加熱區(qū)間。

4 測(cè)試方法

4.1 環(huán)形爐爐況精度要求

環(huán)形加熱爐爐況測(cè)試精度要求見(jiàn)表1。

表1 環(huán)形爐精度要求

一般情況下環(huán)形加熱爐有效加熱區(qū)的測(cè)試采用空爐試驗(yàn)，工藝有特殊要求時(shí)可采用實(shí)爐測(cè)試。

4.2 爐況測(cè)試用工裝、儀器組成

爐況測(cè)試用工裝及儀器組成見(jiàn)圖3。

圖3 燒況測(cè)試用工裝及儀器組成示意圖

（1）測(cè)溫架。測(cè)溫架主要用于承載耐高溫爐溫跟蹤儀及其保溫水箱，固定溫度傳感器，并同時(shí)便于起吊及裝/出爐。可采用耐熱鋼棒或鋼板焊接而成，預(yù)留出安裝保溫水箱的位置，具體尺寸根據(jù)實(shí)際加熱坯料及爐體尺寸確定。

（2）水箱。水箱利用耐熱材料制作，內(nèi)部隔開(kāi)兩個(gè)空間，一個(gè)空間放置“黑匣子”，另一個(gè)空間里充冷卻水用，并設(shè)置加水管。水箱的作用是保護(hù)“黑匣子”不被燒壞。

（3）耐高溫爐溫跟蹤儀——“黑匣子”?！昂谙蛔印庇糜谟涗浀耐ǖ罃?shù)量應(yīng)不小于需要測(cè)試的溫度傳感器數(shù)量。使用“黑匣子”時(shí)，應(yīng)確保測(cè)試用黑匣子經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)鑒定合格并在有效期內(nèi)。

（4）溫度傳感器。溫度傳感器的精度應(yīng)高于或等于環(huán)形加熱爐所使用的儀表精度等級(jí)，必須具有有效的出廠合格證書(shū)?，F(xiàn)檢測(cè)用溫度傳感器采用鎳鉻-鎳硅K型熱電偶，熱電偶長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)溫架尺寸大小確定，使用前必須經(jīng)過(guò)有效檢定機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定，出具檢定合格證書(shū)。熱電偶檢測(cè)等級(jí)參考GB/T 9452標(biāo)準(zhǔn)，按照表2選擇[1]。

表2 鎳鉻-鎳硅K型溫度傳感器選用標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)試前必須對(duì)環(huán)形爐進(jìn)行整體設(shè)備檢查，確保各機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行正常，儀表顯示準(zhǔn)確。確保操作室內(nèi)所有系統(tǒng)的時(shí)間與黑匣子的時(shí)間設(shè)定一致。

5 空爐爐況測(cè)試過(guò)程

根據(jù)工藝溫度設(shè)定加熱段溫度、均熱段溫度。在爐內(nèi)溫度上升到工藝溫度后，按加熱工藝要求進(jìn)行保溫。待保溫結(jié)束后，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。在爐子升溫期間，在環(huán)形爐操作界面上設(shè)定爐底轉(zhuǎn)動(dòng)工藝節(jié)拍。

溫度傳感器按照已確定的位置固定在測(cè)溫架上。同時(shí)把“黑匣子”裝入水箱內(nèi)，并注入冷卻水。溫度傳感器導(dǎo)線與“黑匣子”連接，并標(biāo)記好編號(hào)。將溫度傳感器及隔熱保溫水箱牢固固定在測(cè)溫架上，保溫水箱外側(cè)面全部包覆150 mm以上厚度的耐熱纖維毯，水箱通氣孔向上布置，作為熱水加熱后蒸汽通道，檢查不應(yīng)被堵塞。

將溫度傳感器按照?qǐng)D4位置進(jìn)行布置，確保溫度傳感器測(cè)試末端固定牢固，并處于同一垂直截面，嚴(yán)格記錄每只K型熱電偶的編號(hào)及位置。

圖4 熱電偶布置示意圖

通過(guò)IC101數(shù)據(jù)線連接SMT爐溫跟蹤儀，打開(kāi)SMT TrendReporter專(zhuān)用軟件，連接上設(shè)備，進(jìn)入設(shè)置截面。圖5顯示了該“黑匣子”的序列號(hào)和一些記錄參數(shù)。點(diǎn)擊Edit Setup進(jìn)入設(shè)置界面，按工藝節(jié)拍設(shè)置記錄周期，如：Sample Rate設(shè)置為60 s，延時(shí)啟動(dòng)Start Delay設(shè)置為0 s。通道選擇0～5通道，其中0通道記錄溫度為該黑匣子內(nèi)部溫度，測(cè)試時(shí)不應(yīng)超過(guò)50℃，關(guān)閉不用的6、7通道，最后保存。

圖5 SMT爐溫跟蹤儀參數(shù)設(shè)置界面圖

爐況測(cè)試時(shí)應(yīng)特別注意溫度傳感器擺放順序，端頭懸出50～100 mm。溫度傳感器插頭正確插入“黑匣子”端部插頭處（注意不要插反），然后打開(kāi)黑匣子記錄總開(kāi)關(guān)。待環(huán)形加熱爐每個(gè)爐區(qū)達(dá)到工藝溫度后至保溫結(jié)束，方可測(cè)試。

準(zhǔn)備工作就緒后，打開(kāi)環(huán)形爐裝料爐門(mén)，采用專(zhuān)用工具或環(huán)形爐裝料機(jī)械手，將準(zhǔn)備好的測(cè)溫架通過(guò)入料口裝入環(huán)形爐內(nèi)。檢查測(cè)溫架位置無(wú)誤后，關(guān)閉爐門(mén)。按照生產(chǎn)工藝節(jié)拍，自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)爐底，待測(cè)溫架轉(zhuǎn)到出料口時(shí)，保溫一段時(shí)間，打開(kāi)出料爐門(mén)，將測(cè)溫架取出之后，視為測(cè)試完畢。在測(cè)溫架冷卻后取出黑匣子，導(dǎo)出所有測(cè)試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測(cè)溫架在爐內(nèi)的時(shí)間，特別是在均熱段的停留時(shí)間必須符合工藝規(guī)定的時(shí)間。

6 結(jié)果分析

我們?cè)趯?duì)環(huán)形爐測(cè)試時(shí)，在測(cè)試架上兩端上、下位置分別布置了4支溫度傳感器，測(cè)試架中心布置了一支溫度傳感器?？傻玫健昂谙蛔印盇0～A5號(hào)6個(gè)通道的所有溫度數(shù)據(jù)，首先應(yīng)檢測(cè)A0號(hào)通道，黑匣子內(nèi)部溫度的數(shù)據(jù)最大值不應(yīng)高于50℃，若A0號(hào)通道高于50℃時(shí)，說(shuō)明黑匣子內(nèi)部溫度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫度，可能導(dǎo)致黑匣子損壞，測(cè)溫結(jié)果作廢，而不能作為測(cè)定依據(jù)。

A1～A5號(hào)通道溫度分別代表了環(huán)形爐有效加熱區(qū)1～5個(gè)點(diǎn)的爐況溫度變化過(guò)程。以時(shí)間t（min）為橫坐標(biāo)，溫度T（℃）為縱坐標(biāo)，制作對(duì)應(yīng)溫度-時(shí)間曲線，模擬曲線見(jiàn)圖6，實(shí)際溫度記錄見(jiàn)圖7。由圖可看出，爐氣實(shí)際溫升曲線與模擬曲線相吻合，實(shí)際過(guò)程中，在入爐后的5～10 min內(nèi)溫度由室溫迅速升至500～750℃，然后溫度呈線性速度增長(zhǎng)，增速約2.8℃/min；110 min后黑匣子進(jìn)入加熱一段，溫度達(dá)到1 050℃，然后保溫至130 min；在進(jìn)入加熱二段時(shí)，加熱功率增大，溫度開(kāi)始以線性速度增長(zhǎng)，增速約1.5℃/min，175 min后溫度升至1 150℃；最后進(jìn)入均熱段至260 min出爐，維持1 150℃不變。

圖6 模擬溫升曲線圖

圖7 實(shí)際溫度曲線圖

重點(diǎn)分析均熱段5個(gè)點(diǎn)從190 min開(kāi)始進(jìn)入均熱段至260 min，共70 min時(shí)間段內(nèi)的溫度變化范圍。分析溫度均勻性時(shí)必須將檢測(cè)溫度傳感器溫度讀數(shù)與溫度傳感器、熱電偶修正值相加補(bǔ)償，求得各檢測(cè)點(diǎn)真實(shí)溫度[1]。圖7中5個(gè)小圖表示的是經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的溫度局部曲線，可以看出70 min時(shí)間段內(nèi)，1#曲線最大溫度1 153℃，最小溫度1 143℃；2#曲線最大溫度1 158℃，最小溫度1144℃；3#曲線最大溫度1 157℃，最小溫度1 140℃；4#曲線最大溫度1 150℃，最小溫度1141℃；5#曲線最大溫度1 157℃，最小溫度1 146℃。所有曲線點(diǎn)位溫度均在1 140～1 160℃范圍之內(nèi)。

最終測(cè)試結(jié)果表明該環(huán)形加熱爐爐溫均勻性為±10℃。

7 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，在鐵路客貨用輪軸產(chǎn)品的制造過(guò)程中，環(huán)形加熱爐作為重要工藝設(shè)備，只是把它當(dāng)作一道加熱工序。至于它對(duì)后續(xù)的鍛造成型、理化性能影響程度沒(méi)有進(jìn)行過(guò)多的關(guān)注。

2016年下半年，我公司完成了車(chē)軸精鍛生產(chǎn)線搬遷智能化提升改造。在新建的環(huán)形爐設(shè)計(jì)方案中重點(diǎn)對(duì)爐溫均勻性以及測(cè)試方法進(jìn)行了反復(fù)論證。明確規(guī)定了環(huán)形爐控溫精度、爐溫均勻性必須達(dá)到±10℃以?xún)?nèi)。自投產(chǎn)運(yùn)行4年以來(lái)，車(chē)軸類(lèi)鍛件彎曲率為零。重要的性能指標(biāo)——屈服強(qiáng)度值百分之百在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)上線。

2019年1月，在對(duì)車(chē)輪環(huán)形加熱爐爐大修改造后，控溫精度、爐溫均勻性得到了提高，達(dá)到±10℃。經(jīng)過(guò)一年的生產(chǎn)跟蹤檢測(cè)，原來(lái)制造過(guò)程存在的鍛壓產(chǎn)品偏心問(wèn)題得到解決，廢品率大幅度下降。