辊底式淬火炉技术改造

　　摘　要：分析原辊底式淬火炉热处理零件存在的质量波动大及返工率高的原因，采用高效节能的高铝纤维材料对辊底炉线淬火炉炉衬进行改造，并重新设计了第Ⅳ区电辐射管及定位快速传动光电开关机构。改进后提高了设备保温性能，降低了动能单耗，改善了炉温均匀性，产品质量大幅提升。
　　关键词：滚动轴承；淬火炉；纤维炉衬；改造
　　辊底炉生产线是具有氮基保护气氛的较为先进的金属热处理生产线，主要用于大批量的轴承套圈、滚动体、各类紧固件、小型环状零件等的光亮淬火、回火和调质处理。近年来，对该设备加工的产品质量统计发现，同一批次产品既产生马氏体大于5级又产生屈氏体大于1级的现象，返工率极高。在对设备的技术状况进行检查时发现，该设备炉温均匀性较差，且炉壁温升较高。针对出现的问题对辊底式淬火炉进行了技术改造。
　　1　存在问题及分析
　　辊底炉生产线的淬火炉由前室（进料室）、前炉门、加热室、后炉门等几部分组成。改造前前室及前、后炉门保温密封材料均采用轻质钙板和轻质抗渗碳砖砌筑；加热室采用轻质钙板作为保温层，轻质抗渗碳砖作为耐火层。由于炉衬的热胀冷缩造成粘接缝大量出现开裂，加上维修更换辐射管和辊棒对炉衬的碰撞造成炉衬破碎、塌陷。炉门的升降由液压缸驱动，对进、出料口的炉衬产生一定的震动，造成炉衬和炉门砖开裂、松动、掉落，Z终造成前、后炉门保温密封材料损坏。以上问题使得淬火炉的保温性能急剧下降，炉壁温度急剧升高，动能消耗随之迅速升高。
　　该淬火炉分为4个区，均采用电辐射管加热。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区每区设计安装15根辐射管，Ⅳ区设计安装9根辐射管。Ⅰ区为预热区，即零件从前室进入Ⅰ区后温度开始缓慢升高，到达Ⅰ区测温点时温度还达不到Ⅱ区工艺设定温度的区域；Ⅱ区为加热区，即零件进入Ⅱ区后在较短时间内达到工艺设定温度，并实现在工艺设定的时间内进行加热；Ⅲ，Ⅳ区为保温区，即按照工艺要求，当零件进入Ⅲ区后在一个相对恒定的温度下加热的区域。Ⅲ，Ⅳ区Z为重要，是完成零件内部显微组织和零件表面化学成分改变的关键区域。
　　改造前的炉温曲线如图1所示。由图可知，Ⅰ，Ⅱ区及Ⅲ，Ⅳ区之间出现较大波峰和波谷，温差超过10℃。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区出现较大波峰和波谷系炉衬破损造成保温性能下降所致。从Ⅲ，Ⅳ区到达光电开关位置，炉温已降低22℃，原因在于加热系统功率设计偏低和分布偏差过大以及快速传动的光电开关位置离出口太近。以上炉温的波动是造成同一批次产品既产生马氏体大予5级（过热）又产生屈氏体大于1级（欠热）的关键因素。

　　2　改造措施
　　为了解决淬火炉保温性能急剧下降和炉壁温度急剧升高的问题，同时提升设备的整体性能，降低能耗，研究采用高铝纤维材料重新设计改造炉衬。改造后炉衬结构如图2所示。由于高铝纤维热导率低，蓄热量少（仅为一般砖炉衬的1/4左右），因而炉体升温时间短，同时，该材料具有抗热震性能强，化学稳定性好等优点^[1-2]。为使炉衬具备较强的抗震动及冲击能力，克服热变形，确保炉衬的稳定性，采用整体压制，确保其容重达到350kg/m³左右。同时，为了克服热变形以及安装辐射管和辊棒时产生的震动、冲击，确保炉衬的稳定性，两侧炉壁和炉顶设计锚固件，其设计在炉衬中间，可避免高温时热量向炉壳传递，减少热量损失。为了保证辐射管支撑点的牢固，设计耐热钢挂件进行支撑^[3-4]。

　　重新计算第Ⅳ区加热系统功率，设计电辐射加热系统。首先，增加了辐射管的数量，并重新分布安装。原设备Ⅳ区加热系统为9根电辐射管加热，上层6根，下层3根。重新设计分布后，将上层辐射管增加2根并依次递减一定距离后再向Ⅲ区方向分布，下层的辐射管向出口方向增加1根。其次，光电开关位置（光1）离出1：3太近，造成工件未到达光电开关处时温度急剧下降。经测算，将光电开关装置（光2）前移0.2m，可缩短工件在淬火炉出口处的停留时间3min左右，使工件未降温就进入淬火油中，达到工件淬火工艺要求。
　　通过对辊底炉炉衬、第Ⅳ区加热系统及光电开关位置的改造后，炉温较为均匀，测绘出的炉温曲线（图1）非常平缓，未出现较大的波峰和波谷。在Ⅱ区测温点到Ⅳ区测温点区域内，测试温度Z低为845℃，仅低于设定温度5℃，而Z高温度与设定温度相同，Ⅳ区测温点温度为849℃，零件到达光电开关处（光2）温度为845℃，仅降温4℃，极大地改善了炉温均匀性，完全满足工艺要求。
　　3　改造前、后设备性能对比
　　设备改造前、后的技术状况检测数据如表1所示。

　　辊底炉改造前、后加工的同一型号轴承零件质量技术检测统计如表2所示。由表2可知，改造前设备加工零件不合格率非常高，重点产品352226/04，353130B/04，NJ3226/04出现大批量多次返工，主要原因是炉温不均匀造成零件过热（M>5级）和加热不足（T>1级）。改造后设备加工零件不合格率大幅降低，从根本上解决了此类重点零件加工难的瓶颈问题，达到了零件热处理后的技术要求。此外，改造前的能耗为720kW•h/t，改造后的能耗为640kW•h/t，下降了11.1％。

　　4　结束语
　　对辊底炉生产线淬火炉进行的全纤维结构炉衬设计及炉温均匀性改造，整体上提升了设备的技术性能和经济效益。炉壁保温性能明显提高，能耗下降了11.1％，年可节约电费25.3万元，年新增利润65万元；炉温均匀性提升到±5℃，达到了加工重点零件时对设备炉温均匀性的技术要求。
　　参考文献：
　　[1]GB/T 16400-2003,绝热用硅酸铝棉及其制品[S].北京:中国标准出版社,2003.
　　[2]热处理手册[M].3版.北京:机械工业出版社,2002.
　　[3]王秉铨.工业炉设计手册[M].2版.北京:机械工业出版社,2000.
　　[4]GB50309-2007,工业炉砌筑工程施工质量验收规范[S].北京:中国计划出版社,2008.