作者：于明星、郝以领、张延森、刘雪喜、栾岩岩，所属机构：一拖（洛阳）铸锻有限公司

问题描述

我公司以往采用悬挂式调质炉（天然气炉）为客户进行轴类锻件的热处理，但该设备炉膛宽敞，且炉顶悬链式密封不严密，导致能耗极高。近年来，随着天然气费用的持续攀升，该设备平均能耗已高达532元/吨（而行业平均水平低于300元/吨），严重压缩了产品利润空间。此外，该设备自动化程度较低，需5人操作，人工成本高昂。在现有设备中进行轴类锻件热处理，我们已陷入亏损，而新产品的报价也缺乏竞争力。

我们成功研发并制造了一台每小时产能达到1吨的推杆式电加热调质炉，根据全年开动300天的计算，其年产量可达7200吨，这基本上能够满足由悬挂式调质炉转移过来的轴类锻件的生产需求，确保新建调质炉能够达到满负荷运行状态。新炉的能耗指标低于260元每吨，这一特性将显著减少当前的能源消耗，进而降低能源费用，并促进环保，增强市场竞争力。此外，借助自动化控制系统，新调质炉仅需两人进行操作，从而有效节省了人力成本。

设备简介

如图1所示，该推杆式电加热调质炉采用了推盘式结构，具体包括加热炉和回火炉，其布局呈“一”字型。在装料和卸料环节，需人工操作，而其他生产过程则实现了全自动化。整条生产线配备了性能可靠的机械传动系统，以及高精度、高质量的自动温度控制系统。此外，还设有直观的生产线动作状态显示界面。综上所述，这是一条高可靠、高质量、智能化的热处理调质生产线。

图1 轴类锻件调质炉整体布置图

淬火加热炉及循环机构

该设备由淬火主推料机、炉体、炉衬、加热器（电辐射管）、炉内轨道、料盘、料高限制装置、炉门及其升降机构、搅拌风机、淬火出料倒料机构、淬火料盘移位机构（前/后）、淬火料盘返回机构以及上料平衡吊等部件构成。

加热器由两侧排列的裸露电加热辐射管、鼠笼型电阻丝以及陶瓷芯构成，辐射管总数达36支，电阻丝材料特定，分为五个区域进行布置，整体功率高达540kW。在加热炉后半段的保温区域，安装了两套高温轴流搅拌风机，以实现强循环，确保工件加热的均匀性。风机采用风冷方式进行冷却，其轴承、轴、螺母和风叶均由特定材料制成。炉顶设有五个加热区，每个区域装备了0至1100℃的“K”型双芯控温热电偶，这些传感器将温度信号传输至电控柜中的温度仪表。淬火槽由槽体、筒式循环搅拌机、换液泵、换热器以及测温热电偶等部件构成。在工件淬火的一端，安装了强循环管道搅拌装置，以确保循环液能够强制性地循环冲击工件，从而提升工件的淬透性。筒式循环搅拌设备配备有四台功率为7.5千瓦的电机，并配备了氧化皮过滤装置。在淬火的有效范围内，介质的流速超过了1.07米每秒。搅拌电机采用了变频技术，能够根据淬火工艺的需求来调节流速。此外，淬火槽的淬火区域内设有介质温度的检测点和显示设备，检测点尽量设置在操作区域附近，共有两个监测点。还安装了用于检测淬火液温度的热电阻Pt100，并配备了超温报警功能。

回火加热炉及循环机构

该设备由回火主推料机、炉体、炉衬、加热器、炉内轨道、料盘、料高限制装置、炉门及其升降机构、循环风导向板（内胆）、风机循环系统、回火出料机构、风冷室、回火料盘的前后位移机构以及上料平衡吊等部件构成。

加热器由两侧安装的裸露电加热辐射管、鼠笼式电阻丝和陶瓷芯构成，该辐射管共有48根，电阻丝材料特定，分布成八个区域，整体功率达到510kW。炉顶八个加热区域分别配备了0至1000℃的“K”型双芯温度传感器，用于监测温度并将数据传输至电控柜中的温度仪表。炉顶装备了8台高温离心循环风机，这些风机的电机属于Y系列，单台功率为5.5千瓦。通风机轴、螺母、叶轮等部件，以及炉内导风系统和导流板WG娱乐官网入口，均采用不锈钢材质。循环风导向板（内胆）的设计旨在确保热风能够按照特定方向高速流动和传导，从而实现工件受热的均匀性，并且要求炉温的均匀度控制在±5℃以内。冷却喷淋室采用笼状设计，位于料盘返回架的后半部分。当料盘返回架移动至喷淋室中央时，喷淋室的前后均设有阻隔门。其顶部装备有800mm×800mm的排热气口。在料盘的上方以及四周均布置了喷淋水嘴，底部则设有接水盘。喷淋后的水流会汇集到接水盘中，随后通过管道排出。喷淋管道配备了自动控制的闸阀，当料盘准确放置后，阻挡门会自动关闭，随后自动喷淋系统启动，待喷淋作业结束后，系统会自动关闭喷淋，再打开阻挡门（该阻挡门采用液压驱动）。此冷却过程的主要目的是防止工件产生回火脆性，并且降低温度有利于人工进行卸料操作。

控制系统

控制系统主要由温度控制、记录功能以及机械动作节拍时间控制两部分组成。依据该炉的设计分区标准，淬火炉被划分为五个温区，而回火炉则分为八个温区，总计达到十三個温区。在这些温区中，每个都实施了双表制控制（即使用日本原装进口的仪表进行控温，并配备超温报警功能，同时采用触摸屏式记录仪来记录温度），并且通过功率调控器进行PID调节。此外，淬火槽的介质使用了热电阻进行温度检测和显示。该控温仪搭载了源自日本的进口高精度智能数控仪，其中内置了“专家PID”调节模型，确保了调节过程中无超调和无欠调，展现出卓越的调节品质。其质量值得信赖，具备广泛的电压和环境温度适应能力，同时抗干扰性能亦十分强大。该表操作简便，其双排数显显示屏分别呈现设定数值与实际测量值。它具备PID参数自动控温功能，并支持热电偶或系统误差的校正。此外，该表还配备了通讯接口，可实现与计算机的联网操作。同时，它还设有超温报警功能，一旦温度超出设定范围，报警器将自动断开交流接触器，从而停止加热主回路的加热，确保工件加热过程不会超过预定温度。该记录仪配备昆仑通态品牌的触摸屏，能够详尽记录并展示淬火炉和回火炉的升温、保温以及程序动作等整个热处理流程。主回路部分，我们使用了大功率的一体化调功器来执行调功任务，并在可控硅的前端安装了复合式自动空气开关，以此实现主回路的过流和过载保护。此外，我们还特别配备了针对可控硅的快熔保护装置。主回路内安装了电流互感器及电压换相开关，借助电流表和电压表，对主回路中的电流强度、三相电压的平衡状态以及是否存在缺相现象进行实时监控。

在机械动作控制系统内，淬火炉的出料、移位及返回机构，以及回火炉的相应机构，均通过电机与减速机的传动来完成机械动作。电机控制部分由按钮、指示灯、电机保护开关、热继电器和交流接触器等组成，并且具备过载和缺相保护功能。其他各类淬火炉与回火炉的炉门升降、倒料翻转动作，淬火笼的升降，以及淬火炉和回火炉主推料机的机械操作，均由液压系统负责执行。该系统配备了单向节流调速阀、电磁换向阀、卸荷阀等元件；所有动作及时间控制均由一台西门子可编程逻辑控制器PLC负责完成。通过预先编制的软件，严格调控工艺流程和联锁逻辑保护，并具备原点自诊断功能，同时支持“手动—自动”模式的切换。

一体机触摸屏显示系统及控制

该设备由三个主要部分构成：一体机触摸屏、PLC可编程控制器以及操作执行系统，共同构成了一个完整的控制系统。用户可通过触摸屏查阅生产线上的各项工艺数据，借助电脑监控所有设备的运行状况，同时，一体机触摸屏还允许用户随时进行数据的输入与导出，以及图表的生成。

显示屏系统运用集成式触摸屏对生产线全过程的温度及机械运动进行监控与调控，依托配置的工控软件，通过柱状图、曲线图、数字显示或模拟仪表等多种形式展示各区域的测量温度、工艺温度设定以及功率输出百分比等信息。此外，系统还能以动态图像实时呈现生产线运作状况。用户可在触摸屏上对各种工艺和温度参数进行设置与调整。控温仪与PLC可编程控制器内部通讯接口连接至触摸屏，实现联网功能。一旦触摸屏停止运作，生产线将自动切换至仪表和PLC控制，确保设备运行不受影响，同时维持自动化水平。触摸屏具备存储历史工艺曲线的功能，便于进行追溯和质量分析。

该智能仪表及PLC配备了从日本进口的精密智能PID温度控制器，该控制器仪表专为热处理设备量身定制，堪称温控领域的专家。它具备热电偶自由输入的功能，品质稳定可靠，适应广泛的电压和温度环境，抗干扰性能出色，能够在恶劣环境的热处理车间中持续稳定地工作。该算法在双自由度、自适应、模糊等控制理论的基础上，开创性地应用于热处理炉领域，推出了全球首例“无超调”的专家PID新控制策略。这一创新实现了无超调、无欠调、升温迅速以及有效抑制扰动的卓越调节效果，大大简化了操作者对控温PID参数的调整过程。在触摸屏系统中，用户能够进行炉温的测量与调整，并且能够通过规定的通讯接口与上级计算机进行信息交流。值得一提的是，负责与触摸屏进行通讯的软件，已经被制造商预先安装在仪表内，用户无需额外进行开发工作。

PLC选用了西门子的可编程控制器，这一控制器以其高品质著称，具备广泛的电压和温度适应能力，还配备了标准通讯接口。它能够与触摸屏实现联网，共同构成一个实时控制系统。值得一提的是，与触摸屏的通讯软件已经被生产厂家预先安装在PLC内部，无需额外开发，从而大大简化了联网过程。该组态式工控软件运用了工业自动化监控专用软件，它是一款功能广泛的软件，能够在Win98、2000、XP等中文操作系统上运行，界面采用全中文设计，易于学习和操作；它配备了完备的工程管理功能，能够对工程实施有效管理和保护；同时，它还拥有强大的画面制作能力，支持32位真彩无限色、过渡色纹理，并能处理多种图形文件格式，内置丰富的工具箱和图库，便于构建逼真生动的图形界面；此外，它还提供了丰富的组态管理工具，如变量报告、查找和替换变量、动画拷贝等，可以构建出庞大的动画系统；最后，它还具备强大可靠的数据记录和查询功能，能够记录曲线并制作报表。该系统具备卓越的报警与查询功能，能够支持多样化的报警手段，对报警信息进行详实记录，同时便于用户进行便捷的查询操作。

目前，对需要调质处理的锻件而言，主要涉及曲轴和半轴等类型零件，相关典型零件的工艺参数详见表1。

表1 调质处理的几种典型零件工艺参数

质量指标及优点

晶粒度需符合不超过5级的要求，此评定依据GB/T 6394-2002标准。淬火处理后的硬度应达到45材料标准，且单个硬度散差不得超出15HBW，同一批次内不得超过20HBW。回火处理后的硬度散差，单个亦不得超过15HBW，批次内最大值不应超过20HBW。热处理的质量受钢材的成分、工艺流程以及淬火介质的冷却性能等因素的综合影响。

针对客户对加热工艺的具体要求，我们对其调质生产线的布局进行了精心优化，这涵盖了机械构造、热能动力以及电气控制系统等多个方面。我们采纳了成熟且领先的技术手段，确保了生产线在热能转换效率、炉内温度分布均匀性、温度控制曲线的精确度以及生产速率等方面均能满足既定的热处理标准。该系统运行稳定，具备可靠的防护功能，且故障发生率较低。确保设备持续稳定运作，同时有效降低能源消耗，使得单位能耗指标符合一级炉炉标准，即吨耗量不超过390千瓦时。

此电加热调质炉为连续生产线，其炉体内部采用硅酸铝全耐火纤维模块构建，外部则运用全耐火纤维软密封技术，既保证操作简便，又具备优异的密封保温性能和轻便的重量，从而减少蓄热损失，确保快速升温，实现节能降耗和延长使用寿命；在推料方面，采用液压缸推动料盘，料盘在固定于导轨导枕上的滚轮上按预定节奏移动，具备炉外自动回转功能；炉体和炉门均采用可靠的密封措施，并与推拉料系统实现安全互锁；系统配备人工智能调节和触摸屏监控系统，用于实时采集和监控生产线上的炉温等关键参数及加热状态；炉温控制则由智能温控仪表负责，以此提升控制精度。

该生产线在淬火环节采用人工投放物料，淬火过程中工件直接倒入水中，确保了淬火过程（入水时间少于18秒）的效率，随后料盘便会自动回到装料位置；考虑到工件的特殊性，回火环节的进料装料与卸料在同一位置进行，人工操作装、卸料，整条生产线运行安全且可靠，动作精确流畅，仅需两人操作便可以完成。

结论

建设一座新型的节能型、高品质、自动化调质生产线，将有助于减少能源消耗、增强产品质量、优化生产效率，从而显著提升产品的市场竞争力。研发并制造推杆式电阻调质炉，对轴类锻件实施调质处理，能够显著减少当前的能源消耗，降低能源成本，实现清洁环保，并在增强市场竞争力的同时，借助自动化控制技术，有效节约人工成本。

作者简介

于明星

热处理分厂的技术人员与工程师们，专注于热处理设备的维护与升级改造，他们主导完成的淬火机床冷却循环系统革新荣获集团公司青年科技创新奖的第三名，并且他们还拥有两项专利技术。

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