文/向延平·廣州造船廠有限公司

鋼錠室式燃?xì)鉅t的鍛造節(jié)能加熱

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鍛前或鍛造過(guò)程中加熱是鍛造生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，鍛前加熱目的主要是提高金屬塑性，降低變形抗力，增加可鍛性，以利于金屬的成形并獲得所要求的組織和性能。鍛前加熱對(duì)提高鍛造生產(chǎn)率，節(jié)約能源，降低鍛造生產(chǎn)成本都有直接的影響，基于蓄熱式室式燃?xì)忮憼t節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的特性，其在鍛造加熱中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

鋼錠是大型鍛件中常用的鍛造原材料，因其重量和體積都大，且內(nèi)部組織為細(xì)晶粒層、柱狀晶區(qū)、樹(shù)枝晶區(qū)及粗大等軸晶粒區(qū)等鑄態(tài)組織，為了保證鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，除了提高鋼錠的冶煉質(zhì)量外，還應(yīng)從鍛造工藝方面采取措施。鋼錠的鍛造不僅是為了得到一定形狀和尺寸的鍛件，更重要的是通過(guò)鍛造達(dá)到破碎鋼錠的鑄態(tài)組織，焊合鋼錠內(nèi)部的疏松、裂紋和氣孔等缺陷，均勻和密實(shí)金屬組織以提高機(jī)械性能、抗疲勞性等，在這過(guò)程中，鋼錠的加熱工序?yàn)楦淖兘M織準(zhǔn)備發(fā)揮了重要作用。

鍛造船用舵桿鍛件鋼錠，重量達(dá)5t，材料20Mn，其形狀尺寸、組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖15t鋼錠縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖

鋼錠的加熱規(guī)范

室式燃?xì)鉅t是利用煤氣、石油氣和天然氣燃料在火焰加熱爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生含有大量熱能的高溫火焰，通過(guò)對(duì)流、輻射把熱能傳給鋼錠坯料表面，再由表面向中心熱傳導(dǎo)。鍛造加熱規(guī)范必須保證：加熱過(guò)程中不產(chǎn)生裂紋，不過(guò)熱過(guò)燒，溫度均勻，氧化脫碳少，加熱時(shí)間短，加熱效率高，節(jié)約燃料；而且保證碳素鋼、低合金鋼坯料截面溫差小于50～100℃，高合金鋼坯料截面溫差小于40℃，溫度應(yīng)力小。

鍛造溫度范圍確定以鋼的鐵－碳平衡圖為基礎(chǔ)，參照塑性圖、抗力圖和再結(jié)晶圖，從塑性、質(zhì)量及變形抗力三個(gè)方面綜合分析。20Mn鋼錠的鍛造溫度范圍可通過(guò)鐵－碳平衡圖直接確定，其始鍛溫度低于熔點(diǎn)（鐵－碳平衡圖的固相線）150～200℃。鋼錠加熱時(shí)，鑄態(tài)組織較穩(wěn)定，產(chǎn)生過(guò)燒的傾向性較小，鋼錠的始鍛溫度比同鋼種鋼坯的始鍛溫度高20～50℃，加熱鋼錠時(shí)，室式燃?xì)鉅t溫度頭取30～50℃，20Mn鋼錠的鐵－碳平衡圖溫度范圍如圖2所示。

圖220Mn鋼錠、碳鋼鍛造溫度范圍

鋼錠在室式爐中加熱到1250℃的時(shí)間可用式（1）表示：

式中t——總加熱時(shí)間，h；

 D——鋼錠直徑或有效厚度，m；

 k－系數(shù)，碳鋼與低合金鋼k＝10。

鋼錠加熱可分為兩個(gè)階段0～850℃與850～1250℃。確定鋼錠的五段式加熱規(guī)范如圖3所示。

實(shí)際加熱操作時(shí)，前一班班晚熱空爐進(jìn)爐，不加熱升溫，6～8h后再加熱升溫。時(shí)，必須緩慢加熱、限制裝料爐溫和加熱速度。

圖320Mn鋼錠鍛造加熱規(guī)范（爐溫）

鋼的加熱溫度超過(guò)一定溫度，并在此溫度停留時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)引起奧氏體晶粒迅速長(zhǎng)大的過(guò)熱現(xiàn)象，20Mn鋼的過(guò)熱溫度為1300℃，過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致鍛鋼件的強(qiáng)度和沖擊韌性降低。當(dāng)亞共析鋼過(guò)熱嚴(yán)重時(shí)，冷卻時(shí)由于奧氏體晶粒的分解形成所謂魏氏組織。產(chǎn)生過(guò)熱的鋼，在同樣的鍛造條件下，冷卻后晶粒仍然粗大。單純?cè)邷貖W氏體晶粒粗大形成的不穩(wěn)定過(guò)熱，可以用一般的熱處理方法消除。除原高溫奧氏體晶粒粗大外，還沿奧氏體晶界析出第二相的穩(wěn)定過(guò)熱，用一般熱處理的方法不易改善或不能消除。

為避免形成穩(wěn)定過(guò)熱，應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度，盡可能縮短高溫保溫時(shí)間，鍛造保證足夠的變形量，破碎過(guò)熱形成的粗大晶粒，并破壞其沿晶界析出相的連續(xù)網(wǎng)狀分布，從而可以改善或消除穩(wěn)定過(guò)熱。

鍛前加熱中的溫度應(yīng)力、過(guò)熱和加熱裂紋缺陷

鋼錠或鋼材在加熱過(guò)程中，溫度升得太快，表面與中心溫度出現(xiàn)溫差，內(nèi)外膨脹不均，溫度應(yīng)力如果超過(guò)強(qiáng)度極限，便會(huì)出現(xiàn)裂紋。升溫速度過(guò)于緩慢，降低生產(chǎn)率，增加燃料消耗。導(dǎo)溫性好，斷面尺寸小的鋼料，按最大可能加熱速度加熱；導(dǎo)溫性差，斷面尺寸大的鋼料，允許的加熱速度小。鋼錠加熱在低于500℃時(shí)，鋼錠的塑性很差，鋼錠內(nèi)部的殘余應(yīng)力與溫度應(yīng)力相同，鋼錠存在的各種組織缺陷還會(huì)造成應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋，鋼錠在低溫階段加熱

過(guò)熱后冷卻速度快，第二相可能來(lái)不及沿晶界析出；冷卻速度過(guò)慢，則析出相聚集成較大的質(zhì)點(diǎn)，這兩種情況都不易形成穩(wěn)定過(guò)熱。冷卻速度要適當(dāng)控制，避免采取中等的冷卻速度。

對(duì)于沒(méi)有相變重結(jié)晶的鋼種，如在加熱過(guò)程中發(fā)生了過(guò)熱現(xiàn)象，鍛后采用熱處理的方法也不能將其消除，必須嚴(yán)格執(zhí)行加熱規(guī)范，避免過(guò)熱。對(duì)于大型鍛件的鍛造，最后一火的始鍛溫度，應(yīng)根據(jù)剩余鍛比確定，以避免鍛后晶粒粗大。

換熱式鍛造加熱爐

換熱式鍛造加熱爐的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4?lián)Q熱式鍛造加熱爐構(gòu)造原理圖

其由進(jìn)料爐門(mén)1、出料爐門(mén)6、爐襯2、空氣換熱器3、助燃空氣管4、燃燒器5構(gòu)成，?tīng)t膛包括連通的加熱區(qū)7和預(yù)熱區(qū)8，進(jìn)料口位于預(yù)熱區(qū)，出料口位于加熱區(qū)，燃燒器5位于爐膛的加熱區(qū)上端并與加熱區(qū)連通，空氣換熱器3位于爐膛的預(yù)熱區(qū)上端并與預(yù)熱區(qū)連通，空氣換熱器的進(jìn)氣端通過(guò)空氣管道與風(fēng)機(jī)連接，出氣端通過(guò)空氣管道與燃燒器連接。預(yù)熱區(qū)及換熱器可對(duì)工件、燃?xì)饧翱諝膺M(jìn)行預(yù)熱，利用了高溫氣體的余熱，使熱效率得以提高。熱效率約為17％～20％。排煙溫度約為700℃。該爐型因?yàn)榻ㄔ斐杀镜?，仍有一定的市?chǎng)。

蓄熱式燃?xì)忮懺旒訜釥t加熱原理

20世紀(jì)90年代以來(lái)，蓄熱式燃燒技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了很大進(jìn)展，蓄熱式燃燒技術(shù)與常規(guī)燃燒技術(shù)比較，其節(jié)能效果可高達(dá)40％～50％，熱效率可達(dá)85％，70％～80％的余熱被回收和利用。蓄熱式燃?xì)忮懺旒訜釥t融合了高風(fēng)溫?zé)o焰燃燒技術(shù)、脈沖燃燒控制技術(shù)和工業(yè)爐的特點(diǎn)。

圖5為蓄熱式燃?xì)忮懺旒訜釥t的結(jié)構(gòu)原理示意圖：

蓄熱式燃?xì)忮懺旒訜釥t主要由爐門(mén)及其升降機(jī)構(gòu)、爐體鋼結(jié)構(gòu)和耐火爐襯、蓄熱式燃燒控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和排煙管道等構(gòu)成。

圖5蓄熱式雙室鍛造加熱爐結(jié)構(gòu)原理示意圖

圖中1、2分別為爐門(mén)和爐門(mén)升降機(jī)構(gòu)，3、4分別為耐火澆注料爐內(nèi)襯和輕質(zhì)保溫材料爐外襯，爐體外覆以鋼板、型材鋼結(jié)構(gòu)；圖中6、7、8、9分別為煙囪、排煙風(fēng)機(jī)、排煙管熱電偶、排煙管道；11為兩通式脈沖換向閥，由電路和壓縮空氣管路控制；12、13、14、15為點(diǎn)火和噴嘴系統(tǒng)，燒嘴最大能力可達(dá)150m3/h，點(diǎn)火設(shè)有點(diǎn)火燃?xì)庑」芗皣娙霠t膛的噴火大燃?xì)夤芗斑M(jìn)氣管、并帶有火焰檢測(cè)器；18為壓縮空氣儲(chǔ)氣罐，由空機(jī)壓機(jī)供給壓縮空氣，壓縮空氣壓力為0.4～0.5MPa；19、20、21為鼓風(fēng)機(jī)、膨脹節(jié)、蓄熱體進(jìn)出氣管道，其進(jìn)氣空氣壓力為3000～4500Pa；22即為蓄熱體總成，內(nèi)部的蓄熱體主要由剛玉質(zhì)蓄熱球構(gòu)成，23、26為蓄熱體在爐膛內(nèi)的左右兩個(gè)蓄熱室的進(jìn)、排氣口；24為火焰噴嘴口；25為爐膛內(nèi)測(cè)溫?zé)犭娕肌?/p>

該爐的燃燒機(jī)理是通過(guò)爐膛內(nèi)的左右兩個(gè)蓄熱室交替切換工作狀態(tài)來(lái)回收煙氣中的余熱。工作狀態(tài)是左側(cè)蓄熱體放熱，加熱了流經(jīng)左側(cè)蓄熱體的空氣；右側(cè)蓄熱體吸熱，回收流經(jīng)右側(cè)蓄熱體的煙氣中的顯熱。燃燒系統(tǒng)換向后，右側(cè)的蓄熱體放熱，加熱流經(jīng)的空氣；左側(cè)蓄熱體吸熱狀態(tài)，吸收流經(jīng)煙氣中的顯熱。通過(guò)兩通式脈沖換向閥11不斷地切換工作狀態(tài)，左右兩側(cè)的蓄熱體可以把煙氣中的顯熱傳遞給空氣或燃?xì)?。適當(dāng)設(shè)計(jì)蓄熱體的蓄熱量和換向時(shí)間，可以將煙氣溫度降低到150℃，最大限度地提高燃料的熱利用率。

表12010年下半年鍛造生產(chǎn)用量統(tǒng)計(jì)

蓄熱式燃?xì)馐沂藉懺旒訜釥t的應(yīng)用和統(tǒng)計(jì)分析

蓄熱式燃?xì)馐沂藉懺旒訜釥t的燃?xì)庥袔追N供應(yīng)方式，如高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、發(fā)生爐煤氣，較常用的是液化石油氣、天然氣，現(xiàn)在蓄熱式燃?xì)馐沂藉懺旒訜釥t采用燃?xì)庾顝V泛的是天然氣。

天然氣是直接由地下開(kāi)采出來(lái)的可燃?xì)怏w，主要成分是甲烷（CH4），含量在85％～98％之間，還有少量重碳?xì)浠衔锛癏2、CO等可燃?xì)怏w，發(fā)熱量在33500～46000kJ/m3之間。天然氣燃燒時(shí)所需的空氣量較大，每立方米天然氣需9～14m3空氣，輻射能力強(qiáng)，甲烷及其他碳?xì)浠衔锓纸馕龀龃罅抗腆w炭粒。

液化石油氣是氣井噴出的天然氣，或以石油精煉和石油化工企業(yè)的副產(chǎn)燃?xì)鉃樵?，?jīng)過(guò)蒸餾、分離得到的以C3和C4的烴為主要成分的可燃混合氣體，主要由丙烷（C3H8）、丙烯（C3H6）丁烷（C4H10）和丁烯（C4H8）組成，丙烷的發(fā)熱量為913000kJ/m3，丁烷的發(fā)熱量為118700kJ/m3，每立方米液化石油氣根據(jù)成分的不同，燃燒所需的理論空氣量為20～30m3空氣。其幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質(zhì)，燃燒時(shí)不產(chǎn)生SO2和粉塵。

液化石油氣的采用如果沒(méi)有管道供氣，則需建站混空供氣，氣站與鍛造爐需保證一定的安全距離，并保證輸送管道的安全，使?fàn)t前燃料壓力達(dá)到10kPa。廣州造船廠有限公司采用的液化氣混空燃料的發(fā)熱值約為8400kcal/Nm3，我們采用液化石油氣爐配套4t電液鍛錘，鍛造的燃料消耗情況大概為，每鍛造1t自由鍛件耗用液化石油氣120～150kg（液化石油氣單價(jià)約為8元/kg），每噸鍛件的加熱成本約為960～1200元。

某專(zhuān)業(yè)自由鍛造廠應(yīng)用大型電液鍛錘進(jìn)行鍛造，加熱則采用管道天然氣供氣、蓄熱式燃?xì)馐沂藉懺旒訜釥t加熱，其2010年下半年鍛造生產(chǎn)用氣量統(tǒng)計(jì)如表1（當(dāng)?shù)靥烊粴鈫蝺r(jià)4.8元/m3）。

其每噸鍛件的加熱成本為536.3元，相比采用重油、煤氣發(fā)生爐的加熱成本要低，蓄熱式燃?xì)忮懺旒訜釥t的天然氣加熱確實(shí)經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

結(jié)束語(yǔ)

鋼錠的加熱是鋼錠鍛造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，規(guī)范的鍛前加熱可使鍛件具有良好的機(jī)械性能。鍛造燃?xì)饧訜峋G色環(huán)保，蓄熱式燃?xì)忮懺旒訜釥t的脈沖、高風(fēng)溫、無(wú)焰燃燒技術(shù)較先進(jìn)，熱效率大幅提高，并降低鍛造加熱成本。換熱式燃?xì)忮懺旒訜釥t的熱效率不高，但建爐投入不大。隨著天然氣資源的拓展，燃?xì)忮懺旒訜岬膽?yīng)用將有廣闊的前景。

項(xiàng)目來(lái)源：廣東省重大科技專(zhuān)項(xiàng)（2009A080304004）