天龍科技爐業(yè)（無錫）有限公司（江蘇 214105）薛元強(qiáng) 宗國良

江蘇省機(jī)電研究所 （徐州 221004）劉肅人

熱處理工作者都十分清楚，下貝氏體具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，在強(qiáng)韌性、疲勞性等方面優(yōu)于普通的馬氏體。隨著近年來熱處理裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，以及機(jī)械零部件特別是軸承、齒輪、液壓件等對綜合力學(xué)性能（強(qiáng)韌性及疲勞性等）的要求日益趨高，普通的常規(guī)熱處理工藝已經(jīng)不能滿足這一要求。國內(nèi)外熱處理設(shè)備制造商近年來根據(jù)這一情況開發(fā)出貝氏體等溫淬火，應(yīng)用于高性能軸承的熱處理。

目前，常規(guī)批量GCr15軸承貝氏體淬火采用氮基氣氛保護(hù)輥底式爐加熱，熱處理工藝為（230±10）℃硝鹽（55%KNO3+45%NaNO3）等溫淬火較多。產(chǎn)品在進(jìn)入主爐加熱前進(jìn)行清洗及預(yù)氧化處理。由于貝氏體轉(zhuǎn)變需要很長的孕育期，鹽浴還要保持較高的溫度，因此能耗較大。

天龍公司針對目前鹽淬貝氏體生產(chǎn)線的運(yùn)行能耗較高、熱能綜合利用率較低等情況。并參考國內(nèi)外相關(guān)設(shè)備特點(diǎn)，對生產(chǎn)線增加了熱交換回收裝置，充分利用淬火余熱，研制出了熱回收型等溫貝氏體生產(chǎn)線。可提高熱量的綜合利用率，既可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，又能降低運(yùn)行成本。

1.熱回收型鹽淬貝氏體生產(chǎn)線綜述

（1）熱回收型鹽淬貝氏體生產(chǎn)線簡介 以GCr15軸承鋼為例，其典型貝氏體淬火工藝曲線見圖1。

圖1 GCr15軸承鋼貝氏體淬火工藝曲線

普通的軸承鹽淬貝氏體生產(chǎn)線主要由上料機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)、預(yù)氧化室、加熱爐、換氣保溫室、鹽淬槽（含等溫、回火）、后清洗、出料機(jī)構(gòu)等部分組成。

同時(shí)，貝氏體轉(zhuǎn)變要求工件等溫加熱淬火后轉(zhuǎn)移到硝鹽槽中進(jìn)行較長時(shí)間的等溫轉(zhuǎn)變，在這一過程中硝鹽溫度不能變動太大。為保證貝氏體轉(zhuǎn)變工藝溫度基本恒定，通常在硝鹽槽內(nèi)設(shè)置冷卻系統(tǒng)，一般是在槽內(nèi)設(shè)置多路空氣盤管，利用風(fēng)機(jī)鼓入冷風(fēng)對硝鹽進(jìn)行冷卻，換熱后的熱風(fēng)排入空氣中。以我公司給瓦房店軸承集團(tuán)公司提供的鹽淬貝氏體生產(chǎn)線（產(chǎn)能1800kg/h）為例，在連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行中，其各部分能量消耗見表1。

由表1看出，在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，貝氏體生產(chǎn)線單位能耗為：0.47kW·h/kg，遠(yuǎn)高于先進(jìn)國家能耗（≤0.4kW·h/kg）。

與普通加熱淬火工藝相比，由于貝氏體轉(zhuǎn)變溫度較高，從而使得整個(gè)熱處理系統(tǒng)熵增較小，余熱價(jià)值較高。由傳統(tǒng)型貝氏體生產(chǎn)線運(yùn)行狀況可知，其能源消耗主要在淬火溫降過程中，工件所吸收熱量除爐體本身熱短路損失外，其余大部分均轉(zhuǎn)變?yōu)闊峥諝獍装桌速M(fèi)掉。據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量值，熱風(fēng)出口溫度基本穩(wěn)定在180～200℃，按風(fēng)量平均值估測熱量損失高達(dá)1.15×106kJ/h，換算耗電量約320kW·h。

改進(jìn)后的熱回收型貝氏體生產(chǎn)線在不改變生產(chǎn)線主體結(jié)構(gòu)的情況下，將淬火過程中消耗熱量通過換熱器傳遞加熱空氣，然后再對熱空氣所帶走熱量進(jìn)行回收利用。這也同時(shí)減少了熱量的直接排放對環(huán)境造成的影響，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

熱回收型貝氏體生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)了硝鹽淬火槽氣液換熱器，提高了冷卻空氣與硝鹽換熱效率。同時(shí)，在前后清洗機(jī)中設(shè)置換熱盤管，將經(jīng)鹽淬槽加熱后的熱空氣引至盤管中對清洗液進(jìn)行加熱。換熱后的空氣在通過熱風(fēng)干燥室對清洗后的工件進(jìn)行干燥加熱。此舉有效回收了淬火熱量，同時(shí)在前清洗中經(jīng)熱風(fēng)干燥的工件溫度比傳統(tǒng)型中的工件溫度要高，減少了換氣預(yù)熱室及主爐的熱負(fù)荷。

（2）熱回收型鹽淬貝氏體生產(chǎn)線主要參數(shù)及設(shè)備組成 在傳統(tǒng)鹽淬貝氏體生產(chǎn)線中增設(shè)了熱量回收系統(tǒng)后，其主體部分不變，減少了部分工作室的加熱功率。其功率參數(shù)見表2。

新型熱回收型鹽淬生產(chǎn)線的主要組成設(shè)備及平面布置如圖2所示。

2.生產(chǎn)線設(shè)計(jì)特點(diǎn)

熱回收型生產(chǎn)線主要目的是減少熱量損失，合理利用工件淬火余熱。因此，此型生產(chǎn)線設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于熱能的回收和分配。即在保證淬火槽硝鹽溫度基本穩(wěn)定的前提下，充分利用設(shè)置在槽內(nèi)硝鹽里的空氣換熱器將淬火熱量轉(zhuǎn)換到空氣中，再將回收的熱空氣合理分配至各加熱單元中。

表1 生產(chǎn)線改進(jìn)前各單元功率

表2 改進(jìn)后的熱回收型生產(chǎn)線各部分功率

圖2 生產(chǎn)線設(shè)備及平面布置

（1）鹽淬（等溫淬火）槽設(shè)計(jì) 連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，鹽淬槽主要依靠槽體自身及設(shè)置在硝鹽內(nèi)的氣液換熱器將淬火產(chǎn)生的熱量帶走。為減少熱量損失，在設(shè)計(jì)中加厚槽體保溫層，減少熱短路，并將槽體加強(qiáng)筋板也隱藏于保溫材料內(nèi)。

冷卻風(fēng)機(jī)采用變頻電機(jī)，合理控制所需冷卻風(fēng)量。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)選擇氣液換熱器，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，將原單層換熱板改為U形多管焊接結(jié)構(gòu)，即集中進(jìn)風(fēng)、分散換熱、集中排風(fēng)。采用此類設(shè)計(jì)增加了氣液換熱面積，提高了換熱效率，其換熱器結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 氣液換熱器結(jié)構(gòu)

為確保槽內(nèi)硝鹽溫度的均勻性，在鹽淬槽布置了大流量攪拌器。為達(dá)到更好的換熱效果，合理設(shè)計(jì)攪拌器位置，攪拌器可以較大的流速經(jīng)過換熱器，實(shí)現(xiàn)氣液熱量交換強(qiáng)度，提高換熱效率，及時(shí)將富裕熱量回收。同時(shí)，也防止冷空氣進(jìn)入換熱器，導(dǎo)致?lián)Q熱器周邊溫度較低，造成管路附近硝鹽結(jié)晶。

（2）熱風(fēng)管道及風(fēng)量分配設(shè)計(jì) 該生產(chǎn)線熱量回收主要用于工件進(jìn)爐前清洗和淬火后清洗階段的加熱補(bǔ)充，由于前清洗、后清洗的工件量一致（即進(jìn)爐量等于出爐量），因此，熱風(fēng)管道前后按1:1熱量分配。由于熱風(fēng)管內(nèi)溫度較高（180～200℃），為消除生產(chǎn)隱患，在設(shè)計(jì)中按較低溫升（≤15℃）設(shè)置保溫層。

熱風(fēng)管按生產(chǎn)線最大生產(chǎn)能力所確定的換熱風(fēng)量確定，同時(shí)，考慮到生產(chǎn)任務(wù)不同而導(dǎo)致的工件處理量大小的差別，在熱風(fēng)管道上設(shè)置了高溫比例調(diào)節(jié)閥，以適應(yīng)不同生產(chǎn)量。

為防止短時(shí)間內(nèi)大批量工件淬火導(dǎo)致熱風(fēng)溫度過高，在熱風(fēng)管上還設(shè)置了高溫比例旁路閥，以防止生產(chǎn)事故的產(chǎn)生。

（3）清洗機(jī)及熱風(fēng)干燥室設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)生產(chǎn)線清洗機(jī)清洗液及熱風(fēng)干燥室均采用電熱管加熱，熱回收型將來自鹽淬槽中的熱風(fēng)引至設(shè)置在清洗槽內(nèi)的換熱盤管中。按照熱交換所需換熱面積確定盤管長度，盤管采用20鋼折彎焊接制作，為達(dá)到更好的換熱效果，在盤管外增焊了多層翅片。

熱風(fēng)經(jīng)盤管換熱后集中通過熱風(fēng)干燥室，利用熱風(fēng)烘干清洗后的工件。為防止熱蒸汽對管道造成腐蝕，熱風(fēng)干燥室管路均采用不銹鋼制作。

考慮熱風(fēng)管路檢修等諸多因素，清洗機(jī)和熱風(fēng)干燥室均配備了少量電加熱管，以適應(yīng)短時(shí)間生產(chǎn)線整體運(yùn)行。

（4）熱回收控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 貝氏體生產(chǎn)線控制系統(tǒng)由人機(jī)界面、溫控、氣氛控制器、PLC、傳感器、比例閥、電磁閥、繼電器、接觸器、伺服電機(jī)、變頻器及編碼器等部件組成。

西門子PLC配有以太網(wǎng)接口，與上位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)全部熱處理過程中溫度、動作的自動控制。操作、管理人員可通過工況圖，觀察所有動作運(yùn)行的準(zhǔn)確性及產(chǎn)品在爐內(nèi)的傳動狀態(tài)，使設(shè)備在任何時(shí)候的工作狀態(tài)處于可監(jiān)控狀態(tài)。為方便設(shè)備維護(hù)跟蹤，設(shè)備報(bào)警點(diǎn)能直觀、準(zhǔn)確及時(shí)報(bào)告設(shè)備的故障點(diǎn)，使操作和維修人員及時(shí)處理設(shè)備故障，同時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行過程中的所有報(bào)警點(diǎn)的發(fā)生時(shí)間和解除時(shí)間，并保存歷史記錄。

在控制系統(tǒng)中無需增加電氣元件便可實(shí)現(xiàn)熱回收系統(tǒng)的升級改造，只需在PLC和上位機(jī)上稍做改動便可實(shí)現(xiàn)。實(shí)際運(yùn)行中，可根據(jù)鹽淬槽硝鹽溫度控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量，各部分溫度合理開啟設(shè)置在熱風(fēng)管上的比例調(diào)節(jié)閥和旁路閥，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的熱量平衡。

3.生產(chǎn)線應(yīng)用效果

生產(chǎn)線通過在瓦軸幾年的連續(xù)運(yùn)行，熱風(fēng)通過換熱器與清洗液及工件換熱完全達(dá)到使用要求。除生產(chǎn)線前期啟動外，連續(xù)運(yùn)行時(shí)，前清洗、后清洗清洗液加熱器基本處于停用狀態(tài)；經(jīng)風(fēng)管排出的空氣溫度與原有生產(chǎn)線相比有較大幅度下降。

經(jīng)綜合評定測算，熱回收型貝氏體生產(chǎn)線單位能耗為0.40kW·h/kg，比傳統(tǒng)型生產(chǎn)線節(jié)能約15%，能耗標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

4.結(jié)語

綜合回收利用熱處理過程余熱是熱處理節(jié)能技術(shù)的新領(lǐng)域，熱回收型貝氏體生產(chǎn)線的成功開發(fā)，提高了熱處理生產(chǎn)過程熱效率，是熱處理設(shè)備節(jié)能減排的發(fā)展方向。