陳先鋒， 堵治君， 徐 進(jìn)， 蔣 超

(江蘇共昌軋輥股份有限公司，江蘇 宜興 214253)

引 言

差溫爐是軋輥差溫?zé)崽幚碜钪匾脑O(shè)備，軋輥通過(guò)差溫?zé)崽幚?，可以有效地?yōu)化組織分布，細(xì)化晶粒，從而改善應(yīng)力狀態(tài)。其工作原理為：將軋輥置于差溫爐內(nèi)，加熱源采用天然氣，由亞高速火嘴噴出火焰對(duì)輥身表層進(jìn)行快速加熱，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定的加熱溫度，使得軋輥表層產(chǎn)生一定深度的奧氏體層而軋輥心部溫度仍保持在相變點(diǎn)以下，然后進(jìn)行噴霧水淬，從而使軋輥表層獲得高硬度的金屬組織。差溫爐較多應(yīng)用于支撐輥的熱處理，但隨著現(xiàn)代軋機(jī)向高精度、自動(dòng)化及優(yōu)質(zhì)板形控制的發(fā)展，高速鋼等材質(zhì)軋輥也逐漸開始推廣使用差溫?zé)崽幚?，主要因?yàn)楦咚黉撥堓佋仁褂玫碾娮锠t整體加熱為使工作層表面獲得一定的硬度，需升溫至1100 ℃左右，但其心部(及輥頸)由于是球墨鑄鐵材質(zhì)，該溫度下容易產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變和嚴(yán)重氧化及形變，而差溫爐只針對(duì)軋輥輥身進(jìn)行快速升溫，心部溫度仍然很低，通過(guò)工藝控制，不會(huì)對(duì)心部帶來(lái)任何不利影響，從而逐漸被推廣使用。一般傳統(tǒng)的差溫爐設(shè)備爐體采用端蓋固定、兩個(gè)半圓形開合式爐殼結(jié)構(gòu)，由于爐膛容積基本固定不變，給不同尺寸規(guī)格軋輥差溫?zé)崽幚韼?lái)很多質(zhì)量問(wèn)題；比如，對(duì)小規(guī)格的軋輥差溫處理時(shí)，輥頸部位同時(shí)在爐膛內(nèi)進(jìn)行快速加熱，后期的水淬極易造成軋輥托肩掉肉和輥頸斷裂。針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)臥式差溫爐進(jìn)行分析、工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備智能改造，從而解決實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題。

1 改造設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝制度

1.1 技術(shù)參數(shù)

軋輥輥身加熱溫度(閾值)：1150 ℃；

爐膛最高溫升(閾值)：1300 ℃；

軋輥輥身升溫速率：>300 ℃/h(升溫范圍：650～1150 ℃)；

軋輥規(guī)格：a)輥身直徑為1000～1800 mm可選，b)輥身長(zhǎng)度為1200～2800 mm可調(diào)；

控溫方式：3點(diǎn)光學(xué)控溫+3點(diǎn)熱電偶控溫+6點(diǎn)爐溫記錄；

加熱源：天然氣，熱值35590 kJ/m3；

軋輥裝載量(閾值)：100 t；

爐溫均勻性控制：≤±5 ℃。

1.2 升溫控制工藝

某材質(zhì)軋輥差溫?zé)崽幚砩郎乜刂乒に嚽€如圖1所示。

圖1 某材質(zhì)軋輥差溫?zé)崽幚砩郎乜刂乒に嚽€

2 差溫爐改造

2.1 本體改造設(shè)計(jì)方案

2.1.1 移動(dòng)端蓋的設(shè)計(jì)

移動(dòng)端蓋的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)對(duì)爐膛“容積”的調(diào)節(jié)從而滿足不同規(guī)格尺寸(主要是輥身長(zhǎng)度)軋輥的差溫?zé)崽幚硇枰?。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.移動(dòng)端蓋；2. 端蓋吊掛軌道；3.電動(dòng)推桿；4.支撐架圖2 差溫爐本體改造效果圖

爐體端蓋設(shè)計(jì)為固定部分和可移動(dòng)部分。固定部分與爐體相連，內(nèi)襯為鋯纖維隔熱模塊。爐膛端蓋共分為4個(gè)部分，由工字鋼聯(lián)接吊掛在橫梁上；每個(gè)工字鋼一端用螺栓錨固四個(gè)小輪(結(jié)構(gòu)圖如圖3所示)吊掛在軌道上，小輪可以在軌道上來(lái)回行走，通過(guò)電動(dòng)推桿的拉伸、收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端蓋沿爐膛軸向的移動(dòng)，從而改變爐膛長(zhǎng)度方向的尺寸。每個(gè)軌道上設(shè)置一套有4個(gè)小輪及鋼板組成的行走機(jī)構(gòu)(如圖4所示)，另一端聯(lián)接1個(gè)氣缸，通過(guò)氣缸的收縮拉伸可以實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)在支撐架上的移動(dòng)，使得端蓋與爐體脫開，減小了摩擦阻力。

圖3 移動(dòng)端蓋固接圖

圖4 行走機(jī)構(gòu)

在爐體開啟的狀態(tài)下，支架上的4個(gè)氣缸通過(guò)拉伸作用將四輪行走機(jī)構(gòu)連同軌道沿爐體徑向方向推出約400 mm，從而使工字鋼以及與之聯(lián)接的爐體移動(dòng)端蓋一起沿爐子徑向移動(dòng)約400 mm，實(shí)現(xiàn)了端蓋與爐體的“脫開”。然后，電動(dòng)推桿進(jìn)行收縮動(dòng)作(結(jié)構(gòu)圖如圖5所示)，驅(qū)動(dòng)與之相連的小輪，使其在軌道上沿爐子軸向由兩側(cè)向中心移動(dòng)各450 mm。此動(dòng)作完成之后，氣缸收縮，使移動(dòng)端蓋與爐膛壓緊，爐體閉合，完成整個(gè)爐膛的“變?nèi)莘e”過(guò)程。此外，設(shè)計(jì)制造了3套輥頸擋圈，分別為300，400，500 mm，根據(jù)不同規(guī)格軋輥需求，可更換固裝在移動(dòng)端蓋上。此移動(dòng)端蓋配置一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)行平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，可滿足不同規(guī)格軋輥差溫?zé)崽幚淼男枨蟆?/p>

圖5 電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 支撐輪結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

軋輥放置在由立柱支撐的兩個(gè)支撐輪上，支撐輪可以實(shí)現(xiàn)三維移動(dòng)，其中心距根據(jù)輥頸的變化進(jìn)行調(diào)整。軋輥在支撐輪的帶動(dòng)下以單邊驅(qū)動(dòng)方式旋轉(zhuǎn)并定時(shí)換向，支撐輪及傳動(dòng)系統(tǒng)坐落在以電動(dòng)絲杠為動(dòng)力源的V型滑道上，可以方便地調(diào)整支撐輪間距，以保證不同軋輥中心線高度不變。軋輥支撐旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)每一側(cè)支撐平臺(tái)底部安裝電動(dòng)推桿，可軸向調(diào)整不同位置以適應(yīng)不同工件長(zhǎng)度尺寸的要求。

2.2 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件改造方案

2.2.1 系統(tǒng)組成

爐體分為6個(gè)測(cè)溫區(qū)域，設(shè)置9支鉑銠-鉑熱電偶，通過(guò)高溫陶瓷套安裝于兩側(cè)爐殼上，主要用于溫度測(cè)定，數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)人機(jī)界面，用于操作工對(duì)各區(qū)升溫情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。爐體控溫采用的是英國(guó)LAND LMG 1-0光學(xué)測(cè)溫儀、智能溫度調(diào)節(jié)儀、西門子S7-300可編程控制器、研華工控機(jī)、組態(tài)王控制軟件、亞高速調(diào)溫自控火嘴系統(tǒng)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用三區(qū)六點(diǎn)式控溫(每區(qū)各排布1個(gè)熱電偶和1個(gè)光學(xué)溫控儀)，按預(yù)設(shè)的熱處理工藝曲線要求自動(dòng)控制調(diào)節(jié)爐內(nèi)的溫度。

2.2.2 控制方案

在上位機(jī)人機(jī)界面上輸入升溫工藝曲線，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的工藝曲線分別自動(dòng)設(shè)定或計(jì)算出升溫速度、保溫溫度和保溫精度，以實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，并可實(shí)時(shí)顯示理論值和實(shí)際值，還可對(duì)整個(gè)熱處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，發(fā)現(xiàn)爐溫異?？勺詣?dòng)報(bào)警。溫度控制采用六點(diǎn)測(cè)溫三區(qū)配置，其中3套紅外測(cè)溫儀及3支控溫?zé)犭娕紝?duì)稱地布置于爐體兩側(cè)，可以顯示出爐溫均勻性和工件溫度。爐膛在預(yù)熱階段由熱電偶控溫，當(dāng)加熱軋輥時(shí)，由光學(xué)測(cè)溫儀控制爐膛溫度(測(cè)溫范圍600～1600 ℃)，熱電偶用于顯示溫度。溫控監(jiān)控畫面設(shè)置如圖6所示。

圖6 差溫爐溫控系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控畫面

2.2.3 溫控點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

溫控點(diǎn)設(shè)置于工件側(cè)面的爐殼上，另一側(cè)控制點(diǎn)設(shè)置在對(duì)稱點(diǎn)位置，使控溫點(diǎn)盡量靠近工件位置。每區(qū)控溫點(diǎn)控制6～8只火嘴，系統(tǒng)共設(shè)置有34個(gè)火嘴，如圖7所示。采用3204型歐陸表控溫，精度達(dá)±1 ℃，多區(qū)控溫可實(shí)現(xiàn)溫度的精細(xì)控制，保證爐溫均勻性在±5 ℃。通過(guò)火嘴控制器控制天然氣及空氣閥門的開啟，每臺(tái)燒嘴使用一套控制閥門，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制?；鹱炜刂撇捎没艨频轮悄芸刂破骱兔}沖信號(hào)發(fā)生器，與亞高速火嘴配套使用完成火嘴的自動(dòng)點(diǎn)火、火焰監(jiān)測(cè)、熄火保護(hù)、大(小)火自調(diào)與指示功能。SIEMENS S7 PLC同時(shí)采集溫度、壓力信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)程序控制。

圖7 差溫爐火嘴分布及工藝流程圖

對(duì)于各溫控點(diǎn)，設(shè)計(jì)了參數(shù)實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)曲線畫面(如圖8所示)，工作人員在進(jìn)行軋輥差溫?zé)崽幚頃r(shí)，通過(guò)該畫面可以直觀了解各區(qū)溫升情況并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。各區(qū)加熱曲線圖自動(dòng)保存至存儲(chǔ)器并可打印。

圖8 差溫爐系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)曲線圖

2.3 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

如前述，在需差溫?zé)崽幚淼能堓佉?guī)格發(fā)生變化時(shí)，僅需在人機(jī)界面上輸入軋輥規(guī)格，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算，并輸出指令操控移動(dòng)端蓋，將輥頸置于爐腔外側(cè)不予加熱；由于爐膛沿軸上長(zhǎng)度的減小，使得一部分火嘴不參與工作，整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的分區(qū)及每區(qū)所控制的燒嘴個(gè)數(shù)將由系統(tǒng)進(jìn)行重新調(diào)整，如表1所示。

表1 差溫爐改造前后火嘴分布對(duì)比表

原6區(qū)加熱減少為4區(qū)加熱，兩側(cè)端蓋遮擋及爐膛外的部分火嘴被自動(dòng)關(guān)閉，避免了對(duì)輥頸的加熱而帶來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。

2.4 改造效果

據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)備改造后，軋輥差溫?zé)崽幚硪淮魏细衤蕪脑鹊?2.5%提升至99%以上。采用先進(jìn)的智能化控溫系統(tǒng)，一方面可以根據(jù)軋輥實(shí)際尺寸經(jīng)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后，自動(dòng)關(guān)閉部分加熱區(qū)域，自動(dòng)化程度高，工人操作方便，維護(hù)簡(jiǎn)單；另一方面，關(guān)閉12個(gè)無(wú)用火嘴后，僅僅用22個(gè)火嘴進(jìn)行加熱。通過(guò)對(duì)設(shè)備改造前、后數(shù)據(jù)比對(duì)，差溫?zé)崽幚硖烊粴庀牧坑稍鹊?5 m3/t降為目前的33 m3/t左右，燃料節(jié)能達(dá)25%以上。而通過(guò)系統(tǒng)自調(diào)節(jié)，完全滿足軋輥升溫速率的要求，在節(jié)能環(huán)保方面效果顯著。

設(shè)備改造前、后的對(duì)比如圖9，10所示。

圖9 改造前設(shè)備

圖10 改造后設(shè)備

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)備改造后，有效地滿足了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求，拓寬了設(shè)備對(duì)軋輥規(guī)格和材質(zhì)的差溫?zé)崽幚砟芰头秶?，降低了軋輥在差溫?zé)崽幚頃r(shí)出現(xiàn)質(zhì)量事故的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備技改項(xiàng)目的成功，為精細(xì)化生產(chǎn)帶來(lái)一定的推動(dòng)作用。