氣門與挺桿熱處理節能降耗的措施與方法

濟南沃德汽車零部件有限公司（山東 250300）王忠誠 孫志剛 王 東

內燃機氣門與挺桿是發動機的關鍵部件，在工作過程中要求其具有最佳的硬度與金相組織，即氣門進行調質處理或固溶時效處理，挺桿則進行調質處理或淬火+低溫回火，同時為提高產品的耐磨性與抗腐蝕性，選擇采用氮化或鍍鉻處等表面處理。

一、熱處理工藝流程與設備

內燃機氣門（以下簡稱氣門）的熱處理主要工序，主要包括淬火、回火、固溶、時效、拋丸、調直、氮化等，熱處理設備主要為連續式網帶爐、高溫燃氣爐、高溫井式爐、氮化爐、拋丸機等，其主要工藝要求為溫度、時間、裝爐量等，其中電力消耗大戶為網帶爐、高溫井式爐、鹽浴爐與氮化爐等，其用電量占熱處理車間的90%左右，而氮化部分的消耗主要是氮化用鹽，另外是拋丸用鋼砂等。

挺桿的熱處理主要包括淬火+低溫回火（或高溫回火、氮化等，其中鑄鐵挺桿在鹽浴爐進行加熱淬火，鋼制挺桿在網帶爐上加熱淬火與回火，鋼制挺桿全部進行氮碳共滲處理。

二、熱處理過程中節能降耗的措施

1.鹽浴爐節能降耗的方法

（1）增大淬火裝爐量，從而提高生產效率，實現節能降耗。采用鹽浴爐加熱的氣門與挺桿大多是比較大的產品，因受到爐膛口的限制，氣門裝爐量通常是18～25支，為此設計錯層工裝，增加了裝爐量。而根據筒裝挺桿的結構特點，只能采用在圖1的淬火筐垂直擺放，裝爐量為36支，同時淬火筐的變形比較嚴重，在裝爐量到25支時報廢。為此，設計了該類挺桿的專用淬火工裝（見圖2），其具有變形小，裝爐量增加到46支，易于進行變形支撐柱的校直，產品質量穩定，碳化物與石墨數量符合工藝要求等特點，將生產效率提高了28%，按年處理該類挺桿100萬支計算，則節電與節鹽5萬余元，經濟效益十分顯著。

圖1 筒裝鑄鐵挺桿原淬火工裝

圖2 改進后筒裝鑄鐵挺桿淬火工裝

（2）縮短脫氧與交接班時間，充分利用有效作業時間。熱處理生產為每天兩班作業各12h，兩次交接班前后約3h是非工作時間，加上每天脫氧一次，則實際作業時間最多在20h。為此采取每天僅交接班一次脫氧一次，則可每天增加有效作業時間2h，在生產效率與節能方面均有提高與改善。

2.連續式網帶爐節能降耗的方法

該爐為目前國內外氣門進行調質處理的重要設備，耐熱鋼網帶既作為淬火加熱工裝，又是傳送工具，氣門與挺桿擺放于網帶上完成整個加熱過程。淬火加熱網帶的壽命與電力的消耗是氣門與挺桿熱處理的主要成本部分，一條網帶的使用壽命在8個月，費用為10萬元。設備總功率為550kW，工作時按400kW計算，每天消耗9600kW·h，折合電力費用為8000元。

從以上分析可見，充分利用工作時間，將淬火產品集中進行生產作業，減少啟爐的頻次，增加裝爐量。原來采用的是氣門水平擺放在網帶上加熱方式（見圖3），此方式耗能高、產能低、生產率低且勞動強度大。而采用了垂直加熱方式（見圖4與圖5）則增加了裝爐量，圖6為挺桿進入回火爐的情況，作業效率提高了100%，同時在交接班時間仍繼續作業，則將有效作業時間每班增加了1.5h，充分利用網帶爐工作特點，避免了設備工作但無產品淬火和電力浪費的問題，節電效果顯著。同時產品淬火后變形量明顯低于井式爐淬火產品變形量與水平擺放氣門的變形量，為實現小氣門的垂直加熱與節能，也為氣門調直的測量基準一致奠定了基礎，生產效率提高了25%，在淬火前進行切割是合理的工藝優化，值得推廣。

淬火油的消耗也占熱處理部分成本，氣門本身帶出的油較少，而鋼制挺桿因有內孔，個別為盲孔，淬火后孔內的淬火油帶出較多，故采用人工將其放倒流出淬火油可解決該問題。

3.高溫井式爐的節能降耗方法

高溫井式爐是進行大型氣門淬火加熱的主要設備，氣門垂直穿在三層淬火架網片上，每爐加熱時間為1h，考慮到馬氏體耐熱鋼氣門的奧氏體化溫度為980～1040℃，實際設定加熱溫度要求為（1040±10）℃，而熱爐裝爐最低降到940℃左右，實際保溫時間在30min以上，而將保溫時間縮短為20min，金相檢查表明，晶粒度與碳化物符合要求，回火后硬度等符合工藝要求。

圖3 在網帶上水平擺放的氣門

圖4 在網帶爐上整齊垂直擺放的氣門

圖5 在網帶上淬火加熱垂直擺放鋼制挺桿

圖6 在網帶上回火的鋼制挺桿

根據氣門的長度不同設計4層淬火工裝，可提高生產效率25%，節能電力效果明顯。另外，淬火后控干凈氣門與淬火架上的淬火油，可減少油的消耗。

4.拋丸節能降耗的方法

氣門與挺桿回火后表面存在氧化皮、鹽渣等，需要進行拋丸處理，為氣門調直與機械加工做好準備。拋丸使用的鋼砂成本較高，為此根據氣門的熱處理與表面要求等特點進行分類拋丸：對于熱處理后全加工的氣門拋丸時間縮短到15～20min；對于熱處理毛坯面不加工的產品和需要氮化處理的產品按工藝要求拋丸；對于桿桿焊產品則取消拋丸處理。

因某種氣門數量較少或剩余部分氣門，沒有達到規定的裝量，可將兩種氣門混裝拋丸；因挺桿內孔容易積存鋼砂，采取拋丸結束后倒盤方式，控干凈鋼砂。

采用在吸塵器管道處加擋板的方式，避免因吸力過大，將碎小的鋼砂吸走，否則造成鋼砂過度的無為消耗，同時根據產品的表面質量要求，合理進行鋼砂直徑的選擇。

5.液體氮碳共滲節能降耗的方法

（1）根據氮化爐的大小，設計不同的工裝，盡可能增大裝爐量。根據井式爐爐膛的大小不同，目前設計的氮化罐分為大小兩種，根據氣門高度不同進行不同層高間距氮化架的設計，只要層與層之間的氣門或挺桿無接觸，便于進行清理即可，為此小爐子設計了3～7層氮化工裝，大氮化爐則為10層，目前同樣的產品，大氮化架的產量是小氮化架的5～6倍，提高生產效率500%以上。圖7與圖8為氣門氮化架實物照片，可以看出二者的差異較大，目前大氮化爐逐漸代替了小氮化爐，并為生產能力的提升奠定了良好的基礎。

（2）設計專用控鹽裝置，節約氮化與氧化用鹽。氣門與挺桿氮化架為分層的立體架，垂直穿在或放在網格上，出爐后的產品與氮化架上沾附不少的鹽浴，尤其是盤部帶有底窩的氣門，帶出的鹽浴則更多。這包括氮化鹽與氧化鹽，由于氮化用鹽價格較高，因此如何控制鹽的消耗成為氮化工序另一項重要工作。

為此根據氮化架與產品的裝爐方式，在爐體側面設計了支撐架與隔板，具體見圖9與圖10，控出的鹽浴全部落入爐內與擋板上，通過對其進行檢查，每氮化架控出的鹽約3kg，按每天生產16爐計算，則可控出的氮化鹽與氧化鹽達到48kg，該鹽仍可繼續使用，可節約1000元，按月計算則節省3萬元，經濟效益十分可觀。

圖7 穿架整齊的大型氮化架

圖8 大小氮化架的實景對比

圖9 氮化架進行控鹽實景

圖10 專用控鹽架與擋板

（3）進行鹽浴的合理撈渣與補充。氮化鹽與氧化鹽在工作過程中，各自發生化學反應，其產生的鹽渣（既有氮碳共滲后反應的產物碳酸鹽，也有氣門與挺桿以及氮化架上的氧化皮與臟物等）沉積在爐罐的底部或在鹽浴中，需要定期撈渣與清理，以保持鹽浴的清潔，并補充消耗的氮化鹽或氧化鹽等。通常要求每班工作完畢后進行降溫撈渣，當氮化爐與氧化爐停爐后重新啟爐時，在480℃的低溫下進行一次徹底的底部挖渣，這是最為有效的鹽浴清潔手段。

另外，對于氮化架與氮化片進行拋丸處理，可清理干凈沾附其上的鹽與鹽渣以及銹蝕等，同時可有效維護鹽浴的清潔，不會造成鹽浴的早期老化與成分的降低，實踐證明效果顯著。

（4）通氣管合理使用，減少鹽浴的空消耗。氮化鹽浴在工作過程中，為了提高鹽浴的穩定性與溫度的均勻性，采用罐內加通氣管的方式，如果氮化爐內無產品而仍通氣，一則造成鹽浴本身的消耗，二則造成鹽浴氰酸根成分的下降，三則造成鹽浴的早期老化。

三、防止氮化爐罐漏鹽的措施與改善作業環境

1.防止氮化罐漏鹽的措施

液體氮碳共滲罐通常采用純鈦或不銹鋼板制造，這是因為氮化過程中的氫根與氰酸根分解出活性氮原子與碳原子，與鐵結合為Fe(C、N)2～3。將氮化罐放于井式電阻爐中進行罐外加熱，氮化罐內外雙控溫作業。

需要注意的是產品氮化結束后，粘附在產品與氮化架上的液體氮化鹽會在運動工作過程滴落在整個工作線上，其中落在氮化罐上部邊緣的鹽一段時間后會淌到氮化罐的外壁上，此時電爐絲直接加熱沾有氮化鹽與罐體，造成上部的罐體受到腐蝕而損壞，無法繼續使用，嚴重的報廢，而如繼續使用，則必須降低鹽液面，這將造成裝爐量降低，生產效率明顯降低。罐體具體破壞情況見圖11，可見整個罐體的上方已經腐蝕漏鹽，圖12與圖13為腐蝕局部與清理鹽后的具體情況，可看到罐體上被腐蝕的明顯孔洞。該純鈦氮化罐價格在8萬元，而不銹鋼的也在2萬元左右，因此造成氣門與挺桿氮化成本的提高，是氮化工序亟需解決的問題。

為防止出現此類嚴重缺陷，避免爐罐與爐膛受到損壞，要進行氮化罐體的內外部分的徹底保護，以杜絕此問題的發生，根據氮化爐爐口與爐體的外形尺寸，鋪一塊厚5～8mm的圓環鐵板，鐵板圓周與爐體用螺栓固定在一起，鐵板內孔尺寸應略大于爐口尺寸，在靠近爐口處焊φ12mm的鋼筋一周，要焊牢且無縫隙，氮化罐的邊沿壓在其上，可確保氮化鹽不會流入爐膛中，具體見圖14與圖15，使用幾年來未發生罐體與爐膛損壞的事故，改進效果十分有效。

圖11 氮化罐體上方被腐蝕的實物照片

圖12 氮化罐體局部腐蝕淌出的氮化鹽

圖13 將腐蝕部分清理干凈后的空洞形狀

2.設計靈活的除塵裝置，徹底改善氮化作業工作環境

在液體氮碳共滲正常工作過程中，鹽浴散發的氣味較小，但在調整氮化鹽浴成分時，添加的再生鹽與基鹽發生反應，產生刺激味很濃的氨氣，白色滾滾濃煙彌漫整個氮化空間，操作者難以忍受此工作環境，即使佩戴勞保用品仍無法待在作業現場，這是由于爐口兩側安裝的吸塵口效果較差，因開口多而抽力很小，煙霧與氣味無法及時全部排出，對工作環境破壞較大，成為一個老大難問題。

圖14 氮化罐壓在φ12mm鋼筋上（近距離拍攝）

圖15 氮化罐外圓環鐵板與焊接的鋼筋（側面拍攝）

圖16 正面觀察吸塵管活動裝置

圖17 側面觀察吸塵管活動裝置

經對工作現場進行考察與分析，原設想采用帶輪的推拉式罩形裝置，添加再生鹽時，將該裝置扣在爐罐口上，但因爐體中間無多余空間，該裝置不能進入要求的區域，故放棄該方案。最后提出了大膽的設計，在不改變原有吸塵管道的前提下就地取材，即在氮化爐蓋上開一個孔洞，進行成分調整時將活動的吸塵口放在爐蓋孔洞上（見圖16與圖17），正常工作時，關閉爐蓋小孔，活動吸塵管移動在一邊，現場無煙霧與氣味，工作環境得到徹底的改善。