少無脫碳球化退火爐的設計改進及其在緊固件行業的應用

北京京魯興華工業爐有限公司(102609)王通通 郭建寅

寧波宇泉環保機械科技有限公司(315000)柴斌彬

緊固件的生產工藝大多為冷鐓成形后淬火處理。在緊固件的生產過程中，為了有利于冷鐓成形，通常會將盤圓（盤條）進行拉拔和球化退火處理。而球化退火質量的好壞，將直接影響到最終成品的質量好壞。縱觀世界工業強國和制造業大國，生產設備及加工工藝無不并駕齊驅，相互依存，共同發展。然而我國制造業一直存在著生產設備與生產工藝配合難、發展難的瓶頸，即設備提供商往往不提供或無法提供生產工藝，或提供的生產工藝過于粗略化，無法滿足設備使用者的生產需求，而使用者往往對生產工藝不甚了解，只得自己探索其中奧秘。那么，作為一個緊固件生產企業，該如何選擇一款合適的球化退火爐呢？作為設備生產廠家，又如何做出令客戶滿意，將客戶利益最大化、風險最小化的退火設備呢？本文以新型球化退火爐的開發為路線，向大家講述新型球化退火爐的開發歷程及應用結果。

1.球化退火的關鍵指標

球化退火的關鍵指標有表面氧化程度、表面脫碳程度、球化率、硬度及硬度均勻性。

根據以上指標，從設備方面出發，做出以下分析。

（1）表面氧化及脫碳程度對退火后工件的再加工性能影響較大，而且表面的氧化，會造成材料的無謂損耗，增加生產成本。表面脫碳嚴重時會使產品強度下降，影響成品質量的同時極易產生廢品。防氧化、脫碳是加熱設備的一大難題。為了避免氧化及脫碳，必須保證加熱爐有良好的密封性能及先進的控制工藝，要求嚴格時還應通入保護氣氛以保證工件質量。

（2）同時加熱時需獲得一個合適的硬度值，既使冷鐓加工更容易，又使成品的質量有所保證。同時，同批次材料的硬度均勻性應控制在盡量小的范圍內，不穩定的材料硬度不但影響冷鐓時的效率，而且會造成成品率難以控制。而保證硬度均勻性最重要的因素便是設備的溫度均勻性。

（3）球化率直接影響了組織的軟化程度，對工件的變性能至關重要，而球化率的高低與球化爐的構造和退火工藝息息相關。構造方面，需要有良好的氣氛循環系統，爐內構造符合流體力學的要求，可供熱風在爐內進行合理的循環，以保證較高的溫度均勻性。并且加熱、降溫速度可控，避免過快或過慢的加熱、降溫速度。

綜上所述，加熱爐的構造、氣氛控制、控制原理設計、配套退火工藝等息息相關，在實際生產中，上述原因并不是單獨存在的，而會相互作用，互有影響。

2.現有球化退火爐生產及試驗

（1）普通加熱爐試驗 首先我們使用普通臺車式加熱爐對高強度螺栓材料42CrMo進行加熱試驗，工件在加熱到臨界點Ac1進行保溫時，開始出現脫碳層，隨爐冷至550℃出爐，由于爐內為常規氣氛，未通入保護氣，經測量材料表面有約0.6mm的嚴重脫碳層，普通加熱爐試驗以意料之中的失敗告終。

（2）專用球化退火爐制造及結果 為了增加球化退火的質量，市場上出現了一種專用的強對流井式球化退火爐，一般為井式結構，與井式爐相比，內部增加馬弗罐，罐內放置導風筒，爐蓋為鎖緊密封式結構，爐蓋上加裝強制循環風機，并配有保護氣氛發生及通入裝置，供材料在極高的均勻性下，周圍充滿保護氣氛的加熱腔內加熱。由于受盤材捆裝的形狀限制，井式球化退火爐工作直徑往往較大，盤材直徑常見規格約1000mm。

現按照單爐處理10t盤條，每月需退火材料為300t為例，井式球化爐的工作尺寸約為3500mm×3200mm，按照當前的材料及人工成本計算，該加熱爐市場售價約為80萬元，總裝機功率約為400kW。

假定試驗材料采用以下退火工藝：加熱到760℃后保溫4h，隨爐冷至550℃以下出爐（所有爐型均采用該工藝進行試驗）。按照各項運營成本估算，得出表1數據。

按照表1中的數據可知，單爐的加工成本約為3640元，我們收集了多家采用該爐進行生產的用戶反饋，普遍反映經該種強對流井式球化退火爐退火后的材料，脫碳層在80～150μm，由于爐型較大，偶爾會出現不穩定的情況，但總體效果較滿意。按照前文所述，每爐加工10t計算，噸料加工成本為3640÷10=364元/t，每月需退火300t材料，共需成本10.92萬元，成本較高，如采用外協加工的方式，成本也會大幅增加。目前加工價格普遍為600～800元/t，任務緊時價格還會增加，無端多出的生產成本令緊固件企業難以承受，但作為緊固件生產的關鍵工序又不可避免。

3.新型退火爐的研制

（1）設計前的分析 強對流井式球化退火爐加熱效果較好，但生產成本及后期的維護成本是一大難題，從單爐成本統計表1中可知，能源消耗是整體成本的主要部分，約占總額的70%，解決能源消耗是改善加工成本的關鍵問題。眾所周知，液化石油氣、天然氣與電能相比，在產生同樣熱能的條件下，燃氣價格比電能價格要低很多，要實現加熱爐較大程度的節能表現，必須改用燃料氣進行加熱。

要實現加熱成本的降低，燃料加熱是不二之選，但常用的燃料式加熱爐往往采用側壁直吹加熱，通過燒嘴吹出的燃料氣及輔助空氣，夾雜著未燃燒盡的氧氣直接作用于材料表面，造成工件表面氧化脫碳嚴重，因此燃料加熱爐往往只能局限于大型鑄鍛件的簡單加熱處理，高精度的加熱難以下手。

（2）結構優化設計 已知問題所在，我們決定采用常規的燃氣加熱臺車爐進行優化改進，首先“強對流井式球化退火爐”的結構設計完全遵照“流體力學”原理，所有內部結構均為了獲得更好的溫度循環通道，以獲得更高的溫度均勻性而存在，而現有的燃氣臺車爐均為方形結構，四周有較長的90℃直角，產生較大的加熱盲區，對熱氣流循環極為不利，燒嘴噴出的強大熱氣流在盲區變為紊流，導致嚴格測溫時獲得±20℃的均勻性也是天方夜譚。為解決這個難題，我們想到了圓形結構，外殼改為圓拱形設計（見圖1），沿用常規加熱爐的加熱方式，得出了以下設想。

圖1 圓拱形設想示意

表1 單爐成本統計

圓拱形的結構與方形結構相比，消除了空氣循環的死角，但經過我們的分析及專家軟件模擬計算，由于整體設計仍然為側壁直吹式加熱，煙囪設在爐體頂部，由于熱氣流密度小，離開燒嘴后的熱氣流一部分會向上升起，通過圓弧形內壁經煙囪排出，一部分作用于工件表面，后向上升起經煙囪排出，整個過程熱量損失較大，造成不必要的浪費，該問題中，煙囪的走向為熱量損失的重點。綜合以往的經驗，我們將排煙口移到爐臺面以下，煙氣通過爐臺上的排煙口排出，可以保證所有熱量都直接作用于工件上，熱能的過度消耗得到解決。

但經過實際的燃燒試驗發現，由于熱氣流升到爐頂后向下循環時已有部分損失，燒嘴正對面的加熱區域和盤材頂部及中心的加熱區域相比，溫度偏高，造成爐溫均勻性偏差較大，加熱完成的工件表面硬度不均。最需解決的問題是如何將燒嘴的燃燒火焰與工件隔離開，既保證爐內有足夠的熱量供應，又使工件加熱區域獲得良好的均勻性。為了解決以上問題，我們采取了單獨砌筑燃燒室，與加熱室分離的結構，燃燒時火焰在燃燒室內進行充分燃燒，熱氣流在燃燒室內混合均勻后通過與加熱室的通道進入加熱室，由于避免了火焰燃燒等問題帶來的氣流波動，整個熱氣流在爐內進行有序循環，保證熱損失降到最低，整個結構避免了死角，完全遵照氣流的行進趨勢進行設計，大幅提高了爐溫均勻性，改變了燃氣爐型只能用于簡單加熱的問題（見圖2）。

（3）控制系統開發 改良工作進行到此，設備已經初具雛形，而且加熱品質較常規燃氣加熱爐型得到大幅提升，但燃氣爐型重在燃燒，如何改進燃燒控制系統仍是一個大問題。例如目前燒嘴可供選擇燃燒方式多樣，而且常規爐型多選擇富氧燃燒狀態，即供入大量的助燃空氣，使燃料充分燃燒不浪費的同時，也致使爐內氧氣過多，這個問題不解決，工件氧化脫碳的問題仍然存在。

根據前文所述的需求量（單爐處理10t盤條，每月需退火材料為300t），我們推算該爐的工作空間應為6500mm×2000mm×1500mm，為了提高溫度均勻性，采用8支熱電偶分布在加熱室內幾個重點區域進行溫度采集。由于燃燒室與加熱室相比較為狹小，為了解決燃燒室內的熱氣流波動造成加熱室內溫度穩定值差的問題，依照現有的熱量需求，我們選擇了4只中速調焰燒嘴，選擇助燃空氣與燃料氣分別供入的方式，對兩路氣體的供入量進行嚴格測量和控制，并選擇供風量及風壓足夠的離心風機在管路末端繼續供風。

由于燃燒加熱控制與電加熱控制不同，燃燒系統相對于電加熱系統的精準操作難度更大，只靠單純的人為的機械設定無法滿足高精的加熱控制，常規的燃氣爐型僅僅通過調整燃氣及助燃空氣蝶閥的開合度來達到最佳燃燒比例，調試完成后即成固定狀態，對于氣壓變化等問題引起的問題就變得無計可施了。

為了解決燃燒控制過于簡單的問題，我們開始嘗試使用在電加熱爐上早已應用成熟的組態控制系統，整套系統由下級燃燒系統及上級工控機組成，燃燒器及流量控制器、機械控制組件通過智能溫度、流量控制儀表、壓力控制器及轉換器連接至工控機，工控機上運行的組態平臺對爐內燃料供應量、助燃空氣供應量、爐內燃燒壓力、溫度進行實時采集，但8個溫控點采集到的溫度各不相同，且都為重要區位，如何對4個燒嘴進行同時控制，如何將采集到的眾多分門別類的數據關聯起來，實現精準的控制，成為了一個新的難題。

此時，通過人為的數據設定已經無法滿足控制需求，例如燃燒過程中可能會由于燃氣壓力的突然降低，造成燃氣供應量減少，而助燃空氣由于采用獨立的供應系統，不會發生增減，這時助燃空氣需求量明顯低于供應量，造成過多無用的助燃空氣進入爐內，造成材料氧化。反之，燃氣供應量增加，而助燃空氣供應量不變，助燃空氣需求量大于供應量，燃料無法充分燃燒，造成過度浪費。這些問題如何避免呢？

圖2 燃燒室及煙道全部移到爐底

由于燃燒過程中我們無法將所有意外情況都想象到，所以很難將各種狀況均作為預訂程序輸入組態控制系統，這就給控制帶來了盲區，無法實現安全精準的控制。傳統的控制理論對于簡單明確的運行系統有精準的控制能力，但對于過于復雜或難以用精確關系式來描述的系統，則顯得無能為力了。我們深感需要一套具備自學習、自適應，并且自動判斷控制輸出方式的智能軟件。

經過多套控制系統先例的比對，我們決定利用模糊數學的思想，將眾多無法通過人工計算進行聯系的數據全部定義為控制變量，將難以描述的復雜控制算法交給工控機來負責，整套控制系統分為“采集數據后定義變量、模糊化轉換、知識庫、邏輯判斷、反模糊轉換”幾大步驟，應用基礎燃燒控制架構，加入模糊控制定義、數據檢索和新的判斷規則，整個軟件開發過程耗費了約一年的時間，期間對多爐試樣的實際數據進行采集比對，對原始的控制系統進行了從頭到尾的更新（見圖3）。

從圖4可以看出，整套系統中工控機承擔了對采集到的數據進行分類、比對，并依據預訂程序進行思考比對，最后指揮各控制器進行輸出指令的工作。其中各項變量雖獨立存在，但與其他變量相互依存、互有影響。

在加熱升溫階段，爐內氣氛為富氧狀態，保證爐內供應足夠多的助燃空氣輔助燃燒，確保最佳的升溫速度，保溫階段為負氧狀態，使燃料氣燃燒不充分，但不完全比例量極為細微，同時爐內壓力維持為微正壓，既保證外界空氣不會通過縫隙進入爐內，又減少了由于爐內壓力過大造成的溫度損失。少許燃燒不充分的燃料氣釋放出一氧化碳，爐氣中碳原子的存在，進一步提高了材料質量，完善的燃燒設計既保證保溫階段爐氣含氧量極低，又不對燃料氣造成過度浪費，使達到完美的加熱質量及節能效果成為可能。

至此，加熱爐的開發已經完成。

（4）結構優化 為了進一步改良常規爐型使用中存在的問題，我們收集了眾多用戶意見，其中臺車載重量大、傳動機構易損、修繕困難的問題最為突出。經過修改設計，我們將載重量大的爐臺改為固定不動的形式，將傳動機構加裝在外殼上，改為可移動的加熱罩（見圖5），傳動機構的載重力降低為爐臺載重力的50%甚至更低，使用壽命大幅提高。

圖3 友好的人機操作界面

圖4 控制系統運行原理

圖5 最終結構示意

（5）試驗結果 為了驗證設計中存在的問題及結構、原理的合理性，我們對設想爐型進行了試制，并使用相同材料進行了加熱試驗，委托專業檢測機構進行了權威檢測，結果證明加熱質量與現有爐型相比更為優秀，脫碳層僅為60μm（當時試驗數據），球化率及硬度均勻性較普通爐型有大幅提高。

設計裝載量為10t，實際測試裝載量達到了18t，加熱階段燃料消耗量65m3/h，參考試驗數據，得出表2數據。

第一，卡鉆亦或是掉鉆。在器材組裝的過程中，鉆頭與鉆桿的安裝不牢固。長此以往，施工的時候就會引發卡鉆的問題，若強行轉動，就會產生掉鉆的現象。所以說，在施工建設的過程中，要對施工工具進行及時查看，更換已經破損的零件，確保鉆孔灌注樁施工建設的正常運行。

按照前文所述，實際每爐加工18t計算，噸料加工成本為3184÷18=176.8元/t，每月需退火300t材料，共需成本53040元，與井式球化退火爐的月成本10.92萬元節省約50%，差異明顯。圖6為使用中的退火爐。

（6）應用及細節改進 經過長期實際應用，我們不斷對自建數據庫進行完善，模糊控制算法智能化程度已經大大提高，對各項變量數值的輸出控制更加精準，理論上可穩定實現整爐爐溫均勻性±3℃的無差別均勻加熱，以求達到消耗燃料最少，出產工件最優。

東風(十堰)汽車標準件有限公司（61廠）于1993年購買了多臺該型燃料退火爐的初期設計版本，該爐率先采用了模糊控制算法，通過AppleII計算機對各爐進行集中控制，通過客戶反饋及現場回訪，我們了解到目前該爐型仍在服役，已運行二十余年，除出現了密封纖維破損導致爐溫散失嚴重、出煙口耐火磚偶爾脫落的現象外，無論是整體結構、燃燒控制系統或是爐溫均勻性，都一直保持著良好的成績。

眾所周知，國內爐型一般設計使用壽命最長不超過12年，普遍為8年，應每年固定進行一次檢修，每隔4年進行一次大修，而東風61廠的該爐型二十余年未進行過大修，性能依然能夠滿足使用需求，這更堅定了我們的信心。

客戶反饋的爐型使用年限過長后出現的密封性變差的問題，我們建議客戶進行定期修護，以使加熱爐性能保持最優。同時，我們在最新出廠的爐型纖維襯里上均已涂刷耐高溫涂料，可進一步提高爐內襯的絕熱性能，獲得更好的密封性。

爐臺耐火磚脫落的問題主要是年限過長且未進行大修所致，加熱爐一般做到365天不間斷運行，爐臺面承載數十噸的壓力，長期經受升溫—降溫的過程，耐火磚在膨脹收縮中縫隙越來越大，造成了爐臺面耐火磚的脫落及出煙口等部位的破損。

圖7為我公司的另一項專利技術模塊式爐襯（專利號：201220625356.0）在加熱爐特別是熱處理爐領域應用廣泛，在國防工業兵器、航空航天系統更是受到諸多贊揚。我們決定使用模塊式爐襯結構對退火爐進行改良，經過結構設計及合理性論證，我們將煙道、燃燒室及爐臺承重部位的耐火磚更換為模塊式結構，使用過程中若出現破損的問題時，只需更換相應的模塊即可。由于模塊式結構減少了接縫，有效地避免了耐火結構膨脹收縮導致的結構損壞，分散了結構應力，使爐臺面壽命得到了有效保證。

表2 單爐成本統計

圖6 使用中的退火爐

圖7 模塊式爐襯使用示意

4.結語

2012年交付的多臺該型設備，均創造了無氧化脫碳的好成績。與強對流井式球化退火爐相比，相同的成本，獲得了更大的產量、更好的加熱質量以及近乎一半的使用成本，為使用企業創造了經濟效益的同時，保證了后續加工工序的質量。目前該爐型及控制原理已獲得國家專利，并得到了業內專家的一致肯定。

目前，熱處理領域加熱設備的革新仍迫在眉睫，如何對老舊設備進行優化改型，為熱處理廠商提供節能高效、安全穩定的加熱設備，仍是重中之重。