小型軸承制件熱處理車間的平面設(shè)計(jì)

王錫樵，鄒磊，陳坤

南京科潤(rùn)工業(yè)介質(zhì)股份公司 江蘇南京 211100

1 序言

國(guó)內(nèi)一般根據(jù)生產(chǎn)流程或工廠的整體布局，將小型軸承制件熱處理車間（分廠）放在多層廠房的一樓或廠區(qū)的某個(gè)位置。

熱處理車間的空氣中含有H2、CO、CO2、N2、NH3及水蒸汽等腐蝕性氣氛，因此熱處理車間應(yīng)設(shè)置在全廠風(fēng)向的下風(fēng)口，遠(yuǎn)離精密計(jì)量室、精密機(jī)械加工和裝配車間。

車間內(nèi)的自動(dòng)生產(chǎn)線爐子的進(jìn)料口因爐內(nèi)壓力較低不能對(duì)著車間大門，必須防止外面的空氣直接吹進(jìn)爐膛，影響爐內(nèi)氣氛的穩(wěn)定性。

熱處理設(shè)備的布置要做到軟料（未淬火件）、硬料（已淬火件）嚴(yán)格隔離，杜絕未經(jīng)淬火的軟料混入到已淬火的硬料中，故必須加裝隔離柵欄防護(hù)的強(qiáng)制性措施→“隔離柵欄法”，這方面國(guó)內(nèi)企業(yè)做得不好。制件在正常的自動(dòng)生產(chǎn)線中熱處理時(shí)，因管理等因素造成未淬火的制件混入已經(jīng)淬火的制件中而沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，出廠后的成品中偶尓發(fā)現(xiàn)有個(gè)別制件硬度很低時(shí)則為時(shí)已晚。

通常，網(wǎng)帶式、滾棒推盤式輸送帶爐的淬火槽都是地坑式的，其空間不大，設(shè)備（油槽系統(tǒng)）維修較困難。目前，國(guó)內(nèi)有幾千條網(wǎng)帶爐和滾棒推盤爐，極少有淬火槽地下室的布置。而德國(guó)Schaeffler軸承公司從20世紀(jì)50年代開始發(fā)明了這個(gè)方案，直至2022年新建的工廠仍采用此技術(shù)。

2 輸送式爐的布置

中小型軸承套圈、汽車小零件、液壓件及自攻螺釘?shù)鹊募訜嵩O(shè)備基本是輸送式爐型，都是敞口的，因爐內(nèi)壓力較低，外面的空氣被吹進(jìn)爐膛時(shí)會(huì)影響爐內(nèi)氣氛的成分，從而影響制件的滲碳、碳氮共滲或淬火質(zhì)量[1]，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)這個(gè)問題重視不夠或不清楚，所以在平面布置時(shí)，爐口對(duì)著大門的現(xiàn)象不在少數(shù)。

正確的熱處理車間平面設(shè)計(jì)應(yīng)該是長(zhǎng)方形或方形的，車間的大門在設(shè)備的側(cè)面，避免因室外空氣直接對(duì)著爐口而影響爐內(nèi)可控氣氛的成分，導(dǎo)致產(chǎn)品表面質(zhì)量降低。車間大門應(yīng)分產(chǎn)品的軟料進(jìn)口門和硬料出口門，不能在同一大門進(jìn)出軟料、硬料，避免混料。

對(duì)于多于4條輸送式爐自動(dòng)生產(chǎn)線的排列，應(yīng)采用整齊并列擺放形式，即爐口統(tǒng)一整齊并列擺放，爐口對(duì)著墻壁旁的儀表控制柜（箱），避開大門的“風(fēng)”直接吹入。

對(duì)于大型鋼結(jié)構(gòu)廠房，熱處理車間可設(shè)置在整個(gè)機(jī)械加工中的某個(gè)位置，但仍然要遠(yuǎn)離精密機(jī)械加工、精密計(jì)量室和成品裝配車間。熱處理車間需有隔離墻，爐口不能讓空氣直接吹入，車間內(nèi)應(yīng)配有抽排氣凈化裝置。車間內(nèi)的軟料、硬料進(jìn)出大門要嚴(yán)格分開，如圖1所示。

對(duì)于輔助廠房?jī)?nèi)的各種甲醇、丙烷儲(chǔ)液容器，根據(jù)生產(chǎn)用量的大小，可以選擇容量30～50kg的鋼瓶或容量1～5t的儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐配備加熱、氣化和加壓裝置，每月由槽車運(yùn)送到使用單位，操作很方便。使用儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)座要比排渣口端低一些，便于廢液的排放，根據(jù)技術(shù)要求做好安全消防措施。容量30～50kg鋼瓶?jī)?nèi)的殘液排放一般都由供貨儲(chǔ)氣站負(fù)責(zé)。需注意的是，若鋼瓶?jī)?nèi)的殘液不清除干凈，則會(huì)影響后續(xù)鋼瓶?jī)?nèi)的液體純度。

3 制件的質(zhì)保措施

制件的熱處理質(zhì)保措施是管理的根本，否則再先進(jìn)的熱處理設(shè)備也可能出現(xiàn)事故，造成不可挽回的損失。

3.1 隔離柵欄

軟料和硬料的隔離柵欄（見圖2）是必不可少的，這是外企特別強(qiáng)調(diào)的強(qiáng)制性管理措施，是確保產(chǎn)品質(zhì)量的根本。

圖2 隔離柵欄

近幾年推廣的隔離措施：自動(dòng)生產(chǎn)線群靠最外面的兩側(cè)面設(shè)備需用隔離欄圍住（見圖2a），自動(dòng)生產(chǎn)線之間的通道間，從油槽端部開始，必須加裝固定的交叉式隔離柵欄（見圖2b），禁止軟料進(jìn)入淬硬區(qū)，杜絕任何車輛進(jìn)出，隔離柵欄僅供操作人員通過，只有這樣軟料才不會(huì)被混入到硬料中去。隔離柵欄平時(shí)固定不動(dòng)，只有在設(shè)備維修時(shí)才允許移動(dòng)，以前用的是三個(gè)簡(jiǎn)易的“П”形結(jié)構(gòu)隔離欄（見圖2c）。人、物料和手動(dòng)液壓運(yùn)輸小車的通行是由感應(yīng)模式控制（見圖2d），人員通過時(shí)的感應(yīng)模式，欄桿會(huì)自動(dòng)抬起或落下；小車通過的感應(yīng)器埋裝在地下淺層，通過時(shí)欄桿會(huì)自動(dòng)抬起，通過后自動(dòng)落下。

3.2 工位容器的顏色

工位容器（INA標(biāo)準(zhǔn)）的規(guī)格是一致的，全廠通用，尺寸約為450mm×300mm×200mm，上口有止扣（凹凸臺(tái)階）便于疊碼，5個(gè)面沖有小孔，兩頭有搬運(yùn)耳環(huán)，便于人工搬運(yùn)，用約0.5mm厚的薄鋼板沖壓成有凹凸加強(qiáng)筋和整齊排列小孔的料箱，然后鍍鋅，如圖3所示。

圖3 工位容器的結(jié)構(gòu)示意（尺寸僅供參考）

裝軟料和硬料的容器用兩種不同顏色區(qū)別。軟料容器使用后直接退回機(jī)械加工車間的前道工序；熱處理完工產(chǎn)品的容器直接送磨削加工區(qū)或成品區(qū)。進(jìn)出熱處理車間的運(yùn)輸工具均是手動(dòng)液壓車或小型手拉車（只能運(yùn)輸單列壘裝少于10個(gè)工位容器的小車），或若干個(gè)工位容器放在塑料托盤上，用手動(dòng)液壓車運(yùn)輸，不允許大型運(yùn)輸工具（汽車、電瓶車）進(jìn)入車間。

4 淬火槽布置

有5條以上自動(dòng)生產(chǎn)線的淬火槽安裝方式采用地下室模式，4條線以下的淬火槽可以單獨(dú)做地坑，但是地坑必須做得大一些。

4.1 淬火槽地下室

國(guó)內(nèi)輸送式爐的淬火槽擺放一般都是挖個(gè)地坑，然后將淬火槽放入其中。因?yàn)榈乜拥娜莘e有限，不可能做得很大，所以不便于油泵等裝置在維修時(shí)的操作。

當(dāng)因生產(chǎn)量擴(kuò)大而需更換大設(shè)備時(shí)，原來(lái)的地坑需重建，但往往受擴(kuò)建廠房等因素的限制，不能及時(shí)解決場(chǎng)地問題，從而影響生產(chǎn)能力的擴(kuò)大。

若淬火槽為地下室模式（見圖4），則可以很快更換大型設(shè)備的淬火槽，便于設(shè)備之間的更換。

地下室的地面和墻體必須有防滲水措施，淬火槽放在地下室的槽鋼架子上，地下室頂部用大型工字鋼作為橫梁支撐，橫梁上鋪設(shè)花紋鋼板，其表面與地面相平，如圖4a所示。地下室入口處在設(shè)備之間，如圖4b所示。地下室空間較大，便于設(shè)備維修，且可以擺放淬火槽、降油溫的板式冷卻器、循環(huán)油泵、上下水管及通風(fēng)管道等。地下室應(yīng)配備CO2滅火裝置（地面上仍然有CO2滅火裝置）、抽風(fēng)循環(huán)凈化裝置等，如圖4c所示。

4.2 大型淬火槽地坑

4臺(tái)以下自動(dòng)生產(chǎn)線的地坑可以做得大一些，在淬火槽的左右側(cè)和靠近清洗槽的位置均留出≥1000mm的空間，淬火槽地坑必須防水，地坑口四周要有凸沿，油槽邊緣的空余部位用槽鋼支撐、花紋鋼板覆蓋；通過預(yù)埋在地坑壁上的φ20mm低碳圓鋼彎制成“П”形樓梯把手，方便人員進(jìn)出地坑。另外，地坑內(nèi)應(yīng)有一個(gè)小蓄水池，地面鋪設(shè)鋼軌，淬火槽底部裝4個(gè)有軸承的輪子，便于清理淬火槽或落料斗時(shí)將淬火槽移出，進(jìn)行維修及徹底清理（每年徹底清理一次）。該結(jié)構(gòu)早在1983年就已得到INA軸承公司專家的認(rèn)可。

5 控制氣氛

5.1 氣氛的選擇

習(xí)慣上將保護(hù)氣氛和可控滲碳?xì)夥战y(tǒng)稱為控制氣氛。但二者的功能是有差異的，需準(zhǔn)確選擇。

保護(hù)氣氛中將無(wú)氧化、無(wú)脫碳的加熱稱為無(wú)氧化加熱。無(wú)氧化加熱一般分光亮加熱和光潔加熱。光亮加熱允許金屬表面有不可見的氧化膜生成，表面仍保持金屬光澤。光潔加熱允許金屬表面有可見的氧化膜生成，表面無(wú)金屬光澤，但沒有氧化皮。

制氣方法很多，40多年前國(guó)外已在普遍使用的氮甲醇丙烷方式，近30多年來(lái)，國(guó)內(nèi)也在使用氮?dú)狻⒓状肌⒈榈闹鄙娇煽貧夥眨芸刂茪夥罩械腍2O、CO2、CH4等，使?fàn)t內(nèi)氣氛碳勢(shì)（CP）精度達(dá)到0.03%～0.10%。用于軸承鋼的淬火也可用于滲碳（自攻螺釘?shù)龋⒓尤氚边M(jìn)行滲氮、碳氮共滲，或?qū)Ω咛间撝萍谋Ｗo(hù)退火、淬火，以及軸承鋼的滲氮、碳氮共滲或淬火等。

氮?dú)狻⒓状肌⒈榧鞍睔獾闹鄙娇刂茪夥諏儆谖鼰崾筋愋蚚2]，與能耗較大的RX制氣方式不同，直生式氣氛質(zhì)量較穩(wěn)定，可操作性好，安全可靠，成本較低，其氣體成分為：20%～24%CO、30%～40%H2、35%～45%N2，以及少量的C2O、H2O、CH4等。

對(duì)介質(zhì)純度的要求：氮?dú)鉃?9.99%液氮汽化后直接進(jìn)入爐膛；甲醇為1級(jí)純度，含水量≤0.15%，經(jīng)低溫裂解干燥后直接進(jìn)入爐膛；丙烷純度≥95%，直接通入爐膛，作為高碳鋼類的保護(hù)淬火；滲碳用丙烷純度應(yīng)≥97%，＜97%的丙烷易產(chǎn)生炭黑，影響滲碳質(zhì)量，污染工件、輸送帶和淬火油等。

液氨純度≥99.8%，用氨氣汽化裝置除去未分解的殘氨和水蒸氣，目前神樂燃?xì)庠O(shè)備（上海）有限公司的裝置在舍弗勒、人本、南高齒等幾十家的使用效果很好。

5.2 制件的光亮性

影響制件光亮性的因素：包括可控氣氛的原料純度、制氣質(zhì)量、制件的表面粗糙度和清潔度、淬火油質(zhì)量、工藝正確性，以及工藝裝備的保證等。對(duì)于多用爐類型生產(chǎn)線每臺(tái)主爐可以配置一臺(tái)KRⅢ離心式凈化機(jī)；對(duì)于網(wǎng)帶長(zhǎng)8m、寬1m的大型網(wǎng)帶爐類型或推盤爐型生產(chǎn)線，需要配置一臺(tái)大型濾芯式凈化機(jī)（內(nèi)置12個(gè)濾芯，分上下兩層，當(dāng)壓力≥3Pa時(shí)需要更換新的濾芯），對(duì)于保護(hù)淬火用的濾芯使用壽命很長(zhǎng)，而滲碳類工藝用的濾芯一般運(yùn)轉(zhuǎn)2500h左右就需要更換新濾芯。凈化后的淬火油對(duì)制件的光亮性起著重要作用。

5.3 廢氣排放

將每條生產(chǎn)線的爐口火焰或煙氣通過罩形收集裝置并聯(lián)到總吸風(fēng)機(jī)管道中去，將廢氣凈化處理后排空。

5.4 工藝裝備的選擇

對(duì)于生產(chǎn)批量很大的企業(yè)，在滲碳或碳氮共滲時(shí)，建議采用推盤爐類型，如軸承套圈的碳氮共滲工藝，選擇推盤爐的綜合經(jīng)濟(jì)效益比網(wǎng)帶爐或多用箱式爐的產(chǎn)量高、質(zhì)量好。

6 輔助裝置的布置

輔助裝置中的液氮及翅形汽化器可在露天放置，用隔離欄圍住；機(jī)制氮需放在輔助廠房?jī)?nèi)；甲醇、丙烷、液氨及汽化器等需放在輔助廠房?jī)?nèi)。上述裝置應(yīng)符合消防、安全、衛(wèi)生及環(huán)保等要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大批量生產(chǎn)的中小型軸承企業(yè)，其熱處理車間的設(shè)計(jì)極其重要，若要在生產(chǎn)管理中杜絕軟硬件的混料現(xiàn)象，則必須有強(qiáng)制性措施，如采用“隔離柵欄”法是最有效的辦法，加強(qiáng)生產(chǎn)管理，使我國(guó)的軸承質(zhì)量早日達(dá)到軸承制造強(qiáng)國(guó)的水平。