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拉刀高温盐浴炉炉膛型砖结构改造及主电极改制

作为东风汽车有限公司旗下一家专业生产刃量具的厂家,拉刀盐浴热处理一直是我厂比较传统的热处理,但多年来有各种方面的原因制约我厂拉刀盐浴热处理的生产,如我厂的拉刀盐浴炉属于插入式电极盐浴炉,拉刀炉炉膛加热电极的制造费用很高;拉刀高温盐浴炉炉膛型砖不耐用,新砌炉膛使用寿命不高,由于拉刀盐浴处理线总功率达近450kW,耗电量大,我厂生产调度采取集中处理方式,按照拉刀炉1.5~2月开炉一次的开炉频次计算,拉刀炉的平均使用寿命仅为9次,还不到一年。


我厂曾经在处理一根φ190mm的特大拉刀时,热处理过程中出现了局部严重烧伤导致拉刀报废,仅材料费损失就达3.3万余元,若包括前期加工费用,该质量事故造成损失多达4万元。特大拉刀的局部烧伤部位如图1所示。

图   1


出现该质量事故的直接原因是炉膛主电极抗弯强度差,易变形。在使用过程中电极腹部逐步弯曲致使炉膛内加热空间变得狭小,电极离拉刀刃齿实体部位太近,引发“串电”现象,从而使大拉刀局部烧伤导致废品。


1.技术攻关

针对以上现象,我厂技术部门对此进行了技术攻关。


(1)炉膛型砖由于考虑到砌炉工人的劳动强度大的因素,原来结构采用的是组合式结构,强度较差,有以下弊病:缝隙较多,易渗盐;拉刀炉实际使用中热胀冷缩时,型砖容易从组合相接处开裂。原组合好的型砖如图2所示。


(a)单个组合式型砖             (b)砌筑好的炉膛结构

图 2

原型砖材料为硅酸盐混凝土质耐火材料,是热处理炉中使用最多的材料,主要原料为耐火粘土和高岭土,虽膨胀系数、热导率、比热容等指标小于其他耐火材料,但荷重软化点比较低,耐用性较差。


2)主电极使用低碳结构钢20钢,截面为长方形,电极毛坯在刨床上需要刨削四个面,锻打材料费价格高,锻打电极余量大,电极加工时间长,费用高。锻打毛坯余量大(单边大于10mm),毛坯重,锻打材料费比较贵。成品电极截面尺寸100 mm×120 mm2100 mm的单根电极毛坯重量为124mm×144mm×2140mm×7.8×10-6 kg/mm3=298kg,三根电极组成一套拉刀炉电极,则一套电极毛坯材料费用为298kg/根×3根×7.8/kg=6973元。电极的加工费用按厂内价格计算也比较高,一套电极的加工费用为50/h×22h/根×3=3300元。综上所述,原拉刀高温炉加热电极制造费用达到6973+3300=10273元。


(3)原电极的长方形截面抗变形强度低,主电极在热处理的过程中易变形,图3所示为组合后的型砖结构,图3剖线部分为电极截面形状。


图 3


2.改制方案

考虑到拉刀高温盐浴炉的炉膛容积以及功率负载基本不变,为了有效提高弯曲强度,选择合理的电极截面形状是一项可行措施,在电极截面面积基本不变的前提下经过反复比较,我们考虑了以下三种改制方案。


方案一:图4所示为型砖结构,剖线部分为电极截面形状。

图  4


思路分析为:借助型砖的阻碍作用阻止电极变形,但由于缺少耐火材料的抗拉强度数据及剪切强度数据,型砖能否抵抗得住电极的变形存在有风险性。


方案二:图5所示为型砖结构,剖线部分为电极截面形状。


图 5


思路分析为:①电极毛坯首先采用锻打,而后刨削,成型费用为锻造厂锻打费用加上本厂机加工费用,成型费用比较高。


②电极面向炉膛心部的面由120mm加大到150mm,开炉升温过程中升温相对而言会比较慢,预计可以减少变形倾向;同时电极背向炉膛的部分类似起到加强筋的作用,可以阻止电极变形。


③电极变形过程中背向炉膛的三个面来阻止电极变形,总的阻止作用预计要强于原始矩形截面电极。


方案三:图6所示为型砖结构,剖线部分为电极截面形状。

 

图  6


思路分析为:①电极可以直接提φ140mm的棒料,加工平面及铣槽,省略掉锻打费用,电极的成型费用仅仅为机械加工费用。


②电极面向炉膛心部的面上铣出槽,当电极产生变形,腹部向外鼓出时,避开拉刀圆周刃齿顶点,实际上可让出单边约10mm。


③电极变形时由整个圆周的力作用阻止电极变形,而原始矩形截面电极变形时仅仅有背向炉膛的一个面来阻止变形。


3.对策

针对以上各种因素的设想,我厂采取以下对策:


(1)车间配置吊重设备,炉膛型砖改组合式结构为整体式结构,提高拉刀炉强度,这样做的好处是炉体接缝减少;使用过程中热胀冷缩时,炉砖强度高,不易从接缝处开裂。


(2)考虑到:①高铝质耐火材料的Al2O3%与硅酸盐混凝土质耐火材料相比有较大提升,具有耐火度高、高温结构强度较好和化学稳定性好等优点。


②常温下硅酸盐混凝土质耐火材料虽为绝缘体,但在1200℃以上就接近为导电体,其中的SiO2和Fe2O3有与电热元件起化学反应而生成熔渣腐蚀元件的倾向,而高铝质耐火材料在高温下的绝缘性能好,不易与电热元件起化学反应,抗还原作用强。虽价格上与硅酸盐混凝土质耐火材料相比有一定的上涨,但从长远而言炉膛型砖原材料由硅酸盐混凝土质耐火材料更改为高铝质耐火材料,从开炉频次上和使用寿命上比较其制造成本也是在降低的。


对原截面抗弯截面模量以及三种改制思路的新截面抗弯截面模量进行大致估算如下:


原矩形截面抗弯截面模量为:


方案一截面抗弯截面模量为:


方案二截面抗弯截面模量为:


方案三截面抗弯截面模量为:


经过以上各截面抗弯截面模量的估算比较来看,实际理论计算效果和前期设想方案的效果有一定程度的偏差,并可以发现采用方案三“大半圆形”截面的抗弯截面模量最大,可以更加有效的抵抗电极在使用过程中的变形。


采用市场上购买的棒料直接加工,单根电极毛坯重量70mm×70mm×3.14×2100mm×7.8×10-6kg/mm3=252kg,一套电极毛坯材料费用为252kg/根×3根×5/kg=3780元;由于电极只需刨削一个平面,加工费用大大降低, 一套电极的加工费用为50/h×8h/根×3=1200元。则一套电极总的制造成本为3780+1200=4980元。制造成本降低了10273-4980=5293元。


将电极的长方形截面更改为“大半圆型”截面,有效增大截面的抗弯截面模量,从而提高抗变形强度。改进后的整体式炉膛型砖及特大拉刀的热处理实况如图7、图8和图9所示。

图7  单个整体式型砖


图8  砌筑好的炉膛结构 


图9  特大拉刀热处理实况


改善后,拉刀高温盐浴炉的加热电极在使用过程中变形相对较小,确保了高温加热炉膛的有效加热空间。改善后,大规格拉刀在热处理过程中没有再出现过因为“串电烧伤”而发生废品。新砌筑的炉膛使用次数由原来的9次提高至11次。


在该项技术攻关中的有形效益为:

拉刀炉制造成本降低(按原一台拉刀高温盐浴炉的制造成本为7.8万元计算)7.8万/9×(11-9)=17300元;


拉刀炉加热电极的制造成本降低为10273 -4980 =5293元。


合计平均每年效益提升为:17300+5293=22593元。


在该项技术攻关中的无形效益为:避免了大规格拉刀在热处理过程中因“串电烧伤”而产生废品;确保了大规格拉刀的生产周期和交货期;由于拉刀中温预热盐浴炉和分级盐浴炉的结构与高温盐浴炉的炉膛结构和电极结构相类似,该技术攻关也为拉刀热处理盐浴线的其他炉型改造做了技术铺垫。

作者:杨锴

单位:东风汽车有限公司刃量具厂

来源:《金属加工热加工)》杂志



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