炉的构造和退火工艺息息相关。构造方面，需要有良好的气氛循环系统，炉内构造符合流体力学的要 求，可供热凤在炉内进行合理的循环，以保证较高 的温度均匀性。并且加热、降温速度可控，避免过 快或过慢的加热、降温速度。 综上几点所述，加热炉的构造、气氛控制、控 制原理设计、配套退火工艺等息息相关，在实际生 产中，上述原因并不是单独存在的，而且会相互作 用，互有影响。 二。现有球化退火炉生产及试验 １．普通加热炉试验 我们使用普通台车式加热炉对高强度螺栓材料 ４２ＣｒＭｏ进行加热试验，工件在加热到临界点Ａｃ， 进行保温时，开始出现脱碳层。随炉冷至５５０＂Ｃ出 炉，由于炉内为常规气氛，未通入保护气，经测量 材料表面有约０．６ｍｍ的严重脱碳层，普通加热炉试 验以意料之中的失败告终。 ２．专用球化退火炉制造及结果 为了增加球化退火的质量，市场上出现了一种 专用的强对流井式球化退火炉（见图１），一般为 并式结构。与井式炉相比，内部增加马弗罐，罐内 放置导风筒，炉盖为锁紧密封式结构，炉盖上加装 强制循环风机，并配有保护气氛发生及通入装置， 供材料在极高的均匀性下，周围充满保护气氛的加 热腔内加热。由于受盘材捆装的形状限制，井式球 化退火炉工作直径往往较大，盘材直径常见规格约 １０００ｍｍ。
图ｌ井式球化退火炉外形 现按照单炉处理１０ｔ盘条，每月需退火材料为 ３００ｔ为例，井式球化炉的工作尺寸约为毋３５００ｍｍ ３２００ｒａｍ，按照当前的材料及人工成本计算， 该加热炉市场售价约为８０万元，总装机功率约为４００ｋＷ。 假定试验材料采用以下退火工艺：加热到 ７６０＂Ｃ后保温４ｈ，随炉冷至５５０＂Ｃ以下出炉（所有炉 型均采用该工艺进行试验）。按照各项运营成本估 算，得出表１数据。 表１单炉成本统计表 项目 数据 成本 备注 操作工 需２人操作 ４００Ｙｒ．／天 ｍｏ－习ＡＪ天计算 整个加热过程 １刃（ｋＷ 电能ＺＳ００－元 共２５００ｋＷ 计算保护气消耗 ５４０元 其他消耗 ２００元 合计：３６４０元 按照表１中的数据可知，单炉的加工成本约为 ３６４０元。我们收集了多家采用该炉进行生产的用户 反馈，普遍反映经该种强对流井式球化退火炉退火 后的材料，脱碳层在８０—１５０ ｕｍ，由于炉型较大， 偶尔会出现不稳定的情况，但总体效果较满意。按 照前文所述，每炉加工１０ｔ计算，吨料加工成本为 ３６４０１０＝３６４元／ｔ，每月需退火３００ｔ材料，共需成 本１０９２００元，成本较高。如采用外协加工的方式， 成本也会大幅增加，目前加工价格普遍为６００～８００ 元／ｔ，任务紧时价格还会增加，无端多出的生产成 本令紧固件企业难以承受，但作为紧固件生产的关 键工序，不可避免。
三、新型退火炉的探索 １．设计前的分析 强对流井式球化退火炉加热效果较好，但生产 成本及后期的维护成本是一大难题，从单炉成本统 计可知，能源消耗是整体成本的主要部分，约占总 额的７０％，解决能源消耗是降低加工成本的关键问 题。众所周知，液化石油气、天然气与电能相比， 在产生同样热能的条件下，燃气价格比电能价格要 低很多，要实现加热炉较大程度的节能，必须改用 燃料气进行加热。但问题也随之而来，常用的燃料 式加热炉往往采用侧壁直吹加热，通过烧嘴吹出的 燃料气及辅助空气，夹杂着未燃尽的氧气直接作用 于材料表面，造成工件表面氧化脱碳严重，因此燃 ５５Ｅ瓣设备 料加热炉往往只能局限于大型铸锻件的简单加热处 理，高精度的加热就显得难以下手了。 ２．结构设计 已知问题所在，我们决定采用常规的燃气加热 台车炉进行优化。首先“强对流井式球化退火炉” 的结构设计完全遵照“流体力学”原理，所有内部 结构均为了获得更好的温度循环通道，以获得更高 的温度均匀性而存在。而现有的燃气台车炉均为方 形结构，四周有较长的９０ ６直角，会产生较大的 加热盲区，对热气流循环极为不利，烧嘴喷出的强 大热气流在盲区变为紊流，导致严格测温时要获得 ２０的均匀性也是天方夜谭。
而这个难题如何 解决呢，我们想到了圆形结构，外壳改为圆拱形设 计，沿用常规加热炉的加热方式，得出图２设想。 图２圆拱形设想 圆拱形的结构与方形结构相比，消除了空气循 环的死角，但经过分析及专家软件模拟计算，由于 整体设计仍然为侧壁直吹式加热，烟囱设在炉体顶 部，由于热气流密度小，离开烧嘴后的热气流一部 分会向上升起，通过圆弧形内壁经烟囱排出，另一 部分作用于工件表面，后向上升起经烟囱排出。整 个过程热量损失较大，造成不必要的浪费，该问题 中，烟囱的走向为热量损失的重点。结合以往经 验，将排烟口移到炉台面以下（见图３），烟气通 过炉台上的排烟口排出，可以保证所有热量都直接 作用于工件上，热能的过度消耗得到解决。 从模拟图３中可以看出，所有热气流全部作用 干工件后通过设在盘材中心通道的排烟口排出，但 经过实际的燃烧试验发现，由于热气流升到炉顶后 向下循环时已有部分损失，烧嘴正对面的加热区域 和盘材顶部及中心的加热区域相比，温度偏高，造 成炉温均匀性偏差较大，加热完成的工件表面硬度 不均。因此，最需解决的问题是如何将烧嘴的燃烧 ｚ‘热加工火焰与工件隔离，既保证炉内有足够的热量供应， 又使工件加热区域获得良好的均匀性。
烟囱～斗？。ＩＩｌ图３排烟口移到炉底 为了解决以上问题，采取了单独砌筑燃烧室， 与加热室分离的结构。燃烧时火焰在燃烧室内进行 充分燃烧，热气流在燃烧室内混合均匀后通过与加 热室的通道进入加热室。由于避免了火焰燃烧等问 题带来的气流波动，整个热气流在炉内进行有序循 环，保证热损失降到最低。且整个结构避免了死 角，完全遵照气流的行进趋势进行设计，大幅提高 了炉温均匀性，改变了燃气炉型只能用于简单加热 的问题（见图４）。 图４燃烧室及烟道全部移到炉底 ３．控制系统开发 改良工作进行到此，设备已经初具雏形，而且 加热品质较常规燃气加热炉型得到大幅提升，但燃 气炉型重在燃烧强对流球化炉内胆，如何改进燃烧控制系统仍是一个 大问题。例如，目前烧嘴可供选择燃烧方式多样， 而且常规炉型多选择富氧燃烧状态，即供入大量的 助燃空气，使燃料充分燃烧的同时，也使炉内氧气 过多，该问题不解决，工件氧化脱碳的问题就仍然 存在。 根据前文所述的需求量（单炉处理１０ｔ盘条， 每月需退火材料为３００ｔ），我们推算该炉的工作空 间应为６５００ｍｍ２０００ｍｍ１５００ｍｍ，为了提高温 度均匀性，采用８支热电偶分布在加热室内几个重 点区域进行温度采集。
由于燃烧室与加热室相比较 为狭小，为了解决燃烧室内的热气流波动造成加热 室内温度稳定值差的问题，依照现有的热量需求， 我们选择了４支中速调焰烧嘴，选择助燃空气与燃 料气分别供入的方式，对两路气体的供入量进行严 格测量和控制，并选择供风量及风压足够的离心风 机在管路末端继续供风。 由于燃烧加热控制与电加热控制不同，燃烧系 统相对于电加热系统的精准操作难度更大，只靠单 纯人为的机械设定无法满足高精的加热控制。常规 的燃气炉型仅通过调整燃气及助燃空气蝶阀的开合 度来达到最佳燃烧比例，调试完成后即成固定状 态，对于气压变化等引起的问题就无计可施了。 为了解决燃烧控制过于简单的问题，我们开始 尝试使用在电加热炉上早已应用成熟的组态控制系 统。整套系统由下级燃烧系统及上级工控机组成， 燃烧器及流量控制器、机械控制组件，通过智能温 度、流量控制仪表、压力控制器及转换器连接至工 控机，工控机上运行的组态平台对炉内燃料供应 量、助燃空气供应量、炉内燃烧压力，温度进行实 时采集。但８个温控点采集到的温度各不相同，且 都为重要区位，如何对４支烧嘴进行同时控制，如 何将采集到的众多分ｆ－ＩＮ类的数据关联起来，实现 精准的控制，成了一个新的难题。
此时，通过人为的数据设定已经无法满足控制 需求。例如燃烧过程中可能会由于燃气压力的突然 降低，造成燃气供应量减少，而助燃空气由于采用 独立的供应系统，不会发生增减，这时助燃空气需 求量明显低干供应量，造成过多无用的助燃空气进 入炉内，导致材料氧化。反之，燃气供应量增加， 而助燃空气供应量不变，助燃空气需求量大干供应 量，燃料无法充分燃烧，造成过度浪费。这些问题 如何避免呢？ 我们想到了监测炉内气氛的氧含量及碳含量， 通过采集到的数据对燃料量及助燃空气的供应比例 进行控制，以尽可能降低炉气中的氧含量，避免氧 化。但众所周知，高精度的氧探头价格昂贵，且更 换及维修成本极高，采用这种控制方法必将大幅增 加生产成本，因此被列为备选方案。 由于燃烧过程中我们无法将所有意外情况都想 象到，所以很难将各种状况均作为预订程序输入组态控制系统，这就给控制带来了盲区，无法实现安 全精准的控制。传统的控制理论对于简单明确的运 行系统有精准的控制能力，但对于过于复杂或难以 用精确关系式来描述的系统，则显得无能为力。我 们深感开发一套具备自学习、自适应，并且自动判 断控制输出方式的智能软件显的很重要。 经过多套控制系统先例的比对，我们决定利用 模糊数学的思想，将众多无法通过人工计算进行联 系的数据全部定义为控制变量，将难以描述的复杂 控制算法交给工控机来负责。
整套控制系统分为 “采集数据后定义变量、模糊化转换、知识库、逻 辑判断、反模糊转换”几大步骤，应用基础燃烧控 制架构，加入模糊控制定义、数据检索和新的判断 规则。整个软件开发过程耗费了约一年的时间，期 间对多炉试样的实际数据进行采集比对，对原始的 控制系统进行了从头到尾的更新（见图５）。 图５控制系统运行原理图 从图５可以看出，整套系统中工控机承担了对 采集到的数据进行分类，比对，并依据预订程序进 行思考比对，最后指挥各控制器进行输出指令的工 作。其中各项变量虽独立存在，但与其他变量相互 依存、互有影响。 在加热升温阶段，炉内气氛为富氧状态，保证． 炉内供应足够多的助燃空气辅助燃烧，确保最佳的 升温速度。保温阶段为负氧状态，使燃气燃烧不充 分，但不完全比例量极为细微。同时炉内压力维持 为微正压，既保证外界空气不会通过缝隙进入炉 内，又减少了由于炉内压力过大造成的温度损失。 少许燃烧不充分的燃气释放出一氧化碳，炉气中碳 原子的存在，进一步提高了材料质量，完善的燃烧 设计既保证保温阶段炉气含氧量极低，又不对燃气 造成过度浪费，使达到完美的加热质量及节能效果成为可能。 至此，加热炉的开发已经完成。
４．结构优化 为了进一步改良常规炉型使用中存在的问题， 我们收集了众多用户意见，其中台车载重量大，传 动机构易损，以及修缮困难的问题最为突出。经过 修改设计，我们将载重量大的炉台改为固定不动的 形式，将传动机构加装在外壳上，改为可移动的加 热罩，传动机构的载重力降低为炉台载重力的５０％ 甚至更低，使用寿命大幅提高，最终结构如图６所 ６３图６最终结构１．燃烧室２．密封机构３．炉罩移动机构４．盖板５．炉壳 ５．试验结果为了验证设计中存在的问题及结构、原理的合 理性，我们对设想炉型进行了试制，并使用相同燃 料进行了加热试验，委托专业检测机构进行了权威 检测。结果证明加热质量与现有炉型相比更为优 异，脱碳层仅为６０ｐ ｍ（当时试验数据），球化率 及硬度均匀性较普通炉型有大幅提高。 ５８ 设计装载量为１０ｔ，实际测试装载量达到了１８ｔ，加热阶段燃料消耗量６５ｍ３／ｈ，参考试验数 据，得出表２数据。 表２单炉成本统计 项目 数据 成本 备注 操作工 需２人操作 ４００元／天 ２００元／人／天计算 燃气消耗 ６４６ｋｇ ２５８４元 ４ｆｒ．／ｋｇ计算 电能消耗 ２００ｋＷ ２００元１ＴｒＪ（ｋＷ ｈ）计算 其他消耗 合计：３１８４元 按照前文所述，实际每炉加工１８ｔ计算强对流球化炉内胆，吨料 加工成本为３１８４１８－－１７６。
８元／ｔ，每月需退火３００ｔ 材料，共需成本５３０４０元，与井式球化退火炉的月 成本１０９２００元节省约５０％，差异明显。 四．结语 经过长期实际应用，我们不断对自建数据库进 行完善，模糊控制算法智能化程度已经大大提高， 对各项变量数值的输出控制更加精准，２０１２年交付 的多台该型设备，均创造了无氧化脱碳的好成绩。 与强对流井式球化退火炉相比，相同的成本，获得 了更大的产量，更好的加热质量，以及一半的使用 成本，为应用企业创造了经济效益的同时，保证了 后续加工工序的质量。目前，该炉型及控制原理已 获得国家专利，并得到了业内专家的一致肯定。 目前，热处理领域加热设备的革新仍迫在眉 睫，如何对老旧设备进行优化改型，为设备使用企 业提供节能高效的加热设备仍是重中之重。ＭＷ （２０１３０４０３） 作者简介：王通通，北京京鲁兴华工业炉有限 公司技术主管，工程师。 联系电话：０１０—６１２３１７６２ 紧固件行业钢材退火处理设备的探索--新型无脱碳盘丝球化退火炉开发 纪实 作者： 王通通 作者单位： 北京京鲁兴华工业炉有限公司,102609 引用本文格式：王通通 紧固件行业钢材退火处理设备的探索--新型无脱碳盘丝球化退火炉开发纪实[会议论文] 2013
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