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【摘 要】热处理炉的主要特点是无氧化、无脱碳、无毒等几个方面，通过热处理炉后可以完成零件的脱脂、脱气，同时减少零件的表面污染与氢脆，与传统处理炉相比，大大减少了能源的消耗，提高了材料的性能，提升了自动化控制水平。因此，针对传统热处理炉进行改造，以提升热处理炉的性能，提高工厂的生产能力。
【关键词】热处理炉;技术;控制系统;改造
与普通箱式炉、盐浴炉等常规设备比较，热处理虽然投资费用较高，但产品质量大幅度提高，节能节材效果显著，清洁环保，综合来看具有很好经济和社会效益。新机研制、批量生產和老旧设备的淘汰带来生产能力的不足，越来越严格的质量要求和国家提倡节能、环保友好型生产都对目前热处理技术改造提出了迫切的需求。因此，本文对炉技术改造的情况进行讨论，并提出几点改造过程中的注意事项。
1、炉技术改造需求分析
技术改造通常发生在新机研制时，现有设备的规格、性能或工艺不能满足新机的需求、现有设备故障频发已难以正常运行或不能满足质量要求、提高生产能力，或者某些设备不能满足节能、环保或安全的要求。
2、炉技术改造的技术条件
2.1热处理炉技术参数的确定
炉的主要技术指标有工作温度、度、冷却方式、加热速率、温度均匀性和泄漏率都是由所要处理的零件（工件的热处理温度、材料成分、结构形式、冷却方式）来决定的。在满足工艺规范要求的前提下，根据经费情况、场地情况、人员情况及相关配套情况的实际现状，提出所需选购的热处理炉的相关技术要求。
1）工作温度。按照要处理零件要求的最高温度和最低温度范围，提出热处理炉的工作温度范围，最高温度应高于最高工作温度100～150℃，用于烘炉操作。最低温度应是满足规范要求的最低温度，如果所处理零件的最低温度低于500℃，由于炉主要为辐射加热，低温阶段的加热效率低，温度均匀性差，因此，为保证低温阶段设备有良好的温度均匀性，必要时可增加对流加热。
2）度。由于设备在使用过程中泵的抽空能力下降和炉膛的污染，其度会有所下降，因此度要求可以略高于规范的要求范围，泵的抽速大小决定了泵组的功率，过剩的机组配置必然导致多余的功率消耗[2]。
3）加热速率和抽速率。结合厂房的供电容量综合考虑，为保证产品质量，提高生产效率，应最大程度地提高抽速率，但不宜追求过大的加热速率。因为增大加热速率导致设备的总功率增加，但在工件加热过程中，速率过大会引起加热不均匀造成零件畸变严重，按照经验，加热速率通常控制在10～15℃/min之间，因此，最大加热速率控制在20℃/min即可。
4）冷却能力。对于油淬炉，应根据装炉量和加热温度对油槽的容积作合理的计算，使得满载情况下，在最高温度加热淬火时油温升高控制在要求的范围内。对于气淬炉，在冷却气体一定的前提下，影响冷却速率的主要因素有冷却气体的压力，充气和气体流动的速率以及热交换器的换热能力，因此在编制技术条件时应对充气压力和冷却速率提出要求。对冷却能力要求不高的，应尽量控制在2 bar以内，以避免压力容器内压力过高。
5）装炉量。加热功率以及炉床的支撑结构都和装炉量的大小有关，因此在编制技术条件时，可以在满足最大装载量的前提下，提高装炉量要求，促使厂家对炉床的支撑结构做优化设计。
6）淬火转移时间。对于油淬炉淬火转移时间是保证零件最终力学性能的重要指标，技术标准中对淬火转移时间的规定为从炉门开启时到零件完全浸入油中计算，一般不应超过25 s;但对于一些规格较大的设备，很难达到这一要求，因此对此要求应慎重，在能够满足零件性能的前提下可放宽要求。
2.2炉的组成
1）炉壳。炉均采用双层水冷套炉壳，常规设备均是由碳钢焊接而成，如果循环冷却水水质较差的话，长期使用炉壳会出现腐蚀，建议炉炉壳内壁使用不锈钢或双层均使用不锈钢，提高炉壳的可靠性。
2）系统。系统是炉最重要的组成部分之一，因此在技术条件中有必要明确泵组、规管和阀的品牌甚至型号。空气、水蒸气和环境中的污染物以及由于操作失误或清洗不彻底带入的低熔点金属、有机物和其它污染物都会加速规管、泵油的老化，为提高规管和泵的使用寿命，可以要求在规管前端增加过滤器和控制阀，在泵前端增加过滤器。
3）加热元件。加热系统的炉床、加热带和隔热屏通常选用石墨或高温金属如钼、钼镧合金、镍铬合金，根据使用温度和处理的材料不同来确定材料，一般来说对于处理钛合金的零件采用金属炉膛，否则采用石墨炉膛;著名的石墨品牌有西格里、日本东洋、法国罗兰和美国步高等。
4）控制系统。控制系统是设备的核心，主要由PLC、组态软件、工控机、变频器、温度控制器、记录仪、调功器、检测元件、温度检测元件以及压力和位置检测元件等组成。为保证控制系统的可靠性，有必要对上述组成部分提出具体要求，例如采用西门子S7-1500PLC、欧陆或者霍尼韦尔的温度控制器等，值得注意的是在规定元件组成的时候，不要仅仅提出品牌的要求，最好提出型号系列要求。对于温度控制器和记录仪应满足AMS2750E的要求，特别是记录仪，目前已开始大量使用无纸记录仪，要对AMS2750E中关于电子记录的要求做详细的规定。另外，为实现设备的集中控制和数据的远程采集，应对远程控制和数据采集的方式加以说明。
3、配套设施
在提出炉技术方案的同时，就要考虑安装场地、循环冷却水、压缩空气、冷却（分压）气体和电的配套实施。
一般来说，对于使用惰性气体如氩气进行冷却或分压的，最理想的方案就是使用液态氩气通过汽化进入炉膛，可以避免瓶装充装时的污染，提高零件表面质量。在设计储气罐和管路时，一定要考虑所有设备同时充气时的最大用量，合理规划缓冲罐的容积和管路通径，否则会出现充气缓慢或压力迅速降低不能满足充气要求。
对于循环冷却水，除满足温度和流量要求外，应通过使用软水、增加缓蚀剂、提高PH值和除氧等措施减少炉体、管路的腐蚀[3];同时可要求所有管路、炉壳采用不锈钢，增加抗腐蚀能力。为保证设备在循环冷却水故障或停电的情况不发生损坏，应增加应急自来水、用发电机驱动水泵运行、增加气动泵来使水循环，保证设备关键部位不因循环水中断而损坏。
4、安装调试和验收
设备在安装调试期间，尽量安排熟悉设备、工作原理和操作维护的技术人员、操作人员和维护人员组成，避免后期操作维护中因人为因素造成的设备故障，及时发现设备存在的问题并要求厂家整改。应按照技术协议的要求，逐条验收，认真核对随机资料的完整性和正确性并及时归档;组态软件和PLC程序应验证其正确性。
设备在使用中，应做好设备日志，对于发现的异常现象记录下来，以便后期维护、维修时参考，同时也给后期的技改项目留下宝贵的参考资料。
5、总结
炉技术改造前，首先要根据公司当前的生产能力和未来的发展规划，确定主要的技术参数。其次，对国内外设备厂家的制造能力和设备使用情况进行调研，以满足使用要求、节能降耗、清洁生产为主要原则，综合考虑设备的操作性、维修性确定设备的技术方案。最后，对各厂家的设备用户开展调研，选择制造精良，用户反馈问题较少的厂家进行技术交流，并确定招标范围。制定完善的验收大纲，对所有项目逐条验收，注意随机资料的正确性和完整性，便于设备后续的维护和保养。
参考文献：
[1]阎承沛.我国热处理技术的现状和未来[J].热处理，2017（2）
[2]胡勇，吴伟明.内热式泵电阻炉的节能设计[J].热处理技术与装备，2015（1）
[3]程林，郭吉林.热处理炉水冷却系统的腐蚀与防护[J].金属热处理，2011（11）
（作者单位：南京钢铁股份有限公司）
【关键词】热处理炉;技术;控制系统;改造
与普通箱式炉、盐浴炉等常规设备比较，热处理虽然投资费用较高，但产品质量大幅度提高，节能节材效果显著，清洁环保，综合来看具有很好经济和社会效益。新机研制、批量生產和老旧设备的淘汰带来生产能力的不足，越来越严格的质量要求和国家提倡节能、环保友好型生产都对目前热处理技术改造提出了迫切的需求。因此，本文对炉技术改造的情况进行讨论，并提出几点改造过程中的注意事项。
1、炉技术改造需求分析
技术改造通常发生在新机研制时，现有设备的规格、性能或工艺不能满足新机的需求、现有设备故障频发已难以正常运行或不能满足质量要求、提高生产能力，或者某些设备不能满足节能、环保或安全的要求。
2、炉技术改造的技术条件
2.1热处理炉技术参数的确定
炉的主要技术指标有工作温度、度、冷却方式、加热速率、温度均匀性和泄漏率都是由所要处理的零件（工件的热处理温度、材料成分、结构形式、冷却方式）来决定的。在满足工艺规范要求的前提下，根据经费情况、场地情况、人员情况及相关配套情况的实际现状，提出所需选购的热处理炉的相关技术要求。
1）工作温度。按照要处理零件要求的最高温度和最低温度范围，提出热处理炉的工作温度范围，最高温度应高于最高工作温度100～150℃，用于烘炉操作。最低温度应是满足规范要求的最低温度，如果所处理零件的最低温度低于500℃，由于炉主要为辐射加热，低温阶段的加热效率低，温度均匀性差，因此，为保证低温阶段设备有良好的温度均匀性，必要时可增加对流加热。
2）度。由于设备在使用过程中泵的抽空能力下降和炉膛的污染，其度会有所下降，因此度要求可以略高于规范的要求范围，泵的抽速大小决定了泵组的功率，过剩的机组配置必然导致多余的功率消耗[2]。
3）加热速率和抽速率。结合厂房的供电容量综合考虑，为保证产品质量，提高生产效率，应最大程度地提高抽速率，但不宜追求过大的加热速率。因为增大加热速率导致设备的总功率增加，但在工件加热过程中，速率过大会引起加热不均匀造成零件畸变严重，按照经验，加热速率通常控制在10～15℃/min之间，因此，最大加热速率控制在20℃/min即可。
4）冷却能力。对于油淬炉，应根据装炉量和加热温度对油槽的容积作合理的计算，使得满载情况下，在最高温度加热淬火时油温升高控制在要求的范围内。对于气淬炉，在冷却气体一定的前提下，影响冷却速率的主要因素有冷却气体的压力，充气和气体流动的速率以及热交换器的换热能力，因此在编制技术条件时应对充气压力和冷却速率提出要求。对冷却能力要求不高的，应尽量控制在2 bar以内，以避免压力容器内压力过高。
5）装炉量。加热功率以及炉床的支撑结构都和装炉量的大小有关，因此在编制技术条件时，可以在满足最大装载量的前提下，提高装炉量要求，促使厂家对炉床的支撑结构做优化设计。
6）淬火转移时间。对于油淬炉淬火转移时间是保证零件最终力学性能的重要指标，技术标准中对淬火转移时间的规定为从炉门开启时到零件完全浸入油中计算，一般不应超过25 s;但对于一些规格较大的设备，很难达到这一要求，因此对此要求应慎重，在能够满足零件性能的前提下可放宽要求。
2.2炉的组成
1）炉壳。炉均采用双层水冷套炉壳，常规设备均是由碳钢焊接而成，如果循环冷却水水质较差的话，长期使用炉壳会出现腐蚀，建议炉炉壳内壁使用不锈钢或双层均使用不锈钢，提高炉壳的可靠性。
2）系统。系统是炉最重要的组成部分之一，因此在技术条件中有必要明确泵组、规管和阀的品牌甚至型号。空气、水蒸气和环境中的污染物以及由于操作失误或清洗不彻底带入的低熔点金属、有机物和其它污染物都会加速规管、泵油的老化，为提高规管和泵的使用寿命，可以要求在规管前端增加过滤器和控制阀，在泵前端增加过滤器。
3）加热元件。加热系统的炉床、加热带和隔热屏通常选用石墨或高温金属如钼、钼镧合金、镍铬合金，根据使用温度和处理的材料不同来确定材料，一般来说对于处理钛合金的零件采用金属炉膛，否则采用石墨炉膛;著名的石墨品牌有西格里、日本东洋、法国罗兰和美国步高等。
4）控制系统。控制系统是设备的核心，主要由PLC、组态软件、工控机、变频器、温度控制器、记录仪、调功器、检测元件、温度检测元件以及压力和位置检测元件等组成。为保证控制系统的可靠性，有必要对上述组成部分提出具体要求，例如采用西门子S7-1500PLC、欧陆或者霍尼韦尔的温度控制器等，值得注意的是在规定元件组成的时候，不要仅仅提出品牌的要求，最好提出型号系列要求。对于温度控制器和记录仪应满足AMS2750E的要求，特别是记录仪，目前已开始大量使用无纸记录仪，要对AMS2750E中关于电子记录的要求做详细的规定。另外，为实现设备的集中控制和数据的远程采集，应对远程控制和数据采集的方式加以说明。
3、配套设施
在提出炉技术方案的同时，就要考虑安装场地、循环冷却水、压缩空气、冷却（分压）气体和电的配套实施。
一般来说，对于使用惰性气体如氩气进行冷却或分压的，最理想的方案就是使用液态氩气通过汽化进入炉膛，可以避免瓶装充装时的污染，提高零件表面质量。在设计储气罐和管路时，一定要考虑所有设备同时充气时的最大用量，合理规划缓冲罐的容积和管路通径，否则会出现充气缓慢或压力迅速降低不能满足充气要求。
对于循环冷却水，除满足温度和流量要求外，应通过使用软水、增加缓蚀剂、提高PH值和除氧等措施减少炉体、管路的腐蚀[3];同时可要求所有管路、炉壳采用不锈钢，增加抗腐蚀能力。为保证设备在循环冷却水故障或停电的情况不发生损坏，应增加应急自来水、用发电机驱动水泵运行、增加气动泵来使水循环，保证设备关键部位不因循环水中断而损坏。
4、安装调试和验收
设备在安装调试期间，尽量安排熟悉设备、工作原理和操作维护的技术人员、操作人员和维护人员组成，避免后期操作维护中因人为因素造成的设备故障，及时发现设备存在的问题并要求厂家整改。应按照技术协议的要求，逐条验收，认真核对随机资料的完整性和正确性并及时归档;组态软件和PLC程序应验证其正确性。
设备在使用中，应做好设备日志，对于发现的异常现象记录下来，以便后期维护、维修时参考，同时也给后期的技改项目留下宝贵的参考资料。
5、总结
炉技术改造前，首先要根据公司当前的生产能力和未来的发展规划，确定主要的技术参数。其次，对国内外设备厂家的制造能力和设备使用情况进行调研，以满足使用要求、节能降耗、清洁生产为主要原则，综合考虑设备的操作性、维修性确定设备的技术方案。最后，对各厂家的设备用户开展调研，选择制造精良，用户反馈问题较少的厂家进行技术交流，并确定招标范围。制定完善的验收大纲，对所有项目逐条验收，注意随机资料的正确性和完整性，便于设备后续的维护和保养。
参考文献：
[1]阎承沛.我国热处理技术的现状和未来[J].热处理，2017（2）
[2]胡勇，吴伟明.内热式泵电阻炉的节能设计[J].热处理技术与装备，2015（1）
[3]程林，郭吉林.热处理炉水冷却系统的腐蚀与防护[J].金属热处理，2011（11）
（作者单位：南京钢铁股份有限公司）