真空热处理炉技术改造实践

真空热处理炉技术改造实践朱磊【摘要】伴随着飞机零件的质量要求越来越高和国家提倡清洁、节能型热处理，真空热处理将成为未来飞机用钢铁和钛合金零件的主要热处理方式.本文就真空热处理炉在技术改造过程中的立项调研、技术要求的确定、实施、厂房规划和动力配套等方面讨论真空热处理炉在技术改造过程中的注意事项.【期刊名称】《热处理技术与装备》【年(卷)，期】2018(039)003【总页数】4页(P65-68)【关键词】真空热处理炉;技术改造;注意事项【作者】朱磊【作者单位】中航飞机股份有限公司，陕西西安710089【正文语种】中文【中图分类】TG155.1+6与在普通箱式炉、盐浴炉等常规设备中进行的热处理相比，真空热处理具有无氧化、无脱碳、无元素贫化的特点。可以实现光亮热处理，使零件脱脂、脱气，避免表面污染和氢脆；可以实现控制加热和冷却，减少热处理变形，提高材料性能；还可以便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点。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。有鉴于此，五十年来，真空热处理始终是国际热处理技术发展的热点。我国在近二十余年来，亦得到了迅速的发展［1］。新机研制、批量生产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。近年来，公司先后引进五台真空热处理，从项目的立项论证到实施，采取了一些较好的措施，取得了丰富的成果，但同时由于经验不足和对热处理设备技术改造的认识不到位，出现了一些影响设备后期交付和使用的问题，给公司带来一些经济损失。常规的真空热处理设备有真空气淬炉和真空油淬炉，根据使用工艺等不同的技术要求，真空炉的参数、结构和配置都会有较大的差异。目前，国内外真空热处炉制造厂家非常多，产品质量和性能良莠不齐，价格相差悬殊，部分厂家为了片面追求利润最大化，选择质量较差的材料和元器件来降低成本，造成设备交付后，运行不稳定，故障率高，有的甚至使用一段时间后处于瘫痪状态，厂家也不再提供售后服务。本文结合我公司最近几年的真空炉技术改造情况，讨论几点改造过程中的注意事项。1真空炉的立项论证1.1设备需求必要性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。论证其必要性时，首先应根据当前需要解决的问题和未来几年的发展规划确定设备的性能；其次要考虑所需设备的可替代性，即周边地区是否有同类设备可以满足要求；最后要对设备的引进进行经济性分析，包括对零件外扩加工的经济性、质量可靠性和生产进度是否可以满足要求进行对比论证。1.2设备需求的可行性分析确定设备的需求计划后，就要对其可行性进行分析论证，主要从设备的技术参数、安装位置、动力配套等方面进行论证。首先，列出设备的有效工作尺寸、温度均匀性、工作温度范围、冷却速率要求、对于油淬炉还有转移时间等参数，调研国内外主要真空炉生产厂家是否制造过同类设备以及使用情况，如果设备在国内外均没有成熟案例，尽量找设计制造能力较强的厂家进行充分的交流，以确定设备方案的可行性和存在的风险；其次，要对其安装位置和安装方案进行论证，现有厂房是否有足够的安装空间，物流是否畅通等，如果新建厂房，则应考虑未来几年的发展规划，留有足够规划面积；最后，要求对其动能配套进行论证，特别是已有厂房的风、水、电、气是否可以满足设备的运行。2设备技术条件的编制设备技术条件和招标文件的编制是采购设备中最重要的一个环节。一般来说，应规定设备的主要技术参数、设备的组成、随机资料、备品备件、制造验收标准和质量保证等要求。2.1真空热处理炉技术参数的确定真空炉的主要技术指标有工作温度、真空度、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，提出所需选购的真空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，提出真空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°C,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500C,由于真空炉主要为辐射加热，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。温度均匀性和系统精度要求应结合当前国内外卜设备厂家制造能力，略高于工艺规范的规定，避免在长期使用后，因加热带和隔热屏的变形、污染等原因造成性能降低超出要求范围。2） 真空度。真空度的选择应根据所处理材料要求的真空度范围和真空泵的抽真空能力确定。原则上，由于设备在使用过程中真空泵的抽空能力下降和炉膛的污染，其真空度会有所下降，因此真空度要求可以略高于规范的要求范围，真空泵的抽速大小决定了泵组的功率，过剩的真空机组配置必然导致多余的功率消耗［2］。对于工作真空度要求低于设备极限真空度，应提出分压功能的要求，并根据所要处理零件的工艺要求明确分压范围。3） 加热速率和抽真空速率。加热速率和抽真空速率是保证生产效率的重要参数，但盲目增大加热速率和抽真空速率，会导致设备的功率增加，因此需结合厂房的供电容量综合考虑。一般而言，为保证产品质量，提高生产效率，应最大程度地提高抽真空速率，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10~15l/min之间，因此，最大加热速率控制在20°C/min即可。4） 冷却能力。对于真空油淬炉，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。特别注意在连续生产时，油温升高的速率大于降温的速率，那么就要根据零件淬火的周期规定油循环冷却的能力，确保油温保持在要求的范围内。王广生［3］总结了油面充气压强对零件淬透性的影响，充气压力越大，对零件的淬透性越好，一般应要求真空油淬炉充气压力为0.5~1.5bar连续可调。对于真空气淬炉，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2bar以内，以避免压力容器。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。对于真空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，航标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25s；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真空炉的组成真空炉主要由炉体、抽真空系统（机械泵、罗茨泵、扩散泵、维持泵、真空管路和阀门、真空计）、加热系统（炉床、加热带、隔热屏、加热电源、调功器）、循环冷却水系统、充气或油（水）冷却系统、装料机构和控制系统等组成。1） 炉壳。真空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，建议真空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） 真空系统。真空系统是真空炉最重要的组成部分之一，因此在技术条件中有必要明确真空泵组、真空规管和真空阀的品牌甚至型号，目前国内外著名的真空泵品牌有莱宝、瓦里安、爱德华等，如果厂内有多台设备，最好统一品牌，便于使用过程中的维护和备件的替换性。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真空规管、真空泵油的老化，为提高真空规管和真空泵的使用寿命，可以要求在规管前端增加过滤器和控制阀，在真空泵前端增加过滤器。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。金属加热元件最著名的是奥地利的PLANSEE。对于真空炉，为提高热区使用寿命，指定炉床、加热带和隔热屏的材料和材料生产厂商是非常必要的。同时，还要选用质量可靠，售后服务及时的加热电源和调功器。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、真空检测元件、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。2.3随机资料为便于设备的操作和维护，在编制技术条件时，应对设备的随机资料进行具体的要求，技术资料应至少包含水冷系统图、气动原理图、液压系统图、电气原理图、PLC梯形图、组态软件备份、PLC程序备份、各控制元件参数设置备份、网络设置备份、易损件图册、润滑图以及真空系统、加热系统等各组成部分的装配图。另外，应要求在合同签订后尽快提供设备的基础图、平面布置图以及水、电、气等配套条件的要求，以确定平面布置，基础的设计和施工以及水、电、气的实施。2.4易损件和备品备件真空炉的密封件、加热元件和固定支架都极容易损坏，部分易损的零件采用特殊的结构，难以复制且采购周期较长，为保证设备在密封件或加热元件损坏时能够快速恢复，需要在采购设备的同时采购一套难以复制且采购周期较长的易损件，对于较易复制或市场上可以采购到的易损件则无需采购。除易损件外，对于一些消耗件如泵油、过滤和真空脂等以及控制元件、仪表、传感器等如果条件允许，也应作为备件同设备一同采购，以备损坏时快速更换。2.5双方责任在编制招标文件、技术协议时，一定要明确买卖双方的责任，包括供货范围（特别是泵油、淬火油、料筐、气罐等辅助设备）、仪表校验以及安装过程中的细节如二次电缆的铺设等。2.6培训和验收培训内容、时间和验收指标、方法等也应在招标文件中作出规定；对于进口设备，特别要注意培训的语言，如果本单位没有翻译人才，最好要求培训的教案和培训时的语言为中文。2.7质量保证在质保期要求中，要明确要求由于卖方原因造成的设备故障且造成停机时间较长的，应延长质保期，另外对于非易损关键部件损坏更换或维修后应重新计算该部件的质保期。3配套设施在提出真空炉技术方案的同时，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。在签订合同后，最好向卖方提供安装的场地和物流通道，以便卖方合理设计平面布置，收到卖方提供的平面布置图和基础图后，应立即绘制平面布置图，并对安装后的物流和操作的便利性进行确认，如有不合理的地方应立即通知卖方调整。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患，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，尽量安排技术人员、操作人员和维护人员熟悉设备的组成、工作原理和操作维护，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总结真空炉技术改造前，首先要根