作為東風(fēng)汽車有限公司旗下一家專業(yè)生產(chǎn)刃量具的廠家，拉刀鹽浴熱處理一直是我廠比較傳統(tǒng)的熱處理，但多年來有各種方面的原因制約我廠拉刀鹽浴熱處理的生產(chǎn)，如我廠的拉刀鹽浴爐屬于插入式電極鹽浴爐，拉刀爐爐膛加熱電極的制造費用很高；拉刀高溫鹽浴爐爐膛型磚不耐用，新砌爐膛使用壽命不高，由于拉刀鹽浴處理線總功率達(dá)近450kW，耗電量大，我廠生產(chǎn)調(diào)度采取集中處理方式，按照拉刀爐1.5～2月開爐一次的開爐頻次計算，拉刀爐的平均使用壽命僅為9次，還不到一年。
我廠曾經(jīng)在處理一根φ190mm的特大拉刀時，熱處理過程中出現(xiàn)了局部嚴(yán)重?zé)齻麑?dǎo)致拉刀報廢，僅材料費損失就達(dá)3.3萬余元，若包括前期加工費用，該質(zhì)量事故造成損失多達(dá)4萬元。特大拉刀的局部燒傷部位如圖1所示。
圖 1
出現(xiàn)該質(zhì)量事故的直接原因是爐膛主電極抗彎強(qiáng)度差，易變形。在使用過程中電極腹部逐步彎曲致使?fàn)t膛內(nèi)加熱空間變得狹小，電極離拉刀刃齒實體部位太近，引發(fā)“串電”現(xiàn)象，從而使大拉刀局部燒傷導(dǎo)致廢品。
1.技術(shù)攻關(guān)
針對以上現(xiàn)象，我廠技術(shù)部門對此進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。
（1）爐膛型磚由于考慮到砌爐工人的勞動強(qiáng)度大的因素，原來結(jié)構(gòu)采用的是組合式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較差，有以下弊病：縫隙較多，易滲鹽；拉刀爐實際使用中熱脹冷縮時，型磚容易從組合相接處開裂。原組合好的型磚如圖2所示。
（a）單個組合式型磚 （b）砌筑好的爐膛結(jié)構(gòu)
圖 2
原型磚材料為硅酸鹽混凝土質(zhì)耐火材料，是熱處理爐中使用最多的材料，主要原料為耐火粘土和高嶺土，雖膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容等指標(biāo)小于其他耐火材料，但荷重軟化點比較低，耐用性較差。
（2）主電極使用低碳結(jié)構(gòu)鋼是20鋼，截面為長方形，電極毛坯在刨床上需要刨削四個面，鍛打材料費價格高，鍛打電極余量大，電極加工時間長，費用高。鍛打毛坯余量大（單邊大于10mm)，毛坯重，鍛打材料費比較貴。成品電極截面尺寸100 mm×120 mm長2100 mm的單根電極毛坯重量為124mm×144mm×2140mm×7.8×10-6 kg/mm3=298kg，三根電極組成一套拉刀爐電極，則一套電極毛坯材料費用為298kg/根×3根×7.8元/kg=6973元。電極的加工費用按廠內(nèi)價格計算也比較高，一套電極的加工費用為50元/h×22h/根×3根=3300元。綜上所述，原拉刀高溫爐加熱電極制造費用達(dá)到6973+3300=10273元。
（3）原電極的長方形截面抗變形強(qiáng)度低，主電極在熱處理的過程中易變形，圖3所示為組合后的型磚結(jié)構(gòu)，圖3剖線部分為電極截面形狀。
圖 3
2.改制方案
考慮到拉刀高溫鹽浴爐的爐膛容積以及功率負(fù)載基本不變，為了有效提高彎曲強(qiáng)度，選擇合理的電極截面形狀是一項可行措施，在電極截面面積基本不變的前提下經(jīng)過反復(fù)比較，我們考慮了以下三種改制方案。
方案一：圖4所示為型磚結(jié)構(gòu)，剖線部分為電極截面形狀。
圖 4
思路分析為：借助型磚的阻礙作用阻止電極變形，但由于缺少耐火材料的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)及剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)，型磚能否抵抗得住電極的變形存在有風(fēng)險性。
方案二：圖5所示為型磚結(jié)構(gòu)，剖線部分為電極截面形狀。
圖 5
思路分析為：①電極毛坯首先采用鍛打，而后刨削，成型費用為鍛造廠鍛打費用加上本廠機(jī)加工費用，成型費用比較高。
②電極面向爐膛心部的面由120mm加大到150mm，開爐升溫過程中升溫相對而言會比較慢，預(yù)計可以減少變形傾向；同時電極背向爐膛的部分類似起到加強(qiáng)筋的作用，可以阻止電極變形。
③電極變形過程中背向爐膛的三個面來阻止電極變形，總的阻止作用預(yù)計要強(qiáng)于原始矩形截面電極。
方案三：圖6所示為型磚結(jié)構(gòu)，剖線部分為電極截面形狀。
圖 6
思路分析為：①電極可以直接提φ140mm的棒料，加工平面及銑槽，省略掉鍛打費用，電極的成型費用僅僅為機(jī)械加工費用。
②電極面向爐膛心部的面上銑出槽，當(dāng)電極產(chǎn)生變形，腹部向外鼓出時，避開拉刀圓周刃齒頂點，實際上可讓出單邊約10mm。
③電極變形時由整個圓周的力作用阻止電極變形，而原始矩形截面電極變形時僅僅有背向爐膛的一個面來阻止變形。
3.對策
針對以上各種因素的設(shè)想，我廠采取以下對策：
（1）車間配置吊重設(shè)備，爐膛型磚改組合式結(jié)構(gòu)為整體式結(jié)構(gòu)，提高拉刀爐強(qiáng)度，這樣做的好處是爐體接縫減少；使用過程中熱脹冷縮時，爐磚強(qiáng)度高，不易從接縫處開裂。
（2）考慮到：①高鋁質(zhì)耐火材料的Al2O3%與硅酸鹽混凝土質(zhì)耐火材料相比有較大提升，具有耐火度高、高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
②常溫下硅酸鹽混凝土質(zhì)耐火材料雖為絕緣體，但在1200℃以上就接近為導(dǎo)電體，其中的SiO2和Fe2O3有與電熱元件起化學(xué)反應(yīng)而生成熔渣腐蝕元件的傾向，而高鋁質(zhì)耐火材料在高溫下的絕緣性能好，不易與電熱元件起化學(xué)反應(yīng)，抗還原作用強(qiáng)。雖價格上與硅酸鹽混凝土質(zhì)耐火材料相比有一定的上漲，但從長遠(yuǎn)而言爐膛型磚原材料由硅酸鹽混凝土質(zhì)耐火材料更改為高鋁質(zhì)耐火材料，從開爐頻次上和使用壽命上比較其制造成本也是在降低的。
對原截面抗彎截面模量以及三種改制思路的新截面抗彎截面模量進(jìn)行大致估算如下：
原矩形截面抗彎截面模量為：
方案一截面抗彎截面模量為：
方案二截面抗彎截面模量為：
方案三截面抗彎截面模量為：
經(jīng)過以上各截面抗彎截面模量的估算比較來看，實際理論計算效果和前期設(shè)想方案的效果有一定程度的偏差，并可以發(fā)現(xiàn)采用方案三“大半圓形”截面的抗彎截面模量最大，可以更加有效的抵抗電極在使用過程中的變形。
采用市場上購買的棒料直接加工，單根電極毛坯重量70mm×70mm×3.14×2100mm×7.8×10-6kg/mm3=252kg，一套電極毛坯材料費用為252kg/根×3根×5元/kg=3780元；由于電極只需刨削一個平面，加工費用大大降低， 一套電極的加工費用為50元/h×8h/根×3根=1200元。則一套電極總的制造成本為3780+1200=4980元。制造成本降低了10273-4980=5293元。
將電極的長方形截面更改為“大半圓型”截面，有效增大截面的抗彎截面模量，從而提高抗變形強(qiáng)度。改進(jìn)后的整體式爐膛型磚及特大拉刀的熱處理實況如圖7、圖8和圖9所示。
圖7 單個整體式型磚
圖8 砌筑好的爐膛結(jié)構(gòu)
圖9 特大拉刀熱處理實況
改善后，拉刀高溫鹽浴爐的加熱電極在使用過程中變形相對較小，確保了高溫加熱爐膛的有效加熱空間。改善后，大規(guī)格拉刀在熱處理過程中沒有再出現(xiàn)過因為“串電燒傷”而發(fā)生廢品。新砌筑的爐膛使用次數(shù)由原來的9次提高至11次。
在該項技術(shù)攻關(guān)中的有形效益為：
拉刀爐制造成本降低（按原一臺拉刀高溫鹽浴爐的制造成本為7.8萬元計算）7.8萬/9×（11-9）=17300元；
拉刀爐加熱電極的制造成本降低為10273 -4980 =5293元。
合計平均每年效益提升為：17300+5293=22593元。
在該項技術(shù)攻關(guān)中的無形效益為：避免了大規(guī)格拉刀在熱處理過程中因“串電燒傷”而產(chǎn)生廢品；確保了大規(guī)格拉刀的生產(chǎn)周期和交貨期；由于拉刀中溫預(yù)熱鹽浴爐和分級鹽浴爐的結(jié)構(gòu)與高溫鹽浴爐的爐膛結(jié)構(gòu)和電極結(jié)構(gòu)相類似，該技術(shù)攻關(guān)也為拉刀熱處理鹽浴線的其他爐型改造做了技術(shù)鋪墊。
作者：楊鍇
單位：東風(fēng)汽車有限公司刃量具廠
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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