優(yōu)化大型鋁合金淬火爐設(shè)計(jì)淺析

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摘要：鋁合金淬火爐是工業(yè)生產(chǎn)中比較重要的一種生產(chǎn)設(shè)備。近年來，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)和優(yōu)化升級(jí)。作為能夠保證鋁合金鑄件質(zhì)量的重要設(shè)備，對(duì)大型鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠在工業(yè)生產(chǎn)安全的同時(shí)，有效提高工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。文章以大型鋁合金淬火爐為主要研究對(duì)象，著重對(duì)優(yōu)化大型鋁合金淬火爐的設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了研究和分析。

關(guān)鍵詞：鋁合金淬火爐；優(yōu)化設(shè)計(jì)；鋁合金鑄件

鋁合金鑄件在現(xiàn)階段我國(guó)的許多行業(yè)和領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。在整個(gè)鋁合金鑄件的生產(chǎn)中，大型鋁合金淬火爐占據(jù)著非常重要的地位。隨著市場(chǎng)對(duì)鋁合金鑄件質(zhì)量和性能要求的不斷提高，大型鋁合金淬火爐也要進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能夠在生產(chǎn)鋁合金鑄件中發(fā)揮更大的作用。對(duì)大型鋁合金淬火爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，能夠?yàn)榇龠M(jìn)我國(guó)鋁合金鑄件生產(chǎn)質(zhì)量的提高提供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1大型鋁合金淬火爐

1.1大型鋁合金淬火爐的具體含義

大型鋁合金淬火爐主要是由加熱爐罩和移動(dòng)式底架構(gòu)成的，在實(shí)際的運(yùn)行中能夠?qū)Υ?、中型的鋁合金鑄件零部件進(jìn)行固溶熱處理。熱處理是整個(gè)鋁合金生產(chǎn)加工工藝中，能夠保證鋁合金鑄件性能和質(zhì)量的重要工藝環(huán)節(jié)。作為進(jìn)行熱處理的主要場(chǎng)所，大型鋁合金淬火爐在鋁合金鑄件的生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位。鋁合金加工工藝中的熱處理以退火和淬火時(shí)效為主，退火主要是通過對(duì)鋁合金進(jìn)行軟化處理來保證鋁合金鑄件的良好工藝塑性，而淬火時(shí)效則主要是通過對(duì)鋁合金進(jìn)行硬化處理來保證熱處理的強(qiáng)化效果［1］。因而，大型鋁合金淬火爐的主要工作原理是借助淬火過程來形成能夠用于鋁合金鑄件的強(qiáng)化合金元素，用以保證鋁合金鑄件的質(zhì)量和性能要求。

1.2鋁合金淬火爐優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

鋁合金鑄件擁有的質(zhì)地較輕、成本低廉等性能優(yōu)勢(shì)，使得其被主要應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、船舶、汽車以及化學(xué)工業(yè)當(dāng)中，代替以往應(yīng)用的金屬結(jié)構(gòu)材料。隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)要求的提高，人們對(duì)鋁合金材料的性能也產(chǎn)生了更高的要求。在鋁合金加工工藝不斷調(diào)整和優(yōu)化的同時(shí)，作為鋁合金加工工藝的重要組成部分，大型鋁合金淬火爐也要進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，才能夠滿足市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的鋁合金鑄件的要求，并保證鋁合金鑄件的質(zhì)量和性能［2］。而隨著航空航天、電子信息技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)能夠應(yīng)用于這些行業(yè)領(lǐng)域的原材料制作給予了更高的重視。熱處理是整個(gè)鋁鑄件加工的重要環(huán)節(jié)，做好大型鋁合金淬火爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，不僅符合國(guó)家制定的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，還能夠促進(jìn)我國(guó)社會(huì)的整體發(fā)展。

1.3大型鋁合金淬火爐的工作程序

大型鋁合金淬火爐的工作程序?qū)嵸|(zhì)上也就是鋁合金鑄件的固溶熱處理過程，現(xiàn)階段我國(guó)大型鋁合金淬火爐的工作程序以上料、加熱、淬火、出料為主［3］。上料主要是借助吊裝機(jī)構(gòu)，將需要進(jìn)行固溶熱處理的原料裝入進(jìn)出料車的上料位，再由進(jìn)出料車和吊裝機(jī)構(gòu)將原料運(yùn)送到爐內(nèi)的過程；加熱主要是在完成原料的裝卸之后，在保證對(duì)開爐門關(guān)閉的前期下，利用循環(huán)風(fēng)機(jī)和加熱器來對(duì)淬火爐進(jìn)行加熱和保溫；淬火是整個(gè)固溶熱處理中最為重要的步驟，在加熱完成后，快速將工件下降到淬火介質(zhì)中，保證淬火工藝的加工質(zhì)量；出料則主要是借助車間吊裝機(jī)構(gòu)來完成取料?；阡X合金鑄件市場(chǎng)的需求，大型鋁合金淬火爐的整個(gè)工作程序是循環(huán)進(jìn)行的，因而大型鋁合金淬火爐需要持續(xù)的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)很容易產(chǎn)生一些故障問題，影響鋁合金鑄件的正常生產(chǎn)。

2優(yōu)化大型鋁合金淬火爐設(shè)計(jì)的具體分析

大型鋁合金淬火爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是基于鋁合金鑄件的性能要求決定的。在對(duì)大型鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)師，不僅要堅(jiān)持以提高固溶熱處理的工作質(zhì)量和效率為主要目標(biāo)，還要更加注重淬火爐本身的性能要求，這樣才能夠更好的滿足國(guó)家對(duì)鋁合金鑄件生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)化要求。在對(duì)大型鋁合金淬火爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析時(shí)，主要可以從以下幾個(gè)方面來入手：

2.1增大設(shè)備有效區(qū)的體積

對(duì)于淬火工藝本身是在高溫的條件下進(jìn)行的，高溫的淬火環(huán)境在完成鋁合金鑄件熱處理的同時(shí)，也會(huì)對(duì)整個(gè)車間和工作環(huán)境造成一定的影響。在整個(gè)固溶熱處理的過程中，空氣循環(huán)爐是能夠通過熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)淬火爐均勻性進(jìn)行控制的重要裝置。設(shè)備有效區(qū)的體積大小會(huì)對(duì)空氣循環(huán)爐的運(yùn)行效果產(chǎn)生一定的影響，現(xiàn)階段我國(guó)大型鋁合金淬火爐設(shè)備的有效區(qū)體積大多小于40m3，這種體積大小的有效區(qū)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)高溫空氣的有效控制。當(dāng)空氣循環(huán)爐難以對(duì)大型鋁合金淬火爐內(nèi)的空氣溫度進(jìn)行有效控制時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重影響大型鋁合金淬火爐的運(yùn)行效率。在對(duì)大型鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先就要通過增大設(shè)備有效區(qū)的體積來保證爐內(nèi)空氣的流通?；谝酝L(zhǎng)度長(zhǎng)、寬度窄的有效區(qū)結(jié)構(gòu)形式，在對(duì)有效區(qū)的長(zhǎng)寬進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到空氣循環(huán)爐以及風(fēng)機(jī)布置的位置，以長(zhǎng)寬一致的正方形有效區(qū)的設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)，減少因缺少均勻性的控制而影響整個(gè)固溶熱處理工藝的概率。

2.2滿足爐溫的均勻性要求

爐溫的均勻性不僅能夠保證原料在淬火中的受熱均勻，還能夠滿足各種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對(duì)鋁合金鑄件性能的要求。在所有應(yīng)用鋁合金鑄件的行業(yè)中，航空航天領(lǐng)域?qū)t溫的均勻性要求最高。在對(duì)大型鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，為了達(dá)到滿足爐溫的均勻性要求，主要可以通過提高爐墻保溫性能和加強(qiáng)爐口密封兩種方法來實(shí)現(xiàn)。從提高爐墻保溫性能的角度來說，大型鋁合金淬火爐在加熱中會(huì)因熱循環(huán)而產(chǎn)生一定的溫度梯度，這直接反映出設(shè)備有效區(qū)的空氣溫度是否均勻的重要數(shù)據(jù)。通過提高爐墻的保溫性能，能夠減少淬火爐表面熱量的散失，從而減少爐內(nèi)溫度梯度數(shù)值的變化，保證爐內(nèi)空氣溫度的均勻性。而爐墻保溫性能的提高，則主要是通過增加爐墻保溫層的厚度來實(shí)現(xiàn)的，硅酸鋁纖維毯和巖棉是主要用于爐墻保溫層的材料。從加強(qiáng)爐口密封的角度來說，從爐口泄漏出的爐內(nèi)溫度，會(huì)直接影響爐內(nèi)空氣溫度的均勻性。爐口密封的加強(qiáng)，主要可以從加大爐口與有效區(qū)之間的距離和提高爐口自身的密封性能來實(shí)現(xiàn)。減少因爐口鋼板局部產(chǎn)生的鼓包和凹陷導(dǎo)致的空氣泄漏，是加大爐口與有效區(qū)之間的距離應(yīng)用的主要原理，然而這種方法只能夠借助傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)來判斷增加的尺寸數(shù)值，不具有科學(xué)性和合理性。而提高爐身的密封性能，則主要是通過提高爐口邊的厚度來幫助爐口的鋼板等構(gòu)件進(jìn)行散熱，用以控制膨脹現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3采用液壓多點(diǎn)提升

由于大型鋁合金淬火爐本身就服務(wù)于各種大、中型的鋁合金鑄件，為了能夠更好的滿足鋁合金鑄件構(gòu)件的熱處理工藝，淬火爐本身需要較大的承載量才能夠達(dá)到目的?，F(xiàn)階段我國(guó)主要應(yīng)用的大型鋁合金淬火爐普遍在3000kg左右，再加上各種裝料框、爐內(nèi)吊具等裝飾的重量，要想讓整個(gè)固溶熱處理系統(tǒng)在運(yùn)行中能夠保持較好的同步性，還要采用液壓多點(diǎn)提升來保證提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體來說，提升系統(tǒng)是整個(gè)固溶熱處理中最為重要的系統(tǒng)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到鋁合金鑄件的生產(chǎn)效率。在采用液壓多點(diǎn)提升方法時(shí)，主要可以通過適當(dāng)增加吊裝點(diǎn)、借助套筒滾子鏈來實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的提升。在提升系統(tǒng)的運(yùn)行中，還要通過減速機(jī)強(qiáng)制同步裝置來減少油缸同步問題出現(xiàn)的概率。

2.4多檔控制工作淬火速度

淬火爐在加熱中產(chǎn)生的溫度變化是很難控制的，再加上大型鋁合金淬火爐本身屬于立式結(jié)構(gòu)，淬火速度會(huì)受到爐體有效區(qū)的高度以及加熱溫度變化的影響。在對(duì)大型鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，將工作淬火速度按照多個(gè)檔次進(jìn)行劃分，是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)爐火溫度進(jìn)行有效控制，保證淬火質(zhì)量和效率的重要措施。控制大型鋁合金淬火爐的淬火速度，最主要的就是要對(duì)爐溫均勻性以及工件運(yùn)行的速度進(jìn)行控制。

2.5減少對(duì)爐門驅(qū)動(dòng)油缸的沖擊

對(duì)爐門驅(qū)動(dòng)油缸造成的沖擊大小，會(huì)直接影響到固溶熱處理中的液壓系統(tǒng)。而爐門驅(qū)動(dòng)油缸受到?jīng)_擊的主要原因，就是由于爐門在快速開啟時(shí)的速度比較大，而爐體的有效區(qū)比較寬，在油缸桿伸出后，油缸活塞和缸體內(nèi)部會(huì)受到徑向力的影響而產(chǎn)生摩擦，通過對(duì)油缸的磨損影響液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在對(duì)大型鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，為減少對(duì)爐門驅(qū)動(dòng)油缸的沖擊，不僅可通過轉(zhuǎn)移對(duì)爐門驅(qū)動(dòng)油缸的沖擊力來實(shí)現(xiàn)，還可以對(duì)爐門驅(qū)動(dòng)油缸的自身進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用銅質(zhì)材料來減少活塞和缸體對(duì)油缸內(nèi)壁造成的刮蹭，在延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的同時(shí)，提高設(shè)備維修的便利性。

2.6注重循環(huán)風(fēng)量與分區(qū)的合理設(shè)計(jì)

鋁合金淬火爐在當(dāng)前的航空航天領(lǐng)域以及軍工等行業(yè)和領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。在對(duì)鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，為了能夠滿足對(duì)于鋁合金材料熱處理的要求，需要讓設(shè)備能夠滿足更高的爐溫均勻性要求。而通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，提高爐墻的保溫性能、做好爐口的密封等措施，能夠?qū)Ρ３譅t溫的均勻性起到重要的作用。除了這兩種方法之外，在對(duì)鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還可以通過對(duì)循環(huán)風(fēng)量以及分區(qū)的合理設(shè)計(jì)，來滿足對(duì)于保持爐溫均勻性的要求。從循環(huán)風(fēng)量的角度來說，選擇合適的循環(huán)風(fēng)量，主要是依據(jù)提高熱循環(huán)風(fēng)速的原理來提高爐溫均勻性的。當(dāng)熱風(fēng)循環(huán)的頻率保持在一個(gè)較高的水平時(shí)，循環(huán)熱風(fēng)的溫度變化即使并沒有滿足對(duì)于爐溫均勻性的要求，也能實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)的循環(huán)。在這個(gè)過程中，為了能保證循環(huán)風(fēng)量能夠正常發(fā)揮作用，需要選擇直聯(lián)形式的風(fēng)機(jī)電機(jī)，在提高電機(jī)運(yùn)行效率的同時(shí)，也能夠有效降低風(fēng)機(jī)的高度尺寸。而從合理布置分區(qū)的角度來說，通過對(duì)分區(qū)的合理布置，能夠通過對(duì)熱循環(huán)風(fēng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的有效調(diào)整和優(yōu)化，來滿足提高爐溫均勻性的要求。具體來說，在對(duì)鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，空氣循環(huán)爐是一臺(tái)非常重要的設(shè)備。從空氣循環(huán)爐的角度來說，由于分區(qū)和熱風(fēng)循環(huán)導(dǎo)流系統(tǒng)的運(yùn)行情況會(huì)對(duì)有效區(qū)熱風(fēng)循環(huán)的質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，因而需要對(duì)分區(qū)進(jìn)行合理設(shè)置，并通過對(duì)熱循環(huán)風(fēng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的有效調(diào)整，來保證空氣循環(huán)爐能夠正常發(fā)揮作用。結(jié)合當(dāng)前鋁合金淬火爐中應(yīng)用的空氣循環(huán)爐來看，在該設(shè)備的技術(shù)參數(shù)中，由于受到單排分區(qū)的影響，很難保證在空氣循環(huán)爐管轄區(qū)域內(nèi)的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的高溫性能，而雙排分區(qū)的形式雖然能夠滿足單個(gè)風(fēng)機(jī)對(duì)于爐溫的要求，但卻會(huì)在風(fēng)機(jī)數(shù)量增加的情況下加大不同風(fēng)機(jī)對(duì)熱風(fēng)循環(huán)流場(chǎng)的相互干擾。因而在這種情況下，需要對(duì)空氣循環(huán)爐所管轄的區(qū)域進(jìn)行合理的劃分。在當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展背景下，借助熱風(fēng)流場(chǎng)軟件的模擬分析，能夠有效增加導(dǎo)流風(fēng)道的寬度，在提高爐膛內(nèi)部有效區(qū)上下段尺寸的前提下，讓設(shè)備在運(yùn)行的過程中能夠形成更好的熱風(fēng)流場(chǎng)，以此來提高爐溫的均勻效果。在這種情況下，提高爐溫的均勻性，不僅能夠?qū)μ岣咪X合金淬火爐的性能起到一定的作用，還能夠借助鋁合金淬火爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)來促進(jìn)多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展。

3結(jié)語

綜上所述，大型鋁合金淬火爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高鋁合金鑄件的質(zhì)量具有重要的作用?，F(xiàn)階段，各種工業(yè)設(shè)備技術(shù)的更新，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。作為工業(yè)設(shè)備的一種，在對(duì)大型鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要注重滿足淬火爐運(yùn)行的基本性能要求，還要以提高設(shè)備運(yùn)行的質(zhì)量和效率為主要的優(yōu)化目標(biāo)，通過大型鋁合金淬火爐的優(yōu)化來促進(jìn)鋁合金加工工藝的優(yōu)化。

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作者:華東媛 林寶森 張國(guó)馳 周立 孟澤炎 單位:河北鋼研德凱科技有限公司