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(lái)，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(guò)對(duì)鋁合金進(jìn)行軟化處理來(lái)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(guò)對(duì)鋁合金進(jìn)行硬化處理來(lái)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(guò)程來(lái)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(guò)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(guò)程；加熱主要是在完成原料的裝卸之后，在保證對(duì)開(kāi)爐門關(guān)閉的前期下，利用循環(huán)風(fēng)機(jī)和加熱器來(lái)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(lái)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(wèn)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(lái)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(guò)程中，空氣循環(huán)爐是能夠通過(guò)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)來(lái)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(guò)增大設(shè)備有效區(qū)的體積來(lái)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(guò)提高爐墻保溫性能和加強(qiáng)爐口密封兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。從提高爐墻保溫性能的角度來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)增加爐墻保溫層的厚度來(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(lái)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(guò)提高爐口邊的厚度來(lái)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(lái)保證提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體來(lái)說(shuō)，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(guò)適當(dāng)增加吊裝點(diǎn)、借助套筒滾子鏈來(lái)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(guò)減速機(jī)強(qiáng)制同步裝置來(lái)減少油缸同步問(wèn)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?？刂拼笮弯X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(kāi)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(guò)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(guò)轉(zhuǎn)移對(duì)爐門驅(qū)動(dòng)油缸的沖擊力來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)循環(huán)風(fēng)量以及分區(qū)的合理設(shè)計(jì)，來(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(méi)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(guò)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(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)分區(qū)的合理布置，能夠通過(guò)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(lái)滿足提高爐溫均勻性的要求。具體來(lái)說(shuō)，在對(duì)鋁合金淬火爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)對(duì)熱循環(huán)風(fēng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的有效調(diào)整，來(lái)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(lái)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(guò)程中能夠形成更好的熱風(fēng)流場(chǎng)，以此來(lái)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(lái)促進(jìn)多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展。

3結(jié)語(yǔ)

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(guò)大型鋁合金淬火爐的優(yōu)化來(lái)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