全自动卧式步进炉车轴热处理生产线的设计和应用任耀庭;崔永亮;徐俊生【摘要】介绍一条车轴热处理生产线的工艺流程、设备参数和平面布置、设备主要结构及优点和电气系统.着重阐述了机械设计、控制系统及冷却系统在步进式车轴热处理生产上的创新应用.【期刊名称】《热处理技术与装备》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】4页(P50-53)【关键词】车轴;热处理生产线;冷却系统;二级控制系统【作者】任耀庭;崔永亮;徐俊生【作者单位】太原重工轨道交通设备有限公司,山西太原030032;太原重工轨道交通设备有限公司,山西太原030032;太原重工轨道交通设备有限公司,山西太原030032【正文语种】中文【中图分类】TG155.1+1太原重工轨道交通设备有限公司车轴精锻生产线1990年投产，已经有20多年的铁路车轴生产历史。

为解决旧生产线设备老化出现的机械磨损、设备性能降低、振动与噪声加大、产能不足、旧有工艺粗糙不能满足高附加值产品的生产需求等问题，2015年公司决定对车轴热处理生产线搬迁改造及智能化自动化水平进行提升，达到全面转型产品品种向高端化发展填补国内外空白、提升车轴产品质量、降低车轴生产成本的目的。

本文介绍了车轴热处理生产线的工艺流程、设备参数和平面布置、设备的主要结构及优点和电气系统。

1 主要工艺流程1.1 二次正火+回火工艺流程车轴锻件打印标识后由1#辊道、3#辊道运输到1#正火炉入口，装料机将车轴锻件平稳地放入1#正火炉内，车轴锻件在炉内按工艺节拍步进和旋转，实现均匀加热。

一次正火加热结束后立即进入1#冷却室均匀冷却；冷却后车轴锻件由2#辊道运输进入2#正火炉，二次正火加热结束后立即进入2#冷却室均匀冷却；冷却后车轴锻件由3#辊道运输进入回火炉，回火加热结束后立即进入3#冷却室均匀冷却；冷却后进入集料架收集，贴标后用行车吊运至缓存库。

1.2 一次正火+回火工艺流程锻件打标后由1#辊道、1#运输小车、3#辊道运输到2#正火炉入口，上料机将车轴锻件平稳地放入2#正火炉内，后续工艺过程及要求与1.1工艺流程相同。

2 主要技术参数及平面布置示意图车轴热处理生产线的主要技术参数见表1，平面布置图见图1。

表1 主要技术参数Table 1 Main technical parameters项目数值备注用途车轴锻件正火、回火布料方式卧式单排布料产能/t·h-110最高使用温度/℃950炉温均匀性/℃±10出料节拍/min·件-13～6出料节拍时间精度/s±2氧化烧损/%≤1炉膛宽度/mm～3500有效加热长度/mm～27000单位热耗/kcal·kg-1≤360燃料种类天然气控温方式5-7区控温，脉冲控制3 加热系统3.1 加热炉机械正火炉和回火炉均采用步进式机械结构，由车轴托架、曲柄拉杆、液压缸驱动等部分组成[1]。

每座热处理炉的车轴托架由两排固定梁和两排活动梁组成，活动梁和固定梁顶面是带弧度的齿形，使坯料在炉内等间距布置。

在每一次步进时坯料都能转动一定角度，从而保证坯料的加热温度更加均匀，并防止坯料在炉内弯曲变形。

当坯料长时间在炉内停止前进时，采取踏步周期运行，使坯料在原地踏步同时转动，同样保证了受热均匀及避免弯曲变形。

炉底机械的升降机构采用曲柄拉杆结构，结构紧凑、占用炉底空间小，使用稳定可靠,保证升降和水平运动开始及停止时以及在托起和放下坯料时能缓慢进行，防止对步进机械产生冲击和震动，延长了设备使用寿命。

炉底活动梁立柱开孔部位采用无水冷拖板密封结构，提高加热质量的同时，减少炉气外溢和冷风吸入的热损失，避免了水封结构对坯料带来的局部温差大的影响，见图2。

图1 平面布置示意图Fig.1 Schematic diagram of plane layout图2 炉底机械结构示意图Fig.2 Mechanical structure schematic diagram of furnace bottom3.2 加热炉烧嘴热处理加热炉燃料为天然气，采用亚高速烧嘴供热，并配备自动点火和火焰监测。

亚高速烧嘴高速喷出的热流可以强烈搅拌炉内烟气，使炉温均匀，同时采用脉冲控制方式，通过控制烧嘴的开闭时间调节供热量，使烧嘴处于最佳燃烧状态，获得满意的炉内温度场分布，可以实现灵活的供热和温度控制，保证极高的工件加热质量和节约燃料，满足了不同规格坯料、不同产量的热处理要求[2]，见图3。

正火炉分为5个温度控制区，回火炉分为7个温度控制区，沿炉长方向，每个供热段各布置多支热电偶。

对于各燃烧控制段，自动选择炉侧2支热电偶,所测温度平均值作为本段温度控制的PV值。

当其中任何一支热电偶烧坏，自动将另外一支热电偶的测温信号作为控制信号，如有问题时会发出超温报警、断偶报警、温差超限报警。

亚高速烧嘴具有火焰稳定、燃烧完全、调节灵活等特点，并配备有自动点火、火焰检测、手动调节阀及脉冲阀[3]。

图3 烧嘴及燃烧效果图Fig.3 Burner and burning effect diagram4 装出料装置为保证坯料在正、回火炉内输送不跑偏，每座正火、回火加热炉前均设置坯料定位装置，由辊道处的冷检配合辊道编码器实现坯料的初步定位，经过装料机将坯料放置到炉前的固定台架上，再由带位移传感器的液压推正装置将坯料精确推正定位。

为实现坯料在辊道、冷床、步进炉之间的平稳、准确移送功能，采用精巧的惠斯顿杠杆机构，该机构由一台变频减速电机驱动，通过同步轴带动两根料杆做回转运动，同步链条可以保证托盘始终保持平置完成坯料平稳而快速的传输功能，具有移送速度快、跨度大、定位准、传动平稳和噪声小等优点。

由于坯料在移送过程中一直处于平动状态，所以大幅降低坯料对设备产生额外的冲击负荷，延长设备使用寿命的同时有效降低生产噪音。

由于装、出料机的料杆可以深入炉内，不须将金属梁伸出炉外，因此可以保证炉门的完全关闭，减少炉内散热损失，或炉门口的冷风吸入。

装、出料机可以与炉门、步进梁实现联锁运行，可以保证完全自动化装出料过程，并可最大限度地减少开炉门产生地散热损失[4]。

5 冷却系统5.1 闭式冷却室为实现锻件控冷功能，热处理线共设置共4个冷却室，1#冷却室布置在1#正火炉后，2#、3#冷却室布置在2#正火炉后，4#冷却室布置在回火炉后，各冷却室根据不同的工艺要求设计有不同的功能和参数[5]，见表2。

4个冷却室采用机械鼓风、引风方式冷却，4个冷却室出口均设有红外测温仪进行监控。

模拟计算结果横断面流线图(图见4)。

表2 冷却室技术参数Table 2 Technical parameter of cooling room参数1#冷却室3#冷却室2#冷却室4#冷却室进料温度/℃～880～810～630(芯部温度)～510出料温度/℃<400(芯部温度)～630(芯部温度)<200(芯部温度)<60(表面温度) 图4 模拟计算结果横断面流线图Fig.4 Simulation results of cross-sectional flow pattern1#、2#、4#冷却室分别由各自相应的链式冷床和冷却通风系统组成。

冷床上方设有排风装置，下方或侧部合理设计了进风口，以一定的流速均匀进风，坯料在冷床上滚动前进，实现坯料在运输过程中的均匀冷却。

3#冷却室由相应的往复式冷床和冷却通风系统组成。

冷床由链床和往复台架组成，链床实现坯料的前进输送，往复台架实现坯料的原地自转功能。

冷床上方设有压缩空气喷吹装置，合理设计喷吹流速，下方设有排风装置，坯料从2#正火炉出料后直接放置到冷床上，坯料在原地快速旋转喷吹冷却。

3#冷却室模式计算结果轴视流线图见图5。

图5 3#冷却室模拟计算结果轴视流线图Fig.5 Simulation results of axis flow pattern for 3# cooling room6 热处理线二级控制系统热处理线二级系统控制范围为整个热处理线，具备灾难恢复机制、备份与归档的机制，提供了很多操作画面供操作人员监控坯料的在线状况。

根据锯切区计算机传来或条码扫描读取的坯料数据和热处理线一级控制系统传来的热处理线设备运行状态信号，利用OPC通讯收集一级系统数据与其它系统、MES系统的通信采用TCP/IP SOCKET电文通信方式，跟踪线上每一块坯料的位置并保留当前坯料的分布图，跟踪和管理进入整个热处理线的坯料，衔接整个热处理线与其它系统(如精锻生产线计算机、MES系统等)的联系，实现生产过程的全自动化。

6.1 物料跟踪热处理线坯料位置跟踪的范围从坯料入炉开始至坯料出炉结束。

系统根据坯料库传送的上料数据(或者操作人员手动上料)以及热处理线装料侧机械设备的动作情况(一级系统传来的定位完成信号、CMD状态和辊道运行状态)，建立坯料实际状况与跟踪数据的正确对应关系。

炉内每一块坯料都有一个跟踪记录，这些记录在计算机内以坯料的入炉顺序依次排列，并配合一级自动炉前定位，自动装炉。

随着坯料的向前移动而移动、随着相应坯料的入炉而出现且随着相应坯料的出炉而删除。

步进梁前进或后退一个步距，都是炉内跟踪更新的依据。

炉内跟踪允许正向和反向跟踪。

炉内跟踪一般不作修正，但有时出现异常状况时可能引起跟踪数据错误，经几级核准后，操作人员可通过热处理线二级系统的HMI终端输入和修改、插入、删除生产计划和车轴锻件原始数据，可以手动修正每块坯料的位置数据，确保生产过程的正常。

6.2 数据收集及处理生产实绩数据收集处理从热处理线一级自动化系统和其他系统获取了热处理线设备运行状态数据、坯料生产数据和热工测量数据如辊道运行信号、热电偶测量炉温、煤气压力、煤气流量、热风压力、坯料信息、步进梁运行状况等数据。

这些数据将被保存同时触发系统的一些相应功能块，一些数据将传送至MES生产管理系统。

数据归档和报表功能不仅能在热处理线操作室的打印机上打印炉温记录、跟踪修正记录、坯料历史记录等生产所需的各种报表，还可记下操作人员的操作过程，便于以后进行出错原因分析和生产优化分析使用。

7 结束语该自动车轴步进炉热处理生产线是根据精锻生产线生产车轴锻件的热处理要求研发设计，工艺设计新颖、设备设计先进、电气系统可靠，完全可以满足精锻热处理线生产效率、全过程自动控制和车轴MES系统生产系统的需求，使热处理线的自动化水平达到国际先进水平，降低了能耗，大幅度提高了产品的优质率和合格率，从而创造了可观经济效益。

闭式控制冷却成功应用于卧式步进炉热处理生产线上，在国内同类型中是一个技术创新，并达到令人满意的效果，为今后新技术的创新、推广积累了实践经验。

参考文献[1] 徐宝亮. 新编热处理设备选型设计实用手册[M].北京：中国知识出版社, 2005.[2] 满磊磊,刘伟娟. Win CC与S7-400PLC在热轧加热炉控制系统中的应用[J].热处理技术与装备, 2013,34(4):47-55.[3] 张小军,李维轲,韩同鹏. 新型台车式热处理炉的设计[J].热处理技术与装备, 2013,34(1): 46-48.[4] 吴光冶.热处理节能减排[J]热处理技术与装备, 2008,29(3):5-8.[5] 张德奎，张艳明，李渭，等. 全自动悬挂式钢瓶热处理生产线的研制[J].工业炉,2006, 28(3):20-22.。