节能环保智能连续式铸件退火生产线的研制

李 松，时 哲，张德奎，赵 涛

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

在铸造过程中，浇注后冷却过程积累了大量的内应力，为减小在使用和后续加工过程中的变形、开裂倾向，铸件落砂后通常要进行退火以降低硬度，改善切削加工性，同时消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，并细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷[1-2]。因此铸造件退火炉在铸造行业应用广泛，退火炉技术的关键在于提高温度控制精度、提高设备自动化程度、运行可靠平稳[3]，但是随着铸造产能的不断提高和国家“双碳”战略的实施，需要退火炉向节能、高效、连续、智能化方面发展。本文介绍一种节能环保智能连续式铸件退火生产线的研制。

1 基本工艺参数

连续炉总长：≤90 000 mm

工作制度：三班连续生产，每周6 d，全年280 d，年时基数：5 660 h

生产方式：双炉膛闭合式循环生产

窑车尺寸：2 400 mm×1 200 mm

铸件外型尺寸：969 mm×352 mm×365 mm

工件摆放：9件/车，上下两层，上层4件，下层5件

窑车装载量：9个铸件，400 kg/件，共计3 600 kg

炉子生产率：70件/h

铸件进炉初始温度：常温或（400±100）℃铸件最终温度：（550±10）℃

升温速度：80～120℃/h，升温至520～550℃

保温时间：520～550℃保温120～150 min

降温速度：50℃/h，降温至200℃后强冷至60℃

铸件从进炉到出炉时间：≤960 min

工件上下料方式：上料采用机械手码放，下料采用平衡吊车人工吊运

上下料及清扫工位：不少于6个

燃料：天然气，热值为36.4～40.3 MJ/m3

炉子热效率：≥40%

炉子外表温升：≤30℃

2 生产线实施方案

本方案是围绕节能、环保、智能、连续这一主题和设备基本要求进行设计的。本连续式燃气退火炉如图1所示，工作系统由炉体、窑车、转运车、燃烧系统、供气系统、排烟系统、机械传动系统及热工检测系统等组成。其特点介绍如下。

图1 设备平面布置图

2.1 炉体

炉体为双室式，一室为工件加热室，另一室为冷却室，两室间由钢结构及炉衬相隔。炉体由钢结构和炉衬两部分组成。在工件运行方向上由预热、加热、保温、缓冷及速冷五段。全部炉体采用架空式轻型结构，使得窑车的钢架和车轮行走装置完全暴露在大气之中，避免窑车变形所造成的卡窑现象。炉衬材料全部采用耐火纤维，其较低的导热系数和较小的蓄热可以大大提高炉子的热效率。

预热段长5.1 m，不设置烧嘴。在预热段进口处设置炉门及风幕装置，以阻止炉外冷空气进入炉内。排烟口设在预热段靠近进口端处，保温段及加热段燃烧产生的高温烟气在炉内逆向流向预热段，使预热段内的工件得到有效的预热，预热段炉顶采用压下的平顶结构以加强烟气对工件的对流换热，因此，行进在预热段内的工件能大量地吸收烟气的余热，从而提高炉子的热效率。

加热段长48 m，设置40台烧嘴，分5区控制，烧嘴分布在侧墙上，每个烧嘴的额定供热能力为15×4.18×104kJ/h，加热段最大供热能力为600×4.18×104kJ/h。保温段长24.3 m，设10台烧嘴，分两区控制，烧嘴分布在侧墙上，每个烧嘴的额定供热能力为15×4.18×104kJ/h，保温段总供热能力为150×4.18×104kJ/h。

缓冷段长62.8 m，设6台烧嘴，分7区控制，烧嘴分布在缓冷段前3区的侧墙上，每区两台烧嘴，每个烧嘴的额定供热能力为15×4.18×104kJ/h，保温段总供热能力为90×4.18×104kJ/h，后4区不布置烧嘴，布置风冷管。缓冷段靠近速冷段位置设置排烟口。缓冷段工件冷却速度～50℃/h，冷却速度可控，因此前3区布置的烧嘴带有吹冷风作用，当工件冷却速度大于50℃/h时，烧嘴自动点火供热，当工件冷却速度小于50℃/h时，烧嘴自动吹风冷却，所有控制均在仪表和烧嘴控制器的作用下自动完成。当工件进入缓冷段后4区时，在缓冷段后4区布置的风冷系统对工件进行冷却，各区风冷量单独控制，由控温仪表及管道上电动阀门控制进冷风量，实现对工件降温速度的控制。

速冷段长4.8 m，设置两台轴流风机，对工件进行强制冷却。

2.2 窑车

整条生产线共配备129辆窑车。其中预热段4辆，加热段40辆，保温段20辆，缓冷段52辆，速冷段4辆，上下料及清扫工位8辆，装运输送一辆。

窑车长1 200 mm、宽2 400 mm、高770 mm。窑车之间的密封及窑车与炉体之间的密封效果是退火炉考核节能效果和保证窑车寿命的关键。考虑退火炉的实际情况，本方案设计一种密封性能好、蓄热少、结构稳定的窑车，如图2所示。

图2 设备剖面图

窑车与炉体之间的密封形式采用砂封，窑车车头与车尾之间采用“迷宫”及石棉盘根密封。

窑车上耐火材料由不同规格的轻质耐火砖及轻质浇注料预制块组成，用耐热铸铁边框和砂封刀，普通钢材焊接车架，保证窑车的承载能力和受热不变形。

窑车上的砂封刀与炉体上砂封槽以及窑车之间的密封装置使窑车钢结构与炉膛分开，直接与炉外空气接触，因而使窑车下部的温度都比较低，大大减少窑车钢结构因受高温而引起的变形，保证窑车的使用寿命。

2.3 燃烧系统

为适应多种工艺的供热要求，达到严格的炉温均匀性,本炉烧嘴及其布置具有如下特点：

（1）采用德国霍科德公司技术的高效低氮烧嘴，脉冲式比例燃烧，使炉温均匀性更好。共使用56台烧嘴，每台烧嘴的供热能力为15×4.18×104kJ/h。分布为加热段5区，每区8台烧嘴，保温段2区，每区5台烧嘴，缓冷段前3区，每区2台烧嘴。

（2）烧嘴控制方式为脉冲控制。每台烧嘴配备手动空气流量调节阀、燃气流量调节阀、空气电磁碟阀、空气/燃气比例阀、燃气电磁阀、烧嘴控制器、点火变压器以及每两区配备一台脉冲控制器。

2.4 天然气供气系统

天然气由厂区主管路供至炉前与炉前燃气主管路相连，炉前燃气主管路设置手动球阀、燃气高压端压力表及压力表手动气塞阀、燃气过滤器、机械式安全切断阀、燃气减压稳压阀、燃气低压端压力表、自动放散阀、压力开关、流量计及电磁安全切断阀VG等。同时设置检修盲板接口。所有手动、电磁阀等均采用进口阀，以保证使用可靠。

2.5 排烟系统

退火炉最大烟气量为12 000 m3/h，高温烟气经预热段后进入换热器和助燃空气进行热交换。在换热器前的管道上设置一个电动调节阀以调整炉膛的压力。经换热后的烟气经钢制烟囱排出车间厂房。

烟气经炉内预热段回收热能以后，进入金属管式对流换热器。该种换热器具有体积小、换热面积大和换热效率高等特点。换热器换热面积为50 m2，热风温度为150～200℃。

2.6 机械传动装置

传动机构包括两套推料机构、两套装运输送小车、两套钩料机构、两套炉门提升机构及一套台面落砂清扫装置。

推料机构、钩料机构及炉门提升机构均采用液压传动，液压系统配备液压站，具有过滤、油温加热和冷却、油温控制等功能。主要液压元件如换向阀、叠加节流阀和电磁溢流阀等均选用德国博世-力士乐公司产品。

转运平车通过电机、减速机的驱动可以在其轨道内来回行走，转运平车的行走与定位由限位装置和制动电机实现。

整个生产线的机械动作包括推料、炉门升降、转运平车行走以及钩料的动作都由PLC全自动控制。

2.7 智能数字控制系统

2.7.1 程序控制系统

程序控制系统的主要功能是根据输入信号和动作流程控制各个执行机构，使各设备按照工艺要求的流程动作。程序控制系统主要由PLC、输入信号和执行机构组成。中央控制室内设置主站，通过profibus连接生产线现场各个从站，系统核心部件CPU通过输入模块、输出模块以及从站控制着整条生产线各设备的运行。生产线上各点位的行程开关、接近开关和压力开关用于检测和指示各个机构的位置和状态。

2.7.2 温度控制系统

温度控制系统的功能是控制加热段、保温段及缓冷段的温度，使其精确控制在工艺要求的范围内。温度控制系统由温控仪表、温度检测装置和加热装置组成，各区温度控制全部采用双偶双表。一块作为主控表，用来控制温度；另外一块作为监控和报警，报警采用偏差值报警，当过程值超过报警偏差值后会发出报警，以便切断和调整燃烧系统有关装置。主控表和监控表均具有编程功能，事先将工艺温度编入程序，按程序进行升温和控温。温度信号采集依靠室体上安装的热电偶，每个区段一个控制回路。

控温冷却系统的工件温度信号采集使用美国雷泰远红外测温仪，实时监控工件表面温度，并与PLC计算温度比较，由PLC控制风机变频，调节风量。该系统的室体内部在关键位置安装多只温度信号采集热电偶，实时监控室体内部温度的均匀性，并由PLC控制各组喷风嘴方向调节执行器，调节风向。

2.7.3 HMI监控系统

触摸屏采用西门子MP277，既可以显示设备各个系统的状态和参数，还可以控制和修改系统的状态和运行参数，是整个生产线的控制和显示中心。显示线上各点位的行程开关、接近开关、压力开关位置和状态；各个执行机构（包括电机、液压缸、气动缸、停止器、阀门）的位置和状态；系统各区温度；控温冷却系统各区段工件实时温度、室体内温度；缓冷系统各区段工件温度等。

触摸屏共有七组画面，分别是主画面、工艺设定、执行器控制、初始状态、流程监控、I/O监控及报警信息。

2.7.4 程序运行保护

生产线所有动作流程预先编制在PLC的自动运行程序中，生产线自动运行时按照动作流程运行。程序具有断点保持功能，当自动运行出现故障报警时，自动运行停止，当故障处理完以后，可以继续自动运行。

在“自动程序”运行中，每一步都针对每个动作检查相关的设备状态，检测前提条件是否满足，出现故障及时报警以提示操作者立即处理。

程序运行涉及的机械动作非常多，在每个动作和动作之间都设置了连锁的保护措施，在保护条件没有被满足的情况下，程序运行的下一个动作不会被执行。自动程序运行自动“退出”。故障出现后，设置的保护会输出报警以提示操作者立即处理故障。

2.8 信息管理系统

采用Visual C++与SQL200开发设计，包括设备信息管理模块、设备维护维修信息、产品信息模块、生产线工艺参数模块、数据统计分析模块、基本信息管理模块及生产线监控系统模块，可实现对生产线各设备信息、工艺参数等进行记录、修改、查询、分析及统计。采用人机对话界面方式，使操作简单、方便。在初始界面中，设置用户名和登录密码，保证系统安全性。

3 特点及效果

3.1 先进独特的控温系统结构及燃烧控制系统

3.1.1 控温系统

炉顶安装的测温热电偶，与智能温度控制器、烧嘴控制器和脉冲控制器一起形成闭环的燃烧控制系统。退火炉温度场除预热段和速冷段不参与温度控制外，其余炉内各段分成十四区控温，自动控制炉内各区的温度，保证炉内温度均匀性。

系统具有降温速度控制功能，由计算机同WEST智能仪表以及烧嘴脉冲控制器配合，当温度降得太快时，系统会自动点火；当温度降得太慢时，系统会自动送风，整个过程进行PID调节，以使降温速度控制在一定范围内，满足工艺要求。

3.1.2 燃烧控制系统

为了保证加热制度的灵活性，并满足特殊工件的加热要求。该炉的燃烧采用全数字化的燃烧技术——脉冲控制技术，对每个烧嘴进行单独调节和控制。

数字化的燃烧技术是通过控制烧嘴的燃烧时序和燃烧时间来控制炉子的温度，并且每个烧嘴可以进行单独的调节和控制。这种控制方式的动态性能好，控制温度波动小，节约燃料，目前已经得到广泛的重视和应用。

烧嘴何时点燃是由脉冲控制器控制的，而烧嘴的燃烧时间是由设定温度和炉子实际温度的偏差值决定的，烧嘴频繁地点燃和熄灭，这就要求烧嘴控制器和烧嘴有快速的反应能力。当烧嘴控制器检测不到火焰时，便将相应的燃气阀门切断，提高了系统的安全性，空气随燃气流量变化时具备快速的跟随性。

3.2 大量减少排放污染和能源浪费

SO2排放：烟囱高度30 m，高出厂房2 m，SO2排放量、落地浓度低于国家标准。

CO排放：采用高速调温烧嘴，天然气量、空气量和各种压力的全自动控制，保证燃烧充分，消除碳粒子和CO。

NO2排放：高速调温烧嘴的结构使燃气与空气充分混合燃烧，烧嘴的火焰喷出速度较高，抑制NOx的产生。

采用全纤维炉衬、高速调温烧嘴、温度自动控制、炉压自动控制、空燃比自动调节及空气预热措施，在结构上采用下压式预热段炉膛，增加对流换热效果；耐火纤维炉衬；金属管式换热器回收预热；风幕密封；窑车间迷宫及石棉盘根密封、窑车与炉体间砂封密封；炉体设计适合铸件各种温度进料，达到铸后余热利用的最佳效果；采用上述节能措施，可使炉子热效率在满载时达到40%以上。

3.3 将生产线过程控制信息纳入公司ERP管理系统

本系统包括生产线各设备监控系统、生产管理系统两部分。设备监控系统能自动采集设备运行信息，完成设备故障诊断、统计，自动计算设备开工率和故障率。设备监控系统分为程序控制系统、温度控制系统和HMI监控系统，各系统之间相互独立，但又有着紧密的联系。程序控制系统控制生产线的全部动作，温度控制系统控制加热段以及保温段的温度，触摸屏监控系统作为整条生产线的核心部分，用来对以上各个系统进行集中监控，显示生产线各系统的状态和参数，控制和修改系统的状态和运行参数，显示各机械执行机构的动作状态，并对工艺数据进行记录、上传至管理计算机。

设置管理计算机，通过工业以太网与设备监控系统和上位公司级管理系统连接，实现实时信息通讯，以人机对话方式，完成对生产线设备运行状况信息、各类产品生产工艺参数的采集，产品质量数据统计、分析、打印报表等，可调用任意时间段内完成产品的相关数据。

系统的建立有利于企业科学化、合理化、制度化、规范化管理，提升了企业管理水平，解决了生产中产品的多样性、生产条件不确定性及产品质量稳定性等问题，提高了生产效率和经济效益。

4 应用效果及社会效益

本生产线依靠先进的控制手段，使产品质量大幅提高，性能可靠稳定。生产线满足了铸件的大批量生产要求，使得铸件的热处理质量迅速提高。热处理后铸件变形量很小，为后续机加工打下良好的基础，铸件金相组织和力学性能达到国内行业的先进指标。产品的优秀率和合格率大幅度提高，为使用单位创造了可观的经济效益。

在生产线设计中采用了多项创新技术，并吸收了国内铸造行业先进的管理理念，实现了工艺技术先进、产品多样化、质量控制可靠、数字信息化生产、高效节能、环境和谐等目标，符合国家双碳战略下的铸造行业需求，有一定的推广价值。