第八章 工业炉及其控制教案Word文件下载.docx

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5）机械化自动化程度高；

6）造价较低、基建投资少，占地面积小且便于布置；

7）对环境造成的污染少。

2.主要组成

炉子的主要组成部分包括：

炉体及基础、热发生装置、进出料机构、钢结构以及测量和控制仪表等。

对燃料炉来说（如图8－2），还应包括：

燃料和空气供给系统，排烟系统和余热回收装置以及炉子冷却系统等部分。

炉子各主要部分的功能应该围绕着对炉子的基本要求互相协调、互相配合，这样才能达到良好的生产技术经济指标，否则就会妨碍炉子正常能力的发挥。

热轧用推钢式连续加热炉（燃油式）如图8-2简示。

图8－2　推钢式连续加热炉的主要组成示意图

1—炉子主体2—烧嘴3—炉底水管4—空气预热器5—烟囱6—鼓风机7—烟道闸门8—推钢机9—钢结构10—热电偶

11—预热空气口12—重油过滤器13—重油预热器14—蒸汽管道15—油泵16—接油库17—炉门

各种形式及用途的工业炉，为了满足不同的要求，其具体结构有很大的区别。

在现代工业用炉中，电加热炉已被广泛采用，它工作温度范围宽、控温精度高、便于实现自动控制，且电加热炉结构紧揍、占地面积小、劳动条件好、对环境没有污染、易于实现机械化和自动化操作。

金属（铸造）熔化炉已在2.2中作了简述，粉末冶金烧结炉在7.3中已有概述。

下面主要介绍热处理炉及其它工业用炉的结构原理与控制。

8.2热处理工业炉及其生产线

8.2.1热处理工艺概述

热处理的作用可归纳为：

改变工件的机械、加工性能，或获得某种使用性能；

使工件内部成分均匀化、消除内应力；

化学热处理（渗碳、渗氮等）可以改变工件表面的化学成份，使工件得到特殊的性能（耐磨性、抗腐蚀性等）。

热处理工艺有淬火（水冷、油冷）、退火（炉冷、砂冷）、正火（空气冷却）、回火和化学热处理。

无论何种热处理，从热工角度看，都是由三个阶段组成，即：

加热、保温、冷却。

不同的热处理只是加热温度、加热速度、保温时间、冷却速度和炉子气氛的不同组合。

有些热处理工件要求表面不氧化、不脱碳，或要往表面渗碳、渗氮等，这可以在热处理炉中通入控制气氛。

　　图8-3、图8-4是典型热处理工艺的示意图。

图8-3所示工艺常用于中、小型普通零件，图8-4所示工艺适用于大型铸锻件。

详见的工艺参数可参见有关专著。

热处理工艺对热处理炉的要求为：

从炉型结构和热工制度上能保证热处理工艺的实现；

温度均匀性好，一般要求温差不大于±

10℃；

炉内气氛可以控制；

在优质的基础上力求高产、节能；

易于机械化和自动控制等。

8.2.2连续淬火热处理炉

连续式热处理炉适用于大批量工件生产，常用的连续炉类型有：

推杆式、输送带式、转底式等。

下面以推杆连续式淬火热处理炉为例来介绍它的结构组成及控制。

图8－5

图8－5　推杆式光亮淬火连续炉

1－前推料液压缸　2－前室　3－防爆装置　4－前室门液压缸　5－前炉门液压缸　6－炉体风扇装置　7－炉体　8－后炉门液压缸　9－后室　10－升降台　11－后拉料机构　12－淬火油槽　13－纵向运输机构　14－炉底电阻板　15－清洗机　16－炉墙电阻板　17－前侧进料机构　18－油下平推液压缸　19－变压器

1.推杆式淬火热处理炉

　　图8－5所示为推杆式光亮淬火热处理炉[2]。

由前室、炉体、后室、清洗机、炉外运输机构和各种动作的液压缸组成。

采用吸热式气氛保护，主要用于进行碳钢和低合金结构钢的光亮或光洁加热淬火工艺。

该热处理炉的特点是：

1）为了使工件快速和均匀加热，除了在炉墙布置电阻板外，在炉底也布置电阻板。

2）光亮淬火工艺的一个特点是工件最终加热温度要求精确。

为此，采用直出炉设计方案，即出料炉门和进料炉门在一条直线上。

这样，炉体出料端的炉墙和炉底也可布置电阻板，以提高炉腔出料端温度的均匀性。

3）光亮淬火炉的工作周期较短（10分钟就可能出一盘料），为了避免后室吸入空气，影响炉内气氛稳定和淬火工件的光亮程度，后室不设门，使淬火工件在油下移动，从后室以外的油面提出。

这种出料方式称为油下出料。

4）在2720×

900×

844（长×

宽×

高）mm3的炉腔尺寸下，炉子安装功率为138KW，两区控温，最高工作温度为950℃。

电阻板尺寸140×

4mm2，两组三角形连接，沿两侧墙和炉底均匀分布。

料盘尺寸590×

340mm2，炉腔能容纳8个料盘，实际放置7个料盘。

2.连续式热处理炉的控制系统

　　某厂设计的可控气氛连续式热处理炉的液压控制系统如图8－6、图8－7所示。

炉内共有7个料盘，每盘最大质量（包括料盘）为220kg。

要求淬火升降台I下降入油槽使零件淬火的运动速度最快达0.166m/s。

炉子共有前室门、前炉门、前推料机、侧推料机、升降台等11个运动部件，其动作过程为：

液压泵启动→清洗炉门开→纵向拉杆进→纵向拉杆退→清洗门关→（清洗泵工作）→升降台II升→后侧拨杆进→后侧拨杆退→升降台II降→升降台I升→前炉门开→前推料机进→前推料机退→前炉门关→后炉门开→后拉料机进→后拉料机退→后炉门关→升降台I降→油下推料机推→油下推料机退→前室门开→前室侧推料机进→前室侧推料机退→前室门关，周期完毕。

前侧推料液压缸

前推料液压缸

升降台II液压缸

后炉门液压缸

升降台I液压缸

油下推料液压缸

纵向运输液压缸

后侧拔料液压缸

前室门液压缸

清洗机门液压缸

前炉门液压缸

图8－7　可控气氛连续式炉液压系统图

各程序的转换全部用三位四通电磁换向阀，由电气控制系统实现程序的顺序动作。

为了在液压泵启动和第一个程序动作之间使液压泵卸荷，采用二位二通电磁阀的卸荷回路。

采用进油节流调速回路对运动部件的运动速度进行调整。

由于淬火升降台I下降入油槽的速度有特殊要求，故淬火升降台I单独用一个节流阀控制。

为节省元件，余下的5个作水平运动的部件为一组用一个节流阀控制，5个作垂直运动的部件为一组用一个节流阀控制。

为了工作可靠，所有作垂直运动的部件都采用单向顺序阀的平衡回路以防止因自重而自动下落。

为了随时可以测得系统的压力，设置一个压力表，并用压力开关控制。

为使油液清洁，用一个网式滤油器。

8.2.3多室可控气氛渗碳炉

过去的连续渗碳炉，都是直通式单室炉结构。

这种单室炉腔，由于气氛的窜流，不能严格把渗碳过程分为加热、渗碳、扩散等区段，使加热区、预冷区碳势过高，析出大量炭黑，不利于碳势的精确控制。

为了提高炉子生产率和改善渗碳件质量，20世纪70年代以后出现了各种类型的多室连续渗碳炉。

这种多室炉，把加热室、渗碳室、扩散室等用门严格隔开，创造了各区段不同碳势精确控制的条件。

图8－8是三室渗碳炉，其加热室、渗碳室和扩散室是用门隔开的。

加热室保持中性气氛（不渗碳、不脱碳气氛）。

工件在加热室加热到渗碳温度后才进入渗碳室。

渗碳前，工件温度的均匀一致是保证渗碳层均匀的重要条件。

经过扩散区的渗碳件，进入冷却室。

冷却室是一个夹层的水冷套，使工件迅速冷却至室温，以免渗碳层厚度增加。

为避免工件氧化，在冷却室通有保护气氛。

图8-8

图8－8　三室渗碳炉

1、3、5、6、8、10、12、13、14－推料机　2－前室　4－加热室　7－渗碳室

9－扩散室　11－冷却室　15－炉门

8.2.4真空热处理炉

真空是指在一定的空间内，低于一个大气压力的气体状态。

在真空下进行熔炼和热处理，可减少或防止氧化、具有脱气和脱脂作用等。

将真空技术用于热处理炉，几乎可实现全部的热处理工艺。

它较适合于要求高的不锈钢和耐热合金钢零件、工具和模具等的热处理。

真空热处理炉正处在迅速发展阶段，其结构多种多样，分类五花八门。

下面以自冷式真空热处理炉为例，介绍其结构组成及原理。

其典型结构及真空系统见图8－9、图8－10所示。

它们分别由真空系统、加热系统、升降机构、密封等部件组成。

这种炉型周期性工作，工件随炉升温后再随炉降温，冷却速度较慢。

主要用于难熔金属、活泼金属、磁性合金的退火，不锈钢等材质的工件的钎焊，真空除气和真空烧结等。

这种炉子应用较早，内热式真空热处理炉（即电阻加热）中占的比例最大。

根据不同的用途有低温炉、高温炉、低真空炉、高真空炉等。

如在此炉体的基础上，加设强迫冷却装置，便可形成气冷式真空热处理炉。

气冷式真空热处理炉的工作原理是：

工件在真空中加热，当达到工艺要求的温度和保温时间后，往炉内充入惰性（或中性）气体，启动风机进行强迫冷却，此通常称为气淬。

目前，气淬炉应用较多，可对空气淬火的合金工具钢（冷、热冲模）、钼系及钨系的高速钢、不锈钢、铁镍或钴基的合金钢等进行气淬处理。

单室立式气淬真空炉如图8－11所示。

图8-10

图8－10　自冷式真空热处理电阻炉

1－炉壳　2－炉盖　3－炉衬　4－冷却器升降机构　6－电热元件引出头　7－保护罩　8－进水管　9－出水管　10－真空机组

图8－11　单室立式气淬真空炉

8.3热处理生产自动线

8.3.1盐浴炉及其热处理生产线

盐浴炉热处理生产线（图8－12）由盐浴加热炉、淬火油槽、淬火水槽、硝盐回火炉和清洗槽组成，可以处理各种中碳钢和中碳合金钢零件。

所有设备布置在半径约2米的圆弧上，在圆心位置设有一台机械手，将零件按工艺要求进行传递，保证各工步间的自动衔接。

为了完成零件在加热炉内和淬火槽中的上下运动，在相应设备上各装一个由液压油缸驱动的辅助手爪。

整条生产线由一台中心控制柜来控制，除装卸料需人工外，其他各步操作可根据工艺要求编排工步顺序，再按工步顺序绘制动作顺序图，预先在控制柜的矩阵板上进行程序编制。

图8－12　盐浴炉热处理生产线的布置

（1）生产线的工步顺序　设计时基本以盐浴炉加热时间为整个工艺流程的最短时间。

为了充分利用机械手的传递机能，应尽量缩短盐浴炉装卸料之间的间隔时间，并利用零件在加热、预冷和回火中的“等待时间”，完成机械手的就位动作。

这样，盐浴炉的加热时间及其装出炉时间之和就是整个工艺流程的一次循环时间。

在生产线上，先后完成加热、淬火、回火、清洗等工艺过程，其工步顺序如下：

　　位置II（盐浴炉）的加热手爪将零件提起（加热完）→机械手的手臂转至位置II→手臂伸出→手臂上升、取下零件→手臂缩回→手臂转至位置III或IV（油槽或水槽）→手臂伸出→手臂下降、将零件交给淬火手爪→手臂缩回→手臂转至位置I（上下料）→手臂上升、提起待加热零件→手臂转至位置II（盐浴炉）→手臂伸出→手臂下降、将零件交给加热手爪→手臂缩回→加热手爪下降、零件入炉加热→手臂转至位置V（回火炉）→淬火手爪将零件淬火→淬火手爪将零件提起（淬火完）→工步整调延时继电器工作→回火手爪上升、将回火零件提起→手臂伸出→手臂上升、取下零件→手臂缩回→手臂转至位置VI（清洗槽）→手臂伸出→手臂大幅度下降、零件入液清洗→手臂上升（清洗完）→手臂缩回→手臂转至位置I（操作者取下零件）→手臂转至位置III或IV（油槽或水槽）→手臂伸出→手臂上升、取下淬火零件→手臂缩回→手臂转至位置V（回火炉）→手臂伸出→手臂下降、把零件交给回火手爪→手臂缩回→回火手爪下降、零件入炉回火。

重复上述顺序，使整个工作连续进行。

（2）机械手　本生产线选用圆柱坐标式机械手，从控制类型上看，又称为程序顺序控制机械手。

该机械手共有三个自由度：

升降、水平旋转、手臂伸缩。

机械手最大伸出臂长为2.2米，最大起重量30公斤，升降的最大行程为0.5米，水平旋转最大角度为2100。

机械手及三个辅助手爪（加热手爪、淬火手爪、回火手爪）都用液压缸驱动，一般工作压力小于3.5Mpa。

图8－13是机械手的液压原理图。

图8－13　机械手的液压原理图

图8－14　电气控制系统方框图

（3）电气控制系统　控制电路采用集成电路板组合而成，其控制系统方框图如图8－14所示。

根据动作顺序图在矩阵板上进行工步流程的二板管矩阵排布。

输入输出矩阵的行母线顺序标志着工步的顺序。

行母线上的高电位（＋24V）是该顺序步工作的先决条件。

高电位的获得来源于步进器的“1”状态。

步进器由10个JK触发器组成，每位触发器对应一条母线。

每当由输出矩阵控制的执行机构在完成该步动作后发出回输信号，使该行母线失去旁路条件，高电位窜入CP母线而进入触发脉冲发生器，从而产生一个触发脉冲发生，使步进器的“1”状态移往下一位，于是该条行母线高电位消失，该顺序步停止工作，而下一条行母线获得高电位。

如果两条或两条以上行母线同时出现高电位，多“1”检测电路立即检测出来，使步进器清“零”报警停止工作，保证生产的安全进行。

当工步流程中有某几个工步需要重复进行时（如零件在淬火介质中需上下运动多次），只要在该步优先使“跳选单元”得到高电位，即可驱动“跳选单元”，以其发出的脉冲使步进器清“零”，再给该几步的第一位重复置“1”。

重复次数由“跳选次数选择”拨盘来控制。

“跳选单元”的工作方框图如图8－15示，其电路控制原理图略。

8.3.3钢板弹簧热处理生产线

钢板弹簧热处理生产线由推料机构、板簧成形淬火机、回火炉和应力喷丸机等组成，全线的布置如图8－18所示。

板簧的弯曲成形和淬火通常是一次完成的。

由于加热的质量决定着板簧的使用寿命，因此本生产线采用中频感应加热，以减少钢板表面的氧化和脱碳，实现操作过程的机械化和自动化，保证质量稳定。

图8－18　板簧热处理生产线

1－电容器箱　2－感应器　3－推料机　4－淬火机　5－油箱　6－回火电炉　7－水槽　8－应力喷丸机

（1）推料机

在生产线的主要设备中，推料机构的主要部分是用电磁阀控制的推料气缸，它的主要作用是将喂料斗内钢板按规定的节拍推入感应器。

推料机的结构见图8－19示。

图8－19　推料机的结构示意图

1－喂料斗　2－推杆　3－料架　4－推料气压缸　5－板簧　6－送料挡板　7－丝杆　8－减速机构

（2）感应加热器

感应加热器的作用是加热钢板，感应加热的效率主要决定于电流的频率。

感应加热器的结构，如图8－20所示。

线圈用矩形紫铜管绕制或焊接而成，铜管上涂有绝缘材料，线圈上、下、左、右装置胶木板，进出料两端用耐火水泥石棉板覆盖，并用铜螺钉紧固，使感应器成一刚性结构。

感应器内腔涂有涂料，起绝缘作用。

（3）淬火机

本生产线使用的摇摆式淬火机的结构如图8－21所示。

其工作过程为：

把要淬火的板簧放在夹具中，上夹下降，将板簧压制成形，同时摇摆液压缸将夹具浸入油内，并在油中作摇摆运动。

当达到给定的冷却时间时，使上夹上升复位；

脱料液压缸将淬火完了的钢板推落在油槽的输送带上，完成一个淬火过程。

摇摆式淬火机添设冲包机构，可在成形淬火的同时完成板簧的冲包工序。

图8-21　板簧摇摆式淬火机

1-成形板簧　2－限位开关　3－导杆　4－摇摆液压缸　5－拉杆　6－机座　7－下夹　8－夹紧液压缸　9－上夹　10－夹具　11－脱料液压缸

（4）淬火机械手

淬火机械手的结构如图8－22所示。

图8－22　淬火机械手

1－钳嘴　2－夹紧液压缸　3－伸缩液压缸4－转台行走液压缸　5－转腕液压缸　6－转台回转液压缸　7－行走车机构

机械手又由下列部分组成：

1）前后移动机构：

机械手主体安装在带燕尾导轨的拖板上，通过液压缸作前后移动。

2）水平回转机构：

用双活塞齿条液压缸带动回转轴作水平1800回转，在缸头有缓冲装置。

3）转腕机构：

通过二个安装在机械手座架两侧的直线液压缸推动齿条，带动转腕轴上的齿轮使手腕俯仰转动，两个液压缸靠回转轴达到机械同步。

4）夹紧机构：

夹紧液压缸推动滑动块在钳柄斜槽内滑动，使钳手夹紧。

钳柄上装有上、下二横杆，杆上装两对可移动的钳口，形成双钳口结构。

为防止高温下工件被夹伤，在夹紧机构液压回路上设置减压阀以降低压力。

5）伸缩机构：

伸缩液压缸活塞左右运动，带动夹紧液压缸和钳手水平移动，机械手即伸出或缩回。

6）行走机构：

用一台轴向柱塞液压马达经齿轮减速后带动主动轮在轨道上转动，使行走车直线水平走动，同时轴上齿轮还与安装在地面的齿条相啮合，以防止工作时轮子打滑而影响定位。

在不需要工作时可利用轮子行走至非工作区。

液压马达通过快慢速度变换和制动阀来控制其定位。

机械手行走机构中，通过电磁滑阀和单向节流阀的控制来调节小车速度。

起步时液压马达只经调速阀排油，因排油量小，起步速度慢；

过一段时间电磁滑阀打开，排油量增大（增大程度由调速器决定），小车快速行走，当到达工作位置前，电磁滑阀关闭，恢复慢车。

随后，装在导轨上的撞击块与安装在小车上的行程调速阀接触，随着撞击块对行程调速阀的压缩程度增加，排油阻力增大，小车速度进一步减慢，直到电磁滑阀关闭，小车停止。

这样，可避免液压冲击，保证定位精度。