作為東風汽車有限公司旗下一家專業生產刃量具的廠家，拉刀鹽浴熱處理一直是我廠比較傳統的熱處理，但多年來有各種方面的原因制約我廠拉刀鹽浴熱處理的生產，如我廠的拉刀鹽浴爐屬于插入式電極鹽浴爐，拉刀爐爐膛加熱電極的制造費用很高；拉刀高溫鹽浴爐爐膛型磚不耐用，新砌爐膛使用壽命不高，由于拉刀鹽浴處理線總功率達近450kW，耗電量大，我廠生產調度采取集中處理方式，按照拉刀爐1.5～2月開爐一次的開爐頻次計算，拉刀爐的平均使用壽命僅為9次，還不到一年。
我廠曾經在處理一根φ190mm的特大拉刀時，熱處理過程中出現了局部嚴重燒傷導致拉刀報廢，僅材料費損失就達3.3萬余元，若包括前期加工費用，該質量事故造成損失多達4萬元。特大拉刀的局部燒傷部位如圖1所示。
圖 1
出現該質量事故的直接原因是爐膛主電極抗彎強度差，易變形。在使用過程中電極腹部逐步彎曲致使爐膛內加熱空間變得狹小，電極離拉刀刃齒實體部位太近，引發“串電”現象，從而使大拉刀局部燒傷導致廢品。
1.技術攻關
針對以上現象，我廠技術部門對此進行了技術攻關。
（1）爐膛型磚由于考慮到砌爐工人的勞動強度大的因素，原來結構采用的是組合式結構，強度較差，有以下弊病：縫隙較多，易滲鹽；拉刀爐實際使用中熱脹冷縮時，型磚容易從組合相接處開裂。原組合好的型磚如圖2所示。
（a）單個組合式型磚 （b）砌筑好的爐膛結構
圖 2
原型磚材料為硅酸鹽混凝土質耐火材料，是熱處理爐中使用最多的材料，主要原料為耐火粘土和高嶺土，雖膨脹系數、熱導率、比熱容等指標小于其他耐火材料，但荷重軟化點比較低，耐用性較差。
（2）主電極使用低碳結構鋼是20鋼，截面為長方形，電極毛坯在刨床上需要刨削四個面，鍛打材料費價格高，鍛打電極余量大，電極加工時間長，費用高。鍛打毛坯余量大（單邊大于10mm)，毛坯重，鍛打材料費比較貴。成品電極截面尺寸100 mm×120 mm長2100 mm的單根電極毛坯重量為124mm×144mm×2140mm×7.8×10-6 kg/mm3=298kg，三根電極組成一套拉刀爐電極，則一套電極毛坯材料費用為298kg/根×3根×7.8元/kg=6973元。電極的加工費用按廠內價格計算也比較高，一套電極的加工費用為50元/h×22h/根×3根=3300元。綜上所述，原拉刀高溫爐加熱電極制造費用達到6973+3300=10273元。
（3）原電極的長方形截面抗變形強度低，主電極在熱處理的過程中易變形，圖3所示為組合后的型磚結構，圖3剖線部分為電極截面形狀。
圖 3
2.改制方案
考慮到拉刀高溫鹽浴爐的爐膛容積以及功率負載基本不變，為了有效提高彎曲強度，選擇合理的電極截面形狀是一項可行措施，在電極截面面積基本不變的前提下經過反復比較，我們考慮了以下三種改制方案。
方案一：圖4所示為型磚結構，剖線部分為電極截面形狀。
圖 4
思路分析為：借助型磚的阻礙作用阻止電極變形，但由于缺少耐火材料的抗拉強度數據及剪切強度數據，型磚能否抵抗得住電極的變形存在有風險性。
方案二：圖5所示為型磚結構，剖線部分為電極截面形狀。
圖 5
思路分析為：①電極毛坯首先采用鍛打，而后刨削，成型費用為鍛造廠鍛打費用加上本廠機加工費用，成型費用比較高。
②電極面向爐膛心部的面由120mm加大到150mm，開爐升溫過程中升溫相對而言會比較慢，預計可以減少變形傾向；同時電極背向爐膛的部分類似起到加強筋的作用，可以阻止電極變形。
③電極變形過程中背向爐膛的三個面來阻止電極變形，總的阻止作用預計要強于原始矩形截面電極。
方案三：圖6所示為型磚結構，剖線部分為電極截面形狀。
圖 6
思路分析為：①電極可以直接提φ140mm的棒料，加工平面及銑槽，省略掉鍛打費用，電極的成型費用僅僅為機械加工費用。
②電極面向爐膛心部的面上銑出槽，當電極產生變形，腹部向外鼓出時，避開拉刀圓周刃齒頂點，實際上可讓出單邊約10mm。
③電極變形時由整個圓周的力作用阻止電極變形，而原始矩形截面電極變形時僅僅有背向爐膛的一個面來阻止變形。
3.對策
針對以上各種因素的設想，我廠采取以下對策：
（1）車間配置吊重設備，爐膛型磚改組合式結構為整體式結構，提高拉刀爐強度，這樣做的好處是爐體接縫減少；使用過程中熱脹冷縮時，爐磚強度高，不易從接縫處開裂。
（2）考慮到：①高鋁質耐火材料的Al2O3%與硅酸鹽混凝土質耐火材料相比有較大提升，具有耐火度高、高溫結構強度較好和化學穩定性好等優點。
②常溫下硅酸鹽混凝土質耐火材料雖為絕緣體，但在1200℃以上就接近為導電體，其中的SiO2和Fe2O3有與電熱元件起化學反應而生成熔渣腐蝕元件的傾向，而高鋁質耐火材料在高溫下的絕緣性能好，不易與電熱元件起化學反應，抗還原作用強。雖價格上與硅酸鹽混凝土質耐火材料相比有一定的上漲，但從長遠而言爐膛型磚原材料由硅酸鹽混凝土質耐火材料更改為高鋁質耐火材料，從開爐頻次上和使用壽命上比較其制造成本也是在降低的。
對原截面抗彎截面模量以及三種改制思路的新截面抗彎截面模量進行大致估算如下：
原矩形截面抗彎截面模量為：
方案一截面抗彎截面模量為：
方案二截面抗彎截面模量為：
方案三截面抗彎截面模量為：
經過以上各截面抗彎截面模量的估算比較來看，實際理論計算效果和前期設想方案的效果有一定程度的偏差，并可以發現采用方案三“大半圓形”截面的抗彎截面模量最大，可以更加有效的抵抗電極在使用過程中的變形。
采用市場上購買的棒料直接加工，單根電極毛坯重量70mm×70mm×3.14×2100mm×7.8×10-6kg/mm3=252kg，一套電極毛坯材料費用為252kg/根×3根×5元/kg=3780元；由于電極只需刨削一個平面，加工費用大大降低， 一套電極的加工費用為50元/h×8h/根×3根=1200元。則一套電極總的制造成本為3780+1200=4980元。制造成本降低了10273-4980=5293元。
將電極的長方形截面更改為“大半圓型”截面，有效增大截面的抗彎截面模量，從而提高抗變形強度。改進后的整體式爐膛型磚及特大拉刀的熱處理實況如圖7、圖8和圖9所示。
圖7 單個整體式型磚
圖8 砌筑好的爐膛結構
圖9 特大拉刀熱處理實況
改善后，拉刀高溫鹽浴爐的加熱電極在使用過程中變形相對較小，確保了高溫加熱爐膛的有效加熱空間。改善后，大規格拉刀在熱處理過程中沒有再出現過因為“串電燒傷”而發生廢品。新砌筑的爐膛使用次數由原來的9次提高至11次。
在該項技術攻關中的有形效益為：
拉刀爐制造成本降低（按原一臺拉刀高溫鹽浴爐的制造成本為7.8萬元計算）7.8萬/9×（11-9）=17300元；
拉刀爐加熱電極的制造成本降低為10273 -4980 =5293元。
合計平均每年效益提升為：17300+5293=22593元。
在該項技術攻關中的無形效益為：避免了大規格拉刀在熱處理過程中因“串電燒傷”而產生廢品；確保了大規格拉刀的生產周期和交貨期；由于拉刀中溫預熱鹽浴爐和分級鹽浴爐的結構與高溫鹽浴爐的爐膛結構和電極結構相類似，該技術攻關也為拉刀熱處理鹽浴線的其他爐型改造做了技術鋪墊。
作者：楊鍇
單位：東風汽車有限公司刃量具廠
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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