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自由锻锻造车间热处理节能通用设计



 大型自由锻生产建设工程综合性强,涉及的工种多,必须从多角度分析、考虑选择匹配系统的设备,进而确定厂房土建、公用工程的设计。大型锻件制造业既是国家装备制造业的基础行业,也是关系到国家安全和国家经济命脉不可或缺的战略性行业,是国家能力的重要组成,其发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志。大型锻件产品是电力、冶金、石化、造船、铁路、矿山、航空航天、军工、工程等装备的基础部件,其经济带动性强,辐射作用大,是产业链上不可缺少的重要一环。随着经济和装备制造业的快速发展,我国锻造行业发展速度加快,行业内重要企业数量快速增加,锻件产量也迅速增长,全国自由锻件产量已超过300万吨。

  大型自由锻生产建设工程综合性强,涉及的工种多,必须从锻件产品的尺寸、重量、年产量等角度来分析、考虑选择压机的规格,配套加热炉和热处理炉的数量、参数,以及上下道工序炼钢、铸造、锻造、热处理、加工等的设备匹配,进而确定各厂房的参数,进行厂房土建、公用工程的设计。

  市场经济条件下,服务对象、服务范围在不断变化,服务的产品品种、等级、数量不可避免会有较大发展或变化,工程设计时必须考虑分期建设的可能,必须遵循一次规划、综合考虑、分期实施的设计原则。

  对于产品品种和等级基本不变或变化的范围不涉及厂房设备升级,只涉及规模加大及产量提高的锻件生产项目,分期建设一般有以下3种方式:

 (1)扩建厂房,增加压机。

 (2)在已建的厂房内增加压机(现有厂房面积足够的前提下。

 (3)通过挖潜式技术改造,提高现有压机生产过程中的机械化、自动化程度和生产效率等。

       对于产品品种和等级变化大,涉及厂房、设备升级的项目,只能采用扩建厂房、增加压机的方式。

  不管是采用扩建厂房增添设备或另建厂房增添设备的方法,还是厂房一次建成、设备分期增添,都需要进行多种方案的比较,然后择优选定。不管是哪种发展方式,加热炉、锻后热处理的能力、上下道工序以及公用动力配套设施等的设计都应留有同步发展的可能。

       系统平衡配套

  大型锻件的生产是一个有机的整体,是一个系统工程,包括炼钢、铸造、锻造、热处理、加工等各个子系统,而每个子系统又包括若干环节。如炼钢包括备料、电炉、精炼炉、真空室、真空泵、起重运输、作业面积等环节,锻造包括加热炉、压机、操作机、锻后热处理炉、排烟系统等,每个环节的能力都将影响整个炼钢系统、锻造系统的生产能力。同样,每个子系统的生产能力,也将影响整个大型锻件热加工系统的生产能力。大型锻件的生产,必须考虑整个系统生产能力、生产系统的配置合理、综合平衡。

  上述各个环节中,锻造能力是核心,前后工序——炼钢、热处理、加工设备能力的配备都必须围绕这个核心进行。作为一个新建或改扩建的大型锻件生产工程项目,必须针对具体项目的生产纲领、薄弱环节采取措施,不能只考虑在一定程度上解决产品生产等级和生产能力的问题,而未完全解决规模批量生产的系统平衡问题,以致企业只在一定程度上具备大型锻件的生产能力。任何一道工序、一个子系统能力的不协调、不平衡,都将直接导致处于核心地位的锻造能力得不到最大的发挥,必将成为生产能力提升的瓶颈。

  例如,虽然有的锻造生产企业配备了相当吨位的锻造压机,也配备了操作机,但没有配套炼钢设施,其所需钢锭必须向钢厂或重机厂采购,这些重机厂的液压机提高产量或增加锻造压机后,钢锭外供量明显减少,钢锭采购成了问题。对新上60MN、70MN自由锻液压机来说,常用钢锭重量为50~160t,80~125MN自由锻液压机常用钢锭重量为80~300t。为保证锻件质量,应采用热钢锭,以减少能耗、降低成本。由于没有配套炼钢设施,故只能采用冷钢锭,钢锭脱模以后要入炉做缓冷处理,大钢锭冷却以后再加热到锻造温度,不仅加热缓慢、时间长,要耗费大量燃料,大大增加成本,而且难免在加热中会出现问题。

  从产品质量的角度讲,大型自由锻件的质量受钢锭影响巨大,要提高大锻件的综合性能,必须减少钢锭的成分偏析,改变非金属夹杂物的形态,使钢中有害气体和有害元素的含量达到最低,这是保证大锻件质量的必要前提条件。而目前国内拥有60MN以上自由锻液压机的民营企业大都无炼钢能力,所需50t以上钢锭都只能采用冷锭,原材料质量无法自我控制,不仅影响锻件质量,也增加了企业的能耗和成本。与此同时,为使大型锻造液压机能正常生产,必须准备较多的加热炉加热冷钢锭,不仅增加了加热炉的数量,也增加了厂房面积,生产成本难以下降,以上种种因素直接影响了企业的竞争力。而这些企业要新建炼钢设施有一定难度,一方面投资有限,另一方面国家会严格控制。

       设备的选择与匹配

  遵循“生产纲领不可没有但不宜死扣”的自由锻造车间设计经验,考虑到市场经济条件下不断变化的服务对象、服务范围,大型自由锻车间应按照“以不变应万变”的指导思想,不经能力计算而配套选用锻造设备、加热炉、热处理炉的方法进行工程设计。

  自由锻压机

  根据大型锻件的尺寸、重量、材质决定自由锻液压机的压力吨级以及辅助设备的规格,根据生产纲领决定锻造液压机的数量。特殊情况下锻造液压机的生产能力则需依据采取的特殊措施来分析选定。

  以前,常规锻造时120~125MN等级自由锻造液压机可锻最大钢锭按300t考虑,并以此进行车间设备的配套。后来随着锻造工艺技术的进步以及锻造操作机等辅助设备的进一步发展,这一界定早已被突破,最大钢锭等级已达500t,名义重量已达570t。随着科技的发展和大型高性能产品的出现,锻件生产不可避免地面临大型化、高性能这一新的要求与挑战。现在自由锻造液压机的规格最大已经达到185MN,最大的钢水浇铸能力也已超过600t,中信重工的一次性钢水浇铸能力已达到750t。

  加热炉、锻后热处理炉

  大型自由锻液压机是大型自由锻生产企业的核心,为了充分发挥自由锻液压机的能力,配套加热炉和锻后热处理炉数量、规格的匹配选择,其最基本的要求是不能由于炉子生产能力的不足而影响或限制锻压设备生产能力的发挥。

  在炉子参数、规格的选择上,必须能满足配套设备可生产的最重、最长、最宽尺寸的钢锭、毛坯和锻件的加热与热处理的要求,有利于配炉和组织生产,即遵循所谓“柔性生产”的指导思想。而炉子的配套数量和规格,不仅要考虑上述3个方面的要求,而且还要根据压机近期和远期生产的发展目标,工艺设计中所考虑的生产过程中机械化、自动化程度的配套水平以及工业炉自身所具有的技术性能等来确定。项目规划时可采取一次规划、分步实施的办法来进行,厂房一次建成或分期建设,炉子分批分期采购安装,在规划设计时预留相应的炉子安装的可能性,烟道走向、烟囱位置、高度、出口直径等设计时更应统筹考虑。

  常规生产时,以气体燃料为热源时推荐的加热炉、锻后热处理炉与锻造设备的习惯配套。

  随着液压技术的发展、锻造工艺技术的进步、锻造操作机等辅助设备的进一步发展完善,压机的生产能力大幅度提高。尤其是先进工业炉技术的大量应用,如新型筑炉材料、燃烧器的应用,控制技术和炉子技术性能的提高,炉子的热效率、单位生产率大大提高,上述习惯已被突破。同时,随着重大装备制造业的不断发展升级,所需锻造压机的规格也越来越大,炉子的规格、数量也在不断升级、扩大、增加。

       厂房参数的选择

  作为大型自由锻件生产的核心——锻造车间,具有以下两个特点。

  厂房高大

一般由多跨厂房组成,主跨——液压机锻造跨大多在30~36m,起重机轨高一般在15~24m。

  起重能力大

  作为车间的运输(操作)设备的起重机、锻造操作机等,同样起着关键的作用,如果这些配套设备的能力不足以满足车间大型锻件的运输或锻造操作,也会成为锻造产能提升的瓶颈。目前国内外在大锻件生产方面形成的液压机与起重机、锻造操作机的常规配套习惯。

  但经生产实践总结,起重能力已显不足。据悉,国外在技术改造设计中已有100~125MN锻造压机选配起重能力为700t的锻造起重机的报道。我国新建的大型自由锻厂家配套的起重机能力也有扩大的趋势,如通裕重工120MN油压机就配备了400t•m锻造操作机和550t/300t锻造行车。

        物流运输方式的选择

  厂区内的物料运输是各工序之间生产联系的纽带,通过运输使厂区内各部门的生产成为有机的整体,合理的物流运输是工厂设计成功的重要因素。工厂物料运输工具和运输方式的选择与生产产品、产品工件特征及产品批量密切相关,运输方式决定运输工具。对大型自由锻件的专业生产厂家来说,锻件尺寸、重量大,很难采用叉车、汽车等运输工具来输送。

  大型锻件生产厂大多自带炼钢设施,为避免大锻件生产所用的热锭在运输过程中因室外气象条件变化造成钢锭内外大温差而形成表面开裂,并确保热锭送至锻件生产车间后的表面温度不低于550℃,满足其热装炉的要求,热锭的运输一般采用保温车;锻后热处理后进入下道工序——粗加工,粗加工后再进行热处理,厂房之间、跨与跨之间最为简便有效的运输方式是采用电动地面平车;厂房跨内工位间的吊运大多采用空中运输起重机。

  根据供电方式不同,厂房之间、跨与跨之间的锻件运输电动平车有以下4种选择:

  (1)拖缆式。需分段设电源插座,拖地电缆易磨损或被热的料头、氧化皮烧坏,或被车上掉落的料头、运料等物砸断,运距受限。

  (2)滑线式。需设供电地沟,沟内易积水或脏物等从而影响安全供电。同时车上载物掉落易砸坏地沟盖板,阻碍平车正常行驶。保持沟内清洁干燥不易,清理更难,不少厂家不愿意采用。

  (3)卷缆式。供电电缆收放的速度难与平车运行同步,时有拉断电缆或拔出供电插销的现象发生,实际生产中较少采用。

  (4)低压滑触式。以36V安全电压供电,适应性较强,现在有不少厂家采用此种车型。但低压滑触式电动平车结构复杂,维护保养需要跟上。

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