美國進(jìn)口真空爐料筐同瓷條粘連問題的分析解決

2013-05-11 吳奎林沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

　　本文就美國進(jìn)口真空爐之料筐與瓷條粘連的問題進(jìn)行了探討分析，在對每次粘連的客觀條件進(jìn)行具體分析的基礎(chǔ)上，對可能造成粘連的各種影響因素進(jìn)行了較為詳細(xì)的探討論述，對瓷條進(jìn)行了巖相分析，制定了解決問題的改進(jìn)措施，經(jīng)過實(shí)踐解決了粘連問題。

　　我公司從美國進(jìn)口的油淬氣冷多用真空爐在使用過程中多次發(fā)生料筐同瓷條粘連的問題，本文報(bào)告了粘連問題的發(fā)現(xiàn)、問題的分析、改進(jìn)措施直到問題的解決。

1、真空爐料筐支撐結(jié)構(gòu)

　　引進(jìn)美國的油淬氣冷多用真空爐的外形圖見圖1。真空爐加熱室的真空外殼是臥式圓筒形的，在臥式圓筒殼體內(nèi)固定一個長方體形的加熱室，加熱室的隔熱材料是石墨板，加熱室的上部和底部固定有數(shù)條石墨加熱元件，三排爐床支柱上各放有一條長有1.4 m 的支撐石墨條，支撐石墨條上部的燕尾槽中穿放著數(shù)十個短瓷條，短瓷條同金屬料筐的底部直接接觸。真空爐加熱室的結(jié)構(gòu)見圖2，支撐石墨條和瓷條的結(jié)構(gòu)見圖3。發(fā)生粘連時，連同鑲有數(shù)十個短瓷條的整個一條支撐石墨條帶走了。

引進(jìn)的油淬氣冷多用真空爐的外形圖

圖1 引進(jìn)的油淬氣冷多用真空爐的外形圖

真空爐加熱室結(jié)構(gòu)

圖2 真空爐加熱室結(jié)構(gòu)　圖3 支撐石墨條和瓷條結(jié)構(gòu)的參考圖

2、粘連問題的發(fā)現(xiàn)

　　美國進(jìn)口真空爐的安裝、調(diào)試歷時一個多月，在安裝、調(diào)試完畢后，便立即投入了生產(chǎn)運(yùn)行，僅20 天的時間就已運(yùn)行了十七爐，運(yùn)行狀況一直很好。為了安全運(yùn)行和維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備，在開第十八爐之前，我們降溫停爐對真空爐內(nèi)部各部位進(jìn)行全面檢查，檢查淬火區(qū)時沒有發(fā)現(xiàn)什么問題，中間隔熱門也沒有什么問題，當(dāng)打開熱區(qū)維修門后，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)：支撐工件的中間的那一條石墨條不見了，連同鑲在上面的數(shù)十個短瓷條也不見了，也沒有掉在隔熱室的爐底上，隔熱室的爐底也沒有損壞，熱區(qū)真空室的底部也沒有石墨條的痕跡。打開中間隔熱門，冷熱室貫通了也沒有找到任何痕跡。經(jīng)過真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)的專家分析認(rèn)為只有一種可能，就是在淬火時由料筐將其通過中間門帶入了淬火油中，冷卻后脫離了料筐而留在了淬火油中。立即組織人員在淬火油中尋找，最后終于在淬火油中找到了石墨條，石墨條以及鑲在它上面的瓷條都是完整的，但瓷條的整個表面已經(jīng)布滿了裂紋，瓷條的裂紋是在油中急冷造成的，說明瓷條是不能耐急冷的。石墨條是完整的，可以說明兩點(diǎn)，一可以說明石墨條是不怕油中急冷的，二可以說明料筐同瓷條的分離是在落入油中以后完成的。

3、粘連的客觀規(guī)律分析

3.1、現(xiàn)場調(diào)查

　　從油中取出石墨條后，我們對石墨條進(jìn)行了認(rèn)真的檢查，除了瓷條的整個表面已經(jīng)布滿了裂紋外，在瓷條上瓷條同料筐接觸的部位留有灰色的金屬殘跡。接著我們對料筐進(jìn)行了認(rèn)真檢查，發(fā)現(xiàn)料筐底部同瓷條接觸的部位，有嚴(yán)重的被壓入的坑痕。初步確認(rèn):在高溫加熱時,料筐同瓷條的接觸部位粘連在一起了，當(dāng)料筐從熱區(qū)轉(zhuǎn)向淬火區(qū)的時候，將瓷條連同石墨條粘起帶入了淬火區(qū)，粘連的情況還比較重，是在料筐落入油中或者在冷卻到一定溫度后才脫落的。雖然每爐都有記錄，但由于不知道是十七爐中第幾爐粘連的，是在什么條件下粘連的，原因也不好分析。在這期間我們做了如下三方面的工作：

　　由于美國真空爐不僅是我公司唯一的一臺進(jìn)口熱處理設(shè)備，而且是唯一的一臺真空熱處理設(shè)備，單一的設(shè)備也不能停臺，該設(shè)備繼續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行。但我們采取了一條措施，要求設(shè)備操作者，在每次淬火時要從前門上的觀察孔觀察，料筐從熱室轉(zhuǎn)向冷區(qū)的過程，重點(diǎn)觀察石墨條是否被粘起了。以后的兩次粘連都是通過這種方法發(fā)現(xiàn)的，也證明了我們前面的分析是正確的。同美國的真空爐公司聯(lián)系，將出現(xiàn)的問題通報(bào)給他們，要求他們盡快來人或者提出解決問題的辦法，由于料筐不是引進(jìn)設(shè)備時一起引進(jìn)的，而是從國內(nèi)廠家定做的，他們也沒有遇到這方面的問題。同國內(nèi)有油淬真空爐的單位聯(lián)系，在聯(lián)系到的單位中，都沒有出現(xiàn)過類似的問題。同國內(nèi)油淬真空爐制造廠家聯(lián)系，也沒有得到有用的信息。

3.2、客觀規(guī)律分析

　　在第一次粘連后的15 天中，每天都開爐，一直沒有發(fā)現(xiàn)粘連問題，運(yùn)行狀態(tài)一直很好。第16天發(fā)生了第二次粘連，該爐裝的是兩個FV520B材質(zhì)的DH 型葉輪，重量比較大，工序是溫度為1050℃的固溶化熱處理，該爐熱處理過程的真空度情況是這樣的，在850℃保溫臺階的真空度是10^{- 3} Pa 數(shù)量級的極限真空度，在1050℃高溫時采用的是分壓控制，真空度在1 Pa 數(shù)量級。

　　第三次粘連是在之后的第五天，該爐裝的是兩個X12Cr13 材質(zhì)的H 型葉輪，重量相對比較輕，溫度是990℃淬火工序，真空度是10^-3 Pa 數(shù)量級的極限真空度。這21 天里熱處理了十幾爐工件，發(fā)生了兩次粘連。從這十幾爐熱處理參數(shù)看，發(fā)生粘連有如下幾條規(guī)律：從溫度上看，850℃及以下的溫度的調(diào)整、時效、回火等從未發(fā)生過粘連，盡管是極限真空度;從裝爐重量上看，裝入一個葉輪從未發(fā)生過粘連，裝兩個較小的葉輪也不易粘連;從真空度上看，真空度越高越容易粘連。粘連是由熱處理溫度、真空度、重量三者共同作用造成的，其客觀規(guī)律是：溫度越高越容易粘連;真空度越高越容易粘連;裝爐重量越大越容易粘連。第二次粘連，雖然采用分壓控制、真空度不高，但溫度高且裝爐量大。第三次粘連，雖然溫度不是最高、裝爐重量也不大，但真空度高。

4、粘連原因的理論分析

　　首先我們要明確粘連的雙方是什么，都是什么材料?一方是瓷條，一方是金屬料筐。瓷條的成分如何呢?我們對其進(jìn)行了巖相分析，主晶體為剛玉晶體，屬于高鋁瓷條，幾乎接近純剛玉，抗壓強(qiáng)度和抗粘結(jié)性都比95 瓷好，從瓷條方面沒有改進(jìn)的余地了。那么料筐呢?材料為1Cr18Ni9Ti，上節(jié)我們談到溫度、真空度對粘連的影響規(guī)律是溫度越高、真空度越高越容易引起粘連，這同由金屬元素的蒸發(fā)作用所引起的粘連是很相似的，因?yàn)闇囟仍礁摺⒄婵斩仍礁�，都使金屬的蒸發(fā)越容易，蒸發(fā)的現(xiàn)象也就越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致的粘連就越嚴(yán)重。料筐材料為1Cr18Ni9Ti，可以查圖4 的常用金屬元素的蒸汽壓曲線^[²^,³^,⁴^]，我們把料筐材料中三種元素在不同蒸汽壓下的平衡溫度列在表1。從表中我們可以看出，金屬Cr 的平衡溫度最低，即Cr 的蒸汽壓最高，也就是說Cr 是最容易蒸發(fā)的一種元素，Cr 在10^-2 Pa 時的平衡溫度是992℃，第三次粘連時爐內(nèi)溫度是990℃，真空度是10^-3 Pa 數(shù)量級，這種條件是滿足金屬Cr 的蒸發(fā)條件的，可以認(rèn)為這次粘連是由蒸發(fā)作用造成的。但對于第二次粘連的情況來看，溫度1050℃的固溶處理、真空度是1 Pa 數(shù)量級，而鉻元素在1 Pa 真空度時的平衡溫度是1205℃，爐子的實(shí)際溫度遠(yuǎn)低于金屬鉻的平衡溫度，在這種條件下是不存在蒸發(fā)現(xiàn)象的，可事實(shí)上也產(chǎn)生了粘連，從這一點(diǎn)講粘連同金屬的蒸發(fā)作用沒有直接關(guān)系。另外從料筐與金屬工件從未發(fā)生過粘連的這一點(diǎn)來講，也可以認(rèn)為粘連不是蒸發(fā)作用引起的。我們認(rèn)為不能否認(rèn)蒸發(fā)作用的存在，但它不是引起料筐同瓷條粘連的主要原因。

表1 金屬元素在不同蒸汽壓下的平衡溫度

金屬元素在不同蒸汽壓下的平衡溫度

某些金屬元素的蒸氣壓曲線

圖4 某些金屬元素的蒸氣壓曲線

　　另一種現(xiàn)象必須引起我們的高度重視，就是料筐底部同瓷條接觸的部位有嚴(yán)重的被壓入的坑痕，以及瓷條同料筐接觸的部位留有灰色的金屬殘跡，這說明了料筐的高溫強(qiáng)度低。料筐的高溫強(qiáng)度低，而料筐同瓷條的接觸面積又很小，這樣工件的重量越大，接觸部位的受力就越大，料筐被壓入的坑痕就越深，從而料筐和瓷條的接觸就越緊密，粘連的結(jié)合力就越大。當(dāng)兩者接觸的特別緊密時，甚至可能存在原子間或分子間力的作用而粘連到一起，有可能存在高溫、高真空下的擴(kuò)散焊現(xiàn)象。真空擴(kuò)散焊可使傳統(tǒng)的熔焊方法難以實(shí)現(xiàn)的金屬和陶瓷焊接在一起，擴(kuò)散焊是指在一定的溫度和壓力下，被連接表面相互接觸，通過使界面局部發(fā)生微觀朔性變形而擴(kuò)大被連接表面的物理接觸，然后界面原子間經(jīng)過一定時間的相互擴(kuò)散，形成整體可靠連接的過程[1]通過以上分析，我們認(rèn)為：料筐同瓷條的粘連是由于料筐高溫強(qiáng)度低、真空度高、熱處理溫度高、相對裝爐重量大等多因素共同作用造成的。其主要原因是料筐的高溫強(qiáng)度低，產(chǎn)生了擴(kuò)散焊。

　　還有一點(diǎn)需要陳述的，就是問題出現(xiàn)后，同美國公司聯(lián)系，將出現(xiàn)的問題通報(bào)給他們，要求他們盡快來人或者提出解決問題的辦法。外商也沒有積極配合，這里有一個原因就是前面提到的，料筐不是買設(shè)備帶來的，為了省錢，料筐是我們國內(nèi)定做的。

　　料筐同瓷條的粘連問題是一個很嚴(yán)重的問題。假如石墨條被粘起后脫落在冷熱區(qū)中間隔熱門的部位，當(dāng)中間隔熱門落下后將損壞設(shè)備;在爐子處于高溫條件下中間隔熱門長時間關(guān)不上，又增加了著火和爆炸的危險(xiǎn)性。所以我們針對粘連的分析原因，立即多方面采取了措施。

5、改進(jìn)措施的設(shè)想與實(shí)施

　　為了解決粘連的問題，我們可以在溫度、真空度、裝爐量、料筐材料、瓷條材料、石墨條的固定(機(jī)械分離的辦法)、減小親和力以及其它的機(jī)械分離的辦法等多方面來想辦法。

　　熱處理的溫度是由工件的材料決定的，是不能改變的，所以從爐子溫度這方面想辦法是不行的。真空度方面，降低真空度可以大大地降低粘連的機(jī)會，但是降低真空度也是有限度的，再說1050℃用的已經(jīng)是分壓控制了。降低裝爐量是可以解決問題的，但也不是長久之策。最大裝爐量600 多公斤的爐子也不能只裝100 多公斤。在問題沒有得到根本解決之前，可以采用降低裝爐量來避免粘連。瓷條材料方面，我們已經(jīng)做了巖相分析，從瓷條方面沒有改進(jìn)的余地了。

　　所以，我們的改進(jìn)工作分兩步走，第一步的應(yīng)急措施有兩個：一是控制裝爐量，立即施行。二是更換料筐材料，換用高溫強(qiáng)度高的材料，國內(nèi)目前真空爐料筐的材料大多都是1Cr18Ni9Ti，但他們的裝爐量遠(yuǎn)比我們的少，我們的設(shè)備是國內(nèi)最大的油淬真空爐。

　　如果第一步的應(yīng)急措施解決不了問題。我們還設(shè)想了第二步的解決措施，主要有如下兩個方面：第一、石墨條固定法，將料筐的支撐石墨條同下面的支撐柱用機(jī)械的方法固定在一起，當(dāng)料筐抬起的時候，石墨條在固定力的作用下而不被粘起，將兩者的粘連分離開。

　　第二、減小親和力的辦法，可以選擇或者研制一種涂料，減小瓷條同料筐的親和力，避免粘連在一起。解決問題的根本方法是更換料筐材料，但定做料筐有一個時間問題，以上是我們在新料筐制造出來前的措施和設(shè)想。