轮毂和轮轴工厂（WAP）是印度钢铁管理局（SAIL）旗下杜尔加布尔钢厂的一个专业生产单元，为印度铁路公司生产轮毂和轮轴。WAP制造用于机车、客车和货车的锻造和机械加工的铁路轮毂。轮毂是通过轧制轮辋坯生产而成，而车轴则是通过锻造轮辋坯生产而成。一旦成型，这两种产品都要进行热处理和机械加工。为了便于生产，轮毂和轮轴部件分别放于不同分隔间中，经过质量检测后再进行组装。

生产轮毂时，将钢材熔炼车间制造的特钢铸锭和连铸圆坯，经过修整后用带锯和圆锯切割成较小的圆柱形块，称为“坯料”，然后将其在转底炉（A炉）中加热6-7h。加热后的坯料除鳞后送入锻造和冲压机。在轮毂锻造区，坯料被锻造成轮毂形状，并在中间打孔。锻造好的轮毂坯料在间歇式加热炉（B炉）中进行处理，然后在多辊轧机上进行轧制，使轮毂具有所需的轮廓和大致尺寸。轧制完成后，轮毂进入轮辐压弯机，在此获得型面。然后进入打标机，在前轮辋面上打上标签号、生产年份和批号，以便进行跟踪。

轮毂随即在四个转底式热处理炉（C1、C2、C3和C4）中的一个进行热处理。每个炉都单独控制，并使用焦炉煤气作为燃料。根据工厂物流需要，其中两个炉（C1和C4）用于轮毂喷塑/硬化，另外两个炉（C2和C3）用于硬化和回火。热处理炉由装料车进行装载，每个装料车装载一对轮毂，根据可用情况，每次在两个热处理炉中的任何一个热处理炉中装入一个轮毂，被加热并保温一段时间，以达到均匀的温度。达到所需的均匀温度后，轮毂被卸下，放在轮辋喷塑机上，在规定的时间内用冷水对轮辋进行喷塑淬火。淬火后的轮毂在两个回火炉（C2 和C3）中的一个再次加热，以改变淬火后的微观组织并消除应力。随即通过CNC/VTL机床，对每个轮毂的轮辋面、法兰面、轮辋混合面和卡盘进行尺寸加工。最后，在发货前由印度铁路公司质检机构进行测试。

精密加热淬火

为了达到轮毂的最终尺寸，需要经过反复的机械变形，如锻造、轧制以及在A炉和B炉中反复加热/冷却，这使得轮毂的主要力学性能下降，需要通过淬火和回火进一步热处理来矫正，从而生产出更坚硬的轮辋和更坚韧的轮芯。通过防止轮毂冷却后产生高内应力，可以防止翘曲。因此，热处理炉（C1、C2、C3和 C4）的精确温度控制对于理想的力学性能至关重要。

用于轮辋喷塑/硬化的两个热处理炉（C1和C4）的加热控制最为重要，因为要使轮辋在整个圆周上均匀硬化，必须保持正确的温度。如果无法达到这一点，将会直接造成轮毂报废。因此，C1和C4炉采用了改进的数字控制系统，从而实现精确的炉温加热。

在这个阶段，在炉内保持正确的温度对均匀的力学性能至关重要。这些加热炉有两个温度区：加热区和均热处理区。每个区域的温度需要分别保持在接近920℃和880℃，进而实现780-840℃的最终轮毂温度。所需的设定温度和最终轮毂温度取决于被加热的轮毂类型，是用于机车还是客车；在炉内的停留时间也取决于轮毂类型，图1显示了炉内的典型热力学状态图。

事实上，仅靠单独控制气体和空气流量无法达到温度控制的精度要求，因此需要采用更复杂的、具有滞后控制功能的级联气体-空气比例控制概念。这种控制是通过使用程序加热来实现的，即由三个专用的PID控制器来设定每个区域的温度。专用控制器包括：i）温度控制器、ii）气体流量控制器和iii）空气流量控制器。

操作员输入所需的温度设定点和空气/气体比例，控制器根据设定点（SP）和热电偶实际温度测量值（即温度过程值（PV））之间的差值，决定相应气体和空气阀门的开启比例。控制器可自动调节，以满足设定的空气/气体比例和前置/滞后时间的要求，从而实现最佳的气体使用。考虑到焦炉煤气是一种稀缺能源，因此，利用这种控制理念，可以实现加热的精确控制和焦炉煤气的最佳消耗。

自动化系统

在C1和C4炉上安装的新控制系统能够通过级联空气/气体比例控制实现加热区和均热区的自动温度控制。该系统通过级联空气/气体比率，对炉内各区域的空气和气体流量进行控制。此外，控制系统还能控制和监测炉压和助燃空气压力，以及炉压、进气和燃气压力和其他相关工艺参数，并引入了孔板、控制阀和执行器等现场设备。监测的工艺参数包括温度、压力、空气/气体流量等。采用热电偶传送温度值、压力变送器和差压变送器。PLC系统能够处理C1和C4炉的所有功能，包括热处理炉的各种安全电路。

为确保工厂不间断运行，所选的PLC系统具有高可用性、容错性和双冗余配置，包括处理器、电源、通信和网络，现场仪表通过各种模拟和数字输入/输出卡与系统相连。过程输入/输出通过冗余确定性网络与处理器相连。

用户友好型人机界面（HMI）使工厂操作员能够有效监控热处理炉，还为操作员提供信息丰富的图形、历史趋势、警报等。人机界面由两台相同的工业级PC 通过双以太网与PLC相连。人机界面的基本目的是方便操作员控制C1和C4炉的温度。人机界面还显示一个图形用户界面（GUI）屏幕，用于监控各种炉参数，为操作员提供所有热处理炉参数的实时值。

目前C1和C4热处理炉的加热是通过新的PLC和仪表系统控制的。C1和 C4热处理炉各种参数的集中PLC控制系统大大提高了工艺控制效率。所有重要的工艺参数，如区域温度、燃料气体和空气流量、气体和空气压力以及炉内压力，现在都可以通过一个窗口看到。此外，热处理炉区域温度的级联控制消除了操作员对这些控制的人工干预，从而提高了温度控制的准确性和有效性。

基于PLC的数字控制使设定温度的精确度达到了±（5-10℃）。这样的温度控制精度对于实现轮毂外围硬度至关重要，因为轮毂外围硬度的任何变化都会导致报废。对每个轮毂进行均匀加热，然后冷却，可产生所需的微观组织，主要为细小的珠光体，并含有细小分散的铁素体，有助于在轮毂钢中形成细小的晶粒尺寸（ASTM 6-7）。因此，目前PLC数字温度控制在实现轮毂理想物理性能方面发挥着至关重要的作用，使废品率明显降低约25%。