專利名稱：一種雙室常壓淬火爐的氣體爐外循環(huán)冷卻方法及冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬金屬淬火領(lǐng)域，特別關(guān)于一種雙室常壓淬火爐的氣體爐外循環(huán)冷卻方法。
背景技術(shù)：
目前廣泛采用的氣體淬火熱工設(shè)備，除了高壓真空淬火爐之外，以雙室常壓氣體淬火爐 最為常見，這種淬火爐包括一個升溫加熱爐室和一個氣體冷卻爐室，兩個爐室之間設(shè)有一道 活動爐門。加熱爐室一般采用碳棒電阻加熱方式，在加熱過程中向爐膛中充入保護(hù)性氣體， 以避免工件表面氧化。當(dāng)工件完成加熱和保溫后，打開兩個爐室之間的爐門，使工件進(jìn)入冷 卻爐室進(jìn)行快速冷卻，冷卻介質(zhì)一般采用液氮。液氮儲藏在高壓儲氣鋼罐中，由管道引出， 在流動過程中，液氮不斷減壓、升溫，部分液氮汽化，體積迅速膨脹，壓強(qiáng)能不斷轉(zhuǎn)化為流 體的動能，使其流速持續(xù)增大，最后以液氣混合物的形態(tài)，以很大的流速通過具有一定形狀 和一定傾角的、安裝在冷卻室底部的噴嘴噴入冷卻室中，此時液氮完全氣化，它以強(qiáng)制對流 換熱的方式與工件完成熱交換，使工件的溫度迅速降低，從而完成工件的淬火，而其自身溫 度升高，隨后一部分氮?dú)馔ㄟ^安裝在爐頂?shù)膶α黠L(fēng)扇的作用，形成爐氣循環(huán)，再次參與熱交 換，其它大部分氮?dú)馔ㄟ^爐頂?shù)呐艢馔ǖ琅懦鰻t外。這種淬火爐存在的主要問題是液氮消耗 量極大，浪費(fèi)極為嚴(yán)重，大大增加了生產(chǎn)成本，并且由于工件冷卻不均勻，工件易發(fā)生變形， 其合格率相對較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為雙室常壓氣體淬火爐，提供一種氮?dú)庀牧可佟⒐ぜ鋮s速度大， 并且工件各處冷卻均勻、淬火后不會發(fā)生氧化和變形的爐外氣體循環(huán)方法及冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在滿足最大工件使用空間的前提下，盡可
能的縮小爐膛空間，工件外側(cè)與爐體之間的距離以100 150mm為宜，使冷卻氣體都能夠參與 工件進(jìn)行熱交換，完成熱交換后的高溫氮?dú)怏w采用爐外循環(huán)冷卻方式進(jìn)行冷卻。根據(jù)工件的 具體特卓和淬火爐室的具體尺寸，在兩側(cè)的爐墻和爐底上設(shè)置多點(diǎn)噴氣口，噴嘴的布置可采
用單向流動型或交變流動型，也可采用向心(噴嘴)流動型，視具體情況而定，在爐頂設(shè)置 多點(diǎn)排氣口，在每個噴嘴的前面安裝一定結(jié)構(gòu)和尺寸的拉瓦爾管，使氮?dú)饽芤猿羲倩蚪咏?音速的流速噴出，對爐內(nèi)的工件進(jìn)行冷卻淬火，吸收熱量后的高溫氮?dú)馔ㄟ^爐頂?shù)呐艢饪谂?出，而后進(jìn)入換熱器，通過水冷或氣冷換熱器將氮?dú)庵械臒崃總鬟f給換熱器中的冷卻介質(zhì)， 從而使氮?dú)庾陨淼臏囟冉档?，隨后再通過高壓離心風(fēng)機(jī)加壓，送入液氮輸出管道，參與氮?dú)?的循環(huán)，這種做法既可以使管道中的氮?dú)鉁囟冗M(jìn)一步降低，又可以使液氮汽化膨脹后的壓強(qiáng) 能轉(zhuǎn)化為氣體的動能，從而進(jìn)一步提高流速，隨后氮?dú)馔ㄟ^拉瓦爾管及噴嘴后，以超音速或 接近音速的流速噴入爐膛，再次參與工件的換熱，從而完成一個循環(huán)周期，這樣的過程循環(huán) 連續(xù)進(jìn)行，直到工件冷卻到規(guī)定溫度為止。 本發(fā)明的有益效果是
(1) 從爐膛排出的高溫氮?dú)饪梢灾貜?fù)利用，從而使液氮消耗量大幅度降低。
(2) 氮?dú)鈴膰娮靽姵鰰r，.具有超音速或接近音速的流速，從而強(qiáng)化了氮?dú)馀c工件之間的對 流換熱，因而可以更好的滿足淬火工藝的要求。
(3) 氮?dú)鈴膰娮靽姵鰰r，液氮已經(jīng)完全氣化并升到了一定的溫度，從而可以避免工件的局 部過冷，提高工件的淬火質(zhì)量。
(4) 對爐膛來說，從噴嘴噴入的氮?dú)饬髁看笥趶难h(huán)出氣口排出的流量，多出的氮?dú)庖环?面作為爐門氣體溢出及爐外循環(huán)過程中氣體損失的補(bǔ)充，可以確保爐膛的微正壓操作，另一 方面可使?fàn)t內(nèi)的循環(huán)氣體得到及時的更新。


圖1是本發(fā)明冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖中l(wèi)噴嘴，2拉瓦爾管，3工件，4排氣口， 5爐體，6換熱器，7冷卻水池，8循環(huán) 水版，9高壓離心機(jī)，IO液氮輸送管道，ll液氮儲存罐。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的雙室常壓淬火爐的氣體爐外循環(huán)冷卻方法，采用氮?dú)獯慊穑瑥拇慊馉t頂辨出的 高溫氮?dú)?，引入到爐外換熱器6內(nèi)，進(jìn)行降溫，降溫后的氮?dú)庠倥c來自液氮儲存罐ll內(nèi)的液
氮混合，混合后再參與淬火和爐外氣體循環(huán)。其中
噴嘴1入口裝有拉瓦爾管2，出口以超音速或接近音速噴出氮?dú)狻?噴出氮?dú)獾牧髁看笥趶臓t膛排出的氮?dú)饬髁浚瑺t膛內(nèi)壓強(qiáng)求于零毫米水柱。 熱交換器6內(nèi)流通的冷卻介質(zhì)是水或空氣。
如實(shí)施例一-
某公司主要生產(chǎn)各種高速鋼刀具，刀體采用Q235B普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，刀刃采用W18Cr4V 高速鋼，兩種材質(zhì)依靠釬焊結(jié)合在一起，焊料采用黃銅，焊接好的刀具需要淬火熱處理來提 高W18Cr4V高速鋼刀刃的硬度和力學(xué)性能，淬火設(shè)備采用雙爐常壓氣體淬火爐，淬火爐的 外形尺寸為6500mmX2800mmX2500mm(長X寬X高)， 一般工件3的厚度；《50mm，大部 分l《20mm，工件3放在用Q235B結(jié)構(gòu)鋼制做的托架上，每爐裝爐量約為200kg，淬火溫 度為1260°C~1280°C,改進(jìn)前每爐消耗液氮約700~800L，每年液氮費(fèi)用超過400萬元，產(chǎn)品 合格率只有92%左右。為了降低液氮消耗，提高合格率，在原有爐子的基礎(chǔ)上，采用本發(fā)明 中所述的冷卻系統(tǒng)，將噴嘴1采用單向流動型布置，在爐子的兩側(cè)爐墻上各設(shè)置4排氣體噴 口，兩排噴口在高度方向上間距300mm，每排沿長度方向上均布噴口 20個，噴口前J^l管直 徑為DN10mm，在爐子的底部設(shè)置6排氣體噴口 ，兩排噴口在高度方向上間距400mm，每排 沿長度方向上均布噴口 25個，噴口前風(fēng)管直徑為DN10mm，在每個噴嘴1前安裝拉瓦爾管2， 氮?dú)獬隹诹魉?50 300m/s,在爐頂中間布置1排排氣口 4，排氣口 4直徑為DN100mm，共 計15個，沿長度方向上均布。從爐膛排出的高溫氮?dú)獠捎米香~管間壁式換熱器6，換熱面積 約55m2，循環(huán)水泵8功率1.5kw,高壓離心風(fēng)機(jī)9功率18kw。液氮耗量降低60~70%，同時實(shí) 現(xiàn)了冷卻過程的精確控制，使由于冷卻不均，而產(chǎn)生的廢品率大為降低，合格率達(dá)到了 98% 以上。
如實(shí)施例二
某公司新上高速鋼機(jī)械刀具生產(chǎn)線，刀體采用Q235B普通碳素結(jié)構(gòu)鋼或16Mn低合金結(jié) 構(gòu)，刀頭采用W18Cr4V或W9Mo3Cr4V高速鋼，兩種材質(zhì)依靠釬焊結(jié)合在一起，焊料采用 黃銅，焊接好的刀具需要淬火熱處理來提高高速鋼刀刃的硬度和力學(xué)性能，其淬火設(shè)備采用
雙爐常壓氣體淬火爐，淬火爐的外形尺寸為6000mmX2500mmX2000mm(長X寬X高)，工件 3放在用Q235B結(jié)構(gòu)鋼制做的托架上，每爐裝爐量約為150kg，淬火溫度為1240'C 1 8(TC， 在設(shè)計中采用本發(fā)明中所述的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的冷卻室頂?shù)牡獨(dú)獬隹谂c熱交換器相 連，熱交換器出口與液氮儲存罐ll出口管并聯(lián)，其并聯(lián)后的總管再與冷卻室上的拉瓦爾管2 進(jìn)風(fēng)口相連，拉瓦爾管2出口與噴嘴1相連，組成氣體循環(huán)冷卻系統(tǒng)；熱交換器內(nèi)的換熱管 入口與水泵或風(fēng)機(jī)相連，水泵入口和換熱管出口與水池相連，風(fēng)機(jī)入口置于大氣中，組成循 環(huán)冷卻系統(tǒng)；液氮儲存罐ll與并聯(lián)總管相連組成介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)。其中采用單向流動型布置噴 嘴l，在爐子的兩側(cè)爐墻上各設(shè)置4排氣體噴口，兩排噴口在高度方向上間距280mm，每排 沿長度方向上均布噴口 18個，噴口前風(fēng)管直徑為DN10mm，在爐子的底部設(shè)置6排氣體噴 口，兩排噴口在高度方向上間距380mm，每排沿長度方向上均布噴口 20個，噴口前風(fēng)管直 徑為DN10mm，在每個噴嘴1前安裝拉瓦爾管2，氮?dú)獬隹诹魉?00 250m/s，在爐頂中間 布置1排排氣口 4，排氣口 4直徑為DN100mm，共計12個，沿長度方向上均布。從爐膛排 出的高溫氮?dú)獠捎米香~管間壁式換熱器6，換熱面積約45m2，循環(huán)水泵8功率1.2kw,高壓離 心風(fēng)機(jī)9功率15kw，投產(chǎn)后，每爐消耗液氮約100~120L,與同類型的其它傳統(tǒng)雙爐常壓氣體 淬火爐相比，液氮消耗量降低70~75%，產(chǎn)品合格率達(dá)到了 98.5%。
權(quán)利要求
1、一種雙室常壓淬火爐的氣體爐外循環(huán)冷卻方法，采用氮?dú)獯慊?，其特征是從淬火爐頂排出的高溫氮?dú)?，引入到爐外換熱器內(nèi)，進(jìn)行降溫，降溫后的氮?dú)庠倥c來自液氮儲存罐內(nèi)的液氮混合，混合后再參與淬火和爐外氣體循環(huán)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙室常壓淬火爐的氣體循環(huán)冷卻方法，其特征在于所說的 噴嘴入口裝有拉瓦爾管，出口以超音速或接近音速噴出氮?dú)狻?br> 3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙室常壓淬火爐的氣體循環(huán)冷卻方法，其特征在于所說的 噴出氮?dú)猓淞髁看笥趶臓t膛排出的氮?dú)饬髁?，爐膛內(nèi)壓強(qiáng)大于零毫米水柱。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙室常壓淬火爐的氣體循環(huán)冷卻方法，其特征在于所說的 熱交換器，其內(nèi)流通的冷卻介質(zhì)是水或空氣。
5、 一種實(shí)施權(quán)利要求1的冷卻系統(tǒng)，包括雙室常壓淬火爐，其特征是冷卻室頂?shù)牡獨(dú)獬?口與熱交換器相連，熱交換器出口與液氮儲存罐出口管并聯(lián)，其并聯(lián)后的總管再與冷卻室上 的拉瓦爾管進(jìn)風(fēng)口相連，拉瓦爾管出口與噴嘴相連，組成氣體循環(huán)冷卻系統(tǒng)；熱交換器內(nèi)的 換熱管入口與水泵或風(fēng)機(jī)相連，水泵入口和換熱管出口與水池相連，風(fēng)機(jī)入口置于大氣中， 組成循環(huán)冷卻系統(tǒng)；液氮儲存罐與并聯(lián)總管相連組成介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)。
全文摘要
一種雙室常壓淬火爐的氣體爐外循環(huán)冷卻方法及冷卻系統(tǒng)，屬金屬淬火領(lǐng)域，針對現(xiàn)有技術(shù)浪費(fèi)氮?dú)獾谋撞?，提供從淬火爐頂排出的高溫氮?dú)猓氲綘t外換熱器內(nèi)，進(jìn)行降溫，降溫后的氮?dú)庠倥c來自液氮儲存罐內(nèi)的液氮混合，混合后再參與淬火和爐外氣體循環(huán)；實(shí)施此方法的系統(tǒng)是冷卻室頂?shù)牡獨(dú)獬隹谂c熱交換器相連，熱交換器出口與液氮儲存罐出口管并聯(lián)，其并聯(lián)后的總管再與冷卻室上的拉瓦爾管進(jìn)風(fēng)口相連，拉瓦爾管出口與噴嘴相連，組成氣體循環(huán)冷卻系統(tǒng)；熱交換器內(nèi)的換熱管入口與水泵或風(fēng)機(jī)相連，水泵入口和換熱管出口與水池相連，風(fēng)機(jī)入口置于大氣中，組成循環(huán)冷卻系統(tǒng)；液氮儲存罐與并聯(lián)總管相連組成介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)節(jié)省氮?dú)?，淬火質(zhì)量高。
文檔編號C21D1/62GK101182593SQ20071015876
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者馮明杰, 王春花, 陳文仲 申請人:東北大學(xué)