淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻

一、淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻系統(tǒng)的設(shè)計原則 

工件淬火冷卻系統(tǒng)的技術(shù)性能，主要指工件在加熱后，在冷卻系統(tǒng)中經(jīng)快速冷卻而使工件獲得要求的組織和力學(xué)性能，防止淬火裂紋及控制淬火變形的能力。通常認(rèn)為，選擇適當(dāng)冷卻性能的淬火介質(zhì)或者調(diào)整淬火工藝可以滿足這些要求。但實(shí)際上，由于大型工件在制造材料、工件形狀、尺寸等相關(guān)方面的不確定性，依靠更換淬火介質(zhì)或調(diào)整淬火工藝來滿足不同要求則很難實(shí)現(xiàn)，但卻可以通過配備合理、可控的攪拌器和攪拌方式來解決。經(jīng)濟(jì)性能包括設(shè)備投資成本和生產(chǎn)運(yùn)行成本兩個方面，應(yīng)通過合理的材料利用和優(yōu)化系統(tǒng)配置獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效果。 

冷卻系統(tǒng)的安全性，包括槽體強(qiáng)度、安裝位置及地面以上高度、自動滅火單元的可靠性、淬火油溫度控制及含水量在線測控等。槽體強(qiáng)度可使用NSYS 分析軟件進(jìn)行有限元計算。分析步驟分為模型建立、網(wǎng)格劃分、變形云圖、應(yīng)力云圖和分析結(jié)論五個部分。

通過有限元分析，只要選擇適當(dāng)?shù)陌踩�裕量，即可以獲得合理的設(shè)計結(jié)果。槽體安裝時的地面以上高度，應(yīng)按《機(jī)械制造企業(yè)安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化考核評級標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。熱處理是一個高耗能工序，但同時也具有較大的節(jié)能空間。從冷卻系統(tǒng)設(shè)計的角度，則應(yīng)從盡量減小裝機(jī)容量、避免能源多次轉(zhuǎn)換造成的損失、采用新型換熱器、根據(jù)工藝要求自動切換耗能設(shè)備、降低淬火介質(zhì)配備比例等方面來體現(xiàn)出節(jié)能效果。 

熱處理污染源主要表現(xiàn)在淬火油煙、淬火油或具有污染性質(zhì)淬火介質(zhì)排放及滴漏、設(shè)備運(yùn)行噪聲三個方面。從設(shè)計和制造的角度，控制污染是不能截然分開的，如選擇低噪聲輔機(jī)、可靠的焊接質(zhì)量、有效的油溫控制，以減少油煙生成，以及排量、負(fù)壓足夠的引風(fēng)機(jī)和油煙凈化器等。需要重點(diǎn)指出的是，排煙管的吸煙口都設(shè)置在淬火槽上口，工作時很容易將明火吸入排煙管道點(diǎn)燃管道中的油垢，進(jìn)而造成嚴(yán)重后果。因此，在這一點(diǎn)上必須考慮自動滅火問題。自動控制是保證實(shí)現(xiàn)上述各項(xiàng)功能的必要條件，但由于工程造價等因素的限制，也有手動/ 自動相結(jié)合的半自動控制設(shè)計。這種設(shè)計除滅火和淬火介質(zhì)溫度控制外，其余功能則采用手動控制。 

二、淬火冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成 

淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻系統(tǒng)主要由淬火槽、儲油槽、淬火介質(zhì)及其溫度控制、自動滅火、油煙凈化、管路管件及輸送泵、載料臺及機(jī)械雜質(zhì)收集清理、系統(tǒng)控制等八個單元組成 。 

三、攪拌器的選擇 

選擇合理的淬火槽攪拌方式是大型工件淬火冷卻系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容之一，其目的是獲得合適的液流速度( 即淬火介質(zhì)與工件之間的相對運(yùn)動速度) 、液流形態(tài)和紊流區(qū)位置。常用的攪拌方式有壓縮空氣攪拌、循環(huán)射流攪拌和螺旋槳攪拌。選擇攪拌方式時，必須遵循的原則是： 淬火介質(zhì)的流動方向應(yīng)以垂直流動為主，避免形成水平方向流動。這對軸類或帶有內(nèi)孔的其他形狀工件的均勻冷卻非常關(guān)鍵。 

我們知道，淬火介質(zhì)的流動速度對其冷卻能力的影響是不容忽視的。表1 列出各種淬火介質(zhì)在不同程度攪拌下的冷卻強(qiáng)度( H) 值。 

普通礦物油在激烈攪拌情況下，H 值達(dá)到了靜止水的冷卻速度，是其靜止?fàn)顟B(tài)冷卻能力的3 倍。由此可知，合理選擇冷卻系統(tǒng)的攪拌形式和攪拌強(qiáng)度，可以在同一淬火介質(zhì)中獲得不同的冷卻性能，進(jìn)而滿足不同工件的冷卻要求。 

壓縮空氣攪拌的投資最小，通過噴嘴和噴射壓力的適當(dāng)配置也可以得到合適的液流速度、液流形態(tài)和紊流區(qū)位置。缺點(diǎn)是形成淬火介質(zhì)和空氣混合，不僅將造成工件冷卻的不均勻，加快淬火介質(zhì)( 尤其是淬火油) 的氧化速度，同時容易帶進(jìn)水分。因此，在使用淬火油的淬火冷卻系統(tǒng)中應(yīng)該慎用。 

循環(huán)射流攪拌多應(yīng)用于深井式淬火槽，是采用較多的攪拌形式之一，射流動力可以從循環(huán)冷卻泵獲得。但由于要求噴射壓力較高，為避免對整個系統(tǒng)設(shè)計造成大的影響，在較深的淬火槽中，需要形成多級接力式攪拌，同時配合增壓噴嘴。這種攪拌形式的缺點(diǎn)是受到流量的限制，攪拌強(qiáng)度較低，難以得到強(qiáng)烈攪拌的效果。 

螺旋槳攪拌是工藝性能最好的攪拌方式，在相同的裝機(jī)容量情況下，其流量可達(dá)射流攪拌的十倍以上，配以導(dǎo)流筒和分配導(dǎo)向板，其液流形態(tài)和紊流區(qū)都可以得到很好的控制。不同直徑螺旋槳和不同的安裝方式，消耗功率也是不同的。其對應(yīng)關(guān)系如表2 ( 轉(zhuǎn)速=420r/ min) 所示。從節(jié)約能源的角度出發(fā)，采用頂插式高效機(jī)翼型螺旋槳，是設(shè)計時的首選方案。為獲得盡可能多的攪拌級數(shù)，攪拌器還應(yīng)該可以變頻調(diào)速。 

四、淬火油及其溫度控制 

在淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻中，淬火油仍然是使用最多的淬火介質(zhì)，而且多數(shù)采用冷油淬火油，使用溫度在20 ～80 ℃之間。淬火油使用過程中的溫升，可按下式計算： 

淬火油的實(shí)際配備數(shù)量，按照系統(tǒng)一次性最大淬入工件質(zhì)量和淬火周期計算，一般按照8∶1 的比例配備。如果采用高效的冷卻設(shè)備，這一比例則可降至7∶1 ，而在系統(tǒng)設(shè)計合理的前提下，甚至可以降到6∶1 。設(shè)計時，可根據(jù)淬火油的配備比例，計算出冷卻器的換熱能力。淬火介質(zhì)冷卻器種類很多，主要有板式、列管式、蛇管式、復(fù)波傘式、普通空冷式和真空熱管風(fēng)冷式等。按冷卻方式則可以分為水冷式和空冷式兩大類�？傮w上說來，水冷式的冷卻效率較高，但缺點(diǎn)也很明顯。首先，由于冷卻水的溫度需要控制，因而必須建立足夠大的冷卻水池，或采用冷卻塔進(jìn)行二次換熱，加大了投資成本和占地面積; 其次，存在油/ 水互混的潛在危險，可能造成很嚴(yán)重的后果，如工件淬裂、變形增大、水溫升高汽化使淬火油溢出發(fā)生火災(zāi)等。近年來出現(xiàn)的真空熱管風(fēng)冷式換熱器是一種比較理想的冷卻器。這種換熱器利用液/ 汽相變原理，采用真空熱管作為熱量傳遞媒介，極大地提高了換熱效率。實(shí)踐證明，利用真空熱管風(fēng)冷式換熱器控制淬火油溫度非常可靠; 同時，其冷卻能力與電能消耗的比率僅為100 ： 5 左右，節(jié)能效果十分明顯。在多個淬火槽配備同一種淬火油的系統(tǒng)時，應(yīng)采用集中冷卻的方式，這也有利于優(yōu)化整個系統(tǒng)配置。為了避免淬火油中的機(jī)械雜質(zhì)堵塞冷卻器，在循環(huán)油泵出口和冷卻器入口之間應(yīng)加裝過濾器。 

五、自動滅火 

自動滅火在技術(shù)上不難實(shí)現(xiàn)，但其重要性卻是不容忽視的。生產(chǎn)實(shí)踐中，大型工件在入油時產(chǎn)生瞬間明火( 稱為閃燃) 是難以避免的，但這種明火維持的時間很短，一般不會超過10s ，在工件全部進(jìn)入淬火油后即可息滅。 

淬火油發(fā)生火災(zāi)需要三個基本條件： 油溫超過其閃點(diǎn)并達(dá)到燃點(diǎn); 有明火; 存在空氣或其他含氧的物質(zhì)。既然明火難以消除，淬火油的自動滅火系統(tǒng)就需要在監(jiān)測油溫和隔絕空氣上做文章。自動滅火是通過適時噴射滅火氣體或其他滅火劑來實(shí)現(xiàn)的。由于大型工件熱處理車間都備有氮?dú)�，較為便捷的方法是將氮?dú)? 沒有氮?dú)鈺r則可是干粉或其他滅火劑) 管路送到淬火槽附近，在其出口處加裝串聯(lián)電磁閥，其中一臺通過溫度傳感器提供的溫度信號控制，另一臺由火焰探測器提供的火焰信號控制。這樣既可保證滅火系統(tǒng)的可靠性，又可以有效避免在閃燃階段噴射滅火劑造成浪費(fèi)。淬火油發(fā)生火災(zāi)時，可能出現(xiàn)電源切斷的情況，因此電磁閥需要配備不間斷電源或旁路手動閥門，以保證系統(tǒng)在停電時仍可正常工作。 

六、結(jié)語 

淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，需要熱處理工程、機(jī)械工程和自動控制三個方面的專業(yè)知識。整合這些專業(yè)知識并配合先進(jìn)的設(shè)計理念，才能使系統(tǒng)設(shè)計滿足生產(chǎn)需要，達(dá)到性能可靠、安全、節(jié)能和環(huán)保的目的。