第9章 热处理冷却设备.docx
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第9章热处理冷却设备
第9章冷却设备及辅助设备
冷却设备包括淬火、缓冷、淬火校正、淬火成型和冷处理等操作所用的各种主要设备。
本章仅介绍常用的淬火设备的结构原理和基本设计计算步骤。
9.1淬火槽
一、非机械化淬火槽的基本结构
淬火槽一般由槽体、介质供入和排出管、溢流槽等部分组成，较复杂的还另设有加热，冷却、搅拌和排烟防火等装置。
常用淬火槽的截面形状根据淬火件或夹具的形状尺寸确定，有长方形。
圆形或正方形。
在槽体上口边缘设有溢流槽，以容纳从槽内上浮溢流的热介质。
为使淬火介质在整个淬火槽内均匀流动，溢流槽最好分布在四周，生产上为简化结构，常设在后侧或左右侧。
在溢流槽下部设有介质排出管。
介质供入管设在槽底部侧壁上，有的伸入到槽内。
供入管距槽底有一定距离（100~200mm），以免搅动槽底沉积的污物，在槽底下还设有事故排油管。
图9-1为置换冷却式淬火槽。
为提高淬火油或硝盐的流动性改善其冷却能力，或保持一定温度进行等温淬火和分级淬火，需设置淬火介质加热装置，常用的有管状电热元件或管状蒸气加热元件。
连续工作的淬火槽，应设有适当的冷却装置，以便将被淬火工件加热了的淬火介质冷却到原来工作温度。
自然冷却的效果很小，安放在地面上的淬火槽，介质冷却速度不超过3~5C/h；安放在地坑中的淬火槽，则仅约1~2C/h。
在淬火槽内四周或两侧装有蛇形管，连续通入冷却水来冷却淬火介质，有较好的效果，适用于中，小型淬火槽。
连续供入适宜温度的冷油来置换槽内的热油有最好的冷却效果，常需配备一套介质冷却系统。
搅拌淬火介质可提高介质运动速度，控制介质运动方向，使槽内介质温度均匀，并可冲破工件表面上的气泡，避免形成软点，还可防止淬火油过热变质，延长使用寿命。
淬火介质搅拌方法有螺旋桨搅动法和泵喷射法。
螺旋桨搅动法可使介质在槽内形成较强的对流，功率消耗较小，但槽内常需安设导向板，结构较复杂。
图9-2即为一螺旋桨搅拌式淬火槽。
泵喷射法可定向喷射淬火介质，便于选择喷射位置和调整搅拌程度，但喷射流会吸入空气，影响介质冷却性能。
图9-3即为一泵喷射式淬火槽。
为使工件的局部或孔洞部位冷却，可采用引导淬火介质流过或喷射到工件淬火部位的淬火装置。
图9-4为引导介质通过工件内孔的这类装置，图9-4a将自来水直接引到工件内孔冷却，图9-4b则使介质喷射到淬火部位，有较大的冷却效果。
这类装置常用于以水或水溶液作淬火介质时。
图9-5示一大型齿轮喷水冷却装置，喷水水温4~60C，喷水自由高度25~500mm，喷水口至冷却面距离6~18mm，喷水孔直径3~15mm，可在此范围内变动，但对淬火件的硬度无大影响。
工作台以30r/min的速度旋转。
二、机械化淬火槽
机械化淬火槽都安装有提升或运送工件的机械化装置，可进行机械化自动
化操作。
1.周期作业机械化淬火槽
周期作业机械化淬火槽的构造，与非机械化淬火槽相似，只是另设有提升工件的机械化装置有以下几种：
1）悬臂式提升机淬火槽
图9-6示一种悬臂式气动升降台提升机的淬火槽。
利用（3~6）105Pa的压缩空气作动力。
工作时利用车间起重机将工件起吊到升降淬火台4上，由提升气缸1通过活塞杆2使其沉入淬火液中淬火。
支架3起导向作用，冷却完毕后，再由气缸提起淬火台进行出料。
2）料斗式提升机淬火槽
图9-7为料斗式机械提升机淬火槽示意图。
提升机的主要构件是接料料斗和丝杠提升机构。
其动作原理是，由电动机5带动螺母6转动，由丝杠4将料斗沿支架9提升到液面以上。
由于支架的限位，迫使料斗翻转，将工件倒出。
3）连杆式升降机淬火槽
图9-8示一种连杆升降机淬火槽。
其升降机以液压作动力，借液压缸7推动齿条6，通过连杆机构3使托板2连同工件上下运动。
4）链条式升降机淬火槽
图9-9示一种链条式滑动升降机淬火槽，其提升机的动作原理是依靠链条1拖动托架3沿倾斜滑道2作上下运动。
2.连续作业机械化淬火槽
这种淬火槽中设有输送带等连续作业的机械化升降运送装置，常与连续作业炉配用。
1）输送带式淬火槽
图9-10为一输送带式淬火槽。
在长方形淬火槽内，安装一运送工件的输送带，输送带分为水平和提升两部分。
工件由炉内经落料装置自动落到淬火槽输送带上。
工件主要是在水平部分上冷却，然后由提升部分运送，最终送出淬火槽。
输送带运动速度可以调节，根据工件需要的冷却时间选定。
常用输送带的宽度为300~800mm，倾斜角度为30~45。
一般在输送带上焊一些钢筋或做成横向挡板，以防工件下滑。
2）螺旋输送式淬火槽
图9-11为螺旋输送式淬火槽的结构示意图。
这种淬火槽是使用滚筒式螺旋输送器4连续推进工件。
工件经落料筒1和装料斗5连续进入输送器。
输送器外壳为一圆筒，可在支架6上滚动，凭借筒内壁上的螺旋叶片向上运送工件，同时进行冷却，最后工件经料斗7出料。
输送器是由电动机9经减速器8和三角皮带驱动。
淬火槽2中还安有管状电热元件3。
3）液流提升式淬火槽
图9-12为液流提升式淬火槽示意图。
这种淬火槽是利用液压流运送工件，其动作过程是由液压泵4向淬火管道喷入淬火介质。
当淬火件落入料斗1中，下行到淬火管道的弯管口2处时，被高速的淬火介质冲击，卷入介质中淬火，然后随同淬火介质一起被输送入贮料斗3内。
这种提升装置特别适于钟表、仪表等的小零件成批淬火之用。
4）曲柄连杆升降、转位式淬火槽
图9-13为一种曲柄连杆升降、转位式淬火槽的动作原理图。
汽缸6推动齿条5，通过齿轮带动两对连杆机构2。
三、淬火槽设计
淬火槽设计的基本步骤是根据工件的材料、形状、尺寸，重量和技术要求，淬火槽的作业方式，生产率和投料批量等，先确定淬火介质种类和需要量，然后确定淬火槽的形状，尺寸、介质冷却装置和机械化装置，并选择各种附属设备。
1.周期作业淬火槽设计
1）淬火介质需要量（按体积计）
淬火槽内淬火介质的最小需要量可按下式计算，即：
式中，M为一次同时淬火的工件重量（kg）；c1为工件比热容（kJ／（kg℃））；TQ为工件的淬火温度（℃）；T1为工件从淬火槽提出的温度（℃）；为淬火介质密度（kg／m3）；c2为淬火介质的比热容（kJ／（kg℃））；t为淬火介质容许的温升（℃）。
对油（在60~80℃时），＝870kg／m3，c2＝1.80（kJ／（kg℃）），t＝20℃；对水，t＝10℃。
图9-14示淬火介质温升与介质需要量的关系。
从图中可以看出，每1kg淬火工件使水温升10C时，所需水量约0.009m3，使油温升20C时，所需油量约0.011m3。
因此，实际上油的需要量一般比水多20~30％。
由于各类淬火槽的冷却方法不同，所需淬火介质量也有区别。
通常，置换冷却的淬火槽，淬火介质的容量等于同时淬火工件重量的3~7倍；蛇形管冷却的淬火糟，采用7~12倍；自然冷却的淬火槽，采用12~15倍（两次淬火之间的时间须5~12h）。
经验证明淬火介质的实际需要量常取上限。
2）淬火槽尺寸
淬火槽的有效容积除所需的介质容量外，还需计入一次淬火工件的体积和介质热膨胀量。
对置换式淬火槽，后两者可作为溢流槽的体积。
淬火槽高度是工件长度、工件上下运动距离、工件至槽底和液面的距离、工件浸入介质和介质热膨胀引起的液面上升高度以及液面至槽上缘距离的诸项总和。
对置换式淬火槽还应设计进、排油管的尺寸，应能在两次淬火时间间隔内将加热介质全部排出，并同时供入相同体积适宜温度的冷介质。
从溢流槽排出的介质，常靠自然排出，其排出速度vd＝0.2~0.3m/s。
通常采用离心泵供水和水溶液，其供水速度vs＝0.5~1.0m/s。
采用齿轮泵供油，其供油速度vs'＝1~2m/s。
根据置换介质量和供排速度，即可计算出供、排管的尺寸。
一般淬火槽的供入管尺寸为19~25mm（3/4~1"），排出管50~76mm（2~3"）。
事故排油管应能在较短的时间内（一般取5~8min）将淬火槽内的油全部排出至安全油箱。
3）搅拌器设置
淬火介质的搅拌速度，应足以使介质形成紊流，雷诺数应达4000以上，但流速过大会增大动力消耗，且易混入空气，一般不宜大于1m/s。
要使直径25mm温度900℃的工件在60℃的油中经1min冷却到接近油温，对周期作业淬火槽，其油的搅拌量应为槽容积的2~3倍；对连续作业淬火槽，每小时处理1kg工件油的搅拌量约为0.002~0.004m3。
槽内螺璇桨转速，一般在100~450r/min范围内，超过450r/min，就可能混入空气。
用泵喷射介质时，泵的压力以200~300Pa为宜。
螺旋桨的规格应根据淬火槽容量和搅拌速度选择，表9-1列举了螺旋桨搅拌所需的功率数。
螺旋桨的规格与功率的关系列于表9-2中。
表9-1螺旋浆搅拌所需功率*
淬火槽内介质容量/m3
每m3介质所需功率/kW
水、盐水
油
0.2～0.3
0.6
0.75
0.3～0.8
0.6
0.9
0.8～1.2
0.75
0.9
>1.2
0.75
1.05
*流速为0.25m/s
表9-2螺旋浆直径与功率的关系**
可移动式（从上方插入）
固定式（从侧面插入）
功率/kW
螺旋浆直径/mm
功率/kW
螺旋浆直径/mm
0.19
200
0.74
300
0.25
250
1.41
350
0.56
300
2.20
400
1.10
350
3.68
450
2.20
400
5.51
500
**螺旋浆有三翼，转速420r/min。
2.连续作业淬火槽设计
连续作业淬火槽因需要安设机械装置，尺寸较大，故一般无需进行热平衡计算，而是先确定机械装置的结构和尺寸，最后再确定淬火槽的尺寸。
输送带宽度应略大于炉底或炉子输送宽度。
输送带长度分为水平长度和提升长度两部分。
水平长度决定于工件在介质中的冷却时间。
欲减少水平长度即需降低输送带运行速度。
输送带提升部分的长度主要决定于工件提升的高度和输送带的倾斜角。
当输送带无挡板时，倾斜角应小于工件自行滑下曲角度，一般应小于35，有挡板时可适当加大。
输送带的运行速度一般为炉内输送带运行速度的2~3倍，以保证淬火工件均匀冷却，提高淬火介质的冷却速度。
输送带轮直径，一般等于0.2~0.5m，通常以绘图方法确定输送带和淬火槽尺寸。
输送带式淬火槽的搅拌器常安在输送带倾斜上升部分的上侧，并与其平行，有时也安在落料口的侧面。
9.2淬火介质冷却系统
淬火介质冷却系统用于冷却从淬火槽中被置换出来的热淬火介质，经冷却和过滤后重新送回淬火槽继续使用。
图9-15为一油冷却系统图，供几个淬火槽集中使用。
一、集液槽
集液槽用钢板、型钢焊成长方形或圆形的槽子，也有的采用水泥糟。
通常，集液槽分成两部分，中间用一钢板隔开，集液槽的作用是热介质在其中储存，并进行自然冷却，并沉淀除去部分夹带的杂质。
集液槽的体积应大于全部淬火槽及冷却系统中淬火介质容量的总和。
使用冷却油时，应比全系统介质容量大30~40％，冷却水溶液应大20~30％。
二、过滤器
过滤器安装在集油糟与泵之间，其作用是除去介质中的氧化皮、盐渣、尘土及其它固体污物等。
一般冷却系统中，常采用并联的两个过滤器，其中一个工作，另一个进行清理。
常用的过滤器是网式的。
三、泵
在淬火介质冷却系统中所用的泵主要是齿轮泵和离心泵。
供油时大都采用齿轮泵，供水及水溶液时大都采用离心泵。
选择泵时，应根据介质种类、要求的生产力、工作压力或吸程及扬程决定。
常用工作压力2.5~3.5×105Pa，泵的流量应有储备能力。
为介质容量的1.5~2.5倍。
四、淬火介质冷却器
淬火介质冷却器的作用是用冷却水来冷却由淬火槽流出的热介质。
常用的油冷却器主要有列管式和套管式等。
列管式冷却器也叫做塔式冷却器，已有定型产品，其结构如图9-16所示。
整个冷却器为一两端具有双层底的钢制圆筒，圆筒内有许多平行圆筒轴线安装的铜管，其端部插在管板1的孔眼中。
热油由进油口流入，受隔板2阻挡，流入冷却器左半部的冷却管中，流至底部后又折回向上流入右半部管中，最后由排油口排出。
冷水由进水口流进冷却器，受折流隔板3作用作曲折流动。
同时与热油进行热交换，最后经排水口流出。
有的工厂直接利用油槽自然冷却淬火介质。
这种油槽常兼作集油槽、储油槽和事故油槽之用，容积一般都很大，有的达30吨甚至50吨以上。
冷却器的冷却面积，即热交换面积可按下式计算
式中，Q为热交换量（J／h），为冷却器综合换热系数；介为介质对管壁的对流换热系数，水为管壁对冷却水的对流换热系数；和分别为管壁厚度（m）和热导率（J／（mh℃）），tr为淬火介质和冷却水的对数平均温差（℃）（参见式2-5）。
综合换热系数主要决定于介，管壁的污垢也有很大影响。
在工程计算中常根据油、水的流速和油的恩氏粘度（E）求出（见图9-19）。
在一般的情况下，油的＝150~200W／（m2℃）；NaOH溶液的＝200~250W／（m2℃）。
9.3清理和清洗辅助设备
一、清理设备
用来清除工件表面氧化皮等污物所用的设备称为清理设备。
按其原理可分为化学清理设备和机械清理设备两大类。
1.化学清理设备
化学清理设备以化学方法清除工件表面氧化皮和粘附的不溶于水的盐类（如BaCl2）。
常用方法包括硫酸酸洗法、盐酸酸洗法，磷酸酸洗法、电解清理法、氢化钠还原法以及配合超声波的清理，其中用得最多的是前两种。
硫酸酸洗法采用浓度为5~20％（重量）的硫酸水溶液，酸洗温度在60~80℃范围内，硫酸是氧化性酸，其酸洗速度低于盐酸，为加快酸洗过工程，有时配合以超声波。
盐酸酸洗法采用浓度为5~20％（重量）的盐酸水溶液，酸洗温度常在40℃以下。
盐酸是一种还原性酸，有很强的酸洗能力。
它还可能造成氧化皮下金属本体的过腐蚀，因此酸洗时常需加入抑制剂（如尿素），以保护金属本体。
盐酸价格较高，且工件酸洗后易生锈，故生产上应用较少。
工件酸洗后，还须放入40~50℃的热水中冲洗，然后放入8~10％苏打水溶液中中和，最后再以热水冲洗。
化学清理设备主要是各种酸洗槽。
为避免受酸洗液的侵蚀，酸洗槽常用耐酸材料制造。
常用的有用铅皮作衬里的木制酸洗糟，耐酸混凝土酸洗槽和塑料酸洗槽。
为了改善劳动条件和提高生产率有的附设有各种提升机和连续输送机。
2.机械清洗设备
这种设备利用速度很大的砂粒或铁丸喷射工件表面，或者借工件之间、工件与设备构件
之间的碰撞和摩擦作用除去工件表面氧化皮，前者如喷砂机、抛丸机，后者如清洗滚筒。
1）清理滚筒
清理滚筒是内壁设有筋肋的转动滚筒。
将带有氧化皮的工件装入筒内，连续旋转，靠筒内工件之间和工件与滚筒筋胁酣相互碰撞，除去工件表面的氧化皮。
这种方法产量大，成本低，能清除铸、锻件的毛刺，但清除氧化皮不够彻底，且会损伤工件表面刃口、螺纹、尖角等处。
工作时躁音大，仅适用于各种半成品件。
2）喷砂机
喷砂机的工作原理是利用高速运动的固体粒子（丸）撞击工件表面，使氧化皮脱落。
通常以压缩空气作动力，粒子采用石英砂或铁丸，压缩空气压力可达0.5~0.6MPa，石英砂的直径为1~2mm，铁丸为白口铸铁，直径约0.5~2mm，硬度约为HB500。
石英砂消耗量约为工件重量的5~10％，而铁丸的仅为工件重量的0.05~0.1％。
根据工作原理，喷砂机可分为吸力式、重力式和增压式三种。
吸力式喷砂机的工作原理，如图9-18所示。
压缩空气管1的末端处在混合室内造成很大的吸力，将砂由吸砂管2吸入，一同由喷嘴4喷射到工件上。
吸砂管的另一端与储砂漏斗3相连并与大气相通。
在重力式喷砂机中，砂借自重流入混合室中，再由喷嘴喷出。
增压式喷砂机利用压缩空气给砂以压力，促使其流入混合室或吸砂管内。
近年来发展真空喷砂机和水力喷砂机，前者把喷砂、回收、除尘集中在一个真空设备内进行，结构紧凑，操作简便，去锈迅速干净。
后者利用喷水带动砂运动，效率高，动作确实，不产生粉尘。
3）抛丸机
抛丸机的工作原理是将铁丸装于一快速旋转的叶轮中，借其旋转所产生的离心力将铁丸抛射到工件表面，使氧化皮脱落。
二、清洗设备
清洗工件表面粘附的油、盐及其它污物所用的设备称为清洗设备。
清洗工件的方法有碱性水溶液清洗，磷酸盐水溶液清洗，有机溶剂清洗，水蒸汽清洗和超声波清洗，用得最多的是碱性水溶液清洗。
碱性水溶液的成分一般为3~10％Na2CO3或3％NaOH。
清洗温度为40~95℃。
在NaOH水溶液中加入1~5％Na2SiO3或Na3PO4，可提高溶液的脱脂和脱盐能力。
磷酸盐水溶液的清洗能力较弱，有脱脂作用，还可去除工件表面薄层氧化膜。
例如可采用三聚磷酸钠水溶液，附加界面活化剂和丁基溶纤剂（乙二醇—丁醚）。
利用有机溶剂（氯乙烯、二氯乙烷等）清洗工件的方法有蒸汽法和蒸汽—浸洗法。
蒸汽法，是将溶剂加热产生蒸汽，用来吹洗工件。
为提高脱脂能力，可采用蒸汽—浸洗法，即先将较难脱脂的工件浸没在液体溶剂中脱脂，随后移入另一槽内进行溶剂蒸汽吹洗。
超声波清洗法常与各种溶剂清洗法配合使用，可去除细孔内的污垢，对清洗有明显促进作用。
清洗设备有清洗槽和清洗机。
1.清洗槽
清洗槽的结构与淬火槽大致相同，只是在槽内增加了清洗液加热装置。
清洗液一般采用蒸汽加热。
蒸汽可直接通入清洗槽中加热清洗液，也可通过槽内的蛇形管间接加热清洗液。
还可用管状电热元件，直接安装在清洗槽中加热清洗液。
采用清洗槽时是将工件浸入溶液中清洗，有时还在清洗槽底部安有空气喷头，搅动溶液清洗。
2.清洗机
清洗机装有机械化装料及运送工件的机构和清洗装置，常用的有升降台式、喷射式、滚筒式等几种。
图9-19为处理小型工件的周期作业喷射式清洗机。
整个设备为一封闭的箱室。
箱室上部为工作室，其中有上下两个多孔喷头1和2，工件放在料车3上借手柄4沿导轨5操纵料车进行装卸料，装料口用橡皮帘封闭。
用离心泵6将清洗液经管道系统送到喷头，从上下两方面喷射工件。
清洗液储存在下部的储液室7中，由蒸汽管通入蒸汽加热，清洗液经过滤器8后重新送到喷头上。
图9-20为输送带式清洗机。
在其中布置一条水平或稍倾斜的输送带5，工件1放置在输送带上，输送带通过电动机2经变速装置3和棘轮6驱动。
在上输送带上方和下方安装喷头4向工件喷射清洗液。
清洗液由水泵9经管道10供到喷头。
用过的清洗液通过输送带漏入下面内水槽7中，清洗液在槽中用蒸汽加热后经过过滤器流入外水槽11，重新使用。
水泵由电动机8驱动。
所用压力一般为3~5×105Pa，工件清洗时间为4~8min。
3.燃烧式脱脂炉
燃烧式脱脂炉（图9-21）采用加热的方法使工件表面的油脂挥发和燃烧而除去。
燃烧式脱脂炉可与渗碳炉（或氮化炉）等组成联合机，利用渗碳炉排出的可燃废气作为脱脂炉的热源。
这种脱脂法也可与工件预热合并在一起进行，由于油脂气体是可燃的，因此要防止脱脂炉爆燃。
9.4校正辅助设备
校正设备用于校正变形的工件，使其变形量减小到要求限度以内。
常用校正设备和工具有手动压力机、液压校正机、回大压床、平台和锤子等。
一、手动压力机
手动压力机的结构有齿杆式和螺杆式，齿杆式手动压力机的工作压力一般为1~5吨，常用于校正直径为5~10mm的工件。
螺杆式手动压力机的工作压力一般为2~25吨，常用于校正直径10~30mm的工件。
二、液压校正机
当工件直径在50mm以上时应在液压校正机上进行校正。
这种设备动作迅速平稳，工作压力为5~200吨，当校正直径30mm以下的轴或棒状工件时，可采用8吨的油压机，校正直径30~40mm的工件或凸轮轴时，选用12吨的，校正直径50~70mm的工件或曲轴时，选用40吨的，直径再大时，则须选甩吨位更大的油压机。
三、回火压床
一些很薄的圆盘形工件（如离合器片、摩擦片、圆形锯片等），即使在淬火压床上进行淬火，淬火后或回火时仍会变形。
回火压床就是将回火加热和校正合并在一起的设备，即将淬火变形的圆盘形工件放在压模中夹紧，同时加热回火。
习题
某热处理车间每小时需淬火360kg合金钢工件，最长件为0.5m，平均分在三个淬火油槽内进行，试设计置换冷却系统和各组成部分的尺寸或规格。
已知工件淬火温度为850℃，工件出油温度80℃，淬火油温在40～80℃范围内，冷却水与油逆向流动，水的起始和终了温度为15℃和30℃。
辅助设备包括进行工件表面清理、清洗、校正以及起重运输等操作所用的各种设备。
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