使用再循环设备的气冷淬火方法

专利名称：使用再循环设备的气冷淬火方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使在气冷淬火操作中使用的气体或气体混合物再循环的方法和设备。
背景技术：
已经经过真空热处理(淬火前加热、退火、应力消除等)或热化学处理(表面硬化、碳氮共渗等)的钢的气冷淬火通常利用增压气体进行，压力优选在4bar至20bar之间。该气体可包括氮气、空气、氩气、氦气、或任意其它工业用气体或气体混合物。
近年来对快速钢冷却方法的改进主要涉及使用具有较好的热交换特性的流体，例如氦和氢、惰性气体和较轻气体的混合物(N2-H2，N2-He等)，以及增加压力容器中的气体压力和流速。同时还改善了淬火室技术高工作压力、高热交换能力等。
某些诸如氦的贵气体和气体混合物要求使用适合于传递和再压缩淬火期间使用的气体的气体回收系统，以便在下一次淬火期间使用该气体。
通常使用的再循环系统一般要求包括下列装置-一个或多个压缩机；-真空泵，以用于获得高的气体回收率(将淬火室中的压力降至低于大气压力)；-气体净化/分离装置；-气体储存容器(具有柔性或刚性结构，参见文献FR-2 634 866的示例)。
在这种再循环系统中通常会遇到下列技术问题
-关于压缩机由于所要求的压力和流速，使用的压缩机通常是活塞式压缩机(无油的或充分润滑的)。这些设备的与所要求的性能相当的成本占再循环设备成本的很大一部分；-关于真空泵根据其入口压力，真空泵可提供各种传输速率；这将引起真空泵提供的传输速率和压缩机最大入口流速之间的匹配问题；-关于气体净化设备这些气体净化设备通常使得设备更加复杂；此外，常规的气体分离设备要求或者使用分离压缩机设备(参见例如文献US2002/0104589A1)，或者通过运行上述用于再压缩和传输气体的压缩机(参见例如文献EP 0 450 050的示例)来压缩气体；-淬火室停止工作淬火室由于再循环方法(的限制)而在其工作周期的很大一部分时间内停止工作，使得其不能执行负载冷却功能。这要求增加驱动元件(压缩机、真空泵)的余量以便改善循环时间。

发明内容
本发明的目的是提供对上述问题的改进，本发明构造了一种新颖的淬火气体再循环系统，从而在紧随真空热处理对金属部件进行高压气体淬火的情况下允许更加有效地使用所采用的设备。
如下文更加详细地说明的那样，本发明适合于-与使用相同容量的压缩和抽吸装置的设备相比，对于相同的回收率，可减少气体传输时间和回收循环时间，并因此尤其降低每个淬火室的可见的回收时间；-与提供相同的传输时间性能的常规设备相比，使用较小尺度容量(dimensional capacity)的压缩和抽吸装置；-在不需要使用气体净化装置的条件下保持期望的纯度水平；-以最优化的气体消耗量使用气体混合物。
根据本发明的再循环设备位于气冷淬火设备中常规设置的淬火室(下面图1中的V1)和缓冲罐(V2)之间，并包括下列元件-经由包括一个或多个并联的压缩机或增压机的压缩机/增压机组(图1中具有两个活塞式压缩机C1和C2的系统)将室V1连接到罐V2的主管路；-用于为压缩机组供料并位于主管路的旁路上的中间储罐V3；-根据本申请中在下文详细说明的本发明的优选实施例，存在同样位于主管路的旁路上、通过真空泵P1供料的储气器或充气罐(V4)(真空泵P1输出到排放口或者罐V4)；-根据本发明的有利实施例，如果使用气体混合物进行淬火，则包括向压缩机组供应低压混合物的低压混合模块(M1)。
空间V3通过空间V1和V3之间的局部或完全压力平衡来允许淬火室V1快速局部排空。这种快速排空还具有降低用于在室内搅拌气体所消耗的能量的优点(低压减小了涡轮的功率需求)，或者有助于减小淬火方法(阶段)的中间步骤中的冷却速率。
如下文所示，由于当V1工作时可以处理V3中容纳的气体，所以罐V3因在再循环期间节省时间而成为本发明的关键元件。事实上，在其中淬火室V1处于运行状态的阶段—例如在气冷淬火过程中或在负载传输期间，储存在罐V3中的气体可被再压缩或者被传输到缓冲罐V2。
V1的这种停止工作(丧失活动能力)关系到-使用加压气体在室V1中淬火的时间；-用于对室V1装料和卸料的时间。
可估计累积的停止工作的时间为最少5分钟，例如对于20分钟的循环周期，代表节省25％的时间。
如下文详细示出的，与本领域中已经说明的其它再循环方法相比，该罐V3是个完全新颖的元件，不仅在它与再循环回路中其它气体元件的相互位置关系上是新颖的，而且在它的功能和使用方面也是新颖的。
文献EP-1 211 329说明了一种方法，其中从室20提取的气体经由完整系列的净化、抽吸等步骤沿主管路被输送到该方法的常规缓冲罐中。
文献EP-451 050提及了对称为“保持罐”的容器12的使用。但是，该罐不像本发明推荐的那样通过压力平衡直接填充，而是通过压缩机供料的。该现有技术文献中提及的罐的功能实际上是能够使用单一压缩机实现下列两种功能-对气体加压以便在渗透设备20上将气体净化；因此待净化的气体临时储存在该保持罐中；-增压以填充“工作罐”2(等效于下面图1中所示的罐V2)。
文献FR-2 634 866使用了称为“可变容积罐”的储存容器，该储存容器为大气压力下的储存罐，并直接连接到与该方法相关联的设备上。该罐在对应于压缩机进料压力的大气压力下执行储存职能。与这种设备不同，根据本发明的罐V3不是在大气压力下储存气体，因为该罐是增压罐，并且因为已经提及的原因—该罐位于压缩机进料主管路的旁路上。
发表于“Heat Treatment of Metals”，2001，1，第9-12页的文献“HeliumRecovery and Cleaning for High-Pressure Gas Quenching Connected to anAtmosphere Furnace”给出了氦再循环设备的示例。在该示例中，以及在文献EP 1 211 329的示例中，仅示出了常规的“工作罐”，该罐对应于本发明的罐V2。因此该文献中给出的压缩机直接从淬火设备供料，而没有中间储存或其它旁路。
简短地说，根据本发明，在淬火操作后，通过回收至少部分气体来排空该(淬火)室(只要室V1中的压力保持在大气压力之上)-使室V1和罐V3之间的压力平衡；-将剩余在V1中的气体压缩至至少等于大气压力的压力阈值；由此将压缩后的气体输送到V2；可选地，该步骤可在平衡步骤期间开始；-压缩罐V3中存在的气体并将该气体传输到V2；本发明的优点在于在该步骤期间罐V1未停止工作；-如果需要，将V1的部分内容物释放到大气中。
如下文所示，要在低于大气压力的条件下排空室V1需要使用真空泵，这正是罐V4特别有利之处。
罐V4的使用可总结如下为了在高回收率(通常在95％以上)下传输和再压缩气体—即将室V1中的压力降低到低于大气压力，需要在真空下从淬火室V1回收气体。实际上一般在使用诸如含氦气体的贵气体时要求这么高的回收率(高于95％，甚至＞97％)(由于易于理解的经济原因)。
事实上，真空泵不提供恒定的气体流速，而所用的压缩机在恒定传输速率下工作；因此如果将这两种类型的元件直接连接将引起压缩机和真空泵的工作流速之间的调节问题。
可将图中示出的罐V4充气至大气压力。真空泵P1利用来自V1的气体将V4基本上完全充满—此时V4与压缩机设备断开连接，然后压缩机设备将V4(中的气体)排入V2—此时V4与泵P1断开连接。
在真空泵工作和填充罐V4期间，压缩机设备可例如用来直接再压缩V3中的气体并供应给V2。当V4充满时，该压缩机设备再压缩V4中的气体以供应给V2。这样，可在额定条件下使用压缩机从而节省时间。因此压缩机的入口压力总是等于或稍高于大气压力。
因此可使用罐V4将抽吸和再压缩步骤分开，因为真空泵和压缩机组从来不直接连接在一起。从而每种设备(真空泵、压缩机设备)都在其额定的工作条件下工作。
换句话说，如果没有罐V4，P1将直接将气体从V1输送到压缩机/增压机组，而实际上由泵P1供应的流速依赖于室中的压力(该压力是变化的)，因此下游的压缩机也会发生压力变化。在这种情况下，或者压缩机在真空形成阶段在低于其额定传输速率下工作，或者真空泵的余量必须足够大以便于即使当其进料压力最低时也能提供充足的流速。
通过阅读上文可以理解，根据期望的回收率，可执行多个V4填充、V4排空的循环直至在室V1中获得可以接受的压力(用于说明，通常为100mbar绝对压力)。
可以理解，当V4充满时，V3可用于将它所容纳的气体供应给压缩机并从而供应给罐V2。
如本领域技术人员清楚知道的那样，可根据压缩机流速以及将要节省的时间来调节V3和V4—如果采用的话—的容积。
本发明相应地涉及一种气冷淬火方法，其中淬火室接收将使用淬火气体进行淬火的物体并包括连接到该室的用于供应加压的淬火气体的装置，用于供应气体的装置包括用于容纳淬火气体的缓冲罐，其特征在于，在淬火操作后，如下所示回收该室中容纳的所有或部分气体-利用主管路通过包括一个或多个并联的压缩机/增压机的压缩机或增压机组将该室连接到所述缓冲罐；-利用第一中间储罐接收来自该室的淬火气体并供应给压缩机/增压机组，该第一中间储罐位于主管路的旁路上；-在淬火操作后，通过该室和第一中间储罐的两个空间之间的局部或完全的压力平衡，在一次或多次操作中将该室的内容物排放入该第一中间储罐；-经由压缩机/增压机组将储存在所述第一中间储罐中的气体输送到缓冲罐(V2)；-如果需要，将该室的部分内容物释放到大气中。
根据本发明的方法可进一步包括下列特征中的一项或多项-在其中淬火室在气冷淬火过程中或在负载传输期间停止工作的阶段，将储存在所述第一中间储罐中的气体输送到缓冲罐；-同样位于主管路的旁路上的充气罐经由输出到排放口或者所述充气罐的真空泵而从该室中接收气体，如下使用该充气罐在所述的一次或多次将该室的内容物部分排入第一中间储罐之后，为了将该室中的压力降低到大气压力之下，在如下的一项或多项操作中将容纳在该室中的气体传输到充气罐中-在将充气罐与压缩机/增压机组断开连接的情况下，使用真空泵从充气罐回收该室中存在的气体，然后-在将充气罐与真空泵(P1)断开连接的情况下，使用压缩机/增压机组排空充气罐中的气体。


通过阅读下面参照附图仅作为示例给出的说明可以更好地理解本发明，在附图中-图1是执行本发明的设备的示意图；-图2给出了最大污染物含量(从V2回收并在淬火室中再次使用的气体中的含量)的模拟结果，该最大污染物含量是针对从室V1回收的淬火气体中的各种初始污染程度的气体回收率的函数；-图3给出了根据本发明的再循环的示例，其中示出了在气冷淬火和再压缩循环期间罐V1、V2和V3中的压力变化；-图4示出了在表1的步骤4和5期间(基本上在21至25分钟之间)罐V1和V3的压力变化的细节。
具体实施例方式
图1示出了上面已经充分说明和提及的所有元器件，尤其是室V1、缓冲罐V2、包括并联的两个压缩机C1和C2的活塞式压缩机组、用于为压缩机组供料并位于主管路的旁路上的中间储罐V3、同样位于主管路的旁路上的充气罐V4、以及输出到排放口或罐V4的真空泵P1。
该图示出了存在于泵和罐V4之间的排气阀(用弯曲的排放箭头表示)，该阀用于在需要时向大气中排放从V1抽取的部分气体。
这显然依赖于预期的气体回收率部分通过本方法再循环，部分被排放到大气中。例如，当V1中的压力降到预置的阈值以下时可排放从V1抽取的气体，该阈值可根据选择的回收率设定为回收压力。
如上文已经说明的，根据本发明的有利实施例，在使用气体混合物(图中示出CO2/氦混合物的情况)淬火的情况下，该设备包括向压缩机组供应低压混合物的混合模块(M1)。
可在较高或较低的压力下合成混合物。
有利地，本文建议在低压(低于10bar)下合成混合物并使用压缩机/增压机组再压缩该混合物以便最大程度地排空气体储罐。在高压下合成混合物有助于避免使用压缩机向高压罐供应新鲜气体。另一方面，低压混合系统有助于只要所述罐的压力保持高于进料压力就可以使用气体储罐。因此保留在气体储罐中的未使用的气体的量较少，从而运行成本较低。由于所述气体回收系统必然包括压缩机，因此在低压下制备混合物更为有利。因此，使用气体再循环系统的压缩机组来提供所补充的新鲜气体。
在本发明的有利实施例中，混合模块包括专用储罐以用于储存合成的新鲜混合物。
也可以相对于其它阶段在时间顺序上并行地填充该储罐。可简单地通过该储罐的压力来控制合成的新鲜气体的数量。
因此，可独立于其它元部件的速率尤其是压缩机再压缩混合物的速率来设定混合物合成速率的大小。
在表1给出的具体示例中，在步骤0至5中的一个或多个步骤期间合成混合物。当在步骤6中使用新鲜的混合物来平衡V2中的压力时，新鲜混合物填充速率因此对应于压缩机的额定传输速率。如果使用混合物，则特别推荐使用分析器(如图中所示)来控制气体组分以便在淬火和/或再循环周期期间监控和调节再循环期间可能从组分之一优先泄漏的混合物组分。
作为说明，各种类型的分析可能包括-混合物的主要组分；-标示泄漏的污染物(例如氧气、氮气)；-与本方法有关的污染物例如H2O、CO、N2，或者碳氢化合物、在淬火操作之前来自热处理的废气。
该设备还可包括自动装置以用于控制该设备，尤其是限定各种元部件的填充和排空顺序。
自动装置使用的数据可由以下(元部件)提供-各个罐V1、V2、V3、V4中的温度和压力传感器；-罐V3填充指示器；-罐V4填充指示器；-气体分析器。
基于这些数据，自动装置可以控制
-将气体输送给一个或另一个罐的阀的切换；-混合器的调节；-泵组的启动和停止，等等。
下面表1示出一具体示例，包括各个步骤的细节及其持续时间。
表1气体再压缩并从V1传递到V2的步骤

根据传输将被处理的部件负载所需的时间(步骤6)，本发明与既未包括V3也未包括V4的设备相比节省了5至10分钟的时间。
在连续的/相继的淬火和回收操作期间，淬火气体中富含杂质/污染物。但是，这些杂质被由于淬火气体的不完全回收而变得必需的补充气体所稀释。因此，杂质含量保持低于一上限，该上限依赖于在每个淬火周期内增加的污染物含量以及气体回收率，而气体回收率直接与每个循环周期中添加的补充气体相关。图2示出了对随气体回收率变化的该最大杂质含量(在从V2回收并在淬火室中再次使用的气体中的含量)的模拟结果，对于从室V1回收的淬火气体的各种初始的污染程度每条曲线代表一种初始污染程度，图中从最上方到最下方的曲线分别对应于10ppm、20ppm、50ppm、100ppm、200ppm、500ppm和1000ppm的初始污染物含量。
为了使气体冷却特性保持恒定，优选采用5％的污染率。例如，应该注意，向包含50％的氦的CO2和氦的混合物中添加5％的氮将导致气体传递的热通量减少1.5％；这一减少在待处理部件的最终特性中是难以察觉的。
在真空热处理的情况下，在每个循环周期中添加的杂质的水平不超过500ppm。在这种情况下，99％的回收率有助于在不使用气体分离设备来限制污染物含量的情况下保持足够的纯度。
图3示出了根据本发明的再循环的一个示例，其中给出了在气冷淬火和再压缩循环期间罐V1、V2、V3的压力变化(对应于表1的示例)-实线V3中的压力；-点线(......)V2中的压力；-点划线(._._._._)V1中的压力。
图4示出了在21至25分钟之间(基本上在表1的步骤4和5期间)罐V1和V3中的压力变化的细节(放大图)。该图有助于区分不同的步骤，这些步骤同时使用真空泵排空V1、使用压缩机排空V3、以及使用压缩机排空充气罐(V1和V2的压力稳定)。
使用专用的过滤器去除非气体杂质(水、油、灰尘)。
权利要求
1.一种气冷淬火方法，其中淬火室(V1)接收将使用淬火气体进行淬火的物体并包括连接到该室的用于供应加压淬火气体的装置，用于供应气体的装置包括用于容纳淬火气体的缓冲罐(V2)，其特征在于，在淬火操作后，如下所述回收该室(V1)中容纳的所有或部分气体-利用主管路通过包括一个或多个并联的压缩机或增压机(C1、C2等)的压缩机或增压机组来将该室(V1)连接到所述缓冲罐(V2)；-利用第一中间储罐(V3)接收来自该室的淬火气体并供应给压缩机或增压机组，该第一中间储罐位于主管路的旁路上；-在淬火操作后，通过该室(V1)和该第一中间储罐的两个空间之间局部或完全的压力平衡，在一次或多次操作中将该室(V1)的内容物排放入该第一中间储罐；-经由压缩机或增压机组将储存在所述第一中间储罐(V3)中的气体输送到缓冲罐(V2)；-如果需要，将该室(V1)的部分内容物释放到大气中。
2.如权利要求1所述的气冷淬火方法，其特征在于，在其中淬火室(V1)在气冷淬火过程中或在负载传输期间停止工作的阶段，将储存在所述第一中间储罐(V3)中的气体输送到缓冲罐(V2)。
3.如权利要求1或2所述的气冷淬火方法，其特征在于，在主管路的旁路上还设有充气罐(V4)，该充气罐(V4)经由输出到排放口或者输出到所述充气罐(V4)的真空泵(P1)来从所述室(V1)中接收气体；如下使用该充气罐在所述的一次或多次将室(V1)的内容物部分地排放入第一中间储罐(V3)之后，为了将该室(V1)中的压力降低到大气压力之下，在如下的一项或多项操作中将容纳在该室(V1)中的气体传输到充气罐中-在将充气罐(V4)从压缩机或增压机组断开连接的情况下，使用真空泵(P1)从充气罐(V4)回收该室(V1)中的气体，然后-在将充气罐(V4)从真空泵(P1)断开连接的情况下，使用压缩机或增压机组排空充气罐(V4)中的气体。
4.如上述权利要求中任一项所述的气冷淬火方法，其特征在于，所述淬火气体是气体混合物；低压混合模块(M1)将气体混合物供应到压缩机或增压机组；所述混合模块包括专用储罐以用于储存合成的新鲜混合物。
5.如权利要求4所述的气冷淬火方法，其特征在于，相比于本方法的其它阶段的进行，在时间顺序上并行地填充所述专用储罐。
6.如权利要求5所述的气冷淬火方法，其特征在于，通过所述专用储罐中的压力控制合成的新鲜气体的量。
全文摘要
本发明涉及一种气冷淬火方法，该方法使用(i)用于接收将使用淬火气体进行淬火的物体的淬火室(V1)以及(ii)设计用于容纳淬火气体的缓冲罐(V2)。本发明的特征在于，随着淬火操作，以下列方式回收容纳于室(V1)中的所有或部分气体，该方式包括设置可接收来自该室的淬火气体的第一中间储罐(V3)；在淬火操作后，通过该室(V1)和该第一中间储罐的两个空间之间局部或完全的压力平衡，执行一次或多次包括将室(V1)的内容物部分排放入第一中间储罐的操作；将储存在第一中间储罐(V3)中的气体输送到缓冲罐(V2)；以及，如果需要，将室(V1)的部分内容物释放到大气中。
文档编号C21D1/62GK1839209SQ200480024047
公开日2006年9月27日 申请日期2004年8月10日 优先权日2003年8月21日
发明者F·沙福特, N·布朗夏尔, O·德洛贝尔, L·勒菲弗 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究的具有监督和管理委员会的有限公司