专利名称：一种双室常压淬火炉的气体炉外循环冷却系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属金属淬火领域，特别关于一种双室常压淬火炉的气体炉外循环冷却系统。
背景技术：
目前广泛釆用的气体淬火热工设备，除了高压真空淬火炉之外，以双室常压气体淬火炉 最为常见，这种淬火炉包括一个升温加热炉室和一个气体冷却炉室，两个炉室之间设有一道 活动炉门。加热炉室一般采用碳棒电阻加热方式，在加热过程中向炉膛中充入保护性气体， 以避免工件表面氧化。当工件完成加热和保温后，打开两个炉室之间的炉门，使工件进入冷 却炉室进行快速冷却，冷却介质一般采用液氮。液氮储藏在高压储气钢罐中，由管道引出， 在流动过程中，液氮不断减压、升温，部分液氮汽化，体积迅速膨胀，压强能不断转化为流 体的动能，使其流速持续增大，最后以液气混合物的形态，以很大的流速通过具有一定形状 和一定倾角的、安装在冷却室底部的喷嘴喷入冷却室中，此时液氮完全气化，它以强制对流 换热的方式与工件完成热交换，使工件的温度迅速降低，从而完成工件的淬火，而其自身温 度升高，随后一部分氮气通过安装在炉顶的对流风扇的作用，形成炉气循环，再次参与热交 换，其它大部分氮气通过炉顶的排气通道排出炉外。这种淬火炉存在的主要问题是液氮消耗 量极大，浪费极为严重，大大增加了生产成本，并且由于工件冷却不均匀，工件易发生变形， 其合格率相对较低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于为双室常压气体淬火炉，提供一种氮气消耗量少、工件冷却速度 大，并且工件各处冷却均匀、淬火后不会发生氧化和变形的炉外气体循环冷却系统。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是在满足最大工件使用空间的前提下，
尽可能的縮小炉膛空间，工件外侧与炉体之间的距离以100 150mm为宜，使冷却气体都能够 参与工件进行热交换，完成热交换后的高温氮气体采用炉外循环冷却系统进行冷却。根据工 件的具体特点和淬火炉室的具体尺寸，在两侧的炉墙和炉底上设置多点喷气口，喷嘴的布置可采用单向流动型或交变流动型，也可采用向心(喷嘴)流动型，视具体情况而定，在炉顶 设置多点排气口，在每个喷嘴的前面安装一定结构和尺寸的拉瓦尔管，使氮气能以超音速或 接近音速的流速喷出，对炉内的工件进行冷却淬火,吸收热量后的高温氮气通过炉顶的排气口 排出，而后进入换热器，通过水冷或气冷换热器将氮气中的热量传递给换热器中的冷却介质， 从而使氮气自身的温度降低，随后再通过高压离心风机加压，送入液氮输出管道，参与氮气 的循环，这种做法既可以使管道中的氮气温度进一步降低，又可以使液氮汽化膨胀后的压强 能转化为气体的动能，从而进一步提高流速，随后氮气通过拉瓦尔管及喷嘴后，以超音速或 接近音速的流速喷入炉膛，再次参与工件的换热，从而完成一个循环周期，这样的过程循环 连续进行，直到工件冷却到规定温度为止。 本实用新型的有益效果是-
(1) 从炉膛排出的高温氮气可以重复利用，从而使液氮消耗量大幅度降低。
(2) 氮气从喷嘴喷出时，具有超音速或接近音速的流速，从而强化了氮气与工件之间的对 流换热，因而可以更好的满足淬火工艺的要求。
(3) 氮气从喷嘴喷出时，液氮巳经完全气化并升到了一定的温度，从而可以避免工件的局
部过冷，提高工件的淬火质量。
(4) 对炉膛来说，从喷嘴喷入的氮气流量大于从循环出气口排出的流量，多出的氮气一方 面作为炉门气体溢出及炉外循环过程中气体损失的补充，可以确保炉膛的微正压操作，另一 方面可使炉内的循环气体得到及时的更新。
图1是本实用新型冷却系统结构示意图中l喷嘴，2拉瓦尔管，3工件，4排气口， 5炉体，6换热器，7冷却水池，8循环 水版，9高压离心机，IO液氮输送管道，ll液氮储存罐。
具体实施方式
本实用新型的双室常压淬火炉的气体炉外循环冷却系统，采用氮气淬火，从淬火炉顶排 出的高温氮气，引入到炉外换热器6内，进行降温，降温后的氮气再与来自液氮储存罐ll内的液氮混合，混合后再参与淬火和炉外气体循环。其中
喷嘴1入口装有拉瓦尔管2，出口以超音速或接近音速喷出氮气。 喷出氮气的流量大于从炉膛排出的氮气流量，炉膛内压强大于零毫米水柱。 热交换器6内流通的冷却介质是水或空气。
如实施例一
某公司主要生产各种高速钢刀具，刀体采用Q235B普通碳素结构钢，刀刃采用W18Cr4V 高速钢，两种材质依靠钎焊结合在一起，焊料采用黄铜，焊接好的刀具需要淬火热处理来提 高W18Cr4V高速钢刀刃的硬度和力学性能，淬火设备采用双炉常压气体淬火炉，淬火炉的 外形尺寸为6500mmX2800mmX2500mm(长X宽X高)， 一般工件3的厚度^《50mm，大部 分《《20mm，工件3放在用Q235B结构钢制做的托架上，每炉装炉量约为200kg，淬火温 度为126(TC 128(TC，改进前每炉消耗液氮约700~800L，每年液氮费用超过400万元，产品 合格率只有92%左右。为了降低液氮消耗，提高合格率，在原有炉子的基础上，采用本实用 新型中所述的冷却系统，将喷嘴1采用单向流动型布置，在炉子的两侧炉墙上各设置4排气 体喷口，两排喷口在高度方向上间距300mm，每排沿长度方向上均布喷口 20个，喷口前风 管直径为DN10mm，在炉子的底部设置6排气体喷口 ，两排喷口在高度方向上间距400mm， 每排沿长度方向上均布喷口 25个，喷口前风管直径为DN10mm，在每个喷嘴1前安装拉瓦 尔管2，氮气出口流速250 300m/s，在炉顶中间布置1排排气口 4，排气口 4直径为DN100mm， 共计15个，沿长度方向上均布。从炉膛排出的高温氮气采用紫铜管间壁式换热器6，换热面 积约55m2，循环水泵8功率1.5kw，高压离心风机9功率18kw。液氮耗量降低60 70%,同时 实现了冷却过程的精确控制，使由于冷却不均，而产生的废品率大为降低，合格率达到了 98% 以上。
如实施例二
某公司新上高速钢机械刀具生产线，刀体采用Q235B普通碳素结构钢或16Mn低合金结 构，刀头采用W18Cr4V或W9Mo3Cr4V高速钢，两种材质依靠钎焊结合在一起，焊料采用 黄铜，焊接好的刀具需要淬火热处理来提高高速钢刀刃的硬度和力学性能，其淬火设备采用双炉常压气体淬火炉，淬火炉的外形尺寸为6000mmX2500mmX2000mm(长X宽X高)，工件 3放在用Q235B结构钢制做的托架上，每炉装炉量约为150kg，淬火温度为124(TC 128(TC， 在设计中采用本实用新型中所述的冷却系统，该系统中的冷却室顶的氮气出口与热交换 器相连，热交换器出口与液氮储存罐ll出口管并联，其并联后的总管再与冷却室上的拉瓦尔 管2进风口相连，拉瓦尔管2出口与喷嘴1相连，组成气体循环冷却系统；热交换器内的换 热管入口与水泵或风机相连，水泵入口和换热管出口与水池相连，风机入口置于大气中，组 成循环冷却系统；液氮储存罐11与并联总管相连组成介质供应系统。其中采用单向流动型布 置喷嘴l，在炉子的两侧炉墙上各设置4排气体喷口，两排喷口在高度方向上间距280mm， 每排沿长度方向上均布喷口 18个，喷口前风管直径为DN10mm，在炉子的底部设置6排气 体喷口，两排喷口在高度方向上间距380mm，每排沿长度方向上均布喷口 20个，喷口前风 管直径为DN10mm，在每个喷嘴1前安装拉瓦尔管2，氮气出口流速200 250m/s，在炉顶 中间布置1排排气口4，排气口 4直径为DN100mm，共计12个，沿长度方向上均布。从炉 膛排出的高温氮气采用紫铜管间壁式换热器6，换热面积约45m2，循环水泵8功率1.2kw，高 压离心风机9功率15kw，投产后，每炉消耗液氮约100-120L,与同类型的其它传统双炉常压 气体淬火炉相比，液氮消耗量降低70~75%，产品合格率达到了98.5%。
权利要求1、一种双室常压淬火炉的气体炉外循环冷却系统，包括双室常压淬火炉，其特征是冷却室顶的氮气出口与热交换器相连，热交换器出口与液氮储存罐出口管并联，其并联后的总管再与冷却室上的拉瓦尔管进风口相连，拉瓦尔管出口与喷嘴相连，组成气体循环冷却系统；热交换器内的换热管入口与水泵或风机相连，水泵入口和换热管出口与水池相连，风机入口置于大气中，组成循环冷却系统；液氮储存罐与并联总管相连组成介质供应系统。
专利摘要一种双室常压淬火炉的气体炉外循环冷却系统，属金属淬火领域，该冷却系统中的冷却室顶的氮气出口与热交换器相连，热交换器出口与液氮储存罐出口管并联，其并联后的总管再与冷却室上的拉瓦尔管进风口相连，拉瓦尔管出口与喷嘴相连，组成气体循环冷却系统；热交换器内的换热管入口与水泵或风机相连，水泵入口和换热管出口与水池相连，风机入口置于大气中，组成循环冷却系统；液氮储存罐与并联总管相连组成介质供应系统。其优点节省氮气，淬火质量。
文档编号C21D9/00GK201151730SQ200720016498
公开日2008年11月19日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者冯明杰, 王春花, 陈文仲 申请人:东北大学