一种底部喷液破淬火水汽膜实验装置及方法与流程

本发明涉及金属热处理技术领域，尤其涉及一种底部喷液破淬火水汽膜实验装置及方法。

背景技术：

随着科学技术的进步和工业生产的发展，各行业对高性能钢板的需求量与日俱增。为提高钢板的各项性能，冶金行业通常采用经济且有效的调质热处理工艺。淬火作为调质热处理的重要工序，是将加热到ac3或ac1点以上某一温度并保持一定时间的钢，通过与冷却介质进行热交换使其以适当速度冷却获得马氏体和(或)贝氏体组织的热处理工艺。

高温钢板在平行液面进行浸液淬火时，其表面会持续产生大量气泡形成水汽膜，钢板上表面的水汽膜在浮力作用下对淬火产生的影响相对较弱，而钢板下表面无法排出的水汽膜严重影响了钢板下表面与淬火液的热交换，进而影响整个钢板冷却速度和淬透性。为消除高温钢板淬火时表面水汽膜产生的影响，现有技术中常采用在淬火槽中增加以一定角度、间距及压力喷射淬火液的方式打破高温钢板表面淬火水汽膜，然而针对不同材质和厚度的钢板，喷射角度、喷口间距及喷液压力等参数大多没有准确的数据标准作为参考，只能依靠科研人员的经验设定，从而使不同材质和厚度的高温钢板在同一淬火设备或相同材质、厚度的高温钢板在不同淬火设备上的淬火效果产生较大波动。

在目前已经公开的文献中记载的淬火实验装置，如申请号为201310289530.8的中国专利公开的“一种快速水冷淬火实验装置”，包括缸体、内芯、密封压盖、密封填料和钢板试样夹持组件及电动执行器；缸体为一个空心体，缸体顶部设置有冷却水进口，缸体的右端为冷却水出口；内芯为圆管形结构，与缸体主轴同一轴线，内芯由缸体左边装入缸体，在两者左端、内芯和缸体之间的间隙中装有密封填料后用密封压盖压紧；缸体右端冷却水出口处设有钢板试样夹持组件，用于将需淬火的钢板试样固定在冷却水出口中心位置；内芯左端通过压杆和电动执行器相连。该装置可以控制淬火实验中对热处理钢板试样的冷却强度以满足对于合金钢板试样在不同水冷强度下温降速率和相变规律，但缺点是实验设备操作复杂，不仅使淬火钢板试样降温连续性受阻而且夹持过程受人工操作熟练程度等不确定因素影响较大。此外，受缸体、内芯管径等尺寸因素限制，实验钢板试样尺寸较小，淬火钢板试样各表面强度几乎处于无差异的理想状态，无法模拟钢板真实淬火情况，因此其实验结果数据对制定现场实际淬火工艺参数的参考价值非常有限。

申请号为201210253418.4的中国专利公开的“一种金属材料端面淬火试验机”，通过高频发生器的感应线圈对制成圆柱形的钢板试样均匀加热，同时在钢板试样上面中心开有盲孔以热电偶收集钢板试样的温度变化，将加热部分制成水槽形式并在钢板试样下方设置喷水口、上方设置冷却水管，通过安装在喷水口中间水管上的喷水控制阀控制喷水淬火时间，通过安装在冷却水箱内冷却水管上的冷却水控制阀控制冷却水的出水时间，并且将所使用的水资源收集在循环水箱中利用水泵循环使用。该实验设备将加热、淬火和冷却一体化，并在自动化中实现，具有加热时间短、操作方便并保证了淬火连续性等特点。但缺点是淬火钢板试样需要加工为标准尺寸的圆柱体，且只能进行端面淬火实验，使该设备无法对板材类钢板试样获取有效实验数据，更无法模拟现场实际淬火情况为改变现场淬火工艺参数提供有效的实验参考数据。

上述公开技术都是模拟淬火过程并获得相应数据的实验设备，但其对模拟钢板进行淬火的过程都存在不同程度的缺点和不足。因此，开发出一种通用性较强且能够根据要求对影响钢板淬火效果的因素进行调整的实验装置，对研究不同材质和不同厚度的钢板淬火时的相变规律、内在机理以及制定节能且有效的工业批量生产淬火工艺参数和提高产品质量等方面是十分必要的。

技术实现要素：

本发明提供了一种底部喷液破淬火水汽膜实验装置及方法，所采用的实验装置结构精巧、使用方便、节能环保、可调范围较大、适用性强，通过一套设备能够获取不同材质和不同厚度钢板淬火后组织情况，实验数据可靠，对于深入研究钢材的相变规律和内在机理，以及对工业化批量生产时制定有效的淬火工艺参数、大幅提升淬火钢板产品质量及性能稳定性具有重要意义。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种底部喷液破淬火水汽膜实验装置，包括淬火槽、传输装置、上料装置、对中装置、载料移动装置和底部喷液装置；所述传输装置、上料装置和对中装置集成后通过销轴铰接在淬火槽一侧，并可在翻转后折叠到淬火槽内；载料移动装置设置在淬火槽内，能够承载钢板试样在淬火槽内升降移动；底部喷液装置由高压喷液水排和水排升降装置组成。

所述淬火槽侧壁设有溢流口和进/出液口，高压喷液水排上设有高压喷液水排供液口，溢流口通过带快速接头的软管连接地下储液池，进/出液口和高压喷液水排供液口分别通过带快速接头的软管连接淬火液分配器，淬火液分配器与地下储液池内的变频泵相连。

所述传输装置由辊道支承座和安装在辊道支承座内的辊道组成，辊道的上料侧设上料装置，辊道中部设对中装置。

所述上料装置由上料架、上料拉杆和上料液压缸组成；上料拉杆一端可在上料液压缸的带动下沿固定的滑轨滑动，另一端与上料架铰接；上料架能够在水平方向与向上的竖直方向之间绕铰接点转动90°，并可在水平方向移动。

所述载料移动装置由倾斜轨道及运载小车组成，倾斜轨道设置在淬火槽内，顶部靠近销轴一侧；运载小车能够沿倾斜轨道在淬火槽内升降移动，其上设有水平的试样架。

所述试样架与钢板试样底部为点接触或线接触。

所述淬火槽内设有淬火液温度传感器。

所述高压喷液水排喷口处设喷口压力监测传感器。

所述淬火槽一侧设操作面板，操作面板上设多个控制按钮，通过控制系统分别对应连接传输装置、上料装置、对中装置、载料移动装置、底部喷液装置和变频泵，控制系统另外连接淬火液温度传感器及喷口压力监测传感器。

基于所述装置的一种底部喷液破淬火水汽膜实验方法，包括如下步骤：

1)将底部喷液破淬火水汽膜实验装置安装到加热炉一侧，非工作状态时，传输装置、上料装置和对中装置处于折叠状态；淬火实验开始时，当钢板试样加热完成、加热炉罩升起后，将集成的传输装置、上料装置和对中装置绕销轴旋转180度展开，并将上料架搭接到炉台上；

2)启动淬火槽底部的运载小车，使其通过倾斜轨道向上运行至淬火槽顶部，并与传输装置的出料侧对接；

3)通过水排升降装置将高压喷液水排升高到淬火槽顶部，通过人工将水排喷液口的喷射角度及各喷口之间的纵横间距调整至符合实验要求，调整完成后再通过水排升降装置将高压喷液水排下降至符合实验要求的高度；

4)将淬火槽侧壁上的溢流口通过带快速接头的软管连接地下储液池，将进/出水口和高压喷液水排供液口通过带快速接头的软管连接淬火液分配器，淬火液分配器再与地下储液池内的变频泵相连；启动变频泵，地下储液池内的淬火液经淬火液分配器分配后，一部分通过进/出液口注入淬火槽内；当淬火槽内淬火液液面上升到溢流口以上高度时，部分淬火液通过溢流口回流至地下储液池内；

5)高温的钢板试样从加热炉内移至炉台后，上料装置的上料架移动将钢板试样移至传输装置的辊道上，开始进行传输；

6)钢板试样在辊道上传输过程中，经过对中装置对中后，继续传输至运载小车的试样架上；

7)载有钢板试样的运载小车沿倾斜轨道瞬间浸入淬火槽内的淬火液中进行淬火冷却，同时通过淬火液分配器向高压喷液水排注入淬火液，水排喷液口将加压后的淬火液喷向钢板试样下表面，将产生的淬火水汽膜打破；并通过喷口压力监测传感器对喷射压力进行实时监测和调整；

8)通过淬火液温度传感器对淬火槽内淬火液的温度进行实时监测，温度监测信号传递到控制系统，通过控制变频泵向淬火槽内注入淬火液的速度，调节淬火槽内淬火液的温度；

9)钢板试样达到实验预期淬火温度后，使载有淬火后钢板试样的运载小车沿倾斜轨道向上运行至淬火液液面以上，将钢板试样取走进行金相组织检验；

10)淬火实验结束后，关闭变频泵，将与淬火液分配器相连的软管通过快速接头脱开，淬火槽内的淬火液在重力作用下经进/出液口和软管回流至地下储液池中；

11)将与淬火槽连接的软管通过快速接头脱开，通过水排升降装置将高压喷液水排降至最低位置，将运载小车沿倾斜轨道运行至淬火槽底部，再将集成的传输装置、上料装置和对中装置重新折叠收纳到淬火槽内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)所述底部喷液破淬火水汽膜实验装置具有结构精巧、使用方便、节能环保、可调范围大、适用性强的优点；

2)能够实现通过一套设备获取不同材质和厚度钢板淬火后组织情况的可靠实验数据，进而对钢板相变规律和内在机理的深入研究，以及对工业批量生产时不同材质及规格的淬火钢板在制定节能、有效的淬火工艺参数，大幅提升淬火钢板产品的质量及性能的稳定性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所述底部喷液破淬火水汽膜实验装置的立体结构示意图一(主视，折叠状态)。

图2是本发明所述底部喷液破淬火水汽膜实验装置的立体结构示意图二(后视，折叠状态)。

图3是本发明所述底部喷液破淬火水汽膜实验装置的立体结构示意图三(主视，展开状态)。

图4是本发明所述底部喷液破淬火水汽膜实验装置的立体结构示意图四(后视，展开状态)。

图5是本发明所述底部喷液破淬火水汽膜实验装置的应用状态示意图一(钢板试样待传输)。

图6是本发明所述底部喷液破淬火水汽膜实验装置的应用状态示意图二(钢板试样传输到运载小车上)。

图7是本发明所述底部喷液破淬火水汽膜实验装置的应用状态示意图三(钢板试样随运载小车浸入淬火液中)。

图8是本发明所述高压喷液水排的立体结构示意图。

图9是本发明所述操作面板上控制按钮布置图。

图中：1.淬火槽2.销轴3.传输装置4.底脚固定销轴5.上料装置6.对中装置7.倾斜轨道8.运载小车9.水排升降装置10.高压喷液水排11.喷口压力监测传感器12.淬火液温度传感器13.操作面板14.地下储液池15.变频泵16.淬火液分配器17.高压喷液水排供液口18.进/出液口19.溢流口20.软管21.淬火液22.加热炉23.钢板试样24.炉台25.液晶显示板26.总开关27.功能菜单选择按钮28.增量调整按钮29.减量调整按钮30.确认按钮31.传输装置开关32.上料装置开关33.对中装置开关34.水排升降装置开关35.运载小车运行开关36.变频泵开关37.淬火槽供液开关38.水排喷液开关

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述一种底部喷液破淬火水汽膜实验装置，包括淬火槽1、传输装置3、上料装置5、对中装置6、载料移动装置和底部喷液装置；所述传输装置3、上料装置5和对中装置6集成后通过销轴2铰接在淬火槽1一侧，并可在翻转后折叠到淬火槽1内；载料移动装置设置在淬火槽1内，能够承载钢板试样23在淬火槽1内升降移动；底部喷液装置由高压喷液水排10和水排升降装置9组成。

所述淬火槽1侧壁设有溢流口19和进/出液口18，高压喷液水排10上设有高压喷液水排供液口17，溢流口19通过带快速接头的软管20连接地下储液池14，进/出液口18和高压喷液水排供液口17分别通过带快速接头的软管20连接淬火液分配器16，淬火液分配器16与地下储液池14内的变频泵15相连。

所述传输装置3由辊道支承座和安装在辊道支承座内的辊道组成，辊道的上料侧设上料装置5，辊道中部设对中装置6。

所述上料装置5由上料架、上料拉杆和上料液压缸组成；上料拉杆一端可在上料液压缸的带动下沿固定的滑轨滑动，另一端与上料架铰接；上料架能够在水平方向与向上的竖直方向之间绕铰接点转动90°，并可在水平方向移动。

所述载料移动装置由倾斜轨道7及运载小车8组成，倾斜轨道7设置在淬火槽1内，顶部靠近销轴2一侧；运载小车8能够沿倾斜轨道7在淬火槽1内升降移动，其上设有水平的试样架。

所述试样架与钢板试样23底部为点接触或线接触。

所述淬火槽1内设有淬火液温度传感器12。

所述高压喷液水排10喷口处设喷口压力监测传感器11。

所述淬火槽1一侧设操作面板13，操作面板13上设多个控制按钮，通过控制系统分别对应连接传输装置3、上料装置5、对中装置6、载料移动装置、底部喷液装置和变频泵15，控制系统另外连接淬火液温度传感器12及喷口压力监测传感器11。

基于所述装置的一种底部喷液破淬火水汽膜实验方法，包括如下步骤：

1)将底部喷液破淬火水汽膜实验装置安装到加热炉22一侧，非工作状态时，传输装置3、上料装置5和对中装置6处于折叠状态；淬火实验开始时，当钢板试样23加热完成、加热炉罩升起后，将集成的传输装置3、上料装置5和对中装置6绕销轴2旋转180度展开，并将上料架搭接到炉台24上；

2)启动淬火槽1底部的运载小车8，使其通过倾斜轨道7向上运行至淬火槽1顶部，并与传输装置3的出料侧对接；

3)通过水排升降装置9将高压喷液水排10升高到淬火槽1顶部，通过人工将水排喷液口的喷射角度及各喷口之间的纵横间距调整至符合实验要求，调整完成后再通过水排升降装置9将高压喷液水排10下降至符合实验要求的高度；

4)将淬火槽1侧壁上的溢流口19通过带快速接头的软管20连接地下储液池14，将进/出水口18和高压喷液水排供液口17通过带快速接头的软管20连接淬火液分配器16，淬火液分配器16再与地下储液池14内的变频泵15相连；启动变频泵15，地下储液池14内的淬火液经淬火液分配器16分配后，一部分通过进/出液口18注入淬火槽1内；当淬火槽1内淬火液21液面上升到溢流口19以上高度时，部分淬火液21通过溢流口19回流至地下储液池14内；

5)高温的钢板试样23从加热炉22内移至炉台24后，上料装置5的上料架移动将钢板试样23移至传输装置3的辊道上，开始进行传输；

6)钢板试样23在辊道上传输过程中，经过对中装置6对中后，继续传输至运载小车8的试样架上；

7)载有钢板试样23的运载小车8沿倾斜轨道7瞬间浸入淬火槽1内的淬火液21中进行淬火冷却，同时通过淬火液分配器16向高压喷液水排10注入淬火液，水排喷液口将加压后的淬火液喷向钢板试样23下表面，将产生的淬火水汽膜打破；并通过喷口压力监测传感器11对喷射压力进行实时监测和调整；

8)通过淬火液温度传感器12对淬火槽1内淬火液21的温度进行实时监测，温度监测信号传递到控制系统，通过控制变频泵15向淬火槽1内注入淬火液的速度，调节淬火槽1内淬火液21的温度；

9)钢板试样23达到实验预期淬火温度后，使载有淬火后钢板试样23的运载小车8沿倾斜轨道7向上运行至淬火液21液面以上，将钢板试样23取走进行金相组织检验；

10)淬火实验结束后，关闭变频泵15，将与淬火液分配器16相连的软管20通过快速接头脱开，淬火槽1内的淬火液21在重力作用下经进/出液口18和软管20回流至地下储液池14中；

11)将与淬火槽1连接的软管20通过快速接头脱开，通过水排升降装置9将高压喷液水排10降至最低位置，将运载小车8沿倾斜轨道7运行至淬火槽1底部，再将集成的传输装置3、上料装置5和对中装置6重新折叠收纳到淬火槽1内。

本发明中，传输装置3、上料装置5和对中装置6集成后通过销轴2与淬火槽1的进料端铰接并可以绕销轴2转动，该部分结构在非工作状态下绕销轴2旋转180度后能够折叠收纳在淬火槽1顶部，可以实现实验装置在非工作状态下节省占地空间的目的；固定于淬火槽1一侧地基上的底脚固定销轴4可以对展开后的传输装置起到固定作用；上料装置5能够与加热炉的炉台24搭接，用于工作时将炉台24上高温的钢板试样23移至传输装置3的辊道上从而实现钢板试样23的传输；安装于传输装置3辊道中部的对中装置6实现钢板试样23在传输过程的对中，为钢板试样23传输至运载小车8的试样架上做好准备。

载料移动装置通过卷扬机和滑轮组带动运载小车8运行于淬火槽1内的倾斜轨道7上，运载小车8用于装载钢板试样23沿倾斜轨道7瞬间浸入淬火槽1内的淬火液21中，从而减小钢板试样23各表面浸液淬火时间差，并方便将淬火后的钢板试样23从淬火液21中取出；运载小车8前端设有一个略高于传输装置3辊道的托辊，当钢板试样23传输至运载小车8前端时，在该托辊作用下整体翘起，进而落到运载小车8的试样架上；钢板试样23底部与试样架之间为点接触或线接触，使其基本处于悬空状态，不仅有利于钢板试样23下表面与淬火液21充分接触，还有利于高压喷液水排10喷射出的淬火液直接作用于钢板试样23的下表面。

带有喷口压力监测传感器11的高压喷液水排10在水排升降装置9的带动下，不仅能够上升淬火槽1顶部，以便于人工调节喷口纵横间距和喷射角度，还能够下降至淬火槽1内指定高度从而实现喷口与钢板试样23下表面之间垂直间距的调整。

淬火槽1侧壁上的高压喷液水排供液口17、进/出液口18和溢流口19分别通过带有快速接头的软管20与变频泵15、淬火液分配器16相应的接口及地下储液池14上相应的接口相连；变频泵15用于控制向淬火槽内供入淬火液21，溢流口19用于将淬火槽内溢流出的淬火液21回流至地下储液池14中，从而形成淬火液循环冷却系统；通过淬火槽1内淬火液温度传感器12对实验过程中淬火槽1内淬火液21温度进行实时监测，其检测的温度信号即时传送给控制系统，控制系统再通过调节变频泵15对淬火槽1内淬火液21的供给速度实现淬火槽1内淬火液21温度的控制。

本发明中，传输装置3、上料装置5、对中装置6、运载小车8驱动装置、水排升降装置9、高压喷液水排10的喷液装置、变频泵15及淬火液分配器16的淬火液分配装置的控制操作均通过设置在淬火槽1侧壁外部的操作面板进行，操作面板上设有总开关26、功能菜单选择按钮27、增量调整按钮28、减量调整按钮29、确认按钮30、传输装置开关31、上料装置开关32、对中装置开关33、水排升降装置开关34、运载小车驱动装置开关35、变频泵开关36、槽内淬火液供给开关37和水排喷液开关38等控制按钮，并且各系统的工作状态和操作情况均能够在操作面板13上的液晶显示板25中进行实时显示。

当需要对钢板试样进行一系列底部喷液破淬火水汽膜实验时，只需重复底部喷液破淬火水汽膜实验方法中的步骤2、3、5-9即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。