专利名称：受控形成和输送具有至少二种组分的气体气氛的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种受控形成和输送具有至少二种组分，其中一种是来自液体蒸汽形式的气体气氛的装置。本实用新型同时涉及上述装置的具体应用，特别是应用于钢铁制品在炉中热处理的设备或其渗碳过程的设备；气体渗碳处理是使碳原子吸附于制品的表面上以提高它的表面硬度和改进它的疲劳强度。在一切有必要保持和／或控制组分之间比例的情况下，具有二种组分(其中一种以蒸汽形式)的气体气氛的形成和输送，一直存在以及现在仍存在着一系列的问题。这类气氛的例子可见于某些类型的燃烧气氛(但不限于这些燃烧气氛)，其中较具体的是燃料为液体形式的燃烧气氛，诸如，适用于为燃烧器喂入甲醇或其它液体燃料的气氛，以供发动机的燃烧气氛。其它应用则涉及气氛的产生和输送应用于钢在气体气氛中的热处理，诸如，钎焊、渗氮、退火和渗碳处理，此时气氛的一种组分是来自一种液态物质。
本实用新型的研制，目的主要是为了应用于渗碳处理过程的装置。通常的加热炉，炉中有气体混合物存在，它包括一种渗碳剂。由于该过程是在超过800℃的温度下进行，炉中的渗碳剂就分解，从而释放出碳原子，吸附于钢的表面层，达几个微米的深度。
在目前，机械部件，诸如，发动机工业的齿轮的渗碳工艺是在连续窑或大尺寸的间歇窑中进行的，采用的气体气氛就在窑中产生或在窑外由内热式发生器产生。
近来采用一些加浓流体诸如，甲烷或丙烷等气体烃类提供工艺所需的碳，而渗碳过程监控通过与计算机控制的系统相连接的氧探头进行。该技术的实际趋势是“就地”产生一种保护气氛，例如，是将氮和甲醇直接导入炉中，但必需保持适当高的炉腔中的温度，甲醇通过吸热反应分解为CO和H2，其结果是产生了保护性“载带”气氛，以构成了对渗碳过程必要的保证。
在诸如甲烷或丙烷难以获得(如果不是没有的话)的地方，就必须采用其它种类的渗碳剂，这些渗碳剂虽然易得并较经济，但不能直接用于已知技术的渗碳工艺中。例如，根据目前的已知方法，气体渗碳处理的进行，是用氮和甲醇在“就地”产生载带气氛，而渗碳气氛则通过滴加诸如甲醇和乙酸乙酯产生。该工艺的控制按操作者的经验和钢样在最重要的工艺阶段检测到的数据，通过调节液滴数目人工进行。
这个方法的一个主要缺点在于难以找到可靠的控制机构，用来以比例方式调节非常少量的液体(就它们的性质来说是高能量的溶剂类)。另外，可靠的自动化控制确实是一个重要问题，这些自动化控制例如，包括氧探头和计算机控制的系统，由于氧探头具有十分快的响应时间，致使难于适用于滴入输入式的间歇加浓系统。
通过以上叙述之后，本实用新型的一个目的就是提供一种形成和输送具有至少二种组分，其中至少一种是得自液体蒸气形式的气体气氛的装置，该气氛的组分之间的比例可以高精度严格地控制。本实用新型的另一个目的是提供一种产生和输送燃烧气体气氛或钢热处理用的气体气氛，这些气氛或其中部分具有前述的起源或特征。本实用新型更具体的一个目的是提供一种渗碳过程的装置，该装置是通过采用液体有机化合物，就地产生渗碳气氛和／或载带气体气氛。本实用新型又一个目的是提供一种气体渗碳工艺用的装置，它通过采用液体有机化合物，使该处理气氛的组成得以可靠地控制。
本实用新型的目的是通过以下方式实现的一种钢铁制品气体渗碳过程的装置，包括所述制品在具有还原作用的载体气氛和能释放碳原子吸附在所述制品表面上的渗碳气氛中进行热处理的炉子，其特征在于包括至少一个装有液体有机化合物的饱和器，所述的饱和器包括一种调节液体有机化合物温度的装置和使载体气体在所述液体有机化合物内鼓泡通过从而使所述液体有机化合物以蒸汽形式转移的装置。
其特征在于它包括各装有一种互相不同的液体有机化合物的两个饱和器，所述的饱和器都具有独立调节其各自液体有机化合物温度的装置和独立调节相关的载体气体流量的装置。
其特征在于它包括一个检测炉内气氛组分的氧探头、检测炉内温度的一个热电偶以及可测定随所述探头和所述热电偶的信号而变化的渗碳能力的控制单元并随后控制炉内气氛组成的控制单元。
其特征在于所述的控制单元能够对调节液体有机化合物温度进行控制的所述装置。
其特征在于所述的控制单元为能够对调节所述载体气体流量进行控制的装置。
其特征在于调节所述载体气体流量的装置，是一个能够传送载体气体到任一个饱和器或两个饱和器的比例型三向电动阀。
其特征在于调节每一种所述液体有机化合物温度的装置包括循环热交换液体用的泵的循环管路、加热该液体的装置设置在饱和器内并与其中液体有机化合物接触的热交换器，以及至少一个具有热敏电阻的温度计，以便对循环泵和／或加热液体的热交换装置起作用来控制所述液体有机化合物的温度。
本实用新型的优点是明显的，通过将载体气为有机液体蒸汽饱和来得到渗碳气氛，以及另外，至少载带气氛的部分是就地产生的，其产生方法是将一种气体混合物输入炉内，该气体混合物的制备是由一种载气(与前述的那种相同或不同)在另一种液体有机化合物中鼓泡通过，使它以蒸汽形式到炉中。
以这种方式，即使在没有目前采用的气态有机化合物的情况下，也有可能实现渗碳过程，而获得从逻辑和经济两方面观点上的显著好处。
以下将结合附图和实施例(但无限制意图)对本实用新型作进一步的详细说明，以使本实用新型的特征和优点就更为明显。
实施例1
图1，为本实用新型一种饱和器的结构和操作示意图，该图中还有一个因饱和器中温度改变而产生的液体蒸汽压的变化以及相应组分的百分数变化的座标图。
图2，为本实用新型的用于气体渗碳处理设备的一种饱和器装置示意图；图3，为根据本实用新型一个实例的气体渗碳处理设备的示意图；图4，为根据本实用新型另一个实例产生一种用于气体渗碳处理设备的装置示意图；图5，为根据本实用新型再一个实例的气体渗碳处理设备的示意图。
实施例1如
图1所示一种饱和器装置100，它主要由一台装有液体(最好是，但不一定是一种有机液体)的密闭贮器构成；控制在102的进料以保持液位在预定的101位置。令一种载气经例如导管103输入，鼓泡通过饱和器中的液体，使之得到气体气氛的第二种组分。因此，在饱和器的液位101上面就形成了由103进入的气体和由102进入的液体蒸气组成的一种混合物，在所述混合物中二种组分的百分数之之比严格取决于温度和压力。在
图1所示的具体实例情况下，以及在本实用新型的实际应用的一般情况下，压力最好保持在恒定值，例如等于大气的压力，而对所述的百分数之比值的控制通过温度来进行控制。
图1中所示的座标图本身是在大气压力下获得的，其横座标为直至该液体沸点的温度，纵座标为组分的百分数。用这样结构和控制的饱和器，就可以生成和输送作为燃烧器、发动机等用途的燃烧气氛。其中的气体组分一般为空气，而液体蒸发的组分一般为轻有机化合物。
仍采用相同的原则，可以生成和输送在炉中作为金属材料热处理的诸如，钎焊、渗氮、退火和其它钢铁制品的处理的气体气氛。
本申请人仔细研究的本实用新型的一种应用是涉及气体渗碳处理，如图2所示，它采用了饱和器装置1，该装置由一个隔热容器构成，其中导入一种有机液体，基本保持在恒定液位和受控的温度下，通过装有开关阀的导管2将液体有机化合物输入小贮槽4。贮槽4装有开关浮阀，使该槽本身和通过导管5与它相连的饱和装置1中的液位恒定。事实上，为了在饱和器装置1上部为产生的蒸汽保持基本上恒定的空隙体积，维持液体有机化合物的基本恒定是特别重要的。在饱和器装置1中的液位的连续控制由浮子指示器14保证。
为了使液体有机化合物状态改变，即转变成蒸汽，饱和器装置1中有调节有机化合物温度的装置，以及将载体以一受控流量鼓泡通过该液体的装置。调节饱和器中液体温度的装置由循环热交换流体，例如，水泵6和设置在泵6下流的加热该液体的装置7组成的循环管路。该加热液体在体积上可预料的变化，可由位于泵6上流的调节槽11所容纳。调节槽11和泵16之间的连接，为来自装有开关阀的导管8的液体连接进料管道。在饱和器内装有一热交换器，如图2的实例所示，它由位于加热装置7的下流和调节槽11的上流互相串联的两个元件10′和10″构成。元件10′和10″浸在有机液体化合物中，使该循环的热交换液体和在饱和器1中有机化合物液体之间进行热交换。
有机液体化合物的温度控制是通过温度计12根据其热敏电阻所检测的温度而作用在循环泵6和加热装置7。载气通过装有开关阀16的导管15进入径直流到浸在位于饱和器1中较低部分的有机液体中的一组喷射器17。从喷射器17，就有细分散的上述载气流向上鼓泡通过该有机液体为其蒸和所饱和，载气所含蒸汽的量则是该液体温度的函数。
已经知道，液体的蒸汽压是温度和压力的函数。假定在一预定的压力下操作，可以画出任一液体的蒸汽作为温度函数的具体曲线。其类型如
图1所示。这样，通过改变液体有机化合物的温度就可以精确地调节蒸汽的含量。从而调节来自饱和器1的有机化合物的相应含量。
仍旧参照图2，产生的蒸汽通过与饱和器上部连结的绝热的和加热的导管18输出。一个单向阀21装在出气管19的下流防止蒸汽返回流向饱和器1。钢铁制品就可在炉中在具有还原作用的载带气氛和释放碳原子的渗碳气氛中进行渗碳处理。
实施例2如图3所示，为实施本实用新型的又一种装置。它分别有装有甲醇和乙酸乙酯的两个饱和器装置1a和1b，甲醇通过导管2a输入，乙酸乙酯通过导管2b输入。
饱和器装置1a和1b都装有为每一种有机液体的独立进行温度调节的装置。
这两个饱和器的独立的调节温度装置都由二个独立的循环管路构成，这两个循环管路都由设有开关阀42的公用导管41供水。由于有了二个独立的分别用于甲醇和乙酸乙酯的饱和器装置，为了得到用于炉中组成稳定的气氛就可将每个饱和器备设定在某个操作温度。
该装置操作所需的氮气系通过装有开关阀31的输送导管30供应。在阀31的下流，有一个比例型的三路电动阀，使氮气流通过导管33进入饱和管1a，或者通过导管34进入饱和器1b，或同时进入这两个饱和器。在导管33和34位于饱和器1a和1b上流装有流量计35和36，以测量各自的氮气流速。
每一饱和器的出口管18a和18b都为加热和绝热型。两根出口管与一根也是加热和绝热型的导管37相连，导管37将气体混合物传送至集流管38，进入炉子40，在集流管38的上流有一开关阀39。
用氧探头44监控工艺过程的各种不同条件，以检测炉中气氛的组成，而用热电偶检测炉内温度。来自氧探头44和热电偶45的信号通过接口7送到控制程序块，以测定炉内气氛的组成，特别是炉子40内的渗碳能力。
炉内气氛的调节通过控制单元46作用于三向电动阀32进行，后者是一种比例型三向电动阀，以增加进入二个饱和器中的一个，例如，饱和器1a的氮气流量，而同时降低进入另一饱和器1b的氮气流量，反之亦然。
于是，炉子40内气氛的组成，即载带气氛和渗碳气氛之间的比例可以以自动方式改变，使用于渗碳过程的碳开始的最大值(对应的总的氮气流量都经过饱和器1b中)，直至为零值(对应于总的氮气流量经过饱和器1a)。
实施例3本实用新型的另一个实施方案是“就地”产生渗碳气氛的装置。其方案是将放热性气体鼓入第一种有机液体中，使它转变为蒸汽，得到一种气体混合物，将该气体混合物通入炉内。为此目的，是将一种在低压和环境温度的放热性气体流鼓入含乙酸乙酯或丙酮的饱和器中。
以此方式，可以得到一种不用氮气的渗碳处理气氛，因为在某些情况下，当地可能是无法取得的。
按照本实用新型的较佳实施例方案，放热性气体的获得是以空气作为载气鼓入甲醇中得到一种混合物，该气体混合物再经燃烧，接着冷冻干燥。
图4表明用在本实施例中的一种放热性气体产生装置，它采用含甲醇的一个饱和器装置1c，其中用空气鼓泡。
甲醇通过导管60输入饱和器1c，而空气是通过设有过滤器62的压缩机61从大气压入。在压缩机61下流空气经导管63和64输送，然后分别送入饱和器1c和密闭回流式燃烧器80。导管63和64上分别装有流量计65和66以及相应的开关阀67和68。
在此情况下，容纳在饱和器装置1c中的甲醇加热装置是一个贮槽69，来自燃烧器80冷却夹套的被加热了的水通过导管70流入此贮槽使加热的甲醇，贮槽69中过量的水由排放于75中。
水的温度通过温度计71基于装在饱和器1c中的热敏电阻仪73检测到的温度作用在循环泵72上进行控制。
从饱和器1c出来的蒸汽通过绝热和加热型的导管74输入燃烧器80。燃烧过程由于主要含有N2、CO2、H2O以及非常低百分数含量的残余燃料，所以它是一个具有惰性气体混合物特征的放热性较差的气氛。
从燃烧器80出来的气体混合物，首先通过导管76传送到一热交换器，然后通过导管78到冷冻器79，将它的温度降到6－80℃，并降低其水份至所携带的水量约为1％体积。热交换器77使它先行降低温度，从而降低由燃烧器80出来的燃烧产物中的水含量。
冷冻器79是一个冷却去湿室82，气体混合物通过它与冷凝循环的蒸发器进行热交换。在室82中形成的水收集在水汽分离器83中，然后，通过废气排管84排放。在室82出口得到的经冷冻的放热性气体通过分离器86，接着通过导管85作为渗碳装置的进料。
由此得到的放热性气体，可用作炉室的保护气氛或炉室的清洗气氛，同时，当加入适量的乙酸乙酯或丙酮时，也可用作气体渗碳处理的载体气体。作为后者使用时，必需将经冷冻的放热性气体与约7－8％乙酸乙酯或丙酮蒸气进行反应，将CO2和H2O分别转化为CO和H2。这样，在炉中，就会得到一种含约26－28％CO，17－20％H2，余量为N2的一种气氛。
具有如此组成的气氛，虽然具有一定的渗碳能力，但渗碳性能仍不充分，而如果CO2和H2O尚未完全转化，它甚至具有脱碳特性。因此，有必要将其量超过CO2和H2O的部分全部转换掉，并以严格所需的乙酸乙酯或丙酮蒸气输入炉中，提供用于渗碳的碳量。
一种“就地”产生的该类型的气氛，处理循环可以十分简单和迅速地，对应于处理循环中所引起的渗碳能力的快速变化而改变。
采用冷冻的放热气氛的进一步优点在于其中有诸如CO2和H2O的氧化性元素存在，易于用来清除炉中可能有的积碳以及用来对被处理的材料进行预氧化。
实施例4图5表示了一种气体渗碳处理的装置，由图4设备产生的经冷冻的放热性气体通过设有开关阀100的导管85进入该装置。在开关阀100的下流，气体可分别沿不同的导管流动，气体可以通过导管101输入饱和器1d或直接通过导管102流入炉子40中，或者在与通过导管104输入一气态添加剂混合后，此放热性气体才通过导管103输入炉40中，饱和器1d通过输送管105将乙酸乙酯或丙酮输入。
前已表明，饱和器温度是通过设有开关阀107和减压器109的导管106输送的水的循环管路来调节的。在饱和器1d中对放热性气体添加乙酸乙酯或丙酮蒸汽，然后通过加热和绝热型的导管110传送到炉中的进料集流管38。
工艺过程进展的状况也是通过在炉内检测气氛的氧探头44和检测炉40内温度的热电偶装置进行的。在这种情况下，炉40内气氛的调节是通过温度计111由控制单元46间接作用于饱和器1d中的有机液体的温度来进行的。
随着仅仅改变饱和器装置1d中有机液体的温度，就可以非常简单和快速地改变渗碳处理的渗碳能力。
上述实施例1－4中的
图1－5中的标号，除了在实施例中另有说明外，均代表相同的含义。
上述具体实施例仅为了说明的目的，本实用新型的保护范围将在权利要求书中体现。
权利要求1.一种钢制品气体渗碳过程的装置，包括所述制品在具有还原作用的载体气氛和能释放碳原子吸附在所述制品表面上的渗碳气氛中进行热处理的炉子，其特征在于包括至少一个装有一种有机化合物液体的饱和器，所述的饱和器包括一种调节所述有机化合物温度的装置和使载体气体在所述液体有机化合物内鼓泡通过从而使所述有机化合物液体以蒸汽形式转移的装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于它包括各装有一种互相不同的有机化合物液体的两个饱和器，所述的饱和器都具有独立调节其各自液体有机化合物温度的装置和独立调节相关的载体气体流量的装置。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于它包括一个检测炉内气氛组分的氧探头、检测炉内温度的一个热电偶以及可测定随所述探头和所述热电偶的信号的变化的渗碳能力的控制单元并随后控制炉内气氛组成的控制单元。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述的控制单元能够调节液体有机化合物温度进行控制的所述装置。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述的控制单元为能够对调节所述载体气体流量进行控制的装置。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于调节所述载体气体流量的装置，是一个能够传送载体气体到任一个饱和器或两个饱和器的比例型三向电动阀。
7.如权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于调节每一种所述液体有机化合物温度的装置包括循环热交换液体用的泵的循环管路、加热该液体的装置，设置在饱和器内并与其中液体有机化合物接触的热交换器，以及至少一个具有热敏电阻的温度计，以便对循环泵和／或加热液体的热交换装置起作用来控制所述液体有机化合物的温度。
专利摘要一种钢制品气体渗碳过程的装置，包括所述制品在具有还原作用的载体气氛和能释放碳原子吸附在所述制品表面上的渗碳气氛中进行热处理的炉子，其特征在于，包括至少一个装有一种有机化合物液体的饱和器，所述的饱和器包括一种调节所述有机化合物液体温度的装置和使载体气体在所述有机化合物液体内鼓泡通过，从而使所述体有机化合物液体以蒸汽形式转移的装置。
文档编号B01F3/00GK2199992SQ94215978
公开日1995年6月7日 申请日期1994年6月22日 优先权日1993年9月24日
发明者哥伦巴尼, 斯吐凯, 鲍托斯 申请人:林白工业有限公司