CN101379200B - 用于经过热处理的金属产品的喷淋淬火系统 - Google Patents
用于经过热处理的金属产品的喷淋淬火系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明喷淋淬火系统具有一个或多个喷淋淬火环，其向穿过淬火环的工件喷射可控量的喷液。可以在适当的位置相对于待喷淋的工件相互独立地调节淬火环。提供反射喷淋防护以防止相邻淬火环之间的喷液干扰。淬火环出口的容积可以调节。提供控制器以优化来自淬火环的淬火冷却流的分布。以模块的形式提供每一组中的具有不同直径的淬火环组。
Description
相关申请交叉引用
本申请要求2006年2月8日提交的第60/771,386号美国临时申请的权益，特此通过引用结合其全文。
技术领域
本发明涉及金属产品热处理过程中使用的喷淋淬火系统。
背景技术
加工金属制品如钢管时，淬火或淬火与回火的冶金处理广泛地用于硬化或硬化与提高韧性，以达到所需的不同于生产金属制品的原料的冶金特性。在加热产品例如电感应加热之后进行淬火。开放式喷淋淬火系统是一种类型的淬火系统，其用于提高金属制品的硬度和韧性。当在生产线上以生产线的速度淬火如管、棒等长圆产品时，决定这些处理产生的材料特性的一个重要参数是金属冷却速度，其通常必须尽可能快以获得所需的结果。而冷却速度由在快速冷却加热的金属零件的过程中使用的淬火剂的量确定。用于向加热的零件表面提供大流量的水的传统装置有时称为淬火桶。典型的淬火桶是装配多个孔的大直径整体式圆筒，在介质压力下淬火介质通过这些孔流出。当接触到加热的金属零件时，淬火剂提供达到所需硬度必须的快速冷却。众所周知固定位置的淬火环或槽淬火。该装置是空心的环，待淬火的零件从中穿过。该装置包括多个等间距的孔或槽，其用作淬火流体的喷嘴。槽淬火通常用于单一零件、小体积的应用，如感应硬化扫描器。
淬火系统必须能处理多种直径的产品。但是，现有的淬火桶和淬火环具有固定的内直径。当具有不同直径的产品穿过这些固定直径的装置时，由于喷嘴与产品之间的空隙不同，喷液碰撞产品的形状、喷淋流速和喷淋压力产生变化。对于现有的淬火系统，当喷液从用于给定喷嘴的产品反射时，反射的喷液能够干扰相邻喷嘴的喷液形状，并减弱甚至破坏其效用。现有淬火系统的上述限制还能够导致在待淬火的产品表面上形成蒸腾的蒸汽。这样形成了大大降低产品的冷却速度的热蒸汽桶。
进一步地，在现有桶淬火系统中用于形成水注细小的“针孔”淬火喷嘴限制可达到的有效喷淋量和压力。
此外，由于产品通常必须线性或旋转地移动穿过淬火装置，支撑传送器滚轮相对于产品移动的轴倾斜。这样引起不同直径的产品沿不同的中心线穿过常规的几何形状不变的淬火系统。
本发明的目标是克服上述现有喷淋淬火系统的局限性。
发明内容
一方面，本发明是用于喷淋淬火金属产品的装置和方法。至少一个淬火环包括用于向金属产品喷射淬火剂的淬火剂填充室和出口。淬火环可以由两个相互连接的环形元件构成。相互连接的环形元件构成用于向金属产品喷射淬火剂的淬火剂填充室和出口。调节两个相互连接的环形元件的相对位置改变出口的形状和容积，从而改变来自出口的喷液的压力、流速和/或形状。
在其他方面，本发明包括具有多个淬火环的用于喷淋淬火金属产品的装置和方法，其中每一个淬火环包括用于向金属产品喷射淬火剂的淬火剂填充室和出口。每一个淬火环可以由两个相互连接的环形元件构成。相互连接的环形元件构成用于向金属产品喷射淬火剂的淬火剂填充室和出口。调节两个相互连接的环形元件的相对位置改变出口的形状和容积，从而改变来自出口的喷液的压力、流速和/或形状。喷淋防护可以与一个或多个淬火环相连以防止来自相邻淬火环的反射喷液对来自淬火环的淬火剂喷液的干扰。
本发明的上述和其他方面在说明书和权利要求书中进一步阐述。
附图说明
结合附图阅读将更好地理解上述发明内容以及以下对本发明的详细说明。为了说明本发明的目的，在附图中表示了目前优选的本发明的示例性形式，但是本发明不限于在附图中公开的具体构造和装置。
图1是本发明喷淋淬火系统中使用的一个淬火环的示例的立体图。
图2是本发明喷淋淬火系统使用的多个淬火环的示例的立体图。
图3是本发明喷淋淬火系统的两个淬火环的示例的剖面图。
图4是本发明喷淋淬火系统的三个淬火环的示例的剖面图。
图5是本发明喷淋淬火系统的两个淬火环的示例的剖面图，其中一个淬火环具有伸出的喷淋防护。
图6是本发明喷淋淬火系统中的多个淬火环的示例的立体图，其中多个淬火环连接到支撑结构。
具体实施方式
在本发明的所有示例中，被热处理的工件90(金属产品)沿图中所示Z轴和箭头方向线性移动穿过一个或多个淬火环。在本发明的一些示例中，随着工件移动穿过一个或多个淬火环，工件还可以绕Z轴旋转。适当的机械装置，未在图中示出，如支撑滚轮用于推进工件穿过淬火环。虽然工件90在图中表示为圆筒形管子或管道，但是本发明可以用于不同形状的工件，例如但不限于矩形管。工件还可以包括一系列的分散工件，如齿轮，其适用于安装在用于移动分散工件穿过一个或多个淬火环的输送装置上。在淬火之前用于加热工件的加热装置未在图中表示，但是这只作为示例并不作为限制，一个或多个螺线管电感应线圈可以围绕在工件的周围用于在交流电流流过一个或多个线圈时感应加热工件。而且在一些构造中，加热装置可以在两个或更多淬火环之间间隔放置。
参考图1，其中表示本发明喷淋淬火系统中使用的淬火环的一个示例。在该示例中，淬火环包括相互连接的第一环形元件14和第二环形元件16。在非限定性示例中，第二环形元件16可调节地插入第一环形元件14，如图3、图4或图5所示，从而形成淬火环填充室18和出口通道20。沿定义的中心轴Zr(图1)移动第一和/或第二环形元件来增大或减小淬火环的出口通道的尺寸，从而改变来自出口通道的喷液的压力、流速和/或形状。在本发明的该非限定性示例中，一个或多个紧固件28用于控制第一和第二环形元件之间的间隔，从而出口开口的形状和容量将随着间隔的变化相应地改变。由一个或多个入口通道22从适当的源头向淬火环填充室提供淬火剂。在本发明的该非限定性示例中，出口通道20是环形开口，通常为圆锥形，并在工件90周围按大致锥形体360度地喷射淬火剂，如图3、图4或图5中的典型流动体92(部分表示为阴影区域)所示。虽然本示例使用360度的圆锥形流动形状，但是本发明的其他示例可以使用由第一和第二环形元件的特定构造确定的不同形状。例如，一可选示例是在工件周围的分段环状的圆锥形流动区域，其中分段的区域由挡板分隔以在工件周围的一个和多个所选区域产生淬火剂流。例如，不同于上述的360度的淬火剂流，淬火剂流可以是由分割挡板限定为工件周围0-90度、180-270度的角形区域。在本发明的一些示例中，淬火环的出口的形状和容积是固定的。
图2表示本发明喷淋淬火系统的另一示例。在该示例中，随着工件90移动穿过淬火环，多个淬火环12a、12b、12c和12d环绕在工件90的周围。每一个淬火环结构上类似于图1所示的淬火环。相邻淬火环之间的距离ds可以由适当的装配结构独立调节以满足特定应用的淬火条件。此外，每一个淬火环的中心轴Zr的位置可以由适当的装配结构独立调节以满足特定应用的淬火条件。如上所述，在一些应用中，当工件移动穿过一个或多个淬火环时，可以绕Z轴旋转。在该结构中，随着工件穿过淬火环，扭力可以引起工件的中心轴的位置偏离。移动淬火环是有益的，从而淬火环的中心轴跟随移动穿过淬火环的工件偏离。图6示意性地表示适当的装配支撑结构30的非限定性示例。支撑结构30包括支撑臂32a-32d和淬火环位置控制元件34。支撑臂32a-2d分别将淬火环12a-12d连接到淬火环位置控制元件34。每一个支撑臂的位置可以由控制元件34沿Z轴调节，以改变两个或更多相邻淬火环之间的距离。在本发明的一些示例中，通过控制元件34移动与X-Y平面中的一个或多个淬火环相连的支撑臂，一个或多个淬火环的中心轴的位置可以在X-Y平面中变化。控制元件34和支撑臂可以由适当的执行机构驱动，该执行机构响应计算机处理控制器的输出快速执行所需的一个或多个淬火环的位置变化。
图3说明本发明的喷淋淬火系统的另一示例。淬火环12e和12f在结构上类似于图1所示的淬火环，并且包括喷淋防护24，喷淋防护连接到淬火环的上游侧以偏转和散开反射的喷液体94(部分如图中的阴影部分所示)。喷淋防护的一个非限定性示例是环形的圆盘。喷液体94代表来自体92的入射喷液反射离开工件的喷液的典型包络面。在上游的淬火环释放淬火液之前偏转和消耗反射的喷液以防止反射的喷液干扰上游的淬火环释放的淬火剂。例如，图4中从淬火环12e释放的反射淬火剂由与上游淬火环12f相连的喷淋防护偏转，从淬火环12f释放的反射淬火剂由与上游淬火环12g相连的喷淋防护偏转。喷淋防护24可以永久固定到与其相连的淬火环的一侧，也可以可调节地连接到与其相连的淬火环的一侧，如图5所示，其中一个或多个偏移紧固件26用于偏置与淬火环12j相连的喷淋防护。该结构在应用中具有优点，与适于在淬火环的一侧上直接安置喷淋防护相比，可以更向下游地固定下游淬火环。根据淬火环和待加热工件的具体细节，每一个喷淋防护的形状和位置可以改变。
在本发明的另一示例中，结合上述一个或多个本发明的示例，可以调节单个淬火环的流量，以优化来自每一个淬火环的冷却液的分布，从而匹配淬火速度与工件的批量冷却要求。例如，具有适当输入和输出设备的计算机处理器可以用于实现以下淬火系统的一个或多个调节：(1)改变两个或更多淬火环之间的距离；(2)改变一个或多个淬火环的中心线位置；(3)改变一个或多个喷淋防护的位置；及(4)改变一个或多个淬火环的出口形状和容积，其中包括完全关闭一个或多个淬火环的出口。这些淬火系统的调节可以根据穿过淬火环的工件的批量冷却要求由处理器执行的计算机程序动态地实现。在本发明的一些示例中，热成像例如红外热成像可以用于向控制系统提供反馈数据以指示实时冷却结果。
在本发明的其他示例中，具有特定内直径的一个或多个淬火环可以组装在模块中。模块可以结合上述的支撑结构。具有不同内直径的淬火环和/或其他不同淬火系统零件的不同模块可以在热处理线上替换，以适应不同尺寸的工件和/或具有不同批量冷却要求的工件。可为每一个模块提供用于淬火剂和任何电和/或机械接口的快速连接。
在本发明示例中，只要元件形成淬火剂填充室和可调节的出口开口，所示的第一和第二淬火环元件的具体形状可变化，而不脱离本发明的范围。进一步地，不脱离本发明的范围，多于两个的环形元件(第一和第二淬火环元件)可以实现上述发明的相同功能。在本发明的一些示例中，一个或多个淬火环可以构成具有可选铰链元件的可分离环形组件，从而一个或多个淬火环可以在工件周围替换。
虽然在本发明的不同示例中表示了特定数量的淬火环，但是淬火环的数量可以变化，而不脱离本发明的范围。进一步地，在特定的应用中一个或多个淬火环可以与其他元件间隔放置，如用于工件的机械支撑或传输元件，以及如感应加热装置的加热元件。在具有两个或更多淬火环的结构中，每一个淬火环的出口容积可以独立地调整以形成特定应用所需的独特的喷液量。
提供本发明的上述示例仅为了说明的目的，绝不视为限制本发明。虽然已经参考各个实施例描述了本发明，但在此所使用的词语是说明性和示意性的，而不是限制性的。虽然已经参考具体装置、材料和实施例描述了本发明，但是本发明不受在此公开的细节限制，而且本发明涵盖权利要求范围内的所有功能等同的结构、方法和用途。受益于该说明书和权利要求的启示，本领域的技术人员可以对本发明做出多种不脱离本发明范围的修改和变化。
Claims (13)
1.用于向沿着中心轴穿过淬火环的工件喷射淬火剂的淬火环，所述淬火环包括：
外环形元件，具有一个或多个入口通道以从适当的淬火源向淬火环填充室提供淬火剂；
至少部分可调节地插入所述外环形元件内的内环形元件，从而形成淬火环填充室和淬火剂的出口通道，内和外环形元件的相对的内表面形成淬火环填充室，出口通道是环状圆锥形开口，在内和外环形元件的相对的内表面之间形成，出口通道朝向淬火环填气室，并在工件周围按锥形体360度地喷射淬火剂；和
一个或多个紧固件，用于沿着中心轴移动外和/或内环形元件来增大或减小淬火环的出口通道的尺寸以改变来自出口通道的淬火剂的压力、流速和/或形状。
2.如权利要求1的淬火环，其中还包括挡板用于环状地分隔所述锥形体的区域。
3.如权利要求1的淬火环，进一步包括具有用于改变淬火环的中心轴的位置的支撑结构。
4.用于向沿着中心轴穿过淬火环组件的工件喷射淬火剂的淬火环组件，所述淬火环组件包括：
两个或更多个淬火环，两个或更多个淬火环中的每一个包括：
外环形元件，具有一个或多个入口通道以从适当的淬火源向淬火环填充室提供淬火剂；
至少部分可调节地插入所述外环形元件的内环形元件，从而形成淬火环填充室和淬火剂的出口通道，内和外环形元件的相对的内表面形成淬火环填充室，出口通道是环状圆锥形开口，在内和外环形元件的相对的内表面之间形成，出口通道朝向淬火环填气室，并在工件周围按锥形体360度地喷射淬火剂；
一个或多个紧固件，用于沿着中心轴移动外和/或内环形元件来增大或减小淬火环的出口通道的尺寸以改变来自出口通道的淬火剂的压力、流速和/或形状；及
与两个或更多个淬火环中的至少一个的内或外环形元件的外部相连的喷淋防护，固定所述喷淋防护以防止来自工件的反射喷液干扰从两个或更多个淬火环中的至少一个喷射的淬火剂，反射喷液来自两个或更多个淬火环中的相邻淬火环的出口通道；及
用于安装两个或更多个淬火环的支撑结构。
5.如权利要求4的淬火环组件，其中支撑结构进一步包括用于改变两个或更多个淬火环之间的距离的装置。
6.如权利要求4的淬火环组件，其中支撑结构进一步包括用于改变两个或更多个淬火环中的至少一个的中心轴的位置的装置。
7.如权利要求4的淬火环组件，其中淬火环组件包括具有两个或两个以上淬火环的模块，两个或两个以上淬火环具有相同的内径。
8.如权利要求4的淬火环组件，其中在两个或更多淬火环中的至少一个的内或外环形元件的外表面可调节地放置喷淋防护。
9.淬火工件的方法，所述方法包括步骤：
使工件沿着中心轴穿过包括外环形元件和内环形元件的淬火环，；
向外环形元件中的开口提供淬火剂，所述开口与淬火环填充室连通，由可调节地插入所述外环形元件的内环形元件形成淬火环填充室和自淬火环填充室的淬火剂出口通道；
从出口通道向已通过淬火环的工件表面按锥形体360度地喷射淬火剂；及
沿着中心轴移动外和/或内环形元件来增大或减小淬火环的出口通道的尺寸以改变来自出口通道的淬火剂的压力、流速和/或形状。
10.淬火工件的方法，所述方法包括步骤：
使工件沿着中心轴穿过包括两个或更多个淬火环的淬火环组件，两个或更多个淬火环中的每一个具有外环形元件和内环形元件；
向两个或更多个淬火环中的每一个的外环形元件中的开口提供淬火剂，所述开口与相连的淬火环的填充室连通，由可调节地插入所述外环形元件的内环形元件形成淬火环填充室和自淬火环填充室的淬火剂出口通道，从而内和外环形元件的相对的内表面形成淬火环填充室和出口通道，出口通道朝向淬火环填充室；
从两个或更多个淬火环中的每一个的出口通道向工件的表面按锥形体360度地喷射淬火剂；
沿着中心轴移动外和/或内环形元件来增大或减小淬火环的出口通道的尺寸以改变来自出口通道的淬火剂的压力、流速和/或形状；
响应于穿过淬火环组件的工件的批量冷却要求，动态地调节位于两个或更多个淬火环中的一个淬火环的内或外环形元件之外的喷淋防护的位置，以偏转从两个或更多个淬火环中的相邻淬火环的出口通道喷射出的淬火剂引起的反射喷液。
11.如权利要求10的方法，进一步包括步骤：响应于穿过淬火环组件的工件的批量冷却要求，动态地调节两个或更多个淬火环中的至少两个相邻淬火环之间的距离。
12.如权利要求10的方法，进一步包括步骤：响应于穿过至少一个淬火环的工件中心轴的位置，动态地调节两个或更多个淬火环中的至少一个淬火环的中心轴的位置。
13.如权利要求10的方法，进一步包括步骤：模块化地替代淬火环组件。
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