CN101928818B - 一种中空管状热处理件的快速空气冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中空管状热处理件的快速空气冷却装置，该快速空气冷却装置包括：空气供应部，用于提供高压空气；外部喷射部，设置于热处理件外侧，用于将空气供应部所供应的空气喷射至热处理件的外周面；内部送风部，设置于热处理件下侧，用于将空气吹送至热处理件的内周面；升降部件，为使热处理件容置于外部喷射部的内部，而将外部喷射部举升至热处理件上侧；控制部，用于控制外部喷射部和内部送风部所喷射、吹送的空气喷射量、喷射时间。本发明可将高压空气均匀喷射至中空管状大型锻造品的整个内、外周面上，均匀地完成快速冷却，从而能够在低温条件下引导向铁素体及珠光体的变化，形成微细结晶粒子，提高抗拉强度或低温冲击性能等机械特性。

Description

一种中空管状热处理件的快速空气冷却装置

技术领域

本发明涉及一种中空管状热处理件的快速空气冷却装置，尤其涉及一种朝大型中空管状锻造品的内、外周面喷射气体以进行快速冷却，从而实施正火处理的中空管状热处理件的快速空气冷却装置。

背景技术

热处理方法可大致分为：退火(annealing)，用于除去铸造或锻造后的偏析及残留应力，达到均质化或软化目的；正火(normalizing)，用于通过微细化结晶粒子来提高机械特性或加工性能；淬火(quenching)，用于达到硬化的目的；回火(tempering)，用于达到增强韧性的目的；以及其它热处理方法。

其中，正火是一种通过结晶粒子的微细化提高强度，在淬火或退火的再加热过程中形成均匀的奥氏体状态，以通过除去铸造品或锻造品中的偏析形成均匀组织的热处理方法，通常采用以奥氏体范围(比A3或Acm点高30℃-50℃)的温度进行加热之后在大气中缓慢冷却或送风冷却的方法。

尤其是，用来作为风塔法兰等的大型中空管状环形产品，一般通过锻造处理的方法进行生产，通常按产品的大小切割厚板(slab)或铸锭(ingot)进行加热之后，在压床上实施第一次锻造获得粗造体(rough shaping)。接着，再加热粗造体进行第二次锻造，在尺寸和形状形成之后实施正火、淬火、回火等热处理，以均化组织并确保机械特性。

此时，通过正火对上述大型环形锻造品进行热处理之后冷却时，通常在大气中进行空冷，因此存在一些问题。

图1为表示现有技术中正火热处理时冷却状态的连续冷却变化曲线图。

如图所示，随时间温度渐渐按比例降低，从奥氏体(austenite)向铁素体(ferrite)及珠光体(pearlite)等二次组织的变化在很高的温度(800℃以上)上发生，因此组织的结晶粒子将会变大。因此，完成正火的产品抗拉强度或低温冲击性能等机械特性将有所降低。

为解决上述问题，可利用送风装置进行一定程度的快速冷却之后，在低温状态下引导铁素体及珠光体的变化，但上述方法只适合于零件、钢板、工具等小型锻造品，而大型环锻造品因其直径通常为5m-6m以上，且厚度较厚，因此其相对于板材的单位质量表面积较小，很难用送风装置进行快速冷去。因为虽然其表面可快速冷却，但其中心部冷却缓慢，因此很难使其表面和内部同时冷却至低温，并在低温下发生变化。

为了解决上述问题，在现有冷却装置中有向表面喷射水进行快速冷却的装置，但这样的装置因为只能快速冷却表面，在表面形成马氏体(martensite)组织，从而反而有可能破坏所希望获得的机械特性，而且很难控制正确的水喷射量、喷射时间及冷却速度。

而且，对于中空管状产品，因为不能向其内周面喷射水，因此其冷却效率较低。

另外，即使将水喷射至内周面进行冷却，也会因为热处理件内、外部冷却温度或速度的差异，从而在冷却后产生残留应力。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种中空管状热处理件的快速空气冷却装置，该中空管状热处理件的快速空气冷却装置用于向中空管状的大型锻造品内、外周面均匀喷射空气，完成均匀的快速冷却，且其冷却效率高。

本发明的另一目的在于提供一种中空管状热处理件的快速空气冷却装置，该中空管状热处理件的快速空气冷却装置能够根据正火热处理件表面温度控制空气喷射量及喷射时间，从而在低温状态下发生向铁素体及珠光体的变化，形成微细的二次结晶粒子。

为达到上述目的，本发明提供一种中空管状热处理件的快速空气冷却装置，其特征在于，该中空管状热处理件的快速空气冷却装置包括：空气供应部，该空气供应部用于提供高压空气；外部喷射部，该外部喷射部设置于热处理件外侧，用于将上述空气供应部所供应的空气喷射至热处理件的外周面；内部送风部，该内部送风部设置于热处理件下侧，用于将空气吹送至热处理件内周面；升降部件，该升降部件为使热处理件容置于上述外部喷射部的内部，而用于将上述外部喷射部举升至热处理件上侧；控制部，该控制部控制上述外部喷射部和内部送风部所喷射、吹送的空气的喷射量和喷射时间。

在此，上述外部喷射部的特征在于，该外部喷射部包括：水平喷射管，该水平喷射管包括沿上下方向排列的多个供空气流动的环形管；多个垂直喷射管，该多个垂直喷射管分别与上述水平喷射管垂直结合；多个喷嘴，该多个喷嘴设置于上述水平喷射管及垂直喷射管上以喷射空气。

而且，上述外部喷射部的特征在于，该外部喷射部包括：圆筒形框架，该圆筒形框架包括沿上下方向排列的多个多边形或环形的环形部件，并且在上述环形部件上垂直结合有条形部件；多个供应管，该多个供应管沿着上述框架的外侧按一定间隔垂直设置，并从上述空气供应部获得空气供应；多个空气喷射口，这些空气喷射口的一侧沿着上述供应管上下结合在所述供应管上，另一侧与上述框架的外侧结合，以将上述供应管所供应的空气喷射至热处理件外周面。

另外，上述内部送风部的特征在于，该内部送风部包括：送风机，该送风机用于吹送空气；导管，该导管结合于上述送风机并设置于上述热处理件下侧，用于导引空气吹送至热处理件的内周面；送风角调节部件，该送风角调节部件设置于上述导管的上端，用于调节吹送的空气送风角。

优选地，上述送风角调节部件的特征在于，该送风角调节部件包括：多个铰链部，该多个铰链部在上述导管上端，并沿着该导管的上端边缘按一定间隔结合在该导管的上端边缘上；多个调节片，该多个调节片各自具有平板形状，并且各自可旋转地结合在相应的上述铰链部；驱动圆筒，该驱动圆筒结合于上述调节片中的一个上以驱动上述调节片旋转。

而且，上述升降部件被下述的电机驱动，以升降上述外部喷射部，其特征在于，该升降部件包括：多个导引部，该多个导引部直立设置在上述外部喷射部外侧；升降支持部，该升降支持部插入到上述各导引部上并结合在上述外部喷射部的外侧上；电机，该电机设置于上述外部喷射部上方；链条，该链条的一侧结合于上述外部喷射部的上部，另一侧缠绕于上述电机上；重量平衡块，该重量平衡块结合于从上述电机上延伸的链条的端部。

优选地，上述电机的特征在于：该电机受上述控制部的控制而进行正向旋转或逆向旋转，从而使上述外部喷射部沿着上述导引部反复升降。

上述结构的本发明，可将高压空气均匀喷射至中空管状大型锻造品的整个内、外周面上，从而整体上均匀地完成快速冷却，冷却效率高。

而且，可根据热处理件的表面温度来控制冷却速度，因此可在低温条件下引导向铁素体及珠光体的变化，形成微细结晶粒子，提高抗拉强度或低温冲击性能等机械特性。

附图说明

图1为表示现有技术正火热处理时冷却状态的连续冷却变化曲线图；

图2为本发明优选实施例的中空管状热处理件的快速空气冷却装置的正视图；

图3为图2所示本发明的侧视图；

图4为本发明外部喷射部的实施例的示意图；

图5为本发明送风角调节部件结构的平面图；

图6为本发明另一优选实施例的平面图；

图7为图6所示的本发明外部喷射部的平面图；

图8为表示根据本发明进行热处理时冷却状态的连续冷却变化曲线图。

附图标记说明：

10：空气供应部       12：压缩机

14：软管             16：阀门

20：外部喷射部       22：水平喷射管

23：垂直喷射管       24：喷嘴

26：框架             26a：环形部件

26b：条形部件        27：供应管

28：空气喷射口       30：内部送风部

32：送风机           34：导管

36：送风角调节部件   36a：铰链部件

36b：调节片          36c：驱动圆筒

40：升降部件         42：导引部

44：升降支持部       46：电机

48：链条             49：重量平衡块

70：排气口           80：排风机

w：热处理件          A：奥氏体

F：铁素体            P：珠光体

M：马氏体            Ms：马氏体生成开始温度

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

图2为本发明优选实施例的中空管状热处理件的快速空气冷却装置的正视图；图3为图2所示本发明侧视图。

如图所示，本发明大致包括空气供应部10、外部喷射部20、内部送风部30、升降部件40及控制部。

如图所示，上述空气供应部10包括：压缩机12，用于将空气压缩成高压空气；软管14，用于连接上述压缩机12和下述的外部喷射部20；阀门16，用于开闭通过上述软管14供应的空气或调节流量。即，经上述压缩机12压缩的空气，通过上述软管14供应至下述的外部喷射部20；空气的开闭及供应量调节由上述阀门16完成；上述阀门通过控制部得到精确控制。

下面，结合图2、图3及图4对上述外部喷射部20进行详细说明。图4为本发明外部喷射部的实施例的示意图。

上述外部喷射部20将空气喷射至经过热处理的中空管状大型锻造品(下称“热处理件”)的外周面进行冷却，上述外部喷射部20包括：水平喷射管22，该水平喷射管22包括围绕热处理件w外周面的多个环形管，该多个环形管按一定间隔上下层叠排列；多个直管状的垂直喷射管23，该多个垂直喷射管23按一定间隔沿上下方向固定上述水平喷射管22，并垂直结合在上述水平喷射管23上以使水平喷射管湖垂直喷射管相互连通；多个喷嘴24，该多个喷嘴24等间距设置于上述水平喷射管22及垂直喷射管23之上。

上述形状的目的是，将空气均匀喷射至中空管状的热处理件w的表面，从而获得均匀的冷却速度；上述喷嘴24朝向热处理件w的外周面，设置于上述水平喷射管22及垂直喷射管23的内侧。

优选地，不仅能够调节上述喷嘴24的喷射角，而且还可拆卸，从而便于更换。

因此，为便于更换上述喷嘴24，在上述水平喷射管22及垂直喷射管22B上形成孔，并通过螺钉结合的方式在各孔中固定上述各喷嘴24，但不限于这种固定方式。

另外，上述水平喷射管22或垂直喷射管23中的一个连接于上述软管14，以从上述空气供应部10获得空气。

如上所述，因上述外部喷射部20具备上述结构，中空管状的热处理件w可容置于上述外部喷射部20内部，并使空气均匀喷射至外周面，以完成均匀的冷却。

下面，结合图2、图3及图5对内部送风部30进行详细说明。图5为本发明送风角调节部件结构的平面图。

上述内部送风部30为向热处理件w的内周面吹送空气以进行冷却的结构，包括送风机32、导管34及送风角调节部件36。

如图2、图3所示，送风机32为鼓风机(blower)等吹送空气的公知设备，上述送风机32上结合有圆管状的导管34，以将上述送风机32所供应的空气从热处理件w的下侧导引至内周面。

另外，在上述导管34的上端结合送风角调节部件36，以防止从上述导管34排出的空气扩散，从而正确地向热处理件w的内周面吹送空气，该送风角调节部件36能够根据热处理件w的直径调节送风角度。

上述送风角调节部件36包括：多个铰链部件36a，该多个铰链部件36a沿着上述导管34的上端边缘按一定间隔结合在该上述导管34的上端边缘上；多个调节片36b，该多个调节片36b各自可旋转地结合在上述各个铰链部件36a上；驱动圆筒36c，该驱动圆筒36c连接在上述多个调节片36b中的一个调节片上，以驱动上述调节片36b旋转。

如图6所示，多个上述调节片36b沿着上述导管34的上边缘排列，如同相机的光圈，并且相邻的调节片36b之间的一部分相互叠加设置。换言之，在第一个调节片36b的一侧上部，叠加相邻的第二个调节片36b，而在第二个调节片36b的一侧上部，叠加第三个调节片36b，以此类推。在以上述方式排列多个调节片36b的情况下，将一对上述驱动圆筒36c相对而设，若各前后驱动一个调节片36b，则各调节片36b受其旋转力作用全部开始旋转。如图2、图3所示，可通过上述方式调节从上述导管送出的空气送风角度。

下面，结合图2和图3对升降部件40进行详细说明。上述升降部件40为能够使上述外部喷射部20位于热处理件w的上侧，且可使外部喷射部20上下移动的部件，如图所示，升降部件40包括：导引部42，该导引部42直立设置在上述外部喷射部20的两侧；升降支持部44，该升降支持部44能够在固定于上述外部喷射部20的外侧并插入上述导引部42的状态下进行滑动；电机46，该电机46设置于上述外部喷射部20的上方；链条48及重量平衡块49，各自结合于上述外部喷射部20上部。

上述外部喷射部20的升降通过导引部42来完成，上述导引部42通过轨道方式导引升降，且被电机46驱动升降，上述电机46受下述的控制部的控制进行正向、反向旋转，且缠绕有链条48。另外，上述链条48的一端结合、固定于上述外部喷射部20上部，另一端经上述电机46结合在作为配重块的重量平衡块49上。

因此，上述外部喷射部20能够受上述电机46的驱动而整体上下移动，此时，上述重量平衡块49起到配重的作用，当重量平衡块49向下移动，外部喷射部20上升，重量平衡块49向上移动，则外部喷射部20下降。

另外，控制部控制上述电机46的旋转，使上述外部喷射部20反复升降。换言之，可使上述外部喷射部20按一定间隔上下来回移动。这是因为，喷嘴24所喷射的空气呈放射状散开，因此喷射至热处理件w表面的量，在各个点有所不同。因此，通过如上所述的反复升降，可使空气均匀喷射至热处理件w表面。

下面，对控制部进行详细说明。

上述控制部控制从上述空气供应部10通过上述软管14所供应的空气的供应量，以控制通过上述喷嘴24喷射的空气喷射量及喷射时间，该控制部包括光学温度传感器(未图示)及内置有程序的计算机(未图示)。

上述光学温度传感器为检测物体表面温度的传感器，其无需与物体接触便可测得物体表面的温度，其结构为公知结构。该光学温度传感器设置在与上述热处理件w相隔一定距离的位置检测温度。

另外，上述计算机中内置有程序，可根据上述光学温度传感器所测得的热处理件w的温度值，控制空气喷射量及喷射时间。

也就是说，根据测得温度来控制冷却速度，在需要快速冷却时增加空气喷射量及喷射时间，而在需要缓慢冷却时适当减少喷射量及喷射时间。另外，程序根据热处理件w的形状、种类及大小决定喷射量及喷射时间。

上述控制可通过开闭上述空气供应部10的阀门16或调节供应量来实现，这是已公开的方法，在此不再赘述。

优选地，在上述外部喷射部20的上侧还设置排气口70及排风机80，以吸入并排出或回收利用从上述外部喷射部20及内部送风部30向热处理件w喷射空气进行冷却之后产生的大量高温空气。

下面，结合图6和图7对上述外部喷射部20的另一实施例进行详细说明。图6为本发明另一优选实施例的平面图，而图7为图6所示本发明的外部喷射部的平面图。

除外部喷射部20之外，其它结构与上述内容基本相同，因此在此不再赘述，只对外部喷射部20的另一实施例进行详细说明。

上述外部喷射部20的另一实施例，包括框架26、供应管27、空气喷射口28，其中上述框架26包括：多个环形部件26a，每个所述环形部件26a呈多边形或环形形状水平布置，并且该多个环形部件按一定间隔上下排列；多个条形部件26b，该多个条形部件26b上下固定上述各环形部件26a，并且分别与上述各个环形部件26a垂直结合并呈条(bar)形。因此，上述框架26整体上为具有格子的圆筒形状。

另外，如图7所示，沿着上述框架26外侧周围，按一定间隔垂直设置多个供应管27。上述供应管27呈供空气流通的通道形状，在其下部一侧各结合有供应空气的空气供应部10。

另外，如图6所示，在上述供应管27的内侧沿上下方向结合有多个空气喷射口28，上述空气喷射口28的出口呈开放状态，以将通过上述供应管27所供应的空气喷射至热处理件w的外周面。上述空气喷射口28的出口固定结合在上述框架26的外侧，且为使所喷射的空气扩散，以均匀地喷射至热处理件w表面，其横截面积呈逐渐扩大的形状。

因此，上述空气供应部10所供应的空气，通过上述供应管27分配到上述各空气喷射口28，连续从上述空气喷射口28喷出，以冷却热处理件w的外周面。

下面，一并参考图8说明本发明热处理件的冷却方法及热处理件的机械特性的试验结果。

图8为表示根据本发明进行热处理时的冷却状态的连续冷却变化曲线图。在此，连续冷却变化曲线图(continous cooling transformation diagram)为显示温度随时间变化的热处理件的冷却状态的曲线，在图中可通过冷却路径而得知晶相结构的变化时间。

首先，将热处理件w加热至900℃以上，使组织奥氏体化之后，将热处理件w设置于上述外部喷射部20下侧。进而，启动上述升降部件40使上述外部喷射部20下降，从而使热处理件w容置于上述外部喷射部20内。

此时，上述光学温度传感器检测热处理件w的温度，并根据上述计算机程序决定空气喷射量及喷射时间并输出电信号，从而通过上述阀门16的工作，空气通过上述软管14供应至上述外部喷射部20。

流入上述外部喷射部20的空气，供应至上述水平喷射管22及垂直喷射管23并通过上述喷嘴24喷射，或通过上述供应管供应至上述空气喷射口28喷射至热处理件w上。

另外，同时启动上述送风机32，通过导管34吹送空气，并根据上述热处理件w的直径，通过上述驱动圆筒36c来驱动旋转上述调节片36b以调节送风角度。

例如，若直径较大，则通过减少上述调节片36b倾斜度，扩大通过上述导管34吹送的空气的扩散程度；若直径较小，则通过增加上述调节片36b倾斜度，使空气准确地吹送至热处理件w的内周面。

如图8所示，在初始时间(约10s)内，需减少空气喷射量，使热处理件w缓慢冷却，若喷射大量空气进行快速冷却，直接变化成马氏体组织，需防止此现象发生。

另外，约从10s开始大量喷射空气，快速冷却使热处理件w的温度达到550～600℃。如曲线图所示，通过上述快速冷却，冷却曲线在低温下形成铁素体(723℃以下)及珠光体(600℃以下)的变化。因为在低温下发生变化，延迟了二次组织结晶粒子的成长，增加转变核生成部位的数量，从而达到了粒度微细化的目的。因此，因微细化组织的产生，大大增加机械强度和韧性。

在短时间内快速冷却之后，在约1000s为止的时间内持续少量地喷射空气以保持恒温。因为，大型锻造品的厚度较厚，因此即使表面已冷却，但其内部不能快速冷却，内部温度高于表面，若不喷射空气，表面的温度有可能再次上升，因此，为保持550～600℃区间的恒温，需根据计算机程序适当喷射空气。最终，在此恒温区间内完成从表面到内部的变化。

经过上述恒温区间之后，重新喷射大量的空气结束冷却。

通过上述冷却路径，可在低温发生变化，获得微细粒子的钢(steel)，而比起先前在大气中缓慢冷却并在高温发生变化的钢，其抗拉强度或韧性更好。

上述结果可通过抗拉强度试验及低温冲击试验来进行比较，其结果如下：

在此，低温冲击试验是指将“V”型缺口试验片冷却至-40℃之后加以冲击的试验，可知比起现有技术，其抗拉强度明显提高。

如上所述，本发明的中空管状热处理件的快速空气冷却装置，在对中空管状的大型锻造产品进行热处理(正火)时，向内、外周面喷射空气进行冷却，并通过计算机控制冷却速度，从而提高机械特性。结合附图进行的说明只是其实施例，因此本发明的实际的技术保护范围，以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种中空管状热处理件的快速空气冷却装置，其特征在于，该中空管状热处理件（w）的快速空气冷却装置包括：

空气供应部（10），该空气供应部（10）用于提供高压空气；

外部喷射部（20），该外部喷射部（20）设置于所述热处理件（w）外侧，用于将所述空气供应部（10）所供应的空气喷射至所述热处理件（w）的外周面上；

内部送风部（30），该内部送风部（30）设置于所述热处理件（w）下侧，用于将空气吹送至所述热处理件（w）的内周面上；

升降部件（40），该升降部件（40）用于为使所述热处理件（w）容置于所述外部喷射部（20）的内部，而将所述外部喷射部（20）举升至所述热处理件（w）上侧；以及

控制部，该控制部用于控制所述外部喷射部（20）和内部送风部（30）所喷射吹送的空气喷射量和喷射时间；

其中，所述内部送风部（30）包括：

送风机（32），该送风机（32）用于吹送空气；

导管（34），该导管（34）结合于所述送风机（32）上并设置于所述热处理件（w）下侧，用于将空气导引至所述热处理件（w）的内周面上；以及

送风角调节部件（36），该送风角调节部件（36）设置于所述导管（34）的上端，用于调节吹送的空气送风角。

2.根据权利要求1所述的中空管状热处理件的快速空气冷却装置，其特征在于，所述外部喷射部（20）包括：

水平喷射管（22），该水平喷射管（22）包括沿上下方向排列的供空气流动的多个环形管；

多个垂直喷射管（23），该多个垂直喷射管（23）分别与所述水平喷射管（22）垂直结合；以及

多个喷嘴（24），这些喷嘴（24）设置于所述水平喷射管（22）及垂直喷射管（23）上以喷射空气。

3.根据权利要求1所述的中空管状热处理件的快速空气冷却装置，其特征在于，所述外部喷射部（20）包括：

圆筒形框架（26），该圆筒形框架（26）包括沿上下方向排列的多个多边形的环形部件（26a），在这些环形部件（26a）上垂直结合有条形部件（26b）；

多个供应管（27），该多个供应管（27）沿着所述框架（26）的外侧按一定间隔垂直设置，并从所述空气供应部（10）获得空气供应；以及

多个空气喷射口（28），这些空气喷射口（28）的一侧沿着所述供应管（27）上下结合在该供应管（27）上，另一侧与所述框架（26）的外侧结合，以将所述供应管（27）所供应的空气喷射至所述热处理件的外周面上。

4.根据权利要求1所述的中空管状热处理件的快速空气冷却装置，其特征在于，所述送风角调节部件（36）包括：

多个铰链部（36a），该多个铰链部（36a）在所述导管（34）上端沿着该导管（34）的上端边缘按一定间隔结合在该导管（34）的上端边缘上；

多个调节片（36b），该多个调节片（36b）各自具有平板形状，并分别可旋转地结合在相应的所述铰链部（36a）上；以及

驱动圆筒（36c），该驱动圆筒（36c）结合在所述调节片（36b）中的一个调节片上，以驱动所述调节片（36b）旋转。

5.根据权利要求1所述的中空管状热处理件的快速空气冷却装置，其特征在于，所述升降部件（40）由电机驱动来升降所述外部喷射部，该升降部件（40）包括：

多个导引部（42），该多个导引部（42）直立设置在所述外部喷射部（20）外侧；

升降支持部（44），该升降支持部（44）插入在各导引部（42）上并结合在所述外部喷射部（20）的外侧上；

所述电机（46），该电机（46）设置于所述外部喷射部（20）上方；

链条（48），该链条（48）的一侧结合于所述外部喷射部（20）的上部，另一侧缠绕于所述电机（46）上；以及

重量平衡块（49），该重量平衡块（49）结合在从所述电机（46）延伸的所述链条（48）的端部。

6.根据权利要求5所述的中空管状热处理件的快速空气冷却装置，其特征在于，所述电机（46）由所述控制部的控制而进行正向旋转或逆向旋转，从而使所述外部喷射部（20）沿着所述导引部（42）反复升降。

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