CN103045990B - 一种具有双压平衡结构的增压高温氮化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有双压平衡结构的增压高温氮化装置，涉及钢表面化学热处理装置，由炉胆、炉壳、充放气系统、抽真空系统、循环水系统、流量监测系统、压力监测装置、废气收集系统、测温装置等构成，该装置的炉盖上装有与NH3瓶及N2瓶连接的充气管道，NH3瓶及N2瓶中的N2、NH3或两者能同时通入炉胆反应室，炉壳下端装有与Ar瓶连接的充气管道，工作时炉壳内充入氩气。该装置降低了对炉胆材料的耐压要求，也降低了炉胆发生高温蠕变的几率，氮化炉整体使用寿命更长，可实现钢表面以N2、NH3、N2+NH3以及NH3+H2为介质在0.01~2.0MPa压力及20~1200℃温度条件下的高温单段或多段氮化。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢表面化学热处理装置，尤其是涉及一种增压高温氮化装置。
背景技术
目前，大多数氮化装置只能在常压和相对较低的温度条件下实现零件的氮化，通常消耗相当长的时间，氮化效率低且浪费资源。采用增压氮化方法可提高氮势并加快氮化速率，但提高压力对炉胆材料要求苛刻。高温增压环境下氮化，极易造成炉胆材料的蠕变，导致炉胆变形甚至开裂，从而大幅度降低氮化装置的整体寿命，影响氮化质量甚至造成危险。尽管采用某些特殊材料制备氮化装置可以实现加压氮化，但必将导致设备成本的升高，并且不能从根本上避免炉胆的高温蠕变及设备的加速损耗。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的不足，提供一种基于双压平衡系统控制的增压高温氮化装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种具有双压平衡结构的增压高温氮化装置，主体结构包括炉盖、炉胆和炉壳，炉盖与炉胆相连，炉胆与炉壳相连，炉盖装有与NH3瓶及N2瓶连接的充气管道，充气管道延伸至炉胆反应室，炉胆反应室被发热炉管嵌套，发热炉管底部由陶瓷底座支撑，测温装置经所述陶瓷底座及发热炉管底部中心孔引入，炉胆上端设有真空泵及排气管道，炉胆排气端接有流量监测计，炉胆上下法兰盘之间设有循环水套，炉壳下端装有与Ar瓶连接的充气管道，炉壳上端装有与废气收集系统连接的排气管道，炉胆及炉壳排气端分别设有压力测量装置。
本氮化装置的炉胆由上炉胆和炉胆反应室组成，反应室顶部设有保温盖，避免炉盖及炉壳受热。
本氮化装置的炉盖通过炉胆上法兰盘通孔与炉胆相连接，炉胆上法兰盘内圈设有保证炉胆密封性的塑胶垫圈。
本氮化装置的炉胆嵌套在炉壳内，炉胆与炉壳的装配依靠炉胆下法兰盘和炉壳顶部法兰盘的连接，两法兰间放置聚四氟乙烯垫圈，通过高强螺栓连接。
本氮化装置的炉壳内壁放置保温砖隔层，其余空间由炉壳保温棉填充。
本氮化装置的发热炉管管身缠绕216Nb炉丝，炉丝两端通过铜螺栓分别连接火线和零线，两电源线均套有绝缘套，在偏离炉胆且不接触炉壳内壁的条件下穿过保温棉，并经由炉壳底部法兰接线柱引出。
本氮化装置的测温装置由铂铑热电偶、陶瓷套管及控温仪表组成，电偶引线经由炉壳底部法兰接线柱引出。
本氮化装置的压力测量装置包括炉胆及炉壳所连接压力表，炉胆连接压力表选取NH3用压力表，炉壳连接压力表选取Ar压力表。
本发明工作时采用双压平衡系统控制，炉胆内外同时升高或降低压强，在保证炉胆不受压的条件下即可实现内部反应室的高温增压氮化，并且充入炉壳内用于平衡炉胆内压的Ar可保护炉丝，既防止了炉胆的高温蠕变，又延长了炉丝的使用寿命，从而降低成本并减缓设备损耗速率。炉胆反应室上端装有保温盖和循环水装置，可避免炉胆整体受热，保护炉口塑胶垫圈不因温度过高而报废。电源及电偶线在压力条件下引出接头，并在保证系统密封性的前提下引出炉外接线柱。
本发明与传统氮化装置相比，具有密封性良好、炉内气体流畅、工作环境复杂、成本相对低廉、结构简单、使用寿命较长等优点，可实现钢表面以N2、NH3、N2+NH3以及NH3+H2为介质在0.01~2.0MPa压力和20~1200℃温度条件下的高温单段或多段氮化。
附图说明
本发明共有附图5幅，其中：
图1为本发明的整套设备示意图。
图2为本发明的整体剖视图。
图3为本发明的俯视图。
图4为本发明炉胆示意图。
图5为本发明炉壳底部法兰盘内部接线图。
图中：1-NH3瓶，2-N2瓶，3-Ar瓶，4-流量监测计，5-废气收集系统， 6-真空泵，7-炉胆充气管道，8-炉壳充气管道，9-炉胆排气管道，10-炉壳排气管道，11-炉胆内压力测量装置，12-炉胆外压力测量装置，13-炉盖， 14-炉胆，15-炉胆上法兰盘，16-炉胆下法兰盘，17-炉胆反应室，18-反应室保温盖，19-发热炉管，20-陶瓷底座，21-炉壳，22-炉壳顶部法兰盘，23-炉壳底部上法兰盘，24-炉壳底部下法兰盘，25-炉壳内壁保温砖层，26-炉壳保温棉，27-接炉丝火线，28-接炉丝零线，29-电偶引线，30-电偶外引接线柱，31-电源线外引接线柱，32-循环水套，33-塑胶垫圈，34-炉胆上法兰盘通孔，35-连接炉胆与炉壳法兰盘的高强螺栓，36-炉壳底法兰内部电偶接线柱A，37-炉壳底法兰内部电偶接线柱B，38-炉壳底法兰内部火线接线柱，39-炉壳底法兰内部零线接线柱，40-绝缘垫片，41-紧固螺栓，42-外引线接点。
具体实施方式
本发明氮化装置采用内外双压平衡结构，由反应炉胆、圆形炉壳、充/放气系统、抽真空系统、循环水系统、流量监测系统、压力监测装置、废气收集系统、测温装置等构成。主体结构主要包括炉盖、炉胆和炉壳。炉盖装有充气管道，延伸至炉胆底部反应室，反应室被发热炉管嵌套，炉管底部中心开孔且由陶瓷盘支撑，测温电偶经陶瓷盘及炉管底端中心孔引入，炉胆上端设有抽真空及排气装置，排气端装有流量监测计，炉胆上下法兰盘之间设有循环水套，炉胆经不锈钢法兰与炉壳密封装配，炉壳设有充气和排气管道，炉胆及炉壳排气端设有压力测量装置及不锈钢球阀。
炉盖（包含充气管道）材料为304不锈钢，炉盖通过炉胆上法兰盘通孔与炉胆相连接。炉盖充气管道与N2瓶及NH3瓶连接，可实现N2、NH3或两者同时通入反应室。
炉胆材料为Cr25Ni20Si2不锈钢，由上炉胆和反应室组成，反应室被炉管包围且顶端装有保温盖，避免炉盖及炉壳受热，炉胆嵌套在炉壳内，通过聚四氟乙烯密封垫圈及高强紧固螺栓连接。
炉壳材料为Q235钢（根据压力需要，可更换为更高强度级别的材料），包含上下法兰盘及充放气管道，炉壳内壁放置保温砖隔层，其余由氧化锆保温棉填充，炉壳的充气管道与Ar瓶连接，工作时炉壳内充入氩气。
炉管材料为碳化硅，由底部陶瓷座支撑，管身缠绕216Nb炉丝，炉丝两端通过铜螺栓分别连接火线和零线，并且两电源线均套有绝缘套，在偏离炉胆且不接触炉壳内壁的条件下穿过保温棉，在高温密闭条件下经由炉壳底部法兰接线柱引出，底部内外法兰盘均设置通孔，通过聚四氟乙烯密封垫圈及高强紧固螺栓连接。
测温装置由铂铑热电偶、陶瓷套管及控温仪表组成，电偶测温点靠近炉胆反应室底部样品悬吊处，电偶引线在高温密闭条件下经由炉壳底部法兰接线柱引出。
压力测量装置包括炉胆及炉壳所连接压力表，炉胆连接压力表选取NH3用压力表，并通过不锈钢螺栓连接，炉壳连接压力表选取Ar压力表。
充放气管道及球阀材料均为304不锈钢，与N2瓶、NH3瓶等连接的管道均采用不锈钢软管，其余为钢管。
下面结合附图进一步说明：
由图1和图2可见，本发明氮化装置主体结构由炉盖13、炉胆14和炉壳21嵌套装配。其中炉盖13上自带炉胆充气管道7，并延伸至炉胆反应室17底部，即氮化零件悬吊处，充气管道外侧与氨气瓶1和氮气瓶2连接，可实现单一或双介质的充入。炉胆反应室17加热依靠碳化硅发热炉管19，炉管由陶瓷底座20支撑，经保温棉26和保温砖25固定并隔开，避免电源引线27、28与炉壳21接触，电偶测温点位于反应室底部位置，电偶引线29经炉壳底部下法兰盘24外引出接线柱30。正常工作时，打开炉胆充气管7及炉壳充气管8，炉胆充入介质的同时炉壳内充入氩气，保证炉胆压力测量装置11示数与炉壳（炉胆外）压力测量装置12示数差小于0.05MPa，使炉胆在不受压的条件下工作。炉胆反应室设有保温盖18和循环水系统32，防止炉口塑胶垫圈33因温度过高而老化。
如图3所示，炉胆上法兰盘外侧设有通孔34用来与炉盖13连接，内圈放置塑胶垫圈33以保证炉胆密封性。炉胆与炉壳的装配依靠炉胆下法兰盘16和炉壳顶部法兰盘22的连接，两法兰盘间放置聚四氟乙烯垫圈，通过高强螺栓35连接。
如图4所示，炉胆14为独立零件，炉胆上法兰盘15与炉盖13密封装配，炉胆下法兰盘16与炉壳顶部法兰盘22通过高强螺栓连接，实现炉胆14与炉壳21的装配，循环水套32位于炉胆上下法兰盘之间。
图5示出炉壳底部法兰盘内部接线图。电偶及电源引线均在高压密闭环境下引出，炉壳底部下法兰盘24接线柱30、31主要由绝缘垫片40和紧固螺栓41组成，外引线接点42位于绝缘垫片和紧固螺栓之间。
本发明可实现在温度20~1200℃及压力0.01~2.0 MPa范围内，以NH3、N2或N2+NH3及NH3+H2为介质条件下的氮化，适用于不锈钢、低合金结构钢等金属或合金的表面氮化处理。
Claims (8)
1. 一种具有双压平衡结构的增压高温氮化装置，主体结构包括炉盖、炉胆和炉壳，炉盖与炉胆相连，炉胆与炉壳相连，其特征在于，炉盖（13）装有与NH3瓶（1）及N2瓶（2）连接的充气管道（7），所述充气管道延伸至炉胆反应室（17），所述炉胆反应室被发热炉管（19）嵌套，所述发热炉管底部由陶瓷底座（20）支撑，测温装置经所述陶瓷底座及发热炉管底部中心孔引入，炉胆（14）上端设有真空泵（6）及排气管道（9），炉胆排气端接有流量监测计（4），炉胆上下法兰盘之间设有循环水套（32），炉壳（21）下端装有与Ar瓶（3）连接的充气管道（8），所述炉壳上端装有与废气收集系统（5）连接的排气管道（10），所述炉胆及炉壳排气端分别设有压力测量装置。
2.根据权利要求1所述的氮化装置，其特征在于：所述炉胆（14）由上炉胆和炉胆反应室（17）组成，所述炉胆反应室顶部设有保温盖（18）。
3.根据权利要求1所述的氮化装置，其特征在于：所述炉盖（13）通过炉胆上法兰盘通孔（34）与炉胆（14）相连接，炉胆上法兰盘（15）内圈设有保证炉胆密封性的塑胶垫圈（33）。
4.根据权利要求1或2或3所述的氮化装置，其特征在于：所述炉胆（14）嵌套在炉壳（21）内，炉胆与炉壳的装配依靠炉胆下法兰盘（16）和炉壳顶部法兰盘（22）的连接，两法兰间放置聚四氟乙烯垫圈，通过高强螺栓（35）连接。
5.根据权利要求1或2或3所述的氮化装置，其特征在于：所述炉壳（21）内壁放置保温砖隔层（25），其余空间由炉壳保温棉（26）填充。
6.根据权利要求1或2或3所述的氮化装置，其特征在于：所述发热炉管（19）管身缠绕216Nb炉丝，炉丝两端通过铜螺栓分别连接火线和零线，两电源线均套有绝缘套，在偏离炉胆且不接触炉壳内壁的条件下穿过保温棉，并经由炉壳底部法兰接线柱引出。
7.根据权利要求1或2或3所述的氮化装置，其特征在于，所述的测温装置由铂铑热电偶、陶瓷套管及控温仪表组成，电偶测温点靠近炉胆反应室底部，电偶引线（29）经由炉壳底部法兰接线柱引出。
8.根据权利要求1或2或3所述的氮化装置，其特征在于：压力测量装置包括炉胆及炉壳所连接压力表，炉胆连接压力表选取NH3用压力表，炉壳连接压力表选取Ar压力表。
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