CN103074573A - 卧式无马弗罐气体渗氮炉 - Google Patents

Abstract

一种卧式无马弗罐气体渗氮炉，由耐压炉壳、水冷炉壁外壳和炉子砌体炉衬与耐压水冷炉门组成炉体，炉体内装有导风套；炉体上方排列有热电偶口、密封电机与搅拌叶轮装置，炉体上有进氨口、出水口。炉体后侧面排列上有炉压传感器接口、排气口、取样口、真空抽气口和炉壁进水口。在炉体内有金属电热辐射管和金属电热丝和金属管状水冷换热器。其具有结构紧凑，操作使用方便，适应高氨高氢的高腐蚀性且易燃易爆的渗氮气氛的使用环境，该炉型在提高渗速、节能、降低氨气消耗量，实现超大装载量和异型零件渗氮方面发挥作用。

Description

卧式无马弗罐气体渗氮炉

技术领域

本发明属于金属热处理设备领域，特别涉及一种用于周期式气体渗氮作业的卧式无马弗罐气体渗氮炉。

背景技术

现有技术中的气体渗氮和气体氮碳共渗都归类于低温化学热处理范畴，其实这两种热处理工艺有很大差别，本发明则只涉及硬氮化，又称纯氨氮化所使用的周期式气体渗氮炉。因为现在乃至今后进行深层渗氮（≥1mm深层），以及大型关键机械零件的气体渗氮都依然须在周期式气体渗氮炉中进行。

现实中，周期式气体渗氮工艺自上世纪初诞生至今已近百年，但所用设备依旧为马弗罐式气体渗氮炉。时至今日，无论是国产亦或是进口的用于周期式气体渗氮作业的气体渗氮炉统统为马弗罐式气体渗氮炉。

气体渗氮与气体渗碳几乎同时诞生于上世纪初，起始炉型都为马弗罐式炉型。在市场和技术的双重作用下，上世纪七十年代出现第一台箱式多用炉后，气体渗碳设备跨上无马弗罐结构的发展快速路，同时加速了渗碳专用仪器仪表、筑炉材料、尤其气体渗碳技术的快速发展。气体渗氮炉的发展轨迹应与气体渗碳是一致的，那就是用无马弗罐式的新炉型取代马弗罐式炉型已是必然趋势。

传统马弗罐式气体渗氮炉的气密性与耐压能力全部依赖马弗罐的结构强度，而且罐体还要承受工件的重量，同时作业空间也被限于罐内，这对于气氛的搅拌、测温，控温、升温、降温都带来诸多不便。

气体渗氮设备的技术进步远远滞后于气体渗碳设备的原因是多方面的，其中原因之一是市场的开发远不及气体渗碳工艺那样广泛，此外气体渗氮工艺的研发远比气体渗碳要复杂，而且这项技术与材料的关联度更高，因而科研周期相对比较长。

当前气体渗氮工艺的主攻方向是提高渗速，现在增压渗氮（压力＜0.05Mpa）和高压渗氮（压力0.5～5Mpa）都显著提高了渗速，因而提高渗氮压力是渗氮工艺的一个发展方向。渗氮气氛是一种易燃易爆气体，提高马弗罐的耐压能力需进一步加大马弗罐壁厚，显然这是不可取的。无马弗罐气体渗氮炉可以满足气体渗氮在压力方面的技术要求。

综上所述，目前生产中所用的实施硬氮化作业的气体渗氮炉，都是马弗罐式炉型。这种炉型已不适应诸多气体渗氮新工艺的要求，此外汽车齿轮的硬化技术由渗碳淬火走向复合渗氮工艺已是众望所归，这项起步于上世纪八十年代的重大科技攻关项目现已进入综合配套阶段，亟待研发超大装载量的快速气体渗氮设备，因此气体渗氮炉的更新换代的时机已经成熟，正是这一技术背景我公司早在上世纪九十年代初就已展开快速气体渗氮工艺和无马弗罐气体渗氮炉的研发工作。现已完成第三代无马弗罐气体渗氮炉的设计、制造，并取得了良好效果。

发明的内容

本发明的目的在于提供一种卧式无马弗罐气体渗氮炉，在原有传统的马弗罐式气体渗氮炉的基础上更新换代，提高气体渗氮工艺加工的质量，还在于为汽车变速器齿轮由渗碳淬火向复合渗氮工艺的转型提供超大装载量的卧式无马弗罐气体渗氮设备。

本发明的具体内容：

一种卧式无马弗罐气体渗氮炉，其特征在于：一个耐压炉壳3，在耐压炉壳外有水冷炉壁外壳4，在耐压炉壳3，内有炉子砌体（炉衬）12，耐压炉壳的前方是耐压水冷炉门1，在耐压炉壳和耐压水冷炉门之间有硅橡胶“O”型密封圈2；耐压炉壳3下方有炉体鞍座18；炉体内装有导风套7；炉体上方前端排列有前热电偶口5和前渗氮炉用密封电机与搅拌叶轮装置6，炉体上方后端排列有后渗氮炉用密封电机与搅拌叶轮装置10和后热电偶口11；炉体上方中间排列有进氨口8和出水口9，在炉体后侧面排列有炉压传感器接口13、排气口14、取样口15、真空抽气口16和炉壁进水口17；在炉体内的导风套外两侧上方装有金属电热辐射管19，在炉体内的导风套外两侧下方装有金属管状水冷换热器22，在导风套下方装有裸露的金属电热丝21，在导风套顶部的出风口上方有搅拌叶轮23，搅拌叶轮上方连接渗氮炉用密封电机。

所述金属管状水冷换热器，有换热器外套24，在换热器外套内有换热器内胆25，在换热器外套和换热器内胆之间装有导热材料27，在换热器外套和换热器内胆下方连接换热器底板29，换热器底板连接换热器联接法兰30；在换热器内胆内装有送水管26，在换热器底板上有出水口28。

本发明的优点：

本无马弗罐气体渗氮炉将对应马弗罐具有的密封、供热和散热三项基本功能组合成一台装置。本发明具有结构紧凑，操作使用方便，适应高氨高氢的高腐蚀性且易燃易爆的渗氮气氛的使用环境，降温时间可缩短到4～8小时，这大大缩短了渗氮周期。该炉型在提高渗速、节能、降低氨气消耗量，缩短工艺周期及实现超大装载量和异型零件渗氮方面发挥作用。它是马弗罐式气体渗氮炉的换代炉型。

附图说明

附图1是卧式无马弗罐气体渗氮炉结构示意图。

附图2是卧式无马弗罐气体渗氮炉发热体与水冷换热器布置示意图。

附图3是水冷换热器结构示意图。

图中：1耐压水冷炉门，2硅橡胶“O”型密封圈，3耐压炉壳，4水冷炉壁外壳，5前热电偶口，6前渗氮炉用密封电机与搅拌叶轮装置，7导风套，8进氨口，9出水口，10后渗氮炉用密封电机与搅拌叶轮装置，11后热电偶口，12炉子砌体炉衬，13炉压传感器接口，14排气口，15取样口，16真空抽气口，17炉壁进水口，18炉体鞍座，19金属热辐射管，20渗氮炉用密封电机，21裸露的金属电热丝，22金属管状水冷换热器，23搅拌叶轮，24换热器外套，25换热器内胆，26送水管，27导热材料，28出水口，29换热器底板，30换热器联接法兰。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的三项内容具体实施实例作详细说明。

附图1是本发明内容之一所述的渗氮炉气密性与耐压设计示意图，以本公司最新研制成功的卧式无马弗罐气体渗氮炉的实例说明其实施方法。

一种卧式无马弗罐气体渗氮炉，其特征在于：一个耐压炉壳3，在耐压炉壳外有水冷炉壁外壳4，在耐压炉壳3内有炉子砌体（炉衬）12，耐压炉壳的前方是耐压水冷炉门1，在耐压炉壳和耐压水冷炉门之间有硅橡胶“O”型密封圈2；耐压炉壳3下方有炉体鞍座18；炉体内装有导风套7；炉体上方前端排列有前热电偶口5和前渗氮炉用密封电机与搅拌叶轮装置6，炉体上方后端排列有后渗氮炉用密封电机与搅拌叶轮装置10和后热电偶口11；炉体上方中间排列有进氨口8和出水口9，在炉体后侧面排列有炉压传感器接口13、排气口14、取样口15、真空抽气口16和炉壁进水口17；在炉体内的导风套外两侧上方装有金属热辐射管19，在炉体内的导风套外两侧下方装有金属管状水冷换热器22，在导风套下方装有裸露的金属电热丝21，在导风套顶部的出风口上方有搅拌叶轮23，搅拌叶轮上方连接渗氮炉用密封电机20。

所述金属管状水冷换热器，有换热器外套24，在换热器外套内有换热器内胆25，在换热器外套和换热器内胆之间装有导热材料27，在换热器外套和换热器内胆下方连接换热器底板29，换热器底板连接换热器联接法兰30；在换热器内胆内装有送水管26，在换热器底板上有出水口28。

在马弗罐式气体渗氮炉中，以上内容均与马弗罐放生关联，这将使马弗罐的设计制造过于复杂，现实条件下马弗罐不可能实现以上面面俱到的设计。

附图2是本发明内容之二、之三所述的内热式发热体及内置水冷换热器的布置示意图。

以上发明集中体现了一种全新的炉温热控制设计方案，这对于实现传统气体渗氮炉的无马弗罐化的更新换代提供了完备的技术支持。

附图3是本发明内容之三所述的金属管状水冷换热器结构示意图，

常规换热器的设计思想只注重换热效率就足够了，但气体渗氮炉中的金属换热器除此之外更注意换热器的安全。

本发明卧式无马弗罐气体渗氮炉。设备全高2800mm宽2300mm。经生产应用表明，氨消耗量下降50%，工艺周期缩短50%，能耗下降30%。炉门采用液压开合和液压自动锁紧的新型设计方案。

其发明内容包括三个部分，即渗氮炉的气密性与耐压设计、渗氮炉的热控制、渗氮炉的降温，以上三方面的发明是实现马弗罐式气体渗氮炉向无罐炉转型的三个基本要素，而且必须同时具备上述三要素，否则就无法在无马弗罐式渗氮中进行周期式气体渗氮作业。

发明内容之一为渗氮炉的气密性与耐压设计。传统马弗罐式气体渗氮炉的气密性与耐压能力全部依赖马弗罐的结构强度，而且罐体还要承受工件的重量，同时作业空间也被限于罐内，这对于气氛的搅拌、测温，控温、升温、降温都带来诸多不便。

针对马弗罐式气体渗氮炉的上述缺陷，本发明去除马弗罐，以带水冷炉壁的炉壳取代马弗罐的气密性功能，其耐压能力将取决渗氮工艺条件的要求而定，此时炉壳已是按压力容器来设计制造了。这一新的设计思想彻底摆脱了以马弗罐为核心部件的传统设计理念。优点表现为炉型的空间设计全部根据工件尺寸、工艺要求和生产纲领而定，而不必考虑马弗罐的铸造、焊接成型能力及其使用寿命。这一改动的重要性还表现为气氛搅拌能力的大幅提高，这是实现温度和气氛均匀性唯一手段，其结果可将温度的均匀提高到±1℃，气氛的均匀性可达氢含量值1%，这是传统马弗罐式气体渗氮炉难以启及的指标。此时设备耐压能力将可达到工艺要求的所需指标，且安全可靠。其经济效益还表现为节约氨气消耗量在40%以上。

发明内容之二为发热元件为二元特征，即炉内发热体为金属电热辐管与电热合金丝（带）两种共存。

历经长期的研发工作发现，一般装载量在5t以下的无马弗罐炉气体渗氮炉采用金属电热辐射管这种单一发热体形式可以满足加热功率的要求，但对于制造装载量在20t以上大型无罐炉时，在维持合理的发热体表面负荷的前提下只有通过增加辐射管的数量才能获得足够的加热功率，而过多的辐射管势必增加炉壁开孔数量从而加大结构补强的工作量，而且将挤占较多的炉膛空间。为了提高单位炉膛容积的功率值，采用了上述的二元发热体，将预氧化温度提高到460℃，这期间炉内气氛为非渗氮气体，因此可以直接用电热合金丝（带）供热，而在460℃均温和预氧化工艺结束后停止电热合金丝（带）工作，改用金属电热辐射管供热。这种发热体的配置方式可以减少辐射管的用量并扩大炉膛的有效工作容积，同时也延长了辐射管的使用寿命，这是一项一举多得的设计方案。

这一发明彻底解决了井式、罩式、卧式无马弗罐气体渗氮炉的发热体设计和布置难题。

发明内容之三是置于炉膛内的金属管状水冷换热器。这种换热器的特点为它是双层的，外面的一层管壁裸露在炉内，里面这层管壁只接触空气和水，两层管壁之间填充Al₂O₃或MgO₂微粉。这种特殊的设计缘于炉内氨气和氢气对金属的不利影响。多次的急冷将使暴露在炉内变脆的金属管发生开裂，水一旦在高温下进入炉膛则会产生爆炸的严重后果。本发明的设计方案经多年的实用证明是可靠的。这种水冷换热器可将工件出炉温度降至50℃，而有罐炉的工件出炉温度为150～180℃。换出的热水用于其他工业目的。这一方法将气体渗氮的能耗进一步降低。现有技术中渗氮炉冷却均是将热量散到大气中，而且通过马弗罐壁的降温一般也要长20～40小时，本发明可缩短到4～8小时，这大大缩短了渗氮周期。

以上发明内容分别对应马弗罐的密封、供热和散热三项基本功能。当将马弗罐集于一身的功能分解成三个独立的器件时，无论是井式、罩式亦或是卧式气体渗氮炉，只需将这三项发明进行不同的组合即可完成一台无马弗罐气体渗氮炉的设计与制造。

炉壳及炉门为可承受＞0.2Mpa压力而无泄漏的压力容器。

内置发热体为金属电热辐射管＋裸露在炉内的电热合金丝（带）发热体，供热方式呈二元特征。

内置金属管状水冷换热器用于回收余热和使工件降温。

其炉型为井式，罩式。内置发热体只为金属电热辐射管，而无内置的电热合金丝（带）发热体。

将如上结构特征的炉型用于罩式氢气保护退火炉，这将在冶金行业中推广这一发明，通过能量回收而大幅度降低热处理能耗。

以上发明内容看似简单实则来之不易，面对高氨高氢的高腐蚀性且易燃易爆的渗氮气氛，每一项发明都需经过严格生产检验，材料的匹配，否则将会出现安全事故。无马弗罐气体渗氮炉的研发成功将使渗氮工艺性能得到一次质的飞跃，而且其具有优异的节能效果。这一炉型将使气体渗氮炉进入当代高端热处理设备范畴。

Claims (2)

1.一种卧式无马弗罐气体渗氮炉，其特征在于：一个耐压炉壳（3），在耐压炉壳外有水冷炉壁外壳（4），在耐压炉壳（3）内有炉子砌体炉衬（12），耐压炉壳的前方是耐压水冷炉门（1），在耐压炉壳和耐压水冷炉门之间有硅橡胶“O”型密封圈（2）；耐压炉壳（3）下方有炉体鞍座（18）；炉体内装有导风套（7）；炉体上方前端排列有前热电偶口（5）和前渗氮炉用密封电机与搅拌叶轮装置（6），炉体上方后端排列有后渗氮炉用密封电机与搅拌叶轮装置（10）和后热电偶口（11）；炉体上方中间排列有进氨口（8）和出水口（9），在炉体后侧面排列有炉压传感器接口（13）、排气口（14）、取样口（15）、真空抽气口（16）和炉壁进水口（17）；在炉体内的导风套外两侧上方装有金属电热辐射管（19），在炉体内的导风套外两侧下方装有金属管状水冷换热器（22），在导风套下方装有裸露的金属电热丝（21），在导风套顶部的出风口上方有搅拌叶轮（23），搅拌叶轮上方连接渗氮炉用密封电机（20）。

2.根据权利要求1所述的卧式无马弗罐气体渗氮炉，其特征在于：所述金属管状水冷换热器，有换热器外套（24），在换热器外套内有换热器内胆（25），在换热器外套和换热器内胆之间装有导热材料（27），在换热器外套和换热器内胆下方连接换热器底板（29），换热器底板连接换热器联接法兰（30）；在换热器内胆内装有送水管（26），在换热器底板上有出水口（28）。

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