CN103614689B - 一种节能离子渗氮炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能离子渗氮炉，包括带冷却水夹层的上炉体筒体、圆形底座、阴极盘、阴极盘下的真空抽气管道、固定在阴极盘上的测温装置，在上炉体筒体的内侧及圆形底座上面设有保温层，10-500kw炉子的保温层厚度为2-28cm，上炉体筒体内侧的保温层包括不流动的炉气、耐火材料和钢筒体，圆形底座上面的保温层包括不流动的炉气、耐火材料和钢板。钢筒体和钢板将保温层内不流动的炉气与炉内流动气体相隔。保温层内的气体进入管从炉体底部伸到顶部，在炉体顶部穿过保温层通过均匀布气管进入炉内。本发明同时还解决了炉内温度不均、耗电多、测温不准的难题，使渗氮层均匀一致，渗氮质量大大提高。

Description

一种节能离子渗氮炉

技术领域

本发明涉及一种热处理设备，特别涉及一种节能离子渗氮炉，属于材料表面处理技术领域。

背景技术

离子渗氮炉的工作原理为真空炉内通入含氮、氢的气体，工作压力在133Pa～1330Pa之间，属超低真空炉。被处理工件置于阴极盘上或吊装在阴极上，接通电源，使电压逐渐升高，当电压超过气体着火电压后，两极间的稀薄气体电离，并在工件表面产生辉光放电，工作时辉光层一般控制在3～5mm。被电离的氮、氢等正离子以极大动能冲击工件表面，把工件加热到所需温度，同时氮离子在工件表面产生复合、化学反应和吸附、扩散的物理化学过程，比较快的形成渗氮层。离子渗氮比气体渗氮有明显的优点：生产周期短，渗层性能优良（硬度高、耐磨、耐蚀），环保节能，工件表面银光闪闪，工件变形小。

现有的离子渗氮炉多是由真空放电炉体和电控系统组成的先进热处理设备。真空放电炉体由圆形底座和钟罩式上炉体两大部分组成。底座上的圆盘有双层钢板焊成密封式，中间通冷却水。圆盘边缘车有凹槽，槽中放硅橡胶密封圈如图1示。圆盘上放3个绝缘柱，3个绝缘柱支撑圆环钢板加工成的阴极盘，工件放置于阴极盘上。电源的阴极通过底座上的绝缘柱用螺杆固定在阴极盘上。热电偶通过绝缘的石英管固定在阴极盘上，头部再套一个钢制测温头。上炉体为阳极，由双层钢板焊在圆环上，双层板间通冷却水。上炉体上设有上、中、下3个观察孔，功率小的炉体设两个，观察孔中间有两层耐热的钢化玻璃，加聚四氟乙烯密封圈密封，头部用带丝扣的环状螺圈拧紧固定。炉体底部有真空管道阀门和二台真空泵连接。炉体顶部或底部有进气管道。这种炉体结构炉内无任何保温措施，能耗太大，为解决这一问题电炉生产厂家在炉体内又加了一层或二层隔热屏，隔热屏上也有相同数目观察孔，气体可在隔热屏和钟罩间流动。

这种结构目前存在的主要技术问题是：其一，上部进气管与下部的抽真空管同处于真空炉体内，气体流动明显，使对流传热增强，因此炉属低温炉，又是超低真空炉，炉内应以对流传热为主，因此隔热屏的作用不大，耗电量大。其二，测温主要靠人目测（因工件温度在550～560℃在暗处观看时刚由黑发暗红色），仪表温度仅作参考，测温不准。其三，此炉属超低真空炉且是动平衡下的真空，炉内75％是导热能力极强的氢气，虽加隔热屏，但炉内温差仍然很大，炉温不均，通过金相分析发现，被处理的长杆件上、中、下各部，较小工件的上、下、左、右渗氮层厚度很不均匀。

发明人从事热处理设备教学多年，革新、改造多台实验室、大型企业用离子渗氮炉并进行大量试验。此炉是集多学科于一体的综合炉体，有两大特征：其一，工件表面积起电热元件作用，且保温时需连续供电，工件表面功率≥0.2～0.3W/cm²，表面电流密度≥0.3mA/cm²。其二，炉内有75％以上的导热能力极强的氢气，炉内气体由流量计不停地输入，又被真空泵不停地排出，是属动平衡下的超低真空体。以上两点证明此炉必须加保温层，且要精确计算出保温层的厚度。电阻炉保温层越厚，温度场越均匀、节电，一般厚在300mm～500mm。而离子渗氮炉不但要有保温层，而且还要满足工件保温时的表面功率和表面电流密度的最低要求。若保温层过厚，离子轰击的能量不够，影响渗氮质量。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足，提供一种节能离子渗氮炉。

本发明采取的技术方案为：

一种节能离子渗氮炉，包括带冷却水夹层的上炉体筒体、圆形底座、阴极盘、阴极盘下的真空抽气管道、固定在阴极盘的测温装置，在上炉体筒体的内侧及圆形底座上面设有保温层，上炉体筒体内侧的保温层包括不流动的炉气、耐火材料和钢筒体，保温层中耐火材料缠在钢筒体外侧，钢筒体内侧为阳极，圆形底座上面的保温层包括不流动的炉气、耐火材料和钢板，钢筒体和钢板将保温层内不流动的炉气与炉内气体相隔，保温层内的气体进入管从炉体底部伸到顶部，在炉体顶部穿过保温层通过均匀布气管进入炉内，10-500kw的炉子保温层厚2-28cm。

炉子的测温装置包括凯装热电偶，热电偶外部套着石英管，石英管的外部套有测温头，测温头中心顶部有盲孔（没钻透的孔），石英管与热电偶顶部融为一体，并与测温头顶部孔部位紧密贴在一起，无气体隔断，测温头厚度与工件的有效厚度一致，测温头高度与工件一致或成比例，保证与工件同温。均匀布气管包括与气体进入管顶端连接的三通管，三通管连接两直管，每个直管连着一个弧形管，两个弧形管围成近圆形，弧形管上布有向炉内中心方向的出气孔。

上炉体的保温层上设有观察孔和观察孔密封装置，防止炉内流动的气体进入保温层内。

上炉体的观察孔与保温层的观察孔相对应。圆形底座上的保温层由圆形钢板和保温材料、不流动的气体组成，也与炉内流动气体隔断。

本发明依据传热学公式可计算出保温层厚度S的数据。炉内温差用t₁-t₂表示，只有测出炉内温度梯度的实际情况和具体数据，才能确定保温层厚度。我们采取如下方法测试加隔热屏的25kw离子渗氮炉内温度场情况，我们在炉内放三个钢筒，每个重60kg，高度800mm，直径184mm，厚度15mm。炉内安装了18只头部防弧光放电的Φ3mm铠装热电偶，用多端测温装置，测出炉内从工件表面到炉外壁横截面的温度曲线，如图5，此曲线为国内外第一次测出的离子渗氮炉炉内温度场曲线，为研究离子渗氮炉新炉体提供了珍贵的温度差数据。从图5中可以清楚的看到离子渗氮炉内的温度场特点，从工件表面至辉光层外降温60℃，从辉光层外至隔热屏温降205℃，总温差达265℃，炉内温差太大。若加保温层从辉光层外到保温层钢筒体应控制在50℃以内，即加保温层的新炉体炉内总温差可控制在100℃以内。通过公式计算10-500kw离子渗氮炉保温层厚度应为2～28cm。

本发明气体进入管的设计克服了先前生产的炉体将零下十几度的液氨气化后的气体直通入炉内，且分布不均，也影响炉内温度分布不均。新设计的炉子气体进入管通过保温层，首次预热，然后穿过保温层顶部进入炉内进行二次预热，两个半圆状进气管向炉体中心方向钻若干气孔，充满整个炉体，然后由伞状排气管道排出，使其符合流体力学原理，使渗氮层均匀一致。

本发明的测温装置是用酒精灯将热电偶与石英管的头部热融为一体，石英管起绝缘作用。融为一体的头部用细砂轮磨光与测温头顶孔部紧密贴在一起，无气体隔断，从而保证温度测试灵敏、准确。测温头厚度与工件有效厚度一致，测温头高度与工件相同或成比例，保证与工件同温。

附图说明

图1为现有技术中的离子渗氮炉结构图；

图2为本发明离子渗氮炉结构图；

图3为本发明测温装置结构图；

图4为本发明离子渗氮炉炉内温度场曲线，其中a上炉体、b保温层、c工件；

图5为某厂产25kw离子渗氮炉炉内温度场测试曲线，其中a上炉体、b隔热屏、c工件；

图6为均匀布气管结构图。

其中，1.上炉体，2、保温层，3、密封圈，4、阴极盘，5、工件，6、观察孔，7、测温装置，8、保温层内观察孔密封装置，9、气体进入管，10、圆形底座，11、阴极绝缘座,12、绝缘支座,13、真空抽气管道，14、测温头，15、石英管，16、热电偶，17、固定螺母，18、三通管，19、弧形管，20、出气孔，21、隔热屏。

具体实施方式

一种节能离子渗氮炉，包括带冷却水夹层的上炉体1筒体、圆形底座10、阴极盘4、阴极盘4下的真空抽气管道13、固定在阴极盘4的测温装置7，在上炉体筒体的内侧及圆形底座10上面设有保温层2，上炉体筒体内侧的保温层包括不流动的炉气、耐火材料和钢筒体，保温层中耐火材料缠在钢筒体外侧，钢筒体内侧为阳极，圆形底座上面的保温层包括不流动的炉气、耐火材料和钢板，钢筒体和钢板将保温层内不流动的炉气与炉内气体相隔，保温层内的气体进入管9从炉体底部伸到顶部，在炉体顶部穿过保温层通过均匀布气管进入炉内，10-500kw的炉子保温层厚2-28cm。

测温装置包括热电偶16，热电偶外部套着石英管15，石英管的外部套有测温头14，测温头顶部中心盲孔；石英管与热电偶顶部融为一体，并与测温头顶部孔部紧密贴在一起，无气体隔断。测温头厚度与工件有效厚度一致，高度与工件相同或成比例，保证与工件同温。

均匀布气管包括与气体进入管9顶端连接的三通管18，三通管18连接两直管，每个直管连着一个弧形管19，两个弧形管围成近圆形，弧形管上布有向炉内中心方向的出气孔20。出气孔在离圆形管越远的地方孔径越大。

下面结合具体实施例进一步说明。

实施例1

1、保温层的厚度设计：利用某厂生产的25kw炉体，在炉内设计保温层，其厚度S可通过导热公式求得：因在辉光离子轰击设备中，工件升温时间较短，所以保温层厚度应以保温阶段的各参数决定。又因工件保温时供电不可间断，电流密度≥0.3mA/cm²，表面功率≥0.2～0.3w/cm²才能满足工艺要求，所以通过保温层每小时传出的热量应大于或等于工件表面每小时必需耗掉的能量。则Q即可根椐离子渗氮炉各参数计算出。

t₁:保温层内壁温度，取470℃

t₂:保温层外，即炉体内壁温度，取100℃

λ：材料的导热系数，千卡/米·时·℃（采用玻璃丝布）

F_均：保温层内外壁的平均值，米²

2.保温层具体结构为：用厚度2mm，1Cr13钢板制成钢筒体，钢筒体底部焊一圆环，宽为3.4cm。钢筒体圆环以上部位外缠绕厚1.4cm玻璃丝布和毡，另2cm为炉气。因炉温穿过钢筒体和1.4cm耐火材料后温度降至200℃以下，这时炉气在真空度500～600帕时，其导热系数小于玻璃丝布的导热系数。

上炉体保温层做好后，钢筒体顶部中心钻Φ28mm的孔，使保温层钢筒体穿过上炉体焊接的Φ

26mm气体进入管，并用外接头固定。下部圆环用30×30的角铁弯曲制作而成，园环用6个螺钉固定在上炉体圆盘上。

3.观察孔的设置：保温层内观察孔园环焊接在钢筒体上并与上炉体观察孔相对应。用耐热玻璃和耐热密封垫固定在筒体上，使炉内流动的气体与保温层隔绝。

4.测温装置：铠装热电偶Φ3mm，套在内径3.5mm的石英管内，将热电偶石英管上端用酒精灯热融为一体，石英管乃起绝缘作用。融为一体的头部用细砂轮磨圆光状，再放入高度为

300mm，壁厚15mm，Φ60mm的钢管中，顶部盖为15mm厚的圆盘钢板，圆盘中心钻盲孔14mm深，孔顶也磨圆光状，和热电偶石英管圆光状头一样，紧密贴在一起，中间无气体间隙，测

温精度在±10℃以内。

5.新设计的气体进入管，克服了先前生产的炉体将零下十几度的液体氨气化后的气体直通入炉内，且不均布，也影响炉内温度不均。新设计的管道选用Φ26mm不锈钢管通过保温层，首次预热，然后穿过保温层顶部进入炉内进行二次预热，两个半圆形管向炉体中心钻若干气孔且均布在炉体上部，均匀向下流入，充满整个炉体，然后由伞状排气管道排出，使其符合流体力学原理，使渗氮层均匀一致。

6.阴极盘用厚度3cm钢板，切割成外径Φ800mm，内径Φ300mm的圆盘，表面粗糙度经机加工达6.3μm,倒角5×45。

7.底座用材质为1Cr13，厚度2mm的不锈钢板制成，上加保温材料，保温层厚度为3.4cm，上部中心孔处放置Φ350mm伞状抽气罩，高度为1cm，使气体均匀排出。

将以上新设计部件精心装入某厂产25Kw离子渗氮炉壳中，成为高效节能型新炉体。新炉体温度场测试步骤同加隔热屏的旧炉体。测试数据如附图4和表1。工件表面至辉光层处降温50℃，从辉光层外表到保温层壁降39℃，炉内第一只热电偶的指示温度为560℃，测温装置的热电偶为556℃，二者相差4℃。证明保温层设计，测温装置设计等，完全达到要求。

表1二种结构炉体工件升温、保温参数值

以上数据证明，加保温层后有重要意义：

1、完全解决了炉内温度不均、耗电多、测温不准的难题。

2、加保温层比加隔热屏升温、保温时节电45～50%，若全国已有的离子渗氮炉都加保温层，

其经济效益和节电效果非常可观。但加保温层后，也存在工件在炉内冷却200℃以下时，时间延长1.5小时，所以发明者认为：同一型号的炉子可作成两种规格：一种为不要求快冷的周期作业炉，另一种为可快速冷却的不间断作业炉，不间断作业炉内可加快速冷却系统，可参考真空回火炉，这种炉子可称为高效节能离子渗氮炉。

Claims (5)

1.一种节能离子渗氮炉，包括带冷却水夹层的上炉体筒体、圆形底座、阴极盘、阴极盘下的真空抽气管道、固定在阴极盘的测温装置，其特征是，在上炉体筒体的内侧及圆形底座上面设有保温层，上炉体筒体内侧的保温层包括不流动的炉气、耐火材料和钢筒体，保温层中耐火材料缠在钢筒体外侧，钢筒体内侧为阳极，圆形底座上面的保温层包括不流动的炉气、耐火材料和钢板，钢筒体和钢板将保温层内不流动的炉气与炉内气体相隔，保温层内的气体进入管从炉体底部伸到顶部，在炉体顶部穿过保温层通过均匀布气管进入炉内，10-500kw的炉子保温层厚2-28cm。

2.根据权利要求1所述的一种节能离子渗氮炉，其特征是，测温装置包括热电偶，热电偶外部套着石英管，石英管的外部套有测温头，测温头顶部中心设有盲孔，石英管与热电偶顶部融为一体，并与测温头顶部中心孔紧密贴在一起，无气体隔断。

3.根据权利要求2所述的一种节能离子渗氮炉，其特征是，测温头厚度与工件有效厚度一致、与工件高度一致或与工件高度成比例，保证与工件同温。

4.根据权利要求1所述的一种节能离子渗氮炉，其特征是，所述均匀布气管包括与气体进入管顶端连接的三通管，三通管连接两直管，每个直管连着一个弧形管，两个弧形管围成近圆形，弧形管上布有向炉内中心方向的出气孔。

5.根据权利要求1所述的一种节能离子渗氮炉，其特征是，保温层上设有观察孔，此孔与炉体的观察孔相对应，用耐热玻璃和耐热密封垫固定在钢筒体上，保证上炉体保温层与炉内流动气体隔断。