CN105586469B - 一种多功能热处理装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种多功能热处理装置及其使用方法，属于金属热处理领域。热处理装置，包括4～10台的热处理炉、外环管道，内环管道、连通管道、循环风机、液氮储罐、放散阀和切断阀。热处理装置的使用方法：在每个工作周期，有一个或几个炉子处于装出料或检修状态，其他的炉子与外环管道、内环管道以及循环风机构成一个闭合回路，该回路中充满着N₂，在循环风机的作用下，N₂在该闭合回路中循环流动；当物料或工件需要缓冷时，液氮储罐用于补充系统中的N₂损失；当物料或工件需要速冷时，液氮储罐用于提供低温的冷却介质。本发明装置，设备简单，在同一个系统中可实现退火、淬火、回火、正火以及调质等热处理过程，生产调度灵活，且能实现能量的近极限利用。

Description

一种多功能热处理装置及其使用方法

技术领域

本发明属于金属热处理领域，特别涉及一种多功能热处理装置及其使用方法。

背景技术

热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。

为了使金属材料及其制品获得所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材质和各种成型工艺外，热处理工艺也是不可或缺的。钢铁材料是机械工业中应用最广泛的材料，其显微组织复杂，并与其机械性能和使用性能密切相关，合理的热处理工艺能够有效改善钢铁材料的显微组织，因此钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。此外，铝、铜、镁、钛等材料及其合金也都可以通过热处理来改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

热处理工艺一般包括加热、保温和冷却这三个过程，某些工艺也可能仅包括加热和冷却这两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。而热处理工艺则需要借助于各种热处理炉来实现。目前国内除少量采用连续热处理炉外，而其他绝大部分热处理工艺都采用周期性工作的热处理炉，比如罩式炉或室状炉等。在周期性工作的热处理炉中，其加热方式一般采取燃烧气体或电加热。在加热阶段，物料升温的同时，炉体的温度也随之升高，进入冷却阶段后，物料和炉体的蓄热都随着温度的降低而被白白的释放到大气环境中，因此，周期性热处理炉的能量有效利用率很低，大部分在20～40％之间，有的甚至不足5％，这样便带来了能量的极大浪费，因此，有必要发明一种设备或技术，能将这部分浪费的能量重复利用，以达到节能、减排之效果。

发明专利CN200810054606提出了一种组合式罩式退火炉的方法及其退火炉装置，可使退火过程中的能量循环利用，达到节能30～40％的效果，这是一种较大的进步。但该发明提出的退火装置极其笨重和复杂，换热器也难以发挥有效的换热作用。以N₂-H₂混合气体为媒介，采用首先加热气体，然后靠气体流动来加热工件的方法，对处理同种产品，在装炉量一样的情况下，能够满足工艺的需要，但在生产中，产品的种类，需要处理产品的数量，升温速率，保温时间，以及降温速率随时都在变化，因而该发明在生产灵活性上存在不足，此外该发明也仅能用于退火，难以在同一个系统的实现淬火、回火、正火以及调质等其他热处理过程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种多功能热处理装置及其使用方法，是一种能量利用接近极限的多功能热处理装置及其使用方法。利用换热理论及节能技术，在同一个装置系统中就能实现退火、淬火、回火、正火以及调质等大部分热处理过程的，用于金属材料及其制品的热处理过程。

本发明的多功能热处理装置，包括4～10台的热处理炉、外环管道，内环管道、连通管道、循环风机、液氮储罐、放散阀和切断阀组成；热处理炉之间通过连通管道连接，串联成一个闭合的环路；闭合的环路的内侧设置有内环管道，各个热处理炉通过连通管道与内环管道相连通；闭合的环路的外侧设置有外环管道，各个热处理炉通过连通管道与外环管道相连通；以上每段连通管道上均设置有切断阀；循环风机的进风口与外环管道通过连通管道相连，循环风机的出风口与内环管道通过连通管道相连；循环风机的进风口与外环管道之间的连通管道，与放散阀通过连通管道相连；循环风机的出风口与内环管道之间的连通管道，与液氮储罐通过连通管道相连，连接液氮储罐的连通管道上设置有切断阀；循环风机、放散阀和液氮储罐均设置在内环管道的环内。

其中：

所述热处理炉为罩式炉或室状炉，电热体均布在热处理炉的炉墙和炉顶；所述的罩式炉，有外罩，内罩被取消，外罩与底座之间采用水封方式密封；所述的室状炉，进出料炉门采用水封方式密封；

所述热处理炉的数量为6台，但不仅限于6台，其数量可依生产条件而增减；所述的各热处理炉以环形或其他能围成一圈的方式排布，通过连通管道将热处理炉两两首尾相连，串联成一个闭合环路。

所述外环管道，内环管道和连通管道的外壁都敷设有绝热层，绝热层的厚度为50～100mm；

所述的多功能热处理装置的内部，充满着N₂气，N₂的纯度大于等于98％；N₂气的作用为作为换热媒介和保护介质。

本发明的多功能热处理装置的使用方法为：

在每个工作周期，有一个或几个热处理炉处于装出料或检修状态，其他的热处理炉与外环管道、内环管道以及循环风机构成一个闭合回路，在该回路中充满着N₂，在循环风机的作用下，N₂在该闭合回路中循环流动，为了防止炉体吸入空气，热处理炉内的压力要保证处于30～100Pa的微正压；当炉内的工件需要缓冷时，液氮储罐用于补充系统中的N₂损失；当炉内的工件需要速冷时，液氮储罐用于提供高速流动的低温的冷却介质；放散阀用于将多余的N₂放散于空中，以保证装置系统压力的稳定；

在每个工作周期，不同工位上的热处理炉承担不同任务，在与循环风机出口相连接的闭合回路的前段，依靠N₂的对流换热作用对完成加热和保温的工件及炉体进行冷却，同时，N₂自身的温度逐渐升高，由冷气体变成热气体，当流过工作温度最高的热处理炉后，便进入闭合回路的后段，此时热N₂将自身的热量逐渐传递给处于加热阶段的工件和炉体，通过这种方式便将处于冷却状态工件及炉体的蓄热传递给处于升温状态的工件和炉体，从而实现能量的近极限利用。

在每个工作周期，每个热处理炉都按照设定的升温或降温速率进行升温或降温，降温速率通过调整冷却N₂的流速来保证，升温所需的热量大部分来自于热N₂的放热，其他不足的部分来自于电热体的补热。

本发明的多功能热处理装置，可以用于各种钢材、铝材料或铜材料的热处理；可以实现退火、淬火、回火、正火和调质等工艺过程，不同的热处理工艺是通过调整工作热处理炉的台数和工作状态来实现的。

本发明多功能热处理装置在使用时，损失的热量仅包括不可避免的炉体围护的散热，而工件和炉体的蓄热都能被充分重新利用，能量有效利用率可提高到90％以上，从而能实现能量的近极限回收；通过调整工作炉子的台数或不同炉子的工作状态就能在同一个系统中实现退火、淬火、回火、正火以及调质等大部分热处理过程；此外，每个炉子的装件量也与其他炉子的相关性不大，从而给生产调度带来了极大自由度。

本发明提出了一种更加节能的，设备较为简单的，且生产极为灵活的一种能量近极限利用的多功能热处理装置及其使用方法，其有益效果为：

1)节能，工件和炉体的蓄热可以得到充分利用；

2)工作效率高，可以实现连续生产；

3)如果采用该技术对原有设备进行改造，原有的炉子不需要做大的变化，就能继续使用；

4)热处理炉内待处理工件获得热量的方式为辐射+对流，换热效率高，炉内温差小；

5)生产调度和炉温调节易实现自动控制；

6)由于采用惰性气体为传热媒介，故待处理工件的表面不会氧化，也不会脱碳，可实现光亮热处理；

7)节省投资和生产所需空间，仅一个系统就能完成退火、淬火、回火、正火以及调质等大部分热处理过程。

附图说明

图1本发明实施例1和实施例2的多功能热处理装置图，其中，A～F为无内罩的罩式炉；G：循环风机；H：液氮储罐；1～19：切断阀；20：放散阀；

图2本发明实施例1和实施例2的多功能热处理装置的工作状态示意图，其中，图中编号同图1；

图3本发明实施例1和实施例2的多功能热处理装置的工作状态示意图，其中，图中编号同图1。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明：以下实施例中装置的部件均为市购。

实施例1

多功能热处理装置，如图1所示，包括6台的罩式炉、外环管道，内环管道、连通管道、循环风机、液氮储罐、放散阀和切断阀组成；6台的罩式炉，分别编号为A～F，罩式炉之间通过连通管道连接，串联成一个闭合的环路，6台罩式炉安装在均布为一个圆环形的各个工位上，罩式炉之间的每段连通管道上均设置有切断阀，分别编号为1～6，闭合的环路的内侧设置有内环管道，各个罩式炉通过连通管道与内环管道相连通；罩式炉与内环管道之间的每段连通管道上设置有切断阀，分别编号为13～18；闭合的环路的外侧设置有外环管道，各个罩式炉通过连通管道与外环管道相连通；罩式炉与外环管道之间的每段连通管道上设置有切断阀，分别编号为7～12；循环风机G的进风口与外环管道通过连通管道相连，循环风机G的出风口与内环管道通过连通管道相连；循环风机的进风口与外环管道之间的连通管道，与放散阀20通过连通管道相连；循环风机G的出风口与内环管道之间的连通管道，与液氮储罐H通过连通管道相连，连接液氮储罐H的连通管道上设置有切断阀19；循环风机G、放散阀20和液氮储罐H均设置在内环管道的环内。

其中：

所述热处理炉为无内罩的罩式炉，即有外罩，内罩被取消，外罩与底座之间采用水封方式密封，电热体均布在热处理炉的炉墙和炉顶；所述热处理炉的数量为6台；

所述外环管道，内环管道和连通管道的外壁都敷设有绝热层，绝热层的厚度为50mm；

所述的多功能热处理装置的内部，在正常生产时，充满着N₂气，N₂的纯度大于等于98％；N₂气的作用为作为换热媒介和保护介质。

多功能热处理装置的使用方法，对冷轧带钢卷做退火热处理，最高加热温度为900。℃：

在某一工作周期，罩式炉A～E处于工作状态，罩式炉分别放置着要进行退火热处理的冷轧带钢卷，而罩式炉F处于装出料或检修状态；此时切断阀2～5、12和14处于开启状态，切断阀19和放散阀20的状态依炉膛压力而定，其他切断阀均处于关闭状态。此时换热媒介N₂的循环流动路线如图2中的箭头所示。当炉内压力低于30Pa时，切断阀19打开到合适的开度，向系统内补充适量N₂，当炉内压力高于100Pa时，切断阀19关闭，而将放散阀20打开到合适的开度，将多余的N₂放散到空中。在这个工作周期，炉B和A为冷却炉，其中，由炉B到炉A，炉温逐渐降低；炉C、D和E为加热炉，由炉E到炉C，炉温逐渐升高，其中炉C的温度接近规定的最高加热温度。

在一个工作周期内，炉E由常温升到350℃，炉D由350℃升到600℃，炉C温度由600℃升到900℃，炉B则由900℃降到500℃，炉A的温度由500℃降到100℃。来自于循环风机的冷N₂通过切断阀14及其相连的管道进入炉A以冷却炉A内的工件和炉体，从而使工件和炉体的温度逐渐降低，而冷N₂由于吸收工件和炉体的蓄热而使温度逐渐升高，而后通过切断阀2进入炉B，继续对炉B内的工件和炉体进行冷却，并使气体温度进一步升高；当气体进入炉C时，起初由于其温度高于炉内工件的温度，可将热量传递给工件和炉体，后期温度较低时，开启炉内加热体，一直将工件加热到规定的温度；当气体离开炉C时，其具有较高的温度，从而将炉D和炉E内的工件和炉体依次预热。在该系统中通过N₂的循环，一方面同时实现工件的预热和冷却，另一方面可将热处理完成后冷却时工件和炉体释放的热量刚好用于待处理工件和炉体的预热。当完成这个工作周期后，将切断阀2和14关闭，将切断阀6、7和15打开，N₂的流动路线如图3所示。此时炉A处于装出料或检修状态，而炉F进入工作状态，和其他炉子一起完成下一个工作周期。这样的过程周而复始，从而实现连续生产。

实施例2

多功能热处理装置，同实施例1。

多功能热处理装置的使用方法，对W18Cr4V高速钢刀片进行淬火处理，最高加热温度为1150℃，加热完成后需要快速冷却。

在某一工作周期，炉A～E处于工作状态，炉F处于装出料或检修状态；此时切断阀2～5、12、14和19及放散阀20都处于开启状态，其他切断阀均处于关闭状态。此时换热媒介N₂的循环流动路线也如图2中的箭头所示。阀门19全开，向系统内冲入温度极低的N₂，对完成加热的工件进行快速冷却，放散阀20全开，将多余的N₂放散到空中。在这个工作周期，仅炉A为冷却炉，炉B、C、D和E都为加热炉，由炉E到炉B，炉温逐渐升高，其中炉B的温度接近规定的最高加热温度。

在一个工作周期内，炉E由常温升到350℃，炉D由350℃升到600℃，炉C温度由600℃升到900℃，炉B则由900℃升到1150℃，炉A的温度由1150℃降到100℃。来自于循环风机和液氮储罐的的冷N₂通过切断阀14及其相连的管道进入炉A以冷却炉A内的工件和炉体，从而使工件和炉体的温度快速降低，而冷N₂由于吸收工件和炉体的蓄热而使温度升高，并进入后面的炉子，当炉内N₂带来的热量不足以维持要求的升温速率时开启炉内加热体进行补热。当完成这个工作周期后，将切断阀2和14关闭，将切断阀6、7和15打开，N₂的流动路线也如图3所示。此时炉A处于装出料或检修状态，而炉F进入工作状态，和其他炉子一起完成下一个工作周期。这样的过程周而复始，从而实现连续生产。

Claims (4)

1.一种多功能热处理装置的使用方法，其特征在于：所述的多功能热处理装置包括4～10台的热处理炉、外环管道，内环管道、连通管道、循环风机、液氮储罐、放散阀和切断阀组成；热处理炉之间通过连通管道连接，串联成一个闭合的环路:闭合的环路的内侧设置有内环管道，各个热处理炉通过连通管道与内环管道相连通；闭合的环路的外侧设置有外环管道，各个热处理炉通过连通管道与外环管道相连通；以上每段连通管道上均设置有切断阀:循环风机的进风口与外环管道通过连通管道相连，循环风机的出风口与内环管道通过连通管道相连；循环风机的进风口与外环管道之间的连通管道，与放散阀通过连通管道相连:循环风机的出风口与内环管道之间的连通管道，与液氮储罐通过连通管道相连，连接液氮储罐的连通管道上设置有切断阀:循环风机、放散阀和液氮储罐均设置在内环管道的环内；

使用方法为：

在每个工作周期，有一个或几个热处理炉处于装出料或检修状态，其他的热处理炉与外环管道、内环管道以及循环风机构成一个闭合回路，在该回路中充满着N₂，在循环风机的作用下，N₂在该闭合回路中循环流动，为了防止炉体吸入空气，热处理炉内的压力要保证处于30～100Pa的微正压；当炉内的工件需要缓冷时，液氮储罐用于补充系统中的N₂损失；当炉内的工件需要速冷时，液氮储罐用于提供高速流动的低温的冷却介质；放散阀用于将多余的N₂放散于空中，以保证装置系统压力的稳定；

在每个工作周期，不同工位上的热处理炉承担不同任务，在与循环风机出口相连接的闭合回路的前段，依靠N₂的对流换热作用对完成加热和保温的工件及炉体进行冷却，同时，N₂自身的温度逐渐升高，由冷气体变成热气体，当流过工作温度最高的热处理炉后，便进入闭合回路的后段，此时热N₂将自身的热量逐渐传递给处于加热阶段的工件和炉体，通过这种方式便将处于冷却状态工件及炉体的蓄热传递给处于升温状态的工件和炉体，从而实现能量的近极限利用。

2.根据权利要求1所述的多功能热处理装置的使用方法，其特征在于，在所述的在每个工作周期，每个热处理炉都按照设定的升温或降温速率进行升温或降温，降温速率通过调整冷却N₂的流速来保证，升温所需的热量大部分来自于热N₂的放热，其他不足的部分来自于电热体的补热。

3.根据权利要求1所述的多功能热处理装置的使用方法，其特征在于，所述的使用方法应用于钢材、铝材料或铜材料的热处理。

4.根据权利要求1所述的多功能热处理装置的使用方法，其特征在于，所述的使用方法应用于退火、淬火、回火、正火和调质工艺过程，不同的热处理工艺是通过调整工作热处理炉的台数和工作状态来实现的。