CN107436097A - 烧结炉的冷却方法、烧结工艺以及烧结炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烧结炉的冷却方法，其特征是：将惰性冷却气体通入至烧结炉的装料室与冷却夹层内，使惰性冷却气体在装料室和冷却夹层内形成对流，并与装料室内的材料、冷却夹层内的冷却介质进行热交换，经过热交换的惰性冷却气体排出烧结炉，可对高温的材料立即进行急速的冷却，冷却效率的变化区间更大，从而可以通过不同的冷却条件产生使材料烧结后产生不同的产物，完成对材料热处理的工艺，由单个烧结炉完成烧结与热处理两个工艺过程，去掉了现有技术中烧结炉中缓慢冷却的过程与热处理炉中升温的过程，同时也少去了从烧结炉转移至热处理炉中的过程，使的生产效率提高，减少了能源的浪费。

Description

烧结炉的冷却方法、烧结工艺以及烧结炉

技术领域

本发明涉及一种烧结工艺，更具体地说，它涉及一种烧结炉的冷却方法以及烧结炉的烧结工艺。

背景技术

烧结炉是利用感应加热对被加热物品进行保护性烧结的炉子，可分为工频、中频、高频等类型，可以归属于烧结炉的子类。真空感应烧结炉是在真空或保护气氛条件下，利用中频感应加热的原理使硬质合金刀头及各种金属粉末压制体实现烧结的成套设备，是为硬质合金、金属镝、陶瓷材料的工业生产而设计的。

以钢为例，钢材料要想获得某些工件特性，需要对其进行热处理，使其晶体结构发生变化，达到需要的物理性能。而钢材料在经过烧结炉烧结之后，由于现有技术中烧结炉的冷却技术的冷却速率有限，无法实现快速的冷却，因此无法达到热处理中迅速冷却的要求，因此当钢材料完成烧结工艺之后，需要将其转移至热处理炉内进行热处理。如图1a表示的现有技术中钢材料在烧结炉内工艺曲线，图1b表示的是现有技术中钢材料在热处理炉中的工艺曲线。由于烧结炉在烧结完成之后，需要等待材料的冷却，增加了生产所需要的时间，冷却完毕之后再转移至热处理炉，增加了生产的工序，导致生产效率低下。另外烧结炉中的材料从高温冷却，转移到热处理炉中又要重新进行加热，导致了能量的浪费。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种烧结炉的冷却方法以及烧结炉的烧结工艺，使烧结与热处理都可以在烧结炉内完成，增加生产的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种烧结炉的冷却方法，将惰性冷却气体通入至装料室内，使惰性冷却气体与装料室内的材料进行热交换，将装料室内的惰性冷却气体从装料室内排出。

通过采用上述技术方案，将惰性冷却气体直接通入到装料室内，低温的惰性冷却气体与装料室内的材料直接进行热交换，将材料内部的热量带走，由于低温的惰性气体与材料之间的温差较大，所以可以非常高效的对材料进行冷却，使材料的冷却速率符合热处理的要求，完成对材料进行热处理，在烧结完成之后无需转移到热处理炉中，减少了生产的时间，生产工序，提高了生产效率。惰性冷却气体不断进入至装料室内同时不断的从装料室内抽出，通过控制惰性冷却气体的进气量与出气量，实现对炉体内的气压进行控制，是材料在冷却的过程中，使炉体内的压强符合生产的条件。

本发明进一步设置为：连通保温室与散热室，使惰性冷却气体在保温室与散热室之间循环流动。

通过采用上述技术方案，连通保温室与散热室，使保温室内惰性气体与壳体中间的冷却夹层进行热交换，同时使惰性冷却气体与装料室内的材料充分的进行热交换，增加惰性冷却气体的利用效率，

本发明进一步设置为：通过离心风机使惰性冷却气体在装料室与保温室内循环。

通过采用上述技术方案，通过循环风机的作用，加速惰性冷却气体在散热室、装料室内部迅速的流动，增加热交换效率。

本发明的目的二在于提供一种烧结工艺，使烧结与热处理都在烧结炉内完成，增加生产的效率。

一种烧结炉的烧结工艺，其特征是：包括以下步骤，

（1）负压脱蜡；降低烧结炉内的气压至脱蜡气压，并通入惰性冷却气体，对烧结炉内进行加温并保持脱蜡温度直至腊气化随惰性冷却气体排出；

（2）真空烧结；对烧结炉内升温至真空烧结温度，控制烧结炉内的气压至真空烧结气压，并完成真空烧结；

（3）分压烧结；控制烧结炉内的温度至分压烧结温度，控制烧结炉内的气压至分压烧结气压，并完成分压烧结；

（4）热处理；将惰性冷却气体通入至装料室内，使惰性冷却气体与装料室内的材料进行热交换，将装料室内的惰性冷却气体从装料室内排出；

（5）工艺结束。

通过采用上述技术方案，热处理循环过程中直接想装料室内通入低温的惰性冷却气体，对材料实现迅速的降温，使降温的速率达到热处理的要求，在烧结炉内完成热处理的过程，

本发明进一步设置为：所述的热处理包括急速冷却、分压持温、负压强冷，其中急速冷却采用将惰性冷却气体通入至装料室内，使惰性冷却气体与装料室内的材料进行热交换，将装料室内的惰性冷却气体从装料室内排出的冷却方法，负压强冷采用炉冷或采用将惰性冷却气体通入至装料室内，使惰性冷却气体与装料室内的材料进行热交换，将装料室内的惰性冷却气体从装料室内排出的冷却方法。

通过采用上述技术方案，分级淬火的原理，对于生产的零件比较薄的，可以防止材料开裂，负压强冷的工艺根据材料的不同，可以选择炉冷或采用与急速强冷相同的方法，根据实际的需求生产不同的零件。

将低温的惰性气体直接通入至装料室内，使负压强冷的冷却速率的可控区间大，完成分级淬火。

本发明的目的三在于提供一种烧结炉，使烧结与热处理都在烧结炉内完成，增加生产的效率。

一种烧结炉，包括炉体、冷却装置，炉体包括装料室、位于装料室外的保温室、位于保温室外的外壳，所述的冷却系统包括存储惰性冷却气体的气体存储单元，所述的装料室设有与气体存储单元连通的进气系统，所述的炉体还设有将装料室内的惰性冷却气体排出的排气系统。

通过采用上述技术方案，将气体存储单元中的惰性冷却气体直接通入至烧结炉的装料室内，由于液态的氮气与氩气气化之后温度极低，低温的氮气或氩气在装料室内和材料进行热交换，由于惰性冷却气体直接与材料进行接触，以最有效的方式进行热交换，将材料上的温度带走，实现材料的迅速冷却降温，冷却速率的变化区间更大，从而可以通过不同的冷却条件产生使材料烧结后产生不同的产物，完成对材料热处理的工艺，由单个烧结炉完成烧结与热处理两个工艺过程，去掉了现有技术中烧结炉中缓慢冷却的过程与热处理炉中升温的过程，同时也少去了从烧结炉转移至热处理炉中的过程，使的生产效率提高，减少了能源的浪费。

本发明 进一步设置为：所述的进气系统连通装料室的底部，所述装料室的顶部设有将惰性冷却气体排出的排气孔，所述的排气孔连通排气系统。

通过采用上述技术方案，根据热空气上升的原理，装料室的底部接通进气系统，经过热处理后的惰性冷却气体从顶部排出，提高冷却效率。

本发明进一步设置为：所述保温室与外壳之间设有散热室，所述的保温室设有与散热室相通的循环进气口、循环出气口以及驱动气体在散热室与装料室循环的离心风机。

通过采用上述技术方案，进入到保温室内的惰性冷却气体在循环风机的作用之下，装料室内的惰性冷却气体由保温室的循环出气口排出，循环进气口回到保温室内，进一步的增加惰性冷却气体的使用效率，通过气体循环系统使保温室与散热室之间的气体进行气体循环，使惰性冷却气体与材料之间进行充分接触，进一步增加装料室内的材料与惰性冷却气体进行热交换，提高冷却效率，增加惰性冷却气体的利用效率。

本发明进一步设置为：所述的循环进气口与循环出气口位于保温室的两端，所述的循环出气口与循环出气口均设有启闭门。

通过采用上述技术方案，通过离心风机使装料室内的惰性冷却气体发生流动，离心风机的产生的气流从装料室的一端到另一端，提高循环效率。

本发明进一步设置为：所述的外壳两端设有炉门，所述的循环风机固定于炉门上，所述的炉门还设有控制启闭门开关的启闭机构。

通过采用上述技术方案， 启闭门将气体循环系统与保温室隔离，从而避免气体循环系统因为保温室的高温而损坏，同时将循环进气口封闭，使通入到装料室内的气体集中的对装料室内的材料进行冷却，提高冷却的效率，启闭门的启闭通过炉门上的启闭机构进行控制，实现自动化。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，提供了一种烧结炉的冷却方法，可以实现对烧结炉内的材料进行急速的冷却，等同于热处理工艺中的淬火，从而使烧结后的材料达到预定的要求；由于在现有技术的烧结炉的基础之上增加了急速冷却的操作，在材料烧结完成之后，可对高温的材料立即进行急速的冷却，冷却速率的变化区间更大，从而可以通过不同的冷却条件产生使材料烧结后产生不同的产物，完成对材料热处理的工艺，由单个烧结炉完成烧结与热处理两个工艺过程，去掉了现有技术中烧结炉中缓慢冷却的过程与热处理炉中升温的过程，同时也少去了从烧结炉转移至热处理炉中的过程，使的生产效率提高，减少了能源的浪费。

附图说明

图1为现有技术中烧结炉、热处理炉的时间温度曲线；

图2为第一种烧结炉的烧结工艺的时间温度曲线；

图3为第二种烧结炉的烧结工艺的时间温度曲线；

图4为共析钢的CCT图；

图5为不同冷却条件下所产生产物的时间温度曲线；

具体实施方式

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的工艺曲线如图2、3所示，通过对比，本发明工艺曲线中I点之前的过程与现有技术图1的工艺曲线相同；在I点之后，采用了急速冷却技术，将惰性冷却气体（如氮气、氩气等，当然还包括其他不与材料发生化学反应的气体）通入至烧结炉的装料室与保温室内，由于液态的氮气与氩气汽化之后温度极低。将低温的氮气或氩气通入装料室和保温室内进行热交换，经过热交换后的惰性冷却气体排出烧结炉，控制惰性冷却气体通入烧结炉与排出烧结炉的速率，控制烧结炉炉内的气压。

由于惰性冷却气体直接与材料进行接触，以最有效的方式进行热交换，将材料上的温度带走，实现材料的迅速冷却降温。在通入惰性冷却气体的同时，可以在惰性冷却气体内混入添加剂，用于和钢材料发生反应，使新的元素增加至钢材料中，例如材料表面需要渗碳渗氮，这样就可以在惰性冷却气体中增加二氧化碳或氮气。

惰性冷却气体来自于外置的冷却系统，冷却系统包括气体存储单元，将气体存储单元中惰性冷却气体通过进气系统连通烧结炉。本发明中的惰性冷却气体可以是循环利用，从烧结炉内排除的高温气体重新进入到冷却系统进行冷却重复利用；也可一次性使用，即惰性冷却气体从烧结炉内带着热量直接排出至大气中，保证进入到烧结炉内的惰性冷却气体都是低温的，从而实现材料急速的降温。

低温的惰性冷却气体通入至烧结炉中的过程依次分为快速充气阶段与慢速充气阶段，快速充气的可以使装料室内的高温材料与惰性低温气体进行快速的热交换，实现快速的降温，在温度下降的速率达到要求之后，进行慢速的充气，使材料与惰性冷却气体之间进行充分的热交换，减少惰性冷却气体的使用，降低生产成本。

如图5所示，其主要表示的是在不同冷却条件下所转变的产物，通过本发明所提供的冷却方法，可以使烧结炉内的材料急速的冷却，使冷却的条件达到如图5中靠左边的X1曲线，在该冷却条件下会产生M+A’（马氏体+奥氏体）的产物，而现有技术中由于冷却速率无法比X1曲线的冷却速率更大，因此现有的烧结炉是无法达到图5中左边X1、X2曲线的条件,也就无法生成M+A’。根据图5中的曲线变化条件，本发明提供了两种获得M+A’产物的烧结炉的烧结工艺：

第一种烧结炉的烧结工艺，时间温度曲线如图2所示：

（1）负压脱蜡；降低烧结炉内的气压至脱蜡气压，并通入惰性冷却气体，对烧结炉内进行加温并保持脱蜡温度直至腊气化随惰性冷却气体排出；

（2）真空烧结；对烧结炉内升温至真空烧结温度，控制烧结炉内的气压至真空烧结气压，并完成真空烧结；

（3）分压烧结；控制烧结炉内的温度至分压烧结温度，控制烧结炉内的气压至分压烧结气压，并完成分压烧结；

（4）热处理；热处理中的冷却采用将惰性冷却气体通入至装料室内，使惰性冷却气体与装料室内的材料进行热交换，将装料室内的惰性冷却气体从装料室内排出；

（5）工艺结束

即材料在烧结完成后，直接通过烧结炉的冷却方法进行冷却，其热处理的过程中，由于采用了烧结炉的冷却方法，其冷却的速率可以达到图5中最左边X1所示的曲线，实现热处理中的淬火，得到M+A’的产物，适用于厚度较厚，结构较为简单的工件。

第二种烧结炉的烧结工艺，温度时间曲线如图3所示：

（1）负压脱蜡；降低烧结炉内的气压至脱蜡气压，并通入惰性冷却气体，对烧结炉内进行加温并保持脱蜡温度直至腊气化随惰性冷却气体排出；

（2）真空烧结；对烧结炉内升温至真空烧结温度，控制烧结炉内的气压至真空烧结气压，并完成真空烧结；

（3）分压烧结；控制烧结炉内的温度至分压烧结温度，控制烧结炉内的气压至分压烧结气压，并完成分压烧结；

（4）急速强冷；将惰性冷却气体通入至装料室内，使惰性冷却气体与装料室内的材料进行热交换，将装料室内的惰性冷却气体从装料室内排出；

（5）分压持温；控制烧结炉内的温度持温温度，并控制烧结炉内的气压至分压持温气压，完成分压持稳；

（6）负压强冷；减低烧结炉内的气压，并对烧结炉进行快速冷却；

（7）工艺结束。

其中（4）、（5）、（6）是热处理中分级淬火的工艺，如图3中所示X2曲线所示，同样可以得到M+A’的产物，但由于奥氏体比马氏体的密度大（奥氏体是面心立方结构，而马氏体是过饱和的体心四方结构），因此奥氏体向马氏体转变的过程中会产生热应力和相变应力（奥氏体向马氏体转变的体积变化而产生的内应力即为相变应力），导致工件产生开裂、裂纹，对于复杂形状工件来说尤其严重。采用分级淬火法可以有效地减少转变过程中裂纹的产生。

由于共析钢的过冷奥氏体连续转变曲线最简单，他只有珠光体和马氏体转变区，没有贝氏体转变区，因此本发明以共析钢为例，如图4所示是共析钢的CCT曲线，其中主要由Ms和冷却速线Vc以下为马氏体转变区；珠光体转变区由3条曲线构成，左边的为过冷奥氏体转变开始线，右边为过冷奥氏体转变终了线，下面连写为过冷奥氏体转变终止线；

过冷奥氏体以V1速度冷却，冷却曲线与珠光体转变开始线相交时，奥氏体开始向珠光体转变，与珠光体转变终了先相交时得到100%珠光体；

过冷奥氏体冷却速度增大到Vc’的时候，转变过程与V1时相同，也的到100%珠光体，但转变开始与终了的温度降低，转变区间增大，转变时间缩短，得到珠光体弥散度加大；

过冷奥氏体以V2速度冷却，冷却曲线与珠光体转变开始线相交，发生珠光体转变，但冷至转变中止线时，珠光体转变停止，继续冷至Ms点以下，未转变奥氏体发生马氏体转变；

过冷奥氏体以冷却速率大于Vc，奥氏体过冷到Ms点以下发生马氏体转变，冷却终止后得到马氏体+奥氏体（残余）；

现有技术中烧结炉的局限之初在于其冷却速度较慢，无法使冷却的速率大于Vc，而本发明中提供的烧结炉的冷却方法的冷却效果极佳，可以使冷却速率大于Vc，也就可以获得马氏体+奥氏体（残余）的产物。同时惰性冷却气体充入的烧结炉内的速率，压强可控，使的冷却速率的控制区间较大，可以实现多种条件的冷却，从而可以通过改变冷却的条件获得图4中的各种热处理的产物，使热处理在烧结炉内完成而无需额外转移至热处理炉内进行热处理。

最外层为烧结炉的外壳，外壳内部设有冷却夹层21，在冷却夹层21内通有冷却水，可以用于对炉体内部进行散热，同时保持外壳外壁的温度不致于过高，外壳里面的一层为保温层，保温层与外壳之间为散热室，保温层的内部为保温室，保温室的两端贯通，通过启闭门进行启闭，启闭门安装于外壳的炉门上，通过炉门上的启闭机构控制启闭门的打开与关闭；在保温室内部设有装料室，装料室用于填装烧结材料。

装料室的底部设置有进气系统，进气系统和气体存储单元连通，气体存储单元内部存储有压缩的惰性冷却气体，在需要对装料室内部的材料进行冷却的时候，通过进气系统将气体存储单元内的气体引入装料室，气体存储单元中液态的惰性冷却气体液化，会吸收大量的热量，通入至装料室内部的惰性冷却气体与材料直接进行热交换，冷却效率高，装料室内材料的冷却速率达到热处理的要求，完成上述工艺工程中的热处理过程。

经过热交换的惰性冷却气体通过装料室顶部的排气孔进入至保温室内，经过一次热交换的惰性冷却气体其温度依旧较低，可以对装料室的外壁再次进行热交换，增加惰性冷却气体的使用效率，减少成本。在保温室上连接有排气系统，经过热交换的惰性冷却气体通过排气系统排出保温室；通过控制进气系统的进气速率与控制排气系统的排气速率，可以对装料室内的气压进行控制，使装料室内的气压符合热处理的要求。

为了进一步的增加惰性冷却气体的使用效率，可以通过启闭机构打开启闭门，其中启闭机构可以采用油缸、气缸或点击实现，打开启闭门后，可以使保温室与散热室连通，在循环风机的作用之下，使气体在保温室与散热室之间循环流动，其中气体的流动的路径如图1中的箭头所示，其中保温室靠近循环风机一端为循环出气口，另一端为循环进气口。在循环风机的前端设置有水风散热器，在水风散热器内通入循环冷却时，实现对炉体内的气体进行冷却。当气体在散热室与保温室内循环流动的时候，气体还与外壳进行热交换，通过外壳冷却夹层21内的冷却水将气体中的热量带走，从而使气体的热量降低，散热室内经过降温的气体又通入至保温室内，对保温室内的材料进行冷却，如此往复循环，增加散热的速率。通过这种结构还可以增加惰性冷却气体的利用效率，因为惰性冷却气体与材料接触之后，其温度依旧比较低，通过上述的方式进行循环，可以使惰性冷却气体与装料室内的材料充分的热交换。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种烧结炉的冷却方法，其特征是：将惰性冷却气体通入至装料室内，使惰性冷却气体与装料室内的材料进行热交换，将装料室内的惰性冷却气体从装料室内排出。

2.根据权利要求1所述的冷却方法，其特征是：连通保温室与散热室，使惰性冷却气体在保温室与散热室之间循环流动。

3.根据权利要求1或2所述的烧结炉的冷却方法，其特征是：通过离心风机使惰性冷却气体在装料室与保温室内循环。

4.一种烧结炉的烧结工艺，其特征是：包括以下步骤，

（1）负压脱蜡；降低烧结炉内的气压至脱蜡气压，并通入惰性冷却气体，对烧结炉内进行加温并保持脱蜡温度直至腊气化随惰性冷却气体排出；

（2）真空烧结；对烧结炉内升温至真空烧结温度，控制烧结炉内的气压至真空烧结气压，并完成真空烧结；

（3）分压烧结；控制烧结炉内的温度至分压烧结温度，控制烧结炉内的气压至分压烧结气压，并完成分压烧结；

（4）热处理；热处理中的冷却采用如权利要求1所述的烧结炉的冷却方法；

（5）工艺结束。

5.根据权利要求4所述的烧结炉的烧结工艺，其特征是：所述的热处理包括急速冷却、分压持温、负压强冷，其中急速冷却采用权利要求1所述的烧结炉的冷却方法，负压强冷采用炉冷或采用权利要求1所述的烧结炉的冷却方法。

6.一种采用上述权利要求1所述烧结炉的冷却方法的烧结炉，包括炉体、冷却装置，炉体包括装料室、位于装料室外的保温室、位于保温室外的外壳，其特征是：所述的冷却系统包括存储惰性冷却气体的气体存储单元，所述的装料室设有与气体存储单元连通的进气系统，所述的炉体还设有将装料室内的惰性冷却气体排出的排气系统。

7.根据权利要求7所述的烧结炉，其特征是：所述的进气系统连通装料室的底部，所述装料室的顶部设有将惰性冷却气体排出的排气孔，所述的排气孔连通排气系统。

8.根据权利要求7所述的烧结炉，其特征是：所述保温室与外壳之间设有散热室，所述的保温室设有与散热室相通的循环进气口、循环出气口以及驱动气体在散热室与装料室循环的离心风机。

9.根据权利要求8所述的烧结炉，其特征是：所述的循环进气口与循环出气口位于保温室的两端，所述的循环出气口与循环出气口均设有启闭门。

10.根据权利要求9所述的烧结炉，其特征是：所述的外壳两端设有炉门，所述的循环风机固定于炉门上，所述的炉门还设有控制启闭门开关的启闭机构。