CN114350914A

CN114350914A - 一种用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置及方法

Info

Publication number: CN114350914A
Application number: CN202111538130.7A
Authority: CN
Inventors: 盛乃成; 范世钢; 孙士杰; 侯桂臣; 王振江; 荀淑玲; 谢君; 周亦胄; 孙晓峰
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明属于合金加工制造领域，具体为一种用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置及方法。针对需要空冷或风冷等中等冷却强度的热处理过程，本发明将目标合金试样放入热处理炉中进行升温保温操作，待到达目标温度准备冷却时，将合金试样迅速转移到炉外均匀气冷装置中，按照目标的降温速率通过调节气流量进行处理冷却，直至达到目标温度，可以实现不同规格尺寸铸件热处理的均匀气冷操作，提高合金性能的稳定性。本发明合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，主要包括外壳、通气隔板、气体均匀化装置、支架、通气气路、气体流量控制阀、气源、控制系统、测温热电偶、目标试件，该装置具有操作简便、造价低廉、易于放大的优势。

Description

一种用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置及方法

技术领域

本发明涉及合金加工制造领域，具体为一种用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置及方法，属于特种合金热处理冷却工艺等特种合金制备领域。

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。人类的进步很大程度上在于利用材料能力的提升，金属材料是最重要的一种材料。热处理工艺是对金属材料性能最重要的提升手段，合理地利用热处理手段、最大程度地利用热处理工艺，对金属材料性能的提升及服役稳定性的支撑至关重要。

冷却过程是热处理工艺重要的组成部分。热处理工艺核心是调控元素在合金中的配分行为并实现特定结构的组织的析出过程。热处理过程冷却速度过快，元素的扩散及晶粒的生长时间不足，容易造成钢中碳化物弥散越高，硬度过大，甚至导致应力集中造成钢及合金开裂；反之冷速过慢容易造成合金强度大幅度下降。在同一个构件中，冷却速度不均匀会造成构件不同位置组织、性能的差异，极大地恶化合金服役性能。

发明内容

本发明的的目的是提供一种简便易操作的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置及方法，可以实现不同规格尺寸铸件，尤其是复杂结构铸件热处理的均匀气冷操作，提高合金性能的稳定性。

本发明的技术方案是：

一种用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，该装置包括外壳、通气隔板、气体均匀化装置、支架、通气气路、气体流量控制阀、气源、控制系统、测温热电偶、目标试件，具体结构如下：

支架上依次设有气体均匀化装置、通气隔板、外壳，气体均匀化装置的上开口与通气隔板之间形成下贮气室，外壳的下开口与通气隔板之间形成上贮气室，下贮气室和上贮气室之间通过通气隔板上的通气孔相连通；目标试件设置于上贮气室的通气隔板顶部，目标试件上的测温热电偶通过线路与控制系统连接；下贮气室底部通过通气气路与气源相连通，通气气路上设置气体流量控制阀，气体流量控制阀通过线路与控制系统连接。

所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，外壳防止外部空气流动或换热对目标试件的热处理过程产生影响，同时保护目标试件防止外部机械损伤，其形状为具有下开口的圆柱筒或圆台筒，圆柱筒或圆台筒高度与底面直径的比值为1/6～1/2，圆台筒上底面直径为下开口直径的1/4～1/2；外壳用材质为碳钢、耐热钢、不锈钢、高温合金或高强石墨。

所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，通气隔板保证气流在装置内均匀、快速地通过，使气冷处理过程气流在复杂形状的合金试样表面均匀冷却，通气孔形状为圆形、方形或三角形，其分布均匀，通气孔总面积占通气隔板面积的1/6～1/2。

所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，气体均匀化装置将冷却气体在复杂器件的流场进行重新分布，其形状为具有上开口的圆柱筒或圆台筒，圆柱筒或圆台筒高度与底面直径的比值为1/6～1/2，圆台筒上开口直径为下底面直径的1/4～1/2。

所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，气体均匀化装置的直径与外壳的直径对应，其具体尺寸与目标试件的最大尺寸相关：最大尺寸在10cm以下目标试件要求气体均匀化装置直径不大于25cm；最大尺寸在10～100cm范围目标试件要求气体均匀化装置直径为目标试件最大尺寸的2～5倍；最大尺寸在100cm以上的目标试件要求气体均匀化装置直径不大于时间最大尺寸的2倍。

所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，支架采用垂直地面布局，数量按照均匀气冷装置的整体大小，采取均布3～10个不同的配置。

所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，通气气路将冷却气体从气源中引入到气体均匀化装置中，其材质采用铝合金、钢或耐高温胶皮。

所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，气源提供合金冷却气体的来源，其种类包括CO、CO₂、N₂、O₂、Ar、He或空气，气源形式为高压气瓶、气罐或者提供空气的空气压缩机。

所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，测温热电偶取得目标试件表面的实际温度，协同气体流量控制阀、控制系统控制气冷速率和目标试件实际温度；对于最大尺寸不大于20cm的小型简单构件，采用单个热电偶测温；对于最大尺度大于20cm的较大构件或复杂型腔的构件，采用两个以上测温热电偶。

一种用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的方法，按照以下步骤进行：将目标合金试样放入热处理炉中进行升温保温操作，待到达目标温度准备冷却时，将合金试样迅速转移到所述装置中，按照目标的降温速率通过调节气流量进行处理冷却，直至达到目标温度。

本发明的设计思想是：

针对合金炉外气冷存在不同位置气体流量等传热作用强度不同导致的合金件冷却不均匀的现象，本发明提出一种将可控流量、种类的冷却气体在合金表面重新分配的装置及方法，达到在不同尺寸和复杂型腔的各处表面，气体和合金件热交换强度充分且均匀的作用，进而达到均匀气冷的目的。本发明经济适用、易于放大，可以实现多种尺寸、结构的合金件的炉外均匀气冷使用，最终达到稳定合金性能的目的。

本发明的优点及有益效果是：

1、热处理过程可以有效提高合金材料的机械性能或消除残余应力，而冷却过程是热处理工艺的重要组成部分。对于合金热处理冷却过程的有效控制是合金性能得以实现的必要手段。针对需要空冷或风冷等中等冷却强度(5～100℃/min)的热处理过程，本发明提供了一种简便易操作的炉外均匀气冷降温装置及方法，将目标合金试样放入热处理炉中进行升温保温操作，待到达目标温度准备冷却时，将合金试样迅速转移到炉外均匀气冷装置中，按照目标的降温速率通过调节气流量进行处理冷却，直至达到目标温度，可以实现不同规格尺寸铸件热处理的均匀气冷操作，提高合金性能的稳定性。

2、本发明合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，具有操作简便、造价低廉、易于放大的优势。

附图说明

图1为本发明用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置示意图。

图2为图1中通气隔板示意图。

图中，101外壳；102通气隔板；103气体均匀化装置；104支架；105通气气路；106气体流量控制阀；107气源；108控制系统；109测温热电偶；110目标试件；111通气孔。

具体实施方式

本发明的这些和其它方面从下文描述的实施方式中是显而易见的，并且将参考下文描述的实施方式进行阐述。

如图1-图2所示，本发明用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，主要包括外壳101、通气隔板102、气体均匀化装置103、支架104、通气气路105、气体流量控制阀106、气源107、控制系统108、测温热电偶109、目标试件110等，具体结构、作用及创新性叙述如下：

支架104上依次设有气体均匀化装置103、通气隔板102、外壳101，气体均匀化装置103的上开口与通气隔板102之间形成下贮气室，外壳101的下开口与通气隔板102之间形成上贮气室，下贮气室和上贮气室之间通过通气隔板102上的通气孔111相连通。目标试件110设置于上贮气室的通气隔板102顶部，目标试件110上的测温热电偶109通过线路与控制系统108连接。下贮气室底部通过通气气路105与气源107相连通，通气气路105上设置气体流量控制阀106，气体流量控制阀106通过线路与控制系统108连接。

外壳101防止外部空气流动或换热对目标试件110的热处理过程产生影响，同时可以起到保护目标试件110防止外部机械损伤的作用，其主要形状为圆柱筒或圆台筒，圆柱筒或圆台筒高度与底面直径的比值为1/6～1/2，圆台筒上底面直径为下开口直径的1/4～1/2。外壳用材质可以为碳钢、耐热钢、不锈钢、高温合金、高强石墨等结构材料。

通气隔板102保证气流在装置内均匀、快速地通过，使气冷处理过程气流在复杂形状的合金试样表面也能均匀冷却，其通气孔形状可以为圆形、方形、三角形等易加工的形状，其分布保证均匀，通气孔总面积占通气隔板面积的1/6～1/2(图2)。

气体均匀化装置103核心是冷却气体的贮存装置，它保证了高速气体在该装置中调整到合适的流速范围，将冷却气体在复杂器件的流场进行重新分布，实现气流的重新分配，避免了气流只在气体出口处聚集，而其他位置无气流换热等气体不均匀分布导致的期间冷却过程中冷却不均匀的现象。气体均匀化装置形状为圆柱筒或圆台筒，圆柱筒或圆台筒高度与底面直径的比值为1/6～1/2，圆台筒上开口直径为下底面直径的1/4～1/2。气体均匀化装置的直径与外壳101的直径对应，其具体尺寸与目标试件110的最大尺寸相关。一般最大尺寸在10cm以下目标试件110要求气体均匀化装置直径不大于25cm；最大尺寸在10～100cm范围目标试件110要求气体均匀化装置直径为目标试件110最大尺寸的2～5倍；最大尺寸在100cm以上的目标试件110要求气体均匀化装置直径不大于时间最大尺寸的2倍。

支架104用于支撑外壳101、通气隔板102、气体均匀化装置103及目标试件110等部件，其结构采用垂直地面布局，数量按照均匀气冷装置的整体大小采取均布3个、4个、6个等不同的配置。

通气气路105将冷却气体从气源107中引入到气体均匀化装置103中，其材质采用常用铝合金、钢或耐高温胶皮等。

气体流量控制阀106主要根据合金试样的降温要求，协同测温热电偶109的测温结果智能调节气体的流量。

气源107为提供合金冷却气体的来源，其种类包括CO、CO₂、N₂、O₂、Ar、He和空气等，具体气源形式可以是高压气瓶、气罐或者提供空气的空气压缩机。

控制系统108通过测温热电偶109取得的试样表面温度数据，通过气体流量控制阀106调节气体的流量，控制目标试件110按照设定速度降温。

测温热电偶109取得目标试件110表面的实际温度，协同气体流量控制阀106、控制系统108控制气冷速率和目标试件110实际温度。对于最大尺寸不大于20cm的小型简单构件，主要采用单个热电偶测温。对于最大尺度大于20cm的较大构件或复杂型腔的构件，采用两个以上测温热电偶109。两个测温热电偶109情况按照温度较低位置控温，三个以上测温热电偶109按照温度次低的位置控温。其中，较低位置的指两个热电偶测温温度低的位置，次低位置指多个热电偶测温温度倒数第二低的位置。

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，将10根热处理之后的K438合金棒(Φ12×60mm)放置在图1所示的气冷均匀降温的装置中。外壳为高度20cm、直径40cm、壁厚0.5cm的上端封闭圆柱筒；通气孔直径为2cm，圆孔总面积占隔板面积的一半；气体均匀化装置高度为30cm、直径40cm、壁厚0.5cm的下端封闭圆柱筒，利用100L/min的Ar气开始冷却，并利用控制系统控制降温。分别测定不同位置的3根试棒的温度变化，得到的降温数据如表1所示。

表1K438合金冷却时间-温度表

由表1可以看出，控制K438合金冷却冷却速度为100～200℃/min。

实施例2

本实施例中，将10根热处理之后的In792合金棒(Φ12×60mm)放置在图1所示的气冷均匀降温的装置中。外壳为高度20cm、直径40cm、壁厚0.5cm的上端封闭圆柱筒；通气孔直径为2cm，圆孔总面积占隔板面积的一半；气体均匀化装置高度为30cm、直径40cm、壁厚0.5cm的下端封闭圆柱筒，利用130L/min的Ar气开始冷却，并利用控制系统控制降温。分别测定不同位置的3根试棒的温度变化，得到的降温数据如表2所示。

表2In792合金冷却时间-温度表

由表2可以看出，控制In792合金冷却冷却速度为200～300℃/min。

Claims

1.一种用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，其特征在于，该装置包括外壳、通气隔板、气体均匀化装置、支架、通气气路、气体流量控制阀、气源、控制系统、测温热电偶、目标试件，具体结构如下：

2.按照权利要求1所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，其特征在于，外壳防止外部空气流动或换热对目标试件的热处理过程产生影响，同时保护目标试件防止外部机械损伤，其形状为具有下开口的圆柱筒或圆台筒，圆柱筒或圆台筒高度与底面直径的比值为1/6～1/2，圆台筒上底面直径为下开口直径的1/4～1/2；外壳用材质为碳钢、耐热钢、不锈钢、高温合金或高强石墨。

3.按照权利要求1所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，其特征在于，通气隔板保证气流在装置内均匀、快速地通过，使气冷处理过程气流在复杂形状的合金试样表面均匀冷却，通气孔形状为圆形、方形或三角形，其分布均匀，通气孔总面积占通气隔板面积的1/6～1/2。

4.按照权利要求1所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，其特征在于，气体均匀化装置将冷却气体在复杂器件的流场进行重新分布，其形状为具有上开口的圆柱筒或圆台筒，圆柱筒或圆台筒高度与底面直径的比值为1/6～1/2，圆台筒上开口直径为下底面直径的1/4～1/2。

5.按照权利要求1所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，其特征在于，气体均匀化装置的直径与外壳的直径对应，其具体尺寸与目标试件的最大尺寸相关：最大尺寸在10cm以下目标试件要求气体均匀化装置直径不大于25cm；最大尺寸在10～100cm范围目标试件要求气体均匀化装置直径为目标试件最大尺寸的2～5倍；最大尺寸在100cm以上的目标试件要求气体均匀化装置直径不大于时间最大尺寸的2倍。

6.按照权利要求1所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，其特征在于，支架采用垂直地面布局，数量按照均匀气冷装置的整体大小，采取均布3～10个不同的配置。

7.按照权利要求1所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，其特征在于，通气气路将冷却气体从气源中引入到气体均匀化装置中，其材质采用铝合金、钢或耐高温胶皮。

8.按照权利要求1所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，其特征在于，气源提供合金冷却气体的来源，其种类包括CO、CO₂、N₂、O₂、Ar、He或空气，气源形式为高压气瓶、气罐或者提供空气的空气压缩机。

9.按照权利要求1所述的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的装置，其特征在于，测温热电偶取得目标试件表面的实际温度，协同气体流量控制阀、控制系统控制气冷速率和目标试件实际温度；对于最大尺寸不大于20cm的小型简单构件，采用单个热电偶测温；对于最大尺度大于20cm的较大构件或复杂型腔的构件，采用两个以上测温热电偶。

10.一种使用权利要求1至9之一所述装置的用于合金炉外热处理过程气冷均匀降温的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：将目标合金试样放入热处理炉中进行升温保温操作，待到达目标温度准备冷却时，将合金试样迅速转移到所述装置中，按照目标的降温速率通过调节气流量进行处理冷却，直至达到目标温度。