CN1681947A - 通过对流和辐射传热快速冷却部件的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用加压冷却气体快速冷却金属部件的方法，其特征在于，该冷却气体包括一种(或若干种)吸收红外辐射的主要气体以便通过结合辐射和对流传热现象而改善热传递从而使对流传热系数最佳。

Description

通过对流和辐射传热快速冷却部件的方法

技术领域

本发明一般涉及金属热处理，特别涉及对已经热处理(例如淬火.退火、回火前的加热)或热化学处理(例如表面硬化、碳氮共渗)的钢部件进行气体硬化操作。一般通过使一加压气体在一物料和一冷却回路之间的一封闭回路中循环而进行该气体硬化操作。出于实际原因，气体淬火硬化设备一般在大气压的4-20倍(4-20巴或4000-20000百帕斯卡)下工作。在本说明书中，压力单位为巴，1巴等于1000百帕斯卡。

背景技术

图1简示出气体淬火硬化设备的一例。该设备1包括置于一密封容器3中的待冷却物料2。该物料的周围一般有引导气流的挡板4。所需气体混合物在压力下从气体进口5引入，冷却气体可以例如以预制混合物的形式引入，或者可设置多个用于分别引入各种冷却气体的气体进口。通常提供一个将该容器置于真空下的连接机构。利用一由电动机7驱动的叶轮6使气体从一冷却回路9循环到待冷却物料2处。该冷却回路9一般由传送一冷却流体的管子构成。

图1设备只例示出在一容器中循环一冷却气体的多种可能的现有结构之一。在冷却阶段中压力通常为4-20巴。物料的位置、气流方向和这些气体的循环方法可以有多种变型。

出于实际原因，最常使用的冷却气体为氮气，因为氮气为惰性气体而且价格低廉。此外，氮气的密度适合于装有鼓风机或叶轮的简单设备，并且其传热系数足够令人满意。事实上，如所公知的，为使钢从奥氏相不经珠光体和/或贝氏体相就转变成马氏相，必须尽可能快地降低气体硬化系统中的温度。

但是，在某些关键场合下，氮淬火硬化设备无法获得足够的温度下降率。因此试用氢气和氦气进行淬火硬化。使用氢气和氦气的一个缺点是，尺寸适合于氮淬火硬化的现有设备在使用密度不同的气体时特别在通风能力方面效果达不到最佳。此外，氦气比氮气贵，而氢气易燃并且使用时得特别小心。

还应强调的是，所有这些现有方案(如推荐使用氢气和氦气)只是为了改善(提高)处理室中的对流传热。

现有技术可用专利EP-1 050 592的方案例示，该专利的淬火气体使用CO₂和NH₃之类气体，但与已使用的惰性气体混合物相比其淬火效率并无多大提高，按照该专利，使用它们的主要原因在于以下两个因素：一方面可如预期的那样同时实现热化学效果(氧化、氮化等)，另一方面，由于下游硬化可使用与上游实际处理相同的气体，便于物理集合在一综合热处理方法(例如一硬化方法)中。

以下两个专利也使用CO₂，在这两个专利中，CO₂用于硬化操作的应用场合完全不同(例如在专利WO 00/07790中用在塑料工艺中，或者，在专利WO 97/15420中呈液态)。

因此，本发明的目的之一是提供一种淬火硬化设备，该设备使用传热效率比氮气高、但价格低廉并且使用方便、同时可冷却要求很苛刻的材料的冷却气体。

本发明的另一个目的是提供一种冷却方法，该方法使用一种与目前使用氮气的现有设备兼容(因此设备无需作任何重大改动)的气体。

发明内容

为实现这些目的，本发明在一利用加压气体快速冷却金属部件的方法中提供一种包括一种或多种选择成用以通过结合辐射和对流传热现象来改善热传递的吸收红外辐射的气体以便使对流传热系数相比于传统的氮气冷却情况得以改善的冷却气体的应用。

“相比于传统的氮气冷却情况得以改善”按照本发明应理解为比较同样的压力、温度和淬火设备条件。

本发明方法还可采用以下一个或多个技术特征：

-冷却气体还包括选自氦气、氢气或其混合物的添加气体；

-冷却气体还包括补充气体(辅助气体)；

-还对冷却气体的成分进行调整，以使得由此形成的冷却气体的平均密度与氮气的密度大致相同；

-还对冷却气体的成分进行调整，以使得对流传热系数相比于单独考虑的该冷却气体的每一成分的对流传热系数为最佳；

-在一其中放置有待处理部件的容器中进行冷却操作，该容器配备有一气体混合系统；并且还对冷却气体的成分进行调整，以使得由此形成的冷却气体的平均密度适合于该容器的所述混合系统，而无需对所述容器进行重大改动；

-还对冷却气体的成分进行调整，以使得在部件冷却阶段在所述吸收气体或所述吸收气体之一与冷却气体的另一成分之间发生吸热化学反应；

-所述红外吸收气体为CO₂；

-所述红外吸收气体为饱和或非饱和碳氢化合物、CO、H₂O、NH₃、NO、N₂O、NO₂及其混合物；

-所述吸收气体在冷却气体中的比例在5％和100％之间，并且优选地在20％和80％之间；

-所述冷却气体为CO₂/He二元混合物，其中CO₂的含量在30％和80％之间；

-所述冷却气体为CO₂/H₂二元混合物，其中CO₂的含量在30％和60％之间；

-在使用所述冷却气体后使其进行再循环以便适于在随后的使用前再压缩该冷却气体并且还根据需要分离和/或纯化该冷却气体从而回收其所有或部分成分。

本发明还涉及一种冷却气体在一用于利用加压冷却气体快速冷却金属部件并且最适宜用氮气操作的设备中的应用，该冷却气体包括20-80％的红外吸收气体和80-20％的氢气或氦气或其混合物，可以调整该冷却气体的成分以使得不必对该设备进行重大改动。

应理解的是，根据本发明，吸收一种或多种气体的“选择”、为获得所需的传热系数特性而进行的“调整”或密度或吸热性必须理解为关于该混合物的各成分的性质和/或各成分在该混合物中的含量。

因此，本发明的优点在于，与只改善对流传热情况的现有技术的传统方法不同，该发明中辐射传热在总传热中的比例非常大-在约7％和10％之间(在400-1050℃的范围内)，从而在传热的这一方面非常有利。

附图说明

从下面结合附图对非限制性实施例的详细说明中可以看出本发明的上述和其它目的、特征和优点，附图中：

图1如上所述示出一气体淬火硬化设备的一示例；

图2A和2B示出在钢筒(钢瓶)之间形成流体平行流的情况下各气体在不同压力下的对流传热系数；以及

图3示出在相同条件下使用的各种淬火气体的温度随时间的变化。

具体实施方式

按照本发明，建议使用一种吸收红外辐射的气体或者基于这种红外吸收气体(下面称为吸收气体)如二氧化碳以及在需要时包含添加到其中的具有良好对流传热性能的多种气体(下面称为添加气体)中的一种如氦气或氢气的混合物作为淬火气体。

相比于利用可透过传输红外辐射的气体如氮气、氢气和氦气的传统淬火气体或气体混合物，这种混合物具有同时通过对流和辐射现象吸热从而增加从待冷却物料中获取的总的热通量的优点。

可在该混合物中加入下面称为补充气体的其它气体如氮气，该补充气体可用作一般的载气或者如下所述起到可以使气体特性如密度、导热性、粘度等最佳的较积极的作用。

根据如图2A和2B所示的本发明一实施例，建议使用上述某些气体混合物，这些混合物的对流传热系数(kH)(单位为瓦特/平方米/开尔文(W/m²/K))比单独考虑各气体时高。事实上如上所示，按照本发明一有利实施例，调整冷却气体的成分，以使得对流传热系数相比于单独考虑的冷却气体的各成分的对流传热系数为“最佳”。因此这里所用的“最佳”应理解为处于有关曲线的峰值，或者虽然远小于该峰值(例如由于经济原因)但无论如何其对流传热系数都比单独考虑冷却气体的各成分时的对流传热系数好。

按照另一有利实施例，建议使用一种可能加入有补充气体且密度情况最佳的吸收气体混合物(并且如果可应用的话包括一添加气体)，从而可以在通常设计成并且最适宜用氮气操作的淬火硬化设备中进行硬化。为此，使二氧化碳例如与用作添加气体的氦气混合以便结合对流传热系数的最佳化和与氮气密度大致相同的平均混合物密度。因此不必对现有设备作出重大改动就可使用现有设备获得相当的通风率和通风能力以及现有的通气性和偏转结构。

这提供了这样的优点：在最适宜氮气硬化的给定设备中，用户在适合于相关材料时的正常情况下可将氮气用作淬火气体，只有在材料要求较苛刻的特殊情况下即当待处理部件或钢要求特殊处理时，才例如使用以一示例给出的二氧化碳和氦气的混合物或者也在这里示例出的二氧化碳和氢气的混合物。

如本领域普通技术人员可明显看出的是，即使已在上文对本发明使用二氧化碳的情况具体进行了说明，也可在不偏离本发明范围的任何时候使用其它吸收红外辐射的气体如饱和或非饱和碳氢化合物、CO、H₂O、NH₃、NO、N₂O、NO₂及其混合物。

同样，虽然上文已将重点放在本发明的一调整各气体含量以获得良好的传热效率和接近氮气的密度情况从而避免必须对设备作出重大改动的有利实施例上，但也可以在不偏离本发明范围的情况下使传热情况最佳，即使它意味着使用密度与氮气相差很大的混合物并且因此不得不对设备特别是混合马达作出改动(采用具有不同额定功率或一变速系统的马达)。这种情况可能是例如包含90％二氧化碳和10％的氢气、其密度比氮气密度高约40％的气体混合物。

图2A示出二氧化碳和氦气的混合物在二氧化碳在该混合物中的各种比例下在5、10和20巴压力下的对流传热系数kH。因此，x轴表示二氧化碳含量c(CO₂)与CO₂和He的总含量c(CO₂/He)之比。可以看出，对流传热系数在CO₂含量在约40％与70％之间时达到峰值，在20巴压力下含量约60％时对流传热系数为约650W/m²/K。因此，该混合物具有不仅其密度接近氮气密度而且其对流传热系数高于纯二氧化碳的对流传热系数的优点。

图2B示出二氧化碳(CO₂)与氢气(H₂)的混合物的类似曲线。可以看出，对流传热系数kH在CO₂含量在约30％与50％之间时达到峰值，在20巴压力下含量约40％时对流传热系数为约850W/m²/K。此外，还示出二氧化碳与氢气的混合物的对流传热系数比二氧化碳与氦气的混合物的对流传热系数高。

使用这种二氧化碳与氢气的混合物的另一优点在于，在淬火硬化钢部件的通常条件下，二氧化碳与氢气之间发生吸热化学反应，从而进一步加速冷却。而且可以看出，存在二氧化碳时，即使不小心引入氧气，氢气爆炸的危险也大大降低。

图3示出模拟利用各种冷却气体通过对流传热冷却一钢筒的计算结果，此时混合物平行于钢筒(模拟细长部件的钢筒)的长度流动。示出关于纯氮气(N₂)、含60％CO₂和40％氦气的混合物、纯氢气和含40％CO₂和60％氢气的混合物的曲线。可看出，含40％CO₂和60％氢气的混合物的结果最佳，也就是说，最高冷却率在850℃和500℃之间。含40％CO₂和60％氢气的混合物的硬化率比纯氢气提高约20％，比纯氮气提高约100％。

如上所述，本领域普通技术人员显然可对本发明特别是在气体的选择、各气体的最佳比例方面作出若干变型和改动，并且如果需要时可使用三元混合物如CO₂/He/H₂，并且可加入上面称为补充气体的其它气体。

Claims (14)

1.一种使用加压冷却气体快速冷却金属部件的方法，其特征在于，该冷却气体包括一种或多种选择成用以通过结合辐射和对流传热现象来改善热传递的吸收红外辐射的气体，以便使对流传热系数相比于传统的氮气冷却情况得以改善。

2.按权利要求1所述的冷却方法，其特征在于，所述冷却气体还包括选自氦气、氢气或其混合物的添加气体。

3.按权利要求1或2所述的冷却方法，其特征在于，所述冷却气体还包括补充气体。

4.按权利要求2或3所述的冷却方法，其特征在于，还对冷却气体的成分进行调整，以使得由此形成的冷却气体的平均密度与氮气的密度大致相同。

5.按权利要求2-4之一所述的冷却方法，其特征在于，还对冷却气体的成分进行调整，以使得对流传热系数相比于单独考虑的该冷却气体的每一成分的对流传热系数为最佳。

6.按权利要求2或3所述的冷却方法，其特征在于，在一其中放置有待处理部件的容器中进行冷却操作，该容器配备有一气体混合系统；并且还对冷却气体的成分进行调整，以使得由此形成的冷却气体的平均密度适合于该容器的所述混合系统，而无需对所述容器进行重大改动。

7.按权利要求2-6之一所述的冷却方法，其特征在于，还对冷却气体的成分进行调整，以使得在部件冷却阶段在所述吸收气体或所述吸收气体之一与冷却气体的另一成分之间可以发生吸热化学反应。

8.按上述权利要求之一所述的冷却方法，其特征在于，所述红外吸收气体为CO₂。

9.按权利要求1-7之一所述的冷却方法，其特征在于，所述红外吸收气体选自饱和或非饱和碳氢化合物、CO、H₂O、NH₃、NO、N₂O、NO₂，及其混合物。

10.接上述权利要求之一所述的冷却方法，其特征在于，所述吸收气体在冷却气体中的比例在5％和100％之间，并且优选地在20％和80％之间。

11.按上述权利要求之一所述的冷却方法，其特征在于，所述冷却气体为CO₂/He二元混合物，其中CO₂的含量在30％和80％之间。

12.按权利要求1-9之一所述的冷却方法，其特征在于，所述冷却气体为CO₂/H₂二元混合物，其中CO₂的含量在30％和60％之间。

13.按上述权利要求之一所述的冷却方法，其特征在于，在使用所述冷却气体后对其进行再循环操作，以便适于在随后的使用前再压缩该冷却气体，并且还根据需要分离和/或纯化该冷却气体，从而回收其所有或部分成分。

14.一种冷却气体在一利用加压冷却气体快速冷却金属部件的设备中的应用，该设备最适宜用氮气操作，该冷却气体包括20-80％的红外吸收气体和80-20％的氢气或氦气或其混合物，可以调整该冷却气体的成分以使得不必对该设备进行重大改动。

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