PL249463B1 - Komora hartownicza do kontrolowanego hartowania części - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest komora hartownicza, która zawiera element grzejny i czujnik temperatury, zaś pomiędzy wymiennikiem ciepła a zespołem wentylatora znajduje się kanał obejściowy, który na wejściu zawiera przesłony (11), zamontowane uchylnie bądź przesuwnie tak, że w położeniu otwierającym wejście do kanału obejściowego, zamykają co najmniej częściowo wejście do strefy wymiennika ciepła. Przedmiotem zgłoszenia jest również sposób kontrolowanego hartowania części, w którym okresowo pomijane jest przejście gazu chłodzącego przez wymiennik ciepła, przy czym pominięcie to realizowane jest z wykorzystaniem przesłon (11) kierujących gaz chłodzący do kanału obejściowego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest komora hartownicza do kontrolowanego hartowania części, minimalizującego deformacje hartowania za pomocą medium chłodzącego o regulowanej temperaturze.

Wynalazek może znaleźć zastosowanie w przemyśle stosującym procesy obróbki cieplnej stali.

Z polskiego opisu patentowego nr PL228193B1 znane jest urządzenie do jednostkowego hartowania części urządzeń technicznych, będące elementem zespołu pieca próżniowego, przy czym komora hartownicza tego zespołu jest wyposażona w szczelne drzwi do załadunku i rozładunku części. Charakteryzuje się ono tym, że wewnątrz komory hartowniczej są usytuowane: wymienny stolik oraz otaczający go układ wymiennych dysz, z kolei do wejścia komory hartowniczej jest przyłączony zbiornik medium chłodzącego podawanego, natomiast wyjście komory hartowniczej jest połączone z wejściem zbiornika medium chłodzącego odbieranego, przy czym pomiędzy obydwa zbiorniki jest włączony kompresor, zaś komora hartownicza jest połączona z układem pomp próżniowych. Korzystnym jest, gdy w tym znanym urządzeniu pomiędzy wyjście zbiornika a wejście komory hartowniczej są włączone: sterownik szybkości przepływu gazu zasilającego oraz zawór odcinający, zaś pomiędzy wyjście komory hartowniczej a wejście zbiornika są włączone: zawór odcinający, sterownik szybkości przepływu gazu odbieranego oraz wymiennik ciepła. Korzystnym jest także, gdy wyjście zbiornika jest przyłączone do wejścia kompresora za pośrednictwem zaworu odcinającego, natomiast wyjście tego kompresora jest przyłączone do zbiornika za pośrednictwem zaworu odcinającego i wymiennika ciepła.

Z polskiego opisu patentowego PL238181B1 znane jest urządzenie do ciągłej obróbki cieplnej części wykonanych ze stali, metali i ich stopów, stanowiące zintegrowany zestaw komór procesowych, w którym zorientowana poziomo komora grzewcza w obudowie próżniowej jest usytuowana pomiędzy dwiema pionowymi komorami przeładunkowymi, przy czym do wejścia pierwszej komory przeładunkowej jest przyłączona komora załadunkowa, natomiast do wyjścia drugiej komory przeładunkowej jest przyłączona co najmniej jedna komora chłodzenia wyposażona w ruchomy trzon w postaci obrotowego stołu oraz w osadzone w dwóch ruchomych i wymiennych kolektorach dysze gazu chłodzącego. Charakteryzuje się ono tym, że komora grzewcza ma ruchomy trzon zawierający od 2 do 50 stanowisk obróbczych o przestrzennym zarysie cylindrycznym o średnicy do 1000 mm i wysokości do 1000 mm, zaś napęd trzonu oraz napędy mechanizmów załadowczo-wyładowczych komór przeładunkowych są wyposażone w układ wzajemnej synchronizacji, natomiast komora chłodzenia jest wyposażona w co najmniej jeden zespół wentylatora z wymiennikiem ciepła. Komora chłodzenia zawiera wewnątrz dwa usytuowane naprzeciwległe zespoły wentylatora, z których każdy jest wyposażony w wymiennik ciepła. Jest wyposażona w zewnętrzny zespół wentylatora z wymiennikiem ciepła i rurociągami do doprowadzania i odprowadzania gazu chłodzącego.

W tym samym polskim opisie patentowym PL238181B1 opisane jest urządzenie do schładzania gazowego w nadciśnieniu obrabianych cieplnie części, zwłaszcza do ich hartowania, stanowiące autonomiczną komorę chłodzenia wyposażoną w ruchomy trzon w postaci obrotowego stołu oraz w osadzone w dwóch ruchomych i wymiennych kolektorach dysze gazu chłodzącego, które są rozmieszczone bezpośrednio wokół stanowisk schładzanych części. Charakteryzuje się ono tym, że komora chłodzenia jest wyposażona w usytuowany zewnętrznie zespół wentylatora z wymiennikiem ciepła i rurociągami do doprowadzania i odprowadzania gazu chłodzącego.

Problemem stanu techniki jest to, że obecne systemy chłodzenia gazowego nie posiadają możliwości regulacji temperatury medium chłodzącego, tym samym kontroli procesu chłodzenia hartowanych części. Chłodzenie w znanych systemach odbywa się przy temperaturze gazu zbliżonej do temperatury otoczenia. Proponowane rozwiązanie, według wynalazku, umożliwia prowadzenie kontrolowanego chłodzenia hartowanych części poprzez regulację temperatury medium chłodzącego w początkowym czasie trwania chłodzenia oraz ponowne jego kontynuowanie, w różnych warunkach przepływowo-ciśnieniowych, z możliwością wielokrotnego powtórzenia.

Istotą wynalazku jest komora hartownicza, będąca elementem zespołu pieca próżniowego, zawierającego szczelne drzwi do załadunku i rozładunku części, wewnątrz której znajduje się wymienny stolik z otaczającym go układem wymiennych dysz oraz wyposażona w co najmniej jeden zespół wentylatora i co najmniej jeden wymiennik ciepła, charakteryzująca się tym, że zawiera element grzejny i czujnik temperatury gazu, zaś pomiędzy wymiennikiem ciepła a zespołem wentylatora znajduje się kanał obejściowy, który na wejściu zawiera przesłony, zamontowane uchylnie bądź przesuwnie tak, że w położeniu otwierającym wejście do kanału obejściowego, wejście do strefy wymiennika ciepła zamknięte jest co najmniej częściowo.

Korzystnie jest, gdy komora hartownicza zaopatrzona jest w akumulator ciepła zawierający obudowę z izolację termiczną, wraz z króćcem przyłączeniowym, zaś wewnątrz obudowy znajduje się element grzejny z wkładem akumulującym ciepło oraz czujnik temperatury akumulatora do kontroli temperatury wkładu akumulującego ciepło.

Korzystnie jest, gdy wkład akumulujący ciepło jest wykonany z miedzi lub jej stopów, i korzystnie ma postać rur albo kulek albo spieków.

Korzystnie również jest, że komora hartownicza jest połączona z komorą grzejną i mechanizmem transportowym, przenoszącym części pomiędzy komorami.

Korzystnie jest także, że zespół wentylatora i/lub wymiennik ciepła usytuowane są wewnątrz komory hartowniczej.

Korzystnie również jest, gdy zespół wentylatora i/lub wymiennik ciepła usytuowane są na zewnątrz komory hartowniczej i zawierają układ przewodów do doprowadzania i odprowadzania gazu chłodzącego.

Proponowane rozwiązanie umożliwia wyrównanie temperatury obrabianych części przed rozpoczęciem przemiany martenzytycznej, co powinno przełożyć się na zmniejszenie naprężeń w detalach oraz redukcji odkształceń.

Urządzenie według wynalazku umożliwia prowadzenie kontrolowanego chłodzenia hartowanych części poprzez regulację temperatury medium chłodzącego w początkowym czasie trwania chłodzenia oraz ponowne jego kontynuowanie, w różnych warunkach przepływowo-ciśnieniowych, z możliwością wielokrotnego powtórzenia. Pozwala to na dowolne kształtowanie krzywej chłodzenia, osiągnięcie optymalnej mikrostruktury stali i własności mechanicznych. Zastosowanie metody kontrolowanego hartowania części skutkuje minimalizacją deformacji w odniesieniu do pojedynczej części oraz pełną powtarzalnością deformacji na wszystkich takich samych częściach, przy jednoczesnym uzyskaniu identycznych własności mechanicznych.

Wynalazek w przykładach wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia komorę chłodzenia bez akumulatora w przekroju wzdłużnym, w widoku z boku, pokazującym składowe elementy komory, fig. 2 przedstawia komorę chłodzenia bez akumulatora w przekroju poprzecznym w widoku od czoła, fig. 3 przedstawia komorę chłodzenia z akumulatorem w przekroju wzdłużnym, w widoku z boku, pokazującym składowe elementy komory, fig. 4 przedstawia komorę chłodzenia z akumulatorem, w przekroju poprzecznym w widoku od czoła, fig. 5 przedstawia komorę chłodzenia w przekroju poprzecznym, pokazującym przesłony w stanie przygotowania komory do pracy z podwyższoną temperaturą medium chłodzącego, fig. 6 przedstawia komorę chłodzenia w przekroju poprzecznym, pokazującym przesłony w stanie chłodzenia zimnym gazem, fig. 7 przedstawia komorę chłodzenia w przekroju poprzecznym, pokazującą przesłony w stanie utrzymania temperatury komory chłodzenia, fig. 8 przedstawia piec wielokomorowy w przekroju wzdłużnym, z przyłączoną komorą chłodzenia z akumulatorem, fig. 9 przedstawia akumulator ciepła w przekroju wzdłużnym w wersji z elementem grzewczym będącym rurami miedzianymi, fig. 10 przedstawia widok akumulatora od strony elementu grzewczego, fig. 11 przedstawia akumulator ciepła w przekroju wzdłużnym z zaznaczonym obiegiem podgrzewanego gazu, fig. 12 przedstawia akumulator ciepła, w przekrojach A-A, B-B, C-C, zaznaczonych na fig. 11, przy czym A-A uwidacznia strefę wpływu i wypływu gazu, B-B strefę elementów grzewczych, zaś C-C strefę zawracania gazu, fig. 13 przedstawia akumulator ciepła w przekroju wzdłużnym w wersji z elementem grzewczym będącym kulkami miedzianymi, fig. 14 przedstawia akumulator ciepła jak na fig. 13, w przekrojach D-D, E-E, F-F, zaznaczonych na fig. 13, przy czym D-D uwidacznia strefę wpływu i wypływu gazu, E-E strefę elementów grzewczych, zaś F-F strefę zawracania gazu, fig. 15 przedstawia akumulator ciepła w przekroju wzdłużnym w wersji z elementem grzewczym będącym spiekami miedzianymi, zaś fig. 16 przedstawia akumulator ciepła jak na fig. 15, w przekrojach G-G, H-H, I-I, zaznaczonych na fig. 15, przy czym G-G uwidacznia strefę wpływu i wypływu gazu, H-H strefę elementów grzewczych, zaś I-I strefę zawracania gazu.

Przykład 1

Komora hartownicza A według wynalazku jak na fig. 1,2, 5, 6, 7 pracuje w zespole pieca wielokomorowego z próżniową komorą grzejną C do nagrzewania, oraz z mechanizmem transportowym B do przenoszenia części 12. Piec wielokomorowy wyposażony jest w usytuowane przeciwległe szczelne drzwi załadowcze 2 i wyładowcze 3 do załadunku i rozładunku hartowanej części 12. Wewnątrz komory hartowniczej A znajdują się: stolik 4, na którym układa się część 12, układ wymiennych dysz 5 (dopasowanych do kształtu części), wymienniki ciepła 6 do schładzania nagrzanego podczas hartowania gazu chłodzącego, zespół dmuchaw 7 wymuszający cyrkulację gazu chłodzącego, elementy grzejne 9 do utrzymania temperatury gazu chłodzącego, czujnik temperatury gazu 10 jakim jest PT 100 do kontroli temperatury zarówno gazu, którym wypełniona jest komora przed umieszczeniem w niej części 12 (powietrze albo azot) jak i do gazu chłodzącego (górna część komory), i przesłony 11 do regulacji temperatury gazu chłodzącego. Obudowa 1 komory hartowniczej zawiera izolację termiczną 13.

W wykonanej ze stali konstrukcyjnej komorze hartowniczej A jest obrabiana termicznie część 12, wykonana ze stali narzędziowej H13, przy czym jako gaz chłodzący zastosowano azot. Po uprzednim nagrzaniu w komorze grzania C części 12, w temperaturze powyżej temperatury austenityzacji, np. 1030°C, część 12 jest przenoszona mechanizmem transportującym B, w warunkach próżniowych, do komory hartowniczej A. Wcześniej komora hartownicza A wypełniona azotem jest nagrzana za pomocą elementów grzejnych 9 do temperatury zadanej 345°C, która jest temperaturą powyżej początku przemiany martenzytycznej. W celu przeładunku części 12 z komory grzejnej C, komora hartownicza A zostaje odpompowana systemem próżniowym, aż do uzyskania próżni co najmniej 0,1 hPa. Następnie, po otwarciu drzwi załadowczych 2, część 12 jest przenoszona za pomocą mechanizmu transportowego B do wnętrza komory hartowniczej A i układana na stoliku 4. Zamykają się drzwi załadowcze 2 i zawór próżniowy.

Proces hartowania przebiega dwuetapowo.

Najpierw otwiera się zawór na wlocie gazu chłodzącego do komory hartowniczej A. Gaz chłodzący ze zbiornika zasilającego przedostaje się do układu pod ciśnieniem 0,2 MPa. Temperatura gazu chłodzącego jest zbliżona do temperatury komory hartowniczej A. W momencie osiągnięcia ciśnienia atmosferycznego w komorze załączony zostaje zespół dmuchaw, który wymusza ruch gazu chłodzącego i kieruje go na dysze 5 na hartowaną część 12. Gaz odbiera ciepło od części 12 chłodząc ją i z powrotem kierowany jest do dmuchawy, z pominięciem wymiennika ciepła 6 (przesłony 11 są otwarte) jeżeli czujnik temperatury gazu 10 wskazuje temperaturę niższą niż zadana. Zasilanie zimnym gazem w przypadku chłodzenia z regulowaną temperaturą medium stosuje się dla dużych, ciężkich części. Temperatura gazu mierzona jest za pomocą czujnika temperatury gazu 10. Temperatura ta rejestrowana jest w sterowniku, który odpowiada także za pracę (otwarcie/zamkniecie) przesłony 11. W przypadku gdy czujnik temperatury gazu 10 wskaże za wysoką temperaturę gazu, sterownik wysyła sygnał do zamknięcia przesłony 11 kierując gaz do strefy wymiennika 15 na wymiennik ciepła 6 w celu jego ochłodzenia. Gdy temperatura na czujniku temperatury gazu 10 wskaże za niską wartość, sterownik wysyła sygnał do otwarcia przesłony 11 kierując gaz przez kanał obejściowy 14 do zespołu dmuchawy 7, który ponownie kieruje gaz na dysze 5 i przez te dysze kierowany jest on na hartowaną część 12.

W drugim etapie, zimny gaz o temperaturze otoczenia uzupełniany jest w komorze do zadanego ciśnienia np. 1,5 MPa w celu dalszego chłodzenia części 12 do temperatury otoczenia. W tym momencie przesłony 11 zamykają kanał obejściowy 14 a rozgrzany gaz w wyniku odebrania ciepła od części 12 zostanie skierowany na wymiennik ciepła 6 w celu jego ochłodzenia. Po schłodzeniu części 12 do temperatury otoczenia gaz upuszczany jest do ciśnienia atmosferycznego. Następnie otwierają się drzwi wyładowcze 3 i część 12 może zostać wyjęta z komory hartowniczej A za pomocą mechanizmu transportowego lub manipulatora znajdujących się w komorze transportowej B.

Komora hartownicza ma 3 stadia pracy.

I - przygotowanie komory do pracy z podwyższoną temperaturą gazu chłodzącego. Jest to etap w którym komora rozgrzewana jest wewnętrznie do zadanej temperatury. W tym czasie załączone są elementy grzejne 9 oraz zespół dmuchawy 7, który wymusza ruch gazu w komorze. Temperatura monitorowana jest za pomocą czujnika temperatury gazu 10 a przesłony 11 są otwarte jak na fig. 5.

II - utrzymanie temperatury komory chłodzenia. Jest to etap w którym system sterowania za pomocą czujnika temperatury gazu 10 steruje otwarciem/zamknięciem przesłon 11 starając się utrzymać zadaną temperaturę.

III - chłodzenie zimnym gazem. Jest to etap w którym przesłony 11 zostają zamknięte a gaz cyrkuluje w obwodzie: część 12 - wymiennik ciepła 6 - zespół dmuchawy 7 - dysze 5, jak na fig. 7.

Przy czym:

- przesłony zamknięte to znaczy zamykają przepływ gazu przez kanał obejściowy a kierują na wymiennik ciepła,

- przesłony otwarte to znaczy otwierają kanał obejściowy.

Przykład 2

Komora hartownicza A według wynalazku jak na fig. 3, 4, 5, 6, 7 pracuje w zespole pieca wielokomorowego jak na fig. 8 z próżniową komorą grzania C do nagrzewania i nawęglania, oraz z mechanizmem transportowym B do przenoszenia części 12. Dalej jak w przykładzie 1, przy czym komora zawiera zamontowany do obudowy 1 w górnej części akumulator ciepła 8, podgrzewający gaz chłodzący w trakcie napuszczania go do komory. Na wejściu do akumulatora ciepła 8 temperatura gazu chłodzącego jest zbliżona do temperatury otoczenia, nie jest on podgrzewany w zbiorniku buforowym, a na wyjściu jest podgrzewany do temperatury zadanej. Akumulator ciepła 8 wyposażony jest w obudowę ze stali konstrukcyjnej wraz z króćcem przyłączeniowym 19 i izolacją termiczną 20, wewnątrz której to obudowy znajduje się element grzejny 16 akumulatora otoczony wkładem akumulującym ciepło 17 oraz czujnik temperatury akumulatora 18 do kontroli temperatury wkładu akumulującego ciepło 17. Wkładem akumulujący ciepło 17 może być układ rur miedzianych jak na fig. 11, 12, 13, 14.

Wkładem akumulujący ciepło 17 może być także złoże kulek miedzianych jak na fig. 15, 16.

Wkładem akumulujący ciepło 17 może być również złoże spieków miedzianych jak na fig. 17, 18.

W wykonanej ze stali konstrukcyjnej komorze hartowniczej A jest obrabiana termicznie część 12 wykonana ze stali do nawęglania 20MnCr5, przy czym jako medium (gaz) chłodzące zastosowano argon. Po uprzednim nagrzaniu i nawęgleniu w komorze grzania C części 12 na wymaganą grubość warstwy, w temperaturze powyżej temperatury austenityzacji, np. 950°C, część 12 jest transportowana w warunkach próżniowych do komory hartowniczej A. Wcześniej komora hartownicza A jest nagrzana za pomocą elementów grzejnych 9 i cyrkulującego gazu, będącego powietrzem pozostałym po wyładunku części z komory hartowniczej w poprzednim cyklu hartowania, do temperatury 400°C a następnie odpompowana systemem próżniowym aż do uzyskania próżni co najmniej 0,1 hPa. Następnie, po otwarciu drzwi załadowczych 2, część 12 jest przenoszona za pomocą mechanizmu transportowego lub manipulatora do wnętrza komory hartowniczej A i układana na stoliku 4. Zamykają się drzwi załadowcze 2 i zawór próżniowy.

Proces hartowania przebiega dwuetapowo.

Najpierw otwiera się zawór na wlocie gazu do komory hartowniczej A. Gaz chłodzący ze zbiornika zasilającego pod ciśnieniem przedostaje się do układu poprzez akumulator ciepła 8, który rozgrzewa gaz do zadanej temperatury 400°C, co odpowiada temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej, przy ciśnieniu 0,2 MPa. Ruch gorącego gazu wymuszany jest za pomocą zespołu dmuchawy 7, który kieruje gaz na dysze 5 i przez dysze kierowany jest na hartowaną część 12. Gaz odbiera ciepło od części 12 chłodząc ją. Temperatura rozgrzanego gazu chłodzącego kontrolowana jest poprzez czujnik temperatury gazu 10, połączony ze sterownikiem, który podaje sygnał do otwarcia/zamknięcia przesłon 11 odpowiadających za utrzymanie temperatury gazu, kierując go na wymiennik ciepła 6 gdy temperatura jest za wysoka lub przez kanał obejściowy 14, gdy temperatura jest za niska.

W drugim etapie, gaz napuszczany jest do zadanego ciśnienia 1,0 MPa w celu dalszego chłodzenia części 12 do temperatury otoczenia. W tym momencie przesłony 11 zamykają kanał obejściowy i rozgrzany gaz w wyniku odebrania ciepła od części 12 zostanie skierowany na wymiennik ciepła 6 w celu jego ochłodzenia. Po schłodzeniu części 12 do temperatury otoczenia gaz upuszczany jest do ciśnienia atmosferycznego. Następnie otwierają się drzwi wyładowcze 3 i część 12 może zostać wyjęta z komory hartowniczej A za pomocą mechanizmu transportowego lub manipulatora.

Komora hartownicza ma 4 stadia pracy.

I - przygotowanie komory do pracy z podwyższoną temperaturą medium chłodzącego. Jest to etap, w którym komora rozgrzewana jest wewnętrznie do zadanej temperatury poprzez gaz. W tym czasie załączone są elementy grzejne 9, oraz zespół dmuchawy 7 który wymusza ruch powietrza w komorze. Temperatura monitorowana jest za pomocą czujnika temperatury gazu 10 a przesłony 11 są zamknięte.

II - przygotowanie akumulatora do pracy - jest to etap, w którym akumulator zostaje rozgrzany do zadanej temperatury za pomocą elementu grzejnego 16. Etap ten wykonywany jest w trakcie nagrzewu części 12 w komorze grzejnej C.

III - utrzymanie temperatury komory hartowniczej. Jest to etap w którym system sterowania za pomocą czujnika temperatury gazu 10 steruje otwarciem/zamknięciem przesłon 11 starając się utrzymać zadaną temperaturę.

IV - chłodzenie zimnym gazem. Jest to etap w którym przesłony 11 zostają zamknięte a gaz chłodzący cyrkuluje w obwodzie: część 12 - wymiennik ciepła 6 - zespół dmuchawy 7 - dysze 5.

Claims (7)

1. Komora hartownicza, będąca elementem zespołu pieca próżniowego, zawierającego szczelne drzwi do załadunku i rozładunku części, wewnątrz której znajduje się wymienny stolik z otaczającym go układem wymiennych dysz, oraz wyposażona w co najmniej jeden zespół wentylatora i co najmniej jeden wymiennik ciepła, znamienna tym, że zawiera element grzejny (9) i czujnik temperatury gazu (10), zaś pomiędzy wymiennikiem ciepła (6) a zespołem wentylatora (7) znajduje się kanał obejściowy (14), który na wejściu zawiera przesłony (11), zamontowane uchylnie bądź przesuwnie tak, że w położeniu otwierającym wejście do kanału obejściowego (14), wejście do strefy wymiennika ciepła (6) zamknięte jest co najmniej częściowo.

2. Komora hartownicza według zastrz. 1, znamienna tym, że zaopatrzona jest w akumulator ciepła (8) zawierający obudowę z izolacją termiczną (20), wraz z króćcem przyłączeniowym (19), zaś wewnątrz obudowy znajduje się element grzejny (16) z wkładem akumulującym ciepło (17) oraz czujnik temperatury akumulatora (18) do kontroli temperatury wkładu akumulującego ciepło (17).

3. Komora hartownicza, według zastrz. 2, znamienna tym, że wkład akumulujący ciepło (17) jest wykonany z miedzi lub jej stopów.

4. Komora hartownicza, według zastrz. 3, znamienna tym, że wkład akumulujący ciepło (17) ma postać rur albo kulek albo spieków.

5. Komora hartownicza według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że jest połączona z komorą grzejną (C) i mechanizmem transportowym (B), przenoszącym części pomiędzy komorami.

6. Komora hartownicza według zastrz. 1, znamienna tym, że zespół wentylatora (7) i/lub wymiennik ciepła (6) usytuowane są wewnątrz komory hartowniczej (A).

7. Komora hartownicza według zastrz. 1, znamienna tym, że zespół wentylatora (7) i/lub wymiennik ciepła (6) usytuowane są na zewnątrz komory hartowniczej (A) i zawierają układ przewodów do doprowadzania i odprowadzania gazu chłodzącego.