大型淬火冷却装备的设计方案
摘要：淬火冷却装备与换热装备合理的组合是最经济适用的设计方案。
关键词：淬火、冷却设备、环保、节能
一、概述
加热后的金属或工件通常是通过不同的冷却速度来获得所要求的组织和性能。因此，冷却与加热一样，也是热处理的主要工艺环节之一。同样，冷却装备也是热处理生产的主要装备之一。
淬火冷却装备根据工件在冷却过程中的冷却速度与冷却性质可分为：需要加热的冷却设备、冷却室、淬火槽、淬火机床、冷处理设备等。
淬火冷却装备的功能主要是保证金属或工件淬火时有足够的冷却能力，或用于回火后防止回火脆性的快速冷却。根据金属或工件材料的不同及工艺要求，淬火装备的淬火介质分为油和水两大类，油依冷却速度的不同又分为快速油、高速油、超高速油等；水又分为无机溶液和有机溶液，如盐水、PAG等，这些不同的冷却介质又通过一些附属装置进行预热、冷却、循环、搅拌等，以保持其所需的冷却能力。
二、淬火冷却装备的技术要求
1．为淬火提供适合工艺要求的冷却能力。
2．冷却速度均匀，适合工艺要求。
3．环保、节约。
4．安全、防火。
三、淬火冷却装备的结构
1．槽体：
槽体一般由3—12毫米钢板焊接而成，附以型钢为加强筋，以提高其强度和刚性。
底座多由型钢制成，便于安装和运输，特别是大型淬火槽。
2．温度控制：
淬火介质的使用是有一定的温度范围的，当温度低于下限时需要加热，当温度高于上限时就需要冷却。
1)加热装置：淬火介质的预热方法主要有以下几种：
·燃料加热
·蒸汽加热
·电加热
2)冷却装置：
冷却淬火介质的方法主要有两种类型：
①更换淬火介质的冷却方法：
在工件淬火时不断地向淬火槽下部注入温度较低的淬火介质，而被加热的介质从淬火槽上部的溢流槽排出，流入大的地下专用淬火介质储存槽，或采用集中冷却的方法，使介质温度降低，循环使用。
②不更换淬火冷却方法：
·采取靠淬火槽四壁散热达到降温的方式。速度太慢不能连续使用。
·加装搅拌装置，加强淬火介质的流动。结构复杂，效果不大。
·在淬火槽中加装带小孔的管子，通入压缩空气，所产生的小气泡在上浮时起到搅拌作用，使淬火介质冷却。此法的缺点是介质容易老化；增加了工件和空气接触的机会，工件易被氧化；同时气泡混合在淬火介质中，使其冷却能力降低。
·在淬火槽内放置蛇形管，在蛇形管内通入流动的水，使淬火介质冷却。需配置冷却塔等辅助设施。
·将淬火槽置入更大一些的水槽中，再通入流动的水。需配置冷却塔等辅助设施，温度不易控制。
3．排烟装置：
当淬火介质为油或其他水基介质时，在生产中由于热的工件放入淬火介质中会产生大量的蒸汽，必然会造成环境污染，使工作条件变坏，影响操作者的身体健康。因此，在淬火槽上安装排烟装置是必要的。
排烟装置的吸风罩大致有以下几种类型：
·整体式槽边侧吸罩。
·分组式槽边侧吸罩。
·条缝式槽边侧吸罩。
·吹吸式槽边侧吸罩。
4．灭火装置：
淬火介质为油时，炽热的工件特别是大型工件在入油的过程中，会使局部油温很快升高，容易使油槽起火。因此，淬火油槽配备灭火装置是非常必要的。常用的灭火方式有：
·加盖密封灭火。
·灭火器灭火。
·氮气灭火。
四、大型淬火冷却装备的设计方案
1．槽体结构
大型淬火槽一般为方形或圆形，容积多为几到几十立方米，大型淬火槽可达100立方米以上。槽体以6—12mm钢板焊接而成，四周由角钢或槽钢加强，当淬火槽较深时，高度方向也要以型钢加固，使其具有足够的强度和刚性，以防运输安装时变形。底部应有由槽钢制成的底座，便于运输和安装。
2．淬火介质入口的设置：
由于淬火槽较大，特别是深度较深时，为保证淬火介质沿高度方向温度的均匀性，在槽体高度方向设置多层进口，每层由几个小孔组成，小孔可呈一定角度，以便槽内液体在上升的同时可以纵横流动或形成扰流，但应避免涡流。
冷却装置为空气冷却器，这种冷却淬火介质的方法是一种不更换淬火介质的冷却方法，省去了巨大的储液箱。同时，空气冷却器体积小，占地少，节水，节电，直接空冷，无须水池、冷却塔和板式换热器等传统设施，安装使用方便。
3．淬火介质的加热和冷却：
为创造更大的生产空间，淬火介质的加热和冷却装置应尽量远离淬火槽，采用分离式的加热和冷却装置。这样，淬火槽变得简洁，便于维修。
常用的加热装置为电热箱，由管状电热器、箱体组成，根据淬火槽容积的大小，加热功率可选择18 KW、24Kw、36Kw等。
4．淬火槽与加热和冷却装置的连接可采用不同的连接方法：
方案一：
见图1，电热箱和空气冷却器串联，这种连接方法的优点是连接简单，加热和冷却的转换不用开关节门，只需控制电热箱和空气冷却器的工作状态。但维修时只要维修其中的一个，整个系统就须全部停止运行。回路阻力较大。
方案二：
见图2，电热箱和空气冷却器并联，这种连接方法的优点是加热和冷却回路分为两个回路，其中的一个有故障时，回路仍可接通。回路阻力较小。但加热和冷却的转换须用开关节门控制。
方案三：
换热装置是一种既能对介质加热、又能冷却的装置，采用这种装置会使对淬火介质温度的控制，变得更为简单、易行。见图3。
在淬火介质温度正常的情况下，只需淬火介质循环、搅拌时，使电热箱和空气冷却器或换热装置停机，开启泵和节门即可。
5．排烟装置：
排烟装置的选择既要起到排烟的作用，又要考虑到便于操作。
吸风罩应按照淬火槽截面的大小来选择，比较几种吸风罩的特点，选择分组式槽边侧吸罩较为适合，所占空间小，吸风罩在淬火槽上的高度小，效果较好。 当截面较大时，应选择吹吸式槽边侧吸罩，但这种方式较复杂，且吸风量需加大，不宜采用。
依需要可增置油烟回收装置，既能回收油质，又能保护环境。
6．灭火装置：
淬火油槽采用的灭火装置为氮气自动灭火装置。其工作原理是：见图4，图5，当工件淬入油中瞬间引起火苗时，灭火装置并不启动，只有当火焰烧到安置在吸风口处的火焰检测电极时(此时排烟系统正在工作)，在电极上产生电信号，经专用电缆传至火焰监测器，输出控制信号，使氮气管路上的电磁阀动作，由分布在淬火槽上部的喷气嘴喷出氮气，在油面上形成氮气幕达到灭火目的。在喷氮气时连锁关闭排烟风机，以免氮气被排走，影响灭火效果。在方形油槽上，喷气嘴通常置于长边上，交错分布，每边2—4个，根据边长决定。若为井式油槽则均匀分布于圆周上，喷向应向下有一定的角度，稍偏离中心使气流形成旋涡状。见图6。
7．余热利用：
为合理利用热能，在空气冷却器的热风出口处设置三通管道，并配备手动碟阀用以转换热风的流向。在夏季把被淬火介质加热的空气直接排
放到室外，在冬季则通过碟阀把热风排放到室内，用于热风采暖。
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