大型工件淬火冷却系统的设计无功功率表

大型工件淬火冷却系统的设计

大型工件淬火冷却系统的设计 2011： 一、大型工件淬火冷却系统的设计原则大型工件的淬火冷却，在工艺上不同于中小型工件，因而在冷却系统的设计和制造时必须充分考虑到这些特殊性。在设计时，应该根据大型工件淬火冷却的特点，通过采用新技术，最大限度地满足其在技术经济性能、安全、节能、环保、自动化甚至智能化等方面的要求。工件淬火冷却系统的技术性能，主要指工件在加热后，在冷却系统中经快速冷却而使工件获得要求的组织和力学性能，防止淬火裂纹及控制淬火变形的能力。通常认为，选择适当冷却性能的淬火介质或者调整淬火工艺可以满足这些要求。但实际上，由于大型工件在制造材料、工件形状、尺寸等相关方面的不确定性，依靠更换淬火介质或调整淬火工艺来满足不同要求则很难实现，但却可以通过配备合理、可控的搅拌器和搅拌方式来解决。经济性能包括设备投资成本和生产运行成本两个方面，应通过合理的材料利用和优化系统配置获得最佳的经济效果。冷却系统的安全性，包括槽体强度、安装位置及地面以上高度、自动灭火单元的可靠性、淬火油温度控制及含水量在线测控等。槽体强度可使用NSYS 分析软件进行有限元计算。分析步骤分为模型建立、网格划分、变形云图、应力云图和分析结论五个部分。其中变形云图和应力云图分别见图1 和图2 。通过有限元分析，只要选择适当的安全裕量，即可以获得合理的设计结果。槽体安装时的地面以上高度，应按《机械制造企业安全质量标准化考核评级标准》执行。热处理是一个高耗能工序，但同时也具有较大的节能空间。从冷却系统设计的角度，则应从尽量减小装机容量、避免能源多次转换造成的损失、采用新型换热器、根据工艺要求自动切换耗能设备、降低淬火介质配备比例等方面来体现出节能效果。

热处理污染源主要表现在淬火油烟、淬火油或具有污染性质淬火介质排放及滴漏、设备运行噪声三个方面。从设计和制造的角度，控制污染是不能截然分开的，如选择低噪声辅机、可靠的焊接质量、有效的油温控制，以减少油烟生成，以及排量、负压足够的引风机和油烟净化器等。需要重点指出的是，排烟管的吸烟口都设置在淬火槽上口，工作时很容易将明火吸入排烟管道点燃管道中的油垢，进而造成严重后果。因此，在这一点上必须考虑自动灭火问题。自动控制是保证实现上述各项功能的必要条件，但由于工程造价等因素的限制，也有手动/ 自动相结合的半自动控制设计。这种设计除灭火和淬火介质温度控制外，其余功能则采用手动控制。大型工件淬火冷却系统的智能化以工控机和编程控制器为核心，具有人工智能的性质，是近年来才出现的高技术装备，目前尚待进一步完善和提高。这是由于，所谓“智能型” 依赖于各种工艺性能数据库和计算机模拟软件，而建立这些数据库的工作量繁复而浩大，在世界范围内开展的时间都不长，已取得的成果尚属于局部的。国内近年来也开展了相关工作，如大连理工大学和大连海威石油化工有限公司联合进行的“淬火介质冷却能力数据库及计算机模拟” 研究，已经建成静态冷却数据库并通过科技成果鉴定，为智能型冷却系统搅拌强度的编程控制提供了依据。二、淬火冷却系统的构成大型工件淬火冷却系统主要由淬火槽、储油槽、淬火介质及其温度控制、自动灭火、油烟净化、管路管件及输送泵、载料台及机械杂质收集清理、系统控制等八个单元组成( 见图3) 。

三、搅拌器的选择选择合理的淬火槽搅拌方式是大型工件淬火冷却系统设计的关键内容之一，其目的是获得合适的液流速度( 即淬火介质与工件之间的相对运动速度) 、液流形态和紊流区位置。常用的搅拌方式有压缩空气搅拌、循环射流搅拌和螺旋桨搅拌。选择搅拌方式时，必须遵循的原则是： 淬火介质的流动方向应以垂直流动为主，避免形成水平方向流动。这对轴类或带有内孔的其他形状工件的均匀冷却非常关键。我们知道，淬火介质的流动速度对其冷却能力的影响是不容忽视的。表1 列出各种淬火介质在不同程度搅拌下的冷却强度( H) 值。

从表1 可以看出，普通矿物油在激烈搅拌情况下，H 值达到了静止水的冷却速度，是其静止状态冷却能力的3 倍。由此可知，合理选择冷却系统的搅拌形式和搅拌强度，可以在同一淬火介质中获得不同的冷却性能，进而满足不同工件的冷却要求。压缩空气搅拌的投资最小，通过喷嘴和喷射压力的适当配置也可以得到合适的液流速度、液流形态和紊流区位置。缺点是形成淬火介质和空气混合，不仅将造成工件冷却的不均匀，加快淬火介质( 尤其是淬火油) 的氧化速度，同时容易带进水分。因此，在使用淬火油的淬火冷却系统中应该慎用。循环射流搅拌多应用于深井式淬火槽，是采用较多的搅拌形式之一，射流动力可以从循环冷却泵获得。但由于要求喷射压力较高，为避免对整个系统设计造成大的影响，在较深的淬火槽中，需要形成多级接力式搅拌，同时配合增压喷嘴。这种搅拌形式的缺点是受到流量的限制，搅拌强度较低，难以得到强烈搅拌的效果。螺旋桨搅拌是工艺性能最好的搅拌方式，在相同的装机容量情况下，其流量可达射流搅拌的十倍以上，配以导流筒和分配导向板，其液流形态和紊流区都可以得到很好的控制。不同直径螺旋桨和不同的安装方式，消耗功率也是不同的。其对应关系如表2 ( 转速=420r/ min) 所示。从节约能源的角度出发，采用顶插式高效机翼型螺旋桨，是设计时的首选方案。为获得尽可能多的搅拌级数，搅拌器还应该可以变频调速。

四、淬火油及其温度控制在大型工件淬火冷却中，淬火油仍然是使用最多的淬火介质，而且多数采用冷油淬火油，使用温度在20 ～80 ℃之间。淬火油使用过程中的温升，可按下式计算：

淬火油的实际配备数量，按照系统一次性最大淬入工件质量和淬火周期计算，一般按照8∶1 的比例配备。如果采用高效的冷却设备，这一比例则可降至7∶1 ，而在系统设计合理的前提下，甚至可以降到6∶1 。设计时，可根据淬火油的配备比例，计算出冷却器的换热能力。淬火介质冷却器种类很多，主要有板式、列管式、蛇管式、复波伞式、普通空冷式和真空热管风冷式等。按冷却方式则可以分为水冷式和空冷式两大类。总体上说来，水冷式的冷却效率较高，但缺点也很明显。首先，由于冷却水的温度需要控制，因而必须建立足够大的冷却水池，或采用冷却塔进行二次换热，加大了投资成本和占地面积; 其次，存在油/ 水互混的潜在危险，可能造成很严重的后果，如工件淬裂、变形增大、水温升高汽化使淬火油溢出发生火灾等。近年来出现的真空热管风冷式换热器是一种比较理想的冷却器。这种换热器利用液/ 汽相变原理，采用真空热管作为热量传递媒介，极大地提高了换热效率。实践证明，利用真空热管风冷式换热器控制淬火油温度非常可靠; 同时，其冷却能力与电能消耗的比率仅为100 ： 5 左右，节能效果十分明显。在多个淬火槽配备同一种淬火油的系统时，应采用集中冷却的方式，这也有利于优化整个系统配置。为了避免淬火油中的机械杂质堵塞冷却器，在循环油泵出口和冷却器入口之间应加装过滤器。五、自动灭火自动灭火在技术上不难实现，但其重要性却是不容忽视的。生产实践中，大型工件在入油时产生瞬间明火( 称为闪燃) 是难以避免的，但这种明火维持的时间很短，一般不会超过10s ，在工件全部进入淬火油后即可息灭。淬火油发生火灾需要三个基本条件： 油温超过其闪点并达到燃点; 有明火; 存在空气或其他含氧的物质。既然明火难以消除，淬火油的自动灭火系统就需要在监测油温和隔绝空气上做文章。自动灭火是通过适时喷射灭火气体或其他灭火剂来实现的。由于大型工件热处理车间都备有氮气，较为便捷的方法是将氮气( 没有氮气时则可是干粉或其他灭火剂) 管路送到淬火槽附近，在其出口处加装串联电磁阀，其中一台通过温度传感器提供的温度信号控制，另一台由火焰探测器提供的火焰信号控制。这样既可保证灭火系统的可靠性，又可以有效避免在闪燃阶段喷射灭火剂造成浪费。淬火油发生火灾时，可能出现电源切断的情况，因此电磁阀需要配备不间断电源或旁路手动阀门，以保证系统在停电时仍可正常工作。六、结语大型工件淬火冷却系统的设计是一个系统工程，需要热处理工程、机械工程和自动控制三个方面的专业知识。整合这些专业知识并配合先进的设计理念，才能使系统设计满足生产需要，达到性能可靠、安全、节能和环保的目的。(end)

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