热处理设备及发展趋势

热处理设备及发展趋势王广生一、热处理设备及发展趋势1概论热处理设备是指用于实施热处理工艺的装备。在热处理车间内还有维持热处理生产所需的燃料、电力、水、气等动力供应设备，起重运输设备和生产安全及环保设备。1.1热处理设备分类：通常把完成热处理工艺操作的设备称为主要设备。把与主要设备配套的和维持生产所需的设备称为辅助设备。主要设备热处理炉辅助设备清洗清理设备加热装置炉气氛、加热介质、渗剂制备设备表面改性装置淬火介质循环冷却装置表面氧化装置起重运输设备表面机械强化装置质量检测设备淬火冷却设备动力输送管路及辅助设备冷处理设备防火、除尘等生产安全设备工艺参数检测、控制仪表夹具等表1-1热处理设备分类1.2热处理炉分类和编号分类原则炉型分类原则炉型热源电阻炉、燃料炉、煤气炉、油炉、煤炉作业方式间歇式炉、连续式炉、脉动式、连续式工作温度高温炉（1000℃）中温炉（650~1000℃）低温炉（650℃）适用介质空气介质炉、火焰炉、可控气氛炉、盐浴炉、油浴炉、铅浴炉、流态化炉、真空炉炉膛形式箱式炉、井式炉、罩式炉、贯通式炉、转底式炉、管式炉机械形式台车式炉、升降底式炉、推杆式炉、输送带式炉、辊底式炉、振底式炉、步进式炉工艺用途退火炉、淬火炉、回火炉、渗碳炉、渗氮炉、实验炉控制形式温度控制路、工艺过程控制炉、计算机仿真控制炉表1-2热处理炉的分类表1-3热处理炉的编号类别代号类别名称类别代号类别名称RB罩式炉RT台车式炉RC传送带式炉RUN转底炉RCW网带式炉RW步进炉RD电烘箱RX箱式炉RF强迫对流井式炉RY电热浴炉RG滚筒式炉RZ振底式炉RJ自然对流井式炉ZC真空淬火炉RK坑式炉ZT真空退火炉RL流态粒子炉ZR真空热处理炉和钎焊炉RM密封箱式淬火炉ZST真空渗碳炉RN气体渗氮炉ZS真空烧结炉RQ井式气体渗氮炉SC实验用坩埚式炉RR辊底式炉SK实验用管式炉RS推送式炉SX实验用箱式炉RSU隧道式炉SY实验用油浴炉1.3感应加热装置感应电源感应器感应淬火机床感应加热生产线感应电源图1-1典型的感应热处理频率和功率范围图1-2电源频率和功率的对应关系感应加热主要基于电磁感应，表面效应和热传导三项基本原理。表面效应亦称集肤效应，使感应电流趋向表面，电流从表面向中心成指数规律衰减。感应加热设备对钢件的电流热态透入深度与频率平方根成反比。频段高频超高频中频频率500~800300~500200~300100~20030~40842.51800℃（mm）0.7~0.560.9~0.71.1~0.91.6~1.12.9~2.55.67.91015.8表1-4各种频率的电流热态透入深度感应加热时，工件尖角、棱边部位的电流密度大，加热速度快，易过热，产生尖角效应，为此设计感应器时应将工件尖角和突出部分处的间隙适当增大。二、热处理设备要求和技术经济指标热处理全面质量控制热处理设备要求热处理设备技术经济指标1、热处理全面质量控制内容图2-1热处理全面质量控制内容《热处理质量控制要求》主要内容：人员作业环境设备及仪表工艺材料工艺文件与资料2、热处理设备要求加热设备1、加热炉分类（按有效加热区保温精度区分）2、两支热电偶（一支接记录仪表，一支接控温仪表）3、定期检测有效加热区4、现场使用的温度测量系统5、炉内气氛的控制调节6、渗层深度均匀性检验7、压升率检验8、加热介质的选用9、炉温恢复能力10、感应热处理加热电源输出功率及频率淬火槽1、设置需满足工件淬火转移时间2、容积需适应连续淬火和工件移动3、应备有槽盖，停用时加盖防护4、油温：10～100℃水温：10～40℃5、循环搅拌及冷却装置6、测温仪表（分辨率不大于5℃）清洗和清理设备1、清洗和清理后，工件表面质量符合工艺文件要求2、清洗用酸碱槽应有明显区分标志3、清理用设备应根据材料分开，不可混用4、有温度要求时，配备测温仪表5、设备使用应符合技术安全要求仪表1、控温和记录仪表2、标准电位差计3、水银温度计4、现场使用的热电偶5、其他仪表（真空计、压力表等）检测设备及器具1、各种硬度计、电导仪、标准块等2、硬度计使用前用标准硬度块校验3、金相检验及力学、物理性能试验设备定期检验盐浴1、盐浴用盐和校正剂须符合标准2、盐浴常用成分和使用温度范围3、盐浴槽液成分定期分析3、热处理设备技术经济指标功能参数运行性能可靠性和寿命结构安全卫生配套性生产过程和质量功能参数炉温均匀空炉升温时间空炉损耗功率炉温稳定度表面温升运行性能炉内气氛最大装载量炉子生产能力炉子生产率工艺适应性可比单位能耗自动化程度可靠性和寿命平均无故障工作时间易损件寿命大修期结构热影响造型与外观操作维修便利性工艺性标准化系数安全卫生安全防护公共污染配套性成套水平技术文件齐全性生产过程和质量主要零部件的加工质量装配质量材质和加工工艺涂漆和防锈三、真空与等离子热处理炉真空与等离子热处理设备具有高效、优质、低耗和无污染等一系列优点，是近代热处理设备发展的热点之一。真空热处理炉的基本类型、性能考核与使用维修；等离子热处理炉的基本类型、维修与保养；真空高压气淬炉；真空渗碳炉。1、真空热处理炉分类方法内容用途真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉、真空渗碳炉、真空钎焊炉、真空烧结炉等真空度低真空炉（1333～1.33×10-1Pa）、高真空炉（1.33×10-2～1.33×10-4Pa）、超高真空炉（1.33×10-4Pa以上）工作温度低温炉（≤700℃）、中温炉（700～1000℃）、高温炉（＞1000℃）作业性质间歇式作业炉、半连续作业炉、连续作业炉炉型立式炉、卧式炉、组合式炉热源电阻加热、感应加热、电子束加热、等离子加热炉子结构与加热方式外热式真空热处理炉、内热式真空热处理炉表3-1真空热处理炉的基本类型图3-1各种类型的气冷真空炉A)立式单室炉B)卧室单式炉C、D)双式炉E)三式炉图3-2气冷真空炉结构a）内循环气冷真空炉b）外循环气冷真空炉图3-3带对流加热的气冷真空炉结构a)单循环风扇b)双循环风扇真空热处理炉的性能考核极限真空度的测量空炉抽空时间的测量压升率的测量工作真空度的测量空炉升温时间的测量炉温均匀度的测量真空热处理炉的维修保养停炉后，炉内需保持在6.65×104Pa以下的真空状态保持炉内清洁和干燥零部件拆装应保持清洁和干燥炉子外表面保持清洁防止水分、污物进炉内传动件发现卡位、限位不准及控制失灵时，不要强行操作传动件定时加油换油配套件在产品技术说明书进行使用、维修和保养维修操作在停电情况下进行，保证人员和设备安全2、等离子热处理炉图3-6离子渗碳炉组成1、冷却水回水管2、冷却水阀门3、真空炉体4、自动空气开关5、电源控制柜6、减压阀7、氢气瓶8、9、氨气软管10、阴极导线图3-7离子热处理炉原理框图图3-8离子渗碳生产线等离子热处理炉的维护与保养电源控制系统1.保持清洁2.定期检查、调整电压波形3.发现辉光严重闪动，调整三相平衡真空炉体1.定期检查供水与排水是否顺畅2.及时清理溅射物3.及时清理炉壁、阳极上的沉积溅射物和毛刺4.定期清理观察窗玻璃上的溅射物5.真空泵油使用期限3-6个月3、真空高压气淬炉优点：1.工件表面质量好2.淬火时温度均匀，工件畸变小3.淬火强度可控性好4.可避免油气污染，环保，简化工序冷却能力影响因素冷却气体压力图3-9气体压力和淬火速度间的关系曲线冷却气体种类图3-10各种气体在不同压力下的热导率其他因素采用大换热器，以降低淬火气体温度加大气体气流改单向气流为360°周向高压喷射流控制上下交替高压喷射或上下、左右交替喷射流真空高压气淬优势提高冷却速度图3-11真空加压气淬冷速测定图3-12φ140mm工件心部的冷却速度真空高压气淬的淬硬能力各种工具真空气淬结果图3-13带对流加热的真空高压气淬炉真空高淬气淬炉最新发展图3-14对流加热与真空辐射加热的对比图3-15高压气淬冷却模式（a）、（b）上下、左右交替喷气；（c）、（d）左右交替喷气；（e）、（f）上下交替喷气图3-16VUTK型高压气淬真空炉结构示意图1——冷却风机系统；2——隔热层；3——热交换器；4——水冷炉壳；5——气缸；6——可移动式喷嘴排；7——对流加热风机真空炉LCP启动技术方式：直接启动&软启动器启动启动过程：A.停止加热B.充气至1000毫巴C.低速启动风机D.切换至高速E.充气至气淬压力采用LCP启动启动过程：A.低速启动气冷风机B.切换至高速C.停止加热D.充气至淬火压力快冷风机功率LCP配置启动电流160kw未安装3600A160kw安装570A表3-6真空炉快冷风机启动电流比较采用LCP启动的优点大大降低峰值附和的能耗风机启动消耗低供电系统投资少减少冷却时间对低淬透性钢也有较好的淬火效果图3-17三种风机启动方式的比较4、真空渗碳炉低压渗碳存在的问题：1.炭黑问题2.渗碳均匀性问题3.工艺程序制定，过程控制及重复性问题真空渗碳工艺图3-18几种真空渗碳工艺流程（a）一段式（b）脉冲式（c）摆动式表3-7渗碳温度的选用范围渗碳时间在渗碳气中的碳浓度与奥氏体中碳饱和溶解度相等的情况下，渗碳深度D与渗碳温度T，渗碳总时间t的关系式如下：式中，D——总渗碳深度（mm）；t——渗碳总时间，包括渗碳和扩散时间（h）；T——渗碳温度（K）；K——渗碳速度系数。乙炔低压渗碳的优点小孔及盲孔均可均匀渗碳乙炔有很高的碳势及高的渗碳能力最高的表面碳含量及最深的渗层深度乙炔的碳流量值最高渗碳层组织完全没有晶间氧化产品完全清洁光亮，省去清洗工序真空渗碳设备单台真空渗碳炉真空渗碳炉生产线图3-19VCOQ2型真空渗碳炉图3-20ICBP系列低压渗碳高压气淬炉图3-21mult-i-cell型多室真空渗碳生产线四、可控气氛炉可控气氛的分类：1.碳氢化合物2.氮基气氛3.氨制备气氛4.有机液体的滴注式气氛可控气氛热处理炉分类周期作业炉连续作业炉井式炉罩式炉倾倒式滚筒炉密封箱式炉（带前室，带后市）振底式炉输送带式炉（网带、铸链带）推杆式（贯通式、多室式）辊底炉转底炉特性与基本要求密封性气氛的均匀性与气体的流动炉内气氛对炉子砌体和构件的作用安全问题操作安全车间规章制度控制气氛热处理设备安全操作和管理人员培训图4-1SOLO底装料立式多用炉组成底装料立式多用炉图4-2SOLO底装料立式多用炉工作原理炉内金属罐的优点炉气被隔离在炉罐内，恢复和转换快，生产效率高加热元件在炉罐外，提高使用寿命和使用温度减少气体损耗，降低生产成本炉罐与炉膛之间通冷气，提高冷却质量启动和停炉方便，适合多品种小批量生产立式轴向设计的优点加热元件均匀分布在工件周围，采用三区七支热电偶关联控温，循环风机和导风装置进行对流循环，保证炉温均匀性和气氛均匀性。控温精度≤±1℃炉温均匀性≤±5℃碳势控制精度和均匀性≤±0.05%C碳势控制精度：氨分解率（10-80%）±1%或KN≤±0.01基本要求：1.炉子密封性好2.保证炉内正压，炉温均匀性±3～±5℃3.气氛均匀达到渗碳层偏差≤0.05～0.1mm4.渗碳层组织在1～4级5.波动范围2～3级6.白亮层≤0.01mm7.氨分解率波动±1%～±1.5%精密可控渗碳炉主要技术1.采用氨高温裂解作为载气，可精确调整炉内氮势；2.通过传感器、精密流量阀和氮控仪实现闭路控制；3.渗氮数据库和专家系统，可制定渗氮工艺和仿真控制；4.去除不锈钢钝化膜的专利技术，较好的解决了不锈钢渗氮工艺。精密可控渗氮炉调试气体流量控制器的校验压力传感器的校验氢分仪的校验精密可控渗氮炉故障处理紧急冷却程序恢复渗氮进程中止渗氮进程设备选型依据1.零件热处理工艺要求、技术条件2.零件形状、尺寸、重量和材质3.零件生产量和劳动量4.热处理所需的辅料及能源供应5.车间劳动安全卫生和环保要求6.设备投资和运行成本7.与前后工序的关系和衔接8.企业与车间的自动化、机械化、现代