钢材热处理设备：淬火槽的设计 简介

淬火槽是使用最普遍的浸液式淬火设备。用淬火槽淬火，工件直接浸入淬火介质中。介质可以是水、油、聚合物（如PAG）水溶液、盐、碱类水溶液、熔盐等。淬火槽要根据需要，设置搅拌装置、除氧化皮装置、工件传送装置、安全防火装置、通风与环保装置等。

一、设计准则

    淬火槽设计要在考虑一次最大淬火量或单位时间淬火重量、工件尺寸、工件界面厚度、钢号、要求的组织和力学性能等数据的前提下进行。设计时，应考虑以下问题：

   （1）根据工件的特性、淬火方式、淬火介质和生产线的组成情况，确定淬火槽的类型与结构；同时根据所用液体的性质，考虑槽体选用材料或应采取的防腐措施。

   （2）根据一次淬火最大重量、最大淬火工件尺寸（含夹具）和淬火间隔等数据，确定淬火槽的容积和需要配置的功能。如搅拌器、换热器、储液槽等配置。

  （3）淬火槽内的淬火区域应留足够的介质循环空间，使淬火件得到良好的冷却。

   （4）确定驱动介质运动的搅拌方式和布置。

   （5）确定输送工件完成淬火工艺过程的机械装置。对采用输送带传送工件的淬火槽，要预留足够的工件下落距离，以免热态工件在未冷却前与输送带发生磕碰。

   （6）根据介质温度的要求，确定是否配置加热器和换热器，并按需求进行配置。

   （7）淬火槽要方便维护和清理。要考虑方便清理淬火中脱落在淬火槽里的氧化皮和工件，必要时配置过滤器。对于易混入水的淬火油槽，还应考虑在淬火槽底部设置排水阀。

   （8）配置相应的安全环保措施。

二、淬火介质需要量计算

2.1 淬火工件放出的热量

   工件放出来的热量Q可按下式计算：

    Q=G（cs1ts1-cs2ts2）     （1）
式中，Q——每批淬火件放出的热量（kJ/批）

          G——淬火件的重量（kg）

cs1、cs2——工件由0℃加热到ts1和ts2的平均比热容 kJ/（kg·℃），当钢的加热温度为850℃时，cs1≈0.71kJ/kg·℃，当钢冷却到100℃时，cs2≈0.50 kJ/（kg·℃）；

ts1、ts2——工件冷却开始和冷却终了温度，通常ts2=100℃~150℃。

2.2 淬火介质需要量

    淬火介质需要量按下式计算：

    V=Q/(ρc0（t02-t01）    （2）

式中，V——计算的淬火介质需要量（m³）；

       c0——淬火介质平均比热容  kJ/（kg·℃），对于20℃~100℃的油，c0=1.88~2.09 kJ/（kg·℃）；对于水，c0=4.18 kJ/（kg·℃）；

t01、t02——淬火介质开始和终了温度（℃）

   ρ——淬火介质密度（kg/m³），水1000kg/m³；油900kg/m³（30℃~40℃）、870kg/m³（80℃~90℃）。

    图1 所示，为1kg钢从850℃冷却到100℃时，淬火介质上升的温度与介质体积的关系。

▲图1  1kg钢自850℃冷却到100℃时，冷却介质体积与温升的关系

2.3 确定淬火介质需要量需要考虑的因素

2.3.1 根据工艺要求确定允许的介质温升

    工件在15~25℃内的水中淬火，可以得到相对均匀的冷却速度分布和较好的稳定性。图2 所示为在适度搅拌下表面冷却能力与水温之间的关系曲线图。表面冷却能力随着水温的升高急剧下降，所以水的温升受到限制。在良好的搅拌条件下，可以适当放宽水的温度上限。   

▲图2 水在适度搅拌下表面冷却能力与温度之间的关系

    研究表明油温对淬火油的冷却能力影响不大，但是从工程角度考虑淬火油的使用温度一般都控制在40℃~95℃范围内，过高的温度将加快油的老化和加大油烟的产生量。从安全角度考虑，油的最高使用温度应低于油的闪点50℃。过低的油温会由于粘度大，流动性差，而降低冷却均匀性，使淬火件的畸变量增加。同时，油温过低也会因流动性差而增加火灾危险。

2.3.2 考虑淬火件单位重量的表面积

    从工件向淬火介质传递的热量（q）取决于换热系数（h）、工件表面积（A）和工件浸液淬火的起始温度（T1）和介质温度（T2）之差。即

     q=hA（T1-T2）    （3）

    工件表面向淬火介质传递热量（q）与工件表面积有关。相同重量、不同尺寸的工件，淬火冷却从工件表面向淬火介质传递的热量（q）随时间的变化曲线会有很大不同。因此，在计算淬火介质需要量时，工件单位重量的表面积也是应该考虑的因素之一。相对淬火件表面积大的，淬火油槽的淬火重量与淬火介质的体积比参数应适当缩小，也就是将介质体积适当增大。

2.3.3 考虑介质的搅拌方式

    搅拌可以提高介质参与换热的效率，提高工件冷却的均匀性和介质温度均匀性。比较有效的搅拌油泵搅拌和螺旋桨搅拌。在搅拌条件下可以考虑将淬火槽的淬火重量与淬火介质体积比参数适当放大，也就是适当缩小淬火介质体积。通常，对于无搅拌的淬火油槽，淬火件的重量（含夹具）与淬火油的体积比为1:10（t/m³）；对于有良好搅拌的淬火油槽，其淬火件的重量与淬火油槽的体积比为1:5~8（t/m³）

2.3.4 考虑每次淬火冷却的间隔时间

    如果两次淬火间隔时间较短，或连续淬火槽，介质的温度无法自然降温恢复到淬火初始温度除外适当加大淬火槽介质容量外，还应考虑增加换热器或储液槽等设施。

2.3.5 考虑安全因素

    对于淬火油槽，要在考虑淬火油使用温度的基础上，确定淬火件重量与淬火油体积的比例。对于在淬火油槽中容易混入水的情况，应当提高淬火油的体积和配置相应的搅拌装置，以免淬火槽底部积水温度高于沸点发泡造成体积膨胀，致使淬火油溢出槽外。

三、淬火槽的搅拌

3.1 搅拌的作用

3.1.1 提高淬冷烈度

    淬火介质从钢件中吸收热量的能力用淬冷烈度（H）表示。淬冷烈度是淬火介质的固有特性，不受工件尺寸、淬透性等工件特性影响， 是对淬火介质一个整体的、平均的评价，通常由介质的类型、温度、搅拌等因素决定。淬冷烈度与各种介质流动状态的关系见表1 。

▼表1 淬冷烈度与各种介质流动状态的关系

3.1.2提高淬火介质温度的均匀性

    搅拌可以使整个淬火槽的介质形成一个较均匀和较强烈的运动状态有利于减少工件的畸变和开裂倾向， 防止油局部过热，减少淬火油着火的可能性和产生过量油烟，减缓老化进程提供介质使用寿命。

3.1.3 提供淬火介质的利用率

    无搅拌淬火油槽，淬火件重量与油的体积比例一般为1:10 （t/m³）；良好搅拌条件下的淬火油槽，上市比例可为1:5~8（t/m³）。

3.2 搅拌方式

    淬火槽的搅拌方式很多，可以用有循环泵、螺旋桨、埋液喷射、吹气等，还包括工件手动移动、行车或升降台带动相对于介质的流动。

    手动移动工件可达1m/s的运动速度但重现性差。行车、升降台能产生的运动速度取决于行车和升降台的速度。泵搅拌能产生的速度随离泵出口的距离相差很大。采用闭式螺旋桨搅拌，在导流筒出口附近介质流速可以达到0.5~1.5m/s。

    淬火槽采用压缩空气搅拌时，增加了介质与气体的接触。促进了油介质的老化，降低了油的使用寿命；同时由于气体是热的不良导体，会使淬火工件上产生淬火软点。因此一般情况下不推荐吹气搅拌。

    循环泵也很难提供均匀的搅拌，通常埋液喷射法，通过喷孔的合理分布来改进流动均匀性。但要达到与螺旋桨搅拌相同的介质流速，循环泵所需功率大约是螺旋桨的10倍。因此，螺旋桨被广泛采用。

3.3 螺旋桨搅拌方式

    淬火槽中常用的螺旋桨搅拌可分为开式搅拌和闭式搅拌两种。开式搅拌螺旋桨周围不能形成定向流动只能靠液体自身推进；闭式搅拌则是借助导流筒将介质导向至槽内淬火区域。图3 为开式与闭式搅拌示意图。

    常用的开式搅拌器是轴流式螺旋桨，如图4所示的船用螺旋桨。

    表2 是螺距与直径的比为1.0 转速为420r/min的船用螺旋桨所要求的的功率。

    对于顶部直插式搅拌常常推荐选用图4 b）所示的翼形螺旋桨，在相同转速下，效率比常规船用螺旋桨高出40%。翼形螺旋桨搅拌推荐功率见表3 。

    其他转速下的功率可以格局下式调整，即功率与搅拌器转速成正比：

          （4）

   式中，P——功率（kw）

             n——螺旋桨转速（r/min）

    图4 中所示的螺旋桨多用于侧式搅拌。它在叶片上与船用螺旋桨不同，它对侧插时作用于螺旋桨的力有平衡作用，主要考虑侧插式搅拌通常需要较高的转速。与常规螺旋桨相比，其特点在于叶片可通过螺钉拆装。

    表4 为螺旋桨直径与搅拌功率的关系值，其功率根据表2 确定。表3 的数据获得的条件是：

    ①假设转速为280r/min，液体密度为1.0g/cm³，翼形螺旋桨的相对功率数Np=0.33，根据式（4）计算出所要求的的功率，翼形螺旋桨与船用螺旋桨的相对功率Np近似相等。

    ②搅拌轴的功率相当于电机功率的80%。

    ③螺旋桨的直径是指转速为280rmin的开式搅拌时的直径。

    ④当采用闭式搅拌时，螺旋桨直径要减小3%。

    闭式搅拌若采用轴流式螺旋桨，能更好地控制流体方向，但要能够提供较大的起动力矩。

▼表4 螺旋桨直径与搅拌功率的关系

    表5 为在搅拌器转速为420r/min条件下的螺旋桨直径与搅拌功率的关系。

▼表5 三叶船用螺旋桨直径与搅拌功率的关系

3.4 闭式搅拌系统设计

    在淬火槽里采用闭式搅拌系统，能够在淬火区域形成定向流体场。导流筒形式的闭式搅拌，理论上讲可以使流体各质点的位移量相同，引导流体各处等速到达至所需要的淬火区域。

    闭式搅拌系统导流筒应该具有以下一些结构特点（参见图6）： 

▲图6 闭式搅拌下导流筒的结构

   （1）充分利用淬火槽的底部。

   （2）将导流筒进口处做成30°锥口，减小进口处压头损失并使流速分布均匀。

   （3）导流筒口上部埋液深度不小于筒直径的1/2，否则，会破坏进口处流速分布的均匀性。

   （4）导流筒内壁加装整流片，以减小涡流。

   （5）螺旋桨叶片旋转面伸入导流筒内的距离应不小于筒直径的1/2，该尺寸关系到入口流速分布情况。如果螺旋桨叶片埋液深度不够，则会在搅拌中有气体被带入介质中，导致淬火槽里液面产生泡沫，严重时会溢出槽外，增加火灾危险，还会影响淬火效果。

   （6）为防止螺旋桨产生倾斜或抖动，可以考虑加装限位环或定位轴承。

   （7）螺旋桨叶片与导流筒内壁应保持25~50mm的间隙。

3.5 螺旋桨搅拌器参数计算

3.5.1 压头与流量的关系     

    搅拌器的传递功率P与其排量（流量）Q和压头H（可比类为泵的扬程）有关，即：

    P=QH     （5）

    闭式搅拌器的流量与压头关系图与泵相似。图7 a）所示闭式搅拌下的压头-流量曲线示意图，超出曲线左边区域将导致失稳状态，即流滞状态。

▲图7 闭式搅拌器性能曲线

a）压头-流量曲线  b）系统阻力曲线

c）闭式搅拌操作点

    图7 b）为一系列系统阻力曲线，系统阻力Kυ由下式导出：

    Kυ=2gH/Vd ²

式中，g——重力加速度

          H——系统压头

         Vd——导流筒内流速

         Kυ——导流阻力系数，是导流几何形状的函数。

   将图7a）与图7b）曲线叠加获得图7c），两类曲线的交点就是搅拌器的工作点，一般将搅拌器的工作点选在交点左侧，最大不超过交点。当几何形状一定时，可以根据经验近似地确定Kυ值，连同流量、压头等参数，可以近似的设计搅拌系统。

    图8 所示为这些曲线在轴流式螺旋桨和翼形螺旋桨上的具体应用。图中显示出：当Kυ由1.0加大到5.0时，翼形螺旋桨的流量减少30%，同样条件下，轴流式螺旋桨的流量降低35%。因此，当系统阻力较高时，翼形螺旋桨形成的压头相对高出16%。翼形螺旋桨有如下优点：

   （1）压头较高。

   （2）压头-流量曲线较陡。

   （3）抗流滞性强。

   （4）工作效率高。

▲图8 轴流式螺旋桨和翼形螺旋桨的压头-流量曲线

3.5.2 螺旋桨的功率和流量计算

    在相同功率下，不同类型的螺旋桨会产生不同的流量。因此，在螺旋桨额类型、转速确定后，才能确定单位体积所需功率，单位体积功率下的流量可以由式（9）计算：

    Q=NQnD³         （7）

       （8）

        （9）

式中：D——螺旋桨直径

          n——螺旋桨转速

        Np——相对功率数

       NQ——相对流量数 

          ρ——流体密度

          Q——流量

           P——功率
    相对流量NQ是螺旋桨推进能力的参数，相对功率Np则是螺旋桨功耗特性系数，式（9）表明单位功率下的流量与螺旋桨类型、安装方式、转速及其直径有关。

    式（9）并不能完全描述搅拌器的运动，搅拌器还有其它一些需要考虑的设计因素，如扭矩等。扭矩T与式（9）中各项参数的关系如下：

           （10）

    扭矩是决定搅拌器成本的关键因素，因此要像流量和功率那样严格计算，扭矩 T 和单位体积功率下的流量Q/P均与螺旋桨直径存在函数关系，如图9 所示。

      ▲图9 根据扭矩确定功率

    根据转速和直径对螺旋桨进行优选是一个复杂的问题，淬火冷却作为一个控制过程，最好在流量和转速恒定的情况下对搅拌器其余参数进行比较，即用下式表示：

         （11）

    在流量和转速恒定的情况下，单位体积功率下流量Q/P值用下式表示：

                    （12）

    用式（12）的条件是NQ和Np为已知量，这两个值可以根据经验确定，也可以由螺旋桨产生厂家提供。表6 列出了一种常用船用螺旋桨和一种翼形螺旋桨相对流量数和相对功率数。应该注意，当设置导流筒时，由于相对流量数的变化，也导致了单位体积功率下流量的变化。在相同功率下，闭式搅拌（加导流筒）的流量降低，但却具有定向控制流体的优点。

▼表6 闭式搅拌的相对流量数与相对功率数

3.5.3 组合式搅拌

    为了使淬火区域内的工件冷却均匀，就应该使流经淬火区域的工件冷却均匀，这样就要采用组合式搅拌器。至于在什么场合下安装组合式搅拌器和它们在淬火槽的什么位置，并没有简单的定量关系，可由设计者依据一定的规律确定。下面介绍一些可参考的基本规律。

3.6 搅拌器的布置

3.6.1 开式搅拌

    对于圆形淬火槽，当搅拌功率超过2.2kw时，就可以考虑设置多个搅拌器。如果功率在2.2~4.5kw之间，搅拌器可以考虑侧插或顶插安装。如果功率超过7.5kw就要安装两个以上搅拌器。具体安装搅拌器的数量还应考虑是否有足够的安装空间。图11 所示为圆形淬火槽侧插式搅拌器的安装示意图。

▲图10 圆形淬火槽侧插式搅拌器安装示意图

    对于深井式圆形淬火槽搅拌器的安装见图11 。

▲图11 一种深井炉圆形淬火槽

对于矩形淬火槽，当长宽比大于2:1时，可以安装一个大功率搅拌器，当长宽比远大于2:1时，就要安装多个搅拌器，详见图12 。

▲图12 矩形淬火槽搅拌器安装位置示意图

    顶插式开式搅拌器应与垂直轴线成16°角叶片与底部的直径应大于螺旋桨直径。侧插式搅拌器轴线距槽底部应大于螺旋桨半径+150mm。图13 和图14 为两个侧插式搅拌器的开式搅拌淬火槽结构示意图。

2.6.2 闭式搅拌

    闭式搅拌可以在淬火区域形成定向流体场，其中的导流筒是提供流体定向流动的最有效和最经济的方法。

    带导流筒的搅拌可用于深井式淬火槽，见图15 。导流筒搅拌的作用与泵相似，但是在相同功率下，它可以提供比泵高10倍的流量使液体沿着导流筒运动到指定区域。溢流板的作用是保证螺旋桨具有足够的埋液深度，防止搅拌时带入空气。

▲图15 带导流筒的深井式淬火槽

3.7 闭式搅拌的均流结构

    开裂与畸变一直是热处理行业中没有得到很好解决的技术难题。研究结果表明，淬火件产生开裂和畸变的主要原因之一是工件淬火冷却所处的流体场的均匀程度。流体场流动均匀与否，取决于淬火槽畸变及均流结构设计是否合理，恰当的介质畸变及合理的均流结构可显著改善淬火件冷却的均匀性；相反，当淬火介质处于静态或不均匀流速场中淬火时，往往会造成冷却不均匀。

    对于闭式搅拌下的淬火槽，螺旋桨的安装方式常见的有顶插式和侧插式。由于闭式搅拌使流动的液体具有很强的方向性，见图16 ，所以无论是哪种形式，都要求设置均流结构。

▲图16 流体通过90°弯管导流筒后的流体速度分布图

    图17 所示带均流片的闭式搅拌淬火槽为顶插式搅拌。在导流筒的出口处设置了均流片，目的是将通过90°弯管导流筒后的分布不均匀流体进行均匀分布。

图18 所示为该均流结构示意图。

图19 所示为无均流片和有均流片情况流体分布的模拟流线图，该结果与实测结果基本吻合。

图20 所示为闭式搅拌淬火槽均流板的几种结构形式。闭式搅拌侧插螺旋桨的均流结构与位置的布置与大城市基本相同。

▲图20 闭式搅拌淬火槽均流板几种结构形式

1-均流板  2-导流筒  3-螺旋桨  4-搅拌器  5-工件  6-淬火槽

3.8 淬火介质流速的测量

3.8.1 介质流速的测量方法

   （1）采用皮托管测速

    该方法适用于测定呈单向流动的介质的速度，如层流或喷射的射流，但不适合测定紊流（多向）状态下的流速。

   （2）轮式测速仪

    通过电子计数方法累计单位时间内测速转子（涡轮）在流动介质中转动的次数，然后经过换算得出流速值。该仪器的测速转子的旋向在紊流场中会随流体方向的变化而呈现正反交替旋转，因而影响测定结果的准确性，其结果仅用于定性分析。

                （14）

3.8.2 螺旋桨搅拌条件下介质流速的测量

    采用螺旋桨搅拌器搅拌下的浸液式淬火槽的介质流速呈紊流状态，即流体质点在向前运动的同时还有很大的横向速度，而且横向速度的大小方向也随时做无规则变化。因此，采用常规流速测量仪器，很难在紊流状态的流体场中测得准确的流速数据。目前，多采用激光多普勒测速仪和超声波多普勒测速仪测量螺旋桨搅拌条件下的介质流速。
   （1）激光多普勒测速方法

    图21 所示为激光多普勒测速仪的系统构成。激光多普勒测速仪的位置设在容器的外部，其光电探测器的发射和接收光束是在透明外发射和接收的。该方法被用于在实验室条件下测量透明度好、尺寸较小的容器内介质的流速。

▲图21 激光多普勒测速仪系统构成

   （2）超声波多普勒测速方法

    图22 所示为超声波多普勒测速仪系统构成。由于超声波多普勒测速仪用的是声波，并且发射和接收声波的探头是被浸入介质中，所以该方法对介质的透明度和容器内介质的容量多少无特殊要求。

▲图22 声波多普勒测速仪系统构成

4.2 深井或大直径淬火槽
    深井式淬火槽常用于长轴类工件淬火冷却。图24 所示为顶插搅拌器的深井式淬火槽。淬火槽直径为∅2.2m，深度为7m，配置两套螺旋桨搅拌器，为了减少装液量，导流筒置于槽体之外。对于深度小于10m以下的淬火槽的搅拌，可以考虑采用顶插式螺旋桨方式搅拌；大于该尺寸,可以考虑采用侧插式螺旋桨搅拌或泵搅拌。

     

	❤ 请关注 微信公众号: steeltuber.  转载请保留链接: http://www.josen.net/Steel-Knowledge/CuiHuoCao.html