氣冷式單室型熱處理爐和在該爐中氣體冷卻方法
2023-10-04 19:04:14
專利名稱：氣冷式單室型熱處理爐和在該爐中氣體冷卻方法
技術領域：
本發明涉及一種熱處理諸如鋼零件的金屬材料的氣冷式單室型熱處理爐，以及在該爐中的氣體冷卻方法。
背景技術：
氣冷式單室型熱處理爐通常是指在加熱金屬材料後強制循環冷卻氣體以冷卻金屬材料的一種爐子。
在這類氣冷式單室型熱處理爐中，在內室、即設置在外殼內的處理室的相互相對的各壁中設置由門打開和關閉的冷卻氣體通氣孔。在加熱金屬材料時，冷卻氣體通氣孔關閉，然後用設置在內室的加熱器對放入內室中的金屬材料加熱。在被加熱的金屬材料冷卻時，冷卻氣體通氣孔打開，隨後用設置在外殼內的循環風扇將經過冷卻器冷卻的冷卻氣體從一個冷卻氣體通風口送入內室中，並從另一冷卻氣體通風口引向循環風扇，由此，在該冷卻氣體循環過程中，金屬材料被冷卻。
冷卻氣體通風口的開口面積較大，以將足夠數量的冷卻氣體送到內室中的金屬材料上，滑動或提升門，就能打開和關閉這些通風口。
在上述傳統的氣冷式單室型熱處理爐中，每一氣冷氣體通風口具有一簡單的開口。因此，冷卻過程中的內室中的冷卻氣流趨向於集中在冷卻氣體通風口的中部，使金屬材料不能均勻冷卻。
此外，如果採用若干沿冷卻氣體通風口平行移動的滑動門，就要求在門與內室之間的間隙達到最小，以增強在內室關閉期間門的密封性能。但是，該間隙如果做得太小，則內室由於門或內室的微小熱應變而不能正確地工作，由此不能長久地保持良好的密封性能。其結果是，在加熱期間，會出現內室中的溫度分布變得不均勻這樣一個問題。
如果採用提升門，由於內室冷卻氣體通風口的熱應變而不能保持足夠的密封性能。這也會引起內室中溫度分布不均勻的問題。
本發明的目的是提供一種氣冷式單室型熱處理爐，其中在冷卻過程中的內室冷卻氣流不會趨向於集中在冷卻氣體通風口的中部。此外，本發明的目的是提供一種氣冷式單室型熱處理爐，在該爐中，門與內室之間能夠維持良好的密封性能。
同時，在金屬材料的熱處理中，氣體冷卻方法通常也作為一種冷卻方法。此外，對於冷卻處理，已知這樣的冷卻方法，例如保持在一硬化溫度的金屬材料在臨界溫度範圍中快速被冷卻到馬氏體開始轉變溫度之上的一溫度，相反，在危險溫度範圍中，緩慢冷卻到馬氏體開始轉變溫度或在此溫度之下。
上述的氣體冷卻方法粗略被分類成一內循環型(循環風扇設置在爐子內部)和一外循環型(循環送風機設置在爐子外面)。在上述的任何一類中，不同種類或形狀的金屬材料都可在同樣的爐子中進行熱處理。因此，根據上述氣體冷卻方法，冷卻必需根據對應於每一金屬材料的種類或形狀的合適溫度規律進行，以減少金屬材料的應變並實現預期的目的。
此外，強制對流冷卻方法是眾所周知的，在該方法中，循環氛圍氣體或大氣的氣體密度隨循環氛圍氣體或大氣溫度變化而變化，由此熱傳遞係數也在變化。即，冷卻效果在風扇轉數恆定的情況下下降，那是因為當環境溫度在冷卻的初始階段中較高時，氣體密度就較低。為了消除這個問題，提出了一種方法，即響應爐內環境溫度或爐內金屬材料溫度的變化使循環風扇或循環送風機高速運行來改善冷卻效果(日本專利特開昭52-119408公報)。
對於強制對流冷卻方法，會出現這樣一個問題響應一預設冷卻曲線的冷卻不能實現，這是由於風扇的轉數只能直接根據爐子環境溫度或爐內金屬材料溫度改變。
此外，內循環型中的循環風扇或外循環型中的循環送風機的驅動電動機的功率的確定要考慮爐子的功率、效率等等。因此，會出現這樣的問題驅動電動機在一具體的冷卻狀態中可能在其額定轉數之上運行，由此會出現驅動電動機燃燒的危險。
因此，本發明的目的是提供一金屬材料的冷卻方法，為了解決上述問題，在該方法中，當預設冷卻速度大於實際冷卻速度時，驅動電動機通過以一允許的臨界功率運行驅動電動機而具有最大的冷卻能力，另外，金屬材料的冷卻速度通過控制驅動電動機的轉數而可調整，使得爐子內環境溫度或爐內金屬材料的溫度以預設冷卻速度改變。
發明概要為了實現上述目的，根據本發明，提供一氣冷式單室型熱處理爐，在該爐中，在形成處理室的內室的相互相對的每一壁上設置由門打開和關閉的冷卻氣體通風口，在氣體冷卻過程中打開冷卻氣體通風口就可使冷卻氣體循環，其中，內室的冷卻氣體通風口設置有由耐熱材料製成的格子形流動均勻化構件。
因此，內室的冷卻氣體通風口設置有格子形均勻化構件，由此控制流入內室的氣體和流出內室的氣體的流動，從而減少內室中的冷卻氣體趨向集中在內室冷卻氣體通風口中央，使得金屬材料能夠均勻地冷卻。
此外，在本發明的氣冷式單室型熱處理爐中，冷卻氣體通風口在內室的上部和下部，門為提升類的，在每一門的外周部分與內室之間的加壓接觸部分具有這樣的結構一突起與一凹部保持嚙合。
由此，由於形成在每一門和內室的每一冷卻氣體通風口的外周部分的加壓接觸部分具有這樣的結構一突起與一凹部保持嚙合，所以即使在突起的頂部與凹部之間由於熱膨脹等等出現間隙，密封性能也是可靠的，在內室的溫度分布不會被打亂。
同時，最好用若干碳石墨纖維合成物的薄板製成格子形流動均勻化構件。
由於製造了碳石墨纖維薄板的格子形流動均勻化構件，格子形流動均勻化構件熱儲存容量較小，而強度較大。因此，加熱和冷卻過程中的響應性決不會受到損害，可無任何障礙地使冷卻氣體大流量流動。
此外，為了實現上述目的，根據本發明，提供一種在氣冷式單室型熱處理爐中的氣體冷卻方法，在該方法中，加熱到預定溫度的金屬材料通過強制對流而被冷卻，其中循環風扇或循環送風機的驅動電動機的轉數的控制是依據預設冷卻曲線與內室中的環境溫度或金屬材料溫度之差，該溫差是通過比較該環境溫度或金屬材料溫度與預設冷卻曲線得到的，當驅動電動機的輸出達到臨界輸出時，即使負荷由於溫度變化而增加，驅動電動機也保持以其臨界輸出運行。
因此，由於循環風扇或循環送風機的驅動電動機的轉數由溫度反饋和輸出反饋控制，在快速冷卻過程中，可實現最大冷卻能力，同時在較慢的冷卻過程中，能進行對應於預設冷卻曲線的冷卻處理。
附圖簡要說明
圖1是一剖視圖，它示出了在加熱過程中的本發明氣冷式單室型熱處理爐的一個狀態。
圖2是一剖視圖，它示出了在加熱過程中的本發明氣冷式單室型熱處理爐的一個狀態。
圖3是沿圖1的線III-III截取的剖視圖。
圖4是比例放大的局部剖視圖，它示出了圖1中的內室的冷卻氣體通風口和門。
圖5是一立體圖，它示出了圖1中的格子形流動均勻化構件。
圖6示出了氣冷式單室型熱處理爐及其用於本發明金屬材料氣體冷卻方法的控制線路。
較佳實施例的詳細說明下面，結合附圖描述本發明的實施例在圖1和2中，T表示本發明的內循環氣冷式單室型熱處理爐(此後稱為「熱處理爐」)。在外殼1內設置一內室5，該內室形成一處理室，在外殼1的一側設置一裝料/卸料門2，該門還設置一內室5的門6，在外殼1的另一側設置一冷卻用的循環風扇3。
一加熱器7設置在內室5內。在內室5的頂部和底部，設置面積較大的冷卻氣體通風口(此後稱為「通風口」)9A和9B，使最大尺寸的金屬材料W能夠進入，以放置在安置件8上。通風口9A和9B通過分別安裝於外殼1的提升門11A和11B而打開和關閉。
裝料/卸料門2裝有加熱用的循環風扇13，該風扇的葉輪13a設置在內室5的門6的內側。
如圖3所示，在從內室5的上面和下面的端部到冷卻用的循環風扇3的吸入部延伸的一區域中設置一覆蓋件(muffle)15，以覆蓋內室5。此外，在內室5的冷卻用循環風扇3一側的一側壁5a的下部與覆蓋件15之間的空隙被一分隔板17所封閉，由此，在外殼1與內室5之間形成氛圍氣體排出通道Pa和氛圍氣體吸入通道Pb。此外，在氛圍氣體排出通道Pa的冷卻用循環風扇3的一側設置一冷卻器18，在覆蓋件15與通風口9A和9B相對的部分設置有開口16A和16B，其形狀分別類似於門11A和11B的壓入部分12的形狀。
如圖4所示，在每一通風口9A和9B的外周部分形成一突起10，而在每一門11A和11B的壓入部分12上形成與突起10松配合的凹部14。凹部14的寬度比突起10的寬度略大，從而可以允許突起10熱膨脹。當門11A和11B被關閉時，突起10的頂部與凹部14的底部加壓接觸。
如圖5所示，將若干格子形流動均勻化構件19安裝在通風口9A和9B中。
格子形流動均勻化構件19是這樣構成的，用耐熱材料(例如耐熱鋼或碳石墨纖維合成物)製成若干板20，用縫隙21將這些板組裝成格子形，然後將構件19安裝在通風口9A和9B的略微內側處，使得門11A和11B(壓入部分12)的操作沒有任何麻煩。
下面描述上述構造的熱處理爐T的操作方法。
首先，用門11A和11B的壓入部分12關閉通風口9A和9B，裝料/卸料門2與內室5的門6一起被打開，然後將金屬材料W放入內室5。此後，裝料/卸料門2和門6被關閉，隨後接通加熱器7和使加熱用循環風扇13運行。結果，內室5中的氛圍氣體循環，由此加熱金屬材料W(圖1)。
在加熱期間，如果在內室5與門11A和11B的壓入部分12之間有間隙，那麼則會影響金屬材料W的均勻加熱。但是，如上所述，由於內室5和每一壓入部分12具有一突起10與凹部14保持嚙合的結構，所以突起10的頂部和凹部14的底部的變形不會導緻密封性能有過大的惡化，對內室5中的溫度分布幾乎無影響。
當金屬材料W被加熱到一預定溫度，關掉加熱器7，然後在提升門11A和11B打開通風口9A和9B之後開動冷卻用循環風扇3。
在這種情況下，設置在覆蓋件15的開口16A被提升門11A關閉，而設置在覆蓋件15的開口16B被提升門11B所打開(圖2)。
因此，在冷卻過程中，從冷卻用循環風扇3經冷卻器18排出的冷卻氣體在通過氛圍氣體排出通道Pa之後經開口16B和通風口9B進入內室5，然後在通過通風口9A和氛圍氣體吸入通道Pb之後被冷卻用循環風扇3吸入。
如上所述，由於通風口9A和9B設置有格子形流動均勻化構件19，使冷卻氣體的流動均勻，冷卻氣體在其流動保持均勻狀態的同時從通風口9A排出，所以金屬材料W被均勻地冷卻。
格子形構件19的材料可以是一耐熱的鋼板。另一方面，必需增加內室5中的氣壓或增加循環的冷卻氣體的數量，以提高金屬材料W的冷卻效果。如果增加耐熱鋼板的厚度，以承受循環的冷卻氣體的如此氣壓或數量，則格子形流動均勻化構件19的熱量積聚增加，使得在加熱和冷卻過程中的對溫度變化的響應性下降，熱量損失增加。因此，較好的是，用碳石墨纖維合成物薄板來製造格子形流動均勻化構件19。
此外，如果格子形流動均勻化構件19通過對若干板的組合構成，則還具有另一效果，即每一格子的尺寸等可調節。
圖6示出了一內循環氣冷式單室型真空熱處理爐101，本發明的金屬材料氣體冷卻方法採用該熱處理爐。
在單室型真空熱處理爐101中，一形成處理室的內室104設置在一外殼102內。此外，在外殼102的一側設置一裝料/卸料門103，該裝料/卸料門103具有一內室104的門105，在外殼102的另一側上設置一冷卻用循環風扇108的驅動電動機M。然後，驅動電動機M驅動冷卻用循環風扇108。
此外，在圖6中，標號109表示一設置在冷卻用循環風扇108前面的冷卻器，標號110a和110b各表示一擋板。
加熱器H設置在內室104內，在內室104的頂部和底部分別設置開口106a和106b。開口106a和106b分別通過提升門107a和107b而打開和關閉。
如圖所示，如果一擋板110a處在水平狀態，另一擋板110b處在垂直狀態，冷卻氣體從開口106a被送入內室104中，然後內室104中的冷卻氣體經開口106b引導到冷卻器109。或者，如果一個擋板110a處在垂直狀態，另一個擋板110b處在水平狀態，則冷卻氣體從開口106b送到內室104，然後內室104中的冷卻氣體經開口106a引導到冷卻器109中。
一變換器(inverter)115連接於冷卻器循環風扇108的驅動電動機M。變換器115具有兩個功能，即輸出頻率控制和輸出動力控制。即，驅動電動機M根據內室中環境溫度(或稱為氛圍氣體溫度)或金屬材料的溫度由反饋控制運行。此外，這樣的控制是這樣進行的，當驅動電動機M達到一臨界輸出狀態時，驅動電動機的實際電功率值被反饋，即使驅動電動機M的負荷由於溫度變化而增加，也保持在臨界輸出運行。
下面描述用於上述氣冷式單室型真空熱處理爐101的金屬材料的氣體冷卻方法以及用於冷卻風扇驅動電動機M的控制線路。
首先，裝料/卸料門103與內室104的門105一起被打開，然後將金屬材料W放入內室104中。此後，關閉裝料/卸料門103和門105。此外，用未示出的裝置使內室104內部處於預定程度的真空狀態，在該條件下，由一加熱器H加熱金屬材料W。在此狀況下，提升門107a和107b被關閉。
當金屬材料W達到預定溫度時，斷開加熱器H，使外殼102的內部回到初始壓力狀態。然後，打開提升門107a和107b，一擋板110a處於水平狀態，而另一擋板110b處於垂直狀態，從而根據預定冷卻曲線用一冷卻用循環風扇108冷卻金屬材料W。
更具體地說，用一溫度傳感器P探測爐子環境溫度，通過一轉換器116將探測到的溫度信號輸入到一溫度控制器117中。在溫度控制器117中，將探測到的溫度信號與預先從程序給定裝置118輸入的預設溫度信號相比較，將消除這些信號之差的預定旋轉數信號A從溫度控制器117輸入到信號選擇器119中。
此外，冷卻用循環風扇108的驅動電動機M的實際電壓和實際電流由未示出的裝置探測。探測到的實際電壓信號D和探測到的實際電流信號E輸入到計算實際功率的輸出功率操作調節器120。在輸出功率操作調節器120中，將實際功率與預先從臨界功率給定裝置121輸入的臨界功率的預設值作比較。如果實際功率≥臨界功率，那麼輸出功率操作調節器120輸出預設旋轉數的信號B，它表示一個減去對應於上述功率之差的旋轉數的數值，以防冷卻用循環風扇108的驅動電動機M燒壞。反之，如果實際功率＜臨界功率，輸出功率操作調節器120輸出預設旋轉數的信號B，該信號表示一個加上一對應於上述功率之差的旋轉數的數值，那是因為允許旋轉數被進一步上升。同時，可根據在最大臨界輸出的連續操作時間或冷卻用循環風扇108的驅動電動機M的規格等等來改變臨界功率。
來自輸出功率操作調節器120的預設旋轉數的信號B被輸入信號選擇器119，在該選擇器中將預設旋轉數的信號B與來自控制器117的預設旋轉數的信號A作比較。其結果是，如果預設旋轉數信號A≤預設旋轉數信號B，等於預設旋轉數信號A的預設旋轉數信號C從信號選擇器119中輸出，而如果預設旋轉數信號A＞預設旋轉數信號B，等於預設旋轉數信號B的預設旋轉數信號C從信號選擇器119中輸出。該輸出信號輸入到變換器115，根據該變換器來控制冷卻用循環風扇108的驅動電動機M的旋轉數。
一旦冷卻用循環風扇108的驅動電動機M運行冷卻用循環風扇108，單室型真空熱處理爐101中的氛圍氣體或空氣由擋板110a和110b被引導到冷卻器109，並在通過冷卻器109的過程中被冷卻。然後冷卻的氛圍氣體或大氣在爐中循環，使金屬材料W被冷卻。
在完成預定的熱處理時，冷卻用循環風扇108的驅動電動機M被停止。然後打開裝料/卸料門103，將金屬材料W從爐子中卸下。
本發明的金屬材料的氣體冷卻方法不限於上述方法，還可包括一氣體冷卻力去，在該方法中，用一表面溫度作為要反饋的溫度，取代上述的爐子的環境溫度。此外，可採用一外循環型爐子，在該爐子中，將諸如循環送風機和冷卻器109而不是冷卻用循環風扇108的冷卻裝置安裝在爐子外面，用一管道連接爐子和冷卻裝置。
組合上述的控制和爐子壓力控制可實現更有效的控制。
權利要求
1.一種氣冷式單室型熱處理爐，在該爐中，在形成處理室的內室的相互相對的壁上設置由門打開和關閉的冷卻氣體通風口，在氣體冷卻過程中打開冷卻氣體通風口來循環冷卻氣體，其中，內室的冷卻氣體通風口設置有由耐熱材料製成的格子形流動均勻化構件。
2.如權利要求1所述的氣冷式單室型熱處理爐，其特徵在於，冷卻氣體通風口設置在內室的上部和下部這些門為提升類的；以及在每一門的外周部分與內室之間的加壓接觸部分具有這樣的結構一突起與一凹部保持嚙合。
3.如權利要求1或2所述的氣冷式單室型熱處理爐，其特徵在於，這些格子形流動均勻化構件由若干碳石墨纖維合成物的薄板製成。
4.一種在氣冷式單室型熱處理爐中的氣體冷卻方法，在該方法中，加熱到一硬化溫度的金屬材料在爐內環境中通過強制對流而被冷卻，其中冷卻用循環風扇或循環送風機的驅動電動機的轉數的控制是依據預設冷卻曲線與爐內環境溫度或爐內金屬材料溫度之差進行，該溫差是通過比較環境溫度或金屬材料溫度與預設冷卻曲線得到的；以及其中，當驅動電動機的輸出達到臨界輸出時，即使負荷由於溫度變化而增加，驅動電動機也保持以其臨界輸出運行。
全文摘要
一種氣冷式單室型熱處理爐(T)，在該爐中，在形成處理室的內室(5)的相互相對的壁上設置由門(11A，11B)打開和關閉的冷卻氣體通風口(9A，9B)，在氣體冷卻過程中打開冷卻氣體通風口(9A，9B)來循環冷卻氣體，其中，內室(5)的冷卻氣體通風口(9A，9B)設置有由耐熱材料製成的格子形流動均勻化構件(19)。
文檔編號F27B5/00GK1426484SQ01808413
公開日2003年6月25日 申請日期2001年12月26日 優先權日2001年2月22日
發明者木曾田欣彌 申請人:中外爐工業株式會社