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    簡要了解熱處理設備分類及加熱裝置的類別和特性

      夕顏淚痕        2021-07-15 16:08:40

    一、熱處理設備分類


    熱處理設備是指用于實施熱處理工藝的裝備。在熱處理車間內還有維持熱處理生產所需的燃料、電力、水、氣等動力供應設備,起重運輸設備和生產安全及環保設備。


    通常把完成熱處理工藝操作的設備稱為主要設備。把與主要設備配套的和維持生產所需的設備稱為輔助設備。熱處理車間內設備的分類如表1-1所示。


    簡要了解熱處理設備分類及加熱裝置的類別和特性


    1、熱處理主要設備


    (1)熱處理爐


    熱處理爐是指具有爐膛的熱處理加熱設備。因在加熱過程中爐膛首先被加熱,再參與對工件的熱交換,所以熱處理爐的加熱性質屬間接加熱。


    (2)加熱裝置


    加熱裝置是指熱源直接對工件加熱的裝置。因此,其加熱性質屬直接加熱。其加熱方法可以是火焰直接噴燒工件,電流直接輸入工件將其加熱,工件內產生感應電流加熱工件及等離子體、激光、電子束沖擊工件而加熱等。


    (3)表面改性裝置


    這類裝置主要有氣相沉積裝置和離子注入裝置等。氣相沉積裝置是指通過在氣相中的物理、化學過程,在工件表面上沉積金屬或化合物涂層的裝置。子注入是把氮、金屬等的離子注入材料表面。這類工藝方法不同于傳統的通


    過加熱和冷卻發生相變而強化金屬的熱處理方法,是現代新興的一種改金屬表面性能的方法。


    (4)表面氧化裝置


    表面氧化裝置是指通過化學反應在工件表面生成一層致密的氧化膜的裝置。它由一系列槽子組成,通常稱發藍槽或發黑槽。


    (5)表面機械強化裝置


    表面機械強化裝置是指利用金屬丸拋擊或壓力輥壓或施加預應力,使工件形成表面壓應力或預應力狀態的裝置,有拋丸機和輥壓機等。


    (6)淬火冷卻設備


    淬火冷卻設備是指用于熱處理淬火冷卻的裝置,有各種冷卻介質的淬火槽、噴射式淬火裝置和壓力淬火 機等。


    (7)冷處理設備


    冷處理設備是指用于將熱處理件冷卻到0℃以下的設備。常用的裝置有冷凍機、干冰冷卻裝置和液氨冷卻裝置。


    (8)工藝參數檢測、控制儀表


    工藝參數檢測、控制儀表,通常是指對溫度、流量、壓力等參數的檢測、指示和控制儀表。


    隨著計算機控制技術的應用,使對熱處理工藝參數控制的概念發生了根本性的變化,除常規的工藝參數控制外,還有工藝過程靜態和動態控制、生產過程機電一體化控制、計算機模擬仿真等。計算機的控制成為工藝過程和設備運行的指揮中心。


    2、熱處理輔助設備


    (1)清洗和清理設備


    清洗和清理設備是指對熱處理前、后工件清洗或清理的設備。常用的清洗設備有堿水溶液、磷酸水溶液、有機溶劑(氯乙烯、二氯乙烷等)的清洗槽和清洗機以及配合真空、超聲波的清洗裝置。


    清理設備有化學法的酸洗設備,機械法的清理滾筒、噴砂機和拋丸機,燃燒法的脫脂爐等。


    (2)爐氣氛、加熱介質、滲劑制備設備


    1)熱處理氣氛生成設備。這類設備有:由可燃物形成吸熱式和放熱式氣氛;從空氣中提取N2;由液氨分解或燃燒制備H2和N2氣氛;有機液分解氣氛和制H2等設備。


    2)加熱介質制備設備。這類設備主要有鹽浴爐用鹽、流態化粒子及油的儲存、篩選、混料等裝置。


    3)滲劑制備設備。這類設備主要有化學熱處理用的固體、液體、氣體滲劑,防工件加熱氧化涂料,增強工件對輻射熱吸收率的涂料等的儲存、混料和再生設備。


    (3)淬火介質循環冷卻裝置


    淬火介質循環冷卻裝置是指為維持淬火介質溫度而設置的淬火介質循環冷卻的裝置,主要包括儲液槽、泵、冷卻器和過濾器等。


    (4)起重運輸設備


    車間起重運輸設備是指用于車間內工件運輸、設備維修吊裝的機械設備,有時也用于工件裝出爐的吊裝。此類機械設備主要有:車間起重機、運工件的車輛、傳輸工件的輥道和傳送鏈等。


    (5)質量檢測設備


    質量檢測設備是指對熱處理件進行質量檢測的設備。此類設備范圍很廣,有金相組織、力學性能、工件尺寸、缺陷探傷和殘余應力等檢測設備。


    (6)動力輸送管路及輔助設備


    動力輸送管路和輔助設備是指提供給熱處理設備的電力、燃料、壓縮空氣、蒸汽、水等動力的管路系統和附屬的裝置。主要有管路系統、風機、泵、儲氣罐及儲液罐等。


    (7)防火除塵等安全環保設備


    防火除塵等安全環保設備是指防治熱處理生產造成的粉塵、廢氣、廢液的裝置、預防和處理火災、爆 炸事故的裝置,主要有抽風機、廢氣裂化爐、廢液反應槽及防火噴霧器等。


    簡要了解熱處理設備分類及加熱裝置的類別和特性


    二、熱處理爐的分類、特性和編號


    1、熱處理爐的分類


    為滿足各種熱處理件、各類熱處理工藝和不同生產批量的需要,熱處理爐有很多類型和規格。依據熱處理爐的特性因素,它有多種分類方法,如表1-2所示。


    簡要了解熱處理設備分類及加熱裝置的類別和特性


    2、熱處理爐的主要特性


    熱處理爐的種類很多,但其基本組成和特性是由幾個主要組成部分和特性參數所限定的。


    (1)溫度


    爐子溫度決定了爐子的傳熱特性。由于輻射能與溫度T成正比,所以高溫爐的結構應設計成輻射傳熱型。其主要特征是電熱元件應能直接輻射加熱工件。低溫爐主要依靠對流傳熱,其爐子結構應有強烈的氣流循環。


    (2)熱源


    電加熱的熱處理爐,因電熱元件容易在爐內安裝和控制,所以有較高的溫度均勻度和精度。天然氣、煤氣和油加熱的熱處理爐直接利用能源,比電熱爐有較高的能源利用率。燃氣加熱爐和燃油加熱爐也能實現計算機控制,爐子的溫度控制精度也可滿足熱處理工藝要求。


    燃煤加熱的熱處理爐,控溫精度低,熱效率低,CO2排放量大,所以如今已很少應用。


    (3)爐膛結構與爐襯材料


    爐膛是熱處理爐的主體,是爐襯包圍的空間。對它們的基本要求是,在爐膛內形成均勻的溫度場,對被加熱件有較高的傳熱效果,較少的積蓄熱和散熱量。爐襯材料和結構向輕質化、纖維化、預制結構、復合結構、不定型材料澆注,以及噴涂增強輻射涂料的方向發展。


    (4)燃燒裝置和電熱元件


    燃燒裝置和電熱元件是爐子的主要部件。對燃燒裝置的基本要求是,使燃料充分燃燒,達到所需的溫度和所需的氣氛狀態,形成高輻射或強對流的火焰,滿足熱處理工藝要求,有較高的熱效率和較輕的環境污染。


    燃燒裝置的種類很多,較新型的燒嘴有:平焰燒嘴、自身預熱燒嘴、高速燒嘴及調焰燒嘴等;目前迅速發展的有:高熱效率的蓄熱式燒嘴、燃燒器、輻射管和計算機控制燃燒。


    熱處理爐所用的電熱元件,主要是電阻絲(或帶)制成的元件或輻射管。在低溫浴爐中多用管狀加熱元件;在可控氣氛爐中多數用輻射管;在高溫爐中主要用碳化硅、二硅化鉬、鑭鉻氧化物質和石墨質電熱元件。


    電熱元件和燃燒裝置的合理布置以及組織好火焰流向或熱風循環是提高爐子溫度均勻度和熱效率最重要的手段。


    (5)爐氣氛


    實現熱處理保護加熱和氣氛碳勢可控制是我國熱處理長期的戰略任務。熱處理爐氣氛狀態有如下幾類:


    1)空氣氣氛??諝鈿饴葼t是一種結構最簡單的爐型。工件在該爐內高于560℃以上加熱時會氧化脫碳。


    2)火焰氣氛?;鹧鏆夥帐侨剂蠣t燃燒產物氣氛。燃燒產物的組成主要是CO2、H2O和N2。還可能有過剩的O2或未完全燃燒的CO,火焰氣氛的性質主要是氧化性,只有當CO量較多時才為弱氧化性或弱還原性。


    3)可控氣氛??煽貧夥帐侨藗兲匾饧尤霠t內的氣氛,主要是控制碳勢、氮勢或氣氛還原性。按可控氣氛的性質分類有:


    ①中性氣氛。主要是N2,在N2基礎上附加其他組分,形成氮基氣氛,其性質隨附加劑的性質而變化。


    ②還原性氣氛。主要是H2。H2密度小、粘度低、熱導率高、還原性強,因此它有熱容量小、流動狀態好、溫度均勻度高的優點。


    ③含碳氣氛。含碳氣氛由碳氫化合物裂化或不完全燃燒而成,有吸熱式和放熱式兩大類,此氣氛可在熱處理爐外或爐內生成。


    ④浴態介質。常用的浴態介質有鹽浴、鉛浴和油浴,其性質是中性,有時在中性鹽浴基礎上加上其他物質,形成具有相應物質特性的鹽浴,如含碳、含氮和含硼等鹽浴。


    ⑤真空狀態。低于101.325kPa的稀薄氣體狀態,均稱真空狀態。在高真空狀態下熱處理有提高產品質量和保護環境的雙重作用,是熱處理設備發展主要方向之一。


    (6)作業方式


    熱處理設備按作業方式分間歇式作業爐和連續式作業爐兩大類。


    間歇式爐一般為單一爐膛結構,工件成批裝、出料,在爐內固定位置上周期地完成一個工序的操作。簡單型的間歇式爐有空氣介質的箱式爐、井式爐等,其結構簡單,但其生產產品的穩定性、再現性、統一性都很差。


    近代,在間歇式簡單爐型基礎上,配備了傳動機械、可控氣氛、計算機控制等裝置,使這類爐子的特性發生了質的變化,如密封式箱式爐,它可完成高質量的淬火、滲碳等功能,還可與清洗、回火等設備組成柔性生產線。


    真空間歇式爐還被發展成在一個爐膛工位上完成加熱、冷卻、回火等一個完整的熱處理操作程序的生產模式。


    連續式爐的爐膛為貫通式,多為直線貫通,亦有環形貫通。其操作程序是工件順序地通過爐膛。熱處理工藝規程是沿爐膛長度方向設置的,


    運行長度則為工藝時間。因此,每一個工件(或料盤)在爐內運行過程中都同樣準確地執行同一個工藝程序,可獲得同一性的品質。


    (7)工件在爐內的傳送機械


    熱處理爐的機械化狀態是爐子先進程度的重要標志之一。各種形式的輸送機械幾乎都被應用于熱處理爐。


    選擇爐內工件傳送機械應考慮:該機械是否與熱處理件的形狀、尺寸或料盤相適應;是采用連續式還是脈動式傳送;工件與機械相對運動狀態是相對靜止還是相對運動的;工件支持點(或面)的接觸狀態;


    該機械與上下工序機械的銜接方式;該機械(包括料盤)是一直停留在爐內,還是反復進出爐,周期地被加熱和冷卻;傳動機械的可靠性和使用壽命;調整工藝的靈活性等。這些因素對提高產品質量和節能都有重大影響。


    (8)控制方式


    熱處理爐的控制,包括控制范圍、控制方法和控制裝置??刂品秶校簩囟?、壓力、流量及氣氛等工藝參數控制,傳動機械控制,工藝過程控制和預測產品質量控制。


    由于計算機控制技術的應用,控制方法和裝置正進入一個新時代,從單純參數控制,向用可編程序控制器控制生產過程和計算機模擬仿真的方向發展。


    簡要了解熱處理設備分類及加熱裝置的類別和特性


    3、熱處理爐的編號


    GB/T 10067.4-2005《電熱裝置基本技術條件第4部分:間接電阻爐》,對熱處理爐進行了分類和編號;如表1-3所示。


    簡要了解熱處理設備分類及加熱裝置的類別和特性


    三、加熱裝置的類別和特性


    1、感應加熱裝置


    熱處理感應加熱裝置,一般由電源、感應器和淬火 機床組成。


    (1)感應電源


    感應電源的主要參數是頻率和功率,熱處理應用的頻率范圍和功率大體上如圖1-1所示。


    簡要了解熱處理設備分類及加熱裝置的類別和特性


    現階段我國的感應電源是新、舊型并存。舊式的高頻和超音頻電源,其主體是一個大功率電子振蕩器,通過它把50Hz工頻電流轉換為100-500kHz的高頻和30~50kHz的超音頻,其主要缺點是變頻效率低,振蕩器的壽命短。


    舊式的中頻電源是一種機式中頻發電機,主要的缺點是效率低、設備費高。上述兩類電源都將逐漸被晶體管式的中、高頻電源所替代。晶體管式的晶閘管中頻電源是利用晶閘管元件把50Hz工頻三相交流電變換成單相中頻交流電,其特點是效率高,控制靈便。


    新型的全固態高頻電源是采用新型電力電子器件靜電感應晶體管(SIT)使裝置全固態化。具有轉換效率高、工作電壓低、操作安全、使用壽命長和可省去高壓整流變壓器的優點,但設備費較高。


    50Hz工頻電源是一個工業變壓器,無需變頻裝置。其設備簡單,輸出功率大,應用于大型工件表面淬火或透熱。其主要缺點是加熱速度低,加熱效率也較低。


    (2)感應器


    感應加熱只有通過感應器才能實現。感應器的結構和尺寸隨工件的特性和電源


    頻率而異,感應器嚴重地影產品感應熱處理的質量和熱效率。


    (3)感應淬火 機床


    感應淬火 機床使感應熱處理機械化,并便于準確控制工藝參數。它有普通型和專用型兩種,專用機床是依據某一工件的熱處理要求而設計的。


    (4)感應加工生產線


    現代的生產組織常把感應熱處理放置在機械加工線上組成生產線,這時感應加熱裝置是專用的成套設備,包括感應電源、多工位淬火 機床、設備冷卻和淬火介質循環系統、感應器、感應回火、工件校正變形裝置,


    以及計算機控制系統。


    2、火焰加熱裝置


    火焰加熱裝置是以乙炔或其他可燃氣為燃料的加熱裝置,一般由乙炔發生器、噴焰器和淬火 機床組成?;鹧鏈囟瓤筛哌_2000-3000°℃.這種加熱裝置設備簡單,生產成本低廉。其缺點是溫度等工藝參數較難控制,通常應用于單件和就地大件生產。


    3、接觸電阻加熱裝置


    接觸電阻加熱裝置是由電源變壓器、可移動的接觸滾輪(銅滾輪或碳棒)和淬火 機床組成。


    其操作是將變壓器二次側兩端各連接滾輪,作為電極的兩極,滾輪在工件表面上滾動,在接觸面上產生局部電阻而發熱,將此接觸部位的工件加熱,隨后依靠工件自身導熱冷卻淬火。這種裝置結構簡單,多應用于類似機床導軌等大型件表面。


    前幾年有人將導電輪改為高純石墨。形狀為鐵餅形,輪中心安裝導電銅軸的通孔處,厚度10-12mm,緣寬度2-3mm,石墨輪直徑45-50mm。導電石墨輪旋轉,與工件接觸點是滑動而不是相對滾動的,且滑動方向與觸點前進方向相反。


    石墨導電輪的一面在使用過程中吹壓縮空氣冷卻降溫,以保持其不致發紅燒掉。這樣的裝置加工出來的內燃機氣缸套淬硬帶表面沒有電火花蝕坑,淬硬深度0.25-0.30密碼,硬度可達到HV800-1200,經洛拖所耐磨實驗對比,其效果可與激光淬火媲美。該裝置也申請了專利。


    4、直接電阻加熱裝置


    該裝置由電源變壓器、通電夾頭和機床組成。兩電極夾頭夾持在欲加熱件部位的兩端,通以低壓大電流,將該部位工件加熱。


    夾頭的結構有固定型和滑動型。有的裝置利用兩個滾輪代替夾頭,兩滾輪緊壓工件,平行滾動,將滾輪間的工件加熱。這種加熱裝置結構簡單,熱效率高,廣泛應用于鋼絲、鋼管以及小直徑圓鋼通電加熱。


    5、電解液加熱裝置


    該加熱裝置由直流電源、電解液槽、工件夾持裝置組成。被加熱的工件連接電源陰極,浸入電極液槽中,槽體接電源陽極,通電發生電解,電解時在工件表面上形成氫氣膜,此膜因電阻值高而發熱,將工件加熱。


    此裝置一般應用于形狀簡單的小工件的局部加熱,如氣門頂桿端部加熱淬火。對有銳角的工件易造成過熱。此裝置應用不多。


    6、等離子加熱裝置


    該裝置由真空容器、工作臺、產生等離子體的氣源及供排氣管路和控制電路組成。工件放在真空容器內的工作臺上,連接電源陰極,容器連接電源陽極??刂齐娐肥乖诘驼婵罩械臍怏w電離,產生等離子,等離子又在電場作用下高速沖擊工件,將其動能轉化為熱能,加熱工件。


    此裝置主要用作滲氮等化學熱處理,離子滲氮設備就是此類。其優點是等離子體本身就是滲劑的離子如N+,N+在沖擊工件時,濺射掉工件表面的鈍化膜,并滲入工件內,有較高的滲速和較致密的滲層。


    7、激光加熱裝置


    該裝置由激光器、導光系統、工作臺和控制系統組成。高能密度的激光束在工件上掃描,將工件加熱,隨后工件自行冷卻淬火。該裝置生產率高、加熱速度快、工件淬火后有較高硬度,是正在發展中的加熱裝置,應用于氣缸套、齒輪、導軌等工件淬火。


    8、電子束加熱裝置


    該裝置由電子束發生器、掃描系統、低真空工作室和控制系統組成。高速的電子束流掃描轟擊放置在真空室內工作臺上的工件,將其加熱,隨后工件自行冷卻淬火。


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