鋼鐵材料 淬火介質(zhì)的加熱和冷卻
一、淬火介質(zhì)的加熱
完善的淬火槽應(yīng)設(shè)置加熱裝置，以實現(xiàn)按照工藝要求對介質(zhì)進(jìn)行溫度控制。從而達(dá)到最佳冷卻效果的目的。
以水或鹽水為淬火介質(zhì)的淬火槽，通常采用通入水蒸氣的方法加熱。
堿水溶液、聚合物類水溶液和淬火油，一般采用管狀電加熱管。
淬火油的加熱器，加熱管的負(fù)荷功率應(yīng)小于1.5w/cm2，以防止油局部過熱，造成油的老化或在加熱管表面形成導(dǎo)熱性能不良的結(jié)焦層，影響電熱元件的散熱，甚至使電熱元件過熱燒毀。
對于淬火油槽，通常在槽子的外側(cè)或底部設(shè)置電加熱裝置，也有在槽子內(nèi)部插入管狀電加熱管的方式。
選擇加熱器應(yīng)注意以下幾點：
1 對于頂插入式的管狀加熱器，要根據(jù)液面的波動情況，設(shè)置有足夠的非加熱區(qū)，以免加熱段暴露在介質(zhì)之外過燒而起火或燒毀。
2 管狀電加熱器的表面負(fù)荷要根據(jù)所加熱介質(zhì)種類和介質(zhì)的流動（攪拌）情況而定。
3 不允許選用銅或銅合金為材質(zhì)的加熱管，因為銅或銅合金會加速礦物油的氧化和聚合反應(yīng)速度。
4 加熱管功率，水溶液槽按溶液重量10-15kw/噸（2小時溫升20℃）；淬火油槽按照淬火油重量，6~8kw/噸（2小時溫升30℃）選取。
▲常見油槽電加熱管
二、淬火介質(zhì)的冷卻
2.1 淬火介質(zhì)的冷卻方法
2.1.1 自然冷卻
利用液面和淬火槽槽體鋼板散熱，但這種方法散熱能力很差，一般僅為1~3℃/h。有攪拌功能的淬火槽這種自然散熱能力可能才會達(dá)到上限值。
2.1.2 水冷套式冷卻
該方法是在淬火槽的外側(cè)設(shè)置冷卻水套，或向放置淬火槽的地坑中注水。這種方法熱交換面積很小，很難達(dá)到良好的效果。
2.1.3 蛇形管冷卻
將銅管或鋼管盤繞布置在淬火槽內(nèi)側(cè)，通入冷卻水冷卻淬火介質(zhì)。此法雖然增大了換熱面積，但主要是冷卻淬火槽四周的介質(zhì)，與槽中央的介質(zhì)會有較大溫差，需要加強介質(zhì)的攪拌才能改善。淬火油槽冷卻蛇形管不允許采用銅管，圖1 所示為帶蛇形管的淬火槽。
2.1.4 淬火槽獨立配配冷卻循環(huán)系統(tǒng)
一個淬火槽獨立配備冷卻循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，淬火槽需要配備的介質(zhì)量也會相對減少，有以下幾種結(jié)構(gòu)形式。
（1）小型淬火槽配換熱器，這種結(jié)構(gòu)是將換熱器直接安裝在淬火槽內(nèi)的導(dǎo)流桶中，如圖2 所示。
（2）可移動式淬火槽設(shè)置冷卻循環(huán)系統(tǒng)
圖3 所示為配有淬火槽冷卻循環(huán)系統(tǒng)的移動式淬火槽。該槽設(shè)有可移動小車，可為多臺小型熱處理爐服務(wù)。
（3）熱處理爐獨立配置冷卻系統(tǒng)
箱式可控氣氛多用爐配套的淬火槽，將換熱器設(shè)置在爐子前室下面的淬火槽側(cè)面，或后室下面，見圖3 。這種冷卻循環(huán)系統(tǒng)的配置方式在周期式或連續(xù)式淬火槽上被廣泛采用。
2.1.5 熱處理車間統(tǒng)一設(shè)置冷卻循環(huán)系統(tǒng)
（1）設(shè)有集液槽的冷卻循環(huán)系統(tǒng)
這種系統(tǒng)油的循環(huán)路線是：熱介質(zhì)從淬火槽的溢流槽流入集液槽介質(zhì)中的雜質(zhì)在集液槽中沉積；介質(zhì)經(jīng)過濾器，再由泵將熱介質(zhì)在換熱器中被冷卻后，再進(jìn)入淬火槽，如圖5所示。
（2）不設(shè)集液槽的冷卻循環(huán)系統(tǒng)
這種系統(tǒng)介質(zhì)的流動路線是：熱介質(zhì)經(jīng)泵從溢流槽抽出，經(jīng)過濾器到換熱器，冷卻后的介質(zhì)又回到淬火槽，如圖6所示。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，介質(zhì)的冷卻完全由換熱器承擔(dān)，介質(zhì)中的雜質(zhì)由過濾器清除，或沉淀到淬火槽槽底。
2.2 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計
器的換熱效率，以保證在規(guī)定時間內(nèi)將介質(zhì)的溫度降低到要求值。
2.2.1 集液槽
集液槽通常由鋼板焊成的方形或圓形槽體。集液槽常兼做事故放油用，其內(nèi)部常用隔板隔成兩、三部分，分別用于存液、沉淀和備用。集液槽的容積應(yīng)大于所服務(wù)的全部淬火槽及冷卻系統(tǒng)中淬火介質(zhì)體積總和。對于集油槽，一般要加大30%~40%；對集水槽，一般要加大20%~30%。槽內(nèi)隔板的高度約為槽高的3/4。對于裝油的集油槽，一般設(shè)方便維修的人孔和放油孔，進(jìn)油管用插到液面以下，吸油管應(yīng)插到槽底部，其末端應(yīng)加過濾網(wǎng)，要設(shè)有液面標(biāo)尺和緊急放油閥門。根據(jù)需要，集液槽還應(yīng)考慮設(shè)置保溫和加熱功能。
集液槽的容積應(yīng)根據(jù)淬火件、淬火槽熱容積和換熱器的換熱能力等因素進(jìn)行綜合考慮確定。
2.2.2 換熱器
1. 換熱能力計算
選擇換熱器主要依據(jù)指標(biāo)是換熱面積和介質(zhì)循環(huán)量。
（1）換熱面積計算公式如下：
（1）
式中：
A——所需換熱面積（m2），通常以通油一側(cè)為準(zhǔn)；
q——每小時換熱量 （kJ/h）
——換熱器綜合傳熱系數(shù)（W/m2·℃）
Δtm——熱介質(zhì)與冷卻水的平均溫差（℃）
1）每小時換熱量為需要換熱器完成的熱交換量，等于單位時間淬火件放出熱量減去單位時間淬火槽自然散熱的熱量。一般取淬火件每小時傳給淬火介質(zhì)的熱量。
q=（Q-Q自然）/τ （2）
式中：
Q——每批淬火件放出的熱量（kJ）；
τ——淬火間隔時間（h）；
Q自然—— 淬火槽在淬火間隔時間τ內(nèi)的自然散熱量（kJ）；
而 
（3）
t02-t01——淬火槽在淬火間隔τ時間內(nèi)自然散熱
時的溫降幅度（℃），對于淬火油
槽t02-t0=1~3℃，帶攪拌器的淬火
油槽取上限值。
2）換熱器綜合傳熱系數(shù)
傳熱系數(shù)與換熱器的結(jié)構(gòu)形式、材料冷卻介質(zhì)粘度及流速等因素有關(guān)，工程計算多從換熱器的產(chǎn)品樣本中查得。對于淬火油的傳熱系數(shù)，應(yīng)考慮油在使用過程中在散熱板的粘結(jié)影響，應(yīng)取中下限值。
3）熱介質(zhì)與冷卻水的平均溫差Δtm 通常按下式求出平均溫度 ：
（4）
式中：
t01、t02 ——進(jìn)、出口熱介質(zhì)溫度（℃）
tw1、tw2——進(jìn)、出口水溫度（℃），一般地區(qū)18℃和28℃，夏季水溫較高的地區(qū)28℃和34℃。
（2）換熱器淬火介質(zhì)流量及冷卻水流量
每種換熱器產(chǎn)品都會在其產(chǎn)品樣本上標(biāo)出不同換熱面積下的公稱流量。可以根據(jù)式（1）~（4）計算滿足冷卻能力要求的換熱面積。換熱器的冷卻水流量可以通過冷卻器內(nèi)平衡求得，也可以從換熱器樣本上直接查出。
2. 換熱器（冷卻器）的選擇
常用的用于油或聚合物水溶性介質(zhì)冷卻的換熱器有制冷機、雙液體介質(zhì)換熱器（列管式、平板式、螺旋版式）和風(fēng)冷式換熱器。
淬火水槽的冷卻通常選用冷卻塔冷卻。表1 為介質(zhì)溫度適合選擇的換熱器。
▼表1 介質(zhì)溫度適合選擇的換熱器
采用水冷卻淬火油的換熱器，要考慮避免水水混入油中的可能性。通常的方法是采用增加油泵的壓力，使油的壓力大于水的壓力。但是，為了避免出現(xiàn)油泵效率降低而引起油壓降低的問題，建議在油泵的出口端與換熱器之間的管路上安裝壓力傳感器或壓力表，并將此表的壓力值作為經(jīng)常檢查的項目。
3 換熱器結(jié)構(gòu)
（1）列管式換熱器
圖7 所示為列管式換熱器示意圖。
▲圖7 列管式換熱器示意圖
1-管板 2-隔板 3-折流板
▲列管式換熱器工作原理圖
▲列管式換熱器實物結(jié)構(gòu)
它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流板等組成。在鋼制圓筒形外殼中, 沿
▼表1 列管式換熱器特性參數(shù)
▼表2 列管式換熱器型號和油流量
（2）平行板式換熱器
圖8 所示為平行板式換熱器示意圖。它由若干波紋板交錯疊裝，隔成等間距的通道。熱介質(zhì)和冷卻水交錯通過相鄰?fù)ǖ溃?jīng)波紋板進(jìn)行熱交換，形成二維傳熱面交換。它具有傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，處理量大，操作簡便，清洗、拆卸、維修方便，容易改變換熱器面積或流程組合等優(yōu)點。
▲圖8 平行板式換熱器示意圖
▲平行板式換熱器實物
平行板式換熱器的傳熱系數(shù)可達(dá)2000~6000（W/m2·℃）。在相同壓力損失情況下，板式換熱器傳熱系數(shù)比列管式換熱器高3~5倍。
（3）螺旋板式換熱器
其結(jié)構(gòu)如圖9 所示。
▲圖9 螺旋板式換熱器
▲螺旋板式換熱器實物及原理圖
它的結(jié)構(gòu)是由兩張相互平行的鋼板卷成，形成通道，兩種介質(zhì)在各自通道內(nèi)逆向流動，它是一種高效換熱設(shè)備，使用汽-汽、汽-液、液-液之間換熱。由于該設(shè)備具有介質(zhì)流動通道寬（可達(dá)6~18mm）的特點，適合于處理雜質(zhì)較多淬火介質(zhì)，同時它也降低了對過濾器過濾效果的要求。它的傳熱系數(shù)高達(dá)3300（W/m2·℃）。略低于板式換熱器，是列管式換熱器的2~3倍。
（4）風(fēng)冷式換熱器
它由換熱器翅片的管束構(gòu)成的管和軸流風(fēng)機組成。用風(fēng)扇強制通風(fēng)來冷卻在管內(nèi)的熱介質(zhì)。翅管可用鋁、銅、鋼或不銹鋼管制成，并釬焊或輥壓連于集流排。空氣靠風(fēng)扇鼓風(fēng)或抽風(fēng)流過翅管。它應(yīng)用于缺乏冷卻水源或者周圍空氣溫度至少比介質(zhì)溫度低6~10℃的地方。其優(yōu)點是消除了水-油滲漏的可能性，缺點是風(fēng)機噪聲大，其電耗也增加使用成本。這種換熱器的傳熱系數(shù)為46（W/m2·℃）。圖10 所示為風(fēng)冷式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。
▲圖10 風(fēng)冷式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖
1-翅管 2-風(fēng)機
其實，絕大多數(shù)汽車、工程車、拖拉機等機械的發(fā)動機的冷卻換熱也是風(fēng)冷式的，只不過管束內(nèi)流過的是冷卻水，熱量由風(fēng)扇吹風(fēng)散發(fā)出去。
▲車用換熱（散熱）器
（5）冷卻塔
冷卻塔有開式、閉式之分。開式冷卻塔的原理是依靠泵把需冷卻的介質(zhì)提升到塔頂，由上部以淋浴的方式將介質(zhì)淋下，流過其內(nèi)密布又透風(fēng)良好的葉片，同時設(shè)置在塔頂上的風(fēng)機使冷空氣與流過葉片而淋下的介質(zhì)進(jìn)行熱交換，使介質(zhì)降溫。該設(shè)備使介質(zhì)直接與空氣大面積接觸，適合對水或水溶性介質(zhì)進(jìn)行冷卻。
閉式冷卻塔是將需要冷卻的介質(zhì)流過冷卻塔里的列管，由流經(jīng)列管表面，又經(jīng)頂部風(fēng)機吹過的、溫度下降了的淋水使列管內(nèi)介質(zhì)降溫。適合不能直接與空氣接觸的介質(zhì)或有腐蝕性的介質(zhì)的冷卻，列管一般由銅管或不銹鋼管制成。
開式玻璃鋼冷卻塔
閉式冷卻塔
2.2.3 泵
使用水及聚合物類水溶性介質(zhì)的淬火槽多選用離心泵，其工作壓力一般為0.2~06MPa。輸送鹽水、氫氧化鈉等腐蝕性水溶液的淬火介質(zhì)應(yīng)選用塑料泵或耐酸泵。油冷卻系統(tǒng)經(jīng)常選用齒輪泵、油離心泵和熱水型離心泵。
泵的性能除流量和揚程外、主要注意泵的吸程和允許安裝高度。輸送熱水、熱油的泵有可能發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，使泵不能正常工作溫度越高影響越大。為了避免發(fā)生汽蝕，熱處理冷卻系統(tǒng)的泵一般安裝在淬火槽的下部。目前ISG型管道離心泵被廣泛采用，它集IS型 離心泵與SG型管道泵之優(yōu)點與一體，安裝簡單，價格低廉。ISG型適用的介質(zhì)溫度范圍為 -20~80℃。IRG型為立式管道熱水泵，適用于介質(zhì)溫度范圍為-20~120℃。需要特別指出的是，離心泵的選用不能富裕揚程太多，否則，將使電機過載，降低其使用壽命。圖11 所示為ISG型管道離心泵實物圖片。
▲圖11 ISG型管道離心泵
2.2.4 過濾器
過濾器安裝在集液槽與泵之間，主要作用是隔離氧化皮、鹽渣等污物，保護(hù)泵和換熱器不會堵塞。常用雙桶網(wǎng)式過濾器，工作時一組過濾器投入運行，另一組備用或清理，適用主機連續(xù)工作的特點。過濾器需要進(jìn)行清理時，只需操作換向手閥切換到另一個濾桶即可。表3 為SIQ系列過濾器的型號和技術(shù)規(guī)格，它所采用的的過濾網(wǎng)有80μm和120μm。對于熱處理冷卻系統(tǒng)過濾的工況，建議改成0.5×0.5 mm網(wǎng)孔的濾網(wǎng)，可在淬火槽抽油口加裝一個1×1mm網(wǎng)孔的過濾網(wǎng)先濾掉尺寸較大的顆粒雜質(zhì)。
▼表3 過濾器的型號和技術(shù)規(guī)格
▲常用過濾器實物圖例
2.2.5 管路及其材料
表4 為冷卻系統(tǒng)的管徑尺寸選擇推薦數(shù)據(jù)。管徑過小，將對流體運動產(chǎn)生阻力，降低泵的工作效率。
▼表4 冷卻系統(tǒng)管路的管徑選擇推薦數(shù)據(jù)
冷卻系統(tǒng)的管路、閥門和過濾器比較適合選用鋼來制作。使用鑄鐵或銅合金都可能引發(fā)銹蝕或介質(zhì)老化。在介質(zhì)溫度處于室溫附近的情況，也可以考慮采用PVC等塑料制造的管路和閥門，但在使用前要考慮材料與介質(zhì)的相容性。
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