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井式渗碳炉网络版


大型井式渗碳炉的技术特点
众网友原创 对高档井式渗碳炉、氮化炉来说,国外品牌有:德国德固萨,德国 IVA,奥地利 AICHELIN,美国索菲斯。 国内品牌有:无锡天龙、北京建通、西安民生、北京机电所。这些厂家最大的差距还是在控制部分 。 现俺们将在论坛里的资料整理汇总一下。 (未注明出处,请各位大侠见谅) 大型井式渗碳炉炉型集中了各种先进技术,采用低蓄热隔热材料,合理的

结构设计防止热变形,可以 严格按照设定的温度曲线进行热处理工艺。根据客户要求该设备还可安装间接冷却装置。 供货范围包括各种附加装置,如供气控制系统,淬火槽(油,水,盐)及清洗设备。 控制系统配备可编程控制器,可灵活编制热处理工艺程序。 设计加热炉时应用计算机模拟技术对不同设计方案进行研究。通过对加热炉的温度场的模拟,可以讨 论不同设计方案对温度均匀性和节能的效果,有助于发现设计上不合理的地方。 1、炉盖: 炉面板采用多道循环水冷套做加强筋,并采用等强度设计,类似“机翼”,充分留出膨胀空间,有效 解决炉面板变形。还可以在保证气氛均匀到前提下,尽量减少风机等重量,减轻炉盖面板厚度。 采用计算机模拟技术分别是对大型井式渗碳炉的炉盖包裹隔热层和无隔热层设计的炉顶部分的温度场 模拟。结果显示,有隔热层炉盖顶部温度均匀且温度低,这将减少散热;炉盖底部温度较均匀且较高,显 然有利于炉内温度场的均匀性。而未包裹隔热层设计,炉盖顶部温度均匀性不好,且局部温度很高,这势 必增加对外散热;底部温度不均匀,也会导致增加炉内温度场的不均匀性。由此在设计时,应选用炉盖绝 热包技术,绝热包采用硅酸铝纤维折叠块材料整体成形,考虑到非金属材料对气氛的影响,在选择材料时 尽可能选择高纯硅酸铝纤维材料,从而解决了保温包变形难题。 炉盖其封密法兰为水冷式结构; 并在炉盖上装有升降用导向装置, 自动式炉盖升降和平移或旋转结构。 2、窜动式导风罩 炉盖下面设有导风罩,导风罩上有导风板,导流筒上也设有导风板,且与炉底座上的导风板形成炉内 气氛的循环系统,使炉气在导流筒,马弗罐之间形成定向流动,增强对流换热,使炉内渗碳气氛均匀性达 到±0.05c%范围之内,同时使炉温均匀性达到±5 ℃范围内。 根据技术调研, 大型井式气体渗碳炉离心风机下面的导风罩尽管有许多吊杆悬挂, 但是3~4 米的大直 径挡风盖在长期920~ 940℃的情况下,挡风盖在自重下发生高温蠕变,即使是进口的炉子,其挡风盖也可 能呈现出雨伞状的波浪形变形,这种变形与导风桶之间产生了圆周分布的圆弧状间隙,从而导致了在导风 桶内的炉气被导风桶外的气流负压吸出, 这一部分炉气因得不到富碳气氛的补充而发生了气氛的不均匀性, 这种炉气不均匀状况是不能忽视的。根据这样的状况,在挡风板外圆上加了竖筋结构,并在吊杆与挡风盖 之间做成能上下窜动的滑动配合,使挡风盖牢牢地扣在导风桶上,这样挡风盖在导风桶的支承下,既保证 了炉气的密闭性,又不会发生波浪形的荷叶边式的变形。按此方式设计后,经过实际运行实践证明,这种 设计结构是成功的。 3、半悬挂式导风桶 为了保证炉气的充分有规律循环,导风桶是必不可少的结构。通过研究有、无导风桶的炉体垂直截面 的流场的速度云图,从速度分布情况可以看到,有导风桶情况下在齿轮周围气体的流动速度较高;而无导 风桶情况下齿轮周围的气体流动速度较低,尤其是下部的齿轮周边的气体流动速度很小。模拟结果显示,

导风桶的使用可以明显增加齿轮周围气体流动强度,改善渗碳气氛分布效果;而没有导风桶,即使用三个 风机,情况也不乐观。从研究中还有一个启示值得关注,在大齿轮轮辐上的孔的位置,气体流速非常大, 而此处通常并不需要渗碳,如果在装夹时把它们盖住,将有利于提高齿轮齿圈处的气体流速。在离心式风 机的作用下,迫使炉气在导流罩的上方均匀地吹向电炉的两侧,再沿导流桶向下流动并从其底部进入工作 区。 工件的外圆柱面与导流桶的内壁之间构成一气流通道, 冲刷齿面的气流在此处的流速达到约5~6m/s, 有利于齿面的渗碳。由于气流对炉膛中轴线对称,因而在360°的圆周上气流是均匀的,从而保证了齿面渗 碳的均匀性。 由于我们讨论的炉型属大型井式炉,导风桶直径较大,因此既要防止长期高温状况下的圆周变形又要 防止自身重量而发生的高温蠕变引起的下塌现象,因此本炉设计了在圆周方向多点支承悬挂导风桶,多点 支承可防止圆周的变形;导风桶在加热时受热伸长,在渗碳温度下,其伸长到刚好与炉底支承架相接触, 因此导风桶既有悬挂力,又有支撑力,特称其为半悬挂式结构,事实证明这是防止导风桶热变形的有效好 方法。 4、无底马弗结构 小型井式气体渗碳炉往往会发生炉罐因热膨胀密封刀脱离砂封槽的情况,针对这情况,采用无底马弗 的结构形式来消除热胀冷缩对炉口的影响,密封炉罐采用无底式密封筒结构,适合非常重的负载或大直径 的工件,大型工件摆放在直接安装于炉基的底座上。密封筒与炉子成为一体,微量下伸入到水冷却的油密 封中,使得密封筒起到有效的密封作用,随时保持热处理气氛于良好的工作状态。2M 以下的用波纹状、 底 收口等措施,能有效果,但 2M 以上很难作到,特别是带快冷的,百分百变。炉罐和导流筒采用波纹马弗柔 性联接和刚性设计,马弗筒身滚轧成波纹状,悬浮吊挂和支撑有效地结合,这些措施较好地控制了马弗罐 及导流筒的变形难题。导流筒带有旋转导流筋板,及增加热强度又有利于热风循环。底座带有马弗密封用 油槽;同时必须注意的是因为无底马弗,炉底台是用耐火材料砌筑而成,因此炉底砖必须采用抗渗碳砖和 抗渗泥浆砌筑。 油封型炉底设计虽然在结构上带来一定的好处外,但就对温度场还是存在不利的地方,其炉底外侧温 度较高,散热相对将比较严重。相对传统的有底炉罐设计结构,从温度场分布看,炉底外侧温度较低,有 利于炉内温度的均匀和节约能源。 5、安全系统 炉盖上设有保压阀和废气排放燃烧、火焰监测装置; 6、风机 为保证大型工件的渗碳质量,除了温度均匀性是一个重要的考量外,渗碳气氛的均匀性也是一个主要 的因素, 因此有必要对渗碳炉内渗碳气氛的分布情况加以研究。 应用流场动力学(CFD)的分析方法对大型井 式渗碳炉不同设计方案下流场分布进行了求解,将不同方案下的气氛流通情况作了对比,为炉体以及装料 盘的设计提供了参考。 本炉选用的循环风机由水冷密封式变频电机驱动。 所有电缆和气体管路可以按照要 求迅速地连接和拆开。风叶采用铸造工艺生产,风机不易变形,长期使用,不会破坏风机动平衡。 我们还分别对单风机、三风机的炉体设计进行了模拟,在有导风桶情况下的,通过对单风机和多风机 垂直截面图的速度云图分析。从速度的分布来看,炉体采多风机设计方案时,相对单风机来讲,仅在齿轮 轮辐部孔的部位的气体流动速度有较明显的提高,而齿轮齿部的气体流动速度基本没有大的变化。而齿轮 渗碳部分主要为齿部,所以多风机的设计方案的改善作用不明显。 7、炉衬

用轻质隔热砖和高强度抗渗碳耐火砖、陶瓷纤维砌成。 8、加热元件 电加热元件是用优选镍铬合金材料制成的电阻带, 采用耐热钢挂钩与耐热陶磁砖结合悬挂在炉壁上 (离 开炉壁),下排采用耐热陶磁螺钉隔离,这安装方法比仅使用陶磁螺钉或采用陶磁挂钩的方法更加可靠, 使用寿命更长。 爱协林系(包括天龙、建通)采用挂丝砖和磁管,支撑电阻丝;民生采用陶磁螺钉旋入纤维块;IVA 听说 是采用陶瓷挂钩结合陶磁螺钉定位电阻带技术。 也可采用辐射管加热,如要求快冷,直接从辐射管通入空气。 9、快冷供排风系统由送风机、电动翻板阀和高温引风机组成。 10、温度控制 温度测量、调节、控制系统由热电偶、丹尼赫或 Demig 智能仪表,记录仪、可控硅等组成。炉体分成 多区由带调功器的可控硅进行 PID 控制。利用智能仪实现罐内主控、罐外辅控的联控方式,从而反映了工 艺温度的准确性,减少人为估算误差。长久以来,国内生产的井式气体渗碳炉均是采用炉外控温的方式实 现对炉内温度的控制。而在欧洲,早在 20 世纪 80 年代就已经大量运用了一种更为合理的温度控制方式, 即炉内主控方式。通过对炉内主控方式与炉外控温方式的研究,可以说明实现炉内主控对深层渗碳时渗碳 质量的影响的程度。 炉内主控是指通过合理的数学模型,以炉盖热电偶检测到的温度与目标温度之间的差值来实现对各个 加热区的功率自动调节,从而控制炉膛温度的一种温度控制方式。这种控制方式的优点是可以更精确地控 制炉膛温度,减小炉温的偏差,并可以显著提高炉温的可靠性。 以往的观点认为,当达到热平衡后,炉膛内外存在着一个固定的温差,根据这个观点,采用炉外控温的方 式。当炉膛外的温度为一个定值的时候,炉膛内的温度也应该是个定值。例如,假设炉膛内外的偏差ΔT 为 20℃,我们要在 930℃(即 T 内=930℃)渗碳时,只需要控制炉外的温度(T 外)为 950℃即可。但这种观点 是不切实际的。 实践证明,炉膛内外的温差是随着保温时间的延长而不断变化着的,根据这种推论,我们可以预知,随着 保温时间的推移,炉内外的温差在不断地变化着,控制炉外的温度已无法保证炉内温度的偏差在工艺要求 的范围内。因此,可能造成渗碳时炉温过高,奥氏体晶粒长大,工件淬火后马氏体组织粗大,从而影响工 件的性能。 炉内控温是对炉盖热电偶检测到的温度与加热区热电偶检测到的温度之间的差值直接进行控制, 所以不存在随保温时间的延长发生变化而影响对炉内温度偏差的控制。采用炉盖主控方式控制炉温的另一 个优点就是能显著提高设备运行过程中的可靠性。这主要表现在:当某个加热区的热电偶有较大偏差或损 坏时,可以通过仪表显示的各个加热区与主控热电偶之间的温度偏差而直接来判断。而对于炉外控温,常 常需要在校温或根据升温速度的快慢等现象来判断,这不但需要丰富的实践经验,而且不能做到及时发现 问题。 根据国外的先进经验,某公司的设备采用了炉内主控的方式控制炉温,经调试检测,效果明显。 下面附表 是该公司采用不同控温方式的两台同类型设备的调试数据。

从表中不难看出,采用炉内控制方式的设备,其炉内温度和工艺要求的温度相差无几,并和保温时间长短 无关,温度偏差基本上控制在±3℃;而采用炉外控温方式的设备,当保温时间足句多长以后,随着ΔT 的 不断减小,炉内温度与工艺要求温度的偏差越来越大。同时,我们从上表中也可以看出,随着保温时间的 延长,炉膛内的温度越来越接近加热区设定温度。因此,采用炉外摔温时,似没使刚 930℃渗碳(即工艺温 度为 930℃),常常设定温度为 930℃(即加热区温度为 930℃)。这种情况可能导致的结果是,炉膛内的温 度在很长时间内均处在 930℃以下,而只有当时间足够长以后,随着ΔT 的减小,炉内温度才趋向于工艺温 度。这在实际生产中主要表现为:①渗碳温度偏低,导致渗碳速度偏慢,不利于深层渗碳。②温度偏差较 大,渗碳速度可控性差,最终导致渗碳层深偏差大。

对大型井式炉,各家出了在使用寿命、维修成本、安全性能等方面加大投入外,最关键的是对技术控 制的研究。 比方说,控制精度、温度均匀性、在线扩散、非马氏体等等。虽然大家都是采用 PE,demig 等一样的 仪表,但因为每一家的技术理念都不一样,作为大公司,又都不会简单的去抄袭同行的技术,所以最后出 来的实际生产效果也不完全一样。

11、碳势的控制方式 通常的国产渗碳设备往往是依靠控制电磁阀的通断干预富化剂的滴人或停止来实现对渗碳碳势的调 节,这里把这种碳势控制方式称之为通断控制碳势。因为碳势的形成需要一个过程,而这个过程往往造成 碳势调节的延时。所以,采用这种调节方式极易造成碳势在一定时间内过冲或过低,影响渗碳质量。 目前在国外已经应用相当普遍的碳势控制方法,称之为连续控制碳势。连续控制碳势包括两个方面: 一是通过比例阀的连续调节来实现富化剂的按不同比例连续滴人;二是通过比例阀的连续调节开实现空气 的按不同比例连续打入。这种碳势控制方式可以有效地避免通断控制碳势所造成的碳势过冲或过低现象, 从而保证炉内碳势的偏差在相当小的范围内。 实践证明,采用连续碳势控制的大型渗碳没备,碳势偏差可以控制在±0.02%CP。 12、渗碳气氛: 氮+甲醇+富化气(丙酮、丙烷、异丙醇等)。相对于其他吸热性气氛米说,氮-甲醇气氛除了可以均匀炉 内碳势外,还因其具有较高的安全性和良好的防晶界氧化能力而逐渐被更多的热处理厂家所接受和重视。 这里介绍氮-甲醇气氛在深层渗碳中的特殊应用,即让该气氛中的 CO 参与碳势的计算。这种控制方法的特 点是使用氧探头或 L 探头控制碳势,CO 参与计算,从而达到碳势控制的最佳效果。因为运用了氮-甲醇气 氛中的 CO 来参与计算, 所以气氛中的 CO 的百分含量对碳势的稳定起到了尤为重要的作用。 而在氮-甲醇气 氛中,CO 的百分含量取决于氮气和甲醇裂解气各自所占的百分比。

13、碳势测量、调节和控制系统由氧探头、CO、CO2 双通道红外分析仪、PE、欧陆、STANGE、丹尼赫或 Demig 仪表等组成。氧探头和红外仪输出信号到智能仪表,通过切换,可方便的实现 O2、CO2、O2+CO、CO2+CO 四种 碳势控制方式。通过试验可以很容易看出,CO 参与计算时,碳势波动和偏差均较小。 14、电气控制系统由 S1EMENS 系列 PLC 控制,各运行动作状态在工况板上显示。 15、计算机系统由计算机、打印机、UPS 和专家系统等组成。可进行各类工艺程序的编制、渗碳工艺仿真 设计、工艺过程动态控制、储存打印工艺程序、测量数据、报警信息、历史工艺过程的查阅打印等,对智 能仪表的控制和发布指令。


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