淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻
一、淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻系統的設計原則
工件淬火冷卻系統的技術性能，主要指工件在加熱后，在冷卻系統中經快速冷卻而使工件獲得要求的組織和力學性能，防止淬火裂紋及控制淬火變形的能力。通常認為，選擇適當冷卻性能的淬火介質或者調整淬火工藝可以滿足這些要求。但實際上，由于大型工件在制造材料、工件形狀、尺寸等相關方面的不確定性，依靠更換淬火介質或調整淬火工藝來滿足不同要求則很難實現，但卻可以通過配備合理、可控的攪拌器和攪拌方式來解決。經濟性能包括設備投資成本和生產運行成本兩個方面，應通過合理的材料利用和優化系統配置獲得最佳的經濟效果。
冷卻系統的安全性，包括槽體強度、安裝位置及地面以上高度、自動滅火單元的可靠性、淬火油溫度控制及含水量在線測控等。槽體強度可使用NSYS 分析軟件進行有限元計算。分析步驟分為模型建立、網格劃分、變形云圖、應力云圖和分析結論五個部分。
通過有限元分析，只要選擇適當的安全裕量，即可以獲得合理的設計結果。槽體安裝時的地面以上高度，應按《機械制造企業安全質量標準化考核評級標準》執行。熱處理是一個高耗能工序，但同時也具有較大的節能空間。從冷卻系統設計的角度，則應從盡量減小裝機容量、避免能源多次轉換造成的損失、采用新型換熱器、根據工藝要求自動切換耗能設備、降低淬火介質配備比例等方面來體現出節能效果。
熱處理污染源主要表現在淬火油煙、淬火油或具有污染性質淬火介質排放及滴漏、設備運行噪聲三個方面。從設計和制造的角度，控制污染是不能截然分開的，如選擇低噪聲輔機、可靠的焊接質量、有效的油溫控制，以減少油煙生成，以及排量、負壓足夠的引風機和油煙凈化器等。需要重點指出的是，排煙管的吸煙口都設置在淬火槽上口，工作時很容易將明火吸入排煙管道點燃管道中的油垢，進而造成嚴重后果。因此，在這一點上必須考慮自動滅火問題。自動控制是保證實現上述各項功能的必要條件，但由于工程造價等因素的限制，也有手動/ 自動相結合的半自動控制設計。這種設計除滅火和淬火介質溫度控制外，其余功能則采用手動控制。
二、淬火冷卻系統的構成
淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻系統主要由淬火槽、儲油槽、淬火介質及其溫度控制、自動滅火、油煙凈化、管路管件及輸送泵、載料臺及機械雜質收集清理、系統控制等八個單元組成 。
三、攪拌器的選擇
選擇合理的淬火槽攪拌方式是大型工件淬火冷卻系統設計的關鍵內容之一，其目的是獲得合適的液流速度( 即淬火介質與工件之間的相對運動速度) 、液流形態和紊流區位置。常用的攪拌方式有壓縮空氣攪拌、循環射流攪拌和螺旋槳攪拌。選擇攪拌方式時，必須遵循的原則是： 淬火介質的流動方向應以垂直流動為主，避免形成水平方向流動。這對軸類或帶有內孔的其他形狀工件的均勻冷卻非常關鍵。
我們知道，淬火介質的流動速度對其冷卻能力的影響是不容忽視的。表1 列出各種淬火介質在不同程度攪拌下的冷卻強度( H) 值。
普通礦物油在激烈攪拌情況下，H 值達到了靜止水的冷卻速度，是其靜止狀態冷卻能力的3 倍。由此可知，合理選擇冷卻系統的攪拌形式和攪拌強度，可以在同一淬火介質中獲得不同的冷卻性能，進而滿足不同工件的冷卻要求。
壓縮空氣攪拌的投資最小，通過噴嘴和噴射壓力的適當配置也可以得到合適的液流速度、液流形態和紊流區位置。缺點是形成淬火介質和空氣混合，不僅將造成工件冷卻的不均勻，加快淬火介質( 尤其是淬火油) 的氧化速度，同時容易帶進水分。因此，在使用淬火油的淬火冷卻系統中應該慎用。
循環射流攪拌多應用于深井式淬火槽，是采用較多的攪拌形式之一，射流動力可以從循環冷卻泵獲得。但由于要求噴射壓力較高，為避免對整個系統設計造成大的影響，在較深的淬火槽中，需要形成多級接力式攪拌，同時配合增壓噴嘴。這種攪拌形式的缺點是受到流量的限制，攪拌強度較低，難以得到強烈攪拌的效果。
螺旋槳攪拌是工藝性能最好的攪拌方式，在相同的裝機容量情況下，其流量可達射流攪拌的十倍以上，配以導流筒和分配導向板，其液流形態和紊流區都可以得到很好的控制。不同直徑螺旋槳和不同的安裝方式，消耗功率也是不同的。其對應關系如表2 ( 轉速=420r/ min) 所示。從節約能源的角度出發，采用頂插式高效機翼型螺旋槳，是設計時的首選方案。為獲得盡可能多的攪拌級數，攪拌器還應該可以變頻調速。
四、淬火油及其溫度控制
在淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻中，淬火油仍然是使用最多的淬火介質，而且多數采用冷油淬火油，使用溫度在20 ～80 ℃之間。淬火油使用過程中的溫升，可按下式計算：
淬火油的實際配備數量，按照系統一次性最大淬入工件質量和淬火周期計算，一般按照8∶1 的比例配備。如果采用高效的冷卻設備，這一比例則可降至7∶1 ，而在系統設計合理的前提下，甚至可以降到6∶1 。設計時，可根據淬火油的配備比例，計算出冷卻器的換熱能力。淬火介質冷卻器種類很多，主要有板式、列管式、蛇管式、復波傘式、普通空冷式和真空熱管風冷式等。按冷卻方式則可以分為水冷式和空冷式兩大類。總體上說來，水冷式的冷卻效率較高，但缺點也很明顯。首先，由于冷卻水的溫度需要控制，因而必須建立足夠大的冷卻水池，或采用冷卻塔進行二次換熱，加大了投資成本和占地面積; 其次，存在油/ 水互混的潛在危險，可能造成很嚴重的后果，如工件淬裂、變形增大、水溫升高汽化使淬火油溢出發生火災等。近年來出現的真空熱管風冷式換熱器是一種比較理想的冷卻器。這種換熱器利用液/ 汽相變原理，采用真空熱管作為熱量傳遞媒介，極大地提高了換熱效率。實踐證明，利用真空熱管風冷式換熱器控制淬火油溫度非常可靠; 同時，其冷卻能力與電能消耗的比率僅為100 ： 5 左右，節能效果十分明顯。在多個淬火槽配備同一種淬火油的系統時，應采用集中冷卻的方式，這也有利于優化整個系統配置。為了避免淬火油中的機械雜質堵塞冷卻器，在循環油泵出口和冷卻器入口之間應加裝過濾器。
五、自動滅火
自動滅火在技術上不難實現，但其重要性卻是不容忽視的。生產實踐中，大型工件在入油時產生瞬間明火( 稱為閃燃) 是難以避免的，但這種明火維持的時間很短，一般不會超過10s ，在工件全部進入淬火油后即可息滅。
淬火油發生火災需要三個基本條件： 油溫超過其閃點并達到燃點; 有明火; 存在空氣或其他含氧的物質。既然明火難以消除，淬火油的自動滅火系統就需要在監測油溫和隔絕空氣上做文章。自動滅火是通過適時噴射滅火氣體或其他滅火劑來實現的。由于大型工件熱處理車間都備有氮氣，較為便捷的方法是將氮氣( 沒有氮氣時則可是干粉或其他滅火劑) 管路送到淬火槽附近，在其出口處加裝串聯電磁閥，其中一臺通過溫度傳感器提供的溫度信號控制，另一臺由火焰探測器提供的火焰信號控制。這樣既可保證滅火系統的可靠性，又可以有效避免在閃燃階段噴射滅火劑造成浪費。淬火油發生火災時，可能出現電源切斷的情況，因此電磁閥需要配備不間斷電源或旁路手動閥門，以保證系統在停電時仍可正常工作。
六、結語
淬火槽,淬火油槽、淬火水槽工件淬火冷卻系統的設計是一個系統工程，需要熱處理工程、機械工程和自動控制三個方面的專業知識。整合這些專業知識并配合先進的設計理念，才能使系統設計滿足生產需要，達到性能可靠、安全、節能和環保的目的。
淬火油槽：http://www.tecglass.cn/product/view_20.html
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