大型工件淬火冷却系统的设计

一、大型工件淬火冷却系统的设计原则

    大型工件的淬火冷却，在工艺上不同于中小型工件，因而在冷却系统的设计和制造时必须充分考虑到这些特殊性。在设计时，应该根据大型工件淬火冷却的特点，通过采用新技术，最大限度地满足其在技术经济性能、安全、节能、环保、自动化甚至智能化等方面的要求。

    工件淬火冷却系统的技术性能，主要指工件在加热后，在冷却系统中经快速冷却而使工件获得要求的组织和力学性能，防止淬火裂纹及控制淬火变形的能力。通常认为，选择适当冷却性能的淬火介质或者调整淬火工艺可以满足这些要求。但实际上，由于大型工件在制造材料、工件形状、尺寸等相关方面的不确定性，依靠更换淬火介质或调整淬火工艺来满足不同要求则很难实现，但却可以通过配备合理、可控的搅拌器和搅拌方式来解决。经济性能包括设备投资成本和生产运行成本两个方面，应通过合理的材料利用和优化系统配置获得最佳的经济效果。

    冷却系统的安全性，包括槽体强度、安装位置及地面以上高度、自动灭火单元的可靠性、淬火油温度控制及含水量在线测控等。槽体强度可使用NSYS 分析软件进行有限元计算。分析步骤分为模型建立、网格划分、变形云图、应力云图和分析结论五个部分。其中变形云图和应力云图分别见图1 和图2 。

    通过有限元分析，只要选择适当的安全裕量，即可以获得合理的设计结果。槽体安装时的地面以上高度，应按《机械制造企业安全质量标准化考核评级标准》执行。热处理是一个高耗能工序，但同时也具有较大的节能空间。从冷却系统设计的角度，则应从尽量减小装机容量、避免能源多次转换造成的损失、采用新型换热器、根据工艺要求自动切换耗能设备、降低淬火介质配备比例等方面来体现出节能效果。

    热处理污染源主要表现在淬火油烟、淬火油或具有污染性质淬火介质排放及滴漏、设备运行噪声三个方面。从设计和制造的角度，控制污染是不能截然分开的，如选择低噪声辅机、可靠的焊接质量、有效的油温控制，以减少油烟生成，以及排量、负压足够的引风机和油烟净化器等。需要重点指出的是，排烟管的吸烟口都设置在淬火槽上口，工作时很容易将明火吸入排烟管道点燃管道中的油垢，进而造成严重后果。因此，在这一点上必须考虑自动灭火问题。自动控制是保证实现上述各项功能的必要条件，但由于工程造价等因素的限制，也有手动/ 自动相结合的半自动控制设计。这种设计除灭火和淬火介质温度控制外，其余功能则采用手动控制。

    大型工件淬火冷却系统的智能化以工控机和编程控制器为核心，具有人工智能的性质，是近年来才出现的高技术装备，目前尚待进一步完善和提高。这是由于，所谓 “智能型” 依赖于各种工艺性能数据库和计算机模拟软件，而建立这些数据库的工作量繁复而浩大，在世界范围内开展的时间都不长，已取得的成果尚属于局部的。国内近年来也开展了相关工作，如大连理工大学和大连海威石油化工有限公司联合进行的“淬火介质冷却能力数据库及计算机模拟” 研究，已经建成静态冷却数据库并通过科技成果鉴定，为智能型冷却系统搅拌强度的编程控制提供了依据。

    二、淬火冷却系统的构成

    大型工件淬火冷却系统主要由淬火槽、储油槽、淬火介质及其温度控制、自动灭火、油烟净化、管路管件及输送泵、载料台及机械杂质收集清理、系统控制等八个单元组成( 见图3) 。

    选择合理的淬火槽搅拌方式是大型工件淬火冷却系统设计的关键内容之一，其目的是获得合适的液流速度( 即淬火介质与工件之间的相对运动速度) 、液流形态和紊流区位置。常用的搅拌方式有压缩空气搅拌、循环射流搅拌和螺旋桨搅拌。选择搅拌方式时，必须遵循的原则是：淬火介质的流动方向应以垂直流动为主，避免形成水平方向流动。这对轴类或带有内孔的其他形状工件的均匀冷却非常关键。

    我们知道，淬火介质的流动速度对其冷却能力的影响是不容忽视的。表1 列出各种淬火介质在不同程度搅拌下的冷却强度( H) 值。

    从表1 可以看出，普通矿物油在激烈搅拌情况下，H 值达到了静止水的冷却速度，是其静止状态冷却能力的3 倍。由此可知，合理选择冷却系统的搅拌形式和搅拌强度，可以在同一淬火介质中获得不同的冷却性能，进而满足不同工件的冷却要求。

    压缩空气搅拌的投资最小，通过喷嘴和喷射压力的适当配置也可以得到合适的液流速度、液流形态和紊流区位置。缺点是形成淬火介质和空气混合，不仅将造成工件冷却的不均匀，加快淬火介质( 尤其是淬火油) 的氧化速度，同时容易带进水分。因此，在使用淬火油的淬火冷却系统中应该慎用。

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