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热管空冷器在渗碳淬火介质控温过程中的应用

添加时间:2022-10-27 16:31:27   浏览次数:357  

热管空冷器在渗碳淬火介质控温过程中的应用 
宿新天 
(保定市金能换热设备有限公司,河北 保定 071000)

摘要:热管空冷器以空冷替代水冷用于渗碳淬火油的冷却,本文介绍了热管空冷器在连续渗碳淬火过程中冷却淬火油的应用实例;经实际测试,淬火油出油槽温度为121℃,经热管空冷器空冷制冷后,回油槽温度为79℃,证明淬火油空冷控温优于水冷。 

关键词:热管;空冷器;渗碳淬火;冷却;淬火油中图分类号:文献标识码:文章编号:

The application of heat pipe air condenser in the temperature control of the cementite and quench medium
Su Xintian
(Baoding Machinery and Electricity Institute,Hebei Baoding 071000)
Abstract:It is air, instead of water that serves as the cooling medium of cementite and quench oil in heat pipe air condenser. The sample of heat pipe air condenser cooling quench oil during the continual cementite quench is introduced in this paper. It is tested that the temperature of quench oil to oil slot ,which has been cooled by the hear pipe air condenser, is 79℃; while its beginning temperature from oil slot is 121℃. It proves that air-cooling is excellent than water-cooling used in temperature control of quench oil.
Keywords:heat pipe; air condenser; cementite and quench; cool; quench oil

1 社会背景和历史沿革 

国内热处理行业对热处理工艺、淬火介质的研究倍受重视,而对淬火介质的温度和冷却往往被忽略,但是由于淬火介质温度控制不准确,影响工件的金相组织和机械性能。国外发达国家投入大量人力财力研究淬火介质温度控制,自动化程度较高,值得我们借鉴。本文介绍的汽车零件连续渗碳淬火件的淬火介质,原来采用油 —水换热器冷却,开始时换热器表面比较干净,冷却效果较好,但过一段时间,由于换热器表面污垢等原因,冷却能力大大降低,淬火油温波动较大,严重影响渗碳件的组织和性能。另外隐患是油—水换热器金属壁面一旦某处腐蚀泄漏,就会导致冷热流体的掺混,引发爆炸危险,空冷器冷却淬火油具有节水、节电、易操作、易维护、寿命长等特点。

2 渗碳淬火工艺要求 

2.1 渗碳淬火设备及工件 

VFE5/1(S)CN多用箱式炉;工件,20Cr凸轮轴(20CrMn齿轮轴);每批装炉量800-1000㎏。 

2.2 渗碳淬火工艺 

表面含碳量1.003%,层深1.8㎜,碳势1.6%,连续操作15分钟出炉一批工件。渗碳温度920℃,淬火油温设定80℃,每批工件浸入油中油温升至120℃,要求淬火油冷至80℃流回油槽,待下一批工件淬火。 

3 热管空冷器的研制 

3.1 热管原理 

热管是一种具有极高导热性能的传热元件[1 ],他通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量,具有极高的导热性,良好的等温性,冷热两侧的传热面积可任意改变,可远距离传热,可控制温度等一系列优点。热管加热侧吸收热流体热量,并将热量传递给管内工作介质,工质吸热后以蒸发和沸腾的形式转变为蒸汽,蒸汽因压差作用上升到放热侧,同时凝结成液体放出汽化潜热,热量传给放热侧流体,冷凝液体依靠重力再回流到受热侧。

由于热管内部抽成真空,所以工质极易蒸发与沸腾,热管起动迅速。由热管组成的空气冷却器具有传热效率高,结构紧凑,流体阻损小等优点;管壳材质为20#冷拔无缝钢管,工质为水—乙醇。 
3.2 热管空冷器 

单管热管组成管束,加热管插入淬火油中,每根套管相连,热管空冷器内部结构简图如图1所示。高温淬火油加热热管工质通过相变把热量传递给热管冷却段,冷空气横向冲刷热管冷却段管外高频电阻焊接螺旋翅片,散热面积大,将淬火油的热量扩散到空气中去.热管工质反复蒸发,冷凝循环,达到淬火油冷却的目的,热管空冷器,如图2所示。 

3.3 热管空冷器的性能特点 

3.3.1 节水,改用空冷,无冷却水消耗。 

3.3.2 节电,采用大风量轴流风机,装机功率不到1KV。 

3.3.3 易维护,由于不再使用大量冷却水,避免原来水冷系统产生水垢及冻结的蔽病。 

1、热管 2、隔板 3、进入套管 1、轴流风机 2、风机接口 3、换热器本体 

4、淬火油套管 5、、螺旋翅片 6、进入油槽 4、进口 5、出口 

图1、热管空冷器内部结构图 图2、热管空冷器外形图 

Fig.1 The inside structure diagram of the Fig.2 The form diagram of the heat pipe 

heat pipe air condenser air condenser 

3.3.4 传统的油—水冷却器,冷流体通过金属壁面内外侧进热交换,一旦金属壁面某处腐蚀泄漏,就会导致冷热流体的掺混,高温淬火油若掺进水后,产生水蒸汽将会引发爆炸的危险。而热管空冷器即使某支热管失效,不影响其它热管工作,空冷器正常运行。 

3.3.5 寿命长,由于热管与冷热流体的换热仅仅在外表面上进行的,通过对热管外表面进行某些处理,就可以大大提高热管空冷器的使用寿命。

4 实测结果 

通过在江苏省无锡威孚有限公司热处理分厂和大同齿轮厂一年的实际应用,证明热管空冷器性能完全达到设计要求指标,结果见表1、表2。

表1 江苏省无锡威孚有限公司热处理分厂实测值 
Table 1 Measured value of Jiangsu Wuxi Weifu Ltd. heat treatment factory


日 期 淬火油出油槽温度℃ 淬火油回油槽温度℃ 渗碳件 淬火时间(min) 工件重量(㎏/批)

2001.3.7 12:38 118 80 20Cr凸轮轴 15 800

2001.3.8 15:20 121 79 20Cr凸轮轴 15 1000

表2 山西省大同齿轮厂实测值 
Table 2 Measured value of Shanxi Daton gear factory


日 期 淬火油出油槽温度℃ 淬火油回油槽温度℃ 渗碳件 淬火时间(min) 工件重量(㎏/批)

2001.9.21 09:00 122 81 20CrMn齿轮轴 15 680

2001.9.22 13:30 119 79 20CrMn齿轮轴 15 750

5 经济效益分析 

5.1 降低维修费用、节电、节水 

现以MKG型多用炉渗碳为例,改造前平均每年停产清洗极式换热器和晾水塔2.5次,(包括拆卸清洗换热片、清洗晾水塔、放水、放油等),每次处理所用的人工费、材料费0.28万元。至于热处理工件废品间接效益损失情况复杂,忽略不计。该项维修费用:SW=0.28×2.5=0.7万元 

节电,每小时渗碳件产量1000Kg,原来运行费用,油泵功率3.5KW; 水泵功率4.5KW,改用空气冷却器取消了二次换热油泵功率1.5KW,风机功率1.1KW,每小时节电量:3.5+4.5-(1.5+1.1)=5.4KW/h,全年(按300天计算)节电费用为:Sd=0.76×5.4×24×300=2.95万元 

节水,原来水冷却系统由晾水塔损失水量每小时0.36t,全年节水量:0.36×24×300=2592t,全年节水费用:SS=2.89×2592=0.7491万元,全年总节省费用:ST=SW+Sd+SS=0.7+2.95+0.75=4.4万元。 

5.2 回收期限 

改用空气冷却器投资2.2万元,回收期限为:2.2÷4.4=0.5年 

6 结束语 
从2000年至今,我们先后研制开发了三十几台热管空冷器用于全国几个省市热处理淬火介质的冷却,效果令人满意。尤其北方缺水地区更是倍受欢迎,既保证了热处理工件的金相组织和机械性能[2],又节省了大量水资源和保护了环境。 

该空冷器还可以用于电器设备元件的冷却,在夏季高温季节,若要求冷却介质温度低于周围环境温度时,可采用喷雾方式,将少量水雾化,喷射到热管散热表面上,可使热管表面温度达到湿球温度,降至低于气温5-6℃,满足于换热对温差的要求,从而增加空冷器的换热能力。

参考文献:

[1] 庄骏,张红.热管及其工程应用 北京 :化学工业出版社,2000,6 

[2] 中国机械工程学会热处理专业分会. 热处理手册.北京:机械工业出版社,2001,8

作者简介:宿新天(1943-),男,辽宁海城人,中国热处理行业协会理事,北京航空航天大学 505实验室特约研究员,长期从事热管换热技术、干燥技术、热力工程加热和冷却设备的研究设计工作。发表论文10多篇,曾多次在全国学术会议上获优秀论文奖。

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