專利名稱：通過對流和輻射傳熱快速冷卻部件的方法
技術領域：
本發明一般涉及金屬熱處理，特別涉及對已經熱處理(例如淬火.退火、回火前的加熱)或熱化學處理(例如表面硬化、碳氮共滲)的鋼部件進行氣體硬化操作。一般通過使一加壓氣體在一物料和一冷卻回路之間的一封閉回路中循環而進行該氣體硬化操作。出于實際原因，氣體淬火硬化設備一般在大氣壓的4-20倍(4-20巴或4000-20000百帕斯卡)下工作。在本說明書中，壓力單位為巴，1巴等于1000百帕斯卡。
背景技術：
圖1簡示出氣體淬火硬化設備的一例。該設備1包括置于一密封容器3中的待冷卻物料2。該物料的周圍一般有引導氣流的擋板4。所需氣體混合物在壓力下從氣體進口5引入，冷卻氣體可以例如以預制混合物的形式引入，或者可設置多個用于分別引入各種冷卻氣體的氣體進口。通常提供一個將該容器置于真空下的連接機構。利用一由電動機7驅動的葉輪6使氣體從一冷卻回路9循環到待冷卻物料2處。該冷卻回路9一般由傳送一冷卻流體的管子構成。
圖1設備只例示出在一容器中循環一冷卻氣體的多種可能的現有結構之一。在冷卻階段中壓力通常為4-20巴。物料的位置、氣流方向和這些氣體的循環方法可以有多種變型。
出于實際原因，最常使用的冷卻氣體為氮氣，因為氮氣為惰性氣體而且價格低廉。此外，氮氣的密度適合于裝有鼓風機或葉輪的簡單設備，并且其傳熱系數足夠令人滿意。事實上，如所公知的，為使鋼從奧氏相不經珠光體和/或貝氏體相就轉變成馬氏相，必須盡可能快地降低氣體硬化系統中的溫度。
但是，在某些關鍵場合下，氮淬火硬化設備無法獲得足夠的溫度下降率。因此試用氫氣和氦氣進行淬火硬化。使用氫氣和氦氣的一個缺點是，尺寸適合于氮淬火硬化的現有設備在使用密度不同的氣體時特別在通風能力方面效果達不到最佳。此外，氦氣比氮氣貴，而氫氣易燃并且使用時得特別小心。
還應強調的是，所有這些現有方案(如推薦使用氫氣和氦氣)只是為了改善(提高)處理室中的對流傳熱。
現有技術可用專利EP-1 050 592的方案例示，該專利的淬火氣體使用CO2和NH3之類氣體，但與已使用的惰性氣體混合物相比其淬火效率并無多大提高，按照該專利，使用它們的主要原因在于以下兩個因素一方面可如預期的那樣同時實現熱化學效果(氧化、氮化等)，另一方面，由于下游硬化可使用與上游實際處理相同的氣體，便于物理集合在一綜合熱處理方法(例如一硬化方法)中。
以下兩個專利也使用CO2，在這兩個專利中，CO2用于硬化操作的應用場合完全不同(例如在專利WO 00/07790中用在塑料工藝中，或者，在專利WO 97/15420中呈液態)。
因此，本發明的目的之一是提供一種淬火硬化設備，該設備使用傳熱效率比氮氣高、但價格低廉并且使用方便、同時可冷卻要求很苛刻的材料的冷卻氣體。
本發明的另一個目的是提供一種冷卻方法，該方法使用一種與目前使用氮氣的現有設備兼容(因此設備無需作任何重大改動)的氣體。
發明內容
為實現這些目的，本發明在一利用加壓氣體快速冷卻金屬部件的方法中提供一種包括一種或多種選擇成用以通過結合輻射和對流傳熱現象來改善熱傳遞的吸收紅外輻射的氣體以便使對流傳熱系數相比于傳統的氮氣冷卻情況得以改善的冷卻氣體的應用。
“相比于傳統的氮氣冷卻情況得以改善”按照本發明應理解為比較同樣的壓力、溫度和淬火設備條件。
本發明方法還可采用以下一個或多個技術特征-冷卻氣體還包括選自氦氣、氫氣或其混合物的添加氣體；-冷卻氣體還包括補充氣體(輔助氣體)；-還對冷卻氣體的成分進行調整，以使得由此形成的冷卻氣體的平均密度與氮氣的密度大致相同；-還對冷卻氣體的成分進行調整，以使得對流傳熱系數相比于單獨考慮的該冷卻氣體的每一成分的對流傳熱系數為最佳；-在一其中放置有待處理部件的容器中進行冷卻操作，該容器配備有一氣體混合系統；并且還對冷卻氣體的成分進行調整，以使得由此形成的冷卻氣體的平均密度適合于該容器的所述混合系統，而無需對所述容器進行重大改動；-還對冷卻氣體的成分進行調整，以使得在部件冷卻階段在所述吸收氣體或所述吸收氣體之一與冷卻氣體的另一成分之間發生吸熱化學反應；-所述紅外吸收氣體為CO2；-所述紅外吸收氣體為飽和或非飽和碳氫化合物、CO、H2O、NH3、NO、N2O、NO2及其混合物；-所述吸收氣體在冷卻氣體中的比例在5％和100％之間，并且優選地在20％和80％之間；-所述冷卻氣體為CO2/He二元混合物，其中CO2的含量在30％和80％之間；-所述冷卻氣體為CO2/H2二元混合物，其中CO2的含量在30％和60％之間；-在使用所述冷卻氣體后使其進行再循環以便適于在隨后的使用前再壓縮該冷卻氣體并且還根據需要分離和/或純化該冷卻氣體從而回收其所有或部分成分。
本發明還涉及一種冷卻氣體在一用于利用加壓冷卻氣體快速冷卻金屬部件并且最適宜用氮氣操作的設備中的應用，該冷卻氣體包括20-80％的紅外吸收氣體和80-20％的氫氣或氦氣或其混合物，可以調整該冷卻氣體的成分以使得不必對該設備進行重大改動。
應理解的是，根據本發明，吸收一種或多種氣體的“選擇”、為獲得所需的傳熱系數特性而進行的“調整”或密度或吸熱性必須理解為關于該混合物的各成分的性質和/或各成分在該混合物中的含量。
因此，本發明的優點在于，與只改善對流傳熱情況的現有技術的傳統方法不同，該發明中輻射傳熱在總傳熱中的比例非常大-在約7％和10％之間(在400-1050℃的范圍內)，從而在傳熱的這一方面非常有利。
從下面結合附圖對非限制性實施例的詳細說明中可以看出本發明的上述和其它目的、特征和優點，附圖中圖1如上所述示出一氣體淬火硬化設備的一示例；圖2A和2B示出在鋼筒(鋼瓶)之間形成流體平行流的情況下各氣體在不同壓力下的對流傳熱系數；以及圖3示出在相同條件下使用的各種淬火氣體的溫度隨時間的變化。
具體實施例方式
按照本發明，建議使用一種吸收紅外輻射的氣體或者基于這種紅外吸收氣體(下面稱為吸收氣體)如二氧化碳以及在需要時包含添加到其中的具有良好對流傳熱性能的多種氣體(下面稱為添加氣體)中的一種如氦氣或氫氣的混合物作為淬火氣體。
相比于利用可透過傳輸紅外輻射的氣體如氮氣、氫氣和氦氣的傳統淬火氣體或氣體混合物，這種混合物具有同時通過對流和輻射現象吸熱從而增加從待冷卻物料中獲取的總的熱通量的優點。
可在該混合物中加入下面稱為補充氣體的其它氣體如氮氣，該補充氣體可用作一般的載氣或者如下所述起到可以使氣體特性如密度、導熱性、粘度等最佳的較積極的作用。
根據如圖2A和2B所示的本發明一實施例，建議使用上述某些氣體混合物，這些混合物的對流傳熱系數(kH)(單位為瓦特/平方米/開爾文(W/m2/K))比單獨考慮各氣體時高。事實上如上所示，按照本發明一有利實施例，調整冷卻氣體的成分，以使得對流傳熱系數相比于單獨考慮的冷卻氣體的各成分的對流傳熱系數為“最佳”。因此這里所用的“最佳”應理解為處于有關曲線的峰值，或者雖然遠小于該峰值(例如由于經濟原因)但無論如何其對流傳熱系數都比單獨考慮冷卻氣體的各成分時的對流傳熱系數好。
按照另一有利實施例，建議使用一種可能加入有補充氣體且密度情況最佳的吸收氣體混合物(并且如果可應用的話包括一添加氣體)，從而可以在通常設計成并且最適宜用氮氣操作的淬火硬化設備中進行硬化。為此，使二氧化碳例如與用作添加氣體的氦氣混合以便結合對流傳熱系數的最佳化和與氮氣密度大致相同的平均混合物密度。因此不必對現有設備作出重大改動就可使用現有設備獲得相當的通風率和通風能力以及現有的通氣性和偏轉結構。
這提供了這樣的優點在最適宜氮氣硬化的給定設備中，用戶在適合于相關材料時的正常情況下可將氮氣用作淬火氣體，只有在材料要求較苛刻的特殊情況下即當待處理部件或鋼要求特殊處理時，才例如使用以一示例給出的二氧化碳和氦氣的混合物或者也在這里示例出的二氧化碳和氫氣的混合物。
如本領域普通技術人員可明顯看出的是，即使已在上文對本發明使用二氧化碳的情況具體進行了說明，也可在不偏離本發明范圍的任何時候使用其它吸收紅外輻射的氣體如飽和或非飽和碳氫化合物、CO、H2O、NH3、NO、N2O、NO2及其混合物。
同樣，雖然上文已將重點放在本發明的一調整各氣體含量以獲得良好的傳熱效率和接近氮氣的密度情況從而避免必須對設備作出重大改動的有利實施例上，但也可以在不偏離本發明范圍的情況下使傳熱情況最佳，即使它意味著使用密度與氮氣相差很大的混合物并且因此不得不對設備特別是混合馬達作出改動(采用具有不同額定功率或一變速系統的馬達)。這種情況可能是例如包含90％二氧化碳和10％的氫氣、其密度比氮氣密度高約40％的氣體混合物。
圖2A示出二氧化碳和氦氣的混合物在二氧化碳在該混合物中的各種比例下在5、10和20巴壓力下的對流傳熱系數kH。因此，x軸表示二氧化碳含量c(CO2)與CO2和He的總含量c(CO2/He)之比。可以看出，對流傳熱系數在CO2含量在約40％與70％之間時達到峰值，在20巴壓力下含量約60％時對流傳熱系數為約650W/m2/K。因此，該混合物具有不僅其密度接近氮氣密度而且其對流傳熱系數高于純二氧化碳的對流傳熱系數的優點。
圖2B示出二氧化碳(CO2)與氫氣(H2)的混合物的類似曲線。可以看出，對流傳熱系數kH在CO2含量在約30％與50％之間時達到峰值，在20巴壓力下含量約40％時對流傳熱系數為約850W/m2/K。此外，還示出二氧化碳與氫氣的混合物的對流傳熱系數比二氧化碳與氦氣的混合物的對流傳熱系數高。
使用這種二氧化碳與氫氣的混合物的另一優點在于，在淬火硬化鋼部件的通常條件下，二氧化碳與氫氣之間發生吸熱化學反應，從而進一步加速冷卻。而且可以看出，存在二氧化碳時，即使不小心引入氧氣，氫氣爆炸的危險也大大降低。
圖3示出模擬利用各種冷卻氣體通過對流傳熱冷卻一鋼筒的計算結果，此時混合物平行于鋼筒(模擬細長部件的鋼筒)的長度流動。示出關于純氮氣(N2)、含60％CO2和40％氦氣的混合物、純氫氣和含40％CO2和60％氫氣的混合物的曲線。可看出，含40％CO2和60％氫氣的混合物的結果最佳，也就是說，最高冷卻率在850℃和500℃之間。含40％CO2和60％氫氣的混合物的硬化率比純氫氣提高約20％，比純氮氣提高約100％。
如上所述，本領域普通技術人員顯然可對本發明特別是在氣體的選擇、各氣體的最佳比例方面作出若干變型和改動，并且如果需要時可使用三元混合物如CO2/He/H2，并且可加入上面稱為補充氣體的其它氣體。
權利要求
1.一種使用加壓冷卻氣體快速冷卻金屬部件的方法，其特征在于，該冷卻氣體包括一種或多種選擇成用以通過結合輻射和對流傳熱現象來改善熱傳遞的吸收紅外輻射的氣體，以便使對流傳熱系數相比于傳統的氮氣冷卻情況得以改善。
2.按權利要求1所述的冷卻方法，其特征在于，所述冷卻氣體還包括選自氦氣、氫氣或其混合物的添加氣體。
3.按權利要求1或2所述的冷卻方法，其特征在于，所述冷卻氣體還包括補充氣體。
4.按權利要求2或3所述的冷卻方法，其特征在于，還對冷卻氣體的成分進行調整，以使得由此形成的冷卻氣體的平均密度與氮氣的密度大致相同。
5.按權利要求2-4之一所述的冷卻方法，其特征在于，還對冷卻氣體的成分進行調整，以使得對流傳熱系數相比于單獨考慮的該冷卻氣體的每一成分的對流傳熱系數為最佳。
6.按權利要求2或3所述的冷卻方法，其特征在于，在一其中放置有待處理部件的容器中進行冷卻操作，該容器配備有一氣體混合系統；并且還對冷卻氣體的成分進行調整，以使得由此形成的冷卻氣體的平均密度適合于該容器的所述混合系統，而無需對所述容器進行重大改動。
7.按權利要求2-6之一所述的冷卻方法，其特征在于，還對冷卻氣體的成分進行調整，以使得在部件冷卻階段在所述吸收氣體或所述吸收氣體之一與冷卻氣體的另一成分之間可以發生吸熱化學反應。
8.按上述權利要求之一所述的冷卻方法，其特征在于，所述紅外吸收氣體為CO2。
9.按權利要求1-7之一所述的冷卻方法，其特征在于，所述紅外吸收氣體選自飽和或非飽和碳氫化合物、CO、H2O、NH3、NO、N2O、NO2，及其混合物。
10.接上述權利要求之一所述的冷卻方法，其特征在于，所述吸收氣體在冷卻氣體中的比例在5％和100％之間，并且優選地在20％和80％之間。
11.按上述權利要求之一所述的冷卻方法，其特征在于，所述冷卻氣體為CO2/He二元混合物，其中CO2的含量在30％和80％之間。
12.按權利要求1-9之一所述的冷卻方法，其特征在于，所述冷卻氣體為CO2/H2二元混合物，其中CO2的含量在30％和60％之間。
13.按上述權利要求之一所述的冷卻方法，其特征在于，在使用所述冷卻氣體后對其進行再循環操作，以便適于在隨后的使用前再壓縮該冷卻氣體，并且還根據需要分離和/或純化該冷卻氣體，從而回收其所有或部分成分。
14.一種冷卻氣體在一利用加壓冷卻氣體快速冷卻金屬部件的設備中的應用，該設備最適宜用氮氣操作，該冷卻氣體包括20-80％的紅外吸收氣體和80-20％的氫氣或氦氣或其混合物，可以調整該冷卻氣體的成分以使得不必對該設備進行重大改動。
全文摘要
一種利用加壓冷卻氣體快速冷卻金屬部件的方法，其特征在于，該冷卻氣體包括一種(或若干種)吸收紅外輻射的主要氣體以便通過結合輻射和對流傳熱現象而改善熱傳遞從而使對流傳熱系數最佳。
文檔編號C21D1/56GK1681947SQ03822222
公開日2005年10月12日 申請日期2003年1月9日 優先權日2002年9月20日
發明者L·勒菲弗, D·多梅爾格, F·沙福特, A·戈爾德施泰納斯, L·佩利西耶 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究的具有監督和管理委員會的有限公司, 機械研究與建設公司