一种单真空辊底式保护气氛热处理设备及其工艺

摘要

本发明提供一种单真空辊底式保护气氛热处理设备及其工艺，沿物料运输方向依次包括预处理单元、热处理单元和后处理单元，工作时，所述预处理单元和所述热处理单元均在真空条件下通保护气进行；所述后处理单元是在密封空间内进行。本发明的有益效果是结构设计简单且合理，生产维护成本低，易于控制，不仅可获得更好的物料表面的脱碳层，而且可避免在出口段中的辊面结瘤，保证后处理单元中设备运行的稳定性，新增脱碳深度可达到0.04mm。

说明书

技术领域

本发明属于热处理设备技术领域，尤其是涉及一种单真空辊底式保护气氛热处理设备及其工艺。

背景技术

在现有的技术中，热处理工艺是钢铁物料生产的最后处理工序，热处理预处理结构和后处理结构在整个热处理过程中扮演着及其重要的角色，直接影响产品的质量。现有辊底式连续热处理炉中有两种常用结构：

一种是在热处理炉前后均设置带隔帘的蜜蜂箱以阻隔空气进入热处理炉内，由于蜜蜂箱结构设计的不合理，致使这种结构的热处理炉对保护气氛资源的浪费较严重，导致物料表面脱碳层较厚，一般在0.07-0.12mm之间，无法获得0.05mm以下的高表面质量的脱碳层需求。

另一种是在热处理炉前后均设置真空室，物料在热处理炉前后均在真空室内，通过对真空室抽出空气再充入保护气体，再进行气氛置换，使热处理炉内气氛始终保持在较低的含氧量。由于真空室结构的局限性，使整体生产成本较高，且连续使用3～5个月后会因辊面结瘤而导致运行中排料的头或尾部在炉内出现参差不齐的“掉队”或“拖料”现象，造成出口真空室门经常不能正常关闭，必须停产检修除瘤。每次此类检修都需要至少10天时间，造成直接经济损失30万元以上；致使造成生产线无法按节拍生产，严重影响产品质量，导致生产成本较高。

发明内容

本发明提供一种单真空辊底式保护气氛热处理设备及其工艺，解决现有技术中热处理设备结构设置不合理导致物料表面的脱碳层较厚或出口室辊面容易结瘤，导致热处理物料表面质量不合格，生产成本较高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种单真空辊底式保护气氛热处理设备，沿物料运输方向依次包括预处理单元、热处理单元和后处理单元，工作时，所述预处理单元和所述热处理单元均在真空条件下通保护气进行；所述后处理单元是在密封空间内进行。

进一步的，所述预处理单元包括入口段和过渡段，所述入口段为真空室，所述入口段与所述过渡段连接；所述过渡段远离所述入口段一端与所述热处理单元连接。

进一步的，所述入口段包括入口门和出口门，在所述入口门和所述出口门内侧均设有位置传感器，所述位置传感器均朝所述物料放置方向设置，且所述位置传感器高度与所述物料位置相适配。

进一步的，所述预处理单元还包括抽气系统和补气系统，所述抽气系统一端与所述入口段连通，另一端向外排出；所述补气系统一端与所述入口段连通，另一端与外设的保护气供给系统连通；所述供给系统还向所述热处理单元内提供保护气。

进一步的，所述后处理单元包括冷却段和出口段，所述冷却段两端分别与所述热处理单元和所述出口段连接。

进一步的，所述出口段包括密封箱，在所述密封箱远离所述冷却段一侧设有若干密封帘，所述密封帘并排沿所述密封箱宽度方向设置；在所述密封箱内侧靠近所述冷却段一端设有所述位置传感器；在所述密封箱远离所述冷却段一侧的上端部设有排气罩。

进一步的，所述热处理单元包括热处理炉和置于所述热处理炉外部的控制系统，所述热处理炉分别与所述过渡段和所述冷却段连接；所述控制系统与所述热处理炉连接，用于控制所述热处理炉内所述物料的工作状态。

进一步的，所述热处理设备还包括上料单元和下料单元，所述上料单元置于所述预处理单元之前并与所述预处理单元连接，所述下料单元置于所述后处理单元之后并与所述后处理单元连接。

一种单真空辊底式保护气氛热处理工艺，采用如上任一项所述的热处理设备，包括：将所述物料先在真空条件下通保护气的所述预处理单元进行预处理，再经所述热处理单元进行热处理，最后再进入密封的所述后处理单元进行后处理。

进一步的，所述预处理单元中所用保护气体为高纯氮气。

与现有技术相比，采用上述技术方案，本发明优化了前处理单元和后处理单元的结构，结构设计简单且合理，生产维护成本低，易于控制，不仅可获得更好的物料表面的脱碳层，而且可避免在出口段中的辊面结瘤，保证后处理单元中设备运行的稳定性，新增脱碳深度可达到0.04mm。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种单真空辊底式保护气氛热处理设备的结构示意图；

图2是本发明一实施例的真空入口段的结构示意图；

图3是本发明一实施例的热处理炉的结构示意图；

图4是本发明一实施例的密封出口段的结构示意图。

图中：

10、上料单元 20、前处理单元 21、入口段

211、入口门 212、出口门 213、抽气系统

214、补气系统 215、驱动系统 216、水冷系统

217、位置传感器 22、过渡段 23、供给系统

30、热处理单元 31、热处理炉 32、加热系统

33、传动系统 34、控制系统 40、后处理单元

41、冷却段 42、出口段 421、密封箱

422、位置传感器 423、密封帘 424、驱动系统

425、排气罩 50、下料单元 60、物料

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例提出一种单真空辊底式保护气氛热处理设备，如图1所示，沿物料60运输方向依次包括用于对物料60进行预保护处理的预处理单元20、对物料60进行热处理生产的热处理单元30和对物料60进行后保护处理的后处理单元40，工作时，预处理单元20和热处理单元30均在真空条件下通保护气体进行热处理；后处理单元40是在密封空间内进行热处理。

热处理设备还包括上料单元10和下料单元50，上料单元10用于提前放置物料60并使物料60排列整齐摆布；下料单元50用于对热处理完后的物料50进行输出收集，使其流转至下一工序，下料单元50上料单元10和下料单元50均为开放式结构的辊台，其中，下料单元10置于预处理单元20之前并与预处理单元20连接设置；下料单元50置于后处理单元40之后并与后处理单元40连接设置。上料单元10、预处理单元20、热处理单元30、后处理单元40和下料单元50的工作台均同高设置，通过设置在各自单元中的驱动系统对辊轴进行控制，以使物料60沿其运输方向在辊轴上滑动，物料60水平垂直于辊轴设置，每次有若干组并排设置的物料60放置在上料单元10的辊台上，同步同时对这几组物料60进行热处理生产。

预处理单元20包括入口段21和过渡段22，其中，入口段21和过渡段22均为真空室，入口段21两端分别与上料单元10和过渡段22连接，过渡段22远离入口段21的一端与热处理单元30连接。预处理单元20还包括供给系统23，置于入口段21和过渡段32的外部独立设置。

入口段21用于物料60在进入热处理单元30前去除裹附在物料60周边及外表面的空气层，并将热处理单元30内的保护气氛与外界的空气完全隔绝。保证物料60是在“纯净的”保护气氛中完成升温-保温-降温等热处理过程，确保物料60在热处理过程中的脱碳反应受到限制，以实现新增脱碳层厚度达到小于0.05mm的目标。

如图2所示，入口段21为真空密封室，入口段21分别在靠近上料单元10一端设有入口门211和在靠近过渡段22一端设有出口门212，入口门211和出口门212均为自动升降的密封结构，入口段21内部设有辊台，物料60置于辊台上，在入口门211和出口门212内侧均设有对位设置的位置传感器217，位置传感器217同高设置且均朝物料60放置的方向设置，即置于入口门211上的位置传感器217朝向出口门212方向设置，置于出口门212一侧的位置传感器217朝向入口门211方向设置，位置传感器217的高度与物料60所在的位置相适配，用于监控物料60在入口段21中的位置以通过置于入口段21外部的抽气系统213、补气系统214和供给系统215控制入口段21内的真空度。

进一步的，预处理单元20还包括抽气系统213和补气系统214，抽气系统213一端与入口段21的顶部连通，另一端将入口段21中的气体向外排出。补气系统214一端与入口段21顶部连通，另一端与外设的保护气供给系统23连通；同时，供给系统23还向热处理单元30中的热处理炉31提供保护气。抽气系统213启动可用于连续快速抽出入口段21内的空气，使入口段21内的压力接近绝对大气压形成真空室；再停止抽气，然后启动补气系统214，同步启动供给系统23，向入口段21内快速充入高纯保护气氛，直至与炉内压力相同。在本实施例中，保护气氛选氮气，物料60入炉前置于入口段21内先抽出其内的空气再进行充入保护气，也即是进行气氛置换，使入口段21内的气氛始终保持较低的含氧量，由于氮气的露点温度低于-50℃，进而可使入口段21内的氧含量小于5ppm。这种入口段21真空室型的优点是，炉内气氛清洁稳定，保护气耗量低，更有利于后续热处理单元30对物料60进行热处理，物料60预热处理后表面质量高，减小物料60新增脱碳量。

进一步的，在入口门211和出口门212之间设有用于驱动物料60在入口段21中辊台上水平移动的驱动系统215，优选地，驱动系统215设置在入口段21的长度中间位置处。同时，在入口段21靠近出口门212处的下方设有水冷系统216，用于对物料60进行水冷处理。

在本实施例中，过渡段32为常规结构，在此不再详述。

在这一过程中，启动按钮按下后，入口段21中的入口门211打开，出口门212关闭，入口段21中驱动系统215驱动入口段21中的辊台与上料单元10中的上料辊台同速同向运行，使物料60匀速传输至入口段21内，物料60触发置于入口门211上的位置传感器217时，入口门211关闭，入口段21开始启动置于入口段21外部的抽气系统23，将入口段21室内的空气抽出使入口段21室内的空气压力接近绝对大气压，进而形成真空室；再打开供给系统23通过补气系统214向入口段21内补充高纯氮气，直至与热处理单元30中热处理炉31内的压力相同；然后物料60触发置于出口门212上的位置传感器217时，出口门212打开，此时入口门211关闭；进而物料60从入口段21中进入过渡段22中，再转入热处理单元30中的热处理炉31中进行热处理。

如图3所示，热处理单元30包括热处理炉31和置于热处理炉31外部的控制系统34，热处理单元30还包括加热系统32和传动系统33，热处理炉31分别与预处理单元20中的过渡段22和后处理单元40中的冷却段41贯通连接，加热系统32置于热处理炉31的外侧并贯通热处理炉31设置，加热系统32可由电气或燃气辐射形成，并对物料60钢材进行加热和保温。用于向热处理炉31中的物料60进行加热，加热系统32对称设置在物料60的上下方，传动系统33用于控制热处理炉31中的辊台，使物料60在辊台上水平移动或原地自动翻转。控制系统34与热处理炉31连接，用于控制热处理炉31内物料60的工作状态，自动化控制系统34主要控制整体生产线的动作节拍、工艺速度、加热温度、冷却速率、出料速度等。热处理炉31自身设有真空排气系统(图省略)，热处理炉31与供给系统23连接，可通过控制阀进行流量控制在整个热处理过程中，保护气供给系统23连续不断地向热处理炉31内通入质量符合要求的保护氮气。入口段21和热处理炉31均与供给系统23连接，保护气氛均为氮气，高纯氮气的露点-50℃，可使热处理炉31内的氧含量为5ppm,氮气的通入量为150Nm

进一步的，后处理单元40包括冷却段41和出口段42，冷却段41的两端分别与热处理炉31和出口段42贯通连接，冷却段41是对热处理后的物料60进行降温冷却处理，其结构均为常规设置，在此不再详细叙述。

如图4所示，出口段42为密封室结构，主要是对物料60进行快速保温热处理，以使物料60获得更均匀细化的金相组织。出口段42包括密封箱421，在密封箱421靠近冷却段41一侧的入口门上设有位置传感器422，用于监控物料60进入密封箱42中的状态，位置传感器422的位置与位置传感器217的设置相同，在此不再重复，位置传感器422和位置传感器217为热处理生产过程中常用的传感器，在此不具体限制其型号，只要能满足要求即可。在密封箱421远离冷却段41一侧设有若干密封帘423，密封帘423并排沿密封箱宽度方向设置，即密封帘423垂直于密封箱41长度方向设置，密封帘423并行于出口段42中辊台的轴线方向设置，且密封帘423位于辊台轴线的正上方。可根据实际工况条件下的物料60的高度，来调整密封帘423下端面距离辊面的高度，以维持相对稳定的炉膛内气氛的压力，密封帘423的结构在此不具体限制；密封帘423的设置可维持生产线中保护气氛压力的不变，同时还要稳定生产线热处理炉31内的气氛压力不产生太大的变化，保证物料60在热处理炉31内时不会将额外的空气带入，始终保持热处理炉31内的微氧状态，从而实现物料60在热处理炉31内的无氧化、低脱碳的热处理。相对于贯通式的辊地保护气氛的热处理设备，这种密封帘423的设置使得密封箱421内的结构犹如迷宫式布置，多道设置的密封帘423可缩小密封箱421内保护气氛的气密流量，进而可大大降低整个热处理设备所用的保护气氛的用量，从而降低整体热处理设备中氮气保护气氛的用量。多道迷宫式的出口段42是利用隔帘的密封作用，维持整条生产线的热处理设备中炉膛内的压力为正压，从而防止设备外的空气进入炉膛内氧化物料6钢件。

在密封箱421靠近冷却段41一侧下方设有快速驱动的驱动系统，用于对从冷却段41进入出口段42中的物料60进行快速移动，以降低物料60置于冷却段41和出口段42中的时间，进而可对物料60进行快速保温后热处理。远离冷却段41一侧的上端部设有排气罩425，以排出密封箱421内的空气。

在现有技术中，常在出口段42中的辊面出现结瘤现象，主要是由于物料60的表面或外来的氧化物在出口段42内的氧化气氛下形成低熔点的氧化物，这些氧化物粘接黏附在钢棍表面，从而形成结瘤。多道密封帘423设置的出口段42与真空室结构的入口段21相结合，降低了整体热处理设备氮气的用量，在热处理过程中，及时向热处理炉31内自动注入保护气氛，多重密封帘423的设置可进一步提高出口段42的密封性，可进一步防止氧气进入出口段42处，减少在出口段42形成低熔点的氧化物，进而可防止炉内产生的氧化物黏结在出口段42的辊面上。多道密封帘423设置的出口段42与真空室结构的入口段21的配合，使得在在物料60热处理过程中前热处理和后处理不会同时打开，可是热处理设备整体的密封性能提高，进而造成热处理设备内保护气氛的失压，避免炉外空气进入炉体内，防止影响物料60热处理效果，进而使在密封箱421中的辊台中辊轴表面在经过长时间的连续生产后也极少出现结瘤现象，最大限度地降低因辊面结瘤而导致排料时出现“燕尾”或“拖料”，进而可保证出口段42的出口门可正常关闭，降低停产的故障。同时也避免多次停炉处理结瘤问题，最大限度地降低出现因“卡阻”造成的紧急停炉故障。

在这一过程中，物料60从热处理炉31中完成加热和保温后，再进入冷却段41中进行降温冷却，然后再进入出口段42中，当物料60尾部触发位置传感器422，驱动系统424启动，对物料60进行快速驱动控制，将物料60快速输送并穿过多道迷宫式密封箱421，直至将物料60全部输送至下料单元50中的下料辊台上，至此，热处理工艺过程结束。

本结构设置的热处理结构，优化了预处理单元20和后处理单元40的结构，使本申请的热处理设备为入口段21为真空室和出口段42为迷宫式带多道密封帘423的密封室相结合的结构，最终获得的物料60的金相组织和硬度均符合国家标准，获得物料60的新增脱碳深度为0.04mm。本发明设计的热处理设备中，密封箱421中的辊面在经过长时间的连续生产后也极少出现结瘤现象，最大限度地降低因辊面结瘤而导致排料时出现“燕尾”或“拖料”，进而可保证出口段42的出口门可正常关闭，降低停产的故障。同时也避免多次停炉处理结瘤问题，最大限度地降低出现因“卡阻”造成的紧急停炉故障。故，本发明不仅提高生产效率，而且还保证了物料60的质量，可进一步提供设备稼动率，提高了生产效率，降低了生产成本。

一种单真空辊底式保护气氛热处理工艺，采用如上所述的热处理设备，包括：

第一步：将物料60在真空条件下通保护气的预处理单元20内进行预处理，具体包括：

启动按钮按下后，入口段21中的入口门211打开，出口门212关闭，入口段21中驱动系统215驱动入口段21中的辊台与上料单元10中的上料辊台同速同向运行，使物料60匀速传输至入口段21内，物料60触发置于入口门211上的位置传感器217时，入口门211关闭，入口段21开始启动置于入口段21外部的抽气系统23，将入口段21室内的空气抽出使入口段21室内的空气压力接近绝对大气压，进而形成真空室；再打开供给系统23通过补气系统214向入口段21内补充高纯氮气，直至与热处理单元30中热处理炉31内的压力相同；然后物料60触发置于出口门212上的位置传感器217时，出口门212打开，此时入口门211关闭；进而物料60从入口段21中进入过渡段22中，再转入热处理单元30中的热处理炉31中进行热处理。

第二步：经热处理单元30进行热处理，具体包括：

物料60从过渡段22进入热处理炉31中，置于热处理炉31内的加热系统32可由电气或燃气辐射形成，并对物料60钢材进行加热和保温。传动系统33带动物料60在热处理炉31中的辊台上水平移动或原地自动翻转，从而完成对物料60的完全热处理。热处理炉31与供给系统23连接，保护气氛均为氮气，高纯氮气的露点-50℃，可使热处理炉31内的氧含量为5ppm,氮气的通入量为150Nm

第三步：进入密封的后处理单元40内进行后处理，具体包括：

物料60从热处理炉31中完成加热和保温后，再进入冷却段41中进行降温冷却，然后再进入出口段42中，当物料60尾部触发位置传感器422，驱动系统424启动，对物料60进行快速驱动控制，将物料60快速输送并穿过多道迷宫式密封箱421，直至将物料60全部输送至下料单元50中的下料辊台上，至此，热处理工艺过程结束。

在本实施例中，热处理后物料60再经后处理单元40中的冷却段41的降温冷却处理以及出口段42中的多道迷宫隔帘结构的密封室进行快速保温后热处理，最终获得的物料60的金相组织和硬度均符合国家标准，获得物料60的新增脱碳深度为0.04mm。在相同的热处理工艺条件下，若采用传统的贯通辊底式保护气氛连续热处理炉进行热处理，物料60的新增脱碳深度为0.08～0.15mm，严重大于本实施例热处理设备获得的新增脱碳深度0.04mm，可知本实施例获得的新增脱碳深度相对于现有技术缩小了2-4倍。

多道密封帘423设置的出口段42与真空室结构的入口段21的配合，使得在在物料60热处理过程中前热处理和后处理不会同时打开，可是热处理设备整体的密封性能提高，进而造成热处理设备内保护气氛的失压，避免炉外空气进入炉体内，防止影响物料60热处理效果，进而使在密封箱421中的辊台中辊轴表面在经过长时间的连续生产后也极少出现结瘤现象，最大限度地降低因辊面结瘤而导致排料时出现“燕尾”或“拖料”，进而可保证出口段42的出口门可正常关闭，降低停产的故障。同时也避免多次停炉处理结瘤问题，最大限度地降低出现因“卡阻”造成的紧急停炉故障。

本发明提出的一种单真空辊底式保护气氛热处理设备及热处理工艺，优化了前处理单元和后处理单元的结构，结构设计简单且合理，生产维护成本低，易于控制，不仅可获得更好的物料表面的脱碳层，而且可避免在出口段中的辊面结瘤，保证后处理单元中设备运行的稳定性，新增脱碳深度可达到0.04mm。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。