專利名稱：用于在真空爐中對材料淬火的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對材料進(jìn)行熱處理的領(lǐng)域，熱處理包括在高溫循環(huán)結(jié)束時迅速冷卻(也稱為淬火)。當(dāng)被處理的材料在從高溫迅速冷卻的期間展示期望的相變時采用迅速冷卻。在當(dāng)前的商業(yè)應(yīng)用中，熱處理的最普遍的目標(biāo)是改進(jìn)的硬度。技術(shù)領(lǐng)域許多熱處理工藝是在真空爐中進(jìn)行的。在熱處理循環(huán)的淬火步驟期間，提供包含·相對于被處理的材料而言為惰性的氣體的氣氛常常是合乎需要的。(被處理的材料在本文中也被稱為“熱負(fù)載”或“HL”)。氦(He)和氬(Ar)或及混和物對于這個應(yīng)用是常用惰性氣體。略微有活性的氣體或惰性氣體與略微有活性的氣體的混合物在技術(shù)上說是可接受的，并且提供較不昂貴的備選方案。氮(N2)和氫(H2)是在這個應(yīng)用中使用的略微有活性的氣體的實例，它們能混合在一起，或者被提供二次氣體添加物，例如二氧化碳(CO2)或氬。一種用于進(jìn)行淬火步驟的普通的方法是引入冷卻氣體，然后冷卻氣體在真空爐和水冷式熱交換器的內(nèi)部循環(huán)。使用傳導(dǎo)性高的氣體(例如氫和氦)和/或分子量高的氣體(例如氬和二氧化碳)作為冷卻氣體能產(chǎn)生合乎需要的冷卻速率，但是這樣的氣體對于許多應(yīng)用來說是不切實際的。例如，使用氦往往成本高昂。氦回收和回收系統(tǒng)的成本能超過簡單的單室真空爐的成本。使用氫會引入高的操作風(fēng)險(由于其可燃性的原因)，并且需要訓(xùn)練有素的可靠的操作員和專門的供應(yīng)系統(tǒng)和爐系統(tǒng)。另外，用在環(huán)境溫度處引入的氣體實現(xiàn)期望的冷卻速率需要在較高的壓力下進(jìn)行淬火步驟，例如15巴-35巴，以及以較高的速度循環(huán)冷卻氣體。這個壓力范圍需要穩(wěn)定可靠的爐結(jié)構(gòu)，這顯著地比提供介于6巴-12巴之間的冷卻壓力的類似的結(jié)構(gòu)更昂貴。高速冷卻氣體流可導(dǎo)致對熱負(fù)載進(jìn)行不合需要的定向冷卻和不均勻冷卻，這會導(dǎo)致經(jīng)處理的金屬部件有無法接受的尺寸變形。另一種提高冷卻速率的方法包括使用呈液化或低溫蒸氣形式的低溫流體。與在非低溫的溫度處引入的冷卻氣體相比，由于負(fù)載和冷卻介質(zhì)之間的擴(kuò)大的溫差，低溫流體將使得能夠有來自熱負(fù)載的提高的熱通量。低溫流體已經(jīng)代替了在熱交換器中用來在淬火步驟中冷卻冷卻介質(zhì)的水。諸如液體氮(LIN)的液化低溫氣體已經(jīng)被用作冷卻介質(zhì)。這種方法得益于在液體被噴射到真空爐中時沸騰的液體的熱函。不幸的是，當(dāng)與在必須迅速移除的金屬負(fù)載中積聚的熱相比時，低溫流體的熱容量和能噴射到特定容積的真空爐中的LIN的潛熱是微不足道的。通過提高淬火壓力來提高噴射到爐中的冷凍劑的質(zhì)量，以及從而提高冷卻作用是可行的。但是，如上面提到的那樣，這種方法需要使用能在較高的壓力處操作的爐，這顯著地更昂貴。現(xiàn)有的噴射低溫流體的方法的另一個限制在于，無法迅速地噴射易于迅速沸騰以及阻塞位于熱爐的內(nèi)部的噴射點或噴嘴的低溫流體，因為通常在飽和蒸氣狀況下輸送低溫流體。
因此，存在對改進(jìn)的淬火方法的需要，該方法提供以比現(xiàn)有方法更低的成本使被處理的材料淬火所必須的熱容量。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本發(fā)明包括一種對材料淬火的方法，該方法包括將低溫流體噴射到冷卻系統(tǒng)的第一流中，該冷卻系統(tǒng)適合于使低溫流體循環(huán)通過熱交換器和包含該材料的室，第一流位于室的上游以及熱交換器的下游，如果沒有低溫流體從冷卻系統(tǒng)中排出，則噴射到第一流中的低溫流體的量足以導(dǎo)致室超過目標(biāo)壓力；使低溫流體循環(huán)通過熱交換器和包含該材料的室；以及從冷卻系統(tǒng)的第二流中排出足夠量的低溫流體，以便在室中保持不大于目標(biāo)壓力的壓力。在另一方面，本發(fā)明包括一種將低溫流體供應(yīng)給某工藝的方法，其包括通過第一供應(yīng)管線將低溫流體從存儲容器傳送到供應(yīng)容器；隔斷供應(yīng)容器與存儲容器；將低溫流體從存儲容器傳送到壓力容器；隔斷壓力容器與存儲容器；允許存儲容器中的壓力提高到第一壓力，第一壓力大于低溫流體供應(yīng)給工藝時所處的壓力；打開壓力容器和供應(yīng)容器之間的第二供應(yīng)管線，從而導(dǎo)致供應(yīng)容器中的壓力提高；以及將低溫流體從供應(yīng)容器供應(yīng)給工·藝。


當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時，將更好地理解本發(fā)明的前述概述以及以下詳細(xì)描述。為了示出本發(fā)明，在圖中顯示本發(fā)明的某些實施例。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所顯示的確切布置和工具。在圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明的第一個實例性實施例的真空爐的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二個實例性實施例的真空爐的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第三個實例性實施例的真空爐的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第四個實例性實施例的真空爐的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實例性實施例的、用于在真空爐中進(jìn)行高壓淬火的LIN供應(yīng)系統(tǒng)的不意圖；圖6是描繪了圖5中顯示的爐和供應(yīng)系統(tǒng)的操作的實例的流程圖。圖7是示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的、由于將氮噴射到真空爐中而導(dǎo)致理論爐溫從初始的規(guī)定溫度降低的圖示；圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的、由于將三倍質(zhì)量的氮噴射到真空爐中而導(dǎo)致理論爐溫從初始的規(guī)定溫度降低的圖示；圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的實例性實施例的、噴射到爐中的LIN的理論質(zhì)量流率和體積流率以及從爐中排出的N2的體積流率的圖示；圖10是示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的、噴射到真空爐中以在規(guī)定的初始溫度處達(dá)到特定壓力的不同質(zhì)量的N2的理論爐溫的圖示；圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明的、噴射到真空爐中以在規(guī)定的初始溫度處達(dá)到特定壓力的不同質(zhì)量的N2的理論爐溫的圖示；圖12是根據(jù)本發(fā)明的第五個實例性實施例的真空爐的示意以及圖13是根據(jù)本發(fā)明的第六個實例性實施例的真空爐的示意圖。
具體實施例方式在描述圖中示出的本發(fā)明的實施例時，為了清楚，將使用特定用語。但是，本發(fā)明不意圖限于像這樣選擇的特定用語，要理解，各個特定用語均包括以類似的方式操作來實現(xiàn)類似的目的的技術(shù)等效方案。要理解，圖沒有精確地按比例繪制。以下描述了本發(fā)明的具體實施例。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于在本文中詳細(xì)說明的實施例。為了說明書和權(quán)利要求的目的，“過冷的LIN”表示處于低于以下等式中的平衡溫度T的溫度處的液體氮(LIN)，其中P等于以巴為單位的LIN壓力，并且溫度T以攝氏度表達(dá)T = 13 X In (P)-200等式 I·圖I是顯示了用于冷卻熱負(fù)載17的實例性冷卻系統(tǒng)19的示意圖的圖示。如傳統(tǒng)上那樣，冷卻系統(tǒng)19包括送風(fēng)機(jī)12和熱交換器16,送風(fēng)機(jī)12由電動機(jī)(EM) 14提供動力。在淬火步驟期間，啟動送風(fēng)機(jī)12，并且在噴射點18處將低溫流體(例如LIN)噴射到冷卻介質(zhì)流24中。低溫流體立即蒸發(fā)，并且循環(huán)經(jīng)過熱負(fù)載17，然后加溫的低溫蒸氣的一部分穿過熱交換器16，以及穿過送風(fēng)機(jī)12，其中它被再循環(huán)。在這個實例中，熱交換器16使用水作為其冷卻介質(zhì)，但是用于熱交換器16的任何適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)可取而代之。低溫流體優(yōu)選地以在真空爐中保持較恒定的壓力(“目標(biāo)壓力”)的方式噴射到冷卻介質(zhì)流24中，在熱負(fù)載17冷卻時，冷卻系統(tǒng)19位于該真空爐中。冷卻系統(tǒng)19包括排出點20，在淬火步驟期間，LIN蒸氣的其余部分(已被熱負(fù)載17加溫)通過排出點20從冷卻流24中釋放。排出點20優(yōu)選地位于熱負(fù)載17的下游以及熱交換器16的上游。在這個實例中，在增加的“劑量”的LIN被噴射到冷卻流24中的同時，加溫的LIN蒸氣的大部分通過排出點20而釋放。這使得在淬火工藝期間能夠?qū)⒏郘IN噴射到冷卻流24中，從而比在沒有排出的情況下使冷卻系統(tǒng)19有更大的冷卻容量。優(yōu)選的是，噴射到冷卻流24中的LIN的量是保持目標(biāo)壓力所必需的LIN的量的至少I. 5倍，以及優(yōu)選至少兩倍。在排出點20處從冷卻系統(tǒng)19中排出的LIN蒸氣的量優(yōu)選足以保持目標(biāo)壓力。例如，如果在噴射點18處噴射保持目標(biāo)壓力所需的量的三倍的LIN，則優(yōu)選同時從排出點20中排出等于噴射的LIN的三分之二的量的LIN蒸氣。類似地，如果在噴射點18處噴射保持目標(biāo)壓力所需的量的兩倍的LIN，則優(yōu)選地同時從排出點20中排出等于噴射的LIN的一半的量的LIN蒸氣。應(yīng)當(dāng)理解，用語“噴射點”和“排出點”意圖分別包括任何適當(dāng)類型的噴射和排出裝置，包括可包括多個端口的裝置。圖2至4和12至13各自表示在不同的真空爐布置中使用圖I的冷卻系統(tǒng)19的示意圖。在這些實例中的各個中，與圖I的冷卻系統(tǒng)19共用的元件由增加了因數(shù)100的參考標(biāo)號表不。例如，圖I的送風(fēng)機(jī)12對應(yīng)于圖2的送風(fēng)機(jī)112和圖3的送風(fēng)機(jī)212。為了清楚，在圖中標(biāo)示了在圖2-4和圖12-13中顯示的與圖I共用的一些特征，但在說明書中沒有對此具體論述。注意，對于分別在圖2-4中示出的真空爐110、210和310中的各個，HL、氣體冷卻和氣體循環(huán)的順序始終是相同的送風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)通過熱交換器抽取熱的氣體，然后壓縮機(jī)壓縮冷卻氣體，并且使冷卻氣體朝熱負(fù)載HL返回。LIN噴射到位于送風(fēng)機(jī)和熱負(fù)載之間的冷卻介質(zhì)流徑的一部分中(即，在冷卻介質(zhì)已經(jīng)被熱交換器冷卻之后)。多余的熱GAN(SP加溫的LIN蒸氣)從位于熱負(fù)載和熱交換器之間的冷卻介質(zhì)流的一部分中排出。圖2示出了真空爐110的實例性實施例，其中，箭頭顯示了冷卻介質(zhì)的氣體循環(huán)型式。在這個實例中，熱交換器116位于送風(fēng)機(jī)112的正前方。氣體送風(fēng)機(jī)112沿大體平行于氣體送風(fēng)機(jī)112的旋轉(zhuǎn)平面的方向沿著真空爐110的外壁沿徑向向外將氣體循環(huán)到真空室 111。圖3顯示了具有熱交換器216的真空爐210，該熱交換器216在形狀上為環(huán)形，其中，送風(fēng)機(jī)212位于熱交換器216的環(huán)狀空間內(nèi)。送風(fēng)機(jī)212沿大體垂直于送風(fēng)機(jī)212的旋轉(zhuǎn)平面的方向?qū)怏w循環(huán)到真空室211中。圖4顯示了雙室真空爐系統(tǒng)310，其中，熱負(fù)載HL在熱的真空室311 (在圖4的左邊)中被加熱，以及然后被傳送到冷的冷卻室313 (在圖4的右邊)中。門315分開真空室311與冷卻室313，并且門315在加熱工藝期間關(guān)閉。在熱負(fù)載HL在真空室311中被加熱·之后，門315打開，熱負(fù)載HL傳送到冷卻室313，并且門315關(guān)閉。然后在冷卻室313中進(jìn)行淬火工藝。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)可，圖4中顯示的氮的流動型式可有所不同，并且在冷卻回路322中，送風(fēng)機(jī)312以及熱交換器316可位于冷卻室313的外部。其中內(nèi)部送風(fēng)機(jī)312和熱交換器316以類似于圖2和3中顯示的那些的方式位于冷卻室313中的構(gòu)造也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。圖12和13分別提供了本文描述的真空爐系統(tǒng)610和710的額外的實施例600和700。圖12和13兩者描繪了雙室系統(tǒng)，其中，第一室601和701容納熱負(fù)載617和717，而第二室603和703包括通過冷卻回路622和722與第一室601和701處于流體連通的水熱交換器和送風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)(未顯示)。兩個室如所顯示的那樣利用大型管道605和705連接到彼此上。在兩幅圖中，液體氣(LIN)通過嗔射點618和718而嗔射到系統(tǒng)中，并且在排出點620和720處抽出多余的氮蒸氣。但是，在圖12中，冷的氣體流是逆時針的，而在圖13中，冷的氣體流是順時針的。在圖12和13兩者中，第一室601和701進(jìn)一步包括外殼和允許熱的和冷的氣體流入具有熱負(fù)載617和717的第一室中以及流出該第一室的可滲透的內(nèi)殼。圖5示出了用于對本發(fā)明的淬火工藝供應(yīng)LIN的供應(yīng)系統(tǒng)430。應(yīng)當(dāng)理解，供應(yīng)系統(tǒng)430可用來供應(yīng)其它低溫流體，并且可用來供應(yīng)用于在其它類型的工藝中使用的低溫流體。供應(yīng)系統(tǒng)430特別適合于在其中斷斷續(xù)續(xù)地需要低溫流體的供應(yīng)的工藝中使用。在這個實例中，供應(yīng)系統(tǒng)430包括存儲容器432，存儲容器432優(yōu)選地保持在較低的壓力Pl處，例如，介于大約25PSIG(1.7巴)和大約125PSIG(8.5巴)之間。存儲容器432中的壓力能由減壓閥434調(diào)節(jié)。應(yīng)當(dāng)注意，除了減壓閥，在供應(yīng)系統(tǒng)430中使用的閥可為廉價的螺線管閥，它們中的各個可與防止LIN或GAN回流的止回閥相結(jié)合。在這個實例中，LIN被供應(yīng)給位于建筑結(jié)構(gòu)446的內(nèi)部的真空爐410。為了安全和其它原因，存儲容器432位于建筑結(jié)構(gòu)446的外部。供應(yīng)缸體448定位在建筑結(jié)構(gòu)446內(nèi)且在真空爐410的附近。供應(yīng)管線451將供應(yīng)缸體448連接到存儲容器432上。供應(yīng)缸體448由供應(yīng)管線457連接到真空爐410上，供應(yīng)管線457具有定位在其上的閥456。供應(yīng)管線457適合于對真空爐410的LIN噴射點(未顯示)供應(yīng)LIN。供應(yīng)缸體448還優(yōu)選地包括減壓閥452。供應(yīng)系統(tǒng)430還包括壓力缸體436，壓力缸體436通過供應(yīng)管線439連接到存儲容器432上，供應(yīng)管線439具有位于其上的閥438。壓力缸體436通過供應(yīng)管線445連接到供應(yīng)缸體448上，供應(yīng)管線445具有位于其上的閥444。蒸發(fā)器442優(yōu)選順列地定位在壓力缸體436和供應(yīng)缸體448之間。圖6示出了操作真空爐410和供應(yīng)系統(tǒng)430的實例性方法。在工藝開始時，將待處理的材料(熱負(fù)載)插入到爐410中(步驟510)，關(guān)閉爐室，并且對室抽真空(步驟512)。然后加熱爐410和材料(步驟514)?？蛇x地，可通過將經(jīng)加熱的惰性氣體泵送到爐室中(步驟516)且然后排空惰性氣體(步驟518)而經(jīng)由對流來加快加熱。典型地在低于750攝氏度的爐溫處執(zhí)行這些可選的步驟。繼續(xù)加熱材料，直到材料和爐410達(dá)到目標(biāo)溫度為止(步驟520)。材料和爐410典型地保持在目標(biāo)溫度處達(dá)一段時間(步驟522)?？蛇x地，然后可通過將活性氣體(例如烴)引入到爐410中(步驟524)來使材料經(jīng)受表面處理和/或擴(kuò)散處理，然后排空活性氣體(步驟526)?！そ酉聛恚瑢Σ牧洗慊?。但是，在淬火操作開始之前，供應(yīng)缸體448優(yōu)選地在其中包含足夠的LIN，以提供進(jìn)行單次淬火操作所需的總量的LIN。優(yōu)選地，供應(yīng)缸體448包含比淬火操作需要的多至少10%的LIN。在下面闡述了為淬火操作準(zhǔn)備供應(yīng)缸體448的工藝的實例。首先，LIN從存儲容器432傳送到供應(yīng)缸體448和壓力缸體436 (步驟610)。在這個實例中，供應(yīng)缸體448配備有LIN液位傳感器(未顯示)。當(dāng)供應(yīng)缸體448中的LIN液位下降到預(yù)先確定的第一液位(由傳感器確定)時，閥450打開，并且LIN流出存儲容器432，通過供應(yīng)管線451，并且流到供應(yīng)缸體448。在開始從存儲容器432中傳送LIN之前，供應(yīng)缸體448中的壓力P5優(yōu)選地減小到低于存儲容器壓力Pl的壓力。可通過正好在填充步驟(步驟610)之前打開和關(guān)閉閥452來實現(xiàn)這一點。當(dāng)傳感器探測到供應(yīng)缸體448中的LIN液位已經(jīng)升高到預(yù)先確定的第二液位時，關(guān)閉閥450。在填充之后，主要由于摩擦和重力損失的原因，供應(yīng)缸體448中的壓力將略微小于存儲容器432中的壓力Pl。因為通過供應(yīng)管線451的LIN流是斷斷續(xù)續(xù)的，所以當(dāng)不在填充供應(yīng)缸體448時，LIN駐留在供應(yīng)管線中。這允許供應(yīng)管線451由具有低成本的聚合物泡沫絕熱體的金屬或聚合物管制成，與其中典型地將需要帶真空夾套的管線的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相比，這基本降低了供應(yīng)管線451的成本。在填充步驟(步驟610)之后，以及在下一個淬火操作開始之前，壓力缸體436和供應(yīng)缸體448與系統(tǒng)430的其余部分隔斷(步驟612)，然后供應(yīng)缸體448中的壓力P5優(yōu)選地提高到顯著地高于Pl的壓力(步驟614)。為了實現(xiàn)這一點，通過打開閥438，將少量LIN抽入壓力缸體436中。然后關(guān)閉閥438，并且在壓力缸體436的內(nèi)部的LIN被傳統(tǒng)的增壓盤管(未顯示)加壓到壓力P2。在淬火操作期間，壓力P2超過真空爐410中的期望壓力P6 (優(yōu)選超過至少25% )。優(yōu)選地在閥438的關(guān)閉和閥444的打開之間提供時延(典型地幾分鐘)，以允許壓力缸體436達(dá)到期望壓力P2(步驟614)。如有需要，在壓力缸體436中，壓力P2可由減壓閥440降低。然后打開閥444 (步驟616)，這允許LIN流過蒸發(fā)器442，在蒸發(fā)器442中，LIN轉(zhuǎn)化成高壓GAN (氣體氮)。然后，GAN通過供應(yīng)管線445以類似于活塞作用的方式對供應(yīng)缸體448的頂部空間加壓。為了在供應(yīng)缸體448中保持期望壓力P5，閥444優(yōu)選地在其中LIN供應(yīng)到真空爐410的時期期間保持打開。在較不優(yōu)選的選項中，閥444可一直保持打開，除了當(dāng)LIN從存儲容器432傳送到供應(yīng)缸體448時。如前面的段落中闡述的那樣提高供應(yīng)缸體448的頂部空間壓力P5具有使供應(yīng)缸體448中的LIN “過冷”的作用，這會減少LIN在排到壓力較低的環(huán)境中的期間的沸騰，并且改進(jìn)LIN的下游流特性。因此，可通過簡單的金屬或聚合物泡沫管而非傳統(tǒng)的帶真空夾套的管來將LIN傳送到真空爐410。在供應(yīng)缸體448中使用過冷的LIN具有其它有益作用。存儲在存儲容器432中的LIN在壓力Pl處飽和(與其蒸氣平衡)。當(dāng)LIN傳送到供應(yīng)缸體448時，LIN繼續(xù)在壓力Pl處飽和達(dá)從周圍將熱“泄漏”到供應(yīng)缸體448中所需的相當(dāng)長的一段時間。由于供應(yīng)缸體448的低溫絕熱的原因，這一段時間顯著地比爐加熱和淬火操作的時間尺度更長。因此，存儲在供應(yīng)缸體448中的LIN在整個真空爐淬火循環(huán)中都保持在不過高于對應(yīng)于壓力Pl的平衡溫度的溫度處。·為了減少LIN被沸掉，正好在真空爐410中開始淬火步驟之前，優(yōu)選地將供應(yīng)缸體448從低于Pl加壓到P5，這高于P6。為了開始淬火，打開閥456 (步驟618)，以將LIN噴到真空爐410中。爐壓力一接近目標(biāo)淬火壓力P6，就啟動送風(fēng)機(jī)，并且將閥420設(shè)定成在爐中的實際壓力超過P6時排出多余的LIN蒸氣(步驟528)。由于噴射的LIN量大于達(dá)到真空爐中的期望壓力P6所需的量，所以打開閥420 (設(shè)定成在壓力P6處進(jìn)行釋放)，以通過排出管道454排出多余的GAN。在淬火繼續(xù)時，真空爐410的內(nèi)部的溫度迅速降低，從而導(dǎo)致內(nèi)部壓力下降到壓力P6之下，這又導(dǎo)致通過供應(yīng)管線457噴射額外的LIN。在真空爐410的內(nèi)部噴LIN的噴射速度和均勻性對淬火操作的成功具有直接影響。過冷的LIN也可以高于飽和的LIN的流率噴射到真空爐410中，并且噴嘴或多個噴嘴(未顯示)可在真空爐410的內(nèi)部以均勻得多和可預(yù)計的方式以霧狀噴射過冷的LIN。例如，優(yōu)選地在10秒或更少的時間里輸送在淬火工藝開始時噴射的初始劑量的LIN。使用飽和的LIN難以實現(xiàn)這一點(如果不是不可行的話)，因為噴嘴(或其它噴射裝置)會非常熱，而且飽和的LIN在一與噴嘴接觸時會立刻沸騰。但是，使用過冷的LIN就能夠?qū)崿F(xiàn)這一點，過冷的LIN不會迅速沸騰。當(dāng)達(dá)到最終的爐淬火溫度時，關(guān)閉閥420、444和456，并且停止送風(fēng)機(jī)(步驟530、620和532)。然后對真空爐減壓(優(yōu)選地減到環(huán)境壓力)，并且移除經(jīng)熱處理的材料(步驟532、534)。然后可重復(fù)工藝。在重復(fù)填充步驟(步驟610)之前，打開閥452，直到供應(yīng)缸體448中的壓力降低到小于Pl為止(步驟622)。實例I使用具有5立方米的容積的真空爐來對具有500kg的質(zhì)量和O. 50kJ/ (kg K)的比熱的材料(熱負(fù)載)進(jìn)行熱處理。在淬火操作開始時，材料的溫度為1000攝氏度，而在淬火操作結(jié)束時的期望溫度為100攝氏度。真空爐構(gòu)造成像圖2中顯示的真空爐110 —樣。應(yīng)當(dāng)注意，提供的與這個實例相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表示計算值。在適用的情況下，確定這些計算所基于的假設(shè)。
圖7是顯示了對于室中的各個100度溫度下降而保持12巴的壓力(在沒有排出的情況下)將需要的氮的量的圖示。初始LIN噴射將為大約15. 5kg，并且對于整個淬火工藝將需要總共大約53. Okg的氮。圖7中顯示的由于噴射LIN而引起的溫度下降計算如下Tr = {Tf (Mf Cf+Mnp Cn) +Mn (Cn Tn-H) } / (Mf Cf+Mnp Cn+Mn Cn)等式2其中Mn =在給定的溫度水平處噴射以符合12巴的壓力要求的LIN的質(zhì)量[kg]Mnp =以前噴射的LIN的總質(zhì)量(kg)·
Mf =爐負(fù)載的質(zhì)量(kg)(在這個實例中，500kg)Cn = LIN蒸氣的比熱容量(I. 05kJ/(kg K);假設(shè)是恒定的)Cf =爐負(fù)載的比熱容量(0，50kJ/(kg K)，假設(shè)是恒定的)Tn =噴射的LIN的初始蒸氣溫度(77開氏度)Tf =爐和負(fù)載的初始溫度(開氏度)Tr =爐負(fù)載和噴射的LIN蒸氣的降低的溫度(開氏度)H = LIN沸騰熱函=200kJ/kg,假設(shè)是恒定的(簡化)圖8是顯示了對于室中的各個100度溫度下降而保持12巴的壓力(以等于噴射速率的三分之二的速率排出)將需要的氮的量的圖示。初始LIN噴射將為大約46. 6kg，并且對于整個淬火工藝將需要總共大約159. Okg氮。在這個實例中，以在室中保持12巴的壓力所必需的速率的三倍(以質(zhì)量為基礎(chǔ))的速率噴射LIN，并且氮以等于噴射速率的大約三分之二的速率從室中排出(在本文中稱為“三倍質(zhì)量LIN噴射”)。使用與等式2 (在上面)相同的變量值，圖8中顯不的由于噴射三倍的LIN量以及排出所產(chǎn)生的加溫的蒸氣的三分之二而引起的溫度下降計算如下Tr = {Tf (Mf Cf+Mnp Cn) +3Mn (Cn Tn-H) } / (Mf Cf+MnpCn + 3Mn Cn)等式3圖9是顯示了在淬火工藝期間對爐室進(jìn)行三倍質(zhì)量LIN的近似質(zhì)量和體積流率以及從室中排出的氮的體積流率的圖示。在圖9中，假設(shè)每當(dāng)室中的溫度下降100攝氏度時，以十秒的間隔噴射LIN(和排出氮)。LIN噴射流率的范圍為從高達(dá)345升每分鐘(L/min)(在1000攝氏度處的初始噴射)至29升每分鐘。這些是可使用在遠(yuǎn)端源(例如圖5中顯示的供應(yīng)系統(tǒng)430)中產(chǎn)生的壓位差下噴射的過冷的LIN最佳地實現(xiàn)的較高的液體流率。熱的氮氣的同時排出流率的范圍為從5656標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每分鐘(SCFM)至482SCFM。這些是需要使用適當(dāng)?shù)卮蟮呐懦龉艿赖妮^高的氣體流率。圖10是其中相對于沒有排出的LIN噴射的在各個十秒的氮噴射和排出間隔即刻之后的溫度(y軸)標(biāo)繪正好在各個十秒的氮噴射和排出間隔之前的室和材料的溫度(X軸)的圖示。圖11顯示了關(guān)于與排出相結(jié)合的三倍質(zhì)量的LIN噴射的相同的信息。線“6巴”、“12巴”和“18巴”指的是爐的內(nèi)部的目標(biāo)淬火壓力。如已經(jīng)由圖7和8示出的那樣，使用蒸氣排出淬火方法，溫度下降較大。還值得注意的是，在低于100攝氏度的溫度處噴射LIN可導(dǎo)致爐的內(nèi)部有零度以下的溫度，這在完成某些合金鋼的馬氏體式轉(zhuǎn)變時是合乎需要的。
如圖7-8和10-11中反映的那樣，與沒有排出的LIN噴射相比，三倍質(zhì)量的LIN噴射會對熱負(fù)載導(dǎo)致顯著地較大的冷卻速率。圖中的若干數(shù)據(jù)點可量化冷卻性能的提高。例如，在圖8中，對于12巴的目標(biāo)壓力和在1000攝氏度處進(jìn)行初始噴射時的爐溫，與使用沒有排出的傳統(tǒng)LIN噴射(參見圖7)而得到的915攝氏度相比，在三倍質(zhì)量的LIN噴射的情況下，在第一次LIN噴射之后的瞬間平衡溫度為773攝氏度。而且，對于在200攝氏度處和200攝氏度之下的噴射，可對鋼進(jìn)行零下處理?？傊?，在圖7-11中詳細(xì)說明的計算顯示，涉及在真空爐中噴射和沸騰“多余”量的LIN連同同時排出“多余”的氣體的有創(chuàng)造性的本方法可移除相當(dāng)大量的熱，并且因而，顯著地加快金屬冷卻速率。應(yīng)當(dāng)注意，噴射和同時排出“多余”的LIN在涉及對介質(zhì)和低合金鋼進(jìn)行馬氏體式轉(zhuǎn)變硬化的應(yīng)用中可為特別重要的。因而，已經(jīng)在本公開的優(yōu)選實施例和備選實施例的方面公開了本發(fā)明。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可構(gòu)想到多種改變、改良和變化，而不偏離本發(fā)明所意圖的精神和范圍。·
權(quán)利要求
1.一種對材料淬火的方法，所述方法包括 將低溫流體噴射到冷卻系統(tǒng)的第一流中，所述冷卻系統(tǒng)適合于使所述低溫流體循環(huán)通過熱交換器和包含所述材料的室，所述第一流位于所述室的上游以及所述熱交換器的下游，如果沒有低溫流體從所述冷卻系統(tǒng)排出，則噴射到所述第一流中的低溫流體的量足以導(dǎo)致所述室超過目標(biāo)壓力； 使所述低溫流體循環(huán)通過所述熱交換器和包含所述材料的所述室；以及 從所述冷卻系統(tǒng)的第二流中排出足夠量的所述低溫流體，以便在所述室中保持不大于目標(biāo)壓力的壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述噴射步驟進(jìn)一步包括以下步驟如果沒有低溫流體從所述冷卻系統(tǒng)中排出，則將導(dǎo)致所述室超過目標(biāo)壓力所必需的量的至少I.5倍的低溫流體噴射到所述第一流中。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述噴射步驟進(jìn)一步包括以下步驟如果沒有低溫流體從所述冷卻系統(tǒng)中排出，則將導(dǎo)致所述室超過目標(biāo)壓力所必需的量的至少三倍的低溫流體噴射到所述第一流中。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在開始所述循環(huán)步驟之前開始所述噴射步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述排出步驟包括通過減壓閥而釋放低溫流體，所述減壓閥設(shè)定成在所述目標(biāo)壓力處進(jìn)行釋放。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述噴射步驟包括噴射包含過冷的低溫液體的低溫流體。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述噴射步驟包括將低溫流體噴射到冷卻系統(tǒng)的第一流中，所述冷卻系統(tǒng)適合于使所述低溫流體循環(huán)通過熱交換器和包含所述材料的室。
8.一種將低溫流體供應(yīng)給工藝的方法，包括 通過第一供應(yīng)管線將所述低溫流體從存儲容器傳送到供應(yīng)容器； 隔斷所述供應(yīng)容器與所述存儲容器； 將所述低溫流體從所述存儲容器傳送到所述壓力容器； 隔斷所述壓力容器與所述存儲容器； 允許所述壓力容器中的壓力提高到第一壓力，所述第一壓力大于執(zhí)行所述工藝時所處的壓力； 打開所述壓力容器和所述供應(yīng)容器之間的第二供應(yīng)管線，從而導(dǎo)致所述供應(yīng)容器中的壓力提高；以及 將所述低溫流體從所述供應(yīng)容器供應(yīng)給所述工藝。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，通過第一供應(yīng)管線將所述低溫流體從存儲容器傳送到供應(yīng)容器進(jìn)一步包括傳送足夠的低溫流體，以執(zhí)行所述工藝。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括在整個供應(yīng)步驟期間使所述第二供應(yīng)管線保持打開。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述打開步驟導(dǎo)致所述供應(yīng)容器中的所述低溫流體的液體部分過冷。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述供應(yīng)步驟包括將所述低溫流體從所述供應(yīng)容器供應(yīng)給所述工藝，所述工藝包括對金屬淬火。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述供應(yīng)步驟包括將所述低溫流體從所述供應(yīng)容器供應(yīng)給所述工藝，所述工藝包括在真空爐中對金屬淬火。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在真空爐中對材料淬火的方法和設(shè)備。一種通過這樣的方式來對材料淬火的方法，即，將低溫流體噴射到冷卻流中，以及同時從該冷卻流中排出氣體，以便在包含材料的室中保持期望的目標(biāo)壓力。在方法的實例性應(yīng)用中，淬火是在對金屬進(jìn)行熱處理中的步驟，而室是真空爐的一部分。還公開了這樣的方法，即，將低溫流體供應(yīng)給某工藝，其中，通過供應(yīng)管線將執(zhí)行工藝所必需的量的低溫流體從存儲容器傳送到供應(yīng)容器，在此之后，關(guān)閉供應(yīng)管線。通過蒸發(fā)被允許在壓力容器中累積的較少量的低溫流體來保持升高的壓力，該壓力容器與供應(yīng)容器處于流體連通。
文檔編號C21D1/773GK102787228SQ20121016546
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者Z·祖雷基 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司