Experimentation Research of Bell Type Furnace Made in China - 1

1. 设 备 国产底装料立式多用炉试验研究
董小虹, 王桂茂, 陈志强, 吴友维
(广东世创金属科技有限公司, 广东 佛山 528313)
摘要: 针对采用瑞士 SOLO工业炉技术生产的国产底装料立式多用炉, 进行了性能测试、工艺试验和典型件生产
试验。结果表明, 国产底装料立式多用炉具有气氛转换快, 控制精度高等优点, 适应多种热处理工艺和高质量、各
种批量热处理生产。
关键词: 底装料立式多用炉; 技术特点; 性能测试; 工艺试验; 典型件生产
中图分类号: TG155. 1 文献标识码: B 文章编号: 0254- 6051(2007)08 0101 04
Experim entation Research of Bell Type FurnaceM ade in China
DONG X iao hong, WANG Guimao, CHEN Zh i q iang, WU You w ei
( Guangdong StrongM etalTechnology Co. Ltd. , Foshan Guangdong 528313, Ch ina)
Abstract: The bell type furnace from SOLO Sw itzerland has been made in Ch ina successfu lly, the d ifferent tests in its
performance, process exam ination and production test of typical parts w ere carried ou.t The results ind icate that the
bell type furnace has lots of obviously advantages, such as qu ick change of atmospheres, h igh precision contro,l etc.
Th is type of furnace is h ighly productivity and flexib ility for various d ifferent heat treatment processes and high ly quality
mass production requ irements.
K ey words: bell type furnace; technical characteristics; perform ance tes;t process exam ination; typ ical parts production
作者简介: 董小虹 ( 1964 ), 男, 福建人, 工程师, 全国热处理学
会世创热处理与表面工程技术中心副主任, 广东世创金属科技
有限公司总经理, 主要从事金属热处理与表面工程的研究开发
与产业化工作。联系电话: 0757- 23322638
收稿日期: 2007 02 16
底装料立式多用炉技术是在总结箱式多用炉和井
式炉技术基础上发展起来的, 综合发挥井式炉灵活方
便的长处和箱式多用炉控制精度高的优势, 在提高可
控气氛热处理水平和质量的同时, 又可使用各种不同
淬火介质, 适应不同材料和零件对冷却介质的各种不
同要求, 使热处理零件达到最佳性能, 最大限度减少热
处理畸变
[ 1]
。
世创公司采用瑞士 SOLO 工业炉技术, 生产了
P500、P300、P80、P50等系列底装料立式多用炉, 其主
要技术规格如表 1所示。
表 1 国产底装料立式多用炉的技术规格
Table 1 Technical specification of bell- type
furnacem ade in China
型 号 装载量 /kg 有效高度 /mm 有效直径 /mm
P50/80 50 /80 600 300
P300 300 700 500
P500 500 700 700
本文对国产 P500底装料立式多用炉进行了全面
的性能测试、工艺试验和典型零件生产试验。试验表
明, 国产底装料立式多用炉性能和质量达到了 SOLO
工业炉的水平, 试生产的典型零件模拟件满足了产品
的技术要求。底装料立式多用炉技术对热处理质量要
求高, 技术指标要求严的薄层渗碳十分合适, 对精密热
处理生产有广阔的应用前景。
1 底装料立式多用炉的技术特点
底装料立式多用炉基本组成包括加热炉、淬火槽、
控制系统和装卸料小车 4部分 (如图 1 所示 )。其热
处理工艺过程包括装料、加热、转移、淬火、卸料等工
序
[ 1]
, 可以实现可控气氛保护淬火、退火、回火、渗碳、
碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗、氧氮共渗等多种热处理工
艺。
图 1 SOLO 底装料立式多用炉组成
F ig. 1 The composition of the bell type furnace
底装料立式多用炉采用工件悬挂、一体化风机、吹
氮保护、分体淬火槽等多项专利技术, 结构上具有高质
量的金属炉罐、先进轴向设计、炉子与淬火槽分开、工
件直接淬火等四大特点, 形成独具特色的新型可控气
氛炉系列。底装料立式多用炉具有如下优点:
( 1) 炉气气氛和温度恢复、转换快, 气体消耗少,
101金属热处理! 2007年第 32卷第 8期

2. 启动和停炉方便, 工艺转换快, 生产效率高, 运行成本
低。底装料立式多用炉与一般井式炉相似, 没有任务
时可停炉, 有任务时可快速进入生产状态, 从 25 ∀ 大
气条件下达到 850 ∀ 、0 8% 碳势状态# 60 m in。因为
气氛转换或恢复快, 又没有前室, 减少气体消耗, 气氛
消耗量比一般密封箱式多用炉少 1 /3~ 1 /2, 降低生产
成本。炉罐与炉膛之间可以通入冷却气体冷却, 实现
渗碳或钎焊后对气氛和冷却速度的控制, 提高冷却质
量, 以满足各种不同冷却方式要求。
( 2) 采用大功率循环风机和良好导风装置进行强
对流循环, 以及 3区 7支热电偶关联控温, 保证炉温均
匀性和气氛均匀性, 控温精度# ∃ 1 ∀ , 炉温均匀性 #
∃ 5 ∀ , 碳势控制精度 # ∃ 0 05% , 氮势控制精度 K n #
∃ 0 1 或氨分解率在 10% ~ 80% 范围内波动值 # ∃
1% 。
( 3) 可以选用油、热油 ( # 200 ∀ )、水、盐水、聚合
物、盐浴 ( 130~ 550 ∀ )、气冷 ( 1~ 15 bar)等多种冷却
介质, 可以选配一炉一槽, 一炉两槽, 两炉一槽等各种
各样组合, 适合多种不同热处理工艺和各种不同批量
生产。特别适合高质量、多种批量、多品种生产特点,
也是代替盐浴炉、减少污染的最佳方案。
( 4) 使用温度高, 最高工作温度 # 1050 ∀ ; 工件
从加热室直接垂直淬火, 淬火转移时间短, 热处理畸变
小。
( 5) 具有材料和工艺数据库以及自动制定工艺专
家系统, 从简单到复杂工艺控制可供选择, 实现适时在
线控制和生产管理。
2 性能测试
2. 1 炉温均匀性测试
对国产底装料立式多用炉 P500 进行空载和满载
条件下的炉温均匀性测试验。测试参照 GB /T 9452
2003 热处理炉有效加热区测定方法 !
[ 2]
, 采用 9点测
温, 热电偶布置如图 2所示, 测定温度选择 850 ∀ 、930
∀ , 满载测试的装料 400 kg。陪衬为 ( 20~ 50) mm
% 20 mm低碳钢。测试热电偶为 3 mm &级 K 型铠
装热电偶, 测试仪表为 U J3a, 无电阻转换开关切换, 2
m in测试一组数据。炉温均匀性测试结果
[ 3]
表明, 该
炉子空载时炉温均匀性 # ∃ 3 ∀ , 满载时炉温均匀性
# ∃ 5 ∀ , 达到了该炉型的性能指标 # ∃ 5 ∀ 。
2. 2 碳势控制精度
碳势控制精度测试采用钢箔称重法, 按 JB /T
10312 2001 钢箔测定碳势法 !
[ 2 ]
进行, 分别测试了
850 ∀ 时 C p = 0 5% 、0 8% 和 950 ∀ 时 Cp = 0 7%、
1 3%的碳势控制精度, 其结果如表 2所示。从表 2可
以看出, 该炉子的碳势控制精度达到可控气氛多用炉
的控制精度, ∋C p # ∃ 0 05%。
图 2 炉温均匀性测试热电偶布置图
Fig. 2 The therm ocoup le d istribution form easuring
furnace tem perature uniform ity
表 2 碳势控制精度测试结果
Table 2 Them easuring results of carbon potential precision
温度 /∀
设定碳势
(% )
仪表显示
碳势 (% )
实测碳势
(% )
碳势偏差
(% )
850
0 50
0 80
0 5
0 8
0 46
0 77
- 0 04
- 0 03
950
0 70
1 30
0 7
1 31
0 66
1 25
- 0 04
- 0 05
2. 3 表面温升测试
炉子表面温升采用 K 型热电偶直接接触炉体外
表面测量表面温度方法, 测温热电偶分别置于炉顶和
炉壁不同部位, 详见图 3。测试炉温为 950 ∀ 时炉体
各表面温度, 其测试结果如表 3所示。
图 3 测炉体表面温升热电偶分布
Fig. 3 The therm ocoup le d istribution form easuring
surface tem perature up
表 3 表面温升测试结果
Table 3 Them easuring results of surface temperature up
工作温度 /∀ 热电偶位置 测试温度 /∀ 室温 /∀ 表面温升 /∀
950 炉顶 ( 8) 51. 4 21 30. 4
950 炉壁 ( 7) 32. 2 21 11. 2
950 炉壁 ( 6) 36. 7 21 15. 7
950 炉壁 ( 5) 53. 2 21 32. 2
从 表 3 可 以看 出, 炉子 的表 面温升 最大 为
32 2 ∀ , 低于技术指标 # 50 ∀ 。
102 金属热处理! 2007年第 32卷第 8期

3. 3 工艺试验
为了更好地了解国产底装料立式多用炉的水平和
质量, 除了测试该炉型的性能指标之外, 还进行了更多
的性能测试和工艺试验, 包括升温和温度恢复速度、碳
势转换速度、淬火转移时间和温度降低等测试试验, 以
及碳势仿真控制和渗层深度和组织控制等工艺试验。
3. 1 升温和温度恢复速度测试
对 P500炉型, 测试了空载从室温升至 950 ∀ 的升
温速度, 还测试了满载 400 kg的升温速度。测试结果
表明, P500空载炉从室温升至 950 ∀ 时间 # 2 h; 装满
载 400 kg后, 再恢复到 950 ∀ 时间只要 58 m in。证明
国产底装料立式多用炉具有升温和炉温恢复速度快的
特点。
3. 2 碳势转换速度测试
对 P500炉型, 在 880 ∀ 和 950 ∀ 时试验了空炉碳
势转换速度。880 ∀ 时碳势 Cp 从 0 4%升至 1 0% 需
要 7 m in, 从 1 0% 降至 0 45% 只需 3 m in; 950 ∀ 时碳
势 C p 从 0 2% 升至 1 2%需要 6 m in, 而从 1 2% 降至
0 2%需要 10 m in。试验结果表明, 该炉碳势转换很
快。
3. 3 淬火转移时间和温度降低测试
对 P500炉型测试了 880 ∀ 满载情况下, 炉料转移
和淬火转移时间及其相应的温度降低情况。试验时从
炉顶插下测温热电偶 4支, 分别在有效加热区的上部、
中部、下部, 为模拟生产实际情况, 其中下部两支热电
偶中一支装入 10 mm % 20 mm试件心部。测试结果
表明, 炉料转移至淬火油槽时间为 92 s, 温度降低上部
( 3号 )、中部 ( 4号 )、下部 ( 5 号 )分别为 7 1 ∀ 、1 0
∀ 、2 7 ∀ , 装入试件的 6 号热电偶温度降低 2 6 ∀ ,
淬火转移时间为 4 s。说明炉料温度降低小, 淬火转移
时间短。
4 模拟件生产试验
某厂薄层渗碳件材料为 20CrM nT i钢, 要求渗碳淬
火回火后表面硬度为 664~ 766 HV, 渗层深度为 0 15
~ 0 20 mm。
4. 1 试验条件
为了模拟该典型零件的热处理, 加工 20C rM nT i钢
试件 20件, 尺寸为 20 mm % 10 mm % 4 mm, 分 3层放
置在测试炉温均匀性时热电偶布置各点上 (见图 2 ),
并装入 400 kg陪衬件 (满载 )。根据模拟件材料、渗层
深度和表面硬度要求, 国产 P500 EASYTHERM 专家系
统确定渗 碳工艺 为: 860 ∀ % 10 m in 渗碳, 碳 势
0 80%, 随后降温至 840 ∀ 直接油淬 ( 80 ∀ ), 回火为
180 ∀ % 4 h空冷。
试件经热处理后, 分别测定渗层表面碳含量, 渗层
深度 (金相法 ), 以及表面、心部硬度和组织。
4. 2 试验结果
( 1) 仿真控制 碳势分布控制目标曲线和仿真适
时控制曲线分别如图 4a、b 所示, 两者吻合情况良
好。
图 4 碳势的分布控制目标曲线 ( a)和仿真适时控制曲线 ( b)
F ig. 4 The carbon potential distribution for control aim curve ( a)
and the curve of stimu lation tim ely con trol( b)
( 2) 表面碳含量和渗层深度均匀性 不同部位的
各个试样的表面碳含量和渗层深度测试结果如表 4所
示。试验结果表明, 表面碳含量最大偏差为 0 09%,
其均匀性为 ∃ 0 045%, 渗层深度为 0 15~ 0 18 mm,
符合用户典型件的技术要求, 最大偏差为 0 03 mm, 其
均匀性为 ∃ 0 015 mm, 优于航空工业标准 HB5354、国
家军用标准 G JB509A 和机械工业标准 JB /T 10175( 热
处理工艺质量控制)要求。
( 3) 表面和心部硬度与金相组织 不同部位的
各个试样的表面和心部硬度与金相组织如表 4 所
示, 试验结果表明, 有效加热区内各点表面硬度为
690~ 748 HV 0 3, 均满足用户产品的技术要求, 其最
大偏 差 58 HV 0 3。各 点 心 部 硬度 为 480 ~ 508
HV0 3, 其最大偏差 28 HV 0 3。渗层组织和心部组织
均为&级。由此可见, 有效加热区内硬度和金相组织
合适并且均一性良好。
103金属热处理! 2007年第 32卷第 8期

4. 表 4 表面碳含量、渗层深度、硬度及组织测试结果
Table 4 The m easuring results of surface carbon content, carburized depth, hardness and structure
测试项目
上区 中区 下区
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
目标值
仿真
控制值
渗层深度 /mm 0. 17 0. 17 0. 18 0. 16 0. 17 0. 15 0. 17 0. 16 0. 15 0. 18 0. 16 0. 15 0. 159 0. 154
表面含碳量 (% ) 0. 64 0. 67 0. 68 0. 67 0. 65 0. 71 0. 73 0. 73 0. 73 0. 65 0. 67 0. 65 0. 752 0. 751
表面硬度 (HV0. 3) 704 690 719 731 709 714 720 718 691 740 748 746 664~ 766
心部硬度 (HV0. 3) 496 480 491 495 490 501 497 492 486 499 494 508
表层组织 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级
心部组织 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级 & 级
5 结论
( 1) 采用瑞士 SOLO 工业炉技术生产的国产底装
料立式多用炉, 碳势控制精度# ∃ 0. 05%, 炉温均匀性
# ∃ 5 ∀ , 表面温升 # 50 ∀ , 达到国外同类炉型先进
水平。
( 2) 国产底装料立式多用炉具有碳势和炉温转换
与恢复快, 淬火转移时间短, 碳势和渗层深度、硬度均
匀性好等优点, 对提高渗碳和保护气氛淬火质量具有
重要作用。
( 3) 薄层渗碳典型件模拟试验表明, 国产底装料
立式多用炉非常适合热处理质量要求高、技术指标要
求严的薄层渗碳。
参考文献:
[ 1] 戴 瑞, 董小虹, 王桂茂, 等. 底装料立式多用炉技术
应用研究 [ J]. 金属热处理, 2005( 增刊 ): 59- 67.
[ 2] 全国热处理标准化技术委员会编. 金属热处理标准应用
手册 (第二版 ) [ M ]. 北京: 机械工业出版社, 2005.
[ 3] 董小虹, 王桂茂, 陈志强, 等. 国产底装料立式多用炉试
验研究 [ C] . 第四届中国热处理活动周会议论文集, 南
京, 2006, 5: 183- 189.
2006年 金属热处理!9~ 12期被 E i收录论文情况
第 9期 第 10期 第 11期 第 12期
第一作者 起止页 第一作者 起止页 第一作者 起止页 第一作者 起止页
宋 亮 1- 4 李爱国 1- 3 张光钧 1- 7 章立群 2- 6
张青来 5- 10 王迎春 4- 9 李 晶 8- 12 李宝奎 6- 11
苏轶坤 10- 13 王 淮 15- 17 胡春华 13- 15 刘黎明 12- 15
凌 进 14- 16 杨晓光 18- 20 张金玲 16- 19 邵艳群 16- 18
贺志荣 17- 21 孙晓娜 21- 23 谢颂京 19- 22 程军胜 19- 24
宁爱林 22- 24 吴 钢 24- 28 陈 飞 22- 24 张青来 25- 28
王玉辉 25- 29 王雍钧 29- 30 赵 程 25- 27 马晓平 29- 32
聂小武 30- 33 崔春阳 31- 33 樊湘芳 29- 31 郭 锋 33- 35
王孟军 34- 38 吴玉萍 34- 38 安治国 31- 34 徐流杰 36- 39
辛社伟 39- 42 楼白杨 39- 41 张淑兰 35- 37 程巨强 40- 42
丁 洁 46- 48 宇文利 41- 43 王作成 38- 41 陈 华 43- 46
张春华 49- 51 王明家 44- 46 赵满秀 41- 45 王 欣 46- 48
张永涛 52- 54 钱建才 47- 50 吴安如 46- 49 李胜利 49- 51
王春华 55- 57 朱先勇 51- 54 于学勇 50- 52 吕亚平 52- 55
王明清 58- 60 李云涛 55- 57 蔡莲淑 53- 56 刘菊东 56- 58
常开地 60- 64 张 伟 58- 61 邓楚平 57- 60 程柏松 59- 61
许志强 65- 67 周晓玲 62- 65 李鹏亮 60- 63 王殿梁 62- 65
郑丽璇 67- 68 张剑平 66- 68 高永亮 64- 67 胡心彬 66- 69
贾健明 69- 71 倪宏昕 69- 71 黄国杰 67- 70 洪 艳 70- 72
杨 川 71- 73 汪 敏 74- 75 严琦琦 71- 74 王学刚 73- 75
牛 珏 76- 79 徐 骏 76- 78 杨建明 74- 77 张继祥 76- 79
刘 理 80- 83 张升才 79- 81 程巨强 78- 80 刘万辉 80- 82
薄鑫涛 87- 91 冯培忠 82- 85 杜树芳 81- 85
朱会文 91- 94 董加坤 86- 88 D. Poteet 88- 94
王 雨 95- 97 左训伟 94- 96
陈 灵 99- 101
104 金属热处理! 2007年第 32卷第 8期