一种用于金属热处理的箱式保护气氛加热炉装置的制作方法

本发明涉及热处理的，尤其涉及一种用于金属热处理的箱式保护气氛加热炉装置。

背景技术：

1、箱式保护气氛加热炉是金属热处理工艺中的常用设备，用于在保护气氛下对工件进行加热、淬火冷却等处理。现有箱式保护气氛加热炉通常在炉体内设置旋转主轴和载物架，通过炉壁喷淋系统向工件喷射冷却介质和保护气体，以实现淬火冷却和防氧化保护。

2、现有箱式保护气氛加热炉在实际使用中存在以下不足：其一，喷淋系统喷射的冷却介质流场方向固定，无法根据热处理工艺的不同阶段自适应切换介质的冲击方向，在初冷阶段需要强化工件上表面冷却、在主淬火阶段需要强化侧壁冷却时，固定流场难以同时满足，导致工件各表面冷却均匀性不足；其二，炉底排水口通常采用固定孔径的排水结构，无法根据炉底积液量自动调节排水速度，容易造成炉底积液过多或排空过快，不利于维持炉内稳定的蒸汽氛围；其三，炉盖的开合与主轴的动力接驳通常需要分别设置独立的驱动机构，结构较为复杂，且冷却水管、氮气管和动力电缆随炉盖运动存在疲劳断裂的隐患。

技术实现思路

1、鉴于现有技术存在上述问题，提出了一种用于金属热处理的箱式保护气氛加热炉装置。

2、本技术提供了一种用于金属热处理的箱式保护气氛加热炉装置，其目的在于：本技术要解决现有箱式保护气氛加热炉的冷却介质流场方向固 定、无法根据工艺阶段自适应切换，炉底排水不能随液位自动调节截面积的问题。

3、本发明的技术方案为：一种用于金属热处理的箱式保护气氛加热炉装置，包括圆柱形炉体、设置于炉体上方的可开合炉盖、固定设置于炉体外部用于提供旋转动力的独立动力基座、转动设置于炉体内部的主轴以及设置于所述主轴上的多层载物架，所述炉体内壁设有向中心喷射冷却介质和保护气体的喷淋系统，还包括离心自变距导流环和浮力分段式排水阀组；

4、所述离心自变距导流环设置于所述主轴上且位于每一层所述载物架的外围，所述离心自变距导流环上铰接有多片导流叶片，所述导流叶片的迎风角随所述主轴的转速升高而被动减小，以将所述喷淋系统喷射的介质在“轴向扫略”与“径向扫略”之间进行切换；

5、所述浮力分段式排水阀组设置于所述炉体底部排水口处，所述浮力分段式排水阀组包括沿竖直导杆浮动的浮球总成以及固定于浮球底部的锥形节流芯，所述排水口内壁设有多级排流环，所述锥形节流芯随炉底液位升降而上下移动，以被动切换排水口的排水截面积。

6、进一步的，所述离心自变距导流环包括导流环体、叶片支架、导流叶片、扭簧和单向滚针轴承；

7、所述导流环体通过所述单向滚针轴承套装于所述主轴的外套上，所述导流环体仅被允许相对所述主轴单向差速旋转；

8、多个所述叶片支架沿所述导流叶片环体的周向均匀分布，每个所述叶片支架的端部通过铰接轴与所述导流叶片环体弹性铰接，所述扭簧套设在铰接轴上，所述扭簧赋予所述导流叶片朝向炉壁方向呈大迎角状态的初始偏压力；

9、每片所述导流叶片的边缘设置有用于提供离心力的离心边缘，所述主轴旋转时产生的离心力驱动所述离心边缘沿径向向外转动，所述导流叶片绕自身铰接轴旋转以减小迎风角。

10、进一步的，所述导流叶片的初始迎风角为90°，所述主轴处于低速旋转区间时，所述离心边缘产生的离心力小于所述扭簧的弹性恢复力，所述导流叶片保持大迎角状态，所述喷淋系统喷射的介质撞击所述导流叶片的弧面后被强制向下偏转，集中冲击载物架上工件的上表面；

11、所述主轴处于中高速旋转区间时，所述离心边缘产生的离心力克服所述扭簧的弹性恢复力，所述导流叶片的迎风角平滑减小至趋于0°，所述喷淋系统喷射的介质穿过相邻导流叶片之间的间隙保持径向直冲状态，对工件侧壁进行切向扫略冲击。

12、进一步的，所述浮力分段式排水阀组中，所述竖直导杆固定设置于炉底排水口的中心轴线上，所述浮球总成滑动套装于所述主轴上并可沿其上下浮动；

13、所述浮球总成由轴向串联或套叠式连接的上浮球体和下浮球体复合构成，内部填充有低密度发泡材料，以提供随浸没深度变化的梯度浮力特性；

14、所述锥形节流芯的上端与所述浮球总成底部固定连接，所述锥形节流芯的外周壁为自上而下直径递减的多级环面结构；

15、所述排水口内壁设置的所述多级排流环为沿轴向排列的多个不同内径的环形开口，所述多级排流环与所述锥形节流芯的多级环面一一对应配合。

16、进一步的，所述多级排流环包括自上而下依次设置的一级排流环、二级排流环和三级排流环；

17、当炉底液位处于低位时，所述浮球总成落于底部，所述锥形节流芯处于最低位置，所述一级排流环、二级排流环和三级排流环均处于开启状态，排水口具有最大排水截面积；

18、当炉底液位上升至中位时，所述浮球总成上浮带动所述锥形节流芯上移，所述锥形节流芯的相应环面将所述二级排流环封堵，仅所述一级排流环和三级排流环保持开启，排水口具有中等排水截面积；

19、当炉底液位继续上升至高位时，所述浮球总成继续上浮带动所述锥形节流芯进一步上移，所述锥形节流芯的相应环面将所述二级排流环和三级排流环同时封堵，仅所述一级排流环保持开启，排水口具有最小排水截面积。

20、进一步的，所述导流环体上周向均匀铰接有12～24片所述导流叶片，相邻导流叶片之间设置有初始间隙，所述导流叶片的弧面曲率半径为100～200mm。

21、进一步的，所述浮球总成的复合浮力特性被配置为：在炉底液位低于第一预设高度时提供第一浮力，使所述锥形节流芯维持于最低开启位置；在炉底液位达到第二预设高度时提供第二浮力，使所述锥形节流芯上升至封堵所述二级排流环的第一密封位置；在炉底液位达到第三预设高度时提供第三浮力，使所述锥形节流芯继续上升至封堵所述二级排流环和三级排流环的第二密封位置。

22、进一步的，所述离心自变距导流环还包括设置于所述导流叶片迎风面上的导流脊，用于在介质冲击时产生局部涡流，增强对工件表面蒸汽膜的剪切破碎效果。

23、进一步的，在炉底液位低于第二浮球时为第一预设高度，在液位处于第一浮球和第二浮球之间时为第二预设高度，在液位处于第二浮球上方时为第三预设高度。

24、进一步的，所述喷淋系统为多层环形喷淋管结构，每一层环形喷淋管均独立连接有冷却水支路和高压氮气支路，所述环形喷淋管上设置有多个拉瓦尔加速喷嘴，所述喷嘴内设有与氮气通道连通的加速喷管以及与冷却水通道连通的冷却喷管，高压氮气与冷却水在所述拉瓦尔加速喷嘴内混合并加速喷射。

25、本发明的有益效果：

26、本技术通过在每层载物架外围设置离心自变距导流环，利用主轴转速变化使离心边缘产生的离心力与扭簧弹性恢复力形成被动平衡，驱动导流叶片迎风角随转速升高而减小，能够在低速时将喷淋介质强制向下偏转为轴向扫略以冲击工件上表面、在中高速时使介质穿过叶片间隙保持径向直冲以切向扫略工件侧壁，从而依据工艺阶段自动切换冷却流场模式，有利于提高工件各表面的冷却均匀性。

27、本技术通过在炉底排水口设置浮力分段式排水阀组，利用上浮球体与下浮球复合构成的浮球总成随液位升降产生梯度浮力，带动锥形节流芯上下移动并与多级排流环逐级配合，能够在低液位时全部排流环开启以快速排水、在中液位时封堵二级排流环以中等速度排水、在高液位时同时封堵二级和三级排流环以减缓排水，从而被动调节排水截面积，有利于维持炉底水垫层和炉内蒸汽氛围。

28、本技术通过独立动力基座控制炉盖旋转下压密封，炉盖下压时电机输出轴末端的花键套筒与主轴顶端耦合，将炉盖的密封动作与主轴动力接驳联动为同一行程，有利于简化驱动结构，并使冷却水管、氮气管等管线可固定安装而不必随炉盖运动，降低管线疲劳断裂的风险。

29、本技术通过在导流叶片迎风面上设置导流脊，使介质冲击时在导流脊附近产生局部涡流，有利于增强对工件表面蒸汽膜的剪切破碎效果，提高冷却介质与工件表面的换热效率。