如何实现以水代油淬火冷却

来源:金属热处理工艺学作者:热处理网

  淬火油是长期以来热处理淬火工艺中应用最广的冷却介质。淬火油虽然具有许多独特的冷却特性,但同时也存在消耗能源、污染环境和火灾隐患等问题。首先,淬火过程中消耗的淬火油是宝贵的石油资源。据调查,2010 年我国热处理行业消耗的矿物油达 1.2×105 t 以上,折合标准煤 2.1×105 t,换算电力近 52 亿度。可见这个能耗量是相当惊人的。同时,被消耗的矿物油,绝大多数转化成油烟被排放在大气中,全行业排放油烟达 8×107 m3/年,其中含有大量一氧化碳和二氧化硫,成为热处理过程中最重要的污染源。再有,热处理行业的火灾事故,绝大多数是由矿物油所引起的。另外,由于矿物油的冷却能力所限,常常无法满足某些低碳工件的淬火硬化要求,使其应用范围受到一定的限制。

  能否以水代油作为淬火介质,并实现淬火冷却的节能、环保、安全的目标?与淬火油相比,水的冷却特性有两个很大的不同点: 一是膜沸腾周期过长,使其泡沸腾曲线难以躲过大多数钢材“C”曲线的鼻子尖; 二是底部冷速过快,使工件在冷却过程中产生较大的应力,增大变形和开裂的风险。因此,以水作为淬火介质取代淬火油的技术关键,就是设法克服水的这两种冷却特性。严格说来,水自身的冷却特性是无法改变的,但却可以通过控制工件与水的接触时机和方式来获得所需的冷却效果。实践已表明,局部采用水/空交替的冷却方式,是一条实际运用的可能途径。但是,经验也证明,以水代油淬火冷却存在较大的变形和开裂风险,而这些风险不能仅仅依靠盲目的工艺实验来确定和排除,因为盲目工艺实验的成本太高。因此,热处理过程的数值模拟,是推广以水代油淬火技术的一个必要的前期工作。

  要真正获得理想的淬火效果,需要具备以下一些关键条件:

  1. 以水代油淬火的冷却系统,需要具备气冷、雾冷、喷水、浸水及组合/交替等冷却功能。这就要求系统配置不同特性的喷射单元和各自的介质通道,并配备能够快速响应的电动或者气动阀门,以实现淬火槽的快速注水或排空。

  2. 通过实验获得水在不同条件下的冷却能力数据库,通过模拟并经工艺验证建立工艺数据库。现在国际上已有比较成熟的热处理模拟软件,可以通过对工件在淬火冷却过程中温度场、组织场和应力场及其耦合关联的虚拟计算,推导出可行的冷却工艺,从而简化工艺实验过程,避免不必要的损失和浪费。

  3. 建立智能型淬火冷却系统,可以灵活切换并精确控制工艺装备,所谓精确控制,是指通过控制程序和相关控制器件,对淬火过程中空气、水等淬火介质的流动形态、流量、压力、温度、时间等关键参数进行设置和执行,实行精准到秒的快速响应,使系统冷却能力覆盖从空气冷却直至近似盐水冷却的全部范围,以满足多种工件的淬火冷却需求。