背景技术
常规而言，元件例如钢制元件的淬火或处理通常需要进行热处理
然后用流体例如油进行快速淬火处理。使用油的方法会造成安全事故
和环境污染。将油暴露于900℃的温度会引起油的挥发和/或氧化。氧
化的油表明油发生了降解，必须从淬火浴过滤出去或通过更换油来除
去。无论在哪种情况下，氧化的油和废油都代表着需要丢弃或部分循
环废物流。一般地，油残留在从淬火油浴中取出的处理过的元件上。
在把元件拿持和移动到清洗区域的过程中，油易于由元件上滴下。使
用油淬火的方法会引起着火、打滑/摔倒以及其它事故。涂有废淬火
油的元件在运送或机械加工之前需要另外的清洗步骤。此外，用油淬
火会使元件严重扭曲。为解决用油做淬火介质所造成的这些问题，已
使用气体例如氦气来冷却已在炉中加热的元件。
美国专利5,158,625公开了通过使制品在与被处理的制品接触
的循环气体介质中淬火来对制品进行热处理的方法。淬火气用换热器
进行冷却，该换热器是以氦气用作淬火气的类型，并以存储压力储存
在缓冲容器中。在淬火操作的最后，将氦气从处理室中排出，在最终
阶段采用泵，直至达到最初的真空。通过与机械滤器连接的压缩机将
排出的氦气升压至净化压力，并将处于该压力下的氦送往净化器以除
去杂质，然后输送之，如有必要，可在缓冲容器中再压缩之后再输送。
美国专利5,938,866公开了用气体混合物处理元件的设备，该混
合物包含主要的第一轻气体和次要量的比第一气体重的第二气体。该
设备有进行处理的处理室以及浓缩和净化装置，气体混合物在该装置
中进行浓缩和净化以提高第一气体的浓度。处理室包含提供在处理室
的上部的出口部件和配置用来使气体混合物向上运动并通过出口部
件流出的装置。
美国专利4,867,808公开了对金属加工件进行热处理的方法，
该方法是先在真空加热炉中将加工件加热，然后在高于常压的冷却气
中在冷却气循环的情况下进行淬火。
美国专利5,173,524公开了快速气体淬火方法，其中通过让氦气
和另一种惰性气体的惰性气体混合物在湍流条件下流过制品来提高
被加热至高温的制品的冷却速度。
发明内容
本发明的一个目的是提供在常压热处理炉系统中循环淬火气的
方法。
本发明的另一个目的是提供在常压渗碳炉系统中循环淬火气例
如氦气的方法。
本发明的一个目的是提供一种设备，它用于在常压炉中对元件进
行气体处理，并具有采用循环淬火气对从常压炉取出的元件进行淬火
的装置。
本发明的另一个目的是提供方法和设备，其有效地提供用于在常
压渗碳炉中循环淬火气例如氦气的装置，淬火气在渗碳炉中保持在与
待处理元件所需的淬火气氛一致的淬火气氛下。
本发明涉及在常压热处理炉中对元件进行热处理的方法，包含以
下步骤：
(a)在常压炉中用被加热到处理元件所需温度的处理气如吸热气
体来处理元件；
(b)将含有处理气的热处理过的元件送入淬火室；
(c)将淬火气进料到淬火室以与处理过的元件进行接触并与处理
气混合；
(d)将步骤(c)的淬火气和处理气的混合物进料到气体回收室，在
其中分离淬火气和处理气以提供净化的淬火气和处理气；
(e)将步骤(d)的净化的淬火气送回淬火室，从而有效地将淬火气
循环回淬火室；和
(f)由气体淬火室取出冷却的处理过的元件。
如果证明炉能耐受淬火压力则可以去掉淬火室，因而步骤(b)、
(c)、(e)和(f)中提到的淬火室将指的是本发明新方法的步骤(a)中所
说的炉。
本发明方法适合于处理由碳、合金和工具钢制造的元件。渗碳级
钢如AISI级5120、8115、8620和9310尤其重要。本发明新方法的
主要用途是在常压渗碳炉中使用，其中处理气可以是选自甲烷、甲
烷、一氧化碳、氮气、丙烷和丁烷中的至少一种气体。常见的渗碳用
处理气是由大约20％一氧化碳、40％氢气和40％氮气组成的吸热气
体。可将该处理气加热至大约750℃和大约1200℃之间，优选大约800
℃和大约1000℃之间。为了渗碳处理元件，气体渗碳剂可在大约850
℃至大约1100℃之间加热，并且优选大约900℃至大约950℃之间。
淬火气可以是选自优选作为主组分(＞50％)的氦气和选自作为次要组
分的氮气、氩气和一氧化碳中的至少一种气体。优选的淬火气是氦
气。淬火气应当加压到至少37psia，优选在大约74psia至大约890
psia之间，更优选在大约147psia至大约368psia之间。经淬火
处理的元件通常从处于常压和略高于室温的淬火室中取出。
本发明还涉及在常压炉中用气体处理元件的设备，该设备包含适
用于接受处理气和要被气体处理的元件的常压炉，该常压炉与适用于
接受来自常压炉的经过处理的元件和淬火气的淬火室联接；该淬火室
与气体回收装置联接，该回收装置适用于接受废处理气和淬火气，并
具有用于分离气体以提供净化的淬火气的装置；气体回收装置与淬火
室联接并适于将净化的气体输送到淬火室中去；并且该设备可按使淬
火气能在淬火室与回收装置之间循环的方式操作。
具体实施方式
图1表示设备方位图，其容许使用吸热气体的常压渗碳炉或使用
丙烷或甲烷等气体的真空渗碳炉能用于进行氦气淬火。渗碳步骤结束
后，打开炉1，并使元件和炉气氛经过管道2进入热真空室3。热真
空室3与炉1和氦气淬火室5封隔。一关闭热真空室3，就用真空泵
9抽去其中的气氛。在整个过程中，热真空室保持在炉的温度以使元
件不会变冷。在从热真空室3除去气氛后，向该室中可以不回充或回
充例如大约14.7psia压力的氦气。当氦气淬火室5已满足以下条件
时，将元件转移到该室。以前装入的元件从室5清出，该室与外界气
氛隔绝，并且已用真空泵9将外界气氛由室5抽出。室3和室5之间
的密封一旦被打开，就马上将元件输送到室5中并且在室3和室5之
间再次形成密封。室5然后接受处于淬火压力(例如290psia)下的
氦气。在淬火操作之后，将氦气从室5除去经管道10送往氦气回收
系统11，然后将元件转移到方法的下一步，例如机械加工中。将废氦
气在氦气回收系统11中净化至要求的水平并通过管道12将净化的氦
气送回室5。
用氦气淬火的常压渗碳方法如果不进行氦气的循环，氦气费用会
很高，或者需要增加炉设备的投资成本。本发明将氦气在气体渗碳剂
的存在下进行循环并且保持与被加工的元件所需要的一致的淬火气
氛。图2表示本发明新方法的一个实施方案。图1所公开的几个部分
与图2的相应部分的标号一样。渗碳后的元件连同炉气氛直接被转移
到淬火室3中然后与加热炉1封隔。然后用来自淬火气回收系统的淬
火气将淬火室3加压并将元件淬火。淬火气和炉气氛然后一起通过淬
火气回收系统7从淬火室3中除去。淬火后的元件然后被继续送往方
法中的下一步骤(例如机械加工步骤5)。
图2表示以上图1所述实施方案与本发明的区别。本发明降低了
设备费用和方法的复杂程度。两者都需要使用淬火室。但以往的循环
系统不能除去气体渗碳剂。
表1给出在淬火室尚未抽空时进入该室的典型的气体渗碳剂组
成。除水外，显著量的二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氢气和氮气进入
该系统中。随着淬火气加到20bar，气体渗碳剂就会占淬火室中总气
体的5％。
表1
化合物
气体渗碳剂％
淬火室中的质量(磅)
CO2
1
0.08
CH4
1
0.03
H2O
2
0.07
CO
19
0.98
H2
38
0.28
N2
39
2.02
如果没有氧气就不可能净化废淬火气，因为要除去氢气必须加入
氧气。本发明可以用催化剂然后用分子筛对全部淬火气物流进行净化
并将纯氦气送回淬火室。
图3表示气体回收系统，其中淬火气从淬火室20经管道24流到
油膜螺杆式压缩机25的吸入端。用压力调节器23将油膜螺杆式压缩
机25的吸入端的压力控制在一个最大值。油膜螺杆式压缩机25排放
150psig或更高压力的淬火气。油膜螺杆式压缩机25的排放物流经
管道26中的除油设备(未表示)然后通过膜式压缩机27的吸入端。
压缩机27的排放物处于更高的压力例如575psig(～40bar绝对
压力)。
在除油设备和压缩机27之间，流过膜式压缩机27的淬火气总流
量的大约60％会取道旁侧支管29并流过膜30。该膜经阀32将甲烷、
一氧化碳、二氧化碳和氮气弃除。膜的渗透物经由管道22和管道24
回到油膜螺杆式压缩机25的吸入端。进料、渗透物和残余物的物流
组成示于后面表2。表2所示的膜进料表示淬火室中气体(即淬火气
加上吸热气体)的稳态组成。约94％纯氦气下的渗透物与未净化的气
体混合并流过催化剂和除水器。在与淬火室均衡以前，接受器中气体
的组成大约是95％纯氦气。在与淬火室均衡时，如表1所示的吸热气
体使氦气纯度降至90％。在下面的模拟试验中没有给出氧气，但由于
空气进口阀34向压缩机25的吸入端供料，所以会有氧气存在。在氢
气转化为水和一氧化碳转化为二氧化碳的过程中氧气被全部消耗。膜
中氧气的存在据信对氦气回收和最终的稳态气体组成影响不大。
表2
膜19工艺参数的计算值
进料
残余物
渗透物
F，MMSCFD(60F)
1
0.0504
0.9496
压力，psia
150.00
150.00
6.00
温度，F
108.00
108.00
108.00
分子量
6.35
27.06
5.26
粘度，cp
0.0205
0.0182
0.0204
浓度，Mol％
氦气
89.8000
10.0000
94.0354
氮气
3.8000
61.3748
0.7442
氢气
2.1000
0.4062
2.1899
一氧化碳
1.0000
15.6039
0.2249
水
0.2000
0.0008
0.2106
二氧化碳
3.0000
10.9495
2.5781
甲烷
0.1000
1.6648
0.0169
物流No.22中氦气的回收百分数＝99.44
物流No.33中氮气的回收百分数＝81.40
物流No.33中氢气的回收百分数＝0.97
物流No.33中一氧化碳的回收百分数＝78.64
物流No.33中水的回收百分数＝0.02
物流No.33中二氧化碳的回收百分数＝18.40
物流No.33中甲烷的回收百分数＝83.91
来自膜式压缩机27的热气体流过催化剂床36以将一部分氢气转
化为水并将一氧化碳转化为二氧化碳。反应需要的氧气由油膜螺杆式
压缩机25吸入端的空气进口阀34提供。阀34使空气进入淬火气回
收系统中并受到来自氢气分析器38的信号的控制。当氢气的水平超
过预设的调定点时，氢气分析器38就会向阀门34发出信号让空气进
入。分析器38保持系统中有过量的氢气。催化剂和过量氢气的组合
可将氧气去除至PPM级，例如＜10PPM。氢气分析器位于阀42之后的
管道40中。在催化剂36之后，气体物流在换热器44中冷却并流过
分离器46以除去夹带的水。夹带的水流到阱中并从系统中排除。可
用浮标或定时器(T)来操作阱。阱使淬火气回收系统与外界空气封
闭并且不让淬火气由淬火气回收系统中逸出。淬火气从阀56充填淬
火气压载箱(ballast tank)48直至由PIT50测量的压力达到例如
590psig。淬火室中的气体并不全部都被排往淬火气回收系统，在用
膜30净化过程中要损失一些淬火气。在油膜螺杆式压缩机25的吸入
端用氦气来代替损失的淬火气。当油膜螺杆式压缩机25的吸入压力
下降至预设的调定点以下时，就会从氦气储罐52经控制阀(未表示)
流入补充氦气。
一旦淬火气压载箱48的压力达到预设的调定压力，淬火气回收
系统便结束任务并停机。当淬火气回收系统停机时，将蝶形阀54关
闭。用空气/氮气或其它气体回充淬火室并取出元件。将空室关闭并
用氮气或其它气体吹扫。然后将新装载的热元件放入淬火室20中并
通过蝶形阀60使淬火气压载箱48和淬火室20相均衡。开始下一个
循环。
就本发明优选实施方案而言，对淬火气压力约为10bar或更低
的需求可只使用一台压缩机。为了达到大约90％的氦气纯度和一氧化
碳的转化，压缩机可循环淬火室中回收的气体的60％通过压缩机和
膜。因此，压缩机可从淬火室中除去875CF的淬火气。来自压缩机
的排放物，525CF可穿过膜回到压缩机的吸入端。在15分钟的循环
时间内，压缩机可输送1400CF或5600SCFH。于是，3500SCFH的
压缩机27则相当小了。较小的压缩机27比现有技术节约投资成本和
操作费用。水分离器可用来除去夹带的水(图3#46)。可在换热器
44上增加冷凝器以使淬火气中的水份量更低。淬火气中水分的量应该
保持恒定，作为物流温度和压力下的饱和气体的形式，进入压载箱
48。
对本发明淬火气回收系统可作以下改进：
1.如果证明炉室可耐受淬火压力，可以不要淬火室20。淬火
气回收系统保持相同。
2.可以在阀23之前与管道24连接的侧工艺(side process)
中使用单独的真空泵，用以抽空淬火室20，以便回收更高百分数的淬
火气。该真空泵应当在淬火室达到常压后启动。
3.油膜螺杆式压缩机和膜式压缩机可以用其它类型的压缩机
代替和/或组合成一台压缩机。
4.流过膜的侧线物流的净化可以在压缩机27排放后的任何地
方发生。
5.侧线物流的净化过程可以用分子筛或清洗步骤来代替膜
30。
6.侧线物流的净化过程可对膜30的残余物流使用分子筛或另
一个膜来提高氦气的回收率。还可以将残余物置于单独的接受器中并
用作淬火室的吹扫气。
7.分子筛或另一个膜可以用于膜30的渗透物以实现进一步的
净化。
8.可由阀34进入纯氧来代替空气。
9.换热器44可以增加冷凝器以进一步减少淬火气中的水分。
10.如果在淬火气压载箱48和油膜螺杆式压缩机25的吸入端之
间安装管线和阀门，系统可以进行连续操作，因此，系统连续运转就
可以增加淬火气中氦气的含量或使用更小的压缩机25而得到淬火气
中相同的氦气含量。
11.在一个淬火气回收系统中可以使用一个以上的淬火室。设备
尺寸可以根据淬火室的个数来决定，并且对控制器进行调整，从而使
每个淬火室中的淬火气可达到要求的气体组成和压力。
12.为了在淬火步骤中使淬火室20中存在的氧的含量降至最
低，需要在加入热元件之前让吹扫气体流过淬火室。吹扫气体可以是
氮气、氩气、氦气或来自渗碳过程的废吸热气体。
13.为了实现无氧淬火室，可以增加单独的室来接受来自淬火室
的元件。该增加的室可以进行氮气、氩气或氦气吹扫；
14.压载箱48可以向淬火室20提供吹扫气。淬火气回收系统可
建成连续运行方式。但是，将元件由淬火室20取出后，可打开阀60
和54并让气体吹扫淬火室20一段时间。在吹扫的最后，先关阀56
然后关阀22，让淬火室处于接近常压的状态。然后将热元件加入淬火
室20，开始下一轮循环。
15.流过管道29的气体流量可以减少，这会导致较低纯度的氦
气来作为淬火气。根据淬火室中要求的冷却曲线，可以使用40％或更
高纯度的氦气。
16.可以在压缩机27之后将氧气或空气加到淬火气回收系统
中。在压缩机之后加入另外的气体会降低通过阀34的流量，因为膜
不会弃除任何氧气。当用纯氧来氧化氢气和一氧化碳时，这一选择最
有价值。
17.可以调整催化剂的类型和温度以便尽量减少或实际上消除
一氧化碳向二氧化碳的转化。为了保持90％的氦气纯度，当一氧化碳
不被氧化时，要求只有40％的物流流过管道29。管道29中40％的流
量表示与上述优选方法相比33％的降低。表3给出当一氧化碳未转化
为二氧化碳时，进料、残余物和渗透物的组成。在弃除一氧化碳时，
膜的效率是弃除二氧化碳时的约4倍。另一优点是进行淬火气回收系
统的氧化需要消耗较少的氧气。如果二氧化碳在淬火室中可能被还原
为一氧化碳但不希望还原为一氧化碳，那么这一选择是优选的方法。
表3
不进行CO转化时膜30的工艺参数计算值
进料
残余物
渗透物
F，MMSCFD(60F)
1
0.07797
0.922
压力，psia
150.00
150.00
6.00
温度，F
108.00
108.00
108.00
分子量
6.18
25.55
4.54
粘度，cp
0.0206
0.0185
0.0203
浓度，Mol％
氦气
88.8000
10.0000
95.4633
氮气
5.6000
58.9144
1.0917
氢气
2.1000
0.4003
2.2437
一氧化碳
2.8000
28.5080
0.6261
水
0.2000
0.0007
0.2169
二氧化碳
0.4000
1.0937
0.3413
甲烷
0.1000
1.0829
0.0169
物流No.22中氦气的回收百分数＝99.12
物流No.33中氮气的回收百分数＝82.02
物流No.33中氢气的回收百分数＝1.49
物流No.33中一氧化碳的回收百分数＝79.38
物流No.33中水的回收百分数＝0.03
物流No.33中二氧化碳的回收百分数＝31.32
物流No.33中甲烷的回收百分数＝84.43
本发明不限于给出的实施方案，并且知道的是，本发明旨在函盖
处于附录权利要求范围之内的所有改进方案和设备。