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1、第五章 热处理电阻炉的设计,授课人：杨晓敏,返回总目录,教学提示,教学要求,：了解热处理炉设计计算内容，掌握热处理电阻炉结构设计以及电阻炉功率计算方法。了解电阻炉功率分配和电热元件的接线。掌握电热元件材料特点，以及电热元件计算思路。了解电热元件的安装。,第五章 热处理电阻炉的设计,：热处理电阻炉的设计是一项综合性的技术工作。一台好的热处理电阻炉应能充分满足热处理工艺的质量要求。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定52 电阻炉功率的计算53 功率的分配及电热元件的接线54 电热元件材料及其选择55 电热元件的计算56 电热元件的安装57 电阻炉的性能试验及技术规范小结,第五章 热处理电阻炉的设计,
2、第五章 热处理电阻炉的设计,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,一、炉型的选择,炉型选择的原则：（1）工艺技术要求（2）工件的特点（3）生产量的大小（4）经济效益（5）劳动条件,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,（1）工艺技术要求例：无氧化加热可选用真空炉或可控气氛热处理炉；化学热处理可选用渗碳炉、渗氮炉等。表面淬火可选用表面淬火设备，如表面感应加热设备、表面火焰淬火设备等。局部淬火盐浴炉。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,技术要求：表面硬度:HRC59渗碳层深度需要渗碳设备,技术要求：表面硬度:HRC58-62淬硬层深度需要表面淬火设备,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,（2）工件的特点例：
3、长轴类工件为减少其热处理过程中的变形，常常选用井式炉；加工大中型铸、锻毛坯件的退火、正火、回火等处理宜选用台车炉；小型轴承钢球等则选用滚筒式炉；小型工、夹、模具和工件可选用盐浴炉等。,（3）生产量的大小例：大批量同类工件的热处理，如轴承类可选用机械化自动程度较高的连续作业炉；产量小，工艺变化大的或多类单件生产的零件可选用周期作业炉。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,（5）劳动条件 选择设备应尽量防止对环境的污染，减轻劳动强度，提高机械化和自动化水平。,（4）经济效益 应选择节能效果较好的炉型，选用造价低的炉型以及生产效率高又能减少各种工艺材料消耗的炉型。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,二
4、、炉膛尺寸的确定,确定炉膛尺寸依据：工件尺寸、形状、技术要求、生产率等。还要考虑炉内温度均匀性、传热特性以及装出料和检修方便。一般在保证有足够的生产效率的前提下，应尽量减小炉膛尺寸。,以箱式炉为例：炉膛尺寸包括炉膛有效尺寸（指工件实际摆放所占的面积作为炉底板有效面积）宽度B效和长度L效以及堆放工件的有效高度H效和炉膛砌砖体内腔的尺寸BLH两个部分如图左图。,炉膛尺寸及砌体结构,1、炉底面积,实际排料法（炉子一次装炉量）：（对生产量不大、工件尺寸较大而且形状特殊者）,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,原则：工件与电热元件或工件与炉膛前、后壁之间应保持一定距离，一般为0.10.15m。,加热能力指
5、标法:(当工件品种多且工艺周期不同时，炉底面积可根据炉底单位面积的生产能力生产率P0表51计算),p：炉子生产率；F1有效面积；F炉底总面积。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,原则：装料的面积F1（有效面积）一般为总面积的7085。炉底宽度B与长度L之比一般应保持在2/3-1/2。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,炉膛高度与宽度之比多数在范围内变动。对于渗碳、退火等工艺周期长的炉子，装料多，取上限；淬火、正火等工艺周期较短的炉子，装料相对少一些，取下限。,2、炉膛高度,炉衬一般由耐火材料和保温材料组成，设计时应注意以下问题：（1）确定砌体的厚度尺寸要满足强度要求，并与耐火砖、保温砖的尺寸相
6、吻合，（2）为了减少炉衬蓄热量和缩短冷炉升温时间，在符合耐火、保温和机械强度的要求下，尽量采用轻质耐火材料；（3）保温材料的使用温度不能超过允许温度，否则将使保温性能降低；（4）炉衬外表面温升以保持在4060为宜，否则会增大热损失和使环境温度升高。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,三、炉体结构设计 炉体包括炉墙、炉底、炉门、炉壳等。,1、炉衬材料的选择,中低温炉炉墙砌体：炉壳钢板石棉板保温层（硅藻土砖或蛭石粉填充料）内层耐火层（轻质粘土砖）。高温炉炉墙：炉壳钢板石棉板保温层轻质砖重质砖或高铝砖。注：（1）炉墙通常采用标准砖砌筑，因此炉墙尺寸应为标准砖尺寸（23011365mm）加砖缝厚度（一
7、般为2mm）的倍数。见附表18。（2）为防止炉墙反复热胀冷缩，大型炉的粘土砖炉墙，每米长度应留56mm膨胀缝，各层之间应错开。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,2、炉墙,保温材料,轻质耐火砖,包括平顶、拱顶和吊顶。炉膛宽度小于400600mm的小型炉，可采用平顶。电热元件常布置在炉顶与炉底上。炉膛宽度小于3.5-4m采用拱顶。拱顶常采用轻质楔形砖与标准直角砖混合砌筑，上部填充轻质保温制品，拱角（受拱顶重量及其受热产生的膨胀力形成推力作用于拱角）采用重质砖。跨度特别大的炉子采用吊顶。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,3、炉顶,拱角砖,支撑砖,保温材料,错砌,环砌,外壳钢板（612mm）石棉板
8、保温材料（硅藻土砖砌成方格子，在方格子中填充蛭石或硅藻土粉）12层硅藻土砖轻质耐火砖+重质耐火砖和电热元件搁板砖。,4、炉底,炉门框的大小取决于工件的尺寸大小，要保证装、出炉操作方便。炉门框的宽度与高度之比，一般与炉膛相同。炉门框结构通常是在铸造或钢板焊接框架内重质砖砌筑，可控气氛炉常用耐热钢制造。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,5、炉门框,结构特点和要求：炉门一般比炉门框稍大，边缘重叠95130mm，炉门边缘与炉门框要重叠；要有足够厚的保温层；炉门要压紧炉门框；炉门下缘常楔入工作台上的砂槽内等。结构通常是在铸铁框架保温砖耐火砖，炉门上应设置窥视口。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,6、
9、炉门,(1)砌砖体尺寸应是砖尺寸(230、113、65等)的整数倍(还应计入灰缝尺寸)。在砌砖体高度方向上绝不能用砍削砖的办法来满足砌砖体尺寸。(2)与铁铬铝电热元件接触的高铝质搁砖、引出套管等的Al2O3不得低于60%，Fe2O3含量应小于15，表面不得有熔洞和渣蚀。(3)可控气氛炉内壁的耐火砖，必须是一级品，Fe2O3含量应不大于1%。(4)耐火砖炉衬的灰缝：炉墙和炉底不大于2mm，炉顶不大于15mm，可控气氛炉不大于1 mm。,51 炉型的选择和炉膛尺寸的确定,7、对炉衬砌筑的一般要求,52 电阻功率的计算,(5)、炉衬的砖缝必须相互交错，错开量应以砖长的1/2为宜。炉墙拐角处砌筑必须相
10、互咬合。(6)、砌砖体必须留膨胀缝。每米砌砖体的膨胀统一般规定为：粘土砖和硅藻土砖为5-6mm。高铝砖为810 mm。(7)、隔热层用硅藻土砖时必须干砌。砖缝空隙用干燥的隔热填科填满。(8)、固定在砌体内的金属预埋件应在砌砖时同时安装。(9)、除炉口等待殊情况下，不得用重质耐火砖砌筑在与炉壳直接接触的部位，以减少热损失。,52 电阻功率的计算,计算电阻炉功率的方法：,热平衡计算法：综合考虑了影响功率的各种因素，结果比较准确。,经验计算法：简单，局限性大，仅限某种类型的炉子。,电阻炉热支出项目示意图,一、热平衡计算法 热平衡计算法基本原理：根据炉子输入总功率（收入项）应等于各项能量消耗（支出项）
11、总合原则确定炉子功率方法。1、热处理电阻炉的主要能量支出项,（1）、加热工件所需热量Q件（有效热量）,P炉子的生产率（kg/h）t1、t2工件入炉前加热的初始和终了温度。c1、c2工件在t1、t2时的比热容kJ/(kg.),G装一次装炉重量kg加加热阶段时间h（工件入炉后加热到最终加热温度t2所需加热时间）,52 电阻功率的计算,若以加热阶段作为热平衡时间单位时：,根据炉子生产率计算：,（2）、加热辅助构件（料筐、工夹具、支承架、炉底板及料盘）所需要热量Q辅,52 电阻功率的计算,p辅每小时加热辅助构件的重量kg/h；t1、t2辅助构件加热的初始和终了温度；c1、c2辅助构件在t1、t2时的比
12、热容kJ/(kg.),（3）、加热控制气体所需热量Q控,V控控制气体的用量m3/ht1、t2控制气体入炉前温度和工作温度。C控控制气体在在t1t2的平均比热容kJ/(kg.),52 电阻功率的计算,（4）、通过炉衬的散热损失Q散 此项热损失是指炉膛内热量通过炉墙、炉顶、炉底散发到大气中的热损失。炉墙加热阶段：砌体蓄热量近似代表加热阶段的热损失。炉体处于稳定态传热时，通过双层炉衬的散热损失：,52 电阻功率的计算,（5）、通过开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失Q辐,3.6时间系数F炉门开启面积(正常工作时，炉门开启高度为炉膛高度的一半)或缝隙面积；t炉门开启率（即平均1小时内开启的时间），对常开炉门
13、或炉壁缝隙而言t=1；若每小时开启6分钟，t6/60=0.1,52 电阻功率的计算,（6）、通过开启炉门或炉壁缝隙的溢气或吸气热损失Q溢或Q吸,对于一般箱式电阻炉，开启炉门时，通常以加热吸入的冷空气所需要的热量作为该项热损失，即,52 电阻功率的计算,（7）、砌体蓄热量Q蓄 砌体蓄热量是指炉子从室温加热至工作温度并且达到稳定状态时炉衬本身所吸收的热量。对双层砌体可按下式计算：,注：炉子并非在每一生产周期都从室温开始加 热，Q蓄应视具体情况而定。,（8）、其它热损失Q它 包括：未考虑到的各种热损失及一些不易精确计算的热损失，如炉衬砖缝不严、炉子长期使用后保温材料隔热性能和炉子密封性能降低以及热电
14、偶、电热元件引出杆热短路等造成热损失。此项热损失可取上述各项热损失总和的某一近似百分数。密封箱式炉为15-20%机械化炉为25%敞开式盐浴炉为30-50%,52 电阻功率的计算,2、炉子所需功率(1)连续作业炉或长时间在恒温下工作的周期作业炉（如淬火用箱式炉），可不考虑砌体的蓄热损失。,总的热量支出为：Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q吸+Q它 炉子的功率应有一定储备，安装功率为：,K功率储备系数,炉子的热效率为：,周期作业炉空炉升温时间：,52 电阻功率的计算,一般周期作业式电阻炉空炉从室温升到额定温度需要38小时，若升温时间太长，则说明功率不够，需将P安加到满足空炉升温时间数值。,(2
15、)周期作业炉,二、经验计算法1、类比法 与同类炉子相比较，当炉膛尺寸和炉体结构确定后，依据生产率、升温时间等方面的具体要求，与性能较好的同类炉子相比较，而确定新设计炉子的功率。如果所设计的炉子与参考炉子在尺寸、炉衬材料的选择以及技术指标等方面有所不同，可依据实际情况适当增减。,52 电阻功率的计算,类比法、经验公式法,2、经验公式法：适用于周期作业封闭式电阻炉,52 电阻功率的计算,53 功率的分配及电热元件的接线,一、电阻炉的功率分配（保证炉内温度均匀、按工艺要求分区分布炉温）箱式电阻炉：（1）小箱式炉，电热元件一般布置在炉侧壁和炉底，有的也安在炉顶。（2）较大的箱式炉，炉门口端约1/4-1
16、/3的部位应适当加大功率，或在炉门上另装一组电热元件。（3）电热元件引出杆常从炉后壁引出，后壁不便布置元件。（4）一般热处理炉，单位炉壁上的功率负荷控制在1535kw/m2。,53 功率的分配及电热元件的接线,井式电阻炉：深度较大的井式炉炉膛上下各部常分区配给不同的功率并分区控温。,53 功率的分配及电热元件的接线,连续作业电阻炉 加热区的功率应当是最大，均热区的功率降低，保温区的功率最小。,二、电阻炉的电压选择 1、一般电阻炉均采用车间电网电压，即380V供电，只有部分小型炉采用220V。2、当电热元件表面功率负荷相同时，采用较高的电压，可降低电热元件的总重量，但此时电热元件较细长，在炉膛内
17、较难于布置。,53 功率的分配及电热元件的接线,3、电阻炉在以下几种情况下需要调压、降压供电：（1）采用SiC棒作电热元件，需调压供电，适应电热元件使用中不断老化。（2）吸热型可控气氛炉：此气氛下，炉壁会沉积碳黑，电压较高时，靠近壁面的电热元件易透过碳黑沉积层发生短路。（3）电阻温度系数较大的电热元件，需配调压器。（4）真空炉内采用电阻较小的碳质电热元件，且为防止发生真空放电，采用低压（小于100V）。,53 功率的分配及电热元件的接线,三、电阻炉接线形式的选择电阻炉接线形式的选择一般原则：1、尽量保持三相平衡；2、每组元件的功率要适中；3、保护电热元件；4、使用中改变接法。,53 功率的分配
18、及电热元件的接线,1、尽量保持三相平衡 除功率较小的炉子外（小于25KW），可采用单相供电，皆宜三相供电。炉子功率2575KW，采用星形接法；炉子功率大于75KW，分两组或多组的星形和三角形接法。,53 功率的分配及电热元件的接线,2、每组元件的功率要适中 通常每组功率为3075KW。,53 功率的分配及电热元件的接线,两组星形 三角形,3、保护电热元件 碳化硅棒在使用过程中会逐渐老化，电阻增大。若把老化的碳化棒与电阻较小的碳化棒串联使用，则在电阻较大的碳化棒上产生较大的功率，愈趋老化；若并联使用，小电阻的碳化硅棒上功率较大，会使并联的元件寿命趋于一致。,53 功率的分配及电热元件的接线,4、
19、使用中改变接法。,53 功率的分配及电热元件的接线,一、电热元件材料的基本性能要求1、较高的熔点和高温强度；2、良好的高温抗氧化性，能长时稳定工作；3、较大的电阻率和较小的电阻温度系数；4、较小的膨胀系数；5、较好的塑性；6、良好的抗蚀性。,54电热元件材料及其选择,1、较高的熔点和高温强度 电热元件在工作温度中，应能保持不熔化，不挥发，不发生明显的蠕变和坍塌。2、良好的高温抗氧化性 要求电热元件具有较高的耐氧化界限温度。,54电热元件材料及其选择,3、较大的电阻率和较小的电阻温度系数,54电热元件材料及其选择,4、较小的膨胀系数电热元件在开炉、停炉和炉温波动时，会发生热胀冷缩。对热膨胀系数较
20、大的元件，应留有充分的膨胀余地。,54电热元件材料及其选择,5、较好的塑性以便于加工成形和维修；6、良好的抗蚀性。在选择电热元件时，应注意对各种气体介质的抗蚀能力，在腐蚀性气氛中工作时，应降低其使用温度。,54电热元件材料及其选择,二、采用电热元件材料及特性1、金属电热元件材料 镍铬系材料 铁铬铝系材料 纯金属,54电热元件材料及其选择,纯金属 优点：钼最常用。熔点高，塑性很好，可作成线状、带状和圆筒状的电热元件。缺点：高温易氧化，晶粒变粗，性质变脆，需在氢气、氨分解气或在真空中使用。电阻温度系数大。价格昂贵，热处理炉中使用较少。,54电热元件材料及其选择,镍铬系材料 牌号：Cr20Ni80、
21、Cr15Ni60、Cr20Ni80Ti3、Cr23Ni18 组织为：奥氏体 优点：抗高温氧化性强、具有较高的高温强度，且经高温加热后其机械性能不发生很大变化，具有良好的塑性和焊接性等。缺点：电阻率小，电阻温度系数大，不抗硫蚀，不抗渗碳，价格昂贵。,54电热元件材料及其选择,54电热元件材料及其选择,铁铬铝系材料 牌号：1Cr13Al14、0Cr13Al6Mo2、0Cr25Al5、0Cr27Al7Mo2 组织为：铁素体 优点：高温抗氧化性强。抗硫蚀，电阻率较大，电阻温度系数较低。价格较便宜，常使用。缺点：塑性较差，经高温加热，晶粒粗大，性脆，难于维修；高温强度低，易塌陷。,附表12 常见的金属电
22、热元件材料性能。,2、非金属电热材料：碳化硅电热元件二硅化钼电热元件碳系电热元件,54电热元件材料及其选择,碳化硅电热元件主要成分:SiC（9798）优点：氧化介质下长期工作（1350）、电阻率大。缺点：易老化（调压）；易于氢气和水蒸汽发生作用，缩短寿命；材质脆、强度低。,54电热元件材料及其选择,二硅化钼电热元件 主要成分：二硅化钼 特点：耐高温、不易老化；最高使用温度17001800；电阻温度系数大；1350会软化，失去刚性；在空气、氧化，二氧化碳气氛中有较长的寿命；含硫和氢的气氛中会破坏表面氧化膜，宜将使用温度降低到1350。,54电热元件材料及其选择,碳系电热元件 碳系电热元件包括石墨
23、、碳粒和各种碳质制品。（石墨电热元件）石墨使用最多；常在中性气氛或真空中使用；14002500的炉子，最高达3600；热膨胀系数小；热导率大；易加工；耐急冷急热性好，价格低廉；,54电热元件材料及其选择,温度（加热元件温度炉膛温度100200）一般炉温小于1000，选用NiCr系，FeCrAl系炉温在10001200，选用FeCrAl系炉温大于1200，选用纯金属或非金属。,54电热元件材料及其选择,三、电热元件的表面负荷率 1、定义：电热元件的表面负荷率W指元件单位表面积上所发出的电功率（W/cm2）。2、允许表面负荷率：W越高，发出热量越多，元件温度越高，元件材料用量减少,元件使用寿命降低
24、。表面负荷率有一个允许的数值（允许表面负荷率）。,54电热元件材料及其选择,影响W允因素：1、元件材料的特性 2、散热条件 散热条件越好，电热元件越不易超温，允许的表面负荷率也越大。（1）炉膛温度低的，散热条件好；（2）敞露型的元件散热条件优于封闭型的；（3）炉侧壁的元件散热条件优于炉底板下的；（4）螺旋型的电热元件的螺距越大，散热条件越好。3、腐蚀作用 炉内有控制气体或腐蚀气体时，W允应取低值。,54电热元件材料及其选择,55 电热元件的设计,电热元件的计算（1）电热元件的尺寸（2）结构形状和尺寸（3）碳化硅：确定其数目和端电压,55 电热元件的设计,一、金属电热元件的计算1、电热元件的尺寸
25、（1）、基本要求电热元件应具有一定电阻值，保证炉子所需功率；满足不超过允许表面负荷率，保证电热元件使用寿命。,（2）、元件的电阻和长度,55 电热元件的设计,（3）、电热元件的允许表面负荷率和长度,（4）、线状和带状电热元件尺寸,a、直径为d的线状电热元件：直径、长度，质量,元件的直径：,每个元件的重量为：,55 电热元件的计算,元件的长度：,（4）、影响电热元件尺寸和重量的因素,每个电热元件的直径，长度和质量都是元件功率p、端电压U、表面负荷率W允和工作温度下材料的电阻率t等参数的函数。,b、带状电热元件宽和厚、长度、质量,每个电热元件的长度为：,电热元件宽为b，厚为a,每段电热元件的质量为
26、：,4、电热元件的结构尺寸（线状和带状）,D：高温下，螺旋圈易倒伏，造成短路，使元件过早损坏，应增加刚度，D应选小一些；h：节距愈大，散热条件越好，可以降低电热元件温度，提高寿命，但过大，L大，不易安装。所以h(24)d,线状电热元件也可绕成波纹状：对FeCrAl元件：深度H150250mm；CrNi元件H200300mm；波纹间距h3d、1020长度L（1/4-1/6）H,带状元件皆制成波纹型,波纹高度：H10b波纹间距：h（1030）a曲率半径：r（48）a波纹体长度：,55 电热元件的计算,55 电热元件的计算,线状电热元件的波纹式、螺旋式及带状电热元件的波纹式三种方式中，从使用寿命来说
27、，以线状波纹式为最好，带状波纹式次之，而线状螺旋式最差。但线状螺旋形电热元件，结构简单，容易绕制，应用广泛；线状波纹形元件，制作困难，成本较高。,二、碳化硅电热元件的计算（数目和端电压）1、根据炉膛尺寸确定SiC棒的规格，并计算每根的功率,2、根据炉子安装功率和每根SiC棒功率确定根数,3、计算端电压4、确定电压调节范围,55 电热元件的计算,U调（0.35-2）U,56电热元件的安装,一、电热元件在炉内的安装方式安装原则:(1)保证元件固定可靠；(2)保证炉膛温度分布均匀；(3)尽可能减少元件之间及其炉壁、支撑砖之间的辐射遮蔽，以防止元件过热损坏；(4)满足炉壁表面功率负荷的要求；(5)可控
28、气氛炉中要注意防止炉气对元件的侵蚀;(6)便于电热元件的维修和更换；,56电热元件的安装,安装电热元件的支撑物：支托（搁砖、异形砖、陶瓷套管等）和挂钩（金属挂钩和陶瓷挂钩）1、安装在炉侧壁 2、安装于炉顶 3、安装于炉底 4、安装在辐射管内 5、非金属电热元件的安装方式,1、安装在炉侧壁,2、安装在炉顶-异形支托砖或挂钩支持,56电热元件的安装,3、安装在炉底,4、安装在辐射管内,5、非金属电热元件的安装方式,硅碳棒可垂直或水平安装，二硅化钼棒，高温易塑性变形，要垂直安装，电热元件距壁面的距离应大于30mm。,二、电热元件引出端的结构 电热元件引出端需穿过炉壁，散热条件差，为防止引出端温度过高
29、，应加大引出端尺寸。元件引出端应该保证与壳体绝缘良好，拆卸方便和炉子密封。,引出棒连结装置1压紧套；2压紧螺母；3螺母；4密封填料；5压紧套座,线状电热元件与引出棒的钻孔焊,三、电热元件的焊接 电热元件焊接性一般都比较差，因此应选择适当的焊接方法。镍铬元件焊接性较好，可采用电弧焊或气焊。铁铬铝元件一般质量要求的可用电弧焊，质量要求较高时应采用氩弧焊，元件各部分之间采用搭焊，元件与引出棒采用钻孔焊或铣槽焊。,螺旋状电热元件之间的搭焊,技术经济指标,57热处理电阻炉的技术经济指标,满足工艺要求：额定功率、额定温度、生产率、炉膛尺寸、温度均匀性。,满足节能要求,炉子的热效率：强化炉内热交换，缩短加热时间、合理装料，提高生产率。空载功率：提高炉衬的砌造质量、保温能力和炉子密封性。炉外壁温升：（外壁温度和环境之差）4060。砌体蓄热量：依具体情况而定。空炉升温时间：提高功率，减少蓄热量。,电热元件的设计,电阻炉主要设计过程,炉体结构,1、炉型选择,2、炉膛尺寸,3、炉衬,4、炉外形,功率计算设计 1、热平衡法；2、经验法,1、功率分配；2、接线；3、选材；4、元件尺寸；5、结构尺寸；6、安装,第五章小结,课堂习题,1、影响电热元件允许的表面负荷率的因素有哪些？各因素对允许的表面负荷率的影响趋向如何？2、线状电热元件绕制成螺旋状的结构尺寸设计步骤？,
