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加热设备及车间设计复习总结第一章 热处理设备常用材料及基础构件热处理设备常用的材料有砌筑炉墙用的耐火材料、保温材料，炉内金属构件所需的耐热金属材料，电热原件所需的电热材料，炉壳所需的金属材料。耐火材料凡是能够抵抗高温、并能承受高温物理和化学作用的材料。耐火材料的主要性能：耐火度：是耐火材料抵抗高温作用的性能，指耐火材料受热后软化到一定程度时的温度。（反映的是一种高温抗软化性能，耐火度不是材料的熔点。） 普通耐火材料 1580-1770 高级耐火材料 1770-2000 特级耐火材料 2000荷重软化温度：是指耐火材料试样在0.2 MPa压力下，以一定的升温速度加热至开始软化变形0.6%的温度，此外也标注4%和40%的软化点。荷重软化点反应材料的高温结构强度。热稳定性: 是指耐火制品抵抗耐急冷急热而不破坏的能力标准测定方法：加热850 ，保温40 min，然后在流动的冷水中冷却3 min，重新加热冷却，直至试样破坏。高温化学稳定性：是指在高温下抵抗炉气、熔盐、金属氧化物等侵蚀的能力。重烧线变化（体积稳定性）：耐火制品加热至高温，制品尺寸（长度）发生的不可逆变化，以%表示，正值表示膨胀，称重烧线膨胀；负值表示收缩，称重烧线收缩。它是将耐火制品加热到规定温度，保温一定时间，冷却至室温后其长度所产生的残余膨胀或收缩。常用的耐火制品（定型）：1 ） 粘土质耐火砖：是以耐火粘土作原料。特点： 热稳定性好（10-15次），耐火度1580-1770，中性、偏弱酸，荷重软化温度不高，使用温度不超过1350 。使用范围： 各种加热炉、热处理炉和干燥炉的炉体，不宜做电热元件的搁砖，不宜做高碳气氛炉的内衬。2 ） 高铝砖：是有高铝矾土、硅线石、天然或人造刚玉、工业氧化铝等经配料、混合、成形等工序最后经高温焙烧而成。特点： 耐火度、荷重软化温度都高于粘土砖，使用温度可达1400-1650（高于粘土砖），中性，抗渣性和热震稳定性较好。重烧收缩较大，价格较贵。使用范围： 高温炉的 （ 1000 以上 ）内衬，电热元件的搁砖。4 ）石墨制品:普通石墨制品：是用天然石墨做原料，添加耐火粘土做结合剂制成的产品优质石墨、高强石墨、高纯石墨等可制作电热元件，使用温度可达2200-3000。特点： 高的耐火度和荷重软化温度；机加工性能好，强度随着温度的升高而加强，1700 时，强度超过所有氧化物和金属材料；大气中加热易氧化。使用范围： 具有保护气氛或真空系统的高温炉。5）抗渗碳砖：用于砌筑渗碳砖，可以为粘土质也可以为高铝质，严格控制氧化铁含量（Fe 2 O 3 低于1%，H 2 和CO使Fe 2 O 3 还原产生Fe、Fe 2 C、C等产物，使体积膨胀）用途：可控气氛炉内衬材料。重质抗渗碳砖：炉膛内表面和负荷大、易磨损部位轻质抗渗碳砖：隔热层耐热金属材料热处理设备用耐热金属材料有 耐热合金钢、耐热铸铁 等耐热合金钢：高于450 条件下工作，并具有足够高的强度、抗氧化、耐腐蚀性能和长期的组织稳定性。在选择和使用电热材料时应考虑以下性能：1）耐热性 和 高温强度2）电阻系数3）电阻温度系数4）热膨胀系数5）机械加工性能电阻温度系数（1/ ）：表示电阻当温度改变1度时，电阻值的相对变化。电阻温度系数小的元件，功率稳定；电阻温度系数大的元件，以工作温度的电阻值作为功率计算依据；电阻温度系数很大的元件，需配备调压器。热膨胀系数（1 /）：电热元件受热伸长后的长度由下式确定L T =L 0 （1+ T）对热膨胀系数较大的电热元件，设计安装时必须留有充分的膨胀余地。常用电热元件材料：金属电热元件、非金属电热元件、红外电热元件金属电热元件：常用的金属电热材料有镍铬合金、铁铬铝合金，真空和保护气氛中也使用钼、钨、钽。非金属电热元件：常用的非金属电热材料有碳化硅（硅碳棒）、硅钼棒，石墨等。第二章 热处理炉的传热原理传热的基本方式: 传导、对流、辐射传导传热：热量由物体的一部分传至另一部分，或由一物体传至与其相接触的另一物体的传热现象。固、液、气态中都能发生， 要求物体相互接触， 无能量形式的变化。对流传热：流体中不同部分的相对位移时不同部分的质点相互混合，或者在运动质点与一相接处的固体表面之间所进行的热交换，只能在流体宏观运动时才能发生，无能量形式的变化。辐射传热：受热物体将热能部分转化成辐射能，以电磁波的形式向外放射，当投射到另一物体时部分被吸收转化成热能， 无需中间介质， 既有热量的交换，也有能量形式的转化， 不论温度高低任何物质都向四周放射辐射能。热流：单位时间内由高温物体传给低温物体的热量叫热流或热流量Q。热流密度：单位时间内通过单位传热面积的热流，称为热流密度，用q表示。传导传热的基本方程式：热导率：反应了物体 导热能力的大小。其数值为导热物体中相距1 1 m 处的温差为1时，单位面积上单位时间内传递的热量单层炉墙的稳定态导热计算：单层圆筒炉墙的稳定导热式中字母的含义：简单描述应用:自然对流：由于流体内存在温度（浓度）差，造成流体各部分密度不同而引起的流动称为自然流动（自然对流换热）。强制对流：流体受外力(如风机、搅拌机等)作用而发生的流动称为强制流动（强制对流换热）。层流和紊流可用一个无量纲数，即雷诺准数(Re)来判别当流体在光滑圆管中流动时：(1)雷诺数小于2100为层流(2)雷诺数大于2300为紊流(3)雷诺数在2100-2300之间时，可能为层流，也可能为紊流。透热体：到达物体表面的热辐射的能量全部透过物体，此物体称为透热体。白体：到达该物体表面的热辐射能量全部被反射。当这种反射是规则的，此物体称为镜体；如果是乱反射，则称为白体。绝对黑体：达该物体表面的热辐射的能量完全被吸收，此物体称为绝对黑体,简称黑体。所有投射到物体上的辐射能，不论其波长大小，全部被吸收，这类物体就叫做绝对黑体。理想灰体：若某物体在任何温度下的辐射能力，都等于同温度下绝对黑体辐射能力乘以同一系数，这种物体叫做理想灰体。第三章 热处理电阻炉 一、箱式电阻炉（RX）箱式电阻炉按其工作温度可分为：高温箱式炉 (1000)中温箱式炉 (6501000)低温箱式炉 (650) 命名方式为：RX-，RX3-30-9 (设计序号 功率（kW） 最高温度)中温箱式电阻炉可用于退火、正火、淬火、回火或固体渗碳等（结构图见课件）高温箱式炉用于高速钢或高合金钢模具的淬火加热，其结构与中温箱式炉相似，但电热原件布置在工作室内。（结构图看课件）低温箱式炉大多用于回火，主要靠对流换热。圆体箱式电阻炉是近几年国内厂家参照国外先进技术制造而成，产品外形、炉膛为圆形，而炉膛尺寸、炉底板、电热元件等均保留原有箱式炉特点及互换性。外表面积小，蓄热少，热损失比RX系列产品减少20以上，节能显著。二、井式电阻炉井式电阻炉外形为圆形，一般置于地坑中，适用于加热细长工件，以减少加热过程中的变形（吊挂）。井式电阻炉炉膛较深，上下散热条件不一样，为使炉膛温度均匀，常分区布置电热元件，各区单独供电井控制温度。中温井式电阻炉适用于轴类等长形零件的退火、正火、淬火及预热等。与箱式炉相比，装炉量少，生产效率低，常用于质量要求较高的零件低温井式电阻炉最高工作温度为650，广泛用于零件的回火。三、台车式电阻炉台车式炉适用于大型和大批量铸、锻件的退火、正火和回火处理。其结构特点是炉子由 固定的加热室和在台车上的活动炉底两大部分组成。与箱式炉相比增加了台车电热元件、通电装置、台车与炉体间密封装置及台车行走驱动装置台车炉密封性较差，加热室与活动台车接触边缘采用砂封装置密封。四、转筒式炉转筒式炉是在炉内装有旋转炉罐的炉子，炉罐内工件随炉罐的转动而翻动，以改善加热和接触气氛的均匀度，主要用于处理滚珠等小尺寸标准件。炉型选择的具体基本原则：1）多品种、小批量：周期性作业的箱式炉2）批量大、品种少：各种连续式机械化作业炉3）零件表面要求高：密封性好的箱式炉、井式炉、4）可控气氛多用炉、真空炉5）大尺寸型铸锻毛坯件（质量重）：台车式炉6）小型轴承钢球：转筒式炉7）对变形要求严（细长）：井式炉8）化学热处理：井式渗碳炉、氮化炉、可控气氛炉9）大批量的化学热处理：贯通式气体渗碳炉炉膛尺寸的确定：炉膛长度和宽度的确定实际排料法：按照工件实际摆放面积作为炉底的有效面积，再根据炉子温度均匀性的情况，确定实际炉底面积。有效宽度、有效长度、有效面积：炉架的作用是承受炉衬和工件载荷以及支撑炉拱，一般采用型钢焊接而成，型钢型号随炉子大小、耐火材料和结构而异。炉壳的作用是保护炉衬，加固炉子结构和保持炉子的密封性，通常用钢板在炉架上焊接而成，厚度一般取2-6mm炉衬的作用是保持炉膛温度，使炉膛的温度均匀、减少炉内热量的散失；同时炉衬本身也应减少自身的蓄热，确定其厚度的基本原则是保证炉外壳温度不超过许可的温升（50-60 ）炉底的作用是保持炉内热量和承载工件。炉顶结构形式主要有 拱顶和 平顶两种。热处理炉大都采用 拱顶。拱顶的砌法有 错砌和 环砌两种。错砌比较常用，但拆修不方便，一般用于炉内工作温度一致，不须经常拆修的热处理炉及烟道的拱顶；环砌多用于各段温度不一致的连续式炉或工作温度较高，拱顶易损坏的拱顶拱角：拱顶的圆心角称为 拱角，标准拱角为60。电阻炉功率的确定： 电阻炉功率计算列线图，过A线对应点与D线对应点，做直线交于E线O点，过O点与C线对应点做直线，延长交B线于一点，该点即为所求功率。电热元件的表面负荷：是指单位表面积上所发出的电功率电热元件的计算：主要包括元件的截面积、长度、重量以及一些结构尺寸的计算，必须满足炉子功率和一定的使用寿命（一） 金属电热元件的理论计算（1） 元件尺寸及重量1） 直径为d 的线状电热元件2） 带状电热元件(3) 电热元件寿命计算：通常把电热元件截面积氧化率达到20%，或元件的电阻增加25%、功率降低20%时的使用时间作为电热元件的使用寿命。电热元件的引出端电热元件穿过炉壁引出炉外的部分称为引出端。对金属电热元件常另外焊接不锈钢引出棒，其截面积应为元件的3倍以上。对硅碳棒引出端，其截面应为其工作部分的1.5倍以上第四章 热处理燃料炉无焰烧嘴： 当空气与煤气在烧嘴内预先完全混合后再喷出燃烧时，其燃烧过程属于动力燃烧，无明显火焰，故这种烧嘴称为内混式烧嘴或无焰烧嘴。有焰烧嘴：当空气与煤气在烧嘴外边混合边燃烧时，燃烧过程属于扩散燃烧，有明显火焰，称为外混式烧嘴或有焰烧嘴。利用离炉烟气的余热对助燃空气和煤气进行加热的装置称为预热器。炉子排烟分为 上排烟和 下排烟两种方式。理论空气消耗量：理想条件下燃料完全燃烧所需最少空气量称为理论空气消耗量。空气过剩系数：实际空气消耗量与理论空气消耗量之比为 空气过剩系数。高发热量Q高：燃烧产物冷却到燃烧物质的原始温度，且燃烧产物中的水蒸气冷凝成0的水蒸气时，单位燃料完全燃烧所放出的热量。低发热量Q低：燃烧产物冷却到燃烧物质的原始温度，且燃烧产物中的 水蒸气冷却成20的水蒸气时，单位燃料完全燃烧所放出的热量。着火温度：燃料和空气的可燃混合物可自行正常燃烧的最低温度。回火：可燃混合气体从烧嘴喷出的速度若小于火焰的传播速度，造成火焰或其根部返回到烧嘴里去的现象。脱火：可燃混合气体的喷出速度大于火焰的传播速度，则会将火焰吹散，使燃烧不稳定，甚至引起熄灭的现象。预热装置：离炉烟气温度一般为500-1000，带走热量占炉内供热量的30%-50%。第五章 热处理浴炉及流态粒子炉浴炉：利用熔融液体作为介质进行加热工件的热处理炉。特性：1）综合传热系数大，工件加热速度快2）工件加热均匀，变形小3）浴炉的 热容大，温度波动小，易实现 恒温加热4）盐液保持中性，易实现无氧化无脱碳加热5）热损失大、启动较难、劳动条件差、消耗盐碱量大、6）不易实现连续化生产1、按热源分类： 2、按工作温度分类： 3、按浴液分类：盐浴炉：低温盐浴炉用于550以下的等温淬火、分级淬火、和回火；中、高温盐浴炉用于6001300范围内工模具零件加热和液态化学热处理。碱浴炉：油浴炉：使用温度低于230的低温回火和分级淬火。铅浴炉：传热速度快但毒性大。4、按照加热方式分类：二、 内热电极盐浴炉（加热方式）电极布置在熔盐内，直接通电，以熔盐为发热体产生热量。热量主要发生在熔盐内部，交流电通过两电极间熔盐时产生较强的电磁力，驱使熔盐在电极附近循环流动，升温快，可采用非金属浴槽，熔盐内的温度场与电极的布置有很大关系，电极间的熔盐易过热而分解。1、 插入式电极盐浴炉 结构和原理：电极从坩埚上方直接插入熔盐，通入低电压（617.5）大电流（几千安培）的交流电，由熔盐电阻热效应，将熔盐加热到工作温度。优点结构简单坩埚和电极可单独更换电极制造、装卸方便电极间距可调缺点炉口只有2/3面积能使用，其它被电极占据，效率低，耗电量大由于电极自上方插入，与盐面交界处易氧化产生缩颈，电极寿命短，损耗大电极在一侧，远离电极侧温度低（炉温均匀性差）工件易接触电极，产生过热和过烧缺陷电极盐浴炉的启动固态盐 电阻值很大，无法在工作电压（ 低电压）下使其导通，因此在浴炉 开始工作时需使电极间盐熔化，电极盐浴炉启动方法很多，最常用的是的启动电阻法。将电极之间的盐加热到熔点以上100250，然后再用电极继续加热使坩埚内盐全部融化。启动所需功率按照熔化1/3盐量计算启动方法空炉启动：将启动电阻体放在炉膛底部电极区域内，加入能将电阻体覆盖的盐并使其熔化；然后将电阻体取出，再用高档位电极通电加热，将随后加入的盐全部融化。二次启动：由于开始启动时启动电阻处于冷态，其电阻值比热态小很多，为使启动电流不过载，应低档启动。当启动电阻的温度升高后，再调至高档，加快盐的熔化速度，缩短升温时间。盐基本熔化后就可脱开启动电阻，直接用电极加热。启动注意事项：1）启动电阻安装在电极附近或电极之间的坩埚底部，加入一定数量的盐，将启动电阻覆盖，逐渐加盐，当熔盐升高接触电极后，再将启动电阻取出。2）在生产结束停炉前，再将启动电阻重新置于坩埚，备下次启动用。注意不能靠近电极，不能过高。3）对插入式盐浴炉还可采用碳棒接通两极直接启动。4）启动电阻和电压要配合好，否则会烧坏。5）炉膛深的电极浴炉采用双层启动电阻。流态粒子炉：炉膛内具有流动状态粒子的间歇式热处理炉工作原理p 炉罐底部安放布风板，气体通过布风板进入炉膛，是炉罐内的固态粒子（石英砂、刚玉砂、石墨粒子或其他粒子）形成流态床，工件在流态床中加热、冷却或进行化学热处理。第六章 连续作业炉连续作业炉：借助某些机械机构（皮带、推杆等）连续地或间歇地进行装料和出料，连续、顺序地进行加热、保温和冷却的全过程。特性：1）适合大批量生产，效率高2）产品质量稳定，劳动条件好3）易于进行自动化设计炉膛有效长度按生产率和推料周期来计算：炉膛宽度按下式计算：炉膛高度H的确定方法与箱式炉相同。有时炉膛高度不等高，两端较低，中部较高，一般情况下取值(0.52-0.9)B预处理炉: 渗碳零件表面预处理，脱脂并形成氧化膜p 温度在450-500之间，顶部设置离心风扇振底式炉振底式炉设有振动机构，使装载工件的活动底板在炉膛内往复运动，借惯性力使工件连续向前移动。依据振动机构的不同分为机械式、气动式和电磁振动式。振动原理： 实际工件移动距离： S=L2-L1滚筒式炉:炉内装有旋转炉罐，炉罐不断旋转，炉内的炉料也随之旋转、翻倒和前进，小型物料不至于堆积，有利于均匀加热和均匀接触炉气氛。处理滚主类等小标准件。第七章 真空热处理炉及等离子热处理炉真空热处理是随着精密机械制造业、国防等尖端工业的发展而发展起来的新型热处理方法按照真空度分类： 低真空（ 10 -1 Pa） 高真空（10 -2 10 -4 Pa ） 超高真空（10 -4 Pa ）按照工作温度分类： 低温炉（ 650 ） 中温炉（6501000） 高温炉（1000）第八章 可控气氛炉在一般空气介质电阻炉中加热钢件时，容易发生氧化和脱碳两种缺陷。要使钢件加热时不氧化和脱碳，可以采用两种方法：1）向炉膛内送入保护气体，使钢件在保护气氛下加热；为了使工件表面不发生氧化、脱碳、烧损现象或对工件进行化学热处理，向炉内通以可进行控制成分的气氛，称可控气氛。2）把炉膛内空气抽除，使钢件在真空状态下加热。脱碳：是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程：钢中的碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳。氧、氢和二氧化碳（水）使钢脱碳，而一氧化碳和甲烷则使钢增碳。可控气氛加热的基本原理：通过钢在可控气氛中加热所发生的化学反应，了解可控气氛中各种组分的性质与作用以及对钢在加热过程中发生氧化还原、脱碳增碳反应的影响，进而确定可控气氛中的控制对象常用的可控气氛：CO、H 2 和少量的CO 2 、CH 4 和H 2 O等气体在热处理温度条件下，气体与钢进行化学反应。钢在炉气中的氧化、还原反应1、钢在CO-CO 2 气氛中的反应钢在空气中加热与氧发生氧化反应，在560以下生成Fe3O4，在560以上形成三种氧化物，内层为FeO，中层为Fe3O4 ，外层为Fe2O3 ，通常认为氧气对钢的氧化过程不可逆，无法控制。钢在CO-CO2 气氛中的氧化还原反应则有所不同，是可逆的，其反应速度和反应方向决定于CO/CO2 比值和温度。其反应方程式：反应方向由平衡常数（压力商）来判断。在一定温度下，反应达平衡时，气氛中各种气体浓度不再改变，其平衡常数为：制备气氛的种类1、 吸热式气氛1） 制备原理吸热式气氛： 原料气与理论需要空气量的一半 (n0.5)在高温及催化剂的作用下，不完全燃烧生成的气氛2、 放热式气氛1）制备原理放热式气氛：是原料气与较多的空气(n=0.50.95)的不完全燃烧产物，所产生的热量足以维持反应进行8.4 可控气氛碳势及氧势8.4.1碳势的控制(以吸热式气氛为例)1、 碳势的控制原理碳势的控制：控制可控气氛的碳势，使之与钢的表面确定的含碳量相平衡。控制原则：控制气氛中CO/CO 2 、 H 2 /H 2 O组分的相对含量，使炉中气氛的碳势与钢表面要求的含碳量相平衡。在吸热式气氛中CO 2 和H 2 O的含量很低，少量的变化即可影响气氛的碳势。因此，控制CO 2 和H 2 O的含量即可控制碳势。2 、碳势的控制方法1）红外分析仪法：基于各种气体对红外线的不同吸收效应而测定气体成分，常以测定、控制气氛中的CO 2 含量，来控制碳势。2）露点仪法：通过露点（气体中水蒸气凝结成水雾的温度，即在低压力下气体中水蒸气达到饱和状态下的温度）来控制碳势。露点越低，气氛的碳势越高。3）电阻探头：奥氏体状态的渗碳温度下，一段细铁丝很快被渗碳，其电阻值与含碳量之间存在函数关系，从而通过测量细铁丝的电阻值便能感知炉气的碳势。8.4.2 氧势控制1、氧势的控制原理在渗碳气氛中，还有如下反应：2、 方法：Po 2 通过氧探头测定氧化锆传感器基本原理： 氧化锆具有高温下传导氧离子的特性。当两侧的氧浓度不同时，高浓度侧的氧分子会夺取铂电极上的自由电子，以离子的形式通过氧化锆到达低浓度侧，经铂电极释放多余电子，从而形成氧离子流，在氧化锆管两侧产生氧浓度差电势。第九章 热处理感应加热及火焰加热装置一、中、高频电流的特点：1集肤效应 2.邻近效应 3.圆环效应 4.尖角效应涡流：由于工件内存在着电动势，从而产生闭合电流，称之为涡流。交流电流通过导体时，在导体表面电流最大，越向内部电流密度越小的现象称为集肤效应电流透入深度：电流频率越高，集肤效应越显著。在工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于表面最大涡流强度的0.368倍时，该处到表面的距离就称做电流透入深度。感应热处理设备的选择二、感应热处理设备的分类