第三章热处理电阻炉设计09.1.doc

长春工业大学教案【教学单元首页】第 7-12 次课 授课学时 10 教案完成时间：2012/9/1章、节第三章热处理电阻炉设计；4.1电阻炉的基本特点；4.2筑炉材料；4.3电阻炉结构设计；4.4电阻炉功率计算；4.5电阻炉的功率分配和电热元件接线；4.6电热元件的计算及材料选用；4.7电热元件的安装；4.8热处理电阻炉的经济技术指标主要内容1.箱式电阻炉；井式电阻炉；耐火材料；保温材料；炉用金属材料。2.收集设计原始资料和确定炉型；炉膛设计；炉体结构设计；热平衡计算法；经验计算法。3.功率分配；供电电压和接线方法；电热元件材料性能要求；常用电热元件材料及特点；电热元件表面负荷；电热元件的计算。4.安装方式；电热元件引出与焊接；性能试验；电阻炉的技术规范。目的与要求目的：了解常用筑炉材料和电阻炉的分类、结构特点，学习热处理电阻炉设计一般流程和方法、电热元件选材和设计计算等，为合理选择热处理设备和从事热处理设备设计工作打下必要的基础。要求：了解筑炉材料性能，掌握中温箱式电阻炉和井式气体渗碳炉的结构特点及用途；掌握热处理电阻炉设计的一般流程和方法；掌握电热元件选材和设计计算方法。重点与难点重点：中温箱式电阻炉和井式气体渗碳炉的结构、特点用途；电阻炉结构设计和功率计算；电热元件的设计计算。难点：炉体结构设计；电热元件的设计计算。教学方法与手段板书和多媒体教学结合。第四章 热处理电阻炉设计4.1电阻炉的基本特点热处理电阻炉是以电为能源，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子。按照电阻炉结构特点可分为箱式电阻炉、井式电阻炉、台车式炉等。这里我们主要介绍一般企业均有的箱式电阻炉和井式电子炉的类型和特点。一.箱式电阻炉1.箱式电阻炉的分类和命名按工作温度不同，箱式电阻炉可分为高温箱式电阻炉（1000）、中温箱式电阻炉（650-1000）和低温箱式电阻炉三类。一般企业的箱式电阻炉通常均是中温箱式电阻炉。因而这里仅介绍中温箱式电阻炉。箱式电阻炉型号和命名方式为：RX+设计序号+功率（KW）+最高工作温度/100，如RX2-45-9中，R表示是电阻炉，X表示是箱式，2为设计序号，45表示箱式电阻炉的额定功率为45KW，9表示箱式电阻炉的最高工作温度为950。2.中温箱式电阻炉用途及结构炉门摇手柄观察孔装料平台平衡砝码平台支撑板耐火砖电热元件和搁砖导轨热电偶A3钢板角钢摇手柄中温箱式电阻炉在企业主要用于工件的退火、正火、淬火（一般主要用于调质处理的淬火）、回火和固体渗碳（目前固体渗碳已很少用，只在一些特殊情况下使用，如油嘴的渗碳）等。中温箱式电阻炉炉体主要由炉壳、炉衬、加热元件等组成。炉壳一般由角钢和钢板焊接而成。炉衬：标准炉一般均是由耐火层和保温层两层结构。耐火层一般用体积密度大于1.0g/cm3的轻质耐火粘土砖砌筑，保温层则用保温砖砌筑骨架，然后填充蛭石粉、膨胀珍珠岩粉等组成。非标准炉当炉温较低时如750-800使用的炉子，也有采用轻质粘土砖+普通硅酸铝纤维毡组成。加热元件：通常是铁铬铝或镍铬合金丝绕成的螺旋体，布置在炉膛两侧和炉底搁砖上。炉底通常覆盖耐热钢板，也有使用普通钢板的。*二.井式电阻炉：1.特点和分类特点：1）外形为圆型；2）一般置于地坑中；3）炉温通常分区控制；4）适用于细长工件热处理。电风扇井式回火炉分类：按工作温度和工作性质分为高、中、低温井式电阻炉和井式气体渗碳炉、井式气体C-N共渗炉、井式气体N-C共渗炉、气体氮化炉等。其中井式气体渗碳炉应用最多，故这里仅介绍井式气体渗碳炉。2.井式气体渗碳炉用途：广泛用于机械零件的表面渗碳处理。构成：主要由炉壳、炉衬、炉盖、提升机构、风扇、炉罐、滴注器、温度控制及碳势控制装置等组成。炉壳由钢板焊接而成。炉衬一般是耐火层+保温层两层结构。炉罐过去用铬锰氮钢铸造而成，现在一般用耐热钢板焊接而成。炉盖上有电机、风扇、滴液管、排气管、试样孔等组成。3.2筑炉材料筑炉材料主要包括耐火材料、保温材料、炉用金属材料等。一.耐火材料耐火材料是能抵抗高温并承受高温下产生的物理、化学作用的材料的统称。耐火材料性能包括物理性能如体积密度、气孔率、热膨胀性、导热性等和工作性能如耐火度、高温结构强度、耐急冷急热性能等。1.耐火材料工作性能1）耐火度：耐火度指耐火材料抵抗高温作用的性能，用耐火材料受热后软化到一定程度时的温度表征。耐火度测定：将一定尺寸的三角形锥体，在规定的加热条件下加热，当试锥顶部因受温度及本身重量影响弯到刚接触底平面时的温度称为该材料的耐火度。按耐火度不同，耐火材料分为：普通耐火材料：耐火度在1580-1770；高级耐火材料：耐火度在1770-2000；特级耐火材料：耐火度在2000以上。2）高温结构强度：高温结构强度用荷重软化点评价，即在一定压力（196KPa，轻质材料为98KPa）条件下，以一定速度加热，测出试样开始变形（0.6%）时的温度和试样变形达4%、40%的温度，前者叫荷重软化开始点，后者叫荷重软化4%或40%软化点。耐火材料的高温结构强度主要取决于化学成分和体积密度。耐火材料的使用温度必须低于其荷重软化点。3）高温化学稳定性：高温化学稳定性指耐火材料在高温下抵抗熔渣、熔盐、金属氧化物及炉内气氛等的化学作用和物理作用的性能。高温化学稳定性常用抗渣性来评定，它取决于组成物的化学性质及其物理结构，目前多数仅以定性指标表示。例如无罐气体渗碳炉耐火砖用三氧化二铁含量小于1%的抗渗碳砖。4）耐急冷急热性能（热震稳定性）：耐急冷急热性能指材料抵抗温度急剧变化而不发生破坏的性能。测定方法：将耐火制品加热到850，然后放入流动冷却水中冷却，反复进行该过程，直到其破碎或剥落重量损失达到20%时的次数。耐急冷急热性能与制品的物理性能、形状和大小等因素有关。5）高温体积稳定性：高温体积稳定性：指高温下长期使用时，化学成分发生变化，产生再结晶和进一步烧结，从而使耐火材料的体积发生收缩或膨胀。通常用膨胀系数或重烧线收缩来表示。2.常用耐火材料1）耐火粘土砖：最常用的耐火材料，主要用于炉顶、炉底、炉侧墙等耐火层。2）高铝砖：主要用于高温热处理炉耐火层、电阻丝或电阻带搁砖、热电偶导管、马弗炉炉芯等。3）轻质砖与超轻质砖：主要用于炉墙和炉顶。4）耐火纤维：主要用于低温炉的保温材料。分晶质和非晶质耐火纤维两种。非晶质耐火纤维：分普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、含铬硅酸铝纤维和高铝纤维四种。其中普通硅酸铝纤维是应用最广泛的耐火纤维，常制成各种厚度的纤维毡。晶质耐火纤维：主要有多晶莫来石纤维和多晶氧化铝纤维两种。二.保温材料1.保温材料特点：体积密度小；气孔率高；热容量小；热导率小等。2.常用保温材料：硅藻土、蛭石、矿渣棉、石棉、高温轻质珍珠岩等。三.炉用金属材料1.炉外用金属材料：主要用于炉子外壳和构架，如Q235A钢板、角钢、槽钢、工字钢等。2.炉用耐火钢：用作炉底板、炉罐、坩埚、辐射管、导轨、料框、炉辊、传送带、夹具、紧固件、电热元件及其引出棒等。我国早期均采用3Cr18Ni25Si2和1Cr25Ni20Si2。60年代后期采用铬锰氮和铬锰氮硅钢。近年来开始使用含镍少的3Cr24Ni7SiN和3Cr24Ni7SiNRe。4.3电阻炉结构设计一.收集设计原始资料和确定炉型包括：1）炉子的生产任务（公斤或件/小时或年）及作业制度（一版、二班还是连续生产）；2）加热工件的材料、形状、尺寸和重量；3）工件的热处理规程和质量要求；4）电源及车间厂房等条件；5）炉子的制造维修能力及投资金额等。根据收集的资料，首先进行初步设计，确定炉型，最好能有几套方案，广泛征求有关人员意见，反复进行技术、经济性比较论证，确定最佳炉型。炉型确定以后，接下来的工作就是炉膛和炉体的结构设计。*二.炉膛设计炉膛尺寸主要根据工件形状、尺寸、技术要求、装卸料方式、操作方法和生产率等来确定。对于箱式电阻炉，炉膛尺寸包括炉膛有效尺寸（指装载工件的炉底板宽度B效和长度L效以及堆放工件的有效高度H效）和炉膛砌砖体内腔尺寸BLH两部分。 1.炉底面积炉底面积确定有两种方法：方法一：对于生产批量不大、工件尺寸较大且形状特殊者常采用实际排料法，此时有：L=L效+(0.2-0.3）m；B=B效+(0.2-0.3）m方法二：对于工件加热周期和装炉量不明确情况如通用炉设计，此时常采用加热能力指标法进行设计。假设：1）炉底单位面积生产率为p0（单位时间内单位炉底面积所能加热金属重量）；2）炉底有效面积为F1，总面积为F，且F1=（0.7-0.85）F；3）炉子生产率为p，F1=p/p0；则：，B=（1/22/3）L。求出B、L后，与标准系列炉尺寸进行比较后确定实际炉底尺寸，以便选用标准尺寸炉底板。2.炉膛高度：炉膛高度指炉底面至炉顶拱角距离。炉膛高度常决定于装料高度和电热元件安装位置，一般装料上方应保持200-300mm的空间。根据统计资料，炉膛高度与宽度之比多数在0.5-0.9之间，一般取0.8左右。中高温炉以辐射为主，炉膛应高些，而低温炉以对流为主，炉膛应低些。在决定炉膛砌砖体内腔高度时，必须考虑炉内侧壁安装搁砖层数，标准搁砖每层高度67mm（包括灰缝）。三.炉体结构设计炉体包括炉墙、炉底、炉顶和炉门。1.炉底炉底起保持炉内热量和承载工件的作用，通常箱式电阻炉炉底结构是在炉底外壳钢板上用保温砖砌成方格子状，在格子内填充保温材料散料，再在上面平铺1-2层保温砖，接着铺一层轻质粘土砖，上面安置支撑炉底板或导轨的重质粘土砖和电热元件搁砖。2.炉墙炉墙主要为砌体，外部包炉壳钢板。中低温炉炉墙一般分两层，内层耐火层常用轻质粘土砖砌筑，外层为保温层，由保温材料构成。高温炉炉墙常采用三层，内层用重质砖或高铝砖砌成，中间为过渡层，一般用轻质砖砌筑，外层为保温层。有的低温炉采用双层钢板内填保温材料的结构。因为炉墙通常采用标准砖砌筑，因此炉膛尺寸应为标准砖尺寸（23011365mm）加砖缝尺寸（一般2mm）的倍数，最常见的炉墙由内向外各层厚度：中温炉是113mm轻质粘土砖+230mm保温砖，高温炉是113mm轻质高铝砖+113mm轻质粘土砖+230mm保温砖。为防止炉墙反复热胀冷缩发生开裂，在大型炉的炉墙粘土砖层，每米长度应留5-6mm的膨胀缝，各层间的膨胀缝应错开，缝内填入马粪纸或掺有25-30%石棉的灰浆。3.炉顶炉顶结构有平顶和拱顶两种，热处理炉大都采用拱顶，小型炉也可采用预制耐火材料平板炉顶，大型炉大都采用吊装式平顶。拱顶的圆心角称为拱角，标准拱角为60度，拱顶质量及其受热时产生的膨胀力形成的侧推力作用在拱角上。因此，拱角常用轻质楔（xie）形砖砌筑，上砌筑轻质保温制品，而拱角则用重质砖砌筑，以承受较大的侧推力。较大的炉子为减轻重量，还常另有钢架结构支撑拱角。4.炉门炉门部分包括炉门洞口、炉门框和炉门。炉门洞口截面尺寸要保证装出料方便和炉子安装电热元件和维修的需要，通常应小于炉膛截面尺寸，以减少热损失和保护电热元件。高温炉的炉门洞口长度应较大，以减少炉门洞口的辐射热损失。炉门洞口的砌体常受工件摩擦碰撞，应采用重质砖或其它较坚固的耐火砖砌筑。炉门应保证炉子操作方便，炉口密封好（特别是可控气氛）和减少热损失。其基本结构特点是：要有足够厚的保温层，炉门边缘与炉门框要重叠65-130mm，炉门要压紧炉门框，炉门下缘常楔入工作台上的砂槽内，炉门与炉门框间加密封垫圈，并考虑减轻炉门重量等。最常用的炉门压紧方法是在炉门侧面设置楔铁或滚轮，当炉门落下时，楔铁或滚轮滑入炉门框上的楔形滑槽或滑道内，炉门越向下，炉门将越压紧炉门框。一般靠自重使楔铁滑入楔形槽内，有时在炉门下设一气缸，靠气缸的活塞杆作用把炉门拉下，使滚轮或楔铁与滑道或楔形槽配合更紧密，将炉门紧压在炉门框上。此外，还有倾斜炉门自动压紧、偏心轮或丝杠压紧等方法。炉门框可用铸造或钢板焊接制造，后者质量轻，便于启闭，但容易变形，影响密封性。对可控气氛炉要用耐热钢制造，或利用水套冷却炉门框。对高温炉处在炉口上缘的炉门框板还常开出条形切口，作为热膨胀缝。4.4电阻炉功率计算一.热平衡计算法1.热处理炉主要能量支出项一般炉子的能量消耗项包括加热工件吸收的能量Q件（有效热）、通过炉壁的散热损失Q散（空载时主要能量消耗项，无效热损失）、砌体畜热量Q畜（周期作业炉主要能量消耗项，无效热损失）、炉内气体外溢和对外辐射热损失Q溢和Q辐（与炉子温度和操作状态有关，对高温炉应特别注意该两项能量损失，对敞开炉门的炉子，此项热损失有时成为能量消耗的重要项目）、可控气体的热损失Q控（决定于气体消耗量，采用密封式自动装卸料的炉子，其气体消耗量和热能损失可大为降低）、炉内金属构件直接伸出炉外的短路损失Q短（在机械化作业炉子上较为严重，对于一般炉子应尽量避免）、料盘和夹具等反复加热和冷却带来的辅助构件热损失Q辅（有时也占较大比例，在可能的情况下应尽可能减少辅助构件或不使辅助构件反复拉出炉外）、供电设备和导线引起的电能消耗Q供（对直接从电网供电的炉子一般较小，仅占总损失的1，但对经变压器降压、低压大电流供电的炉子，此项电能消耗也很可观），此外，炉子能量消耗还有许多项目难于计算，设计时归入其它热损失Q它项目中。1）Q件计算Q件P件（c2t2-c1t1），式中P件为炉子的生产率（kg/h），t1和t2为工件加热的初始和终了温度（），c1和c2为工件在t1和t2时的比热容（KJ/kg）。如以加热阶段作为热平衡计算时间单位，则：Q件G装（c2t2-c1t1）/加，式中G装为一次装炉料重量（kg），加为加热阶段时间（h）。2）Q辅（包括料筐、工夹具、支承架、炉底板及料盘等）Q辅P辅（c2t2-c1t1），式中P辅为每小时加热辅助构件的重量(kg/h)，t1和t2为辅助构件加热的初始和终了温度（），c1和c2为辅助构件在t1和t2时的比热容（KJ/kg）。3）Q控（加热控制气体所需热量）Q控V控c(t2-t1)，式中V控为控制气体的用量（m3/h），t2和t1为控制气体入炉前的温度和工作温度（），c为控制气体在t2t1温度范围内的平均比热容（KJ/m3）。4）Q散（通过炉衬的散热损失）在炉体处于稳态传热时，通过双层炉衬的散热损失为：，式中tg和ta为炉气和炉外空气的温度（），对电阻炉可近似认为tg等于炉内壁温度或炉温；1和2为第一层和第二层炉衬的厚度（m）；1和2为第一层和第二层炉衬的平均热导率（KW/m）；1为炉气对炉体内衬表面的综合换热系数（KW/m2），其值一般较大，故1/1近似为零，可忽略不计；2为炉体外壳对其周围空气的综合换热系数（KW/m2）；Aav为炉体的平均散热面积（m2）；3600为时间系数。当炉顶、炉壁、炉底和炉门的炉衬材料和厚度不同时，应分别计算各自的散热损失。5）Q辐（开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失）Q辐3.60Ai(Tg4-Ta4)，式中A为炉门开启面积或缝隙面积（m2）；3.6为时间系数；为炉口遮蔽辐射系数（见图）；i为炉门开启率，对常开炉门和炉壁缝隙而言，i1。6）通过开启炉门或炉壁缝隙的溢气或吸气热损失Q溢和Q吸当炉压为正值时（如可控气氛炉），开启炉门时将引起炉气外溢；当炉压为负值时（一般对燃料炉而言）将吸入冷空气。对于一般箱式电阻炉，开启炉门时，零压面以上为炉气外溢，零压面以下将吸入冷空气，通常将加热吸入的冷空气所需的热量作为该项热损失，即：Q吸=qvaaca(tg-ta)，式中ta为炉外冷空气温度（）；tg为吸入冷空气在炉内被加热的温度（），其值随炉门开启时间的延长而降低，若炉门开启时间很短，则可近似为炉子工作温度；a为空气的密度（kg/m3）；ca为空气在tg-ta温度范围内的平均比热容（kJ/kg）；qva为吸入炉内的空气流量（m3/h）。qva可根据公式计算，对空气介质的850热处理电阻炉，假设空气温度为20，相对零压面在开启炉门高度的中分线，则数值关系为：qva1997BH,式中B为炉门或缝隙的宽度（m），H为炉门开启高度或缝隙高度（m），1997为系数，单位为m0.5/h。7）Q畜（砌体畜热量）气体畜热量指炉子从室温加热到工作温度并且达到稳定状态时炉衬本身所吸收的热量，对双层壁砌体可按下式计算：QV11(c1t1-c1t0)+V22(c2t2-c2t0)，式中V1和V2为耐火层和保温层的体积（m3）；1和2为耐火、保温材料的密度（kg/m3）；t1和t2为耐火层和保温层达到稳定状态时的平均温度（）；t0为室温（）；c1和c2为耐火、保温材料在和时的比热容（kJ/kg）；c1和c2为耐火和保温材料在t0时的比热容（kJ/kg）。实际生出中，炉子并非在每一生产周期都从室温开始加热，炉砌体常保持远高于室温的温度，其温度值与生产中冷却阶段和装料阶段的热损失有关，特别是炉子重新开炉前的空闲（停炉）时间有关，因此，此项热损失的真正值应视具体情况进行修正。8）Q它此项热损失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偶、电热元件引出杆的热短路等所造成的热损失。通常，对于密封箱式炉取上述各项热损失和的15-20，对机械化炉取25，对敞开式盐浴炉取3050。2.炉子所需功率1）连续作业的炉子功率连续作业炉工作时，可认为炉体已处于热稳定状态，不再吸热，因此，其总的热支出为：Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q吸+Q它。实际生产中考虑到炉子长期使用后炉衬局部损坏引起热损失增加、电压波动、电热元件老化等引起炉子功率下降、工艺制度变更要求提高功率等因素，因此，炉子功率应有一定的储备，即实际炉子功率应在Q总的基础上乘以功率储备系数K（对于连续作业炉，K1.21.3，对于周期作业炉，K1.41.5），因此，炉子的安装功率P安KQ总/3600。炉子的热效率2）周期作业的炉子功率对周期作业炉，按上式计算出功率后，还需按下式计算空炉升温时间：，若空炉升温时间太长，则应加大炉子功率使其满足空炉升温时间要求。二.经验计算法炉子功率经验计算法以统计数据为基础，下式为计算周期作业封闭式热处理电阻炉功率的经验公式：，式中为空炉升温时间（h），A为炉膛内壁面积（m2），t为炉温（），C为系数，热损失较大的炉子，C30-35，热损失较小的炉子，C20-25，单位为kWh0.5/m1.81.55。4.5电阻炉的功率分配和电热元件接线一.电阻炉的功率分配由于炉膛内各部分散热条件和炉气运动状态存在差异，炉内温度常存在不均匀，为实现热处理工艺的准确性和提高炉膛利用率以及安装方便，常须对炉子各部分输入不同的功率，分区布置电热元件，必要时还应分区控制。对于小型箱式炉，电热元件一般都均匀布置在炉侧壁和炉底，有的也安装在炉顶。对尺寸较大的箱式炉，在炉门口端约占1/4-1/3的部位应适当加大功率，加大量为平均功率的15-20%，或在炉门上安装一组电热元件，以提高炉前区的温度，补偿炉口处的热损失。由于电热元件引出杆常从炉后壁引出，故后壁不便布置电热元件。对于一般热处理炉，单位炉壁上的功率负荷一般控制在15-30KW/m2。井式炉由于炉口散热量较大和热气流上浮的作用，炉口和炉底处的温度易偏低，而中部温度较高。因此，深度较大的井式炉，炉膛上下各部分分区配给不同的功率并分区控制（见下表）。H/D热区数炉温（）炉膛内壁的单位功率负荷（KW/m2）上中下1950/15/1200/20-25/1-295015/15120020-25/20-251.5-3950151015120020-2515-2020-25二.电阻炉的电压选择一般电阻炉均采用车间电网电压即380V，只有部分小型炉采用220V。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较长，在炉膛内较难布置。电阻炉在以下几种情况下需降压供电：1）采用碳硅棒等非金属电热元件时，由于电热元件电阻较小，且在使用中电阻不断增大，因而需降压和调压供电。2）吸热型可控气氛炉也常降压供电，因为在该气氛中，炉壁上为沉积碳黑，当电压较高时，靠近壁面的电热元件容易透过碳黑沉积层发生短路。3）采用电阻温度系数大的电热元件如钼丝钨丝等，为稳定炉子在不同温度下的功率，需配备调压器。4）为保证人身安全，某些炉子如电极盐浴炉，也应低压供电，一般应低于36V。5）在真空炉内常采用电阻较小的碳质电热元件，且为防止真空放电，也应采用低压（100V）供电。三.电阻炉接线形式的选择电热元件的接线方式很多，可根据炉子功率的大小等因素考虑选用何种接线方式。一般而言，当炉子功率小于25KW时，采用220V或380V单相接线法；当炉子功率为25-75KW时，采用三相380V星形接线法，个别的也有采用三相380V三角形接线法；当炉子功率大于75KW时，可将电热元件分成两组或两组以上的三相380V的星形或三角形接法。每组功率以30-75KW为宜，即每相功率在10-25KW之间，这样，可使每一组电热元件的功率不致过大，便于布置安装，而且电热元件的尺寸也比较合适。电热元件接线方法和功率计算见下表：接线方法示意图元件数目n/组数m总功率串联nP=U2/nr(电阻)并联nP=nU2/r先并联再串联nmP=nU2/mr先串联再并联nmP=mU2/nr星形3P=U2/r三角形3P=3U2/r双星形6P=2U2/r双三角形6P=6U2/r串联-星形3nP=U2/nr串联-三角形3nP=3U2/nr4.6电热元件的计算及材料选用一.电热元件基本性能要求作为理想的电热元件，应具备以下基本性能要求：1）较高的熔点和高温强度：以确保电热元件在工作中不发生熔化、挥发、无明显的蠕变和塌陷。2）良好的高温抗氧化性，能长期稳定的工作：3）较大的电阻率和较小的电阻温度系数：因为电阻率越大，电热元件长度越短，电阻温度系数越小，炉子功率随温度变化而发生的波动越小。电阻率和电阻温度系数间的关系可用下式表示：t=0(1+t)。4）较小的膨胀系数：因为在开炉、停炉或炉温波动时，电热元件将发生热胀冷缩，过大的膨胀系数将导致电热元件发生过度的伸长和收缩，产生将较大的应力，使电热元件表面的氧化膜破坏，致使氧化加速和电热元件过早失效。此外，安装电热元件时应注意留有充分的膨胀余地。5）较好的塑性：以便于加工和维修。6）良好的抗蚀性：电热元件在不同的气氛中工作时会受到不同程度的侵蚀，降低其使用寿命。选择电热元件时，应注意其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。二.常用电热元件材料及特性电热元件分金属和非金属两大类。1.金属电热元件1）镍铬系材料这类材料主要有Cr20Ni80、Cr15Ni60、Cr20Ni80Ti3、Cr23Ni18等牌号。特点：铬能在电热元件表面形成致密的Cr2O3氧化膜，保护基体不受氧化；具有较高的高温强度，且经过高温加热后机械性能变化较小；具有良好的塑性和焊接性能，易拉丝和绕制，便于返修；由于Ni和N的亲和力小于Fe，该材料在氮化性气氛中比较稳定；在含S气氛中容易形成硫化物、在含CO气氛中长期加热氧化膜会发生破坏，导致渗碳，使表面的熔点降低，导致裂纹形成甚至熔断；价格高，电阻率小，电阻温度系数大；金相组织为奥氏体。2）铁铬铝系材料牌号：主要有1Cr13Al14、0Cr13Al6Mo2、0Cr25Al5、0Cr27Al7Mo2、0Cr25Al6Re和Cr23Al6CoZr等。特点：Al、Cr可在电热元件表面形成Cr2O3和Al2O3致密膜，Cr、Al含量越高，材料耐氧化能力和电阻率越大；与镍铬系相比，这类材料具有较高的抗氧化能力和抗硫蚀能力，电阻率较大，电阻温度系数较低，可用于较高的温度；主要缺点是塑性较差，经高温加热后晶粒十分粗大，性脆，难于维修；高温强度较低，易塌陷；在渗碳气氛中长期工作，氧化膜会发生破坏而发生渗碳，使使用寿命降低；价格较便宜，在热处理炉中应用广泛。金相组织是铁素体。3）高熔点金属和铂钼、钨、钽（tan）的熔点分别为2625、3370、3000，这类材料高温易氧化，常需在氢气、氨分解气或真空中使用，在高真空中，钼、钨、钽的最高使用温度分别为1800、2400、2200。铂的熔点为1773.5，在高温空气中不氧化，可制作1200-1600高温电热元件，但会与氢和碳氢化合物发生反应。这类元件电阻温度系数很大，采用时常应附加调压器调节功率。2.非金属电热元件1）碳化硅电热元件常制成碳硅棒，在氧化性气氛中可在1350下长期工作。具有很大的电阻率：低于800为负值，高于800为正值；碳、硅均能与氧反应，在加热和冷却过程中，氧化硅反复破裂和形成，使氧化加深，电阻增大，这种随使用时间延长电阻增大的现象称为老化，元件老化后需提高电压才能保证炉子原有的功率；碳硅棒易与氢气和水蒸气发生作用而显著缩短其使用寿命，故当炉内含有水分时，升温时应打开炉门，使水分排出；碳硅棒质脆，强度低，安装使用过程需特别注意。2）二硅化钼电热元件最高使用温度可达1700-1800；高温下允许采用较高的表面负荷率；电阻率随温度升高呈直线增大，便于在低温时输入较高的功率缩短升温时间；温度高于1350时会软化而失去刚性，故不宜水平安装；在空气、氧化性气氛、水蒸气和二氧化碳气氛中使用有较长的寿命，在含硫和氢的气氛中工作由于表面膜破坏，使用温度宜降低到1350以下使用。3）碳系电热元件石墨、碳粒和各种碳制品都属于碳系电热元件，由于碳与氧的亲和力很强，常在中性气氛和真空中使用；石墨电热元件应用最多，常用于1400-2500之间的炉子，最高达3600，一般制成管状或带状使用；石墨热膨胀系数小，热导率较大，易加工，耐急热急冷性好，价格低廉；石墨带有高纯碳材料制成，常用聚丙烯腈（jing）碳纱经石墨化处理然后编织而成，石墨带质地柔软，高温性能稳定，常用作真空炉的电热元件；以碳粒作电热元件时，通常将碳粒填充在沟槽内或圆筒中，这时的电阻为碳粒本身的电阻和碳粒间的接触电阻之和。三.电热元件的表面负荷电热元件的表面负荷指元件单位面积上所发出的电功率，单位W/cm2。元件表面负荷越高，发出的热量越多，元件温度越高，所用元件材料越少。但元件表面负荷过高，元件将因温度过高而缩短其使用寿命，甚至严重氧化、变形倒塌或熔化。因此，表面负荷应有一允许值，称为允许表面负荷W允。影响允许表面负荷大小的因素主要包括以下几个方面：1）元件材料不同元件材料其允许表面负荷不同。2）元件实际工作温度元件的实际工作温度与元件的散热条件、炉温、元件结构和安装状态等因素有关。炉温越低；螺旋形元件的螺距越大；电热元件结构：波纹形电阻丝优于波纹形电阻带，波纹形电阻带优于螺旋形电热元件；敞露型优于封闭型；侧壁电热元件优于炉底板下电热元件；工件黑度大时散热条件优于工件黑度小时；对于同一种电热元件材料，散热条件越好，允许的表面负荷越大。3）元件工作介质在腐蚀性介质中工作的电热元件，应采用较低的表面负荷或降低使用温度，例如能破坏表面钝化膜的化学热处理介质。四.金属电热元件的计算1.电热元件的尺寸和质量1）元件的电阻和长度设炉子共有n个元件，炉子的安装功率为P安（KW）则每个元件的功率p=P安/n在额定工作温度下元件的电阻Ri=，式中U为元件端电压（V），L为每个元件的长度（m），f为每个元件的截面积（mm2），i为元件在工作温度下的电阻率（.m）。因此，2）元件的允许表面负荷和长度元件功率P=W允A10-3，式中W允为允许表面负荷（W/cm2），A为每一元件表面积（cm2）。A=10SL，S为截面周长（mm）因此，P=W允A10-3=W允10SL10-3=W允SL10-2，L=100P/W允S3）线状和带状电热元件尺寸由和L=100P/W允S可得：Sf=对于线状电热元件，S=d(mm)，f=d2/4(mm2)，因此，Sf=2d3/4，代入上式得：d=（mm），L=Rif/i=0.785Rid2/i或L=0.78510-3U2d2/Pi（m）每个元件质量：M=d2LM10-3/4，M为元件的密度（g/cm3）。元件的总长度和总质量：L总=nL，M总=nM。对于带状电热元件，设电阻带的宽度为（mm）b，厚度为a（mm），且b/a=m（一般为8-12）则f=ab=ma2若电阻带带有轧制圆角，则实际截面积f1=0.94ab=0.94ma2因为S=2（a+b）=2(m+1)a，S1近似为2（a+b）=2(m+1)a因此：Sf=2m(m+1)a2，S1f1=1.88m(m+1)a2代入公式Sf=可得：a=，a1=元件宽度：b=ma，b1=ma1每个元件的长度L=abRi/i每个元件的质量M=abLM10-3电热元件的总长度和总质量：L总=nL，M总=nM2.电热元件的结构线状电热元件常绕成螺旋形，螺旋柱长度L柱可由下式确定：L柱=Lh/D，式中D为螺旋节径（mm），为电热元件直径（mm），为螺旋节距（mm），通常h=（2-4）d。电热元件的螺旋直径选择应考虑绕制要求、安装位置尺寸、螺旋的刚度（保证在工作温度下不倒塌）。当直径大于3mm时，D和d具有如下关系：对铁铬铝系电热元件，tg1000时，D=(4-6)d；对镍铬系电热元件，tg950时，D=(5-6)d。设计时，先计算出d，再按公式h=(2-4)d选择h，接着根据炉膛内布置尺寸确定L柱（等于炉膛内腔长度-3050mm电热元件膨胀空隙），再计算选定D，最后看D和d比值是否合适，不合适重复调整，至到何时为止。线状电热元件也可制成波纹状（见下图），对于铁铬铝元件，波纹深度H=150-250mm，对于镍铬元件，H=200-300mm，波纹间距h3d，=10-20，L=（1/4-1/6）H。带状电热元件都制成波纹形，其外形结构如下图，通常波纹深度H10b，波纹间距h=(10-30)a，弯曲半径r=(4-8)a，波纹体长度L波=。五.碳化硅电热元件的计算1.根据进炉膛尺寸选择碳硅棒的规格，并根据下式计算每个碳硅棒的功率：P棒=dLW允10-2，式中W允为允许表面负荷(W/cm2)，d和L为碳硅棒工作部分的直径(mm)和长度(m)。2.根据安装功率和每个碳硅棒的功率确定碳硅棒的数量n=P安/P棒。计算结果n应取偶整数，以便在炉内对称布置。3.计算碳硅棒的端电压U=，Ri为碳硅棒工作温度下的电阻。4.确定电压调整范围：U调=（0.35-2）U3.7电热元件的安装一.电热元件在炉内的安装方式1.安装电热元件的支撑物通常有支托和挂钩两种。支托物有搁砖、异形砖、陶瓷套筒等。采用搁砖时，电热元件稳定可靠，筑炉也比较方便，但辐射遮蔽较大，而且支撑物本身重量也较大，会增加畜热损失。挂钩有金属挂钩和陶瓷挂钩两种，常水平或斜向插入砌体中，筑炉较麻烦。2.常用电热元件安装方式1）安装于炉侧壁2）安装于炉顶3）安装于炉底4）安装在气流通道中：对于气流循环电阻炉，为使气流与电热元件进行充分的热交换，电热元件常固定在特定的支架上，放置于气流通道中。5）安装在辐射管内：电热元件常用的是金属电热元件，也有采用石墨棒。辐射管通常采用ZGCr24Ni17SiNRe、Cr23Ni18、Cr15Ni35等钢制造，通常由离心铸造而成。也有采用陶瓷材料做辐射管的。6）非金属电热元件安装：碳硅棒可垂直或水平安装，二硅化钼只能垂直安装，电热元件距壁面的距离应大于30mm。二.电热元件引出棒的结构电热元件引出端需穿过炉墙，散热条件很差，为防止引出端稳定过高，应加大引出端的尺寸。金属电热元件常用不锈钢作引出棒，其截面积为电热元件的三倍以上。元件引出端应保证与壳体绝缘良好，拆卸方便和炉子密封。三.电热元件的焊接电热元件的焊接性一般均比较差。对于镍铬电热元件，可采用电弧焊或气焊，对于铁铬铝电热元件，可采用电弧焊或氩弧焊。元件各部分之间的焊接常采用搭焊（为保证焊接区的强度，搭焊端部应留有5100mm的不焊接区，而且应尽可能采用成分相同或相近的焊条），元件与引出棒之间的焊接常采用钻孔焊或铣槽焊（先钻孔在铣槽，见下图）。4.8热处理电阻炉的经济技术指标热处理炉经济技术指标主要分两类，一类是满足工艺要求的指标，如炉子的额定功率、额定温度、生产率、炉膛尺寸、温度均匀性等，另一类是满足节能要求的指标，如炉子的热效率、空载功率、炉外壁温升、砌体蓄热量和空炉升温时间等。1.炉子热效率炉子的热效率指加热工件的有效热量占炉子总耗热量的百分数，常用来衡量炉子热能利用率的大小。为提高热效率，除减少热损失外，还要提高加热工件的有效热，基本措施包括强化炉内的热交换、缩短加热时间、合理装料和提高生产率。电阻炉的热效率一般在30-80%，常要求在40%以上。2.空载功率炉子的空载功率指没有装料的炉子升温至额定温度并已达到热稳定状态时消耗的功率。空载热损失主要包括炉壁散热、炉门散热、外伸构件散热、炉壁缝隙溢气热损失等。可通过采用保温性能好的筑炉材料、提高砖缝的严密性、炉门、电热元件和热电偶引出孔的密封程度等措施降低炉子空载功率。新型RX3系列箱式电阻炉和RQ3系列的井式气体渗碳炉的空载功率约为炉子总功率的15%。3.炉外壁温升炉外壁的表面温升指炉子在额定温度下的热稳定状态时，外壁温度与环境温度之差，是炉子保温性能指标。RX3系列箱式电阻炉规定，炉壁炉顶表面的温升不超过50，炉门部位应不超过80。4.砌体蓄热量炉子砌体的蓄热量取决于炉衬材料的体积、密度、比热容和加热温度。当炉子投入使用后，炉子实际蓄热损失还与炉子的停炉时间有关，停炉后炉温下降，需热量也损失一部分，重新加热时需补充这部分需热量，因此，停炉时间越长，炉体需热量损失越大，再加热时消耗热量也越多。5.空炉升温时间空炉升温时间指经烘干的、没有装露料的炉子从冷态（室温状态）加上额定电压（金属电热元件电阻炉）或额定功率（碳硅棒电阻炉）达到额定温度所经历的时间。空炉升温时间常在炉衬未达到热稳定态之前达到的。缩短空炉升温时间，可使炉子及早进入使用状态，从而节约能量。缩短空炉升温时间的主要措施是：提高炉壁单位面积的功率、采用热导率小、密度低、比热容小的耐火材料和保温材料以减缓炉衬的传热过程，减少蓄热和散热损失。RX3系列箱式电阻炉和RQ3系列井式气体渗碳炉标准规定，空炉升温时间小于等于2.5-3h，较小的炉子取下限。电阻炉设计实例分析一.设计任务书设计一箱式电阻炉，计算和确定主要项目。基本技术条件：1）用途：碳钢、低合金钢等的淬火、调质以及退火和正火；2）工件：中小型零件，小批量多品种，最长0.8米；3）最高工作温度950；4）炉外壁温度小于60；5）生产率60kg/h。设计计算的主要项目：1）确定炉膛尺寸；2）选择炉衬材料及厚度，确定炉体外型尺寸；3）计算炉子主要经济技术指标（热效率，空载功率，空炉升温时间）；4）计算炉子功率，进行热平衡计算，并与经验计算法比较；5）选择和计算电热元件，确定其布置方法；6）写出技术规范。二.炉型选择根据设计任务书给出的生产特点，宜选用普通箱式电阻炉。三.炉体结构和尺寸确定1.炉底面积的确定因是无定型产品，用加热能力指标法确定。根据生产率p=60kg/h和表5-1选一般情况下单位面积生产率p0=120kg/m2.h可得：炉底有效面积F1=p/p0=0.5m2根据炉底有效面积和炉底总面积关系：F1/F=0.75-0.85，取系数上限0.85得：F=0.5/0.85=0.59m22.炉底长度和宽度确定：考虑箱式电阻炉装出料方便，取L/B=2，因此，F=LB=2B2=0.59，B=0.54m，L=1.08m根据最长工件长度0.8m和标准砖尺寸（1080/232=4.66，540/232=2.33，2324.5=1.044，2325=1160，2322=464，2322.5=580），取L=1.160m，B=0.58m。3.炉膛高度确定根据统计资料，炉膛高度H与宽度B之比通常在0.5-0.9之间，取H/B=0.7得，H=0.41m。根据标准砖尺寸，取H=0.402m。因此，炉膛的有效尺寸为：L效=800mm,B效=400mm,H效=200mm。4.炉衬材料及厚度的确定由于侧墙、前墙和后墙的工作条件相似，采用相同炉衬结构，即：113mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+230mmA级硅藻土砖。炉顶采用113mmQN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+230mm膨胀珍珠岩。炉底采用三层QN-1.0轻质粘土砖（673mm）+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+182mmA级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉门用65mm QN-1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。炉底搁砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。炉底板材料选用Cr-Mn-N耐热钢，厚20mm。5.砌体平面表面积计算1）外轮廓尺寸L外=L+2（115+80+232）=2014MMB外=B+2(115+80+232)=1434MM设炉子采用60标准拱顶，取R=B则拱顶矢高f=B（1-cos30）=78mmH外=H+f+(115+80+232)+(673+80+182)=1370mm因此，砌体外轮廓尺寸为L外=2014mm,B外=1434mm,H外=1370mm2)炉顶平均面积3）炉墙平均面积（包括侧墙和前后墙）为简化计算，将炉门包括在前墙内。4）炉底平均面积6.炉子功率计算1）经验计算法2）热平衡计算法加热工件所需热量Q件由附表6得，工件在950和20的比热容分别为C件2=0.637KJ/kg，C件1=0.486KJ/kg，因此：Q件=p(C件2t1- C件1t0)=60(0.636950-0.48620)=35668KJ/h通过炉衬的散热损失炉墙散热计算由于炉子侧墙和前、后墙结构相同，故作统一处理。为简化计算，将炉门包括在前墙内，因此：设t1=950，t2=850，t3=610，t4=60则ts1均=（950+850）/2=900，ts2均=（50+610）/2=730，ts3均=（610+60）/2=335由附表3查得：1=0.29+0.25610-3ts1均=0.5204W/m2,2=(0.047ts2均+9.1)/300=0.1447W/m2,3=(0.105+0.23ts3均)=0.1821W/m2查附表2得：=12.17W/m2t2=t1-qs1/1=950-438.90.115/0.5204=853,因为（853-850）/850=0.4%5%，满足设计要求。t3=t2-qs2/2=853-438.90.08/0.1447=610.3,因为（610.3-610）/610=0.05%5%，满足设计要求。t4=t3-qs3/3=610.3-438.90.23/0.1821=56,因为5660，满足设计要求。Q墙散=3.6q墙F墙均=3.6438.93.64=5751.36KJ/h