《热处理原理与工艺》 课件 第十一章 热处理设备

筑炉材料第十一章热处理设备热处理原理与工艺热处理设备热处理设备指的是在热处理过程中进行加热、保温、冷却等一系列工艺的专用设备。《中国制造2025》强国战略规划提出，坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国转向制造强国，历史悠久的热处理行业正被注入新的动力。十三五期间，我国热处理装备制造的年产值约150亿元，较十二五末增加近一倍。只有掌握好热处理设备的相关知识，才能为热处理行业进一步的发展提供基础动力。◆筑炉材料◆热处理炉◆感应热处理设备◆热处理冷却设备热处理设备筑炉材料热处理加热设备根据热能来源和加热介质的不同，可分为电阻炉、气氛炉、真空炉、浴炉等。

一般情况下，热处理炉由耐火材料、保温材料、炉用金属材料等组成。

其中，耐火材料和保温材料是多数热处理炉的炉体结构材料，也是炉衬的主要组成部分。合理选用这两种材料，对满足热处理工艺需求，提高热处理炉的使用寿命，节约能源和降低成本都有重要的意义。筑炉材料一、耐火材料能够抵抗高温，并承受在高温下所产生的物理、化学作用的非金属材料，统称为耐火材料。耐火材料的性能：（1）物理性能。如密度、气孔率、热膨胀性、导热性、导电性等；（2）耐火度。指材料受热后软化到一定程度时的温度。普通耐火材料（1580~1770℃）、高级耐火材料（1770~2000℃）、特级耐火材料（高于2000℃）；（3）高温结构强度。指在一定压力下，一定尺寸的圆柱试样发生规定变形量的温度点，它主要取决于成分和密度；（4）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物理和化学作用的性能，常用抗渣性（即高温下的熔渣侵蚀量（mm或%））表示；（5）热稳定性。指材料承受温度剧变而不发生破坏的能力，通常以温差或加热（冷却）速度来表征。筑炉材料一、耐火材料常用耐火材料：

（1）耐火黏土砖：热稳定性较好，成本低。（2）高铝砖：耐火度和高温结构强度大于黏土砖，但热稳定性稍差。（3）轻质砖与超轻质砖：较高的气孔率，保温性能好，但高温强度低，高温化学稳定性差。（4）SiC耐火制品：可作高温炉电热元件、炉底板以及马弗炉的马弗罐。（5）耐火纤维：兼有耐火和保温的作用，主要用作高温隔热保温材料。（6）耐火混凝土：耐火度低于耐火砖，但生产工艺简单，修砌速度快，能按照需要进行工艺造型，且寿命长，成本低。（7）耐火泥：主要用于耐火制品砌体的填缝。（8）陶瓷涂料：涂覆于耐火材料或金属构件上。筑炉材料二、保温材料热导率低于0.25W/(m·K)的材料称为保温材料。

热处理炉的热损失主要包括炉衬本身的蓄热量和通过炉壁散失的热量两部分。保温材料处于耐火材料的外部，可减少热损失，提高炉子的热效率。

保温材料的特点是气孔率高，热容量小，热导率低。筑炉材料二、保温材料常用的保温材料：

（1）石棉：天然纤维矿物，使用温度超过500℃会脱水而粉化。石棉纤维对人体有害，其应用呈减少趋势。（2）矿渣棉：人造纤维状材料，密度小、热导率低、吸湿性差，使用温度低于750℃。（3）蛭石：俗称黑云母，受热水分蒸发而膨胀，保温性能良好，使用温度低于1000℃。（4）硅藻土：很好的保温性能，使用温度低于900℃，使用形式大多是硅藻土砖，也作粉料使用。（5）膨胀珍珠岩制品：良好保温材料。绝缘性优于硅藻土，使用温度低于1000℃，可作粉料使用或制成各种制品使用。（6）岩棉：岩棉是玄武岩经高温熔融后，高速离心制成纤维，进而加工成板、管、毡等的保温制品，使用温度为-120℃~600℃。筑炉材料三、炉用金属材料

主要分为炉外用金属材料和炉内用金属材料两部分。炉外用金属材料：主要指炉架和炉壳部分。

炉架的作用是承受炉衬和工件载荷等，通常采用型钢焊接成框架。

炉壳位于炉衬的外部，其作用是保护炉衬，加固炉子结构和保持炉子的密封性，通常采用钢板焊接。炉壳钢板厚度一般为2~6mm，其中炉底钢板较厚，而两侧钢板较薄。炉内用金属材料：一般是耐热钢，主要分布在炉底板、炉罐、坩埚、电热元件等部分。热处理炉第十一章热处理设备热处理原理与工艺◆筑炉材料◆热处理炉◆感应热处理设备◆热处理冷却设备热处理设备热处理炉一、热处理电阻炉热处理电阻炉是以电为能源，通过电热元件发热而进行加热的炉子。按作业规程分为周期式作业炉和连续式作业炉两类。周期式作业炉：工件成批入炉并完成加热、保温等工序，出炉后再装入另一批工件。这类作业炉结构简单，便于制造，可完成多种工艺，适于多品种、小批量生产。如箱式炉、井式炉、台车式炉、罩式炉、滚筒式炉等。连续式作业炉：连续或间歇装料，工件在炉内不断移动，在不同的炉膛区（加热区、保温区、冷却区）完成加热、保温、冷却等工序。生产效率高，成本低，质量稳定，节约能源，且易实现机械化与自动化，适于大批量生产。如输送带式炉、网带式炉、推杆式炉、震底式炉、转底式炉等。热处理炉一、热处理电阻炉1.箱式电阻炉一般采用空气介质，多数无装出料机械化装置，供小批量工件的常规热处理用。箱式电阻炉的结构包括炉架、炉壳、炉衬、炉门及升降机构、电热元件、配套电气控制系统。电热元件多分布在炉子两侧墙内和炉底。分为：中温（650℃~1000℃）高温（>1000℃）低温（<650℃）圆体中温箱式电阻炉1-炉门

2-热电偶

3-炉壳

4-炉衬

5-罩壳

6-加热元件

7-炉底板

8-炉门升降机构

9-炉门升降机构热处理炉一、热处理电阻炉2.井式电阻炉

是置于地坑中的具有井式炉膛的电阻炉。

国家标准产品有中、高温井式电阻炉，它适用于加热长杆件，以减少加热过程中的变形。

与箱式炉相比，井式电阻炉的装炉量少，生产效率低，常用于质量要求较高的零件。

由于炉膛较深，需分区供电和控温以使炉温均匀。

井式电阻炉1-炉壳2-炉衬3-电热元件4-炉盖5-炉盖升降机构热处理炉一、热处理电阻炉3.台车式炉由固定加热室与活动台车炉底两部分组成，适于大型和大批量铸、锻件的退火、正火和回火。台车式炉1-炉壳2-炉衬3-电热元件4-电接头5-台车驱动装置6-台车7-炉门8-炉门升降机构热处理炉一、热处理电阻炉4.罩式炉：罩式炉的结构为外罩和底座，电热元件布置在炉膛内壁上，多用于冶金行业的钢丝、钢管、铜带、铜线、硅钢片等的退火处理。5.转筒式炉：炉内装有旋转炉罐的炉子，炉内工件随炉罐旋转而翻动，以改善加热和接触气氛的均匀性。主要用于滚珠和小尺寸工件的热处理。6.推杆式炉：依靠推料机将放在轨道上的炉料推入炉内和推出炉外。这种炉型适于组成生产线，广泛应用于常规热处理和化学热处理。输送带式炉、振底式炉、辊底式炉、转底式炉、牵引式炉等热处理炉二、可控气氛热处理炉采用可控气氛热处理炉可实现无氧化脱碳的热处理，提高热处理质量。目前，我国热处理行业各类可控气氛热处理设备约3万多台，最终热处理少无氧化加热零件已达70%以上。特点：1）炉膛密封良好。2）炉内保持正压，防止炉外空气侵入引起爆炸，保证炉内气氛稳定。3）风扇使炉内气体循环流动，保证气氛和温度均匀。4）设有防爆孔等安全装置。5）炉内构件抗气氛侵蚀，如炉衬采用抗渗砖，电热元件装在辐射管内等。热处理炉二、可控气氛热处理炉周期式炉：包括井式炉和密封箱式炉（多用炉），适于多品种小批量生产，可用于光亮淬火、光亮退火、渗碳、碳氮共渗等。连续式炉：包括推杆式、转底式及各种形式的连续式可控气氛渗碳生产线等，适于大批量生产，可用于光亮淬火、回火、渗碳、碳氮共渗等。无罐气体渗碳淬火自动线1-前推杆2-前室3-渗碳炉4-淬火槽5-清洗机

6-低温回火炉7-电控箱及程序幕8-温控盘9-流量盘热处理炉三、真空热处理炉目前，我国年产真空热处理设备近700台，真空热处理设备总量约有14000台，约占热处理设备总量的7%。我国现已能生产装炉量5t的真空卧式双室油淬炉、高度3m的真空立式油淬炉、1.2MPa真空卧式单室高压气淬炉、直径1.5m/高度2m的立式高压气淬炉、智能型真空渗碳淬火炉、真空磁场热处理炉、真空油淬和气淬回火生产线、真空渗碳淬火回火生产线等。根据真空热处理炉中加热元件与被加热工件是否有炉罐隔开，即热源供给方式的不同，可分为外热式和内热式两种类型。热处理炉三、真空热处理炉

1.外热式真空热处理炉

优点：结构简单，易制造，易密封，抽气量小，易达到所需真空度，不存在真空放电问题，工件加热质量高，生产安全可靠。

缺点：热惰性大，热效率低，加热速度慢，生产周期长，且由于炉罐材料高温强度所限，使用温度低于1100℃，价格高。外热式真空热处理炉a）箱式炉b）井式炉c）台车式炉d）三室半连续炉热处理炉三、真空热处理炉

2.内热式真空热处理炉

优点：不受炉罐限制，可制造大型高温炉，加热、冷却速度快，生产效率高。缺点：炉内结构复杂，电气绝缘性要求高；炉内容积大，各种构件表面均吸附大量气体，需配备大功率抽气系统；需低电压大电流供电，防止真空放电等。真空气淬炉a）立式单室炉b）卧式单室炉c）立式双室炉d）卧式双室炉e）三室炉热处理炉四、热处理浴炉和流动粒子炉热处理浴炉：采用熔盐、熔碱、熔融金属、油等作为加热或冷却介质的热处理炉。加热均匀，加热速度快，防止氧化，能用于高温热处理和等温热处理。

热处理浴炉按介质的不同，可分为盐浴炉、碱浴炉、铅浴炉、油浴炉等；按热源供给方式，可分为内热式和外热式。插入式电极盐浴炉1-坩埚2-炉膛3-炉胆4-电极5-电极柄6-汇流板7-冷却水管8-炉盖热处理炉四、热处理浴炉和流动粒子炉流动粒子炉：采用流态化固体粒子作为加热介质，当炉膛内达到一定风压、气压时，固体粒子流态化。流化过程前称“固定床”，流化后称“流化床”。启动升温速度快、耗能少，温度均匀，热惰性小，热效率高。

流动粒子炉可用于无氧化加热的正火、退火、淬火、回火等，并可用于渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼等化学热处理。流动粒子炉1-炉体2-电极3-布风板4-风室5-沸腾层6-工件7-风管8-电热元件感应热处理设备第十一章热处理设备热处理原理与工艺◆筑炉材料◆热处理炉◆感应热处理设备◆热处理冷却设备热处理设备感应热处理设备感应热处理的优点是机械化、自动化程度较高，产品质量一致性好，劳动条件较好。

感应热处理设备根据工作频率的不同，分为高频、超高频、中频、工频感应加热设备。

感应热处理设备主要指感应器、淬火机床及相应的各种感应热处理生产线。一、感应器感应热处理设备中频感应器结构1-感应圈2-汇流板3-接线座4-冷却水管5-喷水管感应器设计的合理性会影响加热层的形状和深度。（1）感应圈与工件的间隙。间隙大，功率因数低；间隙小，功率因数高，电流透入深度浅，加热速度快。但间隙过小，操作不方便，易产生短路，降低使用寿命。（2）感应器的高度。对于长轴件，感应器的高度应比工件淬硬区长度大8~10mm。对于短轴件，感应器高度为淬硬区长度减去两倍的间隙值。（3）冷却系统。为避免感应器工作过程中发热，需在铜管内通入冷却水，同时工件的淬火也需要喷射冷却。（4）汇流板。汇流板之间的间距为1.5~3mm。汇流板的长度取决于工件的形状、尺寸、夹具等，尺寸尽量小。二、淬火机床感应热处理设备

要使零件在感应加热设备上进行淬火，就需要淬火机床。

淬火机床按照生产方式可分为通用机床、专用机床和生产线；按照处理零件的类型可分为轴类淬火机床、齿轮淬火机床、导轨淬火机床、平面淬火机床及棒料热处理流水线等。管状件调质用工频感应加热机床1-变速机构2-前支架3-移动托架4-工件5-感应器6-外喷水器7-内喷水器8-后支架9-固定托架二、淬火机床感应热处理设备GCTK13400×220数控齿轮淬火机床——该机床能够对直径为300~4000mm的齿轮进行淬火二、淬火机床感应热处理设备目前针对某种材料或零件设计制造的专用感应加热热处理生产线种类较多。双（单）线材感应热处理自动生产线1-供料装置2-感应加热电源3-输送装置4-校直装置5-淬火加热感应器6-冷却器7-回火加热感应器8-校正装置9-缺陷检查仪10-卷收装置二、淬火机床感应热处理设备螺杆钻具中定子和转子的中频感应热处理自动生产线1-主动托辊2-从动托辊3-进料机架4-中间机架5-感应器；6-中间托辊7-喷淋系统8-出料机架9-出料台10-出料翻料机构11-中频变频器12-电容器柜13-水冷电缆14-液压站15-贮料台16-隔料翻料机构17-控制台18-红外线测温系统热处理冷却设备第十一章热处理设备热处理原理与工艺◆筑炉材料◆热处理炉◆感应热处理设备◆热处理冷却设备热处理设备热处理冷却设备冷却设备是热处理炉不可分割的一部分，有的热处理炉（某些连续炉、密封箱式炉等）本身就包括了冷却装置，如淬火装置、缓冷装置、校正装置、淬火成形装置、淬火介质的加热及冷却装置等。按照冷却的方式，热处理冷却设备主要分为浸液式淬火设备（淬火槽）、喷射式淬火设备、喷浸组合式淬火设备、淬火机和淬火压床。淬火设备的选择主要根据产量和淬火工件的尺寸、质量以及热处理炉的工作尺寸和操作条件等来决定。一、普通淬火槽淬火槽是装有淬火介质的容器。当工件浸入槽内冷却时，需保证工件以合理的速度均匀地冷却，使工件达到淬火要求。热处理冷却设备淬火槽结构1-溢流槽2-排出管3-供入管4-事故排出管5-淬火槽6-淬火件

淬火槽体通常是上面开口的容器形槽体，其横截面形状一般为长方形，配合井式淬火炉的淬火槽截面一般为圆形。

淬火槽通常是由低碳钢板焊接而成，内外涂有防锈漆。

淬火介质一般通过槽体底部的供入管进入槽体，经由过滤网，通过上部溢流槽排出管排出。一、普通淬火槽淬火介质的冷却方式：1）自然冷却。冷却效果很差，用于生产量很小的周期性淬火冷却。2）搅拌冷却，降温加快。3）蛇形管或冷却水套冷却。冷却效果要比前两种方法好，但是一般只适用于小型淬火槽。4）循环置换冷却。冷却效果最好，常用于生产批量较大、连续生产的大型淬火槽。热处理冷却设备典型油冷却系统图1-分配淬火槽2-搅动泵3-止回阀4-滤油器5-冷油吸入管6-隔板7-热油吸入管8-油补充口9-滤油器10-冷水进口11-冷油回油管12-热油重力回油管13-冷水出口14-油冷却器15-集液槽二、周期作业机械化淬火槽与普通淬火槽相比，周期作业机械化淬火槽设有提升工件的机械化装置。热处理冷却设备悬臂式提升机淬火槽1-提升机驱动机构2-导向架3-淬火件4-升降台5-淬火槽料斗式提升机淬火槽1-支架2、4-限位开关3-驱动机构5-螺母

6-丝杠7-料斗8-滑槽9-淬火槽三、连续作业机械化淬火槽常与连续式热处理炉配合使用，设有输送带等机械化升降运送装置。热处理冷却设备输送带式淬火槽1-连续加热炉出料口2-滑槽

3-输送带4-淬火槽体螺旋输送带式淬火槽1-落料筒2-淬火槽3-管状电热元件4-螺旋输送器5-装料斗6-支架7-料斗8-减速器9-电动机四、淬火机和淬火压床为使工件在淬火冷却过程中减少变形与翘曲，或者将工件淬火与热成形合并为一个工序，在生产中广泛应用淬火机和淬火压床。主要用于尺寸比较大、厚度比较薄的圆盘类和长轴类的易变形件，也用于形状比较复杂的零件。热处理冷却设备齿轮淬火压床：淬火压床是一种在淬火冷却过程中进行加压校正的设备，常用于各种薄形和环形零件，如齿轮、离合器片、齿轮圈、轴承套等