矿山用大型齿轮热处理

1、目 录 1 齿轮参数的计算.1 1.1 产品特点.1 1.2 齿轮参数.1 1.2.1 齿轮尺寸、重量的确定.1 1.2.2 齿轮材料的确定.2 1.3 齿轮的二分之一图像.5 2 齿轮的加工流程与热处理工艺.5 2.1 加工流程.5 2.2 正火工艺流程.5 2.3 机加工.7 2.4 调质工艺流程.7 2.5 表面感应加热淬火工艺流程.8 2.5.1 感应加热介绍.8 2.5.2 感应淬火工艺.8 2.5.2.1 确定硬化层的深度确定.8 2.5.2.2 频率的选择.9 2.5.2.3 功率的确定.9 2.5.2.4 加热温度的确定.10 2.5.2.5 冷却方法和冷却介质.10 3 设备

2、的选用.11 3.1 热处理设备的分类.11 3.2 热处理主要设备.11 3.3 热处理炉的分类、特性及选择.12 3.3.1 热处理炉的分类.12 3.3.2 热处理炉的主要特征 .13 3.3.3 热处理炉的选择.15 3.3.4 所选炉型的介绍与改造方向.17 3.3.5 感应淬火设备的选择.21 3.4 热处理辅助设备.23 4 车间布置.25 4.1 车间在厂区内的位置.25 4.2 车间面积及面积指标.25 4.3 厂房出入口要求.25 4.4 平面布置设计.26 4.5 设备平面布置方法.27 4.6 设备布置间距.27 5 热处理车间建筑物与构筑物.28 5.1 建筑物的设计

3、.28 5.2 厂房建筑参数.28 5.3 地面载荷及地面材料.28 5.4 特殊构筑物及附属建筑物的设计.29 5.5 动力消耗及对公用系统设计.29 5.6 热处理辅助设备.35 本车间以矿山用大型齿轮的热处理加工为生产对象。本车间设计稿以制定 设计任务或预算都不浪费的原则上，合理的选择厂址或车间位置；合理使用建 筑面积；尽量将某些生产部门或辅助部门合并等，以便在不影响生产的情况下， 缩减基建费用。 一、齿轮参数的确定一、齿轮参数的确定 1.11.1 产品特点产品特点 齿轮式各种机械十分重要的零件。齿轮传递的功率可以从很小到几十万千 万，齿轮直径可以由一毫米到一百五十米，转速可达几十万转每

4、分，圆周速度 可达 300 米每秒。正是由于齿轮所具有的这些优良特性使齿轮成为这种机械中 最重要的零件之一。所以齿轮的正确设计处理与使用也关系着各种机械的正常 运作。矿山行业作为国家基础建设的基础行业关系着国家的国计民生，同时矿 山用重型齿轮由于必须满足矿山机械的正常运转，一般具有以下几个特点：传 动功率大；扭矩大；传动比大；转速底；具有很大的重量（重量一般在几十吨） 。 这么大型的齿轮在服役时由于高的传送功率，高扭矩易发生表面磨损、点蚀而 使齿轮发生失效，影响正常的生产进度。 尽管齿轮很大，却要求足够的精度加工，节距、齿形等误差都必须在限定 的范围内。这是因为要尽量减少高速引起的振动和噪音，

5、在强度上也需要足够 精度的缘故。 由于矿山齿轮的直径大，闭式的情况必然增加不少的成本，该齿轮为开式 齿轮。同时带来的相应的问题，开式齿轮由于没有足够的防护措施，齿轮必然 将受到杂物的影响，硬质杂物将会对齿面产生磨损从而影响齿轮的正常使用。 所以齿面要有较高的硬度来满足开式齿轮的使用。 矿山齿轮服役为开式传动。齿轮工作是主要受以下几个因素的影响：（1） 受力巨大。矿山机械的显著特点就是需要承受巨大的力。所以齿轮必须合理的 设计以及热处理，才能满足矿山机械的需求。 （2）硬质颗粒。开式齿轮由于防 护不严密，使硬质颗粒进入齿轮集合面，从而对齿轮表面产生损伤。 （3）齿轮 啮合处的摩擦。由于矿上环境特

6、殊，震动剧烈，齿轮之间必然产生相对滑动， 引起齿面的剥落，点蚀。矿山齿轮由于齿轮大，在使用总一般不发生断齿现象， 齿轮的主要失效形式表现为齿面磨损与齿面接触疲劳。 由上可知矿山齿轮服役条件为低速重载，受硬质颗粒与齿面摩擦的影响。 这位后续的设计与处理提出了条件。 1.21.2 齿轮参数齿轮参数 1.2.11.2.1 齿轮尺寸、重量的确定齿轮尺寸、重量的确定 根据齿轮的工作条件以及机械设计资料，齿轮选型为轮辐式渐开线齿轮， 具体尺寸如下： 模数 m=20，齿数 z=560，压力角 =20 齿轮直径 d=m*z=11200mm Ha=1.0*20=20mm Hf=1.25*20=25mm 齿根圆直

7、径 df=d-2Hf=11150mm 齿顶圆直径 da=d+2Ha=11240mm 齿宽 B=240mm 齿轮重量 M=25t 年产量为 100 件 由于齿轮尺寸过大，生产时将齿轮沿直径均分为两部分分别铸造。 1.2.21.2.2 齿轮材料的确定齿轮材料的确定 大型齿轮的在使用中其主要的失效形式有齿面磨损和齿面接触疲劳。齿面 磨损包括胶合磨损和磨粒磨损两种。重载齿轮齿面之间受力巨大，齿面产生胶 合，随着齿轮的运动不断产生齿面剥离现象，磨损速度较快，一般为 10- 16m/h。磨粒磨损是硬质夹杂物存于齿面之间嵌入齿面，对另一齿面产生划痕， 导致齿面磨损，磨损速度慢，一般为 0.5-5m/h。减少

8、齿面磨损的主要措施是 提高齿轮的表面硬度。齿面接触疲劳时指齿轮之间的啮合力量超过齿面的疲劳 强度，是齿面产生麻点，剥落等现象。提高齿轮的接触疲劳强度以及表面硬度 可以改善齿面的接触疲劳现象。 齿轮的接触疲劳强度和耐磨性能随其硬度的增加而提高，热后齿轮的硬度 又与钢的含碳量相关。因此，在设计齿轮时，根据接触应力和弯曲应力的大小， 计算出齿轮应具有的强度(或硬度)就能大致选出钢材含碳量的范围。然后根据 强度以及齿轮的有效截面(热处理硬化时的有效截面)来选择材料应具备的淬透 性。根据材料的含碳量和淬透性就能选择合理的材料。 低速重载齿轮的类别如下表： 表（表（1 1） 常用调质刚及表面淬火钢（按淬透

9、性高低分）常用调质刚及表面淬火钢（按淬透性高低分） 自机械工业出版社热处理手册第三版第二册第44页 类别典型淬透性曲线钢号 1 35 45 55 2 40Mn 50Mn 40Cr 35SiMn 42SiMn 3 35CrMO 42CrMo 40CrMnMo 35CrMnSi 40CrNi 40CrNiMo 45CrNiMOV 4 35CrNi2Mo 40CrNi2Mo 5 30CrNi3 34CrNi3Mo 37SiMn2MoV 表（表（2 2）各类调质及表面淬火钢的应用范围）各类调质及表面淬火钢的应用范围 （摘自机械工业出版社热处理手册第三版第二册第44页） 抗拉强度/Mpa 齿轮尺寸/mm

10、 600-800800-1000 1000以上 401 22 33 4 40-802 33 44 5 60-1202 33 44 5 120-1802 33 4 55 180-2502 3 44 55 圆棒直径 2503 44 55 201 23 44 20-401 23 44 5 40-601 2 344 5 60-902 3 444 5 90-1203 44 55 齿圈厚度 1203 44 55 12.51 22 33 4 12.5-251 2 2 33 4 25-501 2 33 44 50-1002 33 45 100-2002 345 盘状齿坯宽度 2002 345 （表中数字代表表

11、（1）中各种钢的类别） 依据产品齿轮的服役条件以及经济的原则可选用45钢为作为所生产矿山齿 轮的材料。 本车间所生产的齿轮以 ZG45 为材料。选取原因为 ZG45 应用广泛，经过适 当的调质处理以及表面淬火即可满足应用需求，同时 ZG45 价格低廉，可有效的 降低材料成本。国内许多公司基于经济的考虑同样选择了 ZG45 作为矿山齿轮的 材料。 1.31.3 齿轮的二分之一图像齿轮的二分之一图像 二、齿轮的加工流程与热处理工艺二、齿轮的加工流程与热处理工艺 大型齿轮可采用三种方法制造：锻造，组装和铸造。由于本车间所生产齿 轮尺寸巨大以铸造方法生产最为合适。由于齿轮巨大，在铸造过程中必然产生 各

12、种缺陷。如： 1 成分偏析增大； 2 长时间加热造成的组织粗化； 3 由于冷却速度不均匀造成的组织的不均匀和内应力增大； 4 组织上的空隙、非金属夹杂物增加； 5 残留氢造成的白点，发生龟线裂纹等。 在这些问题中，有的可以在锻制过程中采用脱气等处理方法来减少钢锭中 的含氢量，但是已产生的偏析或非金属夹杂物就很难消除，因此如何能得到优 质的大型钢锭这一点很重要。本设计稿为热处理车间设计，不涉及钢锭的铸造 和齿轮的锻造，以采购到合格的未经热处理原料为基础。 2.12.1 加工流程加工流程 原材料正火机加工（包括粗车，精车以及精铣齿）调质表面感应 中频淬 2.22.2 正火工艺流程正火工艺流程 该齿

13、轮为铸造齿轮，齿轮铸造过程中，铸造应力的存在以及为机加工作准 备所以采用正火，以提高工件的加工性能。正火是指将钢件或铸铁工件加热到 奥氏体化之后在空气中冷却以获得含有珠光体均匀组织的热处理工艺。其加热 温度为 Ac1 或 Acm 以上 30-50 度。正火可显著改善工件的切削性能为后续的机 加工做好了组织准备。正火后材料的硬度可打到 330-360HB。 本车间所生产齿轮采用 45 铸钢。其正火温度选择为 860-880。依据机 械工业出版社热处理手册第一册 40 页中关于钢件加热时间的计算公式 Dkat 式中 T 指加热时间（min 或 s）; a 指加热系数(min/mm 或 s/mm);

14、 D 指工件有效厚度（mm）; K 指工件装炉条件修正系数，通常取 1.0-1.5。 表三：碳钢和合金钢在各种介质中的加热系数表三：碳钢和合金钢在各种介质中的加热系数 （摘自机械工业出版社热处理手册第三版第二册第 41 页） 加热系数 1 min mm a 钢材 空气电阻炉/ 1 min mm盐浴炉/ 1 mms 碳钢 0.9-1.125-30 合金钢 1.3-1.650-60 15-20（一次预热） 高速钢8-15（二次预热） 通过对加热条件的分析了解，工件的装炉条件修正系数可取为 1.2。本车 间所生产的齿轮可看为圆柱体，其厚度 L=240mm。本车间选用空气炉，碳钢的 加热系数可选择为

15、1。可得该齿轮加热时间取值为： 2882402 . 11Dkat 即得齿轮加热时间为 288 分钟。 和加热时间相比，保温时间是一个比较短的时间，它取决于钢的成分、组 织状态和物理性质，对于碳素钢和一部分合金结构钢，保温时间是零，对合金 工具房、高速钢、高铬磨具钢和其他高合金钢壳根据碳化物溶解和固溶体的均 匀化要求来具体考虑。由于本车间工件巨大，为保证工件的充分均匀加热，选 取保温 120 分钟后空冷的正火处理工艺。 工件正火热处理加热曲线如下： 2.32.3 机加工机加工 机加工阶段齿轮分别经过粗车，精车以及精铣齿。本车间不涉及机加工。 2.42.4 调质工艺流程调质工艺流程 大模数齿轮采用

16、毛坯调质，由于收到钢材淬透性的限制，往往在齿根部位 不能获得要求的调质组织和硬度。因此，当模数较大时，应采用先开齿后调质 的工工艺，齿轮的加工工艺也就如上所述： 原材料正火机加工（包括粗车，精车以及精铣齿）调质表面感应 中频淬火 采用开始齿轮调质，由于改善了齿轮的冷却条件，可以采用淬透性较低的 含合金元素较少的钢材，从而总体上使成本降低。 在机加工之前的正火中材料的硬度打到 330-360HB，不能满足齿轮的日常 使用。调质之后齿轮的硬度可达 560-580HB。从化学工业出版社出版的现代热 处理手册第 512 页得下表： 表四：常用齿轮钢材的调质热处理工艺（JB/T 6077-1992） 硬

17、度要求（HB） 回火温度/钢号淬火温度/ 180-220220-260 回火脆性 45830-850570-590560-580 无 由正火时加热时间可计算得知，淬火，回火加热时间为 1120 小时。 齿轮淬火介质为水。 其调质温度-时间图如下： 淬火回火 表五：调质齿轮的的检验项目、内容及要求 （化学工业出版社现代热处理手册第 512 页） 检验项目检验内容及要求 钢材质量用试棒检验 化学成分、低倍组织、晶粒度 力学性能用试棒检验 一般检验 HB 应加工后的齿面为准 探伤 用试棒检验 对要求高的齿轮应在加工后的检验齿轮裂纹、气 孔、 缩孔、白点 显微组织用试棒检验 齿轮基本为索氏体 脱碳层

18、用试棒检验 一般不超过加工富裕量的 3 1 表六：调质齿轮的常见缺陷与防治措施（JB/T 6077-1992） 缺陷名称产生原因防止措施 硬度偏低 齿轮钢材含碳量降低； 淬火加热规范不当；表 面脱碳；淬火冷却不足； 挥霍温度偏高；材料选 择不当 检查钢材成分；调整加 热淬火规范；降低回火 温度；更换钢材 调质深度不足 选材不当；钢材碳含量 或合金元素含量偏低； 淬火范围不当 根据齿轮模数和尺寸选 用合适淬透性材料；检 查钢材化学成分；调整 加热冷却范围；大模数 齿轮采用开齿调质 硬度不均匀 钢材原始组织不良；淬 火冷却不均匀；淬火回 火加热温度不均匀 检查钢材质量；重新进 行一次正火或退火；加

19、 热冷却液的循环；改善 淬火回火温度均匀度 2.52.5 表面感应加热淬火工艺流程表面感应加热淬火工艺流程 2.5.12.5.1 感应加热介绍感应加热介绍 感应加热时目前应用最广、发展最快的一种表面热处理方法，其主要优点 在于：加热速度快、热效率高，这是因为处在交变磁场中零件靠自身产生的 热量来加热，其热量损失少，热效率可达 60%以上，且加热速度每秒可达几百 度至几千度；热处理质量高，因为加热时间短，零件无氧化和脱碳，且由于 零件信不处于低温状态，强度较高，故淬火变形小；便于实现解析恶化和自 动化，且产品质量稳定，等等。 感应加热的原理是零件周围加以通电交流线圈，产生交变磁场，工件中产 生感

20、应电流，即涡流。零件本身的阻抗导致热量的产生。 2.5.22.5.2 感应淬火工艺感应淬火工艺 2.5.2.12.5.2.1 确定硬化层的深度确定确定硬化层的深度确定 零件表面的硬化层深度根据零件的服役条件来确定，下表列出了典型服役 条件下的硬化层深度要求。 表七：几种典型服役条件下的零件表面硬化层深度要求（JB/T 9201- 1999） 失效工作条件硬化层深度及硬度值要求 原因 磨损滑动磨损且负荷较 大或承受冲击载荷 以尺寸公差为限，一般在 1-2mm，硬度 53-63HRC， 可取上限；一般在 2.0-6.5mm 之间,硬度 55- 63HRC，可取下限 疲劳周期性弯曲或扭转 载荷 一般

21、为 2.0-12mm,中小型周磊可取半径的 10%- 20%，直径小于 40mm 取下限；过渡层为硬化层的 5%-30% 注：齿轮硬化层深度（mm）一般取 0.2-0.4m，m 为齿轮模数 本车间所生产说生产齿轮模数为 20，可取齿轮的硬化层深度为 6mm。 2.5.2.22.5.2.2 频率的选择频率的选择 电流频率是感应加热的主要工艺参数，需根据需要的硬化层深度来确定。 表八：淬硬层深度与电流频率的关系 （摘自化学工业出版社现代热处理手册第 201 页） 淬硬层 深度/mm 1.01.52.03.04.06.010.0 最高频 率/HZ 60000300001500080002500 最低

22、频 率/HZ 150007000400015001000500150 最佳频 率/HZ 600002500015000700040001500500 推荐使 用设备 晶体管 式 晶体管 式或机 式 （8KHZ ） 晶体管 式或机 式 （8KHZ ） 机式 （8KHZ ） 机式 （2.5KH Z） 机式 （2.5KH Z） 机式 （0.5,1 .0KHZ） 从上表可知，本车间所生产齿轮的感应加热频率应为 1500HZ，选用机式感 应加热设备，额定频率为 2500HZ。 2.5.2.32.5.2.3 功率的确定功率的确定 频率确定以后，感应加热速度取决于工件被加热面积上的比功率（ ） 2 cm K

23、W 依据下表可根据淬硬层深度选择加热时间和比功率。 表九：根据淬硬层深度选择加热时间和比功率（JB/T 9201-1999） 厚度/mm淬硬层深度/mm加热时间/s 比功率/ 2 cm KW 106110.66 15616.50.54 206220.46 25627.50.4 30629.80.4 35630.70.4 406310.4 456310.4 506310.4 本车间所生产齿轮每个齿的宽度为 31.4mm，可选择加热时间为 30s,比功率 为 0.4。齿轮表面感应淬火为单齿双面同时淬火，计算功率需其齿面面 2 cm KW 积。 依据陈翔先生在“渐开线齿轮齿廓面积计算”一文中说述的直

24、齿齿轮齿面 面积计算公式： )( 2 22 0 fe rr r b bsA A 为齿面面积； b 为齿面宽度； s 为齿轮渐开线长度； 为基圆半径； 0 r 为齿顶圆半径； e r 为齿根圆半径； f r 得齿轮的齿面面积为 108。 2 cm 所以所选的表面感应淬火加热设备的功率为 108*2*0.4=96KW 2.5.2.42.5.2.4 加热温度的确定加热温度的确定 感应加热温度根据钢种，原始组织和在相变去的加热速度来确定。下表给 出了几种钢材的淬火温度及希望的表面硬度。 表十：不同材料推荐的感应淬火温度及通常希望的表面硬度（GB/T 16924- -1997） 金属淬火温度/淬火介质硬

25、度（HRC） （C）0.30% 900-925 水 50 （C）0.35% 900 水 52 （C）0.40% 870-900 水 55 （C）0.45% 870-900 水 58 （C）0.50% 870 水 60 （C）0.60% 845-879 水 64 由上表可见本车间所生产齿轮的淬火温度为 870-900，淬火介质为水， 淬火后齿轮的表面硬度可达 58HRC。 2.5.2.52.5.2.5 冷却方法和冷却介质冷却方法和冷却介质 感应加热后的淬火冷却及冷却介质应该根据材料、工件形状和大小以及采 用的加热方式和淬硬层深度等因素综合考虑确定。本车间生产环节只负责操作 步骤。依据热处理手册得

26、下表。 表十一：齿轮的冷却方法与冷却介质 （摘自化学工业出版社现代热处理手册第 212 页） 零件材料加热方法冷却方式冷却介质备注 45 逐齿同 时 逐齿连 续 沿齿沟 连续 喷射水 40Cr 逐齿同 时 逐齿连 续 沿齿沟 连续 喷射 水或 0.05% 的聚乙烯醇 水溶液 齿轮 （m5） 淬透性高于 40Cr 的合 金钢 逐齿同 时 逐齿连 续 沿齿沟 连续 间冷 埋油淬 火 水 油 用水喷射相 邻两齿面 从以上可知经过铸钢的表面淬火冷却方式应选择为水冷喷射的方 式。 表面淬火加热后齿轮的表面硬化层为细针状马氏体，表面硬度为 58HRC 左 右，能够满足矿山齿轮的正常使用，达到了生产目标。

27、3 3、设备的选用设备的选用 3.13.1 热处理设备的分类热处理设备的分类 热处理设备是指用于实施热处理工艺的装备，在热处理车间内还有为此热 处理生产所需的燃料、电力、水、气等动力供应设备，起重运输设备和生产安 全及环保设备。 通常把完成热处理工艺操作的设备称为主要设备，把与主要设备配套的和 为此生产所需的设备统称为辅助设备。热处理车间内设备的分类如下表所示： 表十二：热处理车间设计分类 热处理炉清洗、清洗设备 加热装置 炉气氛、加热介质、渗剂制备设 备 表面改性装置淬火介质循环冷却装置 表面氧化装置起重运输机械 表面机械强化装置质量检测设备 淬火冷却设备动力输送管路及辅助设备 冷处理设备防

28、火除尘等生产安全设备 主 要 设 备 工艺参数检测、控制仪表 辅 助 设 备 工夹具 3.23.2 热处理主要设备热处理主要设备 1.热处理炉 热处理炉是指具有炉膛的热处理加热设备，因在加热过程中炉膛首先被加 热，在参与对工件的热交换，所以热处理炉的加热性质量间接加热。 2.加热装置 加热装置时指加热源直接对工件加热的装置。因此，棋加热性质书直接加 热。加热方法可以是火焰直接喷烧工件，电源直接输入工件将其加热。在工件 内产生感应电流加热工件级等离子体、激光、电子束冲击工件二加热等等。 3.表面改型装置 这类装置主要有气体沉积和离子注入等，气相沉积装置时指通过在气相中 的物理、化学过程，在工件表

29、面上沉积金属或化合物涂层的装置。 、理智注入是 吧氨、金属等的离子注入材料表面，这类工艺方法不同于传统的通过加热和冷 却发生相变而强化金属的热处理方法，是现代新型的一种改善金属表面性能的 方法。 4.表面氧化装置 表面氧化装置时指通过化学反应在工件表面生成一种致密氧化膜的装置。 他由一系列槽子组成，通常称为发蓝槽或发黑槽。 5.表面机械强化装置 表面机械强化装置时指通过金属丸冲击或压力碾压或施加预应力，使工件 表面形成压应力或预应力的装置。有抛丸机和碾压机。 6.淬火冷却装置 淬火冷却装置时指用力热处理淬火冷却的装置。有各种冷却介质的淬火槽， 喷射式淬火装置和压力淬火剂。 7.冷处理设备 冷处

30、理设备是指用于将热处理工件冷却到零度以下的设备。常用的装置有 冷冻机，干冰冷却装置和液氮冷却装置。 8.工艺参数检测、控制仪表 工艺参数检测、控制仪表通常是指对压力、流量、温度等参数的检测、指 示和控制仪表。随着计算机控制技术的应用，是对热处理工艺参数控制外，还 有工艺过程静态和动态控制，生产过程机电一体化控制，计算机模拟仿真等， 计算机的控制称为工艺过程和设备运行的智慧中心。 3.33.3 热处理炉的分类、特性及选择热处理炉的分类、特性及选择 3.3.13.3.1 热处理炉的分类热处理炉的分类 为满足各种热处理工件、各类热处理工艺和不同生产批量的需要，热处理 炉有很多类型和规格。依据热处理炉

31、的特性因素，它有多种分类方法。 表十三：热处理炉的分类 分类原则热源工作温度 炉型电阻炉 燃料炉 煤气炉 油炉 煤炉 高温炉 （1000） 中温炉 （650-1000） 低温炉 （650） 分类原则炉膛形式工艺用途 炉型箱式炉 井式炉 罩式炉 贯通式炉 转底式炉 管式炉 退火炉 淬火炉 回火炉 渗碳炉 渗氮炉 实验炉 分类原则作业方式使用介质 炉型间歇式炉 连续式炉 脉动式 连续式 空气介质炉 火焰炉 可控气氛炉 盐浴炉 铅浴炉 流态化炉 真空炉 分类原则机械形式控制形式 炉型台车式炉 升降底式炉 推杆式炉 输送带式炉 棍底式炉 掘地式炉 步进式炉 等等 温度控制炉 工艺过程控制炉 计算机仿真

32、控制炉 3.3.23.3.2 热处理炉的主要特征热处理炉的主要特征 热处理炉的种类很多，但基本组成和特征是有几个主要组成部分和特性产 生所限定的。 （1）温度 炉子温度决定了炉子的传热特性。由于辐射与成正比，所以 高温炉的结构应设计成辐射传热型，棋主要特征是电热原件应能直接辐射加热 工件。低温炉主要依靠对流传热，其炉子结构应有强烈的气流循环。 （2）热源 电加热的热处理炉。因为电热元件容易在炉内安装和控制，所 以有较高的温度决定度和精度。煤气有油加热的热处理炉直接利用能源，比电 加热炉有较高能源利用率。煤气加热炉和油加热炉也能实现计算机控制，炉子 的温度控制精度也可以满足热处理工艺要求。燃煤加

33、热的热处理炉，控温精度 低、热效率低，排放量大，所以为其应用受到限制，仅应用于技术要求不 2 CO 严格的热处理生产，如可锻铸铁退火等。 （3）炉膛结构与炉衬材料 炉膛是热处理炉的主题，是炉衬包围的空间。 对他们的基本要求是，在炉膛内形成均匀的温度场，对被加热减油较高的传热 效果，较少的积蓄热和散热量，炉衬材料和结构向轻质化、纤维化、预制结构、 复合结构、不定型材料浇注以及喷涂增强材料辐射涂料的方向发展。 （4）燃烧装置和电热元件 燃烧装置和电热元件是炉子的主要部件。对燃 烧装置的基本要求是，士气充分燃烧，打到所需的温度和所需的气氛状态，形 成高辐射或强对流火焰，满足热处理工艺要求，有较高的热

34、效率和较轻的环境 污染。燃烧装置的种类很多，较新型烧嘴有：平焰烧嘴、自身预热烧嘴、高速 烧嘴及调焰烧嘴、燃烧器、辐射管和计算机控制燃烧。热处理炉所用的电热元 件，主要是电阻丝制成的元件或辐射管，在低温浴炉中多用管状加热元件，在 可控气氛炉中多数用辐射管；在高温炉中主要用碳化硅、二硅化钼、镧铬氧化 物质和石墨质电热元件。电热元件和燃烧装置的合理布置以及组织好火焰刘翔 或热风循环式提高炉子温度均匀度和热效率最重要的手段。 （5）炉气氛 实现热处理保护加热和气氛碳势可控制是我国热处理长期的 战略任务。热处理炉气氛状态有如下几类（）空气气氛，空气气氛炉是一种 结构最简单的炉型。工件在该颅内高于 560

35、以上加热时会氧化脱碳。 （2）火 焰气氛。火焰气氛是燃料炉燃烧产物气氛。燃烧产物的组成主要是、 2 CO 和。还可能有过剩的或者未完全燃烧的。火焰气氛的性子组要OH2 2 N 2 OCO 是氧化性，只有当量较多时才为弱氧化性或弱还原性。 （3）可控气氛，可CO 控气氛是人们特意加入炉内的气氛，主要是控制碳势、氮势或气氛还原性。按 可控气氛的性子分类有：1）中性气氛，主要是氮气，在氮气基础上附加其他组 分，形成氮基气氛，其性质随附加剂的性质而变化。2）还原性气氛，组要是氢 气。氢气密度小、粘度低、热导率高、还原性强。因此他有热容量小、流动状 态好、温度均匀度高的 优点。3）含碳气氛，含碳气氛由碳

36、氢化合物裂化或不 完全燃烧而成，又吸热式和放热式两大类，此气氛可在热处理炉外或炉内生成。 4）浴态介质，常用的浴态介质有盐浴、铅浴和油浴，其性质是中性，有时在中 性盐浴基础上加上其他物质，形成具有相应物质特性的盐浴，如含碳、含氮和 含硼等盐浴。5）真空状态，低于 101.325KPa 的稀薄气体状态，均称为真空态， 在高真空状态下热处理有提高产品质量和保护环境的双重作用，是热处理设备 发展的主要方向之一。 （6）作业方式 热处理设备按作业方式分间歇式作业炉和连续式作业炉两 大类，间歇式炉一般为单一炉膛结构，工件成批装出料，简单型的间歇式炉有 空气介质的箱式炉、井式炉等，其结构简单，氮生产的产品

37、的稳定性、再现性 和同一性都很差。近代，在间歇式简单炉型的基础上，配备了传动机械、可控 气氛、计算机控制等装置，使这类炉子的特性发生了质的变化。如封闭式箱式 炉，他可完成高质量的淬火、渗碳等功能，还可与清洗、挥霍等设备组成柔性 生产线。真空间歇式炉还被发展成在一个炉膛工位上完成加热、冷却、回火等 一个完整的热处理操作程序的生产模式。连续式炉的炉膛为贯通式，多为直线 贯通式，亦有环形贯通。其操作程序是工件顺序地通过炉膛。热处理工艺规程 是沿炉膛长度方向设置的，运行长度则为工艺时间。因此，每一个工件在炉内 运行过程中都同样准确的执行同一个工艺程序，可获得同一性的品质。 （7）工件在炉内的传送机械

38、热处理炉的机械化状态时炉子先进程度的重 要标志之一。各种形式的输送机械几乎都被应用于热处理炉。选择炉内工件传 送机械应考虑：该机械是否与热处理件的形状、尺寸或料盘相适应；是采用连 续式还是脉动式传送；工件于机械相对运动状态时相对静止还是相对运动的； 工件支持点的接触状态；该机械与上下工序机械的衔接方式；该机械式一直停 留在炉内，还是反复进出炉，周期的被加热和冷却；传动机械的可靠性和使用 收买那个；调整工艺的灵活性等。这些因素对提高产品质量和节能都有重大影 响。 （8）控制方式 热处理炉的控制，包括控制范围、控制方法和控制装置。 控制范围有：对温度、压力、流量以及气氛等工艺参数控制，传动机械控制

39、， 工艺过程控制和预测产品质量控制。由于计算机控制技术的应用，控制方法和 装置正进入一个新时代，从单纯参数控制，向勇可编程控制器控制生产过程和 计算机模拟仿真的方向发展。 3.3.33.3.3 热处理炉的选择热处理炉的选择 热处理炉是通过炉内燃烧装置将燃料燃烧产生的热量或通过炉内电热元件 将电能转化的热量对金属工件进行加热的设备。热处理炉种类多，应用广泛。 常用的箱式炉、台车炉、井式炉、罩式炉各有特点，分别应用于不同领域，一 般都已形成系列化的标准定型产品。 (1) 炉型选择 1）详细分析设备选择的依据条件，选择热处理炉： a.汽车齿轮等渗碳零件，大批量生产时，常用推杆式渗碳炉及其组成的生 产

40、线；中批量时，选用转底式炉并与推杆式炉或密封箱式炉及其组成的组成生 产线；小批量时，选用井式渗碳炉。 b.轴承零件，大批量时选用辊底式炉及其组成的生产线；中批量时选用振 底式炉、网带式炉并组成生产线；小批量时以往我国常选用盐浴炉；滚珠多选 用鼓形炉及其组成的生产线，或间隙式滚筒炉。 c.长轴件，大批量时选用步进式炉及其组成的生产线；小批量时选井式炉。 d.大件及长板件，选用步进式炉或台车式炉。 e. 中小零件和标准件，选用铸链炉、网带式炉、振底炉、真空炉、盐浴炉、 箱式炉。 f. 钢丝，选用牵引式炉及其组成的生产线。 g.模具及刃具，选用真空炉、盐浴炉、流态化炉。 h.钢带等退火件，选用罩式炉

41、、井式炉和箱式炉。 i.铝合金，选用强风循环箱式炉（带机械传动） 。 j.可锻铸铁退火件，选用推杆式炉生产线、隧道式炉生产线、升降底式炉。 2) 燃料与节能 a. 燃料的选择 热处理使用热源一般有电及燃料，燃料多为气体燃料。电炉由于温度均匀， 容易控制，热效率高，便于操作，一般采用电炉，大型铸锻件采用气体燃料炉。 b. 节能 热处理车间设计时应执行专业化协作的原则，主要耗能设备的负荷率不应 低于 40%，并应通过专业化协作方式使之达到 70%以上。采用合理用能的新技术、 新工艺、新设备和新材料。 热处理车间电炉控制系统改造是应用现代测控技术，提高工艺装备水平， 达到精确控制，提高产品质量，节省

42、能源，减轻工人劳动强度的目的。 c. 确定热处理炉生产率 热处理炉在单位时间内可完成一定热处理工序零件的重量即为生产率，以 Kg/h 或件/h 计。为使不同规格和炉型热处理炉进行比较，生产率还可以单位炉 底面积或单位炉膛面积在单位时间内的产量计算。平均生产率是指热处理炉在 一般正常使用条件下所达到的生产率，是热处理炉处理各类不同零件完成一定 工序，在较长时间稳定使用后，统计生产数据所计算出来的生产率（如表十四） 。 表十四 单位炉底面积的平均生产率参考指标 炉子类型退火正火淬火回火气体渗碳固体渗碳 箱式炉 推杆式炉 输送带式 炉 立式旋转 炉 台车式炉 双台车式 炉 振底式炉 4060 607

43、0 3550 6080 100120 120160 120160 100120 6080 120140 140180 80100 100125 100125 80100 5070 100120 100120 3545 310 812 1215 d. 热处理炉的计算 根据热处理零件分工的年处理量，分别采用各工序的平均生产率，可以计 算得出某项设备所承担热处理任务的年负荷数，再根据该项设备的工作制度所 确定的年时基数，即可计算得出该项设备的负荷率并确定台数。 设备需要量可根据热处理工序生产任务和设备生产能力计算出设备年负荷 基数，再计算设备需要量。 1. 设备年负荷基数 设备年负荷基数 G 为：

44、/GQp 式中 Q-设备年需完成的生产量（Kg/年） p-设备生产率（Kg/h） 依据齿轮重量，加热参数，及年产量可得 45 2778 125000 p Q G 2. 设备数量计算 /CG F 式中 F-设备年时基数（h） 本车间设备年时基数的计算可参照 JBJ/T2 J39 机械工厂年时基数设计标 准 热处理设备：热处理设备： 一、对于热处理生产线及自动线等大型、复杂设备一、对于热处理生产线及自动线等大型、复杂设备 1 1、间断生产、间断生产 每周工作日每周工作日 5 5 天，全年工作日天，全年工作日 251251 天。天。 1 1）两班生产：每天工作小时数为）两班生产：每天工作小时数为 8

45、 88 8 小时，公称年时基数损失为小时，公称年时基数损失为 8 8， 设备的设计年时基数为设备的设计年时基数为 37003700 小时小时 2 2）三班生产：每天工作小时数为）三班生产：每天工作小时数为 8+8+6.58+8+6.5 小时，公称年时基数损失为小时，公称年时基数损失为 1111，设备的设计年时基数为，设备的设计年时基数为 50305030 小时小时 2 2、短期连续生产：、短期连续生产： 每周工作每周工作 5 5 天，全年工作天，全年工作 251251 天天 一般安排三班生产：每天工作小时数为一般安排三班生产：每天工作小时数为 8+8+88+8+8 小时，公称年时基数损失为小时

46、，公称年时基数损失为 1111，设备的设计年时基数为，设备的设计年时基数为 53605360 小时小时 3 3、长期连续生产、长期连续生产 每周工作每周工作 7 7 天，全年工作天，全年工作 355355 天天 一般安排一般安排 3 3 班生产：每天工作小时数为班生产：每天工作小时数为 8+8+88+8+8 小时，公称年时基数损失为小时，公称年时基数损失为 1515，设备的设计年时基数为，设备的设计年时基数为 72407240 小时小时 本车间所生产齿轮一般为定制生产，生产批量小，可按照短期连续生产计 算年时基数，为 5360 小时。依据上面公式可得： 1 5360 45 F G C 所以本车

47、间热处理设备为一台。 依据热处理炉选取原则可知本车间说选择炉型为台车炉，量为一台。 3.3.43.3.4 所选炉型的介绍与改造方向所选炉型的介绍与改造方向 1）台车炉是国家标准节能型周期式作业炉，超节能结构，采用复合纤维保 温，超轻质高强度微珠真空球节能砖，自动密封台车和炉门，一体化连轨，不 需基础安装，放在水平地面即可使用。主要用于高铬、高锰钢铸件、灰口铸铁 件、球墨铸铁件、轧辊、钢球、破碎机锤头、耐磨衬板淬火、退火、时效以及 各种机械零件热处理之用。 这类炉子的炉底为一个可移动台车的箱式电阻炉，它适用于处理较大尺寸 的工件。下图为台车炉的结构以及普通台车式电阻炉产品的技术参数。 表十四：台

48、车式电阻炉产品的技术参数。 炉温在 850时的指标型号功率 /KW 电压 /V 相数额定温 度/ 工作空间尺寸 （长宽高） /mmmmmm 空炉损 耗功率 /KW 空炉升 温时间 /h 最大装 载量/t RT2- 65-9 6538039501106550450142.51 RT2- 105-9 10538039501500800600222.52.5 RT2- 180-9 18038039502100105075 0 404.55 标 准 序 列 RT2- 320-9 320380310003000135095 0 75512 RT- 75-10 7538031000150075060015

49、32 RT- 90-10 903803100018009006002033 非 标 准 型 RT- 150- 10 150380310002800900600354.54.5 2）炉子结构 炉架与炉壳 台车炉的炉架和炉壳的结构与箱式电阻炉基本相同，但是 由于台车需拖出，台车炉前端无下横梁，易发生炉架变形，因此炉架应固定在 地基上。炉面板应与炉口砖错位，即炉口砖突出，并有足够的砖厚，以减少炉 面板受热膨胀变形，炉面板炉口边缘也应开较大较长的膨胀缝。 炉体 台车炉的炉衬与箱式电阻炉基本相同。由于台车与炉衬不接触， 因此炉衬更宜采用耐火纤维结构。 炉口装置 小型台车炉炉口装置与一般电阻炉相似，大型台

50、车炉宽度大， 炉门必须有足够的刚度，炉门内衬多采用耐火纤维砌筑。 台车及行走驱动装置 台车钢架应依据载荷量计算确定。驱动装置多安 装在台车前部，驱动台车行走。行走装置多为车轮式，有密封轴承结构和半开 式结构，因前者轮轴润滑困难，而常用后者。 台车与炉体间的密封装置 台车与炉体间的常规密封方法是砂封结构如 图 3-14。 耐火纤维贴紧的密封结构如 3-15,3-16,3-17 台车后端滚管密封结构如图 3-18 3）所需台车炉技术要求 本车间说生产的齿轮为矿山用齿轮，为特大型齿轮，齿轮重量达到 25t， 直径大于 11m，工件热处理时为两个半件并排立放同时处理。标准件均无法满 足生产需要，所以需

51、定做专门满足本车间生产需求的特质台车炉。 由于齿轮直径为 11200mm，厚度为 240mm，齿轮分半部分同时加热，所以所 需的台车炉的尺寸可定为长宽高=14m4m7m. 台车炉所需功率可采用经验计算法来计算： 用炉膛内表面积求功率的方法，表十五时炉膛没平方米表面积功率指标， 炉子总功率应根据内表面积总面积计算。 表十五：炉膛每平方米表面积功率指标 工作温度/单位炉墙面积功 率/ 2 mKW 工作温度/单位炉墙面积功 率/ 2 mKW 120015-207006-10 100010-154004-7 所需炉型的加热温度应为 1000，单位面积炉墙面积功率可选为 12KW，所 以所需功率应为 4

52、368KW，炉子的额定功率可定为 4500KW。台车炉底座应能承受 超过 25T 的重量。 3.3.53.3.5 感应淬火设备的选择感应淬火设备的选择 从上面的计算中可知淬火设备应选择为中频感应淬火设备。 1）中频感应淬火设备概况 机式变频装置可将 50HZ 工频电流变为 500-10000HZ 频率电流，此频率范围 属于声频，一般称为中频。 目前能发生中频电流的变频装置有电磁式倍频器、机式变频装置、晶闸管 变频装置及离子管变频装置。机式变频装置整机效率为 70%-85%,而晶闸管变频 装置可达 90%-95%，同时还具有其他一系列优点。但由于半导体元件质量问题 容易发生故障，维护检修技术要求

53、较高，目前很多工程还是愿意采用机式变频 装置。 机式中频变频装置与电子管高频，超高频变频装置相比，具有以下优点： （1）装置整机效率较高。 （2）使用维护简单可靠，维护费用低。 （3）便于在生产线上使用，淬火变压器可设在离变频装置较远的位置。 （4）可集中供电，一台机组可供应数台淬火机床使用，符合按顺序接通， 变频机组利用率高。 （5）数台性能相近的变频装置可并联使用，也可单台使用，使用灵活。 （6）加热层较深，适用于重型、较大型机械零件的表面淬火机透热热处理 工艺。 （7）机房不需要屏蔽。 机式变频装置的缺点是：使用时调谐匹配比比较麻烦，有运转部件，噪声 较大。 机式中频变频装置基本上由机式变频机组、控制自动柜、电容器柜、配电 柜、内外控制台及淬火变压器组成。国产机式中频变频器机组见下表。 从下表可知 BPSD-100/2500 型满足生产要求。 3.43.4 热处理辅助设备热处理辅助设备 1.清洗和清理设备 清洗和清理设备是指对热处理前后工件清洗和清理的设备。着热处理