第七章热处理炉.ppt

1、第七章 热处理设备,车间设备分类：主要设备；热处理辅助设备 1、主要设备： 热处理炉： 加热装置： 是指热源直接加热工件的装置。如火焰直接喷烧工件；感应电流加热工件；等离子体、激光、电子束加热等 表面改性装置： 气相沉积和离子注入等,表面氧化装置： 发蓝或发黑 表面机械强化装置 ： 抛丸机和辊压机。在工件表面形成压应力或 预应力状态 淬火冷却设备： 淬火槽；喷射式淬火装置；压力淬火机 冷处理设备： 冷冻机；干冰、液氮冷却装置。 工艺参数检测、控制仪表：,2、热处理辅助设备 清洗和清理设备: 碱水溶液、磷酸水溶液、有机溶剂的清洗槽及清洗机 清理设备：喷沙机、抛丸机、酸洗设备等 炉气氛、加热介质、

2、渗剂制备 淬火介质循环冷却装置：储液槽、泵、冷却器、过滤器 起重运输设备 质量检验设备：金相组织、力学性能、尺寸、缺陷探伤和残余应力等检测设备 防火除尘等生产安全设备,7-1热处理炉概述,一、热处理炉的分类： 按作业规程分为： 周期作业炉 优点：通用性强、可适应多种工艺要求。 缺点：生产率低、热效率低，工件温度均匀性差、工艺过程不易控制，产品质量稳定性差。 连续作业炉 特点：生产率高、产品质量稳定、生产成本低、但设备费较高、不易改变工艺，适用于品种单一的大批量生产。如推递式炉、振底式炉、传送带式炉、步进式炉等,按工作温度分,低温炉 ： 炉温为650以下。 主要用于钢件回火，铝合金淬火和时效、渗

3、氮等处理。 中温炉 ： 炉温为650-1000。 主要用于钢件淬火、退火、正火、渗碳、碳氮共渗处理。 高温炉 ： 炉温为1000以上。 主要用于高速钢、模具钢、耐热钢和耐热合金等材料的热处理。,按热源和加热方式分,电阻炉： 凡借用电流通过加热元件发热而加热炉膛的炉子均称为电阻炉。其加热元件可以是各种电阻加热体或者是加热介质本身，如电极盐炉的盐液、流动粒子炉的石墨粒子等。 燃料炉 ： 炉内热量是借用固体、液体和气体燃料所产生。这类炉子温度的均匀和准确性不及电阻炉，但它是直接利用燃料发热的设备，能节约能源。,按加热介质分,氧化性介质加热炉： 如空气介质加热炉、燃料炉。 可控气氛热处理炉： 炉内气体

4、介质的成分可以调节控制，能实现无氧化无脱碳的光亮加热，能进行渗碳等化学热处理 真空热处理炉： 能实现无氧化无脱碳加热。可进行真空化学热处理或离子化学热处理。 液体介质的热处理炉： 类型：有电极盐浴炉和坩埚盐浴炉、油浴炉、溶融金属炉等。用途：用于钢件的淬火，回火；有色金属的淬火和时效以及局部热处理；也用于淬火冷却，如硝盐槽、碱浴槽等。 流动粒子炉： 向炉膛内鼓入空气、可燃气体或化学热处理气体，使炉膛内的粒子（石墨粒子或石英砂等）呈悬浮状态，形成气固混合的流态化加热介质。 用途：可用于淬火加热、冷却，也可进行化学热处理。,按炉型结构分,箱式炉： 这类炉子多数是中温或高温炉，是淬火、正火、退火等热处

5、理应用较多的一种炉型。 井式炉： 炉体为圆筒或方形立式，炉口在顶端。这类炉子高、中、低温都有，广泛用于淬火、回火和渗碳、渗氮等化学热处理。 实验室电炉 推杆式炉 台车式炉 振底式炉 转底式炉 输送带式炉 罩式炉,总之，它们的结构都是由以下三部分组成： 加热装置部分 （电热元件、燃烧室、烧嘴） 放置物料部分 （台车、马弗罐、输送链、炉膛） 辅助装置部分 （炉门、炉壳、预热器）,二、热处理炉的主要特性,1、温度：温度决定了炉子传热特性。高温炉结构设计成辐射传热型，低温炉设计成对流传热型。 2、热源（电加热、煤气加热、燃煤加热） 3、炉膛结构和炉衬材料 4、燃烧装置和电热元件 5、炉气氛：空气气氛、

6、火焰气氛、可控气氛 6、作业方式 7 工件在炉内的传送机械 8、控制方式：对温度、压力、流量及气氛等工艺参数控制；传动机械控制；工艺过程控制和预测产品质量控制。单纯参数控制、可编程控制生产过程和计算机模拟仿真,三、热处理炉的技术经济指标,评价热处理设备质量标准： 功能性参数 1、炉温均匀度：是指在空炉时，在有效工作区内，在规定的各测温点上所测得的最高和最低温度分别与控制点上所测得的温度的差。是保证热处理工艺质量最重要的技术指标。 2、空炉升温时间 3、空炉损耗功率 4、炉温稳定度（炉温控制精度） 5、炉体温升,运行性能1、炉内气氛（自然气氛、保护气氛、控制气氛、真空）2、最大装载量3、工艺适应

7、性：满足热处理工艺的程度，产品品质和重现性。4、自动化程度可靠性和寿命1、平均无故障工作时间2、易损件寿命3、大修期,四、热处理炉的工作特性与发展方向,工作特性： 1、热处理炉的温度范围要宽 2、热处理炉的炉温要均匀 3、热处理炉对被加热工件的氧化与脱碳要求严格 4、热处理炉生产率低 5、热处理炉能耗大 6、热处理炉维修次数多，维修成本高,热处理炉更新方向,按照热处理发展方向“优质、高效、低耗、清洁” 1、节能化 2、环保化 3、智能化 程序控制；热处理过程参数最优控制；多方面计算机系统控制；热处理生产经营数据库。 4、优质化 5、高效化,7-2 热处理设备常用材料,包括： 砌筑炉墙用的耐火材

8、料、保温材料； 炉内金属构件所需的耐热金属材料； 电热元件所需的电热材料； 炉壳所需的金属材料； 炉内气体管路、水冷系统、淬火系统、真空 系统等所需的标准设备,一、常用的筑炉材料及要求,1、耐火材料 1.1对耐火材料的要求 足够的耐火度 一定的高温结构强度 良好的热稳定性 良好的体积稳定性 良好的化学稳定性 较小的热导率、密度和比热容等,1.2常用的耐火材料,粘土砖：主要原料是耐火粘土和高岭土 高铝砖：Al2O348 刚玉砖： Al2O390 高氧化铝制品 碳化硅砖 抗渗碳砖,1.3耐火混凝土,由骨料、掺合料和胶结料组成 常用的耐火混凝土有： 硅酸盐水泥耐火混凝土 磷酸盐耐火混凝土 水玻璃耐火

9、混凝土 1.4耐火纤维（又称陶瓷纤维）,2、保温材料,硅藻土 蛭石 浮石 石棉 珍珠岩 硅酸钙绝热板,二、耐热构件用金属材料,用于制作：炉底板、料筐、料盘、炉罐、风扇等 是指在高于450条件下工作，并且具有足够的强度、抗氧化、耐腐蚀性能和长期组织稳定性的钢种。 耐热钢包括：热强钢和抗氧化钢,热强钢,具有足够的强度和一定的抗氧化性能 常用的有： 1、珠光体热强钢：合金含量3-8%，工艺性好，价格便宜。工作温度650。1Cr5Mo 2、马氏体热强钢：具有较好的热强性和耐腐蚀性 及良好的减震性。工作温度650。 1Cr13、2Cr13 3、奥氏体热强钢：具有较好的热强性和塑性及韧性，抗氧化性强。 1

10、Cr18Ni9Ti、 1Cr23Ni13,抗氧化钢, 高温下能保持良好的化学稳定性，因能抵抗氧化和介质的腐蚀而不起皮钢 包括：铁素体抗氧化钢和奥氏体抗氧化钢 铁素体抗氧化钢：具有在高温下晶粒长大变脆倾向，不宜做承受冲击载荷构件。适用于800-900 奥氏体抗氧化钢：较好的热强性和良好的韧性和抗渗碳性。适用于850-1200,常用的耐热钢,铬锰氮钢：ZG30Cr18Mn12Si2N Cr20Mn9Si2N、 Cr17Mn13N 铬锰氮镍钢： ZG20Cr20Mn9Ni2Si2N,四、电热体材料,1、电热体材料的性能要求 电热体材料的合理选择，对其使用寿命和炉子的成本有较大影响。电热体材料主要应具

11、备以下性能： （1）有一定的高温强度； （2）高温下有良好的抗氧化性； （3）比电阻高和电阻温度系数小； （4）加工性好，易于焊接。,2、金属电热体材料,常用的金属电热体材料有Fe-Cr-Al系和Ni-Cr系两种。 （1）Fe-Cr-Al系 优点：成本较低，使用温度高，电阻率大，电阻温度系数小，耐热性好。 缺点：高温强度低，热膨胀系数大，脆性大，加工性差，不易焊接。 常见的有：0Cr13Al4、0Cr17Al5、0Cr25Al5,（2）Ni-Cr系电热元件 优点：塑性韧性好，易于加工，高温强度高而且不易脆化。与Fe-Cr-Al系相比，电阻率小，电阻温度系数大，体积质量大，使用温度稍低，抗渗碳能

12、力差，抗渗氮能力强，成本较高。 常见的有：Cr15Ni60、Cr20Ni80,3、非金属电热体材料,高温用常见的非金属电热体材料主要有碳化硅元件、二硅化钼电热元件和石墨电热元件。 （1）碳化硅电热元件 碳化硅是以石英、焦炭为原料，焙烧成碳化硅生料，再加入焦油、沥青等作粘接剂，然后压制成型并经高温烧结而成的。含SiC 97%98%，其余为少量金属氧化物杂质。 （2）二硅化钼电热体 这种材料是以钼粉和硅粉为原料，掺入粘接剂混合，经压制成型后烧结而成的，其外形常为“U”或“W”型。,（3）石墨棒 石墨棒常用于高温真空炉的电热体，最高使用温度可达3000，在高温下易于氧化，除真空外，只能在中性气氛或还

13、原性气氛中使用。它是膨胀系数小，热导率较大，加工性较SiC、MoSi棒好，耐高温，耐急冷急热性好，价格较便宜。 （4）低温电加热装置的纤维材料， 它是在高分子聚合纤维表面涂一层硫化铜。这种纤维热容量大，在电源中断时不会很快冷却。,7-3 热处理电阻炉,一、电阻炉的加热特点 热效率高（45-60%）、加热过程易于控制、炉温波动小、操作方便、易于实现机械化自动化。 二、电阻炉的结构设计 1、电阻炉的一般结构 电阻炉一般由炉体和电气控制柜两大部分组成。炉体包括炉壳、炉衬、炉门传动和升降机构等构成。电气控制柜包括炉温控制系统和传动控制系统。 炉壳：采用不同型钢制成炉架，外覆钢板焊成封闭壳体。 炉衬：用

14、耐火材料和保温材料砌筑的炉体衬层，其结构 一般分为三层,2、炉膛的尺寸 炉子装载能力 炉底面积 炉膛高度,三、炉子功率分配及电热元件接线形式,电热元件材料及选择 1、材料要求 较高的熔点和高的强度 良好的高温抗氧化性 较大的电阻率和较小的电阻温度系数 较小的膨胀系数和良好的塑性及抗蚀性,2、常用的电热元件及结构尺寸计算 1)、种类 金属 Ni-Cr、Fe-Cr-AI、Mo-W类 非金属 SiC、MoSi2、碳系-石墨 电热辐射管 2)、计算 （截面尺寸、长度及结构形状和尺寸）,电热元件单位表面功率的确定 确定合理与否直接影响到材料是否节省和使用寿命的长短 确定电热元件允许的单位表面功率W允应考

15、虑 以下几方面： （1）工作温度愈高，W允值愈低 （2）若炉膛内通入可控气氛或其他腐蚀性气体时 W允取下限值。,电热元件的尺寸,要保证两个条件： 具有一定的电阻值以保证炉子所需的功率； 要保证电热元件的寿命要求，应满足不超过允许表面负荷率要求。 （1）电热元件的电阻和长度,（2）允许表面负荷率和长度 由（1）、（2）得电热元件尺寸：,电热元件的结构尺寸,螺旋柱的总长度,D螺旋节径；d螺旋直径；h螺旋节距；h=(2-4)d 尺寸选择顺序：先选定L柱，再选D值，然后计算h，看是否满足，若不满足调节D值 3）电热元件的引入和焊接,4、炉子功率分配及电热元件接线形式,四、热处理电阻炉的技术经济指标,主

16、要分为两类：一类满足工艺要求的指标：如炉子的额定功率、额定温度、生产率、炉膛尺寸和稳定均匀性等。一类是满足节能要求的指标，如炉子热效率、空载功率、炉外壁温升、砌体吸热量及空炉升温时间等。下面介绍是后一类。 1、炉子热效率 2、空载热效率 3、炉外壁表面温升 4、空炉升温时间,7-4 热处理燃料炉,一、燃料炉的基本结构 1、分类及特点 固体燃料炉（煤炉） 特点：煤与空气难以均匀混合，燃烧不完全，易产生黑烟，热效率低，劳动条件差 气体燃料炉（煤气炉） 特点：燃料与空气混合均匀，燃烧完全，炉温均匀，便于保持 液体燃料炉（油炉） 特点：油需要雾化，燃烧过程不如气体燃料易于控制,2、燃料炉的基本结构形式

17、,按燃烧室位置分为： 直接燃烧式 特点：烧嘴布置在炉膛内壁，火焰温度较高，热效率较大，炉子结构紧凑；缺点：工件温度难以控制，易于过热。 顶燃烧式 特点：工件加热均匀性好，但结构复杂。 侧燃烧式 特点：结构简单，但炉温均匀性差，不易控制，热损失大 底燃烧式 特点：炉温较均匀，但结构复杂，炉底寿命短。,3、热处理燃料炉的主要组成部分 燃烧室 进火口 档火墙 炉膛 排烟口 烟道 烟囱 鼓风机,二、燃料燃烧 1、常用的燃料 a）固体-煤 b）天然液体-石油（柴油、重油） c）天然气、人造气 人造气 水煤气、高炉煤气（CO、H2） 城市煤气（ CO、H2 、CH4） 发生炉煤气（ CO、N2 ） 混合发

18、生炉煤气（ CO、N2 、H2）,焦炉煤气（ CH4、H2 ） 液化石油气（ 丙烷、丁烷 ） 2、燃料炉的燃烧装置 燃烧室（煤炉） 烧嘴 （气体） 喷嘴 （液体）,二、气体燃料燃烧,1、燃烧过程：混合、活化、燃烧 混合阶段：时可燃气体的分子与氧分子相互混合，形成可燃混合物。是燃料燃烧前提。由于混合过程是一个扩散过程，混合速度比燃烧速度小得多，因此燃烧速度取决于混合速度。 活化阶段：将可燃混合物加热到着火温度，这一过程称为活化。 可见，进行燃烧先决条件是混合气体的活化。只有在混合气体比在着火浓度范围，当加热到着火温度以上是，燃烧反应才能顺利进行。 燃料的着火浓度：指在可进行燃烧的混合气体中可燃成

19、分的浓度范围。超出或不到此范围就不能燃烧，一旦着火后，燃烧不再受着火浓度的限制,燃料的着火温度：指燃料和空气的可燃混合物可自行正常燃烧的最低温度。 燃烧反应阶段 到达着火温度后，可燃混合物中可燃成分与氧发生剧烈的氧化反应，放出大量的热和强烈的光。 火焰传播速度（着火速度）：火焰沿着向未燃烧的可燃气方向传播速度。火焰传播速度越大，燃烧就越快。增大火焰传播速度是强化燃烧的途径。 回火现象：当可燃混合物从烧嘴喷出的速度小于火焰传播速度时，火焰将传播到烧嘴和供气管道中进行燃烧，这种现象称之。回火是会发出“啪啪”的刺耳声，严重时引起爆炸。 脱火现象：当可燃混合物从烧嘴喷出的速度大于火焰传播速度时，会使火

20、焰吹散，是燃烧不稳定。,2、烧嘴装置,内混式烧嘴（无焰烧嘴） 外混式烧嘴（有焰烧嘴） 半内混式烧嘴 高速烧嘴 辐射管加热器,三、液体燃料燃烧,1、特点： 若有直接燃烧，由于与空气接触很小，燃烧速度过慢，产生大量油烟。因此必须雾化。即将液体燃料破碎成极细的油滴，增大与空气接触面，经加热蒸发成可燃气，再与空气中氧混合才能燃烧。热处理炉用燃料油的雾化是靠燃油烧嘴来实现的。 2、喷嘴结构：喷射式喷嘴；回旋式喷嘴。,7-5 热处理浴炉,1、特点： 加热速度快、无氧化、无脱碳，可实现局部加热。 2、基本炉型 按加热方式分： 内热式电极浴炉 外热式坩锅浴炉 内热式管状加热器浴炉,内热式电极浴炉,特点：电极布

21、置在导电介质中，直接通电（36V）产生热量。 优点：升温快，无需金属坩埚，可进行高、中、低温加热 缺点：盐液面热损失大，盐蒸汽污染环境。 形式： 插入式 埋入式,插入式与埋入式特点,插入式：电极从坩埚上方直接插入。 缺点： 1、炉口只有2/3的面积能使用，炉膛容积有效利用率差。 2、电极与盐面交界处易腐蚀、烧损，电极寿命短。 3、远离电极一侧温度低，炉温不均匀。 4、工件易接触电极而产生过热或过烧。 与插入式相比，埋入式有以下特点： 1、炉膛容积有效利用率增大，热效率高。2、炉温相对均匀，加热质量好；3、电极寿命长；4、工件装出炉方便；5、电极坏时，浴槽也要相应更换，制造维修麻烦。6、炉子形状

22、复杂，砌炉麻烦。电极间尺寸不能调节，电极形状、尺寸要求高，功率不可调。,外热式坩锅浴炉,结构：由炉体和坩埚组成。坩埚由金属制造，热源为电热或煤、油等 用途：碳钢、合金钢的预热、等温淬火、分级淬火和化学热处理。 优点：不需要变压器；介质成分稳定；启动操作方便。 缺点：坩埚内外温差大（可达100-150）；温度不能太高。,内热式管状加热器浴炉,特点：将电热元件插入坩埚介质中，通过电热元件放热来加热介质。 介质：盐、油、碱、水。 用途：适用于550 以下回火、等温淬火、铝合金加热等。 优缺点：结构紧凑，热损失小，温度均匀，易调节，维修方便，但在硝盐浴中，加热元件易腐蚀。,箱式电阻炉,用途： 箱式电阻

23、炉广泛应用于中、小零件的小批量热处理生产，它可供碳钢、合金钢的淬火、正火、退火，也可进行回火和固体渗碳以及其它热处理。 分类： 按工作温度，箱式电阻炉可分为高温、中温和低温箱式电阻炉。,中温箱式电阻炉 RX系列中温箱式电阻炉是目前电炉行业中生产最多的节能型电炉，中温箱式电阻炉最高工作温度为950； 电热元件常用铁铬铝电阻丝绕成螺旋体，安置在炉膛两侧墙和炉底的搁砖上，而在炉底的电阻丝上覆盖耐热钢炉底板，上面放置工件。对于大型箱式电阻炉可在炉膛顶面，后墙和炉门内侧安装元件； 炉衬耐火层一般采用体积密度不大于1.0g/cm的轻质耐火砖。近年来，推广采用体积密度为0.6 g/cm的高强度超轻质耐火砖作

24、耐火层。 保温层采用珍珠岩保温砖并填以蛭石、膨胀珍珠岩等。 改进：而耐火层和保温层中间夹一层硅酸铝耐火纤维。这种新结构的炉衬保温性能比较好，它可以使炉衬变薄，重量减轻，因而有效地减少了炉衬的蓄热和散热损失， 与老式炉相比大大降低了炉子空载功率，缩短了空炉升温时间。这种电炉还可以设置风扇，以加快对流抽换热速度，提高炉温均匀度。,高温箱式电阻炉 用途：主要用于高铬钢模具和高速钢刃具等的热处理。 分类：按其最高工作温度可分为1200、1300和1350三种。由于加热温度高，工件极易氧化脱碳。因此，必须采用保护气氛。 结构： （1）在1200和1300高温箱式电阻炉内，电热元件采用0Cr27Al7Mo

25、2和最新研制的FCA-HT高温铁铬铝电热材料，炉底板用碳化硅板制成。炉子其他部分的结构与中温箱式电阻炉大致上相同。由于炉温提高，所以应增加炉衬厚度，炉口壁厚也相应增加，以减少散热损失。目前，已定型生产的有最高工件温度为1200和1300的高温炉。,（2）1350高温箱式电阻炉，一般用碳化硅棒为电热元件，最高工作温度为1350.碳化硅棒一般均垂直布置在炉膛两侧，也可以布置在炉顶和炉底处。碳化硅棒的电阻温度系数很大，而且在使用过程中碳化硅棒会逐渐老化，其电阻值将随之增大。为了稳定碳化硅棒的功率，并便于调节，所以必须配备多级调压变压器。 （3）高温箱式电阻炉的炉衬通常有三层：用高铝砖砌耐火层；用轻质耐火粘土砖或泡沫砖砌中间层；外层则使用珍珠岩砖和保温材料。在耐火层保温层之间仍加硅酸铝耐火纤维，炉底板采用碳化硅或高铝砖。 此外，还有一种用二硅化钼作