第三章热处理电阻炉设计.docx
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第三章热处理电阻炉设计
第三章热处理电阻炉设计
§3.1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。
按照电阻炉的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。
箱式电阻炉的型号和命名方式为：
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.中温箱式电阻炉的用途及结构
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的搁砖上。
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。
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
筑路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
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。
耐火材料的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.耐火材料的工作性能
1）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的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。
按耐火度的不同，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：
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：
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）：
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℃，然后放入流动的冷却水中冷却，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：
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：
是最常用的耐火材料，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、马弗炉的炉芯等。
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：
主要用于炉子的外壳和构架，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。
§3.3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，广泛征求有关人员的意见，反复进行技术、经济性的比较论证，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
炉膛车村主要根据工件的形状、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）和炉膛砌砖体内腔的尺寸B×L×H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）炉底的有效面积为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=（1/2-2/3）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的距离。
炉膛高度常决定于装料高度和电热元件的安装位置，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的层数，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硅藻土砖砌成方格子状，然后在格子中填充松散的保温材料，在上面平铺1～2层保温砖，之后再铺一层轻质黏土砖，其上安置支撑炉底板或导轨的重质黏土砖和电热元件搁砖。
2.炉墙
结构：
主要为砌砖体，外部为炉壳钢板。
炉壳和保温层之间通常有一层5～10mm的石棉板。
中、低温炉炉墙砌体一般分两层，内层耐火层常用轻质粘土砖砌成，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，中层为过渡层，一般用轻质砖砌筑。
有的低温炉采用双层钢板内填保温材料的结构。
炉墙砌体应有适当的厚度，以保证必要的强度和保温能力，减少蓄热和散热损失，其具体尺寸将通过传热计算确定。
注意事项：
1炉墙通常采用标准砖砌筑，因此炉墙尺寸应为标准砖尺寸（230×113×65mm）加砖缝厚度（一般为2mm）的整数倍。
2为防止炉墙反复热胀冷缩发生开裂，通常大型炉的粘土砖炉墙，每米长度应留5～6mm膨胀缝，各层之间膨胀缝应错开，缝内填入耐火纤维或掺有25%～30%石棉的灰浆。
3．炉顶
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，小型炉也可用预制耐火材料平板作炉顶，大型炉有时采用吊装式平顶。
拱顶的圆心角称为拱角，标准拱角为600。
拱顶重量及其受热时产生的膨胀力形成推力作用于拱角上。
因此，拱顶常采用轻质楔形砖砌筑，上砌以轻质保温制品，而拱角则用重质砖砌造，以承受较大的侧推力。
较大型的炉子为减轻重量，通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：
截面尺寸需保证装、出料方便和炉子安装电热元件以及维修的需要，通常应小于炉膛截面尺寸，以减少热损失和保护电热元件。
高温炉的炉门洞长度应较大，以减少炉口辐射热损失。
炉门洞口砌体常受工件摩擦撞击，应采用重质或其他较坚固的耐火砖砌筑。
炉门：
应保证炉子操作方便，炉口密封好和减少热损失。
其基本结构特点和要求是：
要有足够厚的保温层；炉门边缘与炉门框要重叠65～139mm；炉门要压紧炉门框；炉门下缘常楔入工作台上的砂槽内；炉子与炉门间加密封垫圈；还应考虑减轻炉门重量等。
炉门框：
可用铸造或钢板焊接制造，后者重量轻，便于启闭，但容易变形，影响密封性。
对于可控气氛炉常采用耐热钢制造。
§3.4电阻炉功率计算
主要有热平衡计算法和经验计算法两种。
一、热平衡计算法
根据炉子的输入总功率等于各项能量消耗总和的原则确定炉子功率的方法。
1.热处理电阻炉的主要能量支出项
（1）加热工件所需热量Q件
（2）加热辅助构件（料框、工夹具、支承架、炉底板及料盘等）所需热量Q辅
（3）加热控制气体所需热量Q控
（4）通过炉衬的散热损失Q散
（5）通过开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失Q辐
（6）通过开启炉门或炉壁缝隙的溢气或吸气热损失Q溢或Q吸
（7）砌体蓄热量Q蓄
（8）其他热损失Q它
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
炉子的功率应有一定储备，所以安装功率为
P安＝KQ总/3600（KW）
（2）周期作业的炉子功率
安装功率可按上式计算，然后要考核空炉升温时间τ升
τ升＝Q蓄/3600P安（h）
二、经验计算法
1.类比法
与同类炉子相比较，当炉膛尺寸和炉体结构确定后，依据生产率、升温时间等方面的具体要求，与性能较好的同类炉子相比较，而确定新设计炉子的功率。
如果所设计的炉子与参考炉子在尺寸、炉衬材料的选择以及技术指标等方面有所不同，可依据实际情况适当增减。
2.经验公式法
炉子功率可用下式计算：
P安＝C
F0.9（t/1000）1.55（kW）
式中：
——空炉升温时间（h）；
F——炉膛内壁面积（m2）；
t——炉温（℃）；
C——系数，热损失大的炉子，C＝30～35；热损失小的炉子，C＝20～25。
这种方法适用于周期作业封闭式电阻炉，使用时需注意使用条件并参考有关文献。
§3.5电阻炉的功率分配和电热元件接线
一．功率的分配
由于炉膛内各部分的传热条件和炉气运动状态有差异，为了保证炉膛内温度的均匀性和满足热处理工艺的要求，电阻炉的功率应根据具体条件适当分配，常需对炉子各部分输入不同的功率，分区段布置电热元件，必要时还需分区控温。
1.箱式电阻炉
一般箱式电阻炉均是沿两侧和炉底均匀分配功率，因为目前采用的一般均是螺旋状的电阻丝，如果是辐射管，则可考虑根据情况对功率分配进行一些调整。
2.井式电阻炉
需根据H/D比值确定采用单段还是分段控制，若是多段控制可考虑功率分配调整。
3.连续作业电阻炉
据各区工件吸热和散热确定各区功率。
二、供电电压和接线方法
供电电压：
一般均采用车间电网电压，即220V或380V。
电热元件的接线，应根据炉子功率大小等因素考虑决定。
功率小于25kW时，采用单相接法。
功率为25～75kW时，采用三相380V星形接法。
当功率大于75kW时，可将电热元件分成两组或两组以上的380V星形接法或三角形接法。
§3.6电热元件的计算及材料选用
一、电热元件材料和性能要求
1.具有良好的耐热性及高温强度
2.具有较大的电阻率
3.具有较小的电阻温度系数
4.具有较小的热膨胀系数
5.具有良好的加工性
二、常用电热元件材料
1.金属电热元件材料
铁铬铝系、镍铬系、纯金属
2.非金属电热元件材料
硅碳系、碳系、硅钼系
三、金属电热元件的计算
电热元件的计算，主要包括元件的截面尺寸、长度和质量以及一些结构尺寸的计算，以满足功率、使用寿命和安装要求。
1.电热元件的尺寸和质量
设炉子共有n个电热元件，炉子的安装功率为P安，则每个电热元件的功率为
P＝P安/n（kW）
在炉子工作温度为t时，每个电热元件的电阻应为
Rt＝（U2/P）×10-3（Ω）
Rt又可表示为：
Rt＝ρtL/f（Ω）
式中：
ρt——元件在工作温度下的电阻率
L——每个元件的长度
f——元件的截面积。
由以上两式可得：
L＝（fU2/Pρt）×10-3（m）
电热元件的功率与单位表面负荷的关系为
P＝W允·F×10-3＝W允·S·L×10-2（kW）
式中，F——电热元件表面积
S——电热元件横截面的周长。
消去L，可得
Sf＝105P2ρt/W允U2
2.电热元件的形状及结构尺寸
计算出电热元件截面及长度之后，还要将它制成适当形状，然后才能布置在炉内。
电阻丝的绕制尺寸：
电阻丝一般绕成螺旋管状。
丝的直径较大，绕制困难时，也可绕成波纹状。
绕制节径D和螺距h应保证不坍塌，同时又要热屏蔽小。
D和h小，虽然不易坍塌，但热屏蔽大。
所以不能过大或过小，一般可按表5－5（P65）所列公式计算。
按表中关系计算出的螺旋柱长度还必须满足在炉内布置的要求。
如不合适，还应适当调整D和h，直至在表所列值的范围内，又适合布置要求。
四、碳化硅电热元件的计算
1.根据炉膛尺寸确定SiC棒的规格，并计算每根的功率
2.根据炉子安装功率和每根SiC棒功率确定SiC棒根数
3.计算SiC棒的端电压
4.确定电压调节范围
§3.7电热元件的安装
一、电热元件的安装方式
电热元件在炉内的安装部位主要根据炉温分布和工艺要求而定，同时还要考虑到炉子的结构和电热元件的形状。
箱式炉一般都布置在炉底和侧墙上，大型箱式炉还在炉顶甚至炉门上布置电热元件，后墙一般不布置电热元件。
1.安装在侧墙上
电热元件平放在侧墙搁砖上，也可悬挂在侧墙上或安装在套管上。
2.安装在炉顶
电热元件放在炉顶的异型砖沟槽内。
3.安装在炉底
电热元件水平放置在炉底搁砖上，但应与炉底板有适当的距离，以避免接触炉底板短路。
4.安装在辐射管内
在可控气氛炉中，为便于更换和保护电热元件不受炉气侵蚀，将电热元件绕在芯棒或骨架上，再套上圆形辐射管，辐射管既可竖安又可横安于侧墙，也可安装在炉顶、炉底。
5.非金属电热元件的安装方式
硅碳棒可垂直或水平安装，而二硅化钼棒，因在高温下易发生塑性变形，只能垂直安装，电热元件距壁面的距离应大于30mm。
二、电热元件引出与焊接
电热元件引出端需穿过炉壁，散热条件很差，为防止引出端温度过高，应加大引出端尺寸。
对金属电热元件常另外焊接一不锈钢引出棒，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。
在硅碳棒引出端还常涂覆金属层以减少接触电阻。
元件引出端应保证与壳体绝缘良好，拆卸方便和炉子密封。
电热元件的焊接性一般都比较差，因此应选择适当的焊接方法，采用成分与电热元件相同或相近的焊条，并严格按照焊接工艺规程进行焊接。
镍铬元件焊接性较好，可采用电弧焊或气焊。
铁铬铝元件，一般质量要求的可用电弧焊，质量要求较高时应采用氩弧焊，元件各部分之间的焊接常采用搭焊，元件与引出棒之间采用钻孔焊或铣槽焊。
§3.8热处理电阻炉的经济技术指标
一、电阻炉的性能试验
电阻炉的性能试验主要项目有电热元件的电阻、额定功率、空炉升温时间、空载功率等。
1.电热元件冷态直流电阻的测定
电热元件冷态直流电阻用直流双臂电桥测量。
2.额定功率的测定
对于用金属电热元件的电阻炉在额定电压下，当炉温达到额定温度的瞬间，用功率表测量出额定功率。
对于非金属电热元件的电阻炉在达到额定温度的瞬间，用功率表测量。
额定电压应能调节，以便使额定功率波动在规定的允许范围之内。
3.空炉升温时间的测定
经烘干的电阻炉，从冷态以额定电压或额定功率送电，记录其达到额定温度时所经历的时间。
4.空载功率的测定
空载功率是指电阻炉在额定温度下不装工件运行时所消耗的功率。
空载功率小，说明炉子保温性能好，炉子热损失少。
5.炉温均匀性的测定
炉温均匀性是在电阻炉处于额定温度，并已达到热稳定状态，空载时测量。
测温位置和点数根据炉型按有关标准执行。
箱式炉一般采用9点法。
6.表面温升的测定
表面温升是电阻炉外表面温度减去环境温度所得的温差值。
测量的条件是电阻炉处于空载和额定温度下的热稳定状态。
测温仪用半导体温度计、热电偶表面温度计或水银温度计。
二、电阻炉的技术规范
电阻炉的技术规范常列成表格写到使用说明书中，重要指标标在铭牌上。
其内容包括：
额定功率，额定温度，额定电压，相数，电热元件接法，空载功率，空炉升温时间，最大技术生产率，最大一次装料量，工作空间尺寸，外廓尺寸，质量等。
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