高温箱式加热炉的设计（可编辑）

高温箱式加热炉的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 （可编辑） 高温箱式加热炉的设计 摘 要 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一,与其他加工工艺相比,热处理 一般不改变工件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件内部的显微组织, 或改变工件表面的化学成分,赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的 内在质量,而这一般不是肉眼所能看到的。 文中主要介绍了热处理炉常用的耐火材料,保温材料的种类和特点。介绍 了热处理炉的结构,设计,以及相关的计算。同时,介绍了电热元件材料的一般性 能,以及相关的计算与设计。为了实现节能的效果,文中还简要的介绍了当今箱是 炉主要的节能方法和途径。 关键词:箱式,高温热处理,节能。 Subject: Box-Tpye High Heat Treatment Furnace ABSTRACT Metal heat treatment is one of the important arts and crafts in machinery manufacturing, compared with other treatment, it usually don't change the shape and the whole piece, but by changing the chemical composition of the microstructure, or a change in the chemical composition of workpiece surface, or to improve performance of workpiece. Its characteristic is that to improve the quality of workpiece, which is generally not naked eye can see. This paper mainly introduces the common heat treatment furnace refractories, insulation materials and features.And introduces the structure, design of heat treatment furnace, and related calculation. In order to realize the energy saving effect, this paper has briefly introduced the current mainly energy saving method of box-tpye high heat treatment furnace Keyword: Box-Tpye , High Heat Treatment, Energy ?saving 目 录 第一章 绪论 1 第二章 热处理基础知识 3 2.1热处理原理 3 2.2热处理的主要工艺 3 2.3 热处理设备 4 第三章 炉体材料 6 3.1耐火材料 6 3.2轻质耐火材料和绝热材料 8 第四章 高温箱式热处理炉的结构设计 10 4.1 炉子结构设计 10 4.1.1 炉膛尺寸的确定 10 4.1.2 炉墙的砌筑 11 4.1.3 炉顶的砌筑 11 4.1.4 炉门的设计 12 4.1.5 炉衬材料和厚度的确定 13 4.2 钢结构的确定 13 第五章 热处理炉电热体设计 17 5.1 电热元件材料 17 5.1.1电热元件材料应具有的性能 17 5.1.2 各种电热材料的特性 18 5.2电炉功率的确定 19 5.3电热体尺寸及位置的确定 23 5.3.1 电阻炉的接线方法的设计 23 5.3.2 电热体的确定 25 5.3.3 电热体的布置 26 第六章 箱式热处理炉的节能 28 结 论 29 致 谢 30 参考文献 31 第一章 绪论 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一,与其他加工工艺相比,热处理 一般不改变工件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件内部的显微组织, 或改变工件表面的化学成分,赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的 内在质量,而这一般不是肉眼所能看到的。 箱式电阻炉在各种机器制造厂的热处理车间应用的很广泛,适用于单个 小批大、中、小型零件的热处理,如:退火、正火、回火以及固体渗碳等。带有特殊马弗室的箱式电阻炉,还可以用来进行固体渗铝和金属线、带的光亮退火,由于用途比较广,人们常称它为万能电阻炉。根据各种不同的工作要求,箱式电阻炉的炉底有各种不同的构造,常见的有以下几种: 1.炉底固定式 这种箱式电阻炉在实际应用中的数量最多,容量可以从数千瓦到数百千瓦,工件由人工装卸。 2.炉底升降式 这种箱式电阻炉主要用作大型铸、锻件的回火和钢板的热处理,其容量大都在数百千瓦以上,其炉底为一耐热合金钢制成的平车,需加热的工件即放置在上面,沿铁轨推至炉罩下面的工作台上,借电动机或液压装置把它升到炉膛内。平车与炉身接触处,可以用砂或其他液体密封,以便通入所需的各种保护气体避免工件的氧化和脱碳。 3.炉底可移动式 这种箱式电阻炉的炉底为一有耐火砖与部分耐热合金钢制成的平车,但与炉底升降式的箱式电阻炉的平车不同,此平车是从通入炉内的轨道上沿水平方向推至炉中,车面正好是炉子的底,通常车轮、车轴均露在炉外。平车的进出大都用电动机曳引,为了使炉子有足够的热量,往往在装载工件的平车的下面也装有电热元件,车面与炉身接触部分,也可用细沙密封。 4.滚珠炉底式 这种箱式电阻炉的结构,几乎全与炉底固定式箱式电阻炉相同,只是在它的炉底上砌有数条耐热合金钢轨道,在这些轨道上,均放有数颗耐热合金钢丸,装载工件的耐热钢底板,即放置在钢丸的上面,可使工件装载时的重力大为减轻,这种炉子的主要用途为大、中型锻模的加热及固体渗碳,而不适用于小零件的热处理。 随着社会主义建设的发展,热处理设备正日益显示重要作用。通过设计和 制造新设备,改造旧设备,以适应飞跃发展的工业生产的需要,而气体渗碳炉的改造,主要围绕提高产品质量及设备的性能,改善劳动条件和消除公害等方面进行的,具体有以下几方面: 1.改善炉膛结构,合理布置加热元件,提高密封程度,强化炉气对流,以改善加热质量。 2.加大炉子功率,采用新型筑炉材料,电热元件和新结构的烧嘴,以强化设备加热过程,提高加热效率。 3.提高设备机械化、自动化程度,提高劳动生产率和改善劳动条件。 4.采用可控气氛炉,进行无氧化加热和提高化学热处理的效果。 5.采用能提高节能效果的耐热钢,耐火材料,保温材料等新材料。 第二章 热处理基础知识 2.1热处理原理 在热处理产品中80%为的热处理件为钢铁制品,包括钢厂生产的钢棒和钢管、铸件、锻件、焊接件、机加工件、轧制件、冲压件、拉拔件或挤压件等。 钢的热处理:是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保暖和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。热处理不仅可用于强化钢材,提高机械零件的使用性能,而且还可以用于改善钢材的工艺性能。其共同点是:只改变内部组织结构,不改变表面外形与尺寸。 热处理的目的是改变钢的内部组织结构,以改善钢的性能,通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能,延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可 以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源,而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。 热处理工艺分类: 1、整体热处理:包括退火、正火、淬火、回火和调质; 2、表面热处理:包括表面淬火、物理气相沉积和化学气相沉积等; 3、化学热处理:渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 2.2热处理的主要工艺 钢的退火 将钢件加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。退火的作用:降低硬度,提高塑性;细化晶粒,消除组织缺陷,消除内应力,为淬火作好组织预备。退火根据加热温度可分为在临界温度以上或以下的退火,前者又称相变重结晶退火,包括完全退火、扩散退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火;后者包括再结晶退火及去应力退火。 钢的正火 将钢件加热到Ac3以上30~50?,保温适当时间后;在静止空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火的目的:细化晶粒,均匀组织,调整硬度等。正火保温时间和完全退火相同,应以工件透烧,即心部达到要求的加热温度为准,还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。 钢的淬火 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度,保持一定时间。然后以适当速度冷却获得M或B组织的热处理工艺。淬火的效果:显著提高钢的强度和硬度。淬火的介质主要为水或油。主要的淬火方法有:单介质淬火、双介质淬火、局部淬火、马氏体分级淬火、马氏体等温度淬火。 钢的回火 钢件淬火后,再加热到A1以下某一温度,保持一定时间,然后 冷却到室温的热处理工艺称为回火。回火的作用:稳定组织,消除淬火应力;调整硬度、强度、塑性、韧性。回火的主要方法有:低温回火、中温回火和高温回火。 2.3 热处理设备 在机械制造过程中,热处理占重要地位,它对保证产品质量,提高机器工作效能和延长机器使用寿命都起着重要的作用。在任何一种热处理工艺,只有通过相应的设备才能实现。 目前,热处理设备的种类已十分繁多,根据它们在热处理生产过程中所完成的任务,通常将热处理设备分为主要设备和辅助设备两大类。为了增加产量、提高质量和改善劳动条件,推行流水生产和自动化生产,又组合成了许多综合热处理设备??热处理联合机。 主要设备是完成主要热处理工序所用的设备,包括加热设备和冷却设备。这类设备对热处理效果和产品质量起决定性的作用,两者之间又以加热设备为最主要,包括各种热处理炉和加热装置。 辅助设备是完成各种辅助工序及主要工序所中的辅助动作所用的设备及各种工夹具。主要包括清洗设备、校正设备、起重运输设备、控制气氛设备及各种工夹具等。 热处理炉是最重要的热处理设备。为了便于选择使用和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 比较,常依以下几种特征进行分类: 1.按热能来源分类:分为电阻炉、燃料炉。 2. 按工作温度分类:分为低温炉(?650?)、中温炉(650~1000?)、高温炉(1000?)。 3. 按炉膛介质分类:分为自然介质炉、浴炉、可控气氛炉、真空炉。 4. 按作业规程分类:分为周期作业炉、连续作业炉。 第三章 炉体材料 3.1耐火材料 用来建筑炉子的材料统称为筑炉材料,它包括:耐火材料、绝热材料、筑炉砖、地基材料和金属材料等。凡具有能抵抗高温以及在高温下所产生的物理和物理化学作用的材料统称为耐火材料。 耐火材料的基本特性可以通过它的物理性能和工作性能来表示。 耐火材料的物理性能包括体积密度、真比重、气孔率、吸水率、透气性、耐压强度、热膨胀性、导热性、导电性及热容量等。判断耐火材料的使用性能的重要指标有耐火度、荷重软化点、抗渣性、耐极冷极热性、重烧收缩等。 热处理炉对耐火材料的性能的要求: 1)在高温下不发生熔化或软化; 2)在高温使用情况下能承受一定得压力及其他机械负荷面部变形; 3)在高温长期使用情况下应保持一定的体积稳定性; 4)当温度急剧变化时不致破裂和剥落; 5)能抵抗金属及炉气等的化学侵蚀作用; 6)制品必须具备一定得外形尺寸; 7)对于热处理电阻炉来说,还要求在高温下有良好的绝热性能。不致因发热体接触而产生漏电。同时要求在高温下耐火材料与电热体相互间不起化学作 用; 8)在不影响强度的情况下,密度应愈小愈好,这样既能减少炉衬耐火砖体的蓄热,又能降低炉子的热传导损失。 各种热处理炉中用得比较普遍的耐火材料有:普通耐火粘土砖、轻质耐火粘土砖、高铝砖、刚玉砖、硅砖、金刚砂制品等数种。 1.粘土砖 粘土砖的原料主要是耐火粘土和高岭土,主要的矿物成分是高岭石(AI2O3?2Si2O?H2O)。耐火粘土和一般泥土不同的地方是杂质含量少,耐火度高(大于1580?)。粘土砖的应用范围极广,可用来修砌热处理炉室、燃烧室、烟道、烟囱等以及其他和高温炉气接触的内衬。 2.高铝砖 由矿物或含有高氧化铝的人造材料制成,一般制品中的氧化铝AI2O3的含量为45~75%,它的耐火度为1750~1920?,其耐极冷极热性及抗渣性亦很良好。高铝砖常被用来砌筑盐浴炉的炉膛和各种电阻炉的电热元件搁板。 3.刚玉砖 是属于高铝砖一类的耐火砖,它由矾土刚玉、铁矾土及其他材料以耐火粘土为结合剂用焙烧法制成。通常用作搁置各种电热元件的架板和用在耐火度及强度要求比较高的地方。 4.硅砖 是一种含SiO2在93%以上的氧化硅质耐火材料。它是由石英岩粉碎后加石灰乳或其他粘接剂制成的。在评价硅砖的质量时,体积密度、真比重及荷重软化点是三个主要指标。 5.碳化硅质耐火材料是用碳化硅及少量加入物成型烧制而成。碳化硅是用纯石英砂和焦炭,并加入5~10%锯木屑和1~2%食盐混合后在特殊电炉内于2000~2200?高温下制得的。碳化硅制品当使用温度高于1300?时易被氧化,并易被碱性炉渣所侵蚀。碳化硅质制品常用于制造耐火板,换热器元件,马弗炉及电 炉的高电阻电热体等。 3.2轻质耐火材料和绝热材料 在热处理炉的热支出项目中,炉墙本身的蓄热和通过炉墙向外散失的热量占有很大的比例。为了减少这方面的热损失,在砌筑热处理炉等热工设备时,常选用一些轻质耐火材料和绝热材料。轻质耐火材料和绝热材料的特点是体积密度小,气孔率大,因而它本身所积蓄的热量和通过它向四周扩散的热量就大为减少。提高了炉温并降低了燃料的消耗量,同时还可以降低车间的温度改善劳动条件。 目前采用三种方法制造轻质耐火材料: 1)烧掉加入物法:生产轻质粘土砖时,配料中约含35%耐火粘土,20%熟料,此外并有45%木屑、无烟煤末或焦炭等加入物。成型后在氧化气氛中烧成。在烧成过程中这些加入物被烧掉,在砖内造成大量孔隙,这样就制成了体积密度较小的轻质耐火材料。制造轻质硅砖和高铝砖的方法于此类似。 2)泡沫法:用松香,苛性钠制成松香皂,加水后制成泡沫乳剂,将此泡沫液加入到熟料和粘土及5%锯末屑制成的泥浆中,搅拌均匀制成泡沫砖料。为了使泡沫稳定,可使用少量铝钾明矾溶液。把这些砖料铸入铁模中成型,干燥后取出在窑中进行烧制。 3)化学法:向由熟料和粘土配成的砖料中加入少量白云石或石灰石。白云石或石灰石用稀硫酸溶液处理时放出CO2,处理后泥料立即进行浇注,因而砖料激烈胀大。为使胀大后的砖坯体积稳定,可向砖料中加入矾土水泥,石膏等,以使砖料胀大后随即硬化。 上述轻质耐火砖可以用作高温绝热材料。当温度低于900?时,所用的绝 热材料有:石棉、硅藻土、矿渣棉和蛭石等。它们都是一些含有很多细小气孔的材料,气孔愈多,愈小则其导热系数也就愈低。各种绝热材料既可以作为散料直接使用,也可以加水调成胶泥涂抹使用或制成绝热砖或隔热板使用。 在选用绝热材料时应考虑到它的最高使用温度,超过规定温度后绝热材料就会丧失强度或破裂。 第四章 高温箱式热处理炉的结构设计 4.1 炉子结构设计 炉子设计所依据的基本技术条件和原始数据应包括:典型工件的名称,形状尺寸和简图,材料,重量以及技术要求等;热处理典型工件曲线或工艺过程;生产批量及生产率;其它质量要求;机械化作业程度;投资金额等。 4.1.1 炉膛尺寸的确定 炉膛的尺寸是炉体结构设计的重要数据。它与工业炉产量、技术工艺操作、物料的尺寸、形状及其在炉内的布置等因素有关。我国生产的电阻炉已经标准化了。可以根据毛坯需要加热的温度、工艺要求的生产率来选用。下面为110-30型箱式热处理炉的技术规格: 技术规格 炉子型号 110-30 额定功率(千瓦) 电压(伏) 相数 最高工作温度(?) 空载损失功率(千瓦) 生产率(公斤/时) 炉膛尺寸(毫米) 长 宽 高 电炉连耐火砖炉衬共(吨) 30 380/220 3 1300 12?10% 50 400 300 250 2.3 4.1.2 炉墙的砌筑 加热炉的炉墙式垂直的,厚达两块砖以上。其中内层耐火材料为1.5至2 块。外层为绝热材料,外部用厚为5~10mm的钢板作为保护壳。加护炉外钢板的目 的除了可使炉体坚固外,还可以保证工业炉的气密性良好。 炉墙的最经济厚度,应根据砌体的材料费和蓄热散热损失引起的燃料费 等进行优化计算确定。 炉墙上设置炉门以便装入和取出被加热的物料以及观察和调拨炉料。炉 墙上还留有窥视孔、测量孔及设置燃烧装置等,这些炉门、开孔和装置的数量、大小及位置的安排要由物料的尺寸、工艺操作的方便及工业炉结构的具体情况而定,并且不影响炉体的坚固和严密。 4.1.3 炉顶的砌筑 炉顶使炉膛组成中的薄弱环节。炉顶是否牢固可靠,对工业炉工作由重大影响。由于炉顶的损坏而降低工业炉的作业率等,所以工业炉的设计时对炉顶的可靠性必须予以足够的重视。 炉顶按其结构形式可分为拱顶和吊顶(悬挂顶)。拱顶的有点是结构简单、施工方便、成本较低。当炉宽(工业炉跨度)小于4m时,可以采用拱顶结构。拱顶可用楔形砖砌筑或不定形耐火材料捣制而成。拱顶的中心角一般有60?、90?、180?,常用的60?拱顶,称为标准拱顶,其半径R等于工业炉的跨度B,拱顶矢高h=0.134B。 为将拱顶重量分解成水平推力和垂直重力通过钢结构传到基础上,拱顶配有拱脚砖和拱脚梁。拱脚砖可根据拱顶的中心角和拱顶耐火层厚度选配,拱脚梁的大小则根据强度计算决定。 拱顶的厚度和材质与工业炉跨度的炉内的温度条件有关。一般随工业炉跨度增大,拱顶厚度也可适当增厚,加热炉拱顶厚度通常选用230~300mm。加热炉拱顶一般可采用粘土质耐火材料砌筑。拱顶上面是否覆盖绝热材料视温度条件和拱顶材质而定。绝热材料可采用轻质绝热砖、板或散状材料。由于炉顶散热约占工业炉砌体散热损失的40%~60%,所以加强炉顶绝热比炉墙绝热更为重要。 4.1.4 炉门的设计 炉门的设计必须能关闭严紧,重量轻,强度大,热的性能好。这里所谓的热 的性能包括保温能力强和高温时机械强度大。通常炉门的形式依据气动的形式可分为提升式和铰链式两种。除非小型或加热物在炉内需留置集热的电炉外,一般均用提升式炉门。 炉门除了遮蔽炉门口的热辐射外,还有保持炉膛密封性的作用。若密闭不严吸入冷空气,不仅会增加热损失,加重氧化脱碳程度,也影响加热均匀性箱式炉的炉门与炉框的接触面应经过机械加工,以保证良好的密封性。炉门框架内的填充的耐火材料必须牢固,因炉门的厚度不大,所用材料必须有良好的保温性,宜采用超轻质耐火材料,并精心砌筑。 为了能关闭严密减少热损失,炉门必须较门孔为大,既有一部分炉门与墙重迭。重迭的尺寸最少每边有65毫米,通常每边为130毫米,200毫米以上的一般不采用。炉门的密封方式,有的利用斜面靠炉门自重压紧,斜面角a大小对炉门的密封性有直接影响。中等炉可选择2.5?~3.5?;大型炉可选取1.5?。 炉门的损坏的主要原因之一是启闭时的磨损,因此设计时我们可使炉门在开始启开后立即与炉前墙离开,这样可以减少启闭时的磨损,要达到这一要求,炉门可用倾斜式的的设计或炉门上加楔形装置。 4.1.5 炉衬材料和厚度的确定 在生产上没有特殊要求时,炉子外表的表面温度一般不超过40~60?。表面温度太高。炉子的热损失则大,太低时炉衬的厚度应大,增加整个炉子的体积。 侧墙、前后墙的耐火层厚度350mm,保温层250mm,石棉板10mm;炉底耐火层300mm,硅藻土砖310mm,炉门耐火层230mm,硅藻土砖130mm。 耐火层选高铝砖和轻质粘土砖,保温层选蛭石粉。 4.2 钢结构的确定 工业炉的钢结构的特点是紧靠高温炉体,所处环境温度较高,工作温度也常有变化,因此工作条件较为恶劣。除有特殊要求采用活动连接外,工业炉金属构件的连接,一般都采用焊接。由于钢架是固定死的,所以各部分砌体均需留有膨胀缝,以免受热后钢架变形。所有构件要尽量采用不需要特殊订货的标准型号热轧钢材。 钢架结构的计算如下 图2所示为拱顶作用力,炉顶对拱脚砖发生压力。这个力可以分为水平分(推)力P和垂直分(重)力G/2 。简化计算,不计拱内剪力和弯矩,没有轴向变形,则两分力的扭转力矩必然相等。这样,两根立柱之间的拱顶作用在立柱的水平推力N (4-1) 式中:G为两个立柱之间拱顶的重量(Kg);B为拱顶的跨度mm;H为拱顶的矢高(mm);K1为温度系数,参考下表1;K2为拱顶中心角修正系数,K2,参考下表2. 表1 推力随温度增加的温度系数K1 炉温? 常温 《900 900~1100 1100~1300 》1300 K1 1.0 2.0 2.5 3.0 3.5 表2 拱顶中心角修正系数K2 拱顶中心角 60 90 120 180 K2 1.866 1.207 0.866 0.5 经计算两个立柱之间拱顶的重量G为1012Kg, 拱顶的跨度为300mm P1012x3.5x1.866/23305N 拱脚梁所受水平方向的弯矩(N?mm) (4-2) 式中,为两立柱之间的距离(cm) My3305x124/851227.5 拱脚梁水平方向的界面系数(mm3)(4-3) Mly51227.5/160032.0 立柱的破环主要是由于弯曲应力起作用。其最大弯矩(N?mm) 式中:h1、h2、h为立柱主要尺寸(mm), 115403 截面系数(mm3) (4-4) W115403/160072 炉顶上拉杆的破坏主要是拉力在起作用。所受拉力 (4-5) P13305×54.4/151.91183.6 要求上拉杆的断面积可由拉力决定 (4-6) 1183.6/4700.8 依据上述计算可确定所用材料的截面积,并选定所需钢材。 拱脚梁为10号槽钢 立柱为14号槽钢 上拉杆为5号等边角钢 第五章 热处理炉电热体设计 5.1 电热元件材料 电热体时电阻路的发热体,它是炉子很重要的部分。炉子发热量是否达到要求,这于所采用的电热材料和结构有关,所以设计中要经过详细的计算和选择电热材料,以便在经济上和技术上都能达到合理。 间接电阻炉的电热体可分为两类:金属电热体和非金属电热体。一般采用的金属电热体包括一些电阻比较高的金属,如:钼,钨,钽等和各种高电阻的合金,如:镍铬铁合金,铬镍铝合金以及铜镍锰合金等。非金属电热体包括石磨、炭、碳化硅等。 5.1.1电热元件材料应具有的性能 电热元件常在高于炉温100~200?的温度下工作,因此要求所用的材料应具备以下性能: 较高的比电阻,以便制成适当尺寸的元件; 较小的电阻温度系数,以便温度波动时不引起炉子功率较大变动; 较高的化学稳定性,在高温下不易氧化或与炉衬材料及炉内气氛发生化学反应; 较好的加工性能及较高的高温强度,易于加工成各种形状及易于焊接,在高温下不易变形; 较小的热膨胀系数,以免元件在高温下过度伸长而造成工作困难。 5.1.2 各种电热材料的特性 1.钼 熔点2630?,最高使用温度可达到1600?。在高温的状态下,很易氧化,在600?左右时,就与空气起氧化作用,生成氧化钼(MoO3)气体挥发,所以使用钼作为电热材料时,必须考虑它在高温下的稳定性,必须有保护气,或抽真 空。钼的电阻系数很大,αt=5.5×10-3,比电阻ρ=0.045欧姆毫米2/米。钼的电阻随温度升高增加很大;为了使炉子功率稳定,在电路上必须有安有变阻器或变压器来调节电压。钼可以制成丝状、带状或棒状,因为钼的性质很脆,不易烧成螺旋状。一般钼丝使聚成一束,在炉膛四周竖绕。高温下钼与各种耐火材料会起作用,为了避免钼与炉内的耐火材料接触,最好设置支撑或钩子来支持钼电热体。一般1350~1600?的炉子均采用钼为电热材料。 2.钨 钨的熔点3410?,使用温度2000~2500?,棒状可达到2500?。钨和钼一样在高温下很易氧化,所以使用时要有保护气体或抽真空。钨的性质与钼大致相同,它的电阻温度系数很大,αt5.5×10-3,比电阻很小ρ=0.05欧姆毫米2/米,使用时,也必须有安有变阻器或变压器来调节。才能保持炉子功率稳定和增加其寿命。在高温下,钨也要避免与耐火材料相接触。钨是贵重金属,在工业上采用钨为电热体比较少,一般是用在小型的实验炉子,炉温为1600~2200?时采用。 3.镍铬合金 镍铬合金的熔点随其合金成分而定。在1000?以下的炉子均可以使用镍铬合金为电热材料。镍铬合金最大的优点就是在高温下不易氧化,因为在其表面生成氧化铬(Cr2O3)薄膜,它可以保护内部的镍铬合金不受氧化。所以不需要任何气体保护。镍铬合金的比电阻相当高ρ=1?1.45欧姆毫米2/米,电阻温度系数也较小,αt0.3x10-3-0.3x10-4,所以当温度升高时,电功率较稳定。镍铬合金电热体通常制成丝状和带状。带状常绕成螺旋状。 4.非金属材料 在非金属材料电热元件中,用得最多的是碳化硅,它是由碳化硅工厂用绞压方法制成,从化学成分看碳化硅几乎是一种半导体。碳化硅电热元件的电阻与温度成反比,但它得热电阻有一个特点,即在900?时得特性曲线由负转变为正,这一特点可以防止碳化硅电热元件因电压得骤增而被烧毁。在 使用60~80小时后,其电阻增加15~20%,以后逐渐缓慢,人们把这种电阻得逐渐增加现象,解释为元件的“老化”。显然,在电压稳定的态下,这种情况将使电流减少,因而功率降低,为了保持一定得温度,必须增高通人元件两端的电压。在实际的使用中碳化硅元件的高温电阻炉,通常都配有一调压变压器。 5.2电炉功率的确定 电炉功率的大小与炉子的生产率、升温时间、炉膛尺寸、炉子结构、工件热处理等因素有关。该设计用理论设计算法。 理论设计算法: 热工件所需要的热量: Q件g件(c2t2-c1t1) (5-1) g件 ?工件的装炉量(?) t1 、t2?工件在入炉前的温度和最终加热温度(?) c1 、c2?工件在t1 、t2时的平均比热容(千卡/(???)) 由相关资料查得: G50kg c1 0.12KJ/(???)c2 0.162 KJ/(???) 所以 Q件50×(0.162×1300-0.12×20) 10410(千卡/时) 2.通过砖壁的散热损失Q散 (5-2) 由于炉墙散热,首先假定界面上的温度及炉壳温度,t2′1200?;t3′900?,t470?则 耐火层耐火粘土的平均温度 t2均1300+1200/21250? 耐火层轻质粘土砖的平均温度 t3均1200+900/21150? 保温层S2的平均温度 t4均900+60/2485? λ铝0.6+0.55×10-3×12501.29千卡/米?时?? λ粘0.25+0.22×10-3×11000.492千卡/米?时?? λ硅0.113+0.2×10-3×4800.21千卡/米?时?? 当炉壳温度为60?,室温为20?时,钢板表面α总?10.4千卡/米2? 时?? ?求热流q (5-3) ?验算交界面上的温度t2 1300-800×0.1212O4 (5-4) 1200-1198/12000.3% 5%,故不需重算。 1204-800×0.33940 940-900/9004.4% ?5%,故不需重算 ?验算炉壳温度t4 940-800×1.160 ?计算炉墙的散热损失 q×F墙(均)800×1.851480 同理,可算出炉顶及炉底的散热损失, q×F顶(均)800×0.27216 q×F底(均)800×0.54432 整个炉壳的外壁散热: Q散++1480+216+4322128 (3)开启炉门时的热损失:当开启炉门时,除了辐射造成的损失外,还有冷空气进入炉内形成热气对流所造成的热损失。现假定装出料所需时间约为6分钟,辐射损失(5-5) 因T炉1300+2731573?K;T空20+273293?K; F0.3×0.25/20.0375米2;δε0.1;φ0.61,故 626千卡 开启炉门时的溢气热损失 Q溢V?γ?C?δt(t气-t空)(5-6) V2200B?H?2200×0.3×0.25×82.5米3/时 因γ1.29公斤/米3;C0.32千卡/米3??;t空20?;t气为溢气的温度,随炉门开启的时间增长而降低,这里近似地按如下平均法计算,即t气t空+(t终+t空)?2/320+(1300+20)×2/3900?;故 Q溢82.5×1.29×0.32×0.1(900-20)2997千卡/时 (4)其他热损失 Q它(0.5~1.0)Q散0.8×21281702.4 热量总支出 Q总Q件+ Q散+ Q辐+ Q溢+ Q它 10410+2128+626+2997+1702.4 17863.4 换算成功率: P理Q总/86017863.4/86020.8(5-7) 取K1.5 P实K P理1.5×20.831.2 (5-8) 炉子热效率的计算: 打开炉门时的效率 ?58.3% (5-9) 2.在保温阶段,关闭炉门时的效率 73.1%(5-10) 3.炉子空载功率计算 4.45(5-11) 5.3电热体尺寸及位置的确定 5.3.1 电阻炉的接线方法的设计 出采用一些电阻温度系数很大和易于“老化”的电热元件或依工艺和安全需低压供电的情况外,一般均应采用车间电网的电压,即220伏或380伏。 当炉子功率P小于25千瓦时,通常采用220伏或380伏单相串联接法。 当炉子功率为30~75千瓦时,一般采用三相380伏星形接法或三相220三角形接法。 当炉子功率大于75千瓦时,可将电热元件分成两组或两组以上的380伏星形接法,或三相220伏三角形接法。每组功率以30~75千瓦为宜。这样可使电热元件的功率不致过大,便于调节炉温并保持其均匀性,同时电热元件尺寸可在最常用的范围内。 硅碳棒一类电热元件,应当尽量避免多元件串联,而应采用并联或两个元件串联的接线法。这是因为各硅碳棒的电阻值相差常较大,多元件串联时,各棒功 率分配不均匀,容易集中在阻值较大的棒上,使其迅速烧毁。 周期性作业电阻炉在升温阶段消耗的功率大,保温阶段很少。因此,可以在升温时采用三角形接法,在保温时采用星形接法;也可以在升温阶段采用多组元件,在保温阶段切断其中的一组或两组。但是,当采用改换接线法来调节炉子功率时,应根据最大功率的接线法来确定电热元件尺寸,否则,元件将因表面负荷率过高而被烧毁。此外,在不分温度区的电炉内采用多组元件布置时,应使各组在炉内分布均匀,以免切断一组后造成炉温不均匀。 根据碳化硅在1400?时的电阻为2.6欧 当采用三相380伏星形接法时: 55.5千瓦 (5-12) 暂定接法为三相380伏星形接法 5.3.2 电热体的确定 硅碳棒的计算有两种方法:一是根据炉子的总功率、炉膛大小和现有的硅碳棒规格,确定所需的硅碳棒数量;二是根据路子功率,炉膛尺寸,计算硅碳棒工作部分直径,最后确定其规格。 硅碳棒数目的计算 1根据炉子工作温度和现有硅碳棒的规格,计算每根棒的功率: P棒πdLW允×10-2千瓦(5-13) 式中: W允—在工作温度下的允许表面负荷率瓦/厘米2 d—硅碳棒工作部分的直径毫米 L—硅碳棒工作部分的长度米 依据表查得炉温为1300?时,W允14瓦/厘米2。 P棒3.14×14×0.4×14×10-22.46千瓦 2根据炉子总功率确定硅碳棒的数量: 根 (5-14) n30/2.4612.2,采取三相接法,所以取15根 3计算硅碳棒的端电压: 伏 (5-15) 式中: Rt—硅碳棒在工作温度下的电阻欧;一般取最高工作温度1400?时的电阻值. 查表得硅碳棒在1400?的电阻值为Rt2.6欧,故 80伏 4确定电压调节范围和变压器型号 U调0.35~2U (5-16) U调(0.35~2)U(0.35~2)×8028~160伏 根据调压范围和变压器的额定容量应大于炉子功率的原则,可选定ZUDOG-33/0.5型变压器 5.3.3 电热体的布置 为了保证电热元件具有一定的尺寸,因而炉子的功率和电压均受到一定的限制,在选择电压时,要使电热元件的尺寸符合于要求。对于功率在15~30KW的炉子,则采用单相380伏串联,或三相220伏星形连接。通常每组电热元件的功率以30~75KW最为适宜。 电热体多半安装在炉壁内表面。如炉膛宽大高度小时,电热体也可安装在炉顶上,但此时必须力求炉底也能安装电热体。电热体也可装在绝缘子上,或利用绝缘子为间隔。此种绝缘子应在炉子的工作温度下,具有高的绝缘性能、机械强度、耐热性,并且结构简单造价便宜。电热体也可以支撑在耐热钢制成的钩上,这种支撑方法的缺点是在高温下不能经常保证电热体可靠地工作,因在高温下炉子的砌砖能与钩的氧化表面相互作用而生成易溶的渣。 电热体的选择和布置的两点注意事项: 一、若为了节省材料,就是说要减少使用电热体的重量可用下列方法: 1.使用高的电压; 2.增加电热体组数,分散电炉功率; 3.用优质较耐高温的材料; 4.用带状电热体代替线状电热体。 二、若为了使电热体易于配置于炉内,可用下列方法: 1.使用较低的电压; 2.减少电热体组数,增加每组功率; 3.使用优质而电阻系数较大的材料; 4.大部分情况下线状电热体较带状电热体易布置与炉内。 第六章 箱式热处理炉的节能 热处理炉节能的主要三个途径:1.新材料,2.新方法,3.新工艺;同时也可以通过合理的安排作业周期,达到一定的节能目的。 按照现行的箱式电阻炉的设计要求,炉后墙一般采用热导率较低的轻质 耐火粘土砖或漂珠砖,但因其强度低,当工件装炉时因磕碰,极易造成炉后墙的损坏。为此改用强度较高的重质耐火粘土砖进行砌筑。为了保证箱式电阻炉的热效率,采取的具体措施是: (1)将炉后墙分上下两部分砌筑,下部砌筑几层重质耐火粘土砖(具体层数视炉膛尺寸和使用要求而定),上部仍采用轻质耐火粘土砖。 (2)将两侧炉墙底部改用1~3层重质耐火粘土砖(视工件大小而定),防止因装卸工件不当而造成炉衬损坏。 (3)将两侧炉衬下部几排炉丝搁砖改用高头搁砖,为防止电炉丝因受热膨胀而下垂,目前均采用在搁砖上增加炉丝挂钩来固定电炉丝。这种方式的缺点是:装炉、出炉时,钩子极易碰撞电炉丝,造成炉丝损坏,甚至出现操作人员触电事故。为改进炉衬结构,防止类似事故的产生,将两侧炉衬下部几排炉丝搁砖改用高头搁砖,为保证电阻丝的散热,上部仍然选用一般的直形搁砖和炉丝挂钩固定螺旋状电阻丝,从而防止了电阻丝因受热膨胀而下垂,同时也防止了因操作不当接触电阻丝而造成触电事故。 (4)在耐火砖外侧增加一层热导率较小的硅酸铝耐火纤维,提高炉衬的保温性能。 结 论 在以前的学习和生活中,我对热处理炉不是很了解,对于热工这方面的不是很牢靠。这次设计,给了我一个实践和学习的机会。在设计初期,有很大的困难,在尚老师的精心指导下,通过阅读大量的参考书籍,查阅了一些资料,使我很快掌握了设计的思路,从而开始正常的设计。 同时在此次设计,使我明白了,无论作什么事情,都应该有正确的态度,不 应该疏忽其中的任何一个环节,再次对各位老师表示最衷心的感谢。 致 谢 毕业设计就要结束了,通过这一阶段的设计学习,使我受益匪浅。在这段时间里, 巩固了我大学四年所学的许多知识,同时也提高了自己学习的积极性和自我能动性。 在毕业设计当中,我要感谢我的指导老师尚可超老师。他的精心指导和无微不至的协助下,才使我的毕业设计顺利完成。尚可超老师以他渊博的知识和丰富的经验,为我们提供了宝贵的意见和建议。为了使我们的毕业设计顺利完成,尚可超老师不辞辛苦经常与我进行探讨,为我出谋划策。 在设计学习过程中,我也要感谢我的学友们。他们在我设计过程中给了我许多宝贵的意见,使我的设计思路得到拓展。在他们的帮助下我顺利完成了毕业设计。 总之,这次毕业设计使我学到了许多新知识,特别是对热处理炉设计等方 面,同时,在做毕业设计时,老师以及同学的关心和帮助使我感到集体以及团队协作的重要性。这些将作为我今后工作和学习的经验。在此,我再次向给予我帮助的老师和同学致以最衷心的感谢! 参考文献 【1】哈尔滨工业大学等.热处理手册.机械工业出版社.1982.12 【2】上海交大等.热处理设备及设计.山东人民出版社.1977.10 【3】朱培瑜等.热处理节能的途径.机械工业出版社.1986.2 【4】西安交通大学金属学及热处理教研组 热处理炉 中国工业出版社 【5】袁宝岐 加热炉原理与设计 航空工业出版社, 1989 【6】徐兆康 工业炉设计基础上海交通大学出版社2003-12【7】刘科箱式电阻炉的综合改造