热处理电阻炉-炉体计算.ppt

第 2 章,热处理电阻炉,材料工程学院 金属材料系,炉型的选择和炉膛尺寸的确定,炉型选择电阻炉的类型很多，各有其特点和用途。因此，根据炉子的生产量和作业制度、工件的特点和热处理工艺要求，以及劳动条件等有关方面进行综合的技术经济分析，选定炉型。炉型选择的一般原则简述如下：生产量：对于产量大、品种单一、工艺稳定的热处理工件，可选用连续作业炉；而产量小品种多，工艺多变者，则宜采用周期作业、通用性好的炉子，如箱式电阻炉。工件特点和工艺要求：加热细长轴类工件，为防止加热时的弯曲变形，用井式电阻炉吊装加热。对中小型轴承钢球（或短滚柱），则选用滚筒式电阻炉，加热均匀，生产效率高。对大中型铸锻毛坯件的退火、正火、回火等热处理，则宜采用台车式电阻炉。当产量特别大时，则可采用推杆式连续作业炉。对精加工后再进行热处理的工件，为防止其氧化脱碳，则应设置通人保护气体的装置。对于回火、时效等低温炉，则应考虑安装风机以强制炉气循环，提高加热速度并使炉温均匀。劳动条件：要降低工人的劳动强度，改善劳动条件，提高机械化水平，并防止对环境污染。其它：对车间的厂房结构、炉子的建造与维修条件及起重设备等，也应作全面的考虑。,材料工程学院 金属材料系,一、电阻炉的结构设计,炉型选择（从以下几个方面考虑）（1）炉子的产量：生产量大，品种单一（连续作业炉）产量不大，品种多样，工艺多变（周期作业炉）（2）工件特点和工艺要求：细长轴类件 选择井式炉 中小型轴承钢球 滚筒式炉（加热均匀、生产率高）大中型铸锻件退火、正火和回火等 台车式炉（3）劳动条件（4）其它,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的结构设计,一、炉膛尺寸确定 主要决定于热处理件的形状、尺寸、技术要求、装料方式、操作方法和生产率，同时还应造成炉膛内良好的热交换条件，保证炉内温度均匀性、减少热损失和便于炉子维修等。(一)炉子装裁能力、加热能力和生产率 炉膛尺寸通常按实际排料或统计的炉子装载能力或加热能力或生产率指标加以确定。炉子装载能力(kg/m2)：指炉子单位面积炉底上所承受的炉料量。此指标主要决定于炉底允许的承载能力、炉膛空间尺寸和炉子功率 炉子加热能力(kg/(m2h)：指炉子在单位时间内单位炉底面积所能加热的金属重量。炉子生产率(kg/h)：指炉子在特定工艺和特定工件的情况下的生产量,材料工程学院 金属材料系,材料工程学院 金属材料系,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的结构设计,(二)炉底面积 工件与电热元件或工件与炉膛前、后壁之间应保持一定距离，一般为0.10.15m。常把用于布料的面积称为有效面积，它一般为炉底总面积A的7085%大型炉取上限。炉底宽度B与长度L之比一般应保持在2/3l/2范围内。1实际排料法Ll+(0.20.3)；Bb+(0.20.3)式中，l、b为炉底布料区的长度和宽度(m)。2加热能力指标法,式中，p为炉子生产率(kg/h),电阻炉的结构设计,(三)炉膛高度 炉膛高度指炉底面至炉顶拱角的垂直距离。以辐射传热为主的炉子，炉膛高度常比对流炉高，其目的在于增大辐射面积，以强化换热过程和保证炉温均匀性。这类炉子炉膛容积一般为加热件体积的2-4倍。实际上，炉膛高度常决定于装料高度和电热元件的安装位置，装料上方一般应保持200300mm的空间。依统计资料，炉膛高度与宽度之比多数在范围内变动，近年来有降低炉膛高度的趋势，对上述比值常取中下限。井式炉的炉膛尺寸通常按工件和夹具的实际布置情况确定。工件之间的距离一般不少于其直径或厚度，工件至电热元件的距离应保持，距炉底和炉顶各。,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的结构设计,二、炉体结构设计 炉体结构包括炉壁，炉底，炉顶和炉门。(一)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保温砖砌成方格子状，然后在格子中填充松散的保温材料，在上面平铺12层保温砖，之后再铺一层轻质粘土砖，其上安置支撑炉底板或导轨的重质粘土砖和电热元件搁砖。,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的结构设计,(二)炉壁 炉壁主要为砌体，外部包以炉壳钢板。中、低温炉炉壁砌体一般分两层，内层耐火层常由轻质粘土砖砌成，外层为保温层，用保温材料构成。高温炉炉壁常采用三层，内层用重质砖或高铝砖砌成，中层为过渡层，一般也用轻质砖砌筑。有的低温炉采用双层钢板内填保温材料的结构。炉壁尺寸应为标准砖尺寸（23011365mm）加砖缝厚度(一般2mm)的倍数 中温炉是113mm轻质粘土砖和230mm保温砖，高温炉是113mm轻质高铝砖、113mm轻质粘土砖和230mm保温砖,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的结构设计,(三)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。(四)炉门 炉门部分包括炉门洞口、炉门框和炉门。炉门应保证炉子操作方便，炉口密封好(特别是可控气氛炉)和减少热损失。,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的结构设计,三、炉衬厚度计算 炉衬(炉体砌层)厚度常以炉外壁面温度作为标准进行计算。设炉内壁温度为t1，外壁温度为t270C，室温t020C，则通过1m2炉壁的热流密度可由式(2-1)和附表可求得。采用单层炉衬结构时，其厚度为：采用双层炉衬结构时，热流密度为：其中：,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的结构设计,所以 因此，式中，当t1950C，t270C，ta20C时，按上述公式的关系可作出不同耐火层和保温层厚度与接触面温度的关系图，如图。,材料工程学院 金属材料系,图 耐火层与保温层厚度的匹配关系及接触面的温度(q645W/m2),材料工程学院 金属材料系,材料工程学院 金属材料系,电阻炉炉衬砌筑原则,砌砖体的尺寸为砖尺寸的整数倍（包括砖逢）。与电热元件接触的高铝砖Al2O3含量不低于60，Fe2O3含量小于1.5。可控气氛内壁耐火砖必须为一级品。灰缝：炉墙和炉底不大于2mm，炉顶不大于1.5mm，可控气氛炉不大于1mm。粘土砖和轻质粘土砖应用粘土火泥浆，高铝砖用高铝火泥浆砌筑。炉衬砖逢必须相互交错。砌砖体必须要留有膨胀缝。隔热层用硅藻土砖时必须干砌，缝隙用隔热填料填满。金属预埋件必须与砌砖体同时安装。除特殊情况外重质砖不得与炉壳直接接触，以减少热损失。,电阻炉的结构设计,四、空气循环炉的气体流量和压力 以对流换热为主的低温炉，炉气流速和流量显著影响炉内对流换热系数和温度均匀性，而气流压力则是驱动气流循环的动力。炉气流速和流量的计算步骤是：(1)根据工件装炉量、加热温度和时间等要求，确定所需的对流换热系数c；(2)再由对流换热系数公式求出所需的气流速度；(3)根据气流速度和炉膛截面积求出气体流量；(4)根据炉温均匀性的要求核算所计算的气体流量是否满足要求。,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的结构设计,对流换热系数c：气流速度：炉膛内的气体流量 qvg 等于气流速度 v 乘炉膛有效截面积 f，即工件与炉气的温差决定于炉气沿炉膛长度所失去的热量QL和气体流量qvg。气流循环次数的概念：指每秒钟的炉气流量与炉膛容积的比。,材料工程学院 金属材料系,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的功率计算,一、热平衡计算法(一)热处理电阻炉的主要能量支出项 工件吸收的热量Q件 炉壁散失的热量Q散 砌体蓄热量Q蓄 炉内气体外溢的热损失Q溢对外辐射的热损失Q辐 可控气体的热损失Q控 金属构件直接伸出炉外的短路损失Q短辅助构件热损失Q辅 电能消耗Q供 其它热损失Q它,电阻炉的功率计算,电阻炉主要支出项目的计算方法如下：1加热工件所需热量Q件式中，P件为炉子的生产率(kg/h)；t1、t2为工件加热的初始和终了温度(C)，c1、c2为工件在t1和t2时的比热容(kJ/kgC)。若以加热阶段作为热平衡计算时间单位时，Q件应为，式中，G装为一次装炉料重量(kg)；加为加热阶段时间(h)。,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的功率计算,2.加热辅助构件所需热量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,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的功率计算,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.其它热损失Q它 此项热损失可取上述各项热损失总和的某一近似百分数，通常对密封箱式炉为1520%，对机械化炉为25%，对敞开式盐浴炉为3050%,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的功率计算,(二)炉子所需功率 1.连续作业的炉子功率 其安装功率(kW)应为：炉子的热效率 可由下式求得：2周期作业的炉子功率 其热损失主要项目是加热工件和辅助构件所需的热量和炉砌体的蓄热量。炉子实际的蓄热损失量与炉子冷却阶段、装卸料阶段和停炉期间造成炉体降温的程度有关。在加热阶段的其它热损失应视具体炉型和工艺规程而定。,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的功率分配和电热元件接线,一、电阻炉的功率分配对小型箱式炉：均匀分布在炉侧壁和炉底。对较大箱式炉：炉门口端约1/41/3的部位适当加大功率对一般热处理炉，单位炉壁功率负荷一般控制在1530kW/m2，但是不能超过35kW/m2。井式炉由于炉口散热量较大以及热气上浮，往往炉口和炉底的温度容易偏低，所以深度较大的井式炉炉膛上下各部分常常分区配给不同的功率来控温。,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的功率分配和电热元件接线,二、电阻炉的电压选择一般电阻炉采用车间电网供电（380V），只有部分小型炉采用220V。（当电热元件表面功率负荷相同时，采用较高的电压可以降低电热元件的总重量）电阻炉在以下情况下需要降压供电采用硅碳棒等非金属电热元件吸热型可控气氛炉采用电阻温度系数较大的电热元件时为保证人身安全真空热处理炉常采用电阻较小的碳质电热元件，为防止真空放电采用低压（100V）供电,材料工程学院 金属材料系,电阻炉的功率分配和电热元件接线,二、电阻炉接线形式的选择 尽量保持三相平衡。除功率较小炉子(25kW)可采用单相供电外每组元件的功率要适中。习惯上用丫形或三角形 形接线。保护电热元件。使用中改变接法。,材料工程学院 金属材料系,电热元件材料及其选择,一、电热元件材料的基本性能要求 较高的熔点和高温强度 良好的高温抗氧化性，能长时稳定工作 较大的电阻率和较小的电阻温度系数 较小的膨胀系数 较好的塑性 良好的抗蚀性 二、金属电热元件材料 镍铬系材料 Cr20Ni80、Cr15Ni60、Cr20Ni80Ti3和Cr23Nil8等牌号 铁铬铝系材料 1Cr13Al14、0Cr13Al6Mo2、0Cr25Al5、0Cr27Al7Mo2 0Cr25Al6Re和Cr23Al6CoZr等牌号 高熔点金属和铂 Mo、W和Ta(熔点分别为2625C、3370C和3000C),材料工程学院 金属材料系,电热元件材料及其选择,非金属电热材料 碳化硅电热元件 该元件主要成分为SiC，含量在97-98%以上，通常制成棒状，称为硅碳棒；在氧化性介质中，可在1350C下长期工作。该材料具有高的电阻率，在800C以下为负值、800C以上为正值；在加热、冷却过程中，氧化硅反复破裂和形成，使氧化加深，电阻值增高。二硅化钼电热元件 是一种耐高温而又不明显老化的电热元件，最高使用温度可达17001800C，高温下允许采用较高的表面负荷率；其电阻值随温度升高而呈直线增长，因此在低温时可以较大的功率加热而缩短炉子升温时间；温度高于1350C时会软化而失去刚性，故不宜水平安装。碳系电热元件石墨，碳粒和各种碳质制品都属于碳系电热元件。应用最多的是石墨电热元件，石墨熔点很高(超过3600C可升华)，常应于14002500C之间的炉子，最高达3600C，一般制成管状和带状使用。,材料工程学院 金属材料系,电热元件的计算（金属电热元件）,电热元件的尺寸 元件的电阻和长度 设炉子共有n个元件，炉子的安装功率为P安 则每个元件的功率 p pP安/n电热元件的允许表面负荷率和长度 PW允A10-8 A10SL L105P2t/W允U2线状和带状电热元件尺寸 S 为电热元件周长；f 为截面积,材料工程学院 金属材料系,材料工程学院 金属材料系,电热元件的计算（金属电热元件）,所以每个元件的长度可由下式求得,每根电热元件重量为,或,所以：L总nL M总nM,电热元件的计算（金属电热元件）,带状电热元件令电阻带的宽度为b(mm)，厚度为a(mm)，且b/a=m(一般电阻带m=812)，则：f=ab=ma2 f0.94ab0.94maS2(ab)2(m1)aS1 2(ab)2(m1)aSf2m(m1)a3S1f11.88m(m1)a3 所以无轧制圆角时,有轧制圆角时,材料工程学院 金属材料系,电热元件的计算（金属电热元件）,元件宽度为 bma每个元件的长度为 每个元件的重量为 所需电热元件的总长和总重为 L总=nL M总=nM,材料工程学院 金属材料系,电热元件的结构尺寸,线状电热元件通常绕制成螺旋形，螺旋柱长度L柱可由下式确定：h（2-4）d,材料工程学院 金属材料系,电热元件的结构尺寸,电热元件螺旋直径的选择除考虑绕制的要求和安装位置的尺寸外，还应考虑螺旋的刚度，可保证在工作温度下不倒伏。当d大于3mm时，D与d有如下关系。对FeCrAl系合金，tg 1000C时，D=(46)d，对Cr-Ni系合金，tg 950C时，D=(56)d。电热元件的螺旋柱尺寸，亦可根据其在炉膛内布置部位的尺寸确定，先选定L柱，再选定D值，然后计算h，看其是否在上述范围内。如不合适，再适当调整D值，但应注意，在确定L柱时，应考虑到元件的热膨胀量，对普通箱式电阻炉，每一行元件应留3050mm膨胀空隙。线状元件亦可制成波纹形，其结构尺寸如图5-16所示。对FeCrAl元件，波纹深度H=150250mm，对CrNi元件，H=200300mm；波纹间距H 3d；=1020；L(1/41/6)H,材料工程学院 金属材料系,电热元件的结构尺寸,带状元件皆制成波纹形，其外形及结构尺寸如图所示。通常波纹深度h 10b;波纹间距h=(1030)a；弯曲半径r=(48)a；波纹体长度L波为：,材料工程学院 金属材料系,电热元件尺寸和重量与其影响,以上三式表明，每个电热元件的直径d，长度工和重量M都是元件功率P、端电压U、表面负荷率W允和工作温度下材料的电阻率t等参数的函数。各参数单独变化对d、L和M的影响趋势如表所示,材料工程学院 金属材料系,电热元件尺寸和重量与其影响,材料工程学院 金属材料系,碳化硅电热元件的计算,根据炉膛尺寸选择硅碳棒的规格，并依下式计算每根棒的功率 根据炉子的安装功率P安和每根硅碳棒的功率P棒确定硅碳棒的数量（根）计算出来的n值一般不是整数，应增为整数，还应取为偶数，以便在炉内对称布置。如为三相接法，应当是3的倍数。计算硅碳棒的端电压（V）确定电压调节范围,材料工程学院 金属材料系,材料工程学院 金属材料系,电热元件的安装,电热元件安装于炉壁上的方式,电热元件的安装,电热元件安装在炉顶的方式,材料工程学院 金属材料系,思考题,确定炉膛尺寸时应考虑哪些因素。设计炉衬结构时应注意哪几方面问题。比较箱式电阻炉各项热支出项目所占比例，分析他们对节能的作用。影响电热元件允许表面负荷率的因素有哪些？各因素对允许表面负荷率的影响趋势如何？选择电热元件安装形式时，应考虑哪些因素？为减少周期作业箱式电阻炉的蓄热损失，在设计和使用上应注意哪些问题？,材料工程学院 金属材料系,