热处理设备.ppt
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1、热处理设备,第一章 传热基本原理,1.1 基本概念 传热理论研究热的传播与交换的基本规律1.1.1 传热的基本形式传导传热 依靠物体中微观粒子的热振动,物体各部分之间不发生宏观的相对位移。对流传热 流体由空间的某一区域流向温度不同的另一区域,同时在流体各部分及流体与固体表面之间也存在传导传热。辐射传热 由电磁波传播热量的过程,不需要物体或质点的接触,伴随能量转换。,1.1.2 温度场与温度梯度温度场 物体中的温度在空间和时间上的分布情况温度梯度 物体相邻两等温面与其法线方向距离的比值的极限,1.1.3 热流和热流密度热流 单位时间内通过单位面积所传递的热量热量 单位时间内通过传热面积F米2所传
2、递的热量总热量 时间内通过传热面积F米2所传递的热量,1.1.4 稳定态传热与非稳态传热稳定态传热 传热过程中,温度场恒定非稳态传热 传热过程中,各点温度随时间变化而变化,1.2 传导传热1.2.1 传导传热的基本方程式 傅立叶实验表明,通过单位时间、单位面积所传递的热量与该截面的温度梯度成正比。,1.2.2 热导率 物质的导热能力。单位时间内,单位距离上温差为1时,单位面积所传递的热量。,1.2.3 平壁炉墙的导热1.2.3.1 单层平壁炉墙的稳定传热,1.2.3.2 多层平壁炉墙的稳定传热,1.2.4 圆筒炉壁炉墙的稳定传热1.2.4.1 单层圆筒炉壁炉墙的稳定传热,1.2.4.2 多层圆
3、筒炉壁炉墙的稳定传热,1.3 对流换热1.3.1 对流换热的计算 牛顿公式:Q=(t1-t2)F,1.3.2 对流换热的影响因素流体流动的动力自然对流强制对流,流体的流动状态层流 流体内部各个质点都平行于壁面流动紊流 流体流动时,内部各个质点不仅向前运动,而且有垂直于于壁面的运动,固体的表面形状、大小和放置位置,流体的物理性质导热系数热容量密度粘度,1.3.3 对流换热系数的确定自然对流时的对流换热系数强制对流时的对流换热系数沿平面强制对流时,1.4 辐射换热 可见光(波长0.4-0.8微米)和红外线波长(0.8-40微米)能被物体吸收转化为热能,称为热射线。这种热能传播的过程为热辐射。,1.
4、4.1 绝对黑体的概念吸收率A=QA/Q,A=1,绝对黑体反射率R=QR/Q,R=1,绝对白体透过率D=QD/Q,D=1,绝对透过体,1.4.2 黑体辐射的基本定律1.4.2.1 普朗克定律 普朗克于1900年根据量子理论导出了黑体在不同温度下的单色辐射力随波长的分布规律,即:,由普朗克定律可得:黑体在每一个温度下,都可辐射出波长从0到的各种射线,当趋近于0或时,I值也趋近于0。在每一温度下,I随波长变化有一最大值,当温度升高,其最大值向短波方向移动。它们存在如下关系,即维恩(wien)定律:,1.4.2.2 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 在一定温度下单位面积上,单位时间内发射出各种波长的辐射能量的总
5、和,称为该温度下的辐射力,用E表示。因此,黑体的辐射力应等于:,1.4.2.3 灰体和实际物体的辐射力 如果某物体的辐射光谱是连续的,光谱曲线与黑体的光谱曲线相似,而且它的单色辐射力与同温度、同波长下黑体的单色辐射力之比为定值,并且与波长和温度无关,这种物体称为理想灰体。,1.4.2.4 克希荷夫定律 热平衡条件下,任意灰体对黑体辐射能的吸收率,等于同温度下该灰体的黑度。凡吸收率大的物质,其辐射率也大。,1.4.3 两物体间的辐射热交换,1.4.3.1 角度系数 由F1直接辐射到F2上的辐射能Q12与F1面上辐射出去的总辐射能Q1之比成为F1对F2的角度系数12。,两个相距很近的平行大平面,如
6、图1-10(a)所示,12=21=1。两个很大的同轴圆柱表面,如图1-10(b)所示,它相当于长轴在井式炉内加热时的情况,这时,12=1,21=F1/F2。一个平面和一个曲面,如图1-10(c)所示,它相当于平板在马弗炉内加热时的情况,这时12=1,12=F2/F1,1.4.3.2 封闭体系内两面之间的辐射热交换,辐射热交换,1.4.3.3 有隔板存在时的辐射热交换 存在隔板时的辐射热交换:,达稳定态时,Q13=Q32,所以:因此:,1.4.3.4 通过孔口的热辐射,1.5 综合传热1.5.1 对流和辐射同时存在的热交换,工件在热处理沪内加热时,热源与工件表面间不仅有辐射换热,而且还有对流换热
7、因而单位时间内炉膛传给工件表面的总热流量为:,为了便于对更复杂的传热过程进行综合计算进行比较,一般将它改写成传热一般方程的形式,,1.5.2 通过平壁从一气体到另一气体的传热高温气体以辐射和对流方式传给内壁的热量:平壁以传导方式由内壁传导到外壁的热量:外壁以辐射和对流方式传给车间空气的热量:,稳定态传热时,q1=q2=q3,可得:,由于 较大,因此:对于多层平壁:,第二章 气体力学,第三章 筑炉材料,不同外形的筑炉材料,3.1 耐火材料3.1.1 耐火材料的性能 耐火材料的性能可以分为物理性能和工作性能。物理性能:体积密度,真比重,气孔率,吸水率,透气性,耐压强度,热膨胀性,导电性,热容量等。
8、工作性能:耐火度,高温结构强度,化学稳定性,体积稳定性,耐急冷急热性等。,3.1.1.1 耐火度 耐火材料抵抗高温作用的性能,以材料受热后软化到一定程度时的温度表示。普通耐火材料:耐火度为1580一1770 高级耐火材料:耐火度为1770一2000 特级耐火材料:耐火度为2000以上,3.1.1.2 高温结构强度-荷重软化点 高温结构强度用荷重软化点来评价。荷重软化开始点是指在一定压力(196Pa,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;当试样变形达4或40的温度,称为荷重软化4或40软化点。,3.1.1.3 高温化学稳定性 耐火材料在高温下抵抗熔渣、
9、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。常用抗渣性来评定。,3.1.1.4 耐急冷急热性(热震稳定性)耐急冷急热性表示材料抵抗温度急剧变化而不破坏的性能。测定方法是将耐火制品加热到850,然后放入流动的冷水中冷却,反复进行破碎至其重量损失20时的次数。耐急冷急热性与制品的物理性能、形状和大小等因素有关。,3.1.1.5 高温体积稳定性 高温体积稳定性是指耐火材料在高温下长期使用时、化学成分发生变化,产生再结晶和进一步烧结现象,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。一般要求耐火制品的体积变化,不得超过0.51。,3.1.2 常用耐火材料3.1.2.
10、1 耐火粘土砖 粘土砖荷重软化点为1350,耐急冷急热性好,原料来源广泛,是最常用的耐火材料。可用于砌筑炉顶、炉底、护墙及燃烧室等。3.1.2.2 高铝砖 高铝砖耐火度和高温结构强度都高于粘土砖,化学稳定性好,多用于高温热处理炉及电阻丝或电阻带的搁砖、热电偶导管、马弗炉的护芯等。,3.1.2.3 轻质砖与超轻质砖 轻质耐火砖一般是粘土砖,其气孔率很高,体积密度很小,保温性好,热容量小,但高温强度高温化学稳定性差。宜用做炉墙和炉顶。3.1.2.4 碳化硅耐火制品 碳化硅耐火制品耐火度高高温结构强度高,抗磨性、耐急热性好,导热性及导电性好。根据其制造工艺的不同,可用作高温炉的电热元件、马弗炉的马弗
11、罐、高温炉的炉底板等。,3.1.2.5 耐火纤维 耐火纤维是一种新型的耐火材料,兼有耐火和保温作用。根据原料不同有硅酸铝、石英、氧化铝和石墨耐火纤维等。3.1.2.6 耐火混凝土 耐火混凝土是以一定粒度的矾土熟料为骨料,细粉状矾土熟料为掺合料加水,按一定比例混合,用水泥胶结、成型、硬化后得到的耐火材料。,3.1.2.7 陶瓷涂料耐火材料用陶瓷涂料:它是氧化铅加水调制而成金属构件用陶瓷涂料;它是用水调制的硅酸铝涂料3.1.2.8 耐火泥 耐火泥接近于砌体成分,具有一定耐火度和化学稳定性。,3.2 保温材料3.2.1 石棉 石棉是天然纤维矿物,使用温度不超过500,因为500以上会脱水而粉化。常加
12、工成石棉绳、石棉板、石棉布等形状使用。3.2.2 矿渣棉 矿渣棉是用高炉炉渣经加工处理面成纤维状材料。,3.2.3 蛭石 蛭石又称为黑云母,受热时其中的水分急剧蒸发,体积膨胀而成膨胀蛭石,体积密度减小,因而保温性能良好。最高使用温度可达1000。使用时可以是散状,也可胶结成各种形状的保温制品使用。3.2.4 硅藻土 硅藻土是有机藻类腐败形成的天然疏松多孔物质。大多数制成硅藻土砖使用,也可散状使用。,3.2.5 膨胀珍珠岩 膨胀珍珠岩是以天然珍珠岩为主要原料烧制而成的良好保温材料。其体积密度小,热导率小,使用温度可达1000。既可散料使用,又可制成不同形状的砖使用。3.2.6 岩棉 岩棉是以玄武
13、岩为主要原料,经高温、熔融制成的人造无机纤维,加工成板、管、毡等,是一种新型轻质保温材料,具有良好的化学稳定性、耐热性。,3.3 不定形耐火材料3.3.1 耐火混凝土 耐火混凝土由胶结料、骨料、掺合料组成。骨料 主要的耐火基体,具有高的耐火度,与胶结剂不形成较多的低熔物胶结料 起胶结硬化作用掺合料 原料同骨料,颗粒较小,3.3.2 耐火可塑料 以耐火骨料、细粉料为主,加入适量的生粘土和化学粘合剂,经过充分的搅拌后形成硬泥膏状,在规定时间内具有较好的可塑性。,3.4 炉用金属材料3.4.1 普通金属材料3.4.2 炉用耐热钢Ni-Cr系Fe-Al-Mn系Fe-Cr-Mn-N系,第四章 热处理电炉
14、概述,热处理电阻炉是将电流通过金属或非金属电热元件,使其发出热量,借辐射或对流作用将热量传给被加热的工件,从而使工件加热到规定的温度。,热处理炉分类:工作温度高温炉(1000)中温炉(1000650)低温炉(650)炉膛介质空气介质炉控制气体炉液体介质炉(浴炉),炉膛形状箱式炉井式炉罩式炉直通式炉专门化程度通用式炉专用式炉,工艺用途退火炉正火炉淬火炉回火炉渗碳炉作业规程周期作业炉半连续作业炉连续作业炉,4.1 热处理电阻炉的基本类型4.1.1 周期作业式热处理电阻炉 周期炉是将工件成批入炉,在炉中完成加热、保温等工序,出炉后再将另一批工件装入炉子的热处理炉。常用的炉型有:箱式炉、井式炉、台车式
15、炉、罩式炉等。,密封箱式热处理多用炉,4.1.2 连续作业式电阻炉 连续作业炉是指连续地或间歇地装料,工件在炉内不断移动,完成加热、保温,有时包括冷却在内全过程的热处理炉。,连续作业式电阻炉,4.2 箱式电阻加热炉 在机器制造厂热处理车间得到广泛应用,适用于中小零件的热处理,如退火、正火、淬火、回火和固体渗碳等,特别是对单件和小批量生产的车间采用更多。,4.2.1 中温箱式电阻炉 中温箱式电阻炉可用于退火、正火、淬火、回火或固体渗碳等。,4.2.2 高温箱式炉 高温箱式炉用于高速钢或高合金钢模具的淬火加热,其结构与中温箱式炉相似。,4.2.3 低温箱式炉 低温箱式炉大多用于回火。主要靠对流换热
16、。为提高炉温均匀性,常在炉顶或后墙安装风扇及导风装置,以强迫炉气循环。,4.2.4 圆体箱式电阻炉 圆体箱式电阻炉是近几年国内厂家参照国外先进技术制造而成产品外形、炉膛为圆形,而炉膛尺寸、炉底板、电热元件等均保留原有箱式炉特点及互换性外表面积小,蓄热少,热损失比RX系列产品减少20以上,节能显著。使用温度从低温到高温均有产品问世炉体结构如图4-2所示。,4.3 井式电阻加热炉 常用来加热细长工件,因为在吊挂状态下加热可以防止工件产生弯曲。,井式气体电阻加热炉,4.4 台车式炉及罩式炉4.4.1 台车式炉 台车式炉适用于大型和大批量铸、锻件的退火、正火和回火处理。,4.4.2 罩式炉 罩式炉多用
17、于冶金行业的钢丝、钢管、铜带、铜线以及硅钢片等的退火处理。它有圆形及长方形结构.,第五章 热处理电炉的设计,5.1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定5.1.1 炉型的选择工件的特点(形状、尺寸、重量)加工细长轴类工件,为防止变形宜用井式炉;加工大中型铸、锻毛坯件的退火、正火、回火等处理,则宜用台车炉;小型轴承钢球、波子等则选用滚筒式炉等,技术要求 对加热温度、炉膛介质、冷却速度、冷却方式、表面状态、允许变形量等有特殊要求时,如高合金钢模具淬火需要用高温炉,精加工零件表面要求不氧化则需要保护气氛炉、真空炉,有表面硬度及化学热处理要求的则需渗碳、渗氮炉等。,产量大小 生产量大、品种单一、工艺稳定情况下,
18、可考虑使用连续炉;对产量不大、品种多、工艺变化大的,则可考虑使用箱式炉或箱式多用炉。劳动条件 所选炉型尽可能改善劳动条件及工作环境,提高机械化和自动化水平,并防止污染。,炉子性能 对炉温均匀性、准确性、控制精度以及升降温速度、能耗指标等有特殊要求时也应考虑在内。,5.1.2 炉膛尺寸的确定 炉膛尺寸主要应根据工件的形状、尺寸、技术要求、装卸料方式、操作方法和生产率来决定,同时还应考虑造成炉膛内良好的热交换条件,保证炉内温度均匀性;减少热损失和便于电热元件、炉内构件更换以及炉子维修等。,5.1.2.1 炉底面积的确定根据炉子一次装料量计算根据炉底强度指标计算5.1.2.2 炉膛高度的确定,5.2
19、 电阻炉功率的计算5.2.1 理论(热平衡)计算法,5.2.1.1 热处理电阻炉的主要能量支出项加热工件所需的热量加热辅助构件所需的热量加热控制气体所需热量通过炉衬的散热损失开启炉门的辐射热损失开启炉门溢气热损失砌体蓄热量其它热损失,5.2.1.2 炉子所需功率连续作业炉的炉子功率 K=1.21.3周期作业炉的炉子功率 K=1.31.5,5.2.2 经验计算法5.2.3.1 类比法5.2.3.2 经验公式法,5.3 功率的分配及电热元件的接线功率的分配箱式电阻炉井式电阻炉连续作业电阻炉供电电压和连线方法供电电压:单相或三相连线方法:三角形或星形,5.4 常用电热元件材料及其选择5.4.1 电热
20、元件材料和性能要求良好的耐热性及高温强度较大的电阻率较小的电阻温度系数较小的热膨胀系数良好的加工性,部分电热元件示意图,部分电热元件示意图,5.4.2 电热元件材料的性能5.4.2.1 金属电热体材料5.4.2.1.1 合金材料Fe-Cr-Al系电阻率大,电阻温度系数小,耐热性较好塑性较差高温加热、使用后,晶粒变大膨胀系数较大较强抗渗C、耐S、各种碳氢气体能力,抗F、Cl、N、NH3及其化合物腐蚀能力差,Ni-Cr 系塑性好,高温加热不脆化电阻率小,电阻温度系数大抗N 能力强,抗渗C能力差,5.4.2.1.2 纯金属材料 主要为高熔点金属,如Mo、W、Ta、Pt等,电阻较小,电阻温度系数较大。
21、,5.4.2.2 非金属电热体材料 主要用于高温电阻炉,有Si-C系、C系、Si-Mo系。,5.4.2.3 电热体的寿命和表面负荷电热体寿命的影响因素工作温度气氛传热条件加热与冷却速度表面负荷 电热体单位表面积上所辐射出的电功率,电热体的表面负荷,影响电热体允许表面负荷的因素:电热体温度高或炉内有控制气体时,W实取低值工作环境恶劣的封闭状态,W实取低值,敞开工作状态下,W实取高值,强制对流时,W实值可更高工件的黑度小,会使电热体工作条件恶化,W实取低值带状W实值的比丝状的高些不易更换电热体的电炉中,W实取低值。为加速传热或电热体无法重复使用的,W实可取高值,5.5 电热体的计算及其在炉内的布置
22、5.5.1 电热体的理论计算法5.5.1.1 丝状电热体5.5.1.2 带状电热体,5.5.2 电热体的图解法计算,5.5.3 电热体绕制形状和尺寸的确定5.5.3.1 丝状电热体5.5.3.2 带状电热体,5.5.4 电热体在炉内的布置,5.6 电阻加热炉的性能测试电热体冷态直流电阻的测定额定功率的测定空炉升温时间的测定空载功率的测定炉温均匀性的测定表面温升的测定,第六章 热处理燃料炉,6.1 燃料炉的基本类型及特点6.1.1 燃料炉的基本类型,6.1.2 燃料炉的炉型,6.1.3 炉型的选择及设计基本步骤6.1.3.1 炉型的选择 燃料炉炉型的选择,炉膛尺寸及砌体尺寸的确定与电阻炉基本相似
23、,主要根据产品批量大小,工件的特性及热处理工艺的要求来确定。,6.1.3.2 设计基本步骤 设计时要考虑如下问题:尽可能使燃料完全燃烧,充分发热,节省燃料。引导炉气在炉内合理流动,并及时将废气排除,创造良好的传热及劳动条件。炉体结构需满足炉子耐热、保温、减少热损失的要求,,燃料炉的主要设计步骤:根据工件形状、尺寸、数量、工艺要求和燃料种类,确定炉型和基本结构方案确定基本尺寸,确定炉底面积确定砌体材料及厚度确定钢架结构和钢材的规格型号,确定燃料消耗量,选择或设计燃烧装置计算燃烧所需空气量和所生成烟气量设计排姻口、烟道、烟囱和选择鼓风机设计炉门升降机构和装、出料机构及其控制系统设计炉前管路等辅助设
24、施,6.2 燃料燃烧计算6.2.1 常用燃料的分类,6.2.2 燃料的发热量高发热量(Q高):燃料燃烧后,生成产物中的水分冷凝到0以液态存在时,单位燃料完全燃烧所放出的热量叫高发热量。低发热量(Q低):燃料燃烧后生成产物中的水分冷却成20以气态存在时,单位燃料完全燃烧所放出的热量,叫低发热量。,6.2.3 燃料燃烧计算理论空气需要量和理论燃烧产物量空气过剩系数,6.3 燃料消耗量计算6.3.1 热平衡计算法热收入项目燃料燃烧的化学热预热空气和燃料带入的物理热,热支出项目加热工件的有效热量加热辅助工具所需的热量加热可控气氛所需的热量通过炉衬的散热损失通过开启炉门的辐射损失,通过开启炉门或炉墙缝隙
25、的溢气热损失砌体的蓄热损失废烟气带走的热量燃料漏失引起的热损失燃料不完全燃烧的热损失其它热损失,6.3.2 经验统计数据法根据单位热耗指标计算燃料消耗量根据炉底热强度计算燃料消耗量,6.4 燃料炉的经济技术指标及提高热效率途径6.4.1 经济技术指标炉子热效率单位标准燃料消耗量,6.4.2 提高热效率的途径减少烟气带走的热量有效利用烟气余热,6.5 热处理燃料炉的燃烧装置6.5.1 燃料燃烧过程燃料的着火温度着火浓度范围火焰的传播速度回火和脱火,6.5.2 煤气燃烧装置(烧嘴)6.5.2.1 无焰(内混式)烧嘴 这类烧嘴的燃烧方法是煤气与空气预先在烧嘴内进行均匀混合,而后喷出进行燃烧。,6.5
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