設(shè)備管理_熱處理設(shè)備培訓(xùn)課程

1 熱處理設(shè)備 貴州師范大學(xué) 2 一 對(duì)熱處理常用設(shè)備有一個(gè)概括的了解 掌握熱處理爐傳熱的基本方式 爐內(nèi)綜合傳熱與應(yīng)用 二 掌握常用熱處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 工作原理與用途 三 掌握一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的熱處理爐的設(shè)計(jì)內(nèi)容與方法 四 了解熱處理爐節(jié)能與改造方面的有關(guān)知識(shí)及爐溫儀表 熱控制 掌握有關(guān)熱處理設(shè)備的知識(shí) 同時(shí)也培養(yǎng)設(shè)計(jì) 選擇和應(yīng)用熱處理設(shè)備的能力 本課程的任務(wù) 本課程的學(xué)習(xí)達(dá)到的要求 本課程的重要性 熱處理設(shè)備指用于實(shí)施熱處理工藝的裝備 隨著科技的發(fā)展 在冶金 機(jī)械 航空 航天 船舶等工業(yè)生產(chǎn)中 需要進(jìn)行熱處理的零件和工具日益增多 熱處理爐是實(shí)現(xiàn)熱處理工藝的主要設(shè)備 沒(méi)有先進(jìn)的熱處理爐就不能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的熱處理工藝 熱處理工藝的現(xiàn)代化 實(shí)質(zhì)是熱處理設(shè)備的現(xiàn)代化 3 這些產(chǎn)品都需要進(jìn)行熱處理 4 課程特點(diǎn) 基礎(chǔ)性綜合性實(shí)踐性發(fā)展性 5 1 1熱處理設(shè)備在材料工程中的地位與作用 熱處理是提高機(jī)械零件質(zhì)量和延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵工序 也是充分發(fā)揮金屬材料潛力 節(jié)約材料的有效途徑 正確地選擇材料 合理地進(jìn)行熱處理 不僅可以充分減少?gòu)U品 而且可以顯著提高機(jī)器零件和模具使用壽命 而任何一種熱處理工藝 只有通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備才能得以實(shí)現(xiàn) 熱處理爐是實(shí)現(xiàn)金屬熱處理工藝的主要要設(shè)備 沒(méi)有先進(jìn)的熱處理爐就不能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的熱處理工藝 要實(shí)現(xiàn)熱處理技術(shù)的現(xiàn)代化 需要靠熱處理設(shè)備的現(xiàn)代化來(lái)保證 即熱處理設(shè)備的先進(jìn)與否更是決定熱處理工藝的重要因素 第一章熱處理設(shè)備概述 6 1 2熱處理設(shè)備的發(fā)展概況 現(xiàn)代熱處理設(shè)備包括 大型連續(xù)生產(chǎn)線 密封箱式多用爐生產(chǎn)線 真空及無(wú)人化感應(yīng)加熱設(shè)備國(guó)外 1 以電能為熱源的增多 油和煤氣爐比例逐漸減少 2 對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求更為嚴(yán)格 可控氣氛熱處理爐和真空爐占重要地位 3 爐襯趨向輕質(zhì)材料 在電阻爐上應(yīng)用非金屬爐用耐熱構(gòu)件和發(fā)熱元件的比例逐漸增加我國(guó)熱處理技術(shù)比較落后 體現(xiàn)在裝備水平的落后上 大多為50 70年代的仿蘇產(chǎn)品 周期式爐多 連續(xù)式爐少 效率低 能耗大 空氣爐多 氣氛爐少 工件氧化脫碳嚴(yán)重 質(zhì)量不易保證 自動(dòng)化程度低 人為因素影響大 質(zhì)量不穩(wěn)定 鹽浴爐比重相當(dāng)大 勞動(dòng)條件差 污染嚴(yán)重 一半以上的設(shè)備超過(guò)三十年 且年久失修 熱效率低 散熱嚴(yán)重 成本高 相對(duì)于先進(jìn)工業(yè)國(guó)家仍有相當(dāng)大的差距 7 可控氣氛多用爐生產(chǎn)線 箱式可控回火爐 箱式可控氣氛多用爐 網(wǎng)帶式可控氣氛多用爐 高溫型可控氣氛多用爐 8 生產(chǎn)設(shè)備與世界先進(jìn)水平有20 30年之差距 專業(yè)化熱處理工廠數(shù)目與美國(guó)相比相差35倍 生產(chǎn)效率比美國(guó)低26倍 設(shè)備利用率僅為30 電耗卻高于美國(guó)的40 其電耗平均每噸比日本和歐美要多2 3倍 熱處理帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題十分嚴(yán)重 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)熱處理業(yè)每年約有5000噸淬火油因蒸發(fā)或局部燃燒造成CH化合物 CO及煙塵 有約9000噸廢淬火油因排放不當(dāng)而污染水質(zhì) 每年鹽浴爐生成鹽蒸汽7000噸以上 有害廢渣約10000噸 燃煤爐窯排放SO2約1 5萬(wàn)噸 灰分約8 5萬(wàn)噸 噴砂處理中產(chǎn)生的SiO2等有害粉塵10000噸 嚴(yán)重污染了環(huán)境 由于生產(chǎn)設(shè)備和規(guī)模的落后 我國(guó)熱處理生產(chǎn)耗能巨大而利潤(rùn)并不高約為美國(guó)的1 30 年?duì)I業(yè)額約為美國(guó)的1 25 1 2熱處理設(shè)備的發(fā)展概況 9 1 2熱處理設(shè)備的發(fā)展 1 改進(jìn)爐膛結(jié)構(gòu) 合理布置加熱元件 以改善加熱質(zhì)量2 采用新型爐體材料 提高加熱效率3 提高自動(dòng)化程度 采用連續(xù)式爐或聯(lián)合機(jī) 以穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 改善勞動(dòng)條件4 拓寬真空技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 進(jìn)行無(wú)氧加熱 提高產(chǎn)品質(zhì)量 優(yōu)質(zhì) 設(shè)備優(yōu)良 工藝先進(jìn) 管理科學(xué)化 高效 設(shè)備 管理 低耗 設(shè)備 工藝 管理 清潔 勞動(dòng)環(huán)境 自然環(huán)境 靈活 協(xié)作生產(chǎn) 10 完成各種輔助工序 如酸洗 清洗 清理 校直 檢驗(yàn) 生產(chǎn)操作 動(dòng)力供應(yīng)所用的設(shè)備 熱處理車間常用的輔助設(shè)備有清洗槽 機(jī) 噴砂機(jī) 校直機(jī) 泵 鼓風(fēng)機(jī) 各種動(dòng)力管道以及起重運(yùn)輸設(shè)備等 1 3熱處理設(shè)備的分類 主要設(shè)備 完成主要熱處理工序 加熱和冷卻 所用的設(shè)備 包括各種加熱設(shè)備 加熱爐與加熱裝置 和冷卻沒(méi)備 冷卻室 淬火槽 淬火機(jī)等 輔助設(shè)備 主要設(shè)備 輔助設(shè)備 11 1 3 1主要設(shè)備1 熱處理爐 有爐膛的加熱設(shè)備 箱式爐 井式 臺(tái)車 真空爐2 加熱裝置 熱源直接對(duì)工件加熱的裝置 高頻 中頻 火焰加熱3 表面改性裝置 氣相沉積多弧鍍膜機(jī) 離子注入機(jī) 4 表面氧化裝置 發(fā)藍(lán)槽 發(fā)黑槽5 表面機(jī)械強(qiáng)化裝置 拋 噴 丸機(jī) 輥壓機(jī)6 淬火冷卻設(shè)備 冷卻水 油槽 緩冷罐 噴淬器 壓力淬火機(jī)7 冷處理設(shè)備 冷凍機(jī) 液氮 干冰冷卻裝置8工藝參數(shù)測(cè)控儀表 測(cè)控溫度 碳氮?jiǎng)?壓力 流量 碳控儀 感應(yīng)加熱表面淬火機(jī)床 12 1 3 2熱處理輔助設(shè)備1 清洗機(jī) 清理裝置 對(duì)熱處理前后工件進(jìn)行清洗的冷熱水槽 噴砂機(jī) 超聲清洗機(jī) 脫脂爐 酸洗槽 滾筒2 爐氣氛制備裝置 吸 放熱式發(fā)生器 氨分解器 制氮機(jī)3 淬火介質(zhì)循環(huán)裝置 儲(chǔ)液槽 過(guò)濾器 輸送泵 冷卻器 冷水機(jī)4 起重運(yùn)輸設(shè)備 天車 起重機(jī) 運(yùn)輸車 傳送鏈5 動(dòng)力輸送管路及輔助設(shè)備 管路 風(fēng)機(jī)泵 儲(chǔ)氣 液 罐6 防火 除塵等安全設(shè)備 防火噴霧器 抽風(fēng)機(jī) 廢氣反應(yīng)槽另外 還需校正設(shè)備 各種工具 夾具 13 1 4熱處理爐的分類 14 15 井式電阻爐 16 17 18 連續(xù)式熱處理爐 19 啟動(dòng)電阻 啟動(dòng)電阻 20 21 22 23 傳熱或換熱 熱量從一物體傳向另一物體或由同一物體的某一部分傳向另一部分的過(guò)程 條件 物體間或同一物體內(nèi)部只有存在溫度差時(shí) 才會(huì)發(fā)生熱量的傳遞 熱處理爐內(nèi)進(jìn)行的熱傳遞過(guò)程是由傳導(dǎo) 對(duì)流 輻射三種基本傳熱形式組成的綜合傳熱過(guò)程 1 4熱處理爐的傳熱原理 24 物體間通過(guò)輻射進(jìn)行的熱能傳遞過(guò)程 稱為輻射傳熱 特點(diǎn) 輻射不需任何介質(zhì) 傳熱過(guò)程中伴隨著能量的轉(zhuǎn)化 即從熱能到輻射能以及從輻射能又轉(zhuǎn)化為熱能 溫度不同的接觸物體間或一物體中各部分之間熱能的傳遞過(guò)程 稱為傳導(dǎo)傳熱 流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移和相互混合而發(fā)生的熱量傳遞 叫對(duì)流傳熱 特點(diǎn) 傳熱過(guò)程中 既有流體質(zhì)點(diǎn)的導(dǎo)熱作用 又有流體質(zhì)點(diǎn)位移產(chǎn)生的對(duì)流作用 一 傳熱的基本形式 1 傳導(dǎo)傳熱 2 對(duì)流傳熱 3 輻射傳熱 流體中有相對(duì)位移和混合 或流體與固體表面接觸 如 浴 回火爐 無(wú)宏觀的質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng) 液體中 分子振動(dòng) 氣體中 分子 原子擴(kuò)散 金屬中 自由電子的運(yùn)動(dòng) 輻射能 電磁波 熱能 中 高溫爐 25 用來(lái)描述物體中溫度的分布情況 是空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)的函數(shù) 即 式中 x y z 該點(diǎn)的空間坐標(biāo) 時(shí)間坐標(biāo) 二 溫度場(chǎng)與溫度梯度 1 溫度場(chǎng) 若物體的溫度沿x y z三個(gè)方向都有變化 稱三向溫度場(chǎng) 26 單向溫度場(chǎng) 物體溫度只在一個(gè)方向上有變化 即 如長(zhǎng)時(shí)間恒溫狀態(tài)下?tīng)t壁的傳熱 不穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng) 物體各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化而變化 如升溫狀態(tài)下?tīng)t壁的傳熱 穩(wěn)定溫度場(chǎng) 物體各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化 這時(shí)溫度分布函數(shù)簡(jiǎn)化為 t f x 27 在溫度場(chǎng)內(nèi) 物體 或體系內(nèi) 相鄰兩等溫面間的溫度差 t與兩等溫面法線方向的距離 n的比例極限 稱為溫度梯度 用下式來(lái)表示 溫度梯度是表示溫度變化的一個(gè)向量 其數(shù)值等于在和等溫面相垂直的單位距離上溫度變化值 并規(guī)定由低到高為正 由高到低為負(fù) 2 溫度梯度 28 熱流 Q單位時(shí)間內(nèi)由高溫物體傳給低溫物體的熱量叫熱流或熱流量 用 表示 Q tF W 熱流密度 q單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積的熱流 稱為熱流密度 用q表示 單位為w m2 即 熱流 熱流密度都為向量 其方向與溫度梯度方向相反 三 熱流和熱流密度 29 對(duì)于均勻的 各向同性的固體 單位時(shí)間通過(guò)單位面積的熱量 與垂直該截面方向的溫度梯度成正比 式中 沿n方向的熱流量 W q 熱流密度 w m2 F 與熱流方向垂直的傳熱面積 m2 比例系數(shù) 稱為熱導(dǎo)率 W m 溫度梯度 m 負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相反 1 6 式為導(dǎo)熱基本方程式 即傅立葉定律 1 4 1傳導(dǎo)傳熱 一 傳導(dǎo)傳熱的基本方程式 30 熱導(dǎo)率是反映物體導(dǎo)熱能力大小的參數(shù) 其物理意義為在單位時(shí)間內(nèi) 每米長(zhǎng)溫度降低1 時(shí) 單位面積能傳遞的熱流量 用 表示 單位為W m 金屬的導(dǎo)熱系數(shù)與金屬的純度和溫度有關(guān) 雜質(zhì)愈多 導(dǎo)熱系數(shù)也隨之降低 純鐵比碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)大 碳鋼又比合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大 合金鋼加熱時(shí)保溫時(shí)間長(zhǎng)的原因 二 熱導(dǎo)率 也叫導(dǎo)熱系數(shù) 31 即 t 0 bt W m 式中 t t 時(shí)材料的熱導(dǎo)率 0 0 時(shí)材料的熱導(dǎo)率 b 材料的熱導(dǎo)率溫度系數(shù) 因材料而異 可查表得到 實(shí)際計(jì)算中 一般取物體算術(shù)平均溫度下的熱導(dǎo)率代表物體熱導(dǎo)率的平均值 溫度升高時(shí)大多數(shù)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)降低 材料的熱導(dǎo)率與溫度的變化呈線性關(guān)系 32 在平壁內(nèi)取一單元薄層 其厚度為dx 兩側(cè)的溫度差為dt 則通過(guò)此單元層的熱流密度為 1 單層平壁爐墻的導(dǎo)熱 圖1 1所示單層平壁爐墻的壁厚為S 材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 平壁兩側(cè)表面溫度各為t1與t2 且t1 t2 并保持恒定 平壁溫度只沿垂直于平壁面的x軸方向發(fā)生變化 所有等溫面都是平面 且垂直于x軸 屬于單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱 三 平壁爐墻的導(dǎo)熱 33 由上式可知 在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位平壁面積所傳遞的熱量是與導(dǎo)熱系數(shù) 及兩表面的溫度差成正比 而與平壁厚度s成反比 34 若平壁爐墻的面積為F 而且內(nèi)外表面積相等 則在1小時(shí)內(nèi)通過(guò)F面積所傳導(dǎo)的熱流量Q為 在1 8式中 S 為單位面積的平壁熱阻 1 9式中S F 是面積為F的平壁熱阻 由此可見(jiàn) 熱流量與溫度差 t1 t2 成正比 與熱阻S F 成反比 與歐姆定律類似 實(shí)際的平壁爐墻 如箱式爐爐墻 面積并非很大 而且其內(nèi)外表面積也不相等 因而它的導(dǎo)熱面積是變化的 這時(shí)上式中的導(dǎo)熱面積應(yīng)該用平均面積代替 可按如下方法近似計(jì)算 35 一般熱處理爐的爐墻 大多為兩層或三層不同材料砌成的 圖1 2 設(shè)爐墻界面溫度依次為t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 各層厚度為S1 S2 S3 若各層間緊密接觸 各層的熱導(dǎo)率用 1 2 3表示 2 多層平壁爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱 36 在穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱時(shí) 通過(guò)平壁爐墻各層的熱流或熱流密度應(yīng)相等 根據(jù)前面公式可分別寫(xiě)出通過(guò)各層的熱流密度 由上述三個(gè)方程 可求出三個(gè)未知量q t2 和t3 由于 是溫度的函數(shù) 由式 a c 經(jīng)運(yùn)算得通過(guò)三層爐墻的q為 t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 1 2 3 因?yàn)閝1 q2 q3 q 37 同理 n層平壁爐墻的導(dǎo)熱公式 38 若多層爐墻的總熱阻已知 則各層間的界面溫度可由下式求得 39 在求界面溫度時(shí) 必須根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先假設(shè)一界面溫度 然后根據(jù)假設(shè)溫度算出各層的 值及總熱阻 再代人上式求出界面溫度 如果計(jì)算的界面溫度和假設(shè)的界面溫度相差較小 5 即可采用 如果相差大于5 應(yīng)重新假設(shè) 再進(jìn)行計(jì)算 直到誤差小于5 為止 如果多層平壁爐墻各層面積相等時(shí) 均為F 其傳熱量公式為 40 若各層面積不等 其傳熱量計(jì)算公式為 式中F1 F2 Fn分別為各層的平均面積 若多層平壁各層分界面的表面積分別f1 f2 f3 和fn 1時(shí) 則各層的平均面積可采用算術(shù)平均值或幾何平均值 41 四 圓筒爐墻的導(dǎo)熱1 單層圓筒壁爐墻的導(dǎo)熱設(shè)有一井式加熱爐 高度為L(zhǎng) 內(nèi)外半徑分別為r1和r2 內(nèi)外表面溫度為t1和t2 導(dǎo)熱系數(shù)為 在r1與r2之間的任意處r取一薄層 厚度為dr 其兩側(cè)溫度差為dt 該層面積為2 rL 圖1 3 根據(jù)導(dǎo)熱方程式在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)此薄層所傳導(dǎo)的熱量為 42 從上式看出 圓筒壁的導(dǎo)熱量與爐墻材料的導(dǎo)熱系數(shù) 圓筒壁的高度和溫度差成正比 而與內(nèi)外半徑比值的自然對(duì)數(shù)成反比 如果 是常數(shù) 則沿爐壁內(nèi)部的溫度變化呈對(duì)數(shù)曲線 這點(diǎn)與平壁導(dǎo)熱不同 另外 如果r2 r1 2 可將圓筒展開(kāi)當(dāng)作平壁進(jìn)行計(jì)算 這時(shí)內(nèi)外半徑可按算術(shù)平均值計(jì)算 即 r1 r2 2 內(nèi)外圓筒壁的表面積的平均值為 用算術(shù)平均值計(jì)算的F均 求出的 值稍大些 但不超過(guò)4 為了便于與傳熱一般方程和平壁爐墻的導(dǎo)熱公式進(jìn)行比較 上式可改寫(xiě)成 43 式中 F F2一F1 ln它是圓筒爐墻的對(duì)數(shù)平均面積 其中F2 F1 分別為內(nèi)外表面積 S為單層圓筒爐墻的厚度 這時(shí)圓筒爐墻內(nèi)的溫度分布按對(duì)數(shù)規(guī)律變化 考慮到實(shí)際爐墻的熱導(dǎo)率隨溫度呈線性變化 這時(shí)上式中 也可用熱導(dǎo)率平均值代入 均 0 bt均 由此可見(jiàn) 圓筒爐墻和平壁爐墻傳導(dǎo)傳熱熱流量的計(jì)算公式在形式上完全相同 44 對(duì)于由n層組成的多層圓筒爐墻 若已知其內(nèi)外表面的恒定溫度分別為t1和tn 1 t1 tn 1 各層的內(nèi)外半徑以及各層的材料和圓筒爐墻的高度L已知 并假定各層間緊密接觸 求通過(guò)n層圓筒爐墻的導(dǎo)熱熱流及各交界面溫度 這也是個(gè)單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題 多層圓筒壁爐墻的導(dǎo)熱根據(jù)單層圓筒壁的導(dǎo)熱公式推演方法 可求出多層圓筒壁的導(dǎo)熱公式為 2 多層圓筒爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱 45 如果圓筒爐墻各層的內(nèi)外高度不等 則熱流量用下式計(jì)算 式中 Si iFi為第i層圓筒爐墻的熱阻 其計(jì)算方法與單層圓筒爐墻相同 由此可見(jiàn) 和多層平壁爐墻一樣 多層圓筒爐墻的總熱阻等于各層爐墻熱阻之和 各層的界面溫度按式 1一14 計(jì)算 但這時(shí)公式中各層的熱阻為圓筒爐墻各層的熱阻 46 式中L1 L2 Ln為圓筒壁各層的平均高度 圓筒壁各層的交界面溫度可按下式計(jì)算 47 熱處理爐對(duì)流換熱主要發(fā)生在爐氣 鹽浴爐中的熔鹽 流動(dòng)粒子爐中流動(dòng)粒子與工件表面之間的傳熱以及爐墻外表面與車間空氣之間的傳熱等 流體與固體表面之間通過(guò)對(duì)流換熱所傳遞的熱量可用牛頓公式計(jì)算 1 4 2對(duì)流換熱 一 對(duì)流換熱的計(jì)算 48 a 對(duì)流換熱系數(shù) 它表示流體與固體表面之間的溫度差為1 時(shí) 每秒鐘通過(guò)1m2面積所傳遞的熱量 對(duì)流換熱量的計(jì)算公式即 牛頓公式 是1701年牛頓提出的 公式表明對(duì)流換熱所傳遞的熱流量與流體和固體表面間的溫度差以及兩者的接觸面積成正比 49 1 4 3輻射換熱 具有不同表面溫度的物體之間 依靠熱輻射進(jìn)行的熱傳遞過(guò)程 或者有熱輻射能力的氣體與包殼之間熱傳遞過(guò)程 均稱為輻射換熱 C導(dǎo)為該輻射系統(tǒng)的輻射系數(shù) 它和參與輻射物體的性質(zhì) 物體之間的距離 相對(duì)位置 物體的形狀等因素有關(guān) 其單位為W m2 K4 50 前面分別討論了傳導(dǎo) 對(duì)流和輻射的基本規(guī)律及其計(jì)算方法 在實(shí)際傳熱過(guò)程中往往是兩種或三種傳熱方式同時(shí)發(fā)生 所以 必須考慮它們的綜合傳熱效果 例如工件在熱處理電阻爐內(nèi)加熱時(shí) 電熱體和爐墻內(nèi)壁以輻射和對(duì)流方式先將熱量傳給工件表面 然后熱量再由工件表面以傳導(dǎo)方式傳至工件內(nèi)部 工件加熱的快慢是三種傳熱方式綜合作用的結(jié)果 工件在熱處理爐內(nèi)加熱時(shí) 熱源與工件表面間不僅有輻射換熱 而且還有對(duì)流換熱 因而單位時(shí)間內(nèi)爐膛傳給工件表面的總熱流量為 一 對(duì)流和輻射同時(shí)存在時(shí)的傳熱 1 5綜合傳熱 51 為了便于對(duì)更復(fù)雜的傳熱過(guò)程進(jìn)行