熱處理電阻爐-爐體計(jì)算

1、第 2 章,熱處理電阻爐,爐型的選擇和爐膛尺寸的確定,爐型選擇 電阻爐的類(lèi)型很多，各有其特點(diǎn)和用途。因此，根據(jù)爐子的生產(chǎn)量和作業(yè)制度、工件的特點(diǎn)和熱處理工藝要求，以及勞動(dòng)條件等有關(guān)方面進(jìn)行綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選定爐型。爐型選擇的一般原則簡(jiǎn)述如下： 生產(chǎn)量： 對(duì)于產(chǎn)量大、品種單一、工藝穩(wěn)定的熱處理工件，可選用連續(xù)作業(yè)爐；而產(chǎn)量小品種多，工藝多變者，則宜采用周期作業(yè)、通用性好的爐子，如箱式電阻爐。 工件特點(diǎn)和工藝要求： 加熱細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)工件，為防止加熱時(shí)的彎曲變形，用井式電阻爐吊裝加熱。對(duì)中小型軸承鋼球（或短滾柱），則選用滾筒式電阻爐，加熱均勻，生產(chǎn)效率高。對(duì)大中型鑄鍛毛坯件的退火、正火、回火等熱處理

2、，則宜采用臺(tái)車(chē)式電阻爐。當(dāng)產(chǎn)量特別大時(shí)，則可采用推桿式連續(xù)作業(yè)爐。對(duì)精加工后再進(jìn)行熱處理的工件，為防止其氧化脫碳，則應(yīng)設(shè)置通人保護(hù)氣體的裝置。對(duì)于回火、時(shí)效等低溫爐，則應(yīng)考慮安裝風(fēng)機(jī)以強(qiáng)制爐氣循環(huán)，提高加熱速度并使?fàn)t溫均勻。 勞動(dòng)條件： 要降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高機(jī)械化水平，并防止對(duì)環(huán)境污染。 其它： 對(duì)車(chē)間的廠房結(jié)構(gòu)、爐子的建造與維修條件及起重設(shè)備等，也應(yīng)作全面的考慮。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,一、電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),爐型選擇（從以下幾個(gè)方面考慮） （1）爐子的產(chǎn)量： 生產(chǎn)量大，品種單一（連續(xù)作業(yè)爐） 產(chǎn)量不大，品種多樣，工藝多變（周期作業(yè)爐） （2）工件特點(diǎn)和工藝要求： 細(xì)長(zhǎng)

3、軸類(lèi)件 選擇井式爐 中小型軸承鋼球 滾筒式爐（加熱均勻、生產(chǎn)率高） 大中型鑄鍛件退火、正火和回火等 臺(tái)車(chē)式爐 （3）勞動(dòng)條件 （4）其它,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一、爐膛尺寸確定 主要決定于熱處理件的形狀、尺寸、技術(shù)要求、裝料方式、操作方法和生產(chǎn)率，同時(shí)還應(yīng)造成爐膛內(nèi)良好的熱交換條件，保證爐內(nèi)溫度均勻性、減少熱損失和便于爐子維修等 。 (一) 爐子裝裁能力、加熱能力和生產(chǎn)率 爐膛尺寸通常按實(shí)際排料或統(tǒng)計(jì)的爐子裝載能力或加熱能力或生產(chǎn)率指標(biāo)加以確定。 爐子裝載能力(kg/m2)：指爐子單位面積爐底上所承受的爐料量。 此指標(biāo)主要決定于爐底允許的承載能力、爐膛空間尺寸和爐子功率

4、爐子加熱能力(kg/(m2h)：指爐子在單位時(shí)間內(nèi)單位爐底面積所能加熱的金屬重量。 爐子生產(chǎn)率(kg/h)：指爐子在特定工藝和特定工件的情況下的生產(chǎn)量,材料工程學(xué)院 金屬材料系,材料工程學(xué)院 金屬材料系,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),(二) 爐底面積 工件與電熱元件或工件與爐膛前、后壁之間應(yīng)保持一定距離，一般為0.10.15m。 常把用于布料的面積稱(chēng)為有效面積，它一般為爐底總面積a的7085%大型爐取上限。爐底寬度b與長(zhǎng)度l之比一般應(yīng)保持在2/3l/2范圍內(nèi)。 1實(shí)際排料法 ll+(0.20.3)； bb+(0.20.3) 式中，l、b為爐底布料區(qū)的長(zhǎng)度和寬度(m)。 2加熱能力

5、指標(biāo)法,式中，p為爐子生產(chǎn)率(kg/h),電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),(三) 爐膛高度 爐膛高度指爐底面至爐頂拱角的垂直距離。以輻射傳熱為主的爐子，爐膛高度常比對(duì)流爐高，其目的在于增大輻射面積，以強(qiáng)化換熱過(guò)程和保證爐溫均勻性。這類(lèi)爐子爐膛容積一般為加熱件體積的2-4倍。 實(shí)際上，爐膛高度常決定于裝料高度和電熱元件的安裝位置，裝料上方一般應(yīng)保持200300mm的空間。 依統(tǒng)計(jì)資料，爐膛高度與寬度之比多數(shù)在0.5-0.9范圍內(nèi)變動(dòng)，近年來(lái)有降低爐膛高度的趨勢(shì)，對(duì)上述比值常取中下限。 井式爐的爐膛尺寸通常按工件和夾具的實(shí)際布置情況確定。工件之間的距離一般不少于其直徑或厚度，工件至電熱元件的距離應(yīng)保持0.1-0

6、.2m，距爐底和爐頂各0.15-0.25m。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),二、爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 爐體結(jié)構(gòu)包括爐壁，爐底，爐頂和爐門(mén)。 (一) 爐底 爐底起保持爐內(nèi)熱量和承載工件的作用，通常箱式電阻爐爐底結(jié)構(gòu)是在爐底外殼鋼板上用保溫磚砌成方格子狀，然后在格子中填充松散的保溫材料，在上面平鋪12層保溫磚，之后再鋪一層輕質(zhì)粘土磚，其上安置支撐爐底板或?qū)к壍闹刭|(zhì)粘土磚和電熱元件擱磚。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),(二) 爐壁 爐壁主要為砌體，外部包以爐殼鋼板。中、低溫爐爐壁砌體一般分兩層，內(nèi)層耐火層常由輕質(zhì)粘土磚砌成，外層為保溫層，用保溫材料構(gòu)成。高溫爐爐壁常采用三層，內(nèi)層

7、用重質(zhì)磚或高鋁磚砌成，中層為過(guò)渡層，一般也用輕質(zhì)磚砌筑。有的低溫爐采用雙層鋼板內(nèi)填保溫材料的結(jié)構(gòu)。 爐壁尺寸應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)磚尺寸（23011365mm）加磚縫厚度(一般2mm)的倍數(shù) 中溫爐是113mm輕質(zhì)粘土磚和230mm保溫磚，高溫爐是113mm輕質(zhì)高鋁磚、113mm輕質(zhì)粘土磚和230mm保溫磚,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),(三) 爐頂 爐頂結(jié)構(gòu)形式主要有拱頂和平頂兩種。熱處理爐大都采用拱頂。 (四) 爐門(mén) 爐門(mén)部分包括爐門(mén)洞口、爐門(mén)框和爐門(mén)。 爐門(mén)應(yīng)保證爐子操作方便，爐口密封好(特別是可控氣氛爐)和減少熱損失。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),三、爐襯厚度計(jì)算 爐襯

8、(爐體砌層)厚度常以爐外壁面溫度作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。 設(shè)爐內(nèi)壁溫度為t1，外壁溫度為t270c，室溫t020c，則通過(guò)1m2爐壁的熱流密度可由式(2-1)和附表可求得。 采用單層爐襯結(jié)構(gòu)時(shí)，其厚度為： 采用雙層爐襯結(jié)構(gòu)時(shí)，熱流密度為： 其中：,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),所以 因此， 式中， 當(dāng)t1950c，t270c，ta20c時(shí)，按上述公式的關(guān)系可作出不同耐火層和保溫層厚度與接觸面溫度的關(guān)系圖 ，如圖。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,圖 耐火層與保溫層厚度的匹配關(guān)系及接觸面的溫度( q645w/m2),材料工程學(xué)院 金屬材料系,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐爐襯砌筑原則,砌磚體

9、的尺寸為磚尺寸的整數(shù)倍（包括磚逢）。 與電熱元件接觸的高鋁磚al2o3含量不低于60，fe2o3含量小于1.5。 可控氣氛內(nèi)壁耐火磚必須為一級(jí)品。 灰縫：爐墻和爐底不大于2mm，爐頂不大于1.5mm，可控氣氛爐不大于1mm。 粘土磚和輕質(zhì)粘土磚應(yīng)用粘土火泥漿，高鋁磚用高鋁火泥漿砌筑。 爐襯磚逢必須相互交錯(cuò)。 砌磚體必須要留有膨脹縫。 隔熱層用硅藻土磚時(shí)必須干砌，縫隙用隔熱填料填滿。 金屬預(yù)埋件必須與砌磚體同時(shí)安裝。 除特殊情況外重質(zhì)磚不得與爐殼直接接觸，以減少熱損失。,電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),四、空氣循環(huán)爐的氣體流量和壓力 以對(duì)流換熱為主的低溫爐，爐氣流速和流量顯著影響爐內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)和溫度均勻性，

10、而氣流壓力則是驅(qū)動(dòng)氣流循環(huán)的動(dòng)力。 爐氣流速和流量的計(jì)算步驟是： (1) 根據(jù)工件裝爐量、加熱溫度和時(shí)間等要求，確定所需的對(duì)流換熱系數(shù)c； (2) 再由對(duì)流換熱系數(shù)公式求出所需的氣流速度； (3) 根據(jù)氣流速度和爐膛截面積求出氣體流量； (4) 根據(jù)爐溫均勻性的要求核算所計(jì)算的氣體流量是否滿足要求。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)流換熱系數(shù)c ： 氣流速度： 爐膛內(nèi)的氣體流量 qvg 等于氣流速度 v 乘爐膛有效截面積 f ，即 工件與爐氣的溫差決定于爐氣沿爐膛長(zhǎng)度所失去的熱量ql和氣體流量qvg。 氣流循環(huán)次數(shù)的概念 ：指每秒鐘的爐氣流量與爐膛容積的比。,材料工程學(xué)院 金屬材

11、料系,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的功率計(jì)算,一、熱平衡計(jì)算法 (一)熱處理電阻爐的主要能量支出項(xiàng) 工件吸收的熱量q件 爐壁散失的熱量q散 砌體蓄熱量q蓄 爐內(nèi)氣體外溢的熱損失q溢 對(duì)外輻射的熱損失q輻 可控氣體的熱損失q控 金屬構(gòu)件直接伸出爐外 的短路損失q短 輔助構(gòu)件熱損失q輔 電能消耗q供 其它熱損失q它,電阻爐的功率計(jì)算,電阻爐主要支出項(xiàng)目的計(jì)算方法如下： 1加熱工件所需熱量q件 式中，p件為爐子的生產(chǎn)率(kg/h)；t1、t2為工件加熱的初始和終了溫度(c)，c1、c2為工件在t1和t2時(shí)的比熱容(kj/kgc) 。 若以加熱階段作為熱平衡計(jì)算時(shí)間單位時(shí)，q件應(yīng)為， 式中，g裝為

12、一次裝爐料重量 (kg)；加為加熱階段時(shí)間 (h)。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的功率計(jì)算,2. 加熱輔助構(gòu)件所需熱量q輔 3加熱控制氣體所需熱量q控 4通過(guò)爐襯的散熱損失q散 5通過(guò)開(kāi)啟爐門(mén)或爐壁縫隙的輻射熱損失q輻,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的功率計(jì)算,6通過(guò)開(kāi)啟爐門(mén)或爐壁縫隙的溢氣或吸氣熱損失q溢或q吸 7砌體蓄熱量q蓄 8. 其它熱損失q它 此項(xiàng)熱損失可取上述各項(xiàng)熱損失總和的某一近似百分?jǐn)?shù)，通常對(duì)密封箱式爐為1520%，對(duì)機(jī)械化爐為25%，對(duì)敞開(kāi)式鹽浴爐為3050%,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的功率計(jì)算,(二) 爐子所需功率 1. 連續(xù)作業(yè)的爐子功率 其安裝功率(kw

13、)應(yīng)為： 爐子的熱效率 可由下式求得： 2周期作業(yè)的爐子功率 其熱損失主要項(xiàng)目是加熱工件和輔助構(gòu)件所需的熱量和爐砌體的蓄熱量。爐子實(shí)際的蓄熱損失量與爐子冷卻階段、裝卸料階段和停爐期間造成爐體降溫的程度有關(guān)。在加熱階段的其它熱損失應(yīng)視具體爐型和工藝規(guī)程而定。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的功率分配和電熱元件接線,一、電阻爐的功率分配 對(duì)小型箱式爐：均勻分布在爐側(cè)壁和爐底。 對(duì)較大箱式爐：爐門(mén)口端約1/41/3的部位適當(dāng)加大功率 對(duì)一般熱處理爐，單位爐壁功率負(fù)荷一般控制在1530kw/m2，但是不能超過(guò)35kw/m2 。 井式爐由于爐口散熱量較大以及熱氣上浮，往往爐口和爐底的溫度容易偏低，所以

14、深度較大的井式爐爐膛上下各部分常常分區(qū)配給不同的功率來(lái)控溫。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的功率分配和電熱元件接線,二、電阻爐的電壓選擇 一般電阻爐采用車(chē)間電網(wǎng)供電（380v），只有部分小型爐采用220v。（當(dāng)電熱元件表面功率負(fù)荷相同時(shí)，采用較高的電壓可以降低電熱元件的總重量） 電阻爐在以下情況下需要降壓供電 采用硅碳棒等非金屬電熱元件 吸熱型可控氣氛爐 采用電阻溫度系數(shù)較大的電熱元件時(shí) 為保證人身安全 真空熱處理爐常采用電阻較小的碳質(zhì)電熱元件，為防止真空放電采用低壓（100v）供電,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電阻爐的功率分配和電熱元件接線,二、電阻爐接線形式的選擇 盡量保持三相平衡。除功

15、率較小爐子(25kw)可采用單相供電外 每組元件的功率要適中。習(xí)慣上用丫形或三角形 形接線。 保護(hù)電熱元件。 使用中改變接法。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電熱元件材料及其選擇,一、電熱元件材料的基本性能要求 較高的熔點(diǎn)和高溫強(qiáng)度 良好的高溫抗氧化性，能長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定工作 較大的電阻率和較小的電阻溫度系數(shù) 較小的膨脹系數(shù) 較好的塑性 良好的抗蝕性 二、金屬電熱元件材料 鎳鉻系材料 cr20ni80、cr15ni60、cr20ni80ti3和cr23nil8等牌號(hào) 鐵鉻鋁系材料 1cr13al14、0cr13al6mo2、0cr25al5、0cr27al7mo2 0cr25al6re和cr23al6co

16、zr等牌號(hào) 高熔點(diǎn)金屬和鉑 mo、w和ta (熔點(diǎn)分別為2625c、3370c和3000c),材料工程學(xué)院 金屬材料系,電熱元件材料及其選擇,非金屬電熱材料 碳化硅電熱元件 該元件主要成分為sic，含量在97-98%以上，通常制成棒狀，稱(chēng)為硅碳棒；在氧化性介質(zhì)中，可在1350c下長(zhǎng)期工作。該材料具有高的電阻率，在800c以下為負(fù)值、800c以上為正值；在加熱、冷卻過(guò)程中，氧化硅反復(fù)破裂和形成，使氧化加深，電阻值增高。 二硅化鉬電熱元件 是一種耐高溫而又不明顯老化的電熱元件，最高使用溫度可達(dá)17001800c，高溫下允許采用較高的表面負(fù)荷率；其電阻值隨溫度升高而呈直線增長(zhǎng)，因此在低溫時(shí)可以較大的

17、功率加熱而縮短爐子升溫時(shí)間；溫度高于1350c時(shí)會(huì)軟化而失去剛性，故不宜水平安裝。 碳系電熱元件 石墨，碳粒和各種碳質(zhì)制品都屬于碳系電熱元件。應(yīng)用最多的是石墨電熱元件，石墨熔點(diǎn)很高(超過(guò)3600c可升華)，常應(yīng)于14002500c之間的爐子，最高達(dá)3600c，一般制成管狀和帶狀使用。,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電熱元件的計(jì)算（金屬電熱元件）,電熱元件的尺寸 元件的電阻和長(zhǎng)度 設(shè)爐子共有n個(gè)元件，爐子的安裝功率為p安 則每個(gè)元件的功率 p pp安/n 電熱元件的允許表面負(fù)荷率和長(zhǎng)度 pw允a10-8 a10sl l105p2t/w允u2 線狀和帶狀電熱元件尺寸 s 為電熱元件周長(zhǎng)；f 為截面積,

18、材料工程學(xué)院 金屬材料系,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電熱元件的計(jì)算（金屬電熱元件）,所以每個(gè)元件的長(zhǎng)度可由下式求得,每根電熱元件重量為,或,所以： l總nl m總nm,電熱元件的計(jì)算（金屬電熱元件）,帶狀電熱元件 令電阻帶的寬度為b (mm)，厚度為a (mm)，且b/a = m (一般電阻帶m = 812)，則：f = ab = ma2 f0.94ab0.94ma s2(ab)2(m1)a s1 2(ab)2(m1)a sf2m(m1)a3 s1f11.88m(m1)a3 所以無(wú)軋制圓角時(shí),有軋制圓角時(shí),材料工程學(xué)院 金屬材料系,電熱元件的計(jì)算（金屬電熱元件）,元件寬度為 bma 每個(gè)元件的

19、長(zhǎng)度為 每個(gè)元件的重量為 所需電熱元件的總長(zhǎng)和總重為 l總=nl m總=nm,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電熱元件的結(jié)構(gòu)尺寸,線狀電熱元件通常繞制成螺旋形，螺旋柱長(zhǎng)度l柱可由下式確定： h（2-4）d,材料工程學(xué)院 金屬材料系,電熱元件的結(jié)構(gòu)尺寸,電熱元件螺旋直徑的選擇除考慮繞制的要求和安裝位置的尺寸外，還應(yīng)考慮螺旋的剛度，可保證在工作溫度下不倒伏。當(dāng)d大于3mm時(shí)，d與d有如下關(guān)系。對(duì)fecral系合金，tg 1000c時(shí)，d = (46)d，對(duì)cr-ni系合金，tg 950c時(shí)，d = (56)d。 電熱元件的螺旋柱尺寸，亦可根據(jù)其在爐膛內(nèi)布置部位的尺寸確定，先選定l柱，再選定d值，然后計(jì)算h，看其是否在上述范圍內(nèi)。如不合適，再適當(dāng)調(diào)整d值，但應(yīng)注意，在確定l柱時(shí)，應(yīng)考慮到元件的熱膨脹量，對(duì)普通箱式電阻爐，每一行元件應(yīng)留3050mm膨脹空隙。 線狀元件亦可制成波紋形，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖5-16所示。對(duì)fecral元件，波紋深度h = 150250mm，對(duì)crni元件，h = 200300mm；波紋間距h 3d； =1020；l (1/41/6)h,材料工程學(xué)院