1、23:47:23,1,热处理设备,北华航天工业学院 金属材料工程教研室,23:47:23,2,教材与教参,1.使用教材 热处理炉，吉泽升等编，哈尔滨工程大学出版社，1999.12.主要参考书 热处理手册 第三卷 热处理设备和工辅材料 （第四版)，中国机械工程学会热处理学会编，机械工业出版社，2008.1新编热处理设备选型设计实用手册，徐宝亮编，中国知识出版社，2005.11热处理炉（第1版），曾祥模编，西北工业大学出版社，1996.7,23:47:23,3,（一）对热处理常用设备有一个概括的了解，掌握热处理炉传热的基本方式、一般条件及炉内综合传热与应用。（二）掌握常用热处理设备的结构特点、工作
2、原理与用途。（三）掌握一般结构简单的热处理炉的设计内容与方法。（四）了解热处理炉节能与改造方面的有关知识及炉温仪表、热控制 。,热处理设备是金属材料工程专业的一门应用性较强的必修专业课，考试课。,使学生掌握有关热处理设备的知识，同时也培养学生设计、选择和应用热处理设备的能力。,本课程的性质：,本课程的任务：,通过对本课程的学习达到的要求：,本课程的重要性：,热处理设备指用于实施热处理工艺的装备，随着科技的发展，在冶金、机械、航空、航天、船舶等工业生产中，需要进行热处理的零件和工具日益增多，热处理炉是实现热处理工艺的主要设备，没有先进的热处理炉就不能实现先进的热处理工艺，热处理工艺的现代化，实质
3、是热处理设备（主要是热处理炉）的现代化。,23:47:23,4,这些产品都需要进行热处理,23:47:23,5,课程特点,基础性 综合性 实践性 发展性,23:47:23,6,课程安排,总学时：46 理论教学时间：01-15周 周学时：3 试验：4学时 考核形式：考试 考试时间：20周,23:47:23,7,对大家提几点要求,重视课堂教学按时上课，做好笔记课堂保持安静,23:47:23,8,1.1热处理设备在材料工程中的地位与作用,热处理是提高机械零件质量和延长使用寿命的关键工序， 也是充分发挥金属材料潜力、 节约材料的有效途径。正确地选择材料， 合理地进行热处理， 不仅可以充分减少废品， 而
4、且可以显著提高机器零件和模具使用寿命。而任何一种热处理工艺，只有通过相应的设备才能得以实现。 热处理炉是实现金属热处理工艺的主要要设备，没有先进的热处理炉就不能实现先进的热处理工艺，要实现热处理技术的现代化，需要靠热处理设备的现代化来保证。即热处理设备的先进与否更是决定热处理工艺的重要因素。,第一章热处理设备概述,23:47:23,9,1.2热处理设备的发展概况,现代热处理设备包括：大型连续生产线，密封箱式多用炉生产线，真空及无人化感应加热设备国外: (1)以电能为热源的增多，油和煤气炉比例逐渐减少 (2)对产品表面质量的要求更为严格，可控气氛热处理炉和真空炉占重要地位 (3)炉衬趋向轻质材料
5、，在电阻炉上应用非金属炉用耐热构件和发热元件的比例逐渐增加 (4)微机和PLC的发展加速了热处理自动化，并有与其它工序组成全自动热处理线的趋势。我国热处理技术比较落后，体现在装备水平的落后上，大多为5070年代的仿苏产品，周期式炉多，连续式炉少，效率低，能耗大，空气炉多，气氛炉少，工件氧化脱碳严重，质量不易保证，自动化程度低，人为因素影响大，质量不稳定，盐浴炉比重相当大，劳动条件差，污染严重，一半以上的设备超过三十年，且年久失修，热效率低，散热严重，成本高。相对于先进工业国家仍有相当大的差距,23:47:23,10,可控气氛多用炉生产线,箱式可控回火炉,箱式可控气氛多用炉,网带式可控气氛多用炉
6、,高温型可控气氛多用炉,多用炉生产线由加热炉、清洗机、回火炉、推拉车、准备台、完成台、中继台、电控柜、滴注灌、深冷炉等设备根据用户需要及产量需求可布置成各种不同组合的生产线,23:47:23,11,生产设备与世界先进水平有20-30年之差距。专业化热处理工厂数目与美国相比相差35倍，生产效率比美国低26倍、设备利用率仅为30%，电耗却高于美国的40%，其电耗平均每吨比日本和欧美要多23倍。热处理带来的环境污染问题十分严重，据不完全统计我国热处理业每年约有 5000吨淬火油因蒸发或局部燃烧造成CH化合物、CO及烟尘；有约9000吨废淬火油因排放不当而污染水质；每年盐浴炉生成盐蒸汽7000吨以上；
7、有害废渣约10000吨；燃煤炉窑排放SO2约1.5万吨，灰分约8.5万吨；喷砂处理中产生的SiO2等有害粉尘10000吨，严重污染了环境。由于生产设备和规模的落后，我国热处理生产耗能巨大而利润并不高约为美国的1/30，年营业额约为美国的1/25。,1.2热处理设备的发展概况,23:47:24,12,1.2热处理设备的发展,1.改进炉膛结构，合理布置加热元件，以改善加热质量2.采用新型炉体材料，提高加热效率3.提高自动化程度，采用连续式炉或联合机，以稳定产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件4.拓宽真空技术的应用领域，进行无氧加热，提高产品质量,优质（设备优良、工艺先进、管理科学化）、高效（ 设
8、备、管理）、低耗（设备、 工艺、 管理）、清洁（劳动环境 、自然环境）、灵活（协作生产）,23:47:24,13,完成各种辅助工序(如酸洗、清洗、清理、校直、检验)、生产操作、动力供应所用的设备。热处理车间常用的辅助设备有清洗槽(机)、喷砂机、校直机、泵、鼓风机、各种动力管道以及起重运输设备等。,1.3 热处理设备的分类,主要设备：,完成主要热处理工序(加热和冷却)所用的设备，包括各种加热设备(加热炉与加热装置)和冷却没备(冷却室、淬火槽、淬火机等)。,辅助设备：,主要设备,辅助设备,23:47:24,14,1.3.1主要设备1.热处理炉：有炉膛的加热设备：箱式炉、井式、台车、真空炉2.加热装
9、置：热源直接对工件加热的装置：高频、中频、火焰加热3.表面改性装置：气相沉积多弧镀膜机、离子注入机,4.表面氧化装置；发蓝槽、发黑槽5.表面机械强化装置：抛（喷）丸机、辊压机6.淬火冷却设备：冷却水、油槽、缓冷罐、喷淬器、压力淬火机7.冷处理设备：冷冻机、液氮、干冰冷却装置8工艺参数测控仪表：测控温度、碳氮势、压力、流量,碳控仪,感应加热表面淬火机床,23:47:24,15,1.3.2热处理辅助设备1.清洗机、清理装置：对热处理前后工件进行清洗的冷热水槽、喷砂机、超声清洗机、脱脂炉 、酸洗槽、滚筒2.炉气氛制备装置：吸、放热式发生器，氨分解器、制氮机3.淬火介质循环装置：储液槽、过滤器、输送泵
10、、冷却器、冷水机4.起重运输设备：天车、起重机、运输车、传送链5.动力输送管路及辅助设备：管路、风机泵、储气（液）罐6.防火、除尘等安全设备：防火喷雾器、抽风机、废气反应槽另外，还需校正设备、各种工具、夹具,23:47:24,16,1.4 热处理炉的分类,23:47:24,17,23:47:25,18,井式电阻炉,23:47:25,19,23:47:25,20,23:47:25,21,连续式热处理炉,23:47:25,22,启动电阻,启动电阻,23:47:25,23,23:47:25,24,23:47:25,25,23:47:25,26,传热或换热： 热量从一物体传向另一物体或由同一物体的某一
11、部分 传向另一部分的过程。 条件：物体间或同一物体内部只有存在温度差时，才会发生热量的传递。热处理炉内进行的热传递过程是由传导、对流、辐射三种基本传热形式组成的综合传热过程。,1.5 热处理炉的传热原理,23:47:25,27,物体间通过辐射进行的热能传递过程，称为辐射传热。 特点：辐射不需任何介质，传热过程中伴随着能量的转化，即从热能到辐射能以及从辐射能又转化为热能。,温度不同的接触物体间或一物体中各部分之间热能的传递过程，称为传导传热。,流体质点发生位移和相互混合而发生的热量传递，叫对流传热。特点：传热过程中，既有流体质点的导热作用，又有流体质点位移产生的对流作用。,一、传热的基本形式,1
12、.传导传热,2.对流传热,3.辐射传热,流体中有相对位移和混合，或流体与固体表面接触，如：浴、回火炉,无宏观的质点的移动，液体中：分子振动；气体中：分子、原子扩散；金属中：自由电子的运动,辐射能电磁波热能（中、高温炉）,23:47:25,28,用来描述物体中温度的分布情况，是空间坐标和时间坐标的函数,即,式中：x，y，z，该点的空间坐标; 时间坐标。,二、温度场与温度梯度,1.温度场,若物体的温度沿x、y、z三个方向都有变化，称三向温度场；,23:47:25,29,单向温度场：物体温度只在一个方向上有变化，即：,如长时间恒温状态下炉壁的传热。不稳定态温度场：物体各点的温度随时间的变化而变化，如
13、升温状态下炉壁的传热。,稳定温度场：物体各点温度不随时间变化。这时温度分布函数简化为：,t = f (x，) （-）,23:47:25,30,在温度场内，物体(或体系内)相邻两等温面间的温度差t与两等温面法线方向的距离n的比例极限，称为温度梯度。用下式来表示:,温度梯度是表示温度变化的一个向量，其数值等于在和等温面相垂直的单位距离上温度变化值，并规定由低到高为正，由高到低为负。,2温度梯度,23:47:25,31,热流：Q 单位时间内由高温物体传给低温物体的热量叫热流或热流量，用表示， Q= t F （W）。 热流密度：q 单位时间内通过单位传热面积的热流，称为热流密度，用q表示，单位为w/m
14、2，即：,热流、热流密度都为向量，其方向与温度梯度方向相反 。,三、热流和热流密度,23:47:25,32,对于均匀的、各向同性的固体，单位时间通过单位面积的热量，与垂直该截面方向的温度梯度成正比。,式中:沿n方向的热流量(W); q热流密度(w/ m2 ); F与热流方向垂直的传热面积(m2); 比例系数，称为热导率W/(m ); 温度梯度(/m)。负号表示热流方向与温度梯度方向相反（16）式为导热基本方程式，即傅立叶定律。,1.5.1 传导传热,一、传导传热的基本方程式,23:47:25,33,热导率是反映物体导热能力大小的参数。其物理意义为在单位时间内，每米长温度降低1时，单位面积能传递
15、的热流量，用表示，单位为W/(m )。 金属的导热系数与金属的纯度和温度有关，杂质愈多，导热系数也随之降低。纯铁比碳钢导热系数大，碳钢又比合金钢的导热系数大(合金钢加热时保温时间长的原因)。,二、热导率（也叫导热系数）,23:47:25,34,即： t =0 + bt W/(m )（）式中: t t时材料的热导率; 0 0时材料的热导率; b材料的热导率温度系数，因材料而异。可查表得到。实际计算中，一般取物体算术平均温度下的热导率代表物体热导率的平均值。,温度升高时大多数金属的导热系数降低。材料的热导率与温度的变化呈线性关系。,23:47:25,35,在平壁内取一单元薄层，其厚度为d x,两侧
16、的温度差为t,则通过此单元层的热流密度为:,1单层平壁炉墙的导热,图1-1所示 单层平壁炉墙的壁厚为S，材料的导热系数为，平壁两侧表面温度各为t1与t2，且t1t2，并保持恒定，平壁温度只沿垂直于平壁面的x轴方向发生变化，所有等温面都是平面,且垂直于x轴,（属于单向稳定态导热）。,三、平壁炉墙的导热,23:47:25,36,由上式可知，在单位时间内通过单位平壁面积所传递的热量是与导热系数及两表面的温度差成正比，而与平壁厚度s成反比。,23:47:25,37,若平壁炉墙的面积为F，而且内外表面积相等，则在1小时内通过F面积所传导的热流量Q为：,在1-8式中，S/为单位面积的平壁热阻，1-9式中S
17、/(F)是面积为F的平壁热阻。由此可见，热流量与温度差(t1-t2 )成正比，与热阻S/(F)成反比。(与欧姆定律类似) 实际的平壁炉墙(如箱式炉炉墙)面积并非很大，而且其内外表面积也不相等，因而它的导热面积是变化的。这时上式中的导热面积应该用平均面积代替，可按如下方法近似计算。,23:47:25,38,一般热处理炉的炉墙，大多为两层或三层不同材料砌成的(图1-2)，设炉墙界面温度依次为t1,t2,t3,t4( t1t2t3t4)，各层厚度为S1、S2、S3，若各层间紧密接触，各层的热导率用1、2、3表示。,2多层平壁炉墙的稳定导热,23:47:25,39,在稳定态导热时，通过平壁炉墙各层的热
18、流或热流密度应相等。根据前面公式可分别写出通过各层的热流密度：,由上述三个方程，可求出三个未知量q，t2，和t3。由于是温度的函数，由式（a）-（c）经运算得通过三层炉墙的q为,t1,t2,t3,t4( t1t2t3t4),1、2、3,因为q1=q2=q3=q，,23:47:25,40,同理，n 层平壁炉墙的导热公式,23:47:26,41,若多层炉墙的总热阻已知，则各层间的界面温度可由下式求得：,23:47:26,42,在求界面温度时，必须根据经验先假设一界面温度，然后根据假设温度算出各层的值及总热阻，再代人上式求出界面温度。,如果计算的界面温度和假设的界面温度相差较小 (5%)即可采用。如
19、果相差大于5%，应重新假设，再进行计算，直到误差小于5 %为止。 如果多层平壁炉墙各层面积相等时(均为F），其传热量公式为:,23:47:26,43,若各层面积不等，其传热量计算公式为:,式中F1、F2Fn分别为各层的平均面积。若多层平壁各层分界面的表面积分别f1、f2 、f 3和fn+1时， 则各层的平均面积可采用算术平均值或几何平均值。,23:47:26,44,四、圆筒炉墙的导热 1.单层圆筒壁炉墙的导热 设有一井式加热炉，高度为L，内外半径分别为r1和r2，内外表面温度为t1和t2，导热系数为。在r1与r2之间的任意处r取一薄层，厚度为d r,其两侧温度差为dt,该层面积为2rL(图1-
20、3)。根据导热方程式在单位时间内通过此薄层所传导的热量为:,23:47:26,45,从上式看出，圆筒壁的导热量与炉墙材料的导热系数、圆筒壁的高度和温度差成正比，而与内外半径比值的自然对数成反比。如果是常数，则沿炉壁内部的温度变化呈对数曲线，这点与平壁导热不同。 另外，如果r2/r12,可将圆筒展开当作平壁进行计算，这时内外半径可按算术平均值计算，即(r1+ r2)/2，内外圆筒壁的表面积的平均值为:,用算术平均值计算的F均,求出的值稍大些，但不超过4 % 。为了便于与传热一般方程和平壁炉墙的导热公式进行比较，上式可改写成,23:47:26,46,式中，F=（F2一F1)/ln 它是圆筒炉墙的对
21、数平均面积，其中F2 、F1，分别为内外表面积，S为单层圆筒炉墙的厚度。这时圆筒炉墙内的温度分布按对数规律变化。 考虑到实际炉墙的热导率随温度呈线性变化，这时上式中也可用热导率平均值代入。（均 =0+bt 均） 由此可见，圆筒炉墙和平壁炉墙传导传热热流量的计算公式在形式上完全相同。,23:47:26,47,对于由n层组成的多层圆筒炉墙，若已知其内外表面的恒定温度分别为t1和t n+1，（t1tn+1)，各层的内外半径以及各层的材料和圆筒炉墙的高度L也已知，并假定各层间紧密接触，求通过n层圆筒炉墙的导热热流及各交界面温度。,这也是个单向稳定态导热问题，多层圆筒壁炉墙的导热根据单层圆筒壁的导热公式
22、推演方法，可求出多层圆筒壁的导热公式为:,2.多层圆筒炉墙的稳定导热,23:47:26,48,如果圆筒炉墙各层的内外高度不等，则热流量用下式计算,式中，Si /i Fi为第i层圆筒炉墙的热阻，其计算方法与单层圆筒炉墙相同。由此可见，和多层平壁炉墙一样，多层圆筒炉墙的总热阻等于各层炉墙热阻之和。各层的界面温度按式(1一14)计算，但这时公式中各层的热阻为圆筒炉墙各层的热阻。,23:47:26,49,式中L1、L2 . L n为圆筒壁各层的平均高度。圆筒壁各层的交界面温度可按下式计算:,23:47:26,50,热处理炉对流换热主要发生在炉气、盐浴炉中的熔盐、流动粒子炉中流动粒子与工件表面之间的传热
23、以及炉墙外表面与车间空气之间的传热等。,流体与固体表面之间通过对流换热所传递的热量可用牛顿公式计算：,1.5.2 对流换热,一、对流换热的计算,23:47:26,51,a对流换热系数,它表示流体与固体表面之间的温度差为1时, 每秒钟通过 1m2 面积所传递的热量。,对流换热量的计算公式即(牛顿公式)是1701年牛顿提出的，公式表明对流换热所传递的热流量与流体和固体表面间的温度差以及两者的接触面积成正比。,23:47:26,52,1.5.3 辐射换热公式,具有不同表面温度的物体之间，依靠热辐射进行的热传递过程，或者有热辐射能力的气体与包壳之间热传递过程，均称为辐射换热。,C导为该辐射系统的辐射系
24、数，它和参与辐射物体的性质、物体之间的距离、相对论位置、物体的形状等因素有关，其单位为 W/m2K4,23:47:26,53,前面分别讨论了传导、对流和辐射的基本规律及其计算方法。在实际传热过程中往往是两种或三种传热方式同时发生，所以，必须考虑它们的综合传热效果。例如工件在热处理电阻炉内加热时，电热体和炉墙内壁以辐射和对流方式先将热量传给工件表面，然后热量再由工件表面以传导方式传至工件内部，工件加热的快慢是三种传热方式综合作用的结果。,工件在热处理炉内加热时，热源与工件表面间不仅有辐射换热，而且还有对流换热。因而单位时间内炉膛传给工件表面的总热流量为：,一、对流和辐射同时存在时的传热,1.6
25、综合传热,23:47:26,54,为了便于对更复杂的传热过程进行综合计算以及对不同类型炉子的传热能力的大小进行比较，一般将它改写成传热一般方程的形式，即,23:47:26,55,综合传热系数或总换热系数W/(m2)，,，它表示炉子的传热能力。,对不同类型的炉子，辐射和对流在炉内所起的作用并不相同。例如在中、高温电阻炉和真空电阻炉内，炉膛传热以辐射换热为主，而对流换热的作用极小以致可忽略不计，辐就代表这类炉子的传热能力。在低温空气循环电阻炉以及盐浴炉内，炉膛传热以对流换热为主，而其它传热方式可忽略不计，所以a对就代表了这类炉子的传热能力。对装有风扇的中温电阻炉或燃料炉来说，对流和辐射的作用均不可
26、忽略，因而这类热处理炉传热能力的大小，应该用 值来表示。,23:47:26,56,在炉内热流通过炉墙传到周围的空气中，这一过程包括炉气以对流和辐射方式传给内壁，内壁又以传导方式传到外壁，外壁则以对流和辐射方式传给周围的空气，如图115所示。设炉壁内外表面温度分别为t1、t2 ，炉膛内空气温度和炉外空气温度分别为t、 to ，炉壁厚度为S，热导率为，则热量传递过程表示如下：,二、炉墙的综合传热,1.高温气体以辐射和对流方式传给内壁的热流密度,q1 = （ t - t1 ）（W/m2）（1-58）,2.炉壁以传导方式由内壁传到外壁的热流密度,q2=/S（t1-t2） （W/m2）（1-59）,23
27、:47:26,57,3.外壁以辐射和对流方式传给周围空气的热流密度,在稳定传热情况下，1 = 2 = 3 = ，整理式(158)、(159)和(160)得到,q3= ( t2-t0) （W/m2） (160),式中：q 炉气通过炉墙向车间空气中的散热热流密度；,一炉气对炉墙内表面的综合传热系数W/（m2）；,一炉墙外表面对空气的综合传热系数W/（m2），,23:47:26,58, 小 结 ,通过本小节的学习，对热处理设备在材料工程中的地位与作用；热处理设备的发展概况；热处理设备的分类和用途有一个概括的了解。传导传热和对流传热的基本原理、平壁炉墙和单层圆筒炉墙的导热分析与计算。要求熟悉传导传热和对流传热的基本原理和计算公式，了解平壁炉墙、圆筒炉墙导热计算方法，辐射传热和综合传热的基本知识和基本计算公式，为后面的炉子设计计算作准备。重 点：热处理设备的分类、热处理炉的分类，热处理炉综合传热的基本知识和基本计算公式,23:47:26,59,作业和思考题：,课下自学对流换热和辐射换热,23:47:26,60,谢谢大家！再见！,
