1、长春工业大学教案【教学单元首页】第 7-12 次课 授课学时 10 教案完成时间：2012/9/1章、节第三章热处理电阻炉设计；4.1 电阻炉的基本特点；4.2 筑炉材料；4.3 电阻炉结构设计；4.4 电阻炉功率计算；4.5电阻炉的功率分配和电热元件接线；4.6 电热元件的计算及材料选用；4.7 电热元件的安装；4.8 热处理电阻炉的经济技术指标主要内容1.箱式电阻炉；井式电阻炉；耐火材料；保温材料；炉用金属材料。2.收集设计原始资料和确定炉型；炉膛设计；炉体结构设计；热平衡计算法；经验计算法。3.功率分配；供电电压和接线方法；电热元件材料性能要求；常用电热元件材料及特点；电热元件表面负荷；
2、电热元件的计算。4.安装方式；电热元件引出与焊接；性能试验；电阻炉的技术规范。目的与要求目的：了解常用筑炉材料和电阻炉的分类、结构特点，学习热处理电阻炉设计一般流程和方法、电热元件选材和设计计算等，为合理选择热处理设备和从事热处理设备设计工作打下必要的基础。要求：了解筑炉材料性能，掌握中温箱式电阻炉和井式气体渗碳炉的结构特点及用途；掌握热处理电阻炉设计的一般流程和方法；掌握电热元件选材和设计计算方法。重点与难点重点：中温箱式电阻炉和井式气体渗碳炉的结构、特点用途；电阻炉结构设计和功率计算；电热元件的设计计算。难点：炉体结构设计；电热元件的设计计算。教学方法与手板书和多媒体教学结合。段第四章 热
3、处理电阻炉设计4.1 电阻炉的基本特点热处理电阻炉是以电为能源，通过炉内电热元件将电能转化为热能而加热工件的炉子。按照电阻炉结构特点可分为箱式电阻炉、井式电阻炉、台车式炉等。这里我们主要介绍一般企业均有的箱式电阻炉和井式电子炉的类型和特点。一.箱式电阻炉1.箱式电阻炉的分类和命名按工作温度不同，箱式电阻炉可分为高温箱式电阻炉（1000） 、中温箱式电阻炉（650-1000）和低温箱式电阻炉三类。一般企业的箱式电阻炉通常均是中温箱式电阻炉。因而这里仅介绍中温箱式电阻炉。箱式电阻炉型号和命名方式为：RX+设计序号+功率（KW）+最高工作温度/100，如 RX2-45-9 中，R 表示是电阻炉，X
4、表示是箱式，2 为设计序号，45 表示箱式电阻炉的额定功率为 45KW，9 表示箱式电阻炉的最高工作温度为 950。2.中温箱式电阻炉用途及结构中温箱式电阻炉在企业主要用于工件的退火、正火、淬火（一般主要用于调质处理的淬火） 、回火和固体渗碳（目前固体渗碳已很少用，只在一些特殊情况下使用，如油嘴的渗碳）等。中温箱式电阻炉炉体主要由炉壳、炉衬、加热元件等组成。炉壳一般由角钢和钢板焊接而成。炉衬：标准炉一般均是由耐火层和保温层两层结构。耐火层一般用体积密度大于 1.0g/cm3的轻质耐火粘土砖砌筑，保温层则用保温砖砌筑骨架，摇手柄平衡砝码炉门电热元件和搁砖耐火砖角钢A3 钢板热电偶装料平台平台支撑
5、板观察孔导轨摇手柄然后填充蛭石粉、膨胀珍珠岩粉等组成。非标准炉当炉温较低时如 750-800使用的炉子，也有采用轻质粘土砖+普通硅酸铝纤维毡组成。加热元件：通常是铁铬铝或镍铬合金丝绕成的螺旋体，布置在炉膛两侧和炉底搁砖上。炉底通常覆盖耐热钢板，也有使用普通钢板的。*二.井式电阻炉：1.特点和分类特点：1）外形为圆型；2）一般置于地坑中；3）炉温通常分区控制；4）适用于细长工件热处理。井式回火炉分类：按工作温度和工作性质分为高、中、低温井式电阻炉和井式气体渗碳炉、井式气体 C-N 共渗炉、井式气体 N-C 共渗炉、气体氮化炉等。其中井式气体渗碳炉应用最多，故这里仅介绍井式气体渗碳炉。2.井式气体
6、渗碳炉用途：广泛用于机械零件的表面渗碳处理。构成：主要由炉壳、炉衬、炉盖、提升机构、风扇、炉罐、滴注器、电风扇温度控制及碳势控制装置等组成。炉壳由钢板焊接而成。炉衬一般是耐火层+保温层两层结构。炉罐过去用铬锰氮钢铸造而成，现在一般用耐热钢板焊接而成。炉盖上有电机、风扇、滴液管、排气管、试样孔等组成。3.2 筑炉材料筑炉材料主要包括耐火材料、保温材料、炉用金属材料等。一.耐火材料耐火材料是能抵抗高温并承受高温下产生的物理、化学作用的材料的统称。耐火材料性能包括物理性能如体积密度、气孔率、热膨胀性、导热性等和工作性能如耐火度、高温结构强度、耐急冷急热性能等。1.耐火材料工作性能1）耐火度：耐火度指
7、耐火材料抵抗高温作用的性能，用耐火材料受热后软化到一定程度时的温度表征。耐火度测定：将一定尺寸的三角形锥体，在规定的加热条件下加热，当试锥顶部因受温度及本身重量影响弯到刚接触底平面时的温度称为该材料的耐火度。按耐火度不同，耐火材料分为：普通耐火材料：耐火度在 1580-1770；高级耐火材料：耐火度在 1770-2000；特级耐火材料：耐火度在 2000以上。2）高温结构强度：高温结构强度用荷重软化点评价，即在一定压力（196KPa，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%）时的温度和试样变形达 4%、40%的温度，前者叫荷重软化开始点，后者叫荷重软化 4%或
8、 40%软化点。耐火材料的高温结构强度主要取决于化学成分和体积密度。耐火材料的使用温度必须低于其荷重软化点。3）高温化学稳定性：高温化学稳定性指耐火材料在高温下抵抗熔渣、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。高温化学稳定性常用抗渣性来评定，它取决于组成物的化学性质及其物理结构，目前多数仅以定性指标表示。例如无罐气体渗碳炉耐火砖用三氧化二铁含量小于 1%的抗渗碳砖。4）耐急冷急热性能（热震稳定性）：耐急冷急热性能指材料抵抗温度急剧变化而不发生破坏的性能。测定方法：将耐火制品加热到 850，然后放入流动冷却水中冷却，反复进行该过程，直到其破碎或剥落重量损失达到 20%时的次数。耐
9、急冷急热性能与制品的物理性能、形状和大小等因素有关。5）高温体积稳定性：高温体积稳定性：指高温下长期使用时，化学成分发生变化，产生再结晶和进一步烧结，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。2.常用耐火材料1）耐火粘土砖：最常用的耐火材料，主要用于炉顶、炉底、炉侧墙等耐火层。2）高铝砖：主要用于高温热处理炉耐火层、电阻丝或电阻带搁砖、热电偶导管、马弗炉炉芯等。3）轻质砖与超轻质砖：主要用于炉墙和炉顶。4）耐火纤维：主要用于低温炉的保温材料。分晶质和非晶质耐火纤维两种。非晶质耐火纤维：分普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、含铬硅酸铝纤维和高铝纤维四种。其中普通硅酸铝纤维
10、是应用最广泛的耐火纤维，常制成各种厚度的纤维毡。晶质耐火纤维：主要有多晶莫来石纤维和多晶氧化铝纤维两种。二.保温材料1.保温材料特点：体积密度小；气孔率高；热容量小；热导率小等。2.常用保温材料：硅藻土、蛭石、矿渣棉、石棉、高温轻质珍珠岩等。三.炉用金属材料1.炉外用金属材料：主要用于炉子外壳和构架，如 Q235A 钢板、角钢、槽钢、工字钢等。2.炉用耐火钢：用作炉底板、炉罐、坩埚、辐射管、导轨、料框、炉辊、传送带、夹具、紧固件、电热元件及其引出棒等。我国早期均采用 3Cr18Ni25Si2 和1Cr25Ni20Si2。60 年代后期采用铬锰氮和铬锰氮硅钢。近年来开始使用含镍少的 3Cr24N
11、i7SiN 和 3Cr24Ni7SiNRe。4.3 电阻炉结构设计一.收集设计原始资料和确定炉型包括：1）炉子的生产任务（公斤或件/小时或年）及作业制度（一版、二班还是连续生产） ；2）加热工件的材料、形状、尺寸和重量；3）工件的热处理规程和质量要求；4）电源及车间厂房等条件；5）炉子的制造维修能力及投资金额等。根据收集的资料，首先进行初步设计，确定炉型，最好能有几套方案，广泛征求有关人员意见，反复进行技术、经济性比较论证，确定最佳炉型。炉型确定以后，接下来的工作就是炉膛和炉体的结构设计。*二.炉膛设计炉膛尺寸主要根据工件形状、尺寸、技术要求、装卸料方式、操作方法和生产率等来确定。对于箱式电阻
12、炉，炉膛尺寸包括炉膛有效尺寸（指装载工件的炉底板宽度 B 效 和长度 L 效 以及堆放工件的有效高度 H 效 ）和炉膛砌砖体内腔尺寸 BLH 两部分。 1.炉底面积炉底面积确定有两种方法：方法一：对于生产批量不大、工件尺寸较大且形状特殊者常采用实际排料法，此时有：L=L 效 +(0.2-0.3）m；B=B 效 +(0.2-0.3）m方法二：对于工件加热周期和装炉量不明确情况如通用炉设计，此时常采用加热能力指标法进行设计。假设：1）炉底单位面积生产率为 p0（单位时间内单位炉底面积所能加热金属重量） ；2）炉底有效面积为 F1，总面积为 F，且 F1=（0.7-0.85）F；3）炉子 生产率为
13、p，F 1=p/p0；则： ，B=（1/22/3）L。求出 B、L 后，与标准系列炉尺寸进行比较后确定实际炉底尺寸，以便选用标准尺寸炉底板。2.炉膛高度：炉膛高度指炉底面至炉顶拱角距离。炉膛高度常决定于装料高度和电热元件安装位置，一般装料上方应保持 200-300mm 的空间。根据统计资料，炉膛高度与宽度之比多数在 0.5-0.9 之间，一般取0.8 左右。中高温炉以辐射为主，炉膛应高些，而低温炉以对流为主，炉膛应低些。在决定炉膛砌砖体内腔高度时，必须考虑炉内侧壁安装搁砖层数，标准搁砖每层高度 67mm（包括灰缝） 。三.炉体结构设计炉体包括炉墙、炉底、炉顶和炉门。1.炉底炉底起保持炉内热量和
14、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，在格子内填充保温材料散料，再在上面平铺 1-2 层保温砖，接着铺一层轻质粘土砖，上面安置支撑炉底板或导轨的重质粘土砖和电热元件搁砖。2.炉墙炉墙主要为砌体，外部包炉壳钢板。中低温炉炉墙一般分两层，内层耐火层常用轻质粘土砖砌筑，外层为保温层，由保温材料构成。高温炉炉墙常采用三层，内层用重质砖或高铝砖砌成，中间为过渡层，一般用轻质砖砌筑，外层为保温层。有的低温炉采用双层钢板内填保温材料的结构。因为炉墙通常采用标准砖砌筑，因此炉膛尺寸应为标准砖尺寸（23011365mm）加砖缝尺寸（一般 2mm）的倍数，最常见的炉墙由内向外各层厚度：中温炉是 113mm 轻质粘土砖+230mm 保温砖，高温炉是113mm 轻质高铝砖+113mm 轻质粘土砖+230mm 保温砖。
