第五章_电阻炉及电热炉-2

1、第五章 电阻炉及电热炉 n概述 n电阻炉 n电热元件 n电阻炉的设计计算 n电热炉 第一节. 概述 一.电炉的特点 优点 热效率高； 炉内温度均匀，产品质量好，无烟气污染； 对环境污染小，甚至无污染； 操作方便，能控制各种气氛； 设备简单，投资省； 自动化程度高，劳动强度小； 结构简单，炉衬寿命长。 缺点电器设备复杂，电耗高。 控制其它气氛时，需通入其它气体 二.电炉的分类 按加热的方式： 电阻炉电流通过电阻体时，由于电流的热效应而产 生热量用来加热制品。 电弧炉由电弧产生热量来加热制品。 感应炉由于电磁感应作用在电阻体内产生电流，并 由电阻产生热量来加热制品。 电子束炉利用高速运动的电子能量

2、作为热源加热制品 等离子炉利用电能产生等离子体的能量来加热制品。 三. 电炉的应用 机械工业对原材料、毛坯、机械零件加热用。如 板材轧制前的坯料加热，锻件的加热。 机械零件及半成品的热处理以改善其机械性能， 如进杆淬火、回火、退火、气体渗碳、氮化等。 低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。 无机材料物理性能的检测。 实验室中进行科学研究。 一.概述 1.电加热原理： 当电流在导体（电热元件）中流过时，因为任何导 体均存在电阻，电能热能，按焦耳定律： QI2Rt (11) Q热能，J； I一电流，安培； R一电阻，欧姆； t一时间，秒。 电阻炉在结构上是使电能转换为热能的设备。 第二节. 电阻炉

3、 2.电阻炉的分类： 按热量产生的方法间接加热式、直接加热式 间接加热式在炉子内部有专用的电阻材料做发热 元件，电流通过加热元件时产生热量而加热 制品。 直接加热式 电源直接接在所需加热的材料上，使 电流直接流过所需加热的材料而使材料自 己发热达到加热效果。 工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的。 按炉体结构箱式电炉、台车式电炉、井式电炉等。 箱式电炉外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的。 安装小型电炉由于需保持工作面的一定高度， 一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支 持炉体的腿或支架。 中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量 也大，所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。 大型电炉可以在特定

4、的专用的地基上设计成无钢 性底盘的结构，而就地焊接砌砖，但这种电炉在 安装后不能吊运及移动。 图5-1 箱式电阻炉 图5-2 箱式电阻炉 炉门的升降是通过 手摇链轮来进行。 在炉门上部有一断 路装置， 当炉门 开启时， 电炉电 源即切断以保证操 作人员的安全， 图5-3 箱式电阻炉 炉门中小型电炉可用配重及手动装置来开闭 炉门关闭时，用压紧装置使炉门紧密地与门框 接触，减少漏气。 大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门。 电加热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上 布置，为了得到良好的热场，最好在炉顶上也 布置电加热元件。 大型及中型电炉可以在炉门上及后墙上适当的 布置一些电加热元件，以减少

5、炉内的温差。 井式电炉 炉壳用钢板或型 钢焊接园筒形。 内径一般最小为 600毫米。 图5-4 井式电阻炉 炉盖小型的可用手动机构开闭，大型及中型的可用 电动或液压等机构开闭。 制品的放置 放在炉膛底部制品的高度与直径比H/D：11.5； 挂方式于炉膛或炉上外部的专用吊架上 H/D：2。 控制区的设置 控制区长度一般：115倍的直径； 有时： 2倍的直径。 台车式电炉炉壳由钢板或型钢焊接而成。包括台车、 炉体、轨道、电热元件、控制系统。 台车承受制品的重量，并在轨道上运行。由金属 支架与台车衬砖或金属底板组成。台车蓄热量 影响电炉的电耗。 炉体炉壳+耐火材料。 轨道小型电炉，炉体底部与轻轨连为

6、一体，不需 基础。大型电炉，轨道安装于基础上。 电热元件可安装于台车砌体上、两侧炉墙上。 图5-5 台车式电阻炉 可控气氛箱式电炉 一般在结构上分为前室、炉膛、冷却槽。 前室由型钢及钢板焊成的密封空间。 下边与冷却槽相连，上边为设有水冷却的空气冷 却室。中间有通过工件的轨道及上下升降的料架， 由顶上的气缸来操作(可电气动或液动)。 下降时工件进入冷却槽，进行快速冷却或等温淬火、 上升时工件在上边气氛中缓冷。 炉膛炉膛由抗渗碳砌成。在前室后边，中间有一 个炉门隔开，进料出料时，炉门由上部气缸打开。 电加热器的形式 由高电阻合金板材制成；为了消除表面积炭形成 短路，加热器面涂上专用的高温绝缘釉；

7、辐射管式的，水平或垂直的插入炉膛中，管中用 大切面圆形电阻线组成金属发热器。 非金属电热元件 图5-6 可控气氛箱式电阻炉 按作业方式可分为周期式及连续式二个型式 周期式箱式电炉、台车式电炉、井式电炉。 连续式推杆式、传送带式。 推杆式由三个部分组成：炉体、轨道、推料机。 炉体壳体+耐火材料砌筑而成。 壳体是用型钢、钢板焊成。 低温的电炉，炉顶一般是做成与下炉体可以 分开的，在炉顶上有专用的导风板及风扇。 轨道炉内的砌体上设有轨道以放置料盘及工件。 推料机机械的或液压的。 对单排轨炉每动作一次向炉内推入一盘料， 出料部分在中小型的炉中可用人工拉出的， 也可以是用机械方式出料的，各种动作由电 气

8、控制装置自动操作。 图5-7 推板式电阻炉 传送带式电炉炉体与推杆式的相似，不同的只是 炉内用一条环形的耐热钢制的传送带 来传送工件，传送速度由一台无级变 速电机及减速机或机械变速机来调节 按工作温度可分为：低温炉、中温炉、高温炉。 按加热体材料及形状可分为：钼丝炉、硅碳棒炉、 硅钼棒炉、碳粒炉、石墨碳管炉等。 图5-8 网带式电阻炉 3. 主要的技术特性 电炉有效功率电炉消耗电能=有效功率+损失功率 电阻炉消耗电能转换来的热能，一部分用于对 炉内工件的加热形成了电炉有效功率； 另一部分则形成了电炉损失功率。 加热能力指电炉的有效功率，从理论计算上在 一个小时内能把指定的材料加热到额定温度 的

9、最大重量数，以kgh计算。 升温速度升温速度快，升温时间短，生产率高， 单位制品的电耗量降低。 炉衬材料影响电炉的升温速度。 空炉损失即炉体蓄热损失。空炉损失小的电炉， 可以得到高的技术生产率及低的单位 电能消耗比。 一般工业电阻炉的效率： 小型电炉较低一些，大型电炉较高一些。 从10100千瓦的箱式电炉效率约为6585%，空炉 损失约占总功率的3515。 有金属电热元件与非金属电热元件。 一.金属电热元件 铁铬铝（FeCrAl） 1.电阻率大，电阻温度系数小。 2.使用温度高，空气中最高使用温度：10001100。 3.表面负荷比NiCr丝稍高。 4.抗氧化抗腐蚀能力好，价格低。 第三节.

10、电热元件 Cr27Al7Mo2 1最高使用温度：1400 2在氮气中使用比空气中寿命低（N2会破坏加热元件 的氧化膜） 镍铬丝（Ni15Cr60、Cr20Ni80） 1电阻率较小，高温强度高； 2. 加工性能好，高温下力学性能不发生大变化； 2最高使用温度：10001050。 纯金属：（高熔点金属：Mo,W,钽） 共同特点 电阻系数大，熔点高，抗氧化差（一般不适宜 用在空气状态中）。 加热时，功率不稳定，一定要配磁性调压器或 可控硅加调压器，加热器电压应该小于100伏 。 1钼丝（Mo）（熔点：2630） a.高温状态下：强度高，但脆性大，所以加工性能差， 常用直径2mm，常制成丝状、带状或棒

11、状。 b.在高温下，与任何耐火材料都能反应，所以耐火材料 必须选择纯度较高的。 钼的再结晶温度1007，超过此温度，强度会变低， 脆性增加； c.常用温度：1600 ；在1800 时，钼会强烈挥发， 晶粒粗大，脆性增加。 d.蒸汽压较大，在空气中不能用，在渗碳气氛中，会使 钼变脆； 2钨（W）（熔点：3410） a.最高使用温度：2500； b.常用温度：22002400； c.在保护气氛中号称可用到：3000； d.在2400，真空状态中会强烈挥发； e.在氩气中可用到2600； f.钨丝加工性能差，加工时温度要小于600。 3钽（熔点：2900） a.一般用在真空和保护气氛中（氮气中不能用

12、）； b.最高使用温度：2200； c.常用温度：20002100； d.不能在氮气和氢气中使用； e.在空气中400开始氧化，600强烈氧化； f.加工性能好，用真空电子束焊接。 二.非金属电热元件简介 硅碳棒（SiC-94.4%，SiO2-3.6%，其余Al、Fe、CaO） 空气中使用温度：6001500 1物理性能硬度高，脆性大，耐急冷急热高温 变形小。 2化学性能具有良好的化学稳定性，酸对其无作用， 但碱和碱土金属氧化物在一定温度条件下对其 有侵蚀作用。高温下，水蒸气、氢气、卤素、 硫等对其也有氧化和侵蚀作用。 气氛影响其使用性能。 气氛影响： A有水蒸气会有影响； B在氢气中使用，温

13、度应小于1200； C在氨气中使用，500600时，NH3中分解出的元素 会与之反应 ；当1350时会产生SiN，影响寿命； D在氮气，氢气混合气中使用时，温度应小于1250； F在硫磺蒸汽中，当1200时会产生SO2,SO3会腐蚀 SiC，故应小于1200 。 G在CO中，会产生游离碳，与碳化硅反应，使电流增 大，烧坏变压器 3.电阻特性电阻系数大，在800或900时电阻 率最低 。随温度的升高，电阻呈非线形变化。 发热部温度发热部温度 发热部温度， 欧 mm2/m 粗端式（GC）硅碳棒 d 发热部直径； L 硅碳棒全长； l1 喷铝部分长度； D 粗端部直径 ； l 发热部长度； L1 粗

14、端部分长度。 l1 4.形状可制成“u”型、直棒型。 等直径（GD）硅碳棒 l1 喷铝部分长度； l 发热部分长度； L硅碳棒全长； d 硅碳棒直径； L1 冷端部长度 槽型硅碳棒（型） d 槽型棒直径； E 中心距； l 发热部长度； L1 冷端部长度； l1 喷铝部分长度 5.表面负荷 硅碳棒使用温度与额定表面负荷关系 炉温（）1100 1200 1300 1350 1400 1450 元件发热部 表面负荷 （W/cm2） GC型 20171285 GD型 17139754 6.安装与使用 安装前要进行配组，每组硅碳棒阻值偏差不得超 过10%（由于每根的电阻都不一样，为保证炉温及棒承受 负

15、荷均匀）。 配电压器（为使电流三相平衡）（电压器容量为工作 电压的3倍）。 硅碳棒在炉膛内不可固定过紧，能使其自由的热胀 冷缩。 硅碳棒的炉内不能和粘土质、耐火材料接触，特别 是内端要有一定的间隙，可填以耐火纤维，否则在高 温下，会分解棒体。 4、电炉在开始通电运行时，要逐渐缓慢升压，不可 一次加满负荷，否则会因电流过大，而造成硅碳 棒损坏。 5、及时更换新硅碳棒：长期使用，个别棒因损坏而 需要更换时，要根据电阻增长情况，选配换上新 棒电阻值。若炉内棒损坏较多，或阻值增长过大， 应全部更换新硅碳棒。 7.硅碳棒的老化在高温下 ，空气中的O2、CO2、 H2O汽使其氧化，生成SiO2薄膜，使其电

16、阻增大， 当硅碳棒冷却时，这层薄膜脱落而暴露出新的 SiC表面，继续加热时，又继续被氧化，这样经过 多次加热，硅碳棒的电阻越来越大，以致最终 不能使用。 硅钼棒（MoSi2）（主要用于实验室电炉） 1物理性能室温时，强度高，脆性大，到1350时， 开始软化。耐热冲击性好。 2化学性能 400800时会产生低温氧化。高温下 耐氧化，耐高温（12001650）。 气氛适用于空气、氮气、惰性气体中，但不适用 于还原性气氛中，1350时，应尽量避开含硫和氯 气氛。在弱氧化气氛中，寿命最长。 所配耐火材料为酸性或中性材料 元件在不同气氛下使用温度的影响 3电阻特性电阻率随温度的升高几乎以直线 关系迅速上

17、升。在正常情况下，元件 电阻一般不随使用时间的长短而变化， 所以新旧元件可以混合使用。 4.形状可制成棒状，U型、W型、U型直角等形状。 如下图所示 d1 热端直径； D 中心距； L1 发热部长度； L2 冷端部长度； d2 冷端直径； l 喷铝部分长度 W型硅钼棒 U型硅钼棒 L1 L1 L2 L2 d1 d1 d2 d2 l l 5.安装与使用U型棒最好是垂直悬挂安装，若需水平 安装，应选用高温耐火材料支撑，把硅钼棒水 平放置。元件圆锥部分一定要延伸到炉膛内，硅钼棒 夹具不能一次拧的太紧，待元件升到高温时，再次拧 紧，这样元件不易折断。 碳系电热元件（石墨管、石墨棒、石墨布） 1一般使用

18、于真空油淬炉（1400）、气淬炉 （1350）、碳管炉中； 2石墨（熔点：3600）常用14002500； 3耐高温，加工性能好，价格低；使用寿命主要决定于 其氧化、挥发的速度； 4在保护气氛中（氢气、氮气、二氧化碳、氩气）， 最高温度可达3000； 5石墨的导电性能：随着温度升高而降低； 6耐温度急变性好。 电热辐射管 1传热速度慢，表面负荷应取小一些。辐射管内、 外温差：120140。 2表面负荷的选取： 密封箱式炉：1.5W/cm2 ； 连续炉：1.31.5W/cm2； 周期式炉：2.02W/cm2； 连续式渗碳炉：1.41.97W/cm2。 3辐射管材质的选择：必须耐热性好、耐腐蚀、化学 稳定性好，抗热掁性好，抗疲劳。 三.电阻炉电热元件的选用 1.选择电热元件的基本要点 根据温度选择 （加热元件温度=炉膛温度+100200） 一般炉温1000，选用NiCr、FeCrAl； 炉温在10001