热处理电阻炉-炉体计算

1、编辑ppt1材料工程学院 金属材料系编辑ppt2 材料工程学院 金属材料系编辑ppt3电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计（从以下几个方面考虑）（从以下几个方面考虑）（1）炉子的产量：）炉子的产量： 生产量大，品种单一（连续作业炉）生产量大，品种单一（连续作业炉） 产量不大，品种多样，工艺多变（周期作业炉）产量不大，品种多样，工艺多变（周期作业炉）（2）工件特点和工艺要求：）工件特点和工艺要求： 细长轴类件细长轴类件 选择井式炉选择井式炉 中小型轴承钢球中小型轴承钢球 滚筒式炉（加热均匀、生产率高）滚筒式炉（加热均匀、生产率高） 大中型铸锻件退火、正火和回火等大中型铸锻件退火、正火和回火等 台车式

2、炉台车式炉（3）劳动条件）劳动条件（4）其它）其它 材料工程学院 金属材料系编辑ppt4电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计 主要决定于热处理件的形状、尺寸、技术要求、装料方式、操主要决定于热处理件的形状、尺寸、技术要求、装料方式、操作方法和生产率，同时还应造成炉膛内良好的热交换条件，保证炉作方法和生产率，同时还应造成炉膛内良好的热交换条件，保证炉内温度均匀性、减少热损失和便于炉子维修等内温度均匀性、减少热损失和便于炉子维修等 。( (一一) ) 炉子装裁能力、加热能力和生产率炉子装裁能力、加热能力和生产率 炉膛尺寸通常按实际排料或统计的炉子装载能力或加热能力或炉膛尺寸通常按实际排料或统计的炉子装

3、载能力或加热能力或生产率指标加以确定。生产率指标加以确定。 炉子装载能力炉子装载能力(kg/m2)：指炉子单位面积炉底上所承受的炉料量。指炉子单位面积炉底上所承受的炉料量。 此指标主要决定于炉底允许的承载能力、炉膛空间尺寸和炉子功率此指标主要决定于炉底允许的承载能力、炉膛空间尺寸和炉子功率 炉子加热能力炉子加热能力(kg/(m(kg/(m2 2 h)h)：指炉子在单位时间内单位炉底面积所能加：指炉子在单位时间内单位炉底面积所能加热的金属重量。热的金属重量。 炉子生产率炉子生产率(kg/h)：指炉子在特定工艺和特定工件的情况下的生产量指炉子在特定工艺和特定工件的情况下的生产量 材料工程学院 金属

4、材料系编辑ppt5材料工程学院 金属材料系材料工程学院 金属材料系电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计 工件与电热元件或工件与炉膛前、后壁之间应保持一定距离，一般工件与电热元件或工件与炉膛前、后壁之间应保持一定距离，一般为为0.10.15m。 常把用于布料的面积称为有效面积，它一般为炉底总面积常把用于布料的面积称为有效面积，它一般为炉底总面积A的的7085%大型炉取上限。炉底宽度大型炉取上限。炉底宽度B与长度与长度L之比一般应保持在之比一般应保持在2/3l/2范围内。范围内。 1实际排料法实际排料法Ll+(0.20.3)； Bb+(0.20.3) 式中，式中，l、b为炉底布料区的长度和宽度为炉底布

5、料区的长度和宽度(m)。 2加热能力指标加热能力指标法法 LB3221式中，式中，p为炉子生产率为炉子生产率(kg/h)0pplAe%8570eAA 3221/AL编辑ppt6电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计(三三) 炉膛高度炉膛高度 炉膛高度指炉底面至炉顶拱角的垂直距离。以辐射传热为炉膛高度指炉底面至炉顶拱角的垂直距离。以辐射传热为主的炉子，炉膛高度常比对流炉高，其目的在于增大辐射面主的炉子，炉膛高度常比对流炉高，其目的在于增大辐射面积，以强化换热过程和保证炉温均匀性。这类炉子炉膛容积积，以强化换热过程和保证炉温均匀性。这类炉子炉膛容积一般为加热件体积的一般为加热件体积的2-4倍。倍。 实际

6、上，炉膛高度常决定于装料高度和电热元件的安装位实际上，炉膛高度常决定于装料高度和电热元件的安装位置，装料上方一般应保持置，装料上方一般应保持200300mm的空间。的空间。 依统计资料，炉膛高度与宽度之比多数在依统计资料，炉膛高度与宽度之比多数在0.5-0.9范围内变范围内变动，近年来有降低炉膛高度的趋势，对上述比值常取中下限。动，近年来有降低炉膛高度的趋势，对上述比值常取中下限。 井式炉的炉膛尺寸通常按工件和夹具的实际布置情况确定。井式炉的炉膛尺寸通常按工件和夹具的实际布置情况确定。工件之间的距离一般不少于其直径或厚度，工件至电热元件工件之间的距离一般不少于其直径或厚度，工件至电热元件的距离

7、应保持的距离应保持0.1-0.2m，距炉底和炉顶各，距炉底和炉顶各0.15-0.25m。 材料工程学院 金属材料系编辑ppt7电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计 炉体结构包括炉壁，炉底，炉顶和炉门。 (一一) 炉底炉底 炉底起保持炉内热量和承载工件的作用，通常箱式电阻炉底起保持炉内热量和承载工件的作用，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，炉炉底结构是在炉底外壳钢板上用保温砖砌成方格子状，然后在格子中填充松散的保温材料，在上面平铺然后在格子中填充松散的保温材料，在上面平铺12层保层保温砖，之后再铺一层轻质粘土砖，其上安置支撑炉底板或温砖，之后再铺一层轻质粘土砖，其上安置支

8、撑炉底板或导轨的重质粘土砖和电热元件搁砖。导轨的重质粘土砖和电热元件搁砖。 材料工程学院 金属材料系编辑ppt8电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计( (二二) ) 炉壁炉壁 材料工程学院 金属材料系编辑ppt9电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计( (三三) ) 炉顶炉顶 炉顶结构形式主要有拱顶和平顶两种。热处理炉炉顶结构形式主要有拱顶和平顶两种。热处理炉大都采用拱顶。大都采用拱顶。( (四四) ) 炉门炉门 炉门部分包括炉门洞口、炉门框和炉门。炉门部分包括炉门洞口、炉门框和炉门。 炉门应保证炉子操作方便，炉口密封好炉门应保证炉子操作方便，炉口密封好( (特别是可特别是可控气氛炉控气氛炉) )和减少

9、热损失。和减少热损失。材料工程学院 金属材料系编辑ppt10电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计 炉衬炉衬(炉体砌层炉体砌层)厚度常以炉外壁面温度作为标准进行计算。厚度常以炉外壁面温度作为标准进行计算。 设炉内壁温度为设炉内壁温度为t1，外壁温度为，外壁温度为t270 C，室温，室温t020 C，则通过，则通过1m2炉壁的热流炉壁的热流密度可由式密度可由式(2-1)和附表可求得和附表可求得。 采用单层炉衬结构时，其厚度为：采用单层炉衬结构时，其厚度为： 采用双层炉衬结构时，热流密度为：采用双层炉衬结构时，热流密度为： 其中：其中： hJ/m102.32)645(W/m12.91207012622a

10、ttq材料工程学院 金属材料系q)t(t211121ttq21111111xvttbatba编辑ppt11电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计。材料工程学院 金属材料系12111111211xb)t0.5bta(q2baatq)t(t2x2222222222ttbatbaxv编辑ppt12图图 耐火层与保温层厚度的匹配关系及接触面的温度耐火层与保温层厚度的匹配关系及接触面的温度( q645W/m2)磷酸珍珠岩制品磷酸珍珠岩制品100900800700600500400300200100070300200100100200300400炉外壁温度炉外壁温度70 C炉内壁温度炉内壁温度950 C接接触触

11、面面温温度度( C)保温层厚度保温层厚度/mm粉煤灰空心微珠砖粉煤灰空心微珠砖耐火层厚度耐火层厚度/mm三级矿渣棉三级矿渣棉珍珠岩珍珠岩耐火纤维耐火纤维硅藻土硅藻土蛭石蛭石QR0.6QR0.8QR1.0QR1.3材料工程学院 金属材料系编辑ppt13材料工程学院 金属材料系电阻炉炉衬砌筑原则电阻炉炉衬砌筑原则。编辑ppt14电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计 以对流换热为主的低温炉，炉气流速和流量显著以对流换热为主的低温炉，炉气流速和流量显著影响炉内对流换热系数和温度均匀性，而气流压力则影响炉内对流换热系数和温度均匀性，而气流压力则是驱动气流循环的动力。是驱动气流循环的动力。 炉气流速和流量的计

12、算步骤是： (1) 根据工件装炉量、加热温度和时间等要求，确定所根据工件装炉量、加热温度和时间等要求，确定所需的对流换热系数需的对流换热系数 c； (2) 再由对流换热系数公式求出所需的气流速度；再由对流换热系数公式求出所需的气流速度； (3) 根据气流速度和炉膛截面积求出气体流量；根据气流速度和炉膛截面积求出气体流量； (4) 根据炉温均匀性的要求核算所计算的气体流量是否根据炉温均匀性的要求核算所计算的气体流量是否满足要求。满足要求。 材料工程学院 金属材料系编辑ppt15电阻炉的结构设计电阻炉的结构设计ttttAMcxinxcln材料工程学院 金属材料系0.78207.14cvvfqvgt

13、cqQgcgL编辑ppt16材料工程学院 金属材料系电阻炉的功率计算电阻炉的功率计算 工件吸收的热量工件吸收的热量Q件件 炉壁散失的热量炉壁散失的热量Q散散 砌体蓄热量砌体蓄热量Q蓄蓄 炉内气体外溢的热损失炉内气体外溢的热损失Q溢溢对外辐射的热损失对外辐射的热损失Q辐辐 可控气体的热损失可控气体的热损失Q控控 金属构件直接伸出炉外金属构件直接伸出炉外的短路损失的短路损失Q短短辅助构件热损失辅助构件热损失Q辅辅 电能消耗电能消耗Q供供 其它热损失其它热损失Q它它 编辑ppt17电阻炉的功率计算电阻炉的功率计算电阻炉主要支出项目的计算方法如下：电阻炉主要支出项目的计算方法如下： 1加热工件所需热量

14、加热工件所需热量Q件件式中，式中，P件件为炉子的生产率为炉子的生产率(kg/h)；t1、t2为工件加热的初始和终了温度为工件加热的初始和终了温度( C)，c1、c2为工件在为工件在t1和和t2时的比热容时的比热容(kJ/kg C) 。若以加热阶段作为热平衡计算时间单位时，若以加热阶段作为热平衡计算时间单位时，Q件应为，件应为， 式中，式中，G装装为一次装炉料重量为一次装炉料重量 (kg)； 加加为加热阶段时间为加热阶段时间 (h)。材料工程学院 金属材料系加加装装/tctcGQ）（1122件件）（1122tctcPQ件件件件编辑ppt18电阻炉的功率计算电阻炉的功率计算2. 加热辅助构件所需热

15、量加热辅助构件所需热量Q辅辅 3加热控制气体所需热量加热控制气体所需热量Q控控 4通过炉衬的散热损失通过炉衬的散热损失Q散散 5通过开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失通过开启炉门或炉壁缝隙的辐射热损失Q辐辐材料工程学院 金属材料系编辑ppt19电阻炉的功率计算电阻炉的功率计算6通过开启炉门或炉壁缝隙的溢气或吸气热损失通过开启炉门或炉壁缝隙的溢气或吸气热损失Q溢溢或或Q吸吸 7砌体蓄热量砌体蓄热量Q蓄蓄 8. 其它热损失其它热损失Q它它 此项热损失可取上述各项热损失总和的某一近似百分数，通常对密封此项热损失可取上述各项热损失总和的某一近似百分数，通常对密封箱式炉为箱式炉为1520%，对机械化炉为，对

16、机械化炉为25%，对敞开式盐浴炉为，对敞开式盐浴炉为3050%材料工程学院 金属材料系编辑ppt20电阻炉的功率计算电阻炉的功率计算 1. 连续作业的炉子功率连续作业的炉子功率 其安装功率其安装功率(kW)应为：应为： 炉子的热效率炉子的热效率 可由下式求得可由下式求得：2周期作业的炉子功率周期作业的炉子功率 其热损失主要项目是加热工件和辅助构件所需的热量和炉砌体的蓄其热损失主要项目是加热工件和辅助构件所需的热量和炉砌体的蓄热量。炉子实际的蓄热损失量与炉子冷却阶段、装卸料阶段和停炉期间热量。炉子实际的蓄热损失量与炉子冷却阶段、装卸料阶段和停炉期间造成炉体降温的程度有关。在加热阶段的其它热损失应

17、视具体炉型和工造成炉体降温的程度有关。在加热阶段的其它热损失应视具体炉型和工艺规程而定。艺规程而定。 它吸辐散控辅件计QQQQQQQQ材料工程学院 金属材料系3600计支KQP 100%计件QQ编辑ppt21电阻炉的功率分配和电热元件接线电阻炉的功率分配和电热元件接线一、电阻炉的功率分配一、电阻炉的功率分配q 对小型箱式炉：均匀分布在炉侧壁和炉底。对小型箱式炉：均匀分布在炉侧壁和炉底。q 对较大箱式炉：炉门口端约对较大箱式炉：炉门口端约1/41/3的部位适当加大功率的部位适当加大功率q 对一般热处理炉，单位炉壁功率负荷一般控制在对一般热处理炉，单位炉壁功率负荷一般控制在1530kW/m2，但，

18、但是不能超过是不能超过35kW/m2 。q 井式炉由于炉口散热量较大以及热气上浮，往往炉口和炉底的温度井式炉由于炉口散热量较大以及热气上浮，往往炉口和炉底的温度容易偏低，所以深度较大的井式炉炉膛上下各部分常常分区配给不容易偏低，所以深度较大的井式炉炉膛上下各部分常常分区配给不同的功率来控温。同的功率来控温。材料工程学院 金属材料系编辑ppt22电阻炉的功率分配和电热元件接线电阻炉的功率分配和电热元件接线二、电阻炉的电压选择二、电阻炉的电压选择q 一般电阻炉采用车间电网供电（一般电阻炉采用车间电网供电（380V），只有部分小），只有部分小型炉采用型炉采用220V。（当电热元件表面功率负荷相同时，

19、。（当电热元件表面功率负荷相同时，采用较高的电压可以降低电热元件的总重量）采用较高的电压可以降低电热元件的总重量）q 电阻炉在以下情况下需要降压供电电阻炉在以下情况下需要降压供电q 采用硅碳棒等非金属电热元件采用硅碳棒等非金属电热元件q 吸热型可控气氛炉吸热型可控气氛炉q 采用电阻温度系数较大的电热元件时采用电阻温度系数较大的电热元件时q 为保证人身安全为保证人身安全q 真空热处理炉常采用电阻较小的碳质电热元件，为防止真空真空热处理炉常采用电阻较小的碳质电热元件，为防止真空放电采用低压（放电采用低压（100V）供电）供电材料工程学院 金属材料系编辑ppt23电阻炉的功率分配和电热元件接线电阻炉

20、的功率分配和电热元件接线二、电阻炉接线形式的选择二、电阻炉接线形式的选择 q 尽量保持三相平衡。除功率较小炉子尽量保持三相平衡。除功率较小炉子(25kW)可采用单相供电外可采用单相供电外q 每组元件的功率要适中。习惯上用丫形或三角形每组元件的功率要适中。习惯上用丫形或三角形 形接线。形接线。 q 保护电热元件。保护电热元件。 q 使用中改变接法。使用中改变接法。 材料工程学院 金属材料系编辑ppt24电热元件材料及其选择电热元件材料及其选择一、电热元件材料的基本性能要求一、电热元件材料的基本性能要求q 较高的熔点和高温强度较高的熔点和高温强度 q 良好的高温抗氧化性，能长时稳定工作良好的高温抗

21、氧化性，能长时稳定工作 q 较大的电阻率和较小的电阻温度系数较大的电阻率和较小的电阻温度系数 q 较小的膨胀系数较小的膨胀系数 q 较好的塑性较好的塑性 q 良好的抗蚀性良好的抗蚀性 二、金属电热元件材料二、金属电热元件材料q 镍镍铬系材料铬系材料 Cr20Ni80、Cr15Ni60、Cr20Ni80Ti3和和Cr23Nil8等牌号等牌号q 铁铬铝系材料铁铬铝系材料 1Cr13Al14、0Cr13Al6Mo2、0Cr25Al5、0Cr27Al7Mo2 0Cr25Al6Re和和Cr23Al6CoZr等牌号等牌号 q 高熔点金属和铂高熔点金属和铂 Mo、W和和Ta (熔点分别为熔点分别为2625

22、C、3370 C和和3000 C) 材料工程学院 金属材料系编辑ppt25电热元件材料及其选择电热元件材料及其选择非金属电热材料非金属电热材料 q 碳化硅电热元件碳化硅电热元件 q 该元件主要成分为该元件主要成分为SiC，含量在，含量在97-98%以上，通常制成棒状，称为硅以上，通常制成棒状，称为硅碳棒；在氧化性介质中，可在碳棒；在氧化性介质中，可在1350 C下长期工作。该材料具有高的电下长期工作。该材料具有高的电阻率，在阻率，在800 C以下为负值、以下为负值、800 C以上为正值；在加热、冷却过程中，以上为正值；在加热、冷却过程中，氧化硅反复破裂和形成，使氧化加深，电阻值增高。氧化硅反复

23、破裂和形成，使氧化加深，电阻值增高。 q 二硅化钼电热元件二硅化钼电热元件 q 是一种耐高温而又不明显老化的电热元件，最高使用温度可达是一种耐高温而又不明显老化的电热元件，最高使用温度可达17001800 C，高温下允许采用较高的表面负荷率；其电阻值随温度升高而，高温下允许采用较高的表面负荷率；其电阻值随温度升高而呈直线增长，因此在低温时可以较大的功率加热而缩短炉子升温时间；呈直线增长，因此在低温时可以较大的功率加热而缩短炉子升温时间；温度高于温度高于1350 C时会软化而失去刚性，故不宜水平安装时会软化而失去刚性，故不宜水平安装。 q 碳系电热元件碳系电热元件q 石墨，碳粒和各种碳质制品都属

24、于碳系电热元件。应用最多的是石墨石墨，碳粒和各种碳质制品都属于碳系电热元件。应用最多的是石墨电热元件，石墨熔点很高电热元件，石墨熔点很高(超过超过3600 C可升华可升华)，常应于，常应于14002500 C之间的炉子，最高达之间的炉子，最高达3600 C，一般制成管状和带状使用。，一般制成管状和带状使用。 材料工程学院 金属材料系编辑ppt26电热元件的计算（金属电热元件）电热元件的计算（金属电热元件）q 电热元件的尺寸电热元件的尺寸 q 元件的电阻和长度元件的电阻和长度q 设炉子共有设炉子共有n个元件，炉子的安装功率为个元件，炉子的安装功率为P安安 则每个元件的功率则每个元件的功率 p pP安安/nq 电热元件的允许表面负荷率和长度电热元件的允许表面负荷率和长度 PW允A10-8 A10SL L105P2t/W允U2q 线状和带状电热元件尺寸线状和带状电热元件尺寸 S 22510UWPSft允材料工程学院 金属材料系编辑ppt27材料工程学院 金属材料系电热元件的