材料111金材111封面绪论第一章2014教材

1、南京工程学院教案【封面】任课系部：材料工程学院课程名称 材料设备及设计授课时间：2013-2014 年第 2 学期课程编号 0802605106材料科学与工程402.5考核方式哈尔滨工业大学出版社，2007热处理设备指定参考书热处理炉机械工业出版社，1988西北工业大学出版社，1989炉温仪表与热控制侧温仪表与感应加热装置机械工业出版社，1981机械工业出版社，1983授课教师 方信贤职称 副教授单位第1页南京工程学院教案【教学单元首页】第1 1主目的与要求教学方法与手段第2页1.国内其它大学本课程的情况介绍课程名称：热处理炉，热处理设备，热处理设备及控制。课程学时变化：64 学时，56 学时

2、，40 学时，32 学时。课程内容变化：热处理炉、感应加热装置、热工仪表。2.学习本课程重要性热处理工程师认证：四大块中独立的一块。就业企业：热处理设备制造企业电炉厂。1）技术部门：编制工艺时根据工件在工艺流程中所处工序位置，正确地选择设备；新产品零件工艺调试时，正确地使用设备；2）检验部门：实验电炉的正确使用；3）生产车间：设备的基本管理、正确使用及简单的维护；车间旧设备报废或设备不能满足生产需求时新设备的选购。3.热处理主要设备和辅助设备（补充，工程师培训教材）1）主要设备热处理炉：指有炉膛的热处理加热设备，如箱式电阻炉、井式炉、真空炉等。加热装置：指热源直接对工件加热的装置，如火焰加热装

3、置和感应加热装置。表面改性装置：主要有气相沉积和离子注入等。表面氧化装置：由一系列槽子组成，如发蓝或发黑槽等。表面机械强化装置：有喷丸机和辊压机等。冷处理设备：常用的装置有冷冻机、干冰冷却装置和液氮冷却装置。工艺参数检测、控制仪表：指对温度、流量、压力、碳势等参数的检测、指示和控制仪表等。2）辅助设备清洗机和清理设备：指对热处理前、后工件清洗或清理的设备。如清洗机、清理滚筒、喷砂机、抛丸机、脱脂炉等。炉气氛制备设备：如吸热式发生器、放热式发生器、氨分解器、制氮机等。淬火介质循环装置：主要包括储液槽、泵、冷却器、过滤器等。起重运输设备：主要有车间起重机、运输车辆、传送工件的滚道和传送链等。动力输

4、送管路及辅助设备：主要有管路系统、风机泵、储气罐及储液罐等。防火防尘等生产安全设备：主要有抽风机、废气反应槽及防火喷雾器等。4.我国热处理设备的现状及发展趋势1）我国热处理设备的制造技术及设备生产企业现状：传统热处理设备制造技术，如各种箱式电阻炉、井式电阻炉、化学热处理炉但先进热处理设备与国外尚有一定差距如激光热处理设备激光源稳定性和寿命。企业技术力量薄弱、缺少质量和售后服务意识、对设备外观与性价比不够重视，由于企业规模过小，难于形成技术、资第3页金等优势，企业竞争力较差。2）我国企业热处理设备装备现状：热处理装备相对比较落后，仍以周期式箱式电阻炉、井式电阻炉和盐浴炉为主。造成热处理装备落后原

5、因：热处理生产非常分散热处理生产车间或分厂，专业化规模热处理厂家很少，且专业热处理厂主要是规模很小的私人企业，这种现状决定了难于形成规模生产批量，由于生产批量决定了作业制度和热处理装备，因而目前国内中小企业热处理装备主要以周期式热处理设备为主，先进热处理装备主要集中在一些大型机械类企业集团如一汽、二汽等。上游制造技术落后，导致产品加工余量较大，造成对热处理少氧化、无氧化处理市场需求较小，因而目前企业周期式炉仍以空气式加热炉为主。3）热处理设备的发展趋势：少、无氧化设备如密封式炉和真空炉取代传统空气为加热介质热处理炉。碳势控制设备逐步推广。开发和推广热处理成套技术，提高和稳定热处理产品质量。5.

6、热处理炉分类按工作温度：650C650C-1000C）和高温炉（1000C按炉膛加热介质：炉等；按作业规程：周期式炉和连续式炉等；按生产用途：退火炉、淬火炉、回火炉、正火炉、渗碳炉、氮化炉等；按热能来源：电阻炉和燃料炉。6.课程性质、内容与要求材料设备及设计是材料科学及工程、金属材料工程专业的一门必修专业课，其主要内容是介绍材料热处理设备原理、结构、应用及其控制仪表和控制技术，学生学完本课程后应能达到下列基本要求：1）了解常用热处理设备结构、工作原理、主要参数及选用原则。2）掌握热处理电阻炉设计原理、方法和步骤，具有设计电阻炉的初步技术。3）了解热处理温度测量及控制的基本原理和技术。4）熟悉常

7、用热处理温度测控仪表的鉴定、选择和使用方法。7.主要参考资料：（1热处理设备.机械工业出版社，1988 年 11 月北京第一版，1989 年北京第二次印刷。（2）曾祥模主编.热处理炉.西北工业大学出版社，1989 年 8 月第一版，1991 年 7月第二次印刷。（3）热处理设备及设计编写组.热处理设备及设计.山东人民出版社，1977 年 10月第一版，1977 年 10 月第一次印刷。（4）李均宜主编.炉温仪表与热控制.机械工业出版社，1981 年 7 月北京第一版，1982 年 4 月北京第二次印刷。（5）陈特夫主编.测温仪表与感应加热装置.机械工业出版社，1985 年 6 月北京第一版，1

8、988 年 8 月重庆第四次印刷。第4页南京工程学院教案【末页】本单元知识点归纳思考题或作业题本单元教学情况小结注：教案首页和末页中间为授课内容第5页南京工程学院教案【教学单元首页】第 3 主目的与要求重点：气体连续性方程和伯努利方程。重点 难点：热处理炉吸气和溢气量的计算。教学方法与手段第6页学习本章意义：等密切相关，合理引导炉内气体运动，是确保热处理质量的重要保障。介绍炉气运动基本规律，主要包括静止气体能量、炉内气体与炉外气体相互作用、气体运动动力和阻力、及流动气体连续性方程和伯努利方程等，并运用这些规律分析热处理炉内气体压力分布及其运动规律、炉门开启时的吸气和溢气计算等。本章内容特点：概

9、念多，学好本章需要理解性地记忆。1.1 气体静力学基本概念一.静止气体能量：1.气体压强（p）气体压强 p单位为帕斯卡（1Pa=1N/m 。2绝对压强 p：从绝对零点（绝对真空）算起的气体压强。相对压强 p：以大气压为计算起点的气体压强，即同一水平面上容器内气体绝对压强与大气压强之差。相对压强可用普通压力表直接测量，又称表压强。常用 U 形管测量相对压强，相对压强p=p-p =ghkg/m g3a为重力加速度(9.8m/s )，h 为 U 形管液面高度差(m)2aa a2.压力能（或静压能或压强能）Es气体压强是气体分子储存能量压力能或静压能或压强能。压力能 Es 和压强 p 间关系：Es=p

10、，可用下图推导得到该公式。设气体压强为 p、活塞截面积为 A、活塞在气体作用下移动了 dl,气体所做功:单位体积气体所做功：=p，即：Es=p。可见:1)单位体积气体静压能与气体压强 数值相等，但单位不同； 2)从力角度，p为气体静压强，从能量角度，p 为单位体积气体具有的静压能。第7页3.气体位能 p物理中学过，质量为 m、距基准面高度为 z 物体的位能为 m.g.z；同理，体积为 dV 的静止气体，距基准面高度为 z 时位能为：m.g.z=.dV.g.z，单位体积气体位能 E =.g.z。可见，气体位能与距基准面高度z 有关。pZ4.静止气体平衡方程及压力分布：静止气体中取微体积元，设上、

11、下面面积均为dSZ 方向体积元受力包括周围静止气体静压强和自身重力 dmg（如图 2-4由于气体处于静止状态，因此：pdS-p+ ，整理得：dp= -= -dmg.= -g.dz= gdz，设 p= gz + C 或压力能+位能=C=流体静力学基本方程。讨论：1表征重力场中不可压缩流体压强分布规律，可近似用于一般炉内气体。2）为常数的静止气体中，压强沿高度呈直线分布。3）静止气体中任一高度处压力能和位能和为常数，即：p +gz =p +gz 。11224）任意两平面压强差绝对值等于 ，H 为两平面高度差5）静止气体绝对压强随高度增加而减小（p=C-gz第8页二、静止炉气与炉外空气的相对能量压头

12、压头指单位体积炉气与同水平面炉外单位体积空气的能量差。静止炉气对空气具有两种形式压头：静压头和位压头。1.静压头：（h ） 炉气压强能 p 与同水平面炉外单位体积空气压强能 p 之差。sga静压头大于零时，炉内压强大于炉外压强，炉气外溢；静压头小于零时则发生炉外空气被吸入炉内。研究静压头分布有两种方法：设炉气密度为 ，压力能为 p ，炉外空气密度为 ,压力能为 p 。方法一：根据静止气体压强分布规律ggaa11由 p= -gz + C 得：z=pC ，即炉气和炉外空气沿炉膛高度分布规律是斜gg11率分别为和的直线（见图2-6 g gga强能相等，静压头为零，对应的水平面称为相对零压面（简称零压

13、面）。方法二:用静止气体基本方程求静压头以零压面作为参考面或基准面，设零压面压强能为 p ，0零压面以上 H 处炉气和空气压强能分别为 p 、p ，则根据静止气体基本方程gap p ,炉气 p =p - ，空气 p =p gH，静压头 h =p -p （ - ）gHg0g0ga0asgaag同理：零压面以下 H处静压头 h = （ ）gHsag上述分析表明：1炉气静压头沿高度呈直线分布2炉顶静压头高于炉底静压头；3零压面以上炉气外溢零压面以下空气被吸入。2.位压头 （几何压头）：h单位体积炉气位能与同水平面炉外单位体积空气位能差。p即：h = 。研究位压头分布时，常选热气柱顶面为基准面。pga

14、ga位压头沿高度呈直线分布，越往下位压头按上述公式计算，不能直接测量。第9页头常用来分析炉膛溢气和吸气情况，位压头常用于分析炉气浮动能力。3.总压头：静压头+位压头根据静止炉气平衡方程,对任意两平面有：炉气：p gz = p + gz（1（2gg11g2g2空气：p + gz = p + gza1a1a2a2（1）-（2p - p ）（ ）gz （p - p ）（ ）gz ，g1a1ga1g2a2ga2即：h +h =h +h 常数，s1p1s2p2可见：静止炉气在不同高度上静压头和位压头和为定值，两者可相互转化，静压头大处位压头必小，但其总压头不变，该定律称为压头守恒定律。例题 1.1、某热

15、处理炉炉膛高1.2 米，炉内温度900C，炉外空气温度25C，求下列情况静压头垂直分布：1）相对零压面在炉底；2）炉底处炉气静压头为 10Pa；3）炉底处炉气静压头为-10Pa 为 1.293kg/m ；30，式中 t 为温度，单1t0t位C，为气体膨胀系数，值为 1/273解：1）900C=1.2931/(1+900/273)=0.301p =1.2931/(1+25/273)=1.184设 p 为炉底处空气压强，p 为炉顶气体压强，p 为炉顶处空气压强25Cga0因零压面在炉底，根据静止气体基本方程有：p =p ，p =p gHg0900Ca025C炉顶处静压头 h =p -p =（ ）（

16、1.184-0.301）9.81.2=10.4Pasga25C900C由于静压头沿高度呈直线分布，故有：h （10.4/1.2）z=8.7zs2)h =8.7z+b，因为z=0 时，h =10Pa，代入上式得b=10，ss所以 h =8.7z+10s3）同理可得 h =8.7z-10s本节知识可直接用于分析 12测（酒精或丙酮捡漏法）第 页1.2 气体动力学及伯努利方程一、气体流动性质1.气体流量和流速：气体流量：单位时间内流过给定面积气体量。常用体积流量 q 和质量流量 q 表vm示,q =V/ （m /sq =m/t(kg/s)。3vm气体流速 v：气体流动速度在管道上分布不均匀，工程上所

17、说流速指管道中流体平均流速，即单位面积上平均流量。气体按流速不同分为低速和高速两类。低速流动时，流速对气体密度影响不大，可看作不可压缩气体。流动炉气属于不可压缩流体。流速流量间关系：q ；q =m/t=V/t=q t/t=vf，式中 f为面积。vmv热处理炉常用转子流量计测量气体（如密封箱式炉内通入保护气流量。气体粘性：气体粘度指粘性大小程度。离管壁越远流速越大，管中心流速最大流动时内摩擦力引起。研究表明，相邻层间因相对运动产生的内摩擦力 F 与层间交界面积 f 及相邻层速度梯度 成正比，即摩擦力 F=f 或切应 F力 = = ， 为动力粘度系数或动力粘度，单位 Pa.s。A3.气体流动形态（

18、补充内容）流体流动分层流和紊流两种。流体质点做有规律平行运动，层流间不混合，质点没有径向运动，稳定层流在管道截面上速度分布呈抛物线，截面上平均速度一般取最大速度的 50%。流体质点不仅沿前进方向运动，还向各个方向作不规则运动，不停相互混合。层流底层，流体在管内呈稳定紊流时，管道截面上速度在靠近壁面处变化最大，而在离流动壁面稍远处的紊流核心，流速呈对数分布，速度变化很小。紊流越剧烈，速度越接近一致。在一般炉子应用范围内，v =(0.82-0.85)v 。avmax层流底层对紊流流动能量损失、流体与壁面间换热过程影响大。层流层厚度增大，；反之，紊流加强，层流层厚度减小，换热效果好。生产上常通过提高

19、流速强化紊流来加强对流换热过程。4.气体动能气体动能：由物理学得知，物体动能等于0.5Mv 的单位体积气体，其2动能为：Ed=0.5Mv =0.5 v 。22第页气体动压头：管道内流动着的单位体积气体与管外空气动能差。K 材料对热处理炉来说，炉外空气可认为是静止的，其动能为零，故炉气具有的动压头即为炉气具有的动能。即动压头 h =E 0.5v 。2dd二、炉气在运动中的能量损失炉气炉膛内流动时，会因冲击及摩擦等造成 能量损失或压头损失（h 一般表1l达式为：hK v ，K 为阻力系数。工程上为计算方便，常把能量损失分为摩擦阻2l2力损失（沿程阻力损失）和局部阻力损失两类。1.摩擦能量损失 hf

20、摩擦能量损失指气体在管道中流动时因气流与管壁和气体分子间摩擦力而产生的能量损失。摩擦能量损失与气流动能成正比，气流动能越大，摩擦能量损失越大。2.局部能量损失 hp局部能量损失：由局部阻力引起的能量损失，如由于管道突然转向或截面变化导致能量损失。局部能量损失也与流体动能成正比。三、气体流动连续性方程式气体是连续介质，当气体在管道内稳定流动时，根即：M =M M =v f M =v f v f =v f ，121212所以 v f =v f 不可压缩气体流动连续性方程，即四伯努利方程及其应用金材1.伯努利方程表达式图 2-16 中截面上气体全部能量（压力能、位能、动能之和）应等于截面上气体全部能

21、量（压力能、位能、动能之和）加上气体从截面流到截面的能量损失，即：111p +gz + v =p +gz + v + Kv ,该式即为气体的伯努利方程。212211 222 2 2 2伯努利方程也可用压头形式表示。当流动气体管外是静止空气时，根据上式可分别列出如下两个方程：管内：p + gz + v =p + gz + v + K v （1）2220.50.50.5g1g1g 1g2g2g 2g管外：p + gz =p + gz（2）a1a1a2a2111(1)-(2)(p -p )+( - )gz + v =(p -p )+( - )gz + v + K v222g1 a1ga1g 1g2

22、a2ga2g 2g222即：h +h +h =h +h +h +hs1p1d1s2p2d2l讨论：1）伯努利方程不仅说明能量守恒，还说明压力能、位能、动能间可相互转化2总压头保持不变3）对波动不大的气体流动，可近似看成稳定流动，应用伯努利方程引起的误差较小。第 页2.炉气通过小孔溢气流量：应用设热处理炉上有一小孔，孔两侧取两个截面，截面取在炉内，截面取在炉外。因炉膛面积远大于小孔面积，根据流速与截面积成反比，可认为 v 。1因小孔是等截面孔，所以小孔内气体流速 v=v ，因为气流是水平的，所以 z =z 。212假设炉外气流压力等于大气压 p ，即 p =p =p = p ，代入伯努利方程得：

23、ag2a111（p - p ）（ ）gz + v （p - p ）（ ）gz + v + K v222g1ga1 2 g 1g2ga2 2 g 2 2g1 ）gz =（ ）gz ， v =0p - p ）=02ga1ga2 2 g 1g2a2 2 p p111p - p ）= v + K v ，即：v =22gaga2 g 2 2g 22 1K局g因为：p -p （ ）gH，式中 H 为小孔中心到零压面距离，gaag 2 1所以：v =ag2 1K局g因为：气体流量等于流速与气流截面积的积， 2 2 1q =f v =f= f 为流量系agagv2 21K局gg数，孔径很小时取 0.82。3.

24、通过敞开炉门的溢气和吸气炉门洞与小孔的区别成若干平行的小缝，则每个小缝的溢气量可按公式 q = f2（ ）gH / 计算。1/2vagg设炉门洞高 ，宽，在距炉底（零压面）为z 处取微缝 df=Bdz，则通过微缝的溢 2 2 g气量为：dq =.df.=.Bz dz1/2agagvtgg 2 2积分得： q = .B.H, 为整个炉门洞的平均流量系数，一般取agvt 3g0.65-0.7。讨论：12炉门未完全打开时，用零压面到炉门开启高度的距离代入上式中计算炉门溢气量；3） H 2 2气量为：q = . .B.Hvt 3。aga第 页例题 1.1某热处理炉，炉门洞高0.6 米，宽0.8 米，炉气温度900C，炉外空气温度20C，已知=0.65。求：1）零压面在炉底时，每秒钟通过炉门洞的溢气量；2）零压面在炉门洞水平中心线时，炉门洞上部每秒钟的溢气量和下部每秒钟的吸气量。解：1 = （1+t： / （1+900/273（1+20/273 q =2/3. .B.H2t020 900vt（ ）gH / q =2/30.650.60.829.80.6 =1.24m /s1/21/23aggvt溢气量 q =2/30.650.3