组织控制技术及设备课件

組織控制技術及設備

眾所周知，金屬材料是各種機器結構的基本材料，而材料的合理管理和正確使用在世界各國都是科學和技術發展的主要問題之一。面對當今世界面臨的能源、資源短缺的危機和社會經濟可持續發展的要求，需要人們最大限度的發揮材料的潛在功能，節省材料，提高材料的利用率。要發揮鋼鐵等金屬材料的內在潛力，最有效地手段之一，就是對其進行熱處理，改變其內部的組織結構，從而獲得所需要的力學性能。

長期以來，人們對零件壽命和產品可靠性的研究不斷地推動著金屬材料和熱處理技術的發展。時至今日，已創造了無數的新材料和各種先進的熱處理工藝。顯然，任何熱處理工藝，不論是過去的還是現在的，不論是傳統的還是最新的，都需要有相應的設備才能實現，為了適應熱處理工藝的發展需要，人們發展了各種熱處理設備，從這個意義上說，材料和熱處理工藝的發展，推動了熱處理設備的發展。如果說，冶金工作者已經賦予了材料優良的性能潛力，而熱處理工藝可以發掘這樣的潛力，使之具有最佳的使用性能，那麼，熱處理設備則是達到這種目的的必不可少的手段。因此材料、工藝和設備具有不可分割的聯繫。

熱處理設備的先進與否是十分重要的，人們常用熱處理車間所擁有的工藝手段和設備來衡量熱處理技術先進與落後的重要標誌之一。熱處理設備對實現熱處理工藝和保證熱處理產品的品質起著決定性的作用，並且與當今世界的突出矛盾——節約材料資源、能源及減少環境污染有密切關係，所以對一個熱處理工作者來說，熱處理設備方面的知識不可或缺。正是因為上述緣故，熱處理設備已成為熱處理技術發展的一個很大的方面。逐漸成為一個專門的技術領域和工業部門。當今的熱處理設備種類和形式十分繁多，從主要設備到輔助設備不下數百種，同時，還有新的設備不斷湧現。

熱處理設備的種類既然很多，原理也各不相同，因此它不是一門獨立的學種。它涉及到流體力學、傳熱學、電工學、物理化學、金屬材料和無機材料、機械零件和製圖、真空技術等多種學科的知識，所以它是一門綜合性和實踐性很強的課程。目前，我們國家的熱處理設備總體而言還比較落後，很多還處在上世紀六、七十年代的水準，遠遠不能適應熱處理工藝的發展需要，所以希望大家努力學習這門課程，為改變我國的熱處理面貌貢獻力量。2.任務

我們這門課的基本任務是：

——熟悉熱處理設備的類型、結構特點和應用範圍，能夠合理選擇、正確使用熱處理設備；

——初步具備設計和改造普通熱處理爐的能力；

——對熱處理設備發展動態有所瞭解，從而能充分利用現有設備，大膽合理運用和推廣先進熱處理設備，為保證產品品質提供必要條件。3.具體要求通過本課程的學習，要求做到一下幾點：

——掌握熱處理基本爐種（電阻爐、浴爐）的設計理論和重要部件的設計方法；瞭解新型爐種（控制氣氛爐、離子氮化爐、真空爐、感應加熱裝置和各種連續作業爐）的主要結構的設計特點。以便在今後的實際工作中根據本單位特定的產品和工藝要求等具體條件，具備獨立設計熱處理爐的能力。

這是因為隨著生產和技術的發展，新事物的出現日新月異，在熱處理生產領域中，產品和工藝的更新交替的週期也在不斷縮短，長期以來形成的標準化系列設備將不能適應千變萬化的具體要求和條件，因此各種非標設備的設計在今後的工作中的比重會不斷上升，這並不是人們對標準化的千篇一律感到厭煩，實在是材料、工藝及產品的發展對設備提出了新的要求

——根據工件的材料、形狀、批量和熱處理工藝要求，合理選用熱處理設備，並能根據設備的性能，正確地調整設備，使之正常運轉，指導熱處理生產。

比如，一個新建的熱處理車間，需要我們對所需設備的種類和配製提出合理化建議，在生產擴大時要求我們對索要購置的設備提出權威性的意見，在生產過程中，對設備的故障和由於設備的原因而出現的產品品質問題要能及時的排除和解決，這些都與我們對設備的熟悉程度有關。——瞭解如何從熱工及爐內氣氛控制、爐體結構和節約能源、提高熱效率、消除污染等諸方面來改造老設備的途徑，提出改造措施和指導改造。

對老設備進行改造主要原因有三：一是設備長時間運行後內部勢必要受到破壞，要進行修理和改裝；二是隨著生產力水準的發展，新技術、新設備不斷湧現，其結果就表現為現有設備的加速陳舊，與此同時，產品熱處理工藝的改革也會帶來設備的創新，按理說，有了新型設備之後應替換掉老設備，可是實際上世界上沒有一個國家能按設備的改型週期一次更新，這就要求老設備繼續使用，並能適應新的生產力和工藝要求，那麼勢必要進行改造；三是從節約能源的角度出發，能源緊張是普遍現象，節能成為世界矚目的大事，而現階段我國熱處理爐的熱效率還很低，一般燃料爐熱效率只有20%左右，熱處理電爐好的也僅有60~70%，大有節能潛力可挖，要提高熱效率，爐子就要不斷改造。此外，減少污染也與設備改造密切相關。

二、本課程教學內容的安排

1.內容按照教學大綱和課時的實際情況以及本教材的特點，教學重點為第六章、第七章、第八章、第十章、第十一章，其他章節做一般介紹。當然主要介紹的章節也會根據實際需要做適當變動增減，希望大家做好課堂筆記。

2.方法以課堂介紹為主，除真空爐示範性試驗外，不安排其他實驗。

第6章傳熱學基礎

本章的學習要點

知識要點掌握程度相關知識導熱的概念及基本定律瞭解導熱概念；掌握傅立葉定律的基本內容、數學運算式及其在爐牆導熱中的應用；掌握相關物理量的物理意義。溫度場、穩定導熱和不穩定導熱對流換熱的概念、基本定律瞭解對流換熱的概念；掌握牛頓定律的基本內容及數學運算式；瞭解對流換熱係數α的意義和影響因素。流體的自然對流和強制對流；流體的層流和紊流。輻射換熱的概念、基本定律瞭解輻射換熱的概念；掌握輻射定律的基本內容及數學運算式及其應用熱力學定律，可見光及紅外線綜合換熱的概念瞭解並能分析熱處理爐內的熱交換過程熱處理加熱過程對材料組織和性能的影響

熱量從一物體傳至另一物體，或由同一物體的這一部分傳至另一部分的過程稱為傳熱或換熱。在熱處理生產過程中，幾乎每道工序都需要改變材料的溫度，都涉及到傳熱或換熱過程。只有物體內部或兩個物體之間存在溫度差時，才會發生傳熱。

——

溫度場溫度場是描述物體中溫度分佈狀況的．它是空間座標和時間座標的函數，即：

t=f(x,y,z,τ)

式中：x,y,z為該點的空間座標；τ為時間座標。這個函數叫溫度場函數。若物體的溫度沿x、y、z三個方向都有變化，稱三維溫度場；若只在一個方向上有變化，則稱一維溫度場，即：

t=f(x,τ)

上述無論是三維還是一維溫度場均隨時間變化，所以分別稱為三維或一維不穩定溫度場，如果溫度場不隨時間變化，則稱為穩定溫度場：

t=f(x,y,z)（三維穩定溫度場）

t=f(x,τ)（一維穩定溫度場）

——不穩定傳熱與穩定傳熱在不穩定溫度場內的傳熱過程稱為不穩定傳熱，例如升溫過程中的爐壁傳熱，此時爐壁內部各點的溫度、熱流密度均隨時間而變化，即әt/ә

τ

≠0әQ／ә

τ

≠0。在穩定溫度場中的傳熱過程則稱為穩定傳熱，例如在恒溫狀態下工作時的爐壁傳熱，此時爐壁內部各點的溫度和熱流恒定，即әt/ә

τ

＝0әQ／ә

τ

＝0。——溫度梯度在溫度場內．同一時刻具有相同溫度各點連接成的面叫等溫面。物體(或體系內)相鄰兩等溫面間的溫度差△t與兩等溫面法線方向的距離△n的比例極限，稱為溫度梯度。溫度梯度是表示溫度變化的一個向量，其數值等於在和等溫面相垂直的單位距離上溫度變化值，並規定由低到高為正，由高到低為負。

傳熱的形式分為傳導、對流和輻射。在熱處理爐內實際進行的熱傳遞過程也是這三種基本形式和這三種基本形式所組成的綜合換熱。

6．1傳導傳熱

6．1．1傳導傳熱的基本概念

1．定義

熱量從物體中溫度較高部分傳遞到溫度較低部分或者從溫度較高的物體傳遞到與之相接觸的溫度較低的另一物體的過程成為傳導，亦稱導熱或熱傳導。工件在熱處理爐中加熱時的均熱過程，熱處理爐加熱過程中的內爐壁和外爐壁的傳熱，熱電偶等爐內加熱部分和爐外部分的熱短路現象等，均屬傳導傳熱。

2．特點

（1）傳導傳熱屬於接觸式換熱；（2）換熱物體各部分不發生宏觀的相對位移；（3）在換熱過程中，只有熱能的傳遞，沒有能量形式的轉換。3．實質

傳導傳熱實質上是通過微觀粒子的熱運動相互振動或碰撞中發生動能的傳遞而完成的傳熱過程。理論上講，熱傳導可以在固體、液體和氣體中進行，但液體或氣體在換熱過程中不能避免各部分的宏觀運動，所以純粹的熱傳導只能在固體中進行。6．1．2傳導傳熱的基本定律

1822年，法國數學家傅立葉在綜合實驗數據的基礎上，提出了在均質固體中單純導熱的基本規律。文字表述：在單位時間內所傳遞的熱量Q與溫度梯度和垂直於熱流方向的截面積成正比，熱流朝向溫度降低的方向。數學運算式：

Q＝－λAdt/dx(W)(6－1)q＝Q/A＝－λdt/dx(W/m2)（單位時間內通過單位面積的熱量，稱熱流密度，以q表示）（6－2）式中：λ——導熱物體的導熱係數，亦稱熱導率。其物理意義為：當截面的溫度梯度為一個單位時，在單位時間內通過單位面積所傳遞的熱量；

dt/dx——溫度在熱流傳遞方向上的變化率。式中的負號表示熱流朝向溫度降落的方向，即表示降溫過程。λ是物質非常重要的一個物理性能指標。它代表了物體導熱能力的大小。λ值決定於材料種類、物質結構、化學成分、密度、溫度和濕度等因素，與幾何形狀無關。

常見物質的熱導率見表6.1。從表1可以看出，金屬的熱導率較高，熱導率最大的為銀。合金的熱導率常比純金屬低。純金屬的熱導率隨溫度的升高而降低，碳鋼和低合金鋼的熱導率也具有這樣的特點。而高合金鋼的熱導率則隨著溫度的升高而增大。非金屬固體材料中，除石墨具有較高的λ值〔λ＝55~165W/(m·℃)〕，多數材料的λ值均較低，且隨溫度升高而增大。如耐火材料和保溫材料的熱導率的數值在0.025～3.0W/(m·℃)之間。多孔性及纖維類材料具有較低的λ值，這是因為其空隙中存在著熱導率很低的靜止空氣，因此常作為保溫材料。但對於空隙度或鬆散度過大的材料，在400~600℃以上時，會因固體物質的輻射和空隙中氣體的輻射和對流作用的加劇，而較大程度的增大λ值。

工程上，大多數材料的熱導率與溫度的關係可近似的表示為：

λt＝λ0＋bt

（6－3）式中：λt、λ0分別為t℃和0℃時材料的熱導率；b為溫度係數，其值隨材料而異。在工程設計中，為了簡化計算，往往取物體平均溫度的熱導率代表物體的熱導率。如處於穩定態的單層爐牆，當其內外壁溫度分別為t1、t2時，爐牆的平均熱導率λm為：

λm＝λ0＋btmtm＝（t1＋t2）/2(6－4)式中的tm為爐牆的平均溫度。6．1．3傳導傳熱的應用

1．平壁爐牆的穩定態導熱（1）單層平壁爐牆的導熱在熱處理爐的設計過程中，爐牆的傳導散熱損失計算是經常遇到的，其中最簡單的是單層爐牆。如圖6.1所示，設一單層平壁爐牆，壁厚為S，材料的熱導率λ不隨溫度變化，壁兩側溫度分別為t1和t2（t1＞t2），並保持恒定。若平面面積遠大於厚度（≥8~10倍），可忽略端面上複雜的導熱影響，誤差不大於1%。可看作為在穩定溫度場中單純的x軸（一維）方向的穩定導熱問題。

為求出這一平壁爐牆的導熱量和熱流密度，可在平壁內取一厚度為dx的單元薄層，兩側的溫度變化為dt，根據傅立葉定律，通過此單元薄層的熱量為：

Q＝－λAdt/dx分離變數並積分得：

λA（t1－t2）＝QS傳熱量即為：

Q＝λA（t1－t2）/S

＝（t1－t2）/S/λA（6－5）當傳熱面積為1m2時，其熱流密度為：

q＝（t1－t2）/S/λ(6－6)圖6.1單層平壁爐牆的導熱

上面兩式中λ為平壁材料的平均熱導率〔W/(m·℃)〕；A為平壁導熱面積（m2），對於箱式爐，由於其內外表面積不相等，用上式計算其導熱量時，常按如下方法取其平均面積：

A＝(A1＋A2)/2（m2）（當A2/A1≤2時）（6－7）

A＝（m2）（當A2/A1＞2時）（6－8）式中A1和A2分別是單層爐牆的內外表面積（m2）。（6－5）與(6－6)式中的S/λA和S/λ分別為面積A與單位面積的平壁導熱熱阻R和r，（t1－t2）為溫差，亦稱溫壓。

（2）多層平壁爐牆的導熱在實際的熱處理爐中，一般很少用單層平壁爐牆，幾乎都是由幾層不同材料砌成的複合壁。例如常見的中溫箱式爐，即是由耐火層、保溫層及石棉板、爐殼疊合而成。在傳熱學上就屬於多層平壁的導熱。

圖6.2所示為一三層平壁爐牆，設各層之間接觸緊密，厚度分別為S1、S2、S3；熱導率分別為λ1、λ2、λ3；導熱面積A1、A2、A3；溫度t1＞t2＞t3＞t4，t1和t4均是已知溫度。其中t1為爐子的額定溫度，t4為爐子設計時規定的溫度（一般為50~60℃）。圖6.2三層平壁爐牆的導熱

下麵我們來推導上述平壁爐牆的導熱公式，由前面推導的單層平壁導熱公式即式（6－5）可知通過各層的導熱量分別為：第一層：Q1＝λ1A1（t1－t2）/S1＝（t1－t2）/S1/λ1A1

第二層：Q2＝λ2A2（t2－t3）/S2＝（t2－t3）/S2/λ2A2

第三層：Q3＝λ3A3（t3－t4）/S3＝（t3－t4）/S3/λ3A3

在穩定態導熱時，通過各層爐牆的傳熱量應相等，即Q1＝Q2＝Q3＝Q,由以上各式可得：

Q＝（t1－t4）/（S1/λ1A1＋S2/λ2A2＋S3/λ3A3）＝（t1－t4）/（R1＋R2＋R3）＝（t1－t4）/R總（6－9）用上述方法同樣可以得到：

q＝（t1－t4）/（S1/λ1＋S2/λ2＋S3/λ3）＝（t1－t4）/（r1＋r2＋r3）＝（t1－t4）/r總

(6－10)式（6－9）和(6－10)即是三層平壁爐牆的導熱公式。由式（6－9）和(6－10)可知，多層壁的導熱量和熱流密度決定於總溫差和總熱阻，而總熱阻等於各層熱阻之和。

同理，可推導出n層平壁爐牆的導熱公式：

導熱量：Q＝（t1－tn＋1）/（S1/λ1A1＋S2/λ2A2＋…＋Sn/λnAn）

＝（t1－tn＋1）/λiAi＝（t1－tn＋1）/（6－11）

熱流密度：q＝（t1－t4）/（S1/λ1＋S2/λ2＋S3/λ3）

＝（t1－tn＋1）/λi＝（t1－tn＋1）/（6－12）

工程計算中往往需要知道層與層之間介面上的溫度，由式(6－10)可得：

t2＝t1－qS1/λ1t3＝t2－qS2/λ2＝t1－q(S1/λ1＋S2/λ2)

同理tn＝t1－q(S1/λ1＋S2/λ2＋…＋Sn－1/λn－1)

＝t1－q（6－13）

在求介面溫度時，常採用試算逼近法，即根據經驗先假設介面溫度。對於n層爐牆，需假設n－1個介面溫度，然後根據假設溫度計算出各層的平均熱導率和總熱阻，再代入式（6－13）求得介面溫度。如果所求得的結果與假設的介面溫度相差較小（5%以下），即可採用；如果相差大於5%，需重新假設並試算，直到誤差小於5%為止。也可將假設的溫度代入各層的導熱量計算式，分別求得Q1、Q2、…Qn，若Q1≈Q2≈…≈Qn≈Q，則認為假設基本正確，否則應修正假設並重新計算。如果多層平壁爐牆各層面積相等時（均為A），則其傳熱量公式為：

Q＝A（t1－tn＋1）/（S1/λ1＋S2/λ2＋…＋Sn/λn）(6－14)2．圓筒壁爐牆的導熱熱處理設備中最常見的井式滲碳爐、井式回火爐均為圓筒壁爐牆，所以圓筒壁爐牆導熱同樣是在熱處理爐設計中經常遇到的問題。(1)單層圓筒壁爐牆的導熱圖6.3所示為一單層圓筒壁爐牆，其內、外徑分別為r1和r2,內外表面溫度分別維持恒定的溫度t1和t2,且t1＞t2,即處於穩定導熱狀態。如果圓筒壁的高度L遠大於r2，就可以忽略端面導熱的影響，僅看作沿半徑方向的單向穩定態導熱問題。圖6.3單層圓筒壁爐牆的導熱

下麵我們就來推導單層圓筒壁傳熱量的計算式。在任一半徑r處取一厚度為dr的薄層圓筒，其間溫度變化為dt，則通過此薄層圓筒的導熱量為：

Q＝－λAdt/dr＝－λ2πrLdt/dr（6－15）分離變數並積分得＝－Q/2πλLt1－t2＝Q/2πλLln(r2/r1)整理得Q＝2πL(t1－t2)/ln(r2/r1)/λ（6－16）由此可見，圓筒壁爐牆沿半徑方向的溫度分佈不是呈直線，而是呈對數曲線。

將式（6－16）等號右側的分子與分母同乘以r2－r1自然對數項的分子與分母同乘以2πL，則可得

Q＝λ2πL（r2－r1）(t1－t2)/（r2－r1）ln(2πLr2/2πLr1)整理得

Q＝λ（A2－A1）(t1－t2)/（r2－r1）ln(A2/A1)

＝λAaV(t1－t2)/S＝(t1－t2)/R(6－17)式中S為圓筒壁爐牆的厚度，S＝（r2－r1）；AaV為對數平均面積，AaV＝（A2－A1）/ln(A2/A1)；R為圓筒壁爐牆的導熱熱阻，R＝S/λAaV。當採用對數平均面積之後，圓筒壁爐牆與平壁爐牆的導熱量計算公式在形式上完全相同。

然而，圓筒壁爐牆導熱公式由於包含對數項，使用上很不方便。在工程實際應用時，如果r2/r1≤2，常用圓筒壁爐牆內外面積的算術平均值即A＝（d1＋d2）πL/2代替對數平均面積AaV，此時的計算誤差不超過4%。在熱處理爐實際設計中的熱工計算屬於比較粗略的熱工計算，這種誤差是完全允許的。（2）多層圓筒壁的爐牆的導熱根據多層平壁爐牆導熱公式的推導方法，可得多層（n層）圓筒壁爐牆的導熱公式，即：

Q＝(t1－t2)/＝(t1－t2)/（6－18）6．2對流傳熱6．2．1對流傳熱的概念

1．定義

流體中存在溫度差時，因流體中的不同部分質點相互混合，引起流體的宏觀運動而導致的熱量傳遞過程。

在熱處理工藝過程中，存在著許多對流傳（換）熱現象，如氣體介質爐中，工件並不是直接與發熱體接觸，而是通過熾熱的氣體與工件換熱，這在低溫爐中尤其明顯；在鹽浴爐中，工件是在熔融的鹽液中加熱的，這裏面主要也是對流換熱；另外熱處理爐外爐壁的散熱，工件在淬火介質中的冷卻，均屬對流換熱現象。

2．特點

對流傳熱的特點有：（1）也是一種接觸式傳熱，它是以流體形式與固體接觸；（2）傳熱物質各部分之間有相對位移，從而進行傳熱過程；（3）傳熱過程中，在流體內部和流體與固體之間，伴隨著傳導傳熱。所以，實際上發生的對流換熱是對流和導熱聯合作用的結果。

3．形式

就引起流體流動的原因而論，對流傳熱可分為自然對流傳熱和強制對流傳熱兩類。流體由於各部分密度不同而發生的流動稱為自然流動，流體自然流動情況下的對流傳熱稱為自然對流傳熱；流體在外力作用下發生的流動稱為強制流動，強制流動情況下的對流傳熱稱為強制對流傳熱。6．2．2對流傳熱的基本定律牛頓（IsaacNewton）對流換熱定律。文字表述：對流換熱的傳熱量與流體和固體壁面間的溫差以及兩者的接觸面積成正比。數學運算式：Q＝α（t1－t2）A（6－19）

q＝α（t1－t2）（6－20）式中：Q——單位時間內的對流換熱量，即熱流量(w)；

q——單位時間內，在單位傳熱面積上的對流換熱量，即熱流密度(W/m2)；

t1－t2——流體與固體表面的溫度差(℃)；

A——流體與固體的接觸面積(m2)；

α——對流換熱係數〔W/(m2·℃)〕。它表示流體與固體表面之間的溫度差為1℃時，每秒鐘通過1m2面積所傳遞的熱量。牛頓公式無論對自然對流和強制對流皆實用。

上述牛頓公式形式上似乎很簡單，但實際上對流換熱卻要複雜得多。前面提到對流換熱是對流傳熱和傳導傳熱共同作用的結果，對流換熱過程中的熱量傳遞一方面要受到流體的流動規律的支配，另一方面要受到流體質點間和流體與固體表面間導熱規律的控制，所以影響對流換熱的因素很多。只是公式中把這些因素統統歸入到對流換熱係數α中去了。6．2．3對流換熱的影響因素研究對流換熱的重要內容就是研究對流換熱係數α，而影響對流換熱的因素也就是影響對流換熱係數α的因素。1．動力因素按流體流動動力的來源不同，流體流動可分為自然流動和強制流動。自然對流時，由於其流速一般都很小，故其對流換熱係數較強制對流時要小得多。例如在中溫熱處理爐內，自然對流時的對流換熱係數一般不超過11～17.5W/(m2·℃)，而在空氣迴圈電阻爐內，由於風扇的強制對流作用，對流換熱係數可達35～58W/(m2·℃)。2．流體的流動形態流體的流動形態分為層流和紊流。

層流流動時，流體的質點都平行於固體表面作有規律的流動，流層之間不相混合，質點沒有徑向運動。流層之間及流體與固體之間的熱量傳遞主要靠互不干擾的流層導熱，而其熱流方向垂直於流體的流動方向；

紊流流動時，流體質點不僅沿前進方向流動，而且還向其他方向做不規則的曲線運動，流體內各質點發生不停的相互混合，這時熱量的傳遞主要靠流體的宏觀渦流和流體分子間的相互撞擊，所以其對流換熱係數要比層流大得多。但是，即使在紊流情況下，在緊靠固體表面，由於流體粘性及流體與固體表面的摩擦作用，仍存在一厚度為δ的層流薄層，稱為層流底層。層流底層的厚度對對流換熱效果有很大影響，隨δ加厚，換熱效果明顯降低。

流體的流動形態是層流還是紊流可用一無量綱參數，即雷諾數（Re）判斷。

Re＝υdρ/μ（6－21）式中：υ——流體的流速(m/s)；

d——通道的當量直徑(m)，d＝4f/S，S為通道的周長(m)，f為通道的橫截面積(m2)；

ρ——流體的密度(kg/rn3)；

μ——流體的粘度(N·s／m2)。當Re＜2320時，流體呈層流流動，當Re＞2320時，層流將失穩，逐漸成為紊流。所以生產上常用提高流速，增大Re值，強化紊流提高換熱效果。這裏要指出的是：即使Re＞2320，也不能形成穩定的紊流，只有當Re＞104後，流體才能以穩定的紊流流動，當然此時還存在層流底層。3．流體的物理性質影響對流換熱的流體物理參數主要是熱導率、比熱容、密度和粘度。這些參數將直接影響流體的流動形態、層流底層厚度和導熱性等．從而影響對流換熱係數。隨著流體的熱導率、比熱容和密度增大，對流換熱係數將增大；而粘度大的流體對流換熱係數則變小。4．固體表面的幾何因素固體表面的幾何因素包括形狀、大小和放置位置。這些因素能影響流體傳熱面附近的流動情況，從而影響對流換熱係數的大小。如有肋片的固體表面與無肋片、光滑的固體表面相比，對流換熱係數高；由於固體表面與流體相對位置的原因，使流體形成叉流，其對流換熱係數要高於形成順流的對流換熱係數。總結以上分析，可以知道影響對流換熱係數的因素多且複雜，用函數關係表達上述諸因素對對流換熱因素的影響，可寫成：

α＝f（υ，∆t，λ，cp，ρ，μ，l，Φ…）（6－22）式中的∆t、l、Φ分別為溫差、幾何尺寸和幾何形狀。6．2．4對流換熱係數的確定由於各種熱處理爐的結構、熱源、熱處理工藝和裝料方式的多樣性，以及對流換熱係數影響因素的複雜性，很難找到一個普遍適用的對流換熱係數的計算式。工程上實際使用的是針對特定情況下的經驗公式。

1．爐外壁自然對流換熱爐外壁與車間空氣的對流換熱屬自然對流換熱。其對流換熱係數的近似計算式為：

α＝C（6－23）式中：t1——爐外壁表面溫度；

t2——車間溫度；

C——係數，其數值與位置有關。爐頂外壁為3.26；爐側牆外壁為2.56；爐底外壁為1.63。

2．熱空氣迴圈式電阻爐內的對流換熱對於普通熱空氣強制迴圈式電阻爐，熱氣流對工件的對流換熱係數，有兩種計算方法：方法一：α＝Kυ（6－24）式中：K——取決於溫度的係數，見書上表6.2；

υt——爐內氣流在實際溫度下的流速。方法二：根據工件表面狀態的不同，對流換熱係數按書上表6.3內實驗公式計算。表6.3中的υ20是20℃時的爐氣流速，若爐氣溫度為t℃，實際流速為υt時可按下式換算：

υ0＝υt273/（273＋t）＝υ20273/（273＋20）（6－25）

3．火焰爐內火焰爐內爐氣對工件的傳熱包括輻射和對流。其中對流換熱係數計算可按下列經驗公式：

α＝1.163K1K2K3υ/d0.2(6－26)

式中υt為爐氣實際溫度下的流速；d為爐膛內部橫截面的當量直徑；K1為爐氣溫度修正係數（見140頁表6.4）；K2為爐膛長度與爐膛當量直徑之比的修正係數（見表6.5）；K3為爐氣中水氣含量的修正係數（見表6.6）。

4．管內對流換熱層流狀態：α＝5.15λ/d（6－27）式中λ為流體的熱導率；d為管道直徑；5.15為係數，單位為m－1。紊流狀態：α＝3υ/d0.25（6－28）式中υ0為氣體在標準狀態下的流速；d為管道直徑。6．3．1輻射換熱的基本概念

1．定義

（1）熱輻射

物體會因各種原因發出輻射能，其中由於具有溫度而發出輻射能的過程稱為熱輻射。一切物體只要具有溫度（高於絕對零度）都能產生熱輻射。

（2）輻射換熱

物體之間以熱輻射的形式實現熱量交換的過程稱為輻射換熱。

自然界中，所有物體都在不停地向四周發出輻射能，同時又不斷地吸收其他物體發出的輻射能，輻射和吸收的綜合結果就導致以輻射形式進行物體間的熱量轉移——輻射換熱。在這種換熱過程中，高溫物體發出的輻射能大於低溫物體發出的輻射能，若外界不額外供應能量，其溫度就會下降；而低溫物體正好相反，溫度會逐漸上升。直至兩物體溫度一致。兩物體溫度一致後兩者的輻射換熱仍會繼續進行，但兩者溫度不會改變，這就是熱動平衡。在熱處理過程中，熱輻射也是一種普遍存在的換熱現象，如工件的淬火加熱，工件在爐子裏主要依靠發熱體的熱輻射獲得熱量而加熱；真空爐中僅為熱輻射。還有一些我們不期望出現的熱輻射，如鹽浴爐鹽液面的熱輻射，造成了熱量的巨大浪費，這是需要設法降低的。2．特點

1)不需要媒介，可以在真空中進行；

2)換熱過程伴隨著能量形式的轉換，不僅僅只是能量的轉移，即：熱能→輻射能→熱能；

3)換熱時，換熱物體不互相接觸。

3．實質按照經典電磁理論，物體內部帶電粒子在做熱運動時，具有加速度就會發出電磁波。由於帶電粒子的振動頻率不同，因而可以發出不同波長的電磁波，不同波長的電磁波投射到被投射物體上可產生不同效應，而其中某些波段的電磁波主要產生熱效應，這就使得被投射物體獲得了熱量。6．3．2輻射能的吸收、反射和透過物體對於外界投入的輻射能Q，和可見光一樣，一部分能量Qα會被其吸收，一部分能量Qρ被其反射，還有一部分能量Qγ透射過該物體(見圖6.4)。

圖6.4輻射能的吸收、反射和透過

按能量守恆定律有：

Q＝Qα＋Qρ＋Qγ或Qα/Q＋Qρ/Q＋Qγ/Q=1(6－28)式中：Qα/Q——物體的吸收率，用α表示；

Qρ/Q——物體的反射率，用ρ表示；

Qγ/Q——物體的吸收率，用γ表示。則α＋ρ＋γ=1

由於原子結構、表面形狀、本身的溫度以及射線的波長的差異，不同物體對外界投入的輻射能的反應也不一樣。如果能全部吸收Q，即α=1，該物體則為絕對黑體，簡稱黑體；如果能全部反射Q，即ρ=1，該物體則為絕對白體，簡稱白體；如果Q能全部透過該物體，即ρ=1，該物體被稱為絕對透明體或絕對透過體，簡稱透過體。

自然界中並不存在絕對體，所謂絕對體，只是為了研究的方便，經過分析提出的概念，完全是人為的，在上述絕對體中，絕對黑體是我們研究的主要對象，在研究黑體輻射的基礎上，把實際物體和黑體輻射相比較，找出其中的偏離，然後進行必要的修正，得到符合實際物體規律和結果。這樣黑體輻射的研究就有了實際意義。說到底，絕對黑體就是一個研究實際物體輻射的參照體。6．3．3黑體輻射基本定律

1．普朗克定律

1900年，普朗克根據量子理論推導出黑體在不同溫度下的單色輻射力E0λ(角標“0”表示黑體)與波長λ及絕對溫度T之間的關係，即

E0λ＝（C1－5）/(C2·e－λT－1)(6－29)式中：E0λ——黑體的單色輻射力（單位時間單位面積的黑體表面向半球空間所有方向發射某一特定波長的輻射能）（W/m2）；

λ——波長(m)；

T——黑體的絕對溫度（K）；

C1——普朗克第一常數，其值為3.743×1016（W·m2）；

C2——普朗克第二常數，其值為1.439×10－2(m·K)。

按照普朗克定律即式(6－29)可繪出如圖6.5所示曲線，從圖上可以更清楚地顯示不同溫度下黑體的E0λ與波長的相互關係分佈情況。

圖6.5黑體在不同溫度下的單色輻射力隨波長的分佈圖

從圖6.5我們可得到如下規律：（1）黑體在每一個溫度下，都可輻射出波長從0到∞的各種射線，當λ趨近於0或∞時，E0λ值也趨近於零；（2）在每一溫度下，都存在一波長特定值λm，此時E0λ達到最大值；（3）隨著溫度T升高，λm向短波方向移動。T與λm存在如下反比關係，即維恩(Wien)定律：

λmT＝2．8976×10－3(m·K)(6－30)

從維恩定律可知，溫度越高，最大輻射力對應的波長越小，越接近於可見光範圍。因此我們可以從工件加熱時顏色的變化判斷其溫度，這就是利用觀察火色來判別加熱溫度的理論依據。例如從1000K到2000K之間，工件從暗紅色、紅色、亮黃色逐漸變成亮白色。

2．斯蒂芬——波爾茲曼定律

斯蒂芬與波爾茲曼分別於1879年和1884年用實驗確定和理論證實黑體不同溫度下全波譜輻射力E0的關係式，即

E0＝＝積分後得：

E0＝6.494C1T4/(C2)4＝σ0T4(6－31)式中：E0——黑體的全波譜輻射力或總輻射力（在一定溫度下，單位時間內物體單位表面積向半球空間所有方向發射出的所有波長的輻射能量的總和；

σ0——斯蒂芬－波爾茲曼常數（5.675×108(W·m－2·K－4)）。通常為了計算方便，將上式改寫成：

E0＝C0(T/100)4

（6－32）式中：C0為黑體的輻射係數，其值為5.675(W·m－2·K－4)。式(6－31)或（6－32）也稱為輻射四次方定律，它表明了黑體的輻射能力與熱力學溫度的四次方成正比。

3．灰體與實際物體的輻射如果某物體的的單色輻射力Eλ與同溫度、同波長下黑體的單色輻射力E0λ之比為定值．並且與波長和溫度無關，即

Eλ1/E0λ1＝Eλ2/E0λ2＝…＝Eλn/E0λn＝Eλ/E0λ

＝ελ＝定值（6－33）那麼，這種物體為灰體。我們把某物體的輻射力E和同溫度下的黑體的輻射力E0之比稱為該物體的黑度（輻射率），用ε表示；即

ε＝E/E0

（6－34）把某物體的單色輻射力Eλ和同溫度下的黑體的輻射力E0λ之比稱為該物體的單色黑度，用ελ表示；即

ελ＝Eλ/E0λ式（6－33）ελ即為灰體的單色黑度。根據和比定律，由式（1－33）可得（Eλ1＋Eλ2＋…Eλn＋…）/（E0λ1＋E0λ2＋…E0λn＋…）＝ε＝ελ

（6－35）所以灰體的黑度與它的單色黑度在數值上是相等的。

灰體的輻射力可用下式計算：

E＝εE0＝εC0(T/100)4＝C(T/100)4

（6－36）式中：C——灰體的輻射係數，C＝εC0；

ε——灰體黑度。上式表明，灰體的輻射力也遵循輻射四次方定律。

象黑體一樣，灰體也是不存在的一種理想物體，但工程上為計算方便，都將實際物體看作灰體來運用輻射四次方定律，實踐表明，在工業生產實用紅外線範圍（λ＝0.76～200μm）內，將大多數工程材料作為灰體處理時，不會引起嚴重的誤差，而計算卻大大簡化了。

4．基爾霍夫定律

物體的輻射和吸收是同一物體的兩種表現形式。基爾霍夫在熱平衡狀態下推導出那灰體的輻射力和吸收率的關係：灰體的輻射力與吸收率之比恒等於同一溫度下黑體的輻射力。即

E/α＝E0

（6－37）上式表明，物體的輻射力越大，其吸收率也越大，換句話說，善於輻射的物體也善於吸收。由於E/E0＝ε，所以灰體的黑度也等於同溫度下的吸收率，即

α＝ε（6－38）式（6－38）是基爾霍夫定律的另一種數學運算式。已知物體的吸收率α≤1,則物體的黑度（輻射率）ε≤1，可見物體的輻射能力總是小於同溫度下的黑體的輻射能力。6．3．4輻射換熱的應用

1．角度係數和有效輻射（1）角度係數

反映相互輻射的不同物體之間幾何形狀與位置關係的係數。任意放置的兩個均勻的輻射面F1和F2，由F1直接輻射到F2上的輻射能Q12與F1輻射出的總輻射能Q1的比值，稱為F1對F2的角度係數，用φ12表示。

φ12＝Q12/Q1

（6－39）同理F2對F1的角度係數φ21為：

φ21＝Q21/Q2

（6－40）角度係數只決定於兩個換熱表面的形狀、大小以及兩者間的相互位置、距離等幾何因素，而與它們的溫度、黑度無關。角度係數的數值在0~1之間。兩個輻射表面構成的一對角度係數存在如下關係：

F1φ12＝F2φ21

（6－41）這一關係稱為互變原理。也是角度係數最常用的性質。

下麵是一些常見簡單情況下的角度係數。

1)兩個相距很近的平行大平面組成的封閉系統，如圖6.6a所示，此時φ12＝1，φ21＝1。

2)兩個很大的同軸圓柱表面組成的封閉系統，如圖6.6b所示，它相當於長軸在井式爐內加熱時的情況。此時φ12＝F2/F1，φ21＝1。

3)一個平面和一個曲面組成的封閉系統，如圖6.6c所示，它相當於平板在馬弗爐內加熱時的情況。此時φ12＝F2/F1，φ21＝1。

abc圖6.6兩個表面組成的封閉系統（2）有效輻射由於投射到灰體表面的輻射能，只有部分被該物體吸收，因此提出有效輻射J的概念。它表示單位時間內由物體單位面積上放射出的總能量，即物體本身輻射和反射的能量之和，如圖6.7所示。有效輻射J的計算式為：

J＝εE0＋(1－α)G

＝εE0＋(1－ε)G（6－42）式中G為投射輻射，它表示在單位時間內外界投射在物體單位面積上的輻射能。圖6.7有效輻射和投射輻射示意圖

2．任意放置的兩表面組成的封閉體系內的輻射換熱在熱處理爐的輻射換熱計算中，最基本的是由兩個表面組成的封閉系統。設有兩個任意放置的兩灰體表面F1和F2，它們之間進行輻射換熱時，F1和F2的有效輻射J1F1和J2F2中，分別投射在F2和F1的部分各自為J1F1φ12和J2F2φ21。所以兩表面之間的輻射換熱量為：

Q12＝J1F1φ12－J2F2φ21

（6－43）由於

Flφ12＝F2φ21可得

Q12＝(J1－J2)/1/F1φ12

（6－44）或Q12＝(J1－J2)/1/F2φ21

（6－45）

若上述兩表面的溫度分別為T1和T2，且T1＞T2，則F1面將淨失的輻射熱設為Q1(—)，F2面將淨得的輻射熱為Q2(＋)。根據有效輻射J和投射輻射G的定義和式(6－41)，則有：

Q1(—)＝（J1－G1）F1＝(E01－J1)/(1－ε1)/ε1F1(6－46)Q2(＋)＝（G2－J2）F2＝(J2－E02)/(1－ε2)/ε2F2(6－47)

由於換熱僅發生於Fl和F2面之間，所以Q12＝Q1(—)＝Q2(＋)。解式（6－43）、(6－44)、(6－45)，可得F1和F2面之間的換熱量為：

Q12＝（E01－E02）/〔（1－ε1)/ε1F1＋1/F1φ12＋(1－ε2)/ε2F2〕

根據E0＝C0（T/100）4及式（1－41），上式可整理得

Q12＝C0F1φ12〔（T1/100）4－（T2/100）4〕/〔（1/ε1－1）φ12＋1＋(1/ε2－1）φ21〕

＝C導〔（T1/100）4－（T2/100）4〕F1φ12

（6－48）式中C導稱為導來輻射係數，其計算式為：

C導＝C0/〔（1/ε1－1）φ12＋1＋(1/ε2－1）φ21〕(6－49)

根據C＝εC0，又可寫成：

C導＝1/〔(1/C1－1/C0)φ12＋1/C0＋(1/C2－1)φ21〕

式（6－48）即為任意放置的兩表面組成的封閉體系內的輻射換熱量計算式。如果輻射面是兩個相互平行的大平面，此時F1＝F2＝F，φ12＝φ21＝1,代入式（6－48）則得：

Q12＝C導〔（T1/100）4－（T2/100）4〕F（6－50）此時C導＝C0/（1/ε1＋1/ε2－1）如果φ12＝F2/F1，φ21＝1，相當於長軸在井式爐內加熱和平板在馬弗爐內加熱，如圖6.6b及圖6.6c所示，則得：

Q12＝C導〔（T1/100）4－（T2/100）4〕F2此時C導＝C0/〔（1/ε1－1）F2/F1＋1/ε2〕

3．有隔熱屏時的輻射換熱

為削弱兩表面間的輻射換熱量，可在兩表面之間設置隔板，這種隔板即稱為隔熱屏，（見圖6.8)。圖6.8隔熱屏示意圖

圖6.8中顯示，在兩個平行的輻射面之間，平行地放置了一塊面積相同的金屬隔板，該隔板很薄，導熱係數很大，隔板兩側的溫度可視為相等。設兩換熱面的溫度分別為T1、T2，且T1＞T2，隔熱扳溫度為T3，它們的輻射係數和麵積均相等，根據式(6—48)，它們間的輻射熱量分別為：

Q13＝C導〔（T1/100）4－（T3/100）4〕F（6－51）

Q32＝C導〔（T3/100）4－（T2/100）4〕F（6－52）當體系內達到熱穩定態時，Q13＝Q32，即有（T1/100）4－（T3/100）4＝（T3/100）4－（T2/100）4

（T3/100）4＝1/2〔（T1/100）4－（T2/100）4〕（6－53）將式（6－51）代入式（6－49）或式（6－50）可得

Q13＝Q32＝1/2C導〔（T1/100）4－（T2/100）4〕F（6－54）式（6－54）表明，加入一塊隔板後，其輻射熱量是未加隔板時的一半，可寫成：

Q＝1/2Q12＝1/（1＋1）Q12(6－55)式中Q的上角標為隔熱屏的數量。

同理，如果兩面間加入n個隔熱屏，在導來輻射係數不變的情況下，可以得到：

Q＝〔1/（n＋1）〕Q12(6－56)

如隔熱屏材料的黑度較小，則減少輻射熱流量的效果將更明顯。如在兩塊黑度為0.8的大平板之間插入一塊黑度為0.05隔熱屏後，其輻射換熱量減少到原來的1/27。

4．三個表面封閉體系的輻射熱交換（通過爐門孔的輻射熱交換）在爐牆上常沒有爐門孔、窺視孔及其它孔口，當這些孔敞開時，爐膛內的熱量便向外輻射，在爐子設計計算過程中需計算這項熱損失。

這實際上是由三個表面組成的封閉系統的輻射熱交換問題（見圖6.9）。其中1面（爐壁內側的孔口面即高溫面）和2面（爐壁外側的孔口面即低溫面）為輻射面，3面（孔道周圍面）為不透熱的絕熱面。

圖6.9通過孔口的輻射

當爐牆厚度與孔口尺寸相比較小時，可以認為孔道周圍面3不影響爐膛的熱輻射，從孔口輻射的能量可以認為是黑體間（通常把爐壁孔道的兩側的高、低溫面看作黑體表面）的輻射熱交換：

Q＝C0〔（T1/100）4－（T2/100）4〕F式中，T1、T2分別為孔口內、外的溫度，F為孔口面積。當爐牆厚度與孔口尺寸相比較大時，從高溫面輻射出的能量有部分要落到孔道周圍面上，由於孔道周圍面為絕熱面，本身不得失熱量，它將把投射其上的輻射能量通過反射和輻射作用再全部投射到高溫面和低溫面，但反射或輻射到高溫面和低溫面的比例決定於其幾何形狀。這時輻射的能量計算可用下式：

Q＝C0Φ〔（T1/100）4－（T2/100）4〕F式中Φ為總輻射角係數，又稱為遮蔽係數。

Φ的大小與孔口的形狀、大小及爐牆厚度有關(見圖6.9)，孔口越深，橫截面積越小Φ值越小，遮蔽效果越好。圖6.9中的H的意義為，當孔口截面為矩形時，H是短邊邊長；正方形時，H是邊長；圓形時，H是直徑。S為爐牆厚度。圖6.9孔口的遮蔽係數1－拉長的矩形；2－1：2矩形；3－正方形；4－圓形6．4綜合換熱

在實際熱處理加熱過程中，前述的三種傳熱方式很少單獨出現，往往是兩種或三種傳熱方式同時發生，例如爐牆的散熱，電熱體首先將熱量以輻射和對流的形式傳遞給內爐壁，內爐壁則以導熱的形式將熱量傳遞給外爐壁，最後外爐壁再以輻射和對流的形式將熱量傳遞給車間空氣。所以，必須考慮綜合傳熱效果。6．4．1對流和輻射同時存在時的傳熱

工件在熱處理爐內加熱時，熱源常常同時以輻射和對流的形式將熱量傳遞給工件，其單位時間內傳遞給工件表面的總熱量為：

Q＝Q對＋Q輻＝α對（t1－t2）F＋C導〔（T1/100）4－（T2/100）4〕F

為了便於對更複雜的傳熱過程進行綜合計算以及對不同類型爐子的傳熱能力的大小進行比較，一般將它改寫成下列形式（傳熱一般方程形式）：

Q＝α對（t1－t2）F＋｛C導〔（T1/100）4－（T2/100）4〕｝·（t1－t2）/（t1－t2）F

＝（α對＋α輻）（t1－t2）F＝α∑（t1－t2）F（6－57）式中，t1、t2分別為爐膛溫度和工件溫度；α對、α輻和α∑分別為對流換熱係數、輻射換熱係數和綜合換熱係數，其中α輻＝C導〔（T1/100）4－（T2/100）4〕/（t1－t2），α∑＝α對＋α輻；F為工件表面積。

對不同類型的爐子，輻射和對流在爐內所起的作用並不相同。例如在中、高溫電阻爐和真空電阻爐內，爐膛傳熱以輻射換熱為主，α輻就代表這類爐子的傳熱能力。在低溫空氣迴圈電阻爐以及鹽浴爐內，爐膛傳熱以對流換熱為主，而其他傳熱方式可忽略不計，α對就代表了這類爐子的傳熱能力。對裝有風扇的中溫電阻爐或可控氣氛爐來說，對流和輻射的作用均不可忽略，因而這類爐子傳熱能力的大小，用α∑值來表示。6．4．2爐牆的綜合傳熱

圖6.11所示為爐牆散熱示意圖。爐壁內外表面溫度分別為t1、t2，爐膛內空氣溫度和爐外空氣溫度分別為t、t0，爐壁厚度為s，．熱導率為λ。

圖6.11平壁爐牆的綜合傳熱過程

該爐牆熱量傳遞過程表示如下：高溫爐氣以輻射和對流方式傳遞給內爐壁的熱流密度為：

q1＝α∑1（t－t1）（6－58）內爐壁以傳導的形式傳遞到外爐壁的熱流密度：

q2＝λ（t1－t2）/s（6－59）外爐壁以輻射和對流方式傳遞給車間空氣的熱流密度為：

q3＝α∑2（t2－t0）（6－60）在穩定傳熱情況下，q1＝q2＝q3＝q，將式（6－56）、（6－57）、（6－58）整理後得

q＝（t－t0）/（1/α∑1＋s/λ＋1/α∑2）(6－61)式中：q——爐氣通過爐牆向車間空氣中的散熱熱流密度；

α∑1——爐氣對爐牆內表面的綜合傳熱係數〔W／(m2·℃)〕；

α∑2——爐牆外表面對空氣的綜合傳熱係數〔W／(m2·℃)〕；

由式(6—61)可以看出，爐牆內外氣體可看成是多層平壁的組成部分．即平壁內側有一附加層，熱阻為1/α∑1，其外側也有一附加層，熱阻為1/α∑2。由於α∑1值較大，故其熱阻1/α∑1很小，可以忽略不計。另外，爐牆外壁溫度要求低於60℃，此時α∑2

一般為18W／(m2·℃)，因此1/α∑2

＝0.06(m2·℃)/W。式(6—61)可以寫成

q＝（t－t0）/（s/λ＋1/α∑2）＝（t－t0）/（s/λ＋0.06）（6－62）對於n層爐牆的傳熱，可導出下式：

q＝（t－t0）/s1/λ1＋s2/λ2＋…＋sn/λn＋1/α∑2）＝（t－t0）/s1/λ1＋s2/λ2＋…＋sn/λn＋0.06）（6－63）n層爐牆的綜合傳熱的熱量為

Q＝（t－t0）/s1/λ1＋s2/λ2＋…＋sn/λn＋1/α∑2）F

＝（t－t0）/s1/λ1＋