高温箱式加热炉的设计Word格式.docx
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4．采用可控气氛炉，进行无氧化加热和提高化学热处理的效果。
5．采用能提高节能效果的耐热钢，耐火材料，保温材料等新材料。
第二章热处理基础知识
2.1热处理原理
在热处理产品中80%为的热处理件为钢铁制品，包括钢厂生产的钢棒和钢管、铸件、锻件、焊接件、机加工件、轧制件、冲压件、拉拔件或挤压件等。
钢的热处理：
是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保暖和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。
热处理不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，而且还可以用于改善钢材的工艺性能。
其共同点是：
只改变内部组织结构，不改变表面外形与尺寸。
热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
热处理工艺分类：
1、整体热处理：
包括退火、正火、淬火、回火和调质；
2、表面热处理：
包括表面淬火、物理气相沉积和化学气相沉积等；
3、化学热处理：
渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
2.2热处理的主要工艺
钢的退火将钢件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。
退火的作用：
降低硬度，提高塑性；
细化晶粒，消除组织缺陷，消除内应力，为淬火作好组织预备。
退火根据加热温度可分为在临界温度以上或以下的退火，前者又称相变重结晶退火，包括完全退火、扩散退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火；
后者包括再结晶退火及去应力退火。
钢的正火将钢件加热到Ac3以上30～50℃，保温适当时间后；
在静止空气中冷却的热处理工艺称为正火。
正火的目的：
细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。
正火保温时间和完全退火相同，应以工件透烧，即心部达到要求的加热温度为准，还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。
钢的淬火将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间。
然后以适当速度冷却获得M或B组织的热处理工艺。
淬火的效果：
显著提高钢的强度和硬度。
淬火的介质主要为水或油。
主要的淬火方法有：
单介质淬火、双介质淬火、局部淬火、马氏体分级淬火、马氏体等温度淬火。
钢的回火钢件淬火后，再加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
回火的作用：
稳定组织，消除淬火应力；
调整硬度、强度、塑性、韧性。
回火的主要方法有：
低温回火、中温回火和高温回火。
2.3热处理设备
在机械制造过程中，热处理占重要地位，它对保证产品质量，提高机器工作效能和延长机器使用寿命都起着重要的作用。
在任何一种热处理工艺，只有通过相应的设备才能实现。
目前，热处理设备的种类已十分繁多，根据它们在热处理生产过程中所完成的任务，通常将热处理设备分为主要设备和辅助设备两大类。
为了增加产量、提高质量和改善劳动条件，推行流水生产和自动化生产，又组合成了许多综合热处理设备——热处理联合机。
主要设备是完成主要热处理工序所用的设备，包括加热设备和冷却设备。
这类设备对热处理效果和产品质量起决定性的作用，两者之间又以加热设备为最主要，包括各种热处理炉和加热装置。
辅助设备是完成各种辅助工序及主要工序所中的辅助动作所用的设备及各种工夹具。
主要包括清洗设备、校正设备、起重运输设备、控制气氛设备及各种工夹具等。
热处理炉是最重要的热处理设备。
为了便于选择使用和分析比较，常依以下几种特征进行分类：
1．按热能来源分类：
分为电阻炉、燃料炉。
2.按工作温度分类：
分为低温炉（≤650℃）、中温炉（650～1000℃）、高温炉（>
1000℃）。
3.按炉膛介质分类：
分为自然介质炉、浴炉、可控气氛炉、真空炉。
4.按作业规程分类：
分为周期作业炉、连续作业炉。
第三章炉体材料
3.1耐火材料
用来建筑炉子的材料统称为筑炉材料，它包括：
耐火材料、绝热材料、筑炉砖、地基材料和金属材料等。
凡具有能抵抗高温以及在高温下所产生的物理和物理化学作用的材料统称为耐火材料。
耐火材料的基本特性可以通过它的物理性能和工作性能来表示。
耐火材料的物理性能包括体积密度、真比重、气孔率、吸水率、透气性、耐压强度、热膨胀性、导热性、导电性及热容量等。
判断耐火材料的使用性能的重要指标有耐火度、荷重软化点、抗渣性、耐极冷极热性、重烧收缩等。
热处理炉对耐火材料的性能的要求：
1）在高温下不发生熔化或软化；
2）在高温使用情况下能承受一定得压力及其他机械负荷面部变形；
3）在高温长期使用情况下应保持一定的体积稳定性；
4）当温度急剧变化时不致破裂和剥落；
5）能抵抗金属及炉气等的化学侵蚀作用；
6）制品必须具备一定得外形尺寸；
7）对于热处理电阻炉来说，还要求在高温下有良好的绝热性能。
不致因发热体接触而产生漏电。
同时要求在高温下耐火材料与电热体相互间不起化学作用；
8）在不影响强度的情况下，密度应愈小愈好，这样既能减少炉衬耐火砖体的蓄热，又能降低炉子的热传导损失。
各种热处理炉中用得比较普遍的耐火材料有：
普通耐火粘土砖、轻质耐火粘土砖、高铝砖、刚玉砖、硅砖、金刚砂制品等数种。
1.粘土砖粘土砖的原料主要是耐火粘土和高岭土，主要的矿物成分是高岭石（AI2O3·
2Si2O·
H2O）。
耐火粘土和一般泥土不同的地方是杂质含量少，耐火度高（大于1580°
）。
粘土砖的应用范围极广，可用来修砌热处理炉室、燃烧室、烟道、烟囱等以及其他和高温炉气接触的内衬。
2.高铝砖由矿物或含有高氧化铝的人造材料制成，一般制品中的氧化铝（AI2O3）的含量为45～75%，它的耐火度为1750～1920℃，其耐极冷极热性及抗渣性亦很良好。
高铝砖常被用来砌筑盐浴炉的炉膛和各种电阻炉的电热元件搁板。
3.刚玉砖是属于高铝砖一类的耐火砖，它由矾土刚玉、铁矾土及其他材料以耐火粘土为结合剂用焙烧法制成。
通常用作搁置各种电热元件的架板和用在耐火度及强度要求比较高的地方。
4.硅砖是一种含SiO2在93%以上的氧化硅质耐火材料。
它是由石英岩粉碎后加石灰乳或其他粘接剂制成的。
在评价硅砖的质量时，体积密度、真比重及荷重软化点是三个主要指标。
5.碳化硅质耐火材料是用碳化硅及少量加入物成型烧制而成。
碳化硅是用纯石英砂和焦炭，并加入5～10%锯木屑和1～2%食盐混合后在特殊电炉内于2000～2200℃高温下制得的。
碳化硅制品当使用温度高于1300℃时易被氧化，并易被碱性炉渣所侵蚀。
碳化硅质制品常用于制造耐火板，换热器元件，马弗炉及电炉的高电阻电热体等。
3.2轻质耐火材料和绝热材料
在热处理炉的热支出项目中，炉墙本身的蓄热和通过炉墙向外散失的热量占有很大的比例。
为了减少这方面的热损失，在砌筑热处理炉等热工设备时，常选用一些轻质耐火材料和绝热材料。
轻质耐火材料和绝热材料的特点是体积密度小，气孔率大，因而它本身所积蓄的热量和通过它向四周扩散的热量就大为减少。
提高了炉温并降低了燃料的消耗量，同时还可以降低车间的温度改善劳动条件。
目前采用三种方法制造轻质耐火材料：
1）烧掉加入物法：
生产轻质粘土砖时，配料中约含35%耐火粘土，20%熟料，此外并有45%木屑、无烟煤末或焦炭等加入物。
成型后在氧化气氛中烧成。
在烧成过程中这些加入物被烧掉，在砖内造成大量孔隙，这样就制成了体积密度较小的轻质耐火材料。
制造轻质硅砖和高铝砖的方法于此类似。
2）泡沫法：
用松香，苛性钠制成松香皂，加水后制成泡沫乳剂，将此泡沫液加入到熟料和粘土及5%锯末屑制成的泥浆中，搅拌均匀制成泡沫砖料。
为了使泡沫稳定，可使用少量铝钾明矾溶液。
把这些砖料铸入铁模中成型，干燥后取出在窑中进行烧制。
3）化学法：
向由熟料和粘土配成的砖料中加入少量白云石或石灰石。
白云石或石灰石用稀硫酸溶液处理时放出CO2,处理后泥料立即进行浇注，因而砖料激烈胀大。
为使胀大后的砖坯体积稳定，可向砖料中加入矾土水泥，石膏等，以使砖料胀大后随即硬化。
上述轻质耐火砖可以用作高温绝热材料。
当温度低于900℃时，所用的绝热材料有：
石棉、硅藻土、矿渣棉和蛭石等。
它们都是一些含有很多细小气孔的材料，气孔愈多，愈小则其导热系数也就愈低。
各种绝热材料既可以作为散料直接使用，也可以加水调成胶泥涂抹使用或制成绝热砖或隔热板使用。
在选用绝热材料时应考虑到它的最高使用温度，超过规定温度后绝热材料就会丧失强度或破裂。
第四章高温箱式热处理炉的结构设计
4.1炉子结构设计
炉子设计所依据的基本技术条件和原始数据应包括：
典型工件的名称，形状尺寸和简图，材料，重量以及技术要求等；
热处理典型工件曲线或工艺过程；
生产批量及生产率；
其它质量要求；
机械化作业程度；
投资金额等。
4.1.1炉膛尺寸的确定
炉膛的尺寸是炉体结构设计的重要数据。
它与工业炉产量、技术工艺操作、物料的尺寸、形状及其在炉内的布置等因素有关。
我国生产的电阻炉已经标准化了。
可以根据毛坯需要加热的温度、工艺要求的生产率来选用。
下面为110－30型箱式热处理炉的技术规格：
技术规格
炉子型号110-30
额定功率（千瓦）
电压（伏）
相数
最高工作温度（℃）
空载损失功率（千瓦）
生产率（公斤/时）
炉膛尺寸（毫米）
长
宽
高
电炉连耐火砖炉衬共（吨）
30
380/220
3
1300
12±
10％
50
400
300
250
2.3
4.1.2炉墙的砌筑
加热炉的炉墙式垂直的，厚达两块砖以上。
其中内层耐火材料为1.5至2块。
外层为绝热材料，外部用厚为5～10mm的钢板作为保护壳。
加护炉外钢板的目的除了可使炉体坚固外，还可以保证工业炉的气密性良好。
炉墙的最经济厚度，应根据砌体的材料费和蓄热散热损失引起的燃料费等进行优化计算确定。
炉墙上设置炉门以便装入和取出被加热的物料以及观察和调拨炉料。
炉墙上还留有窥视孔、测量孔及设置燃烧装置等，这些炉门、开孔和装置的数量、大小及位置的安排要由物料的尺寸、工艺操作的方便及工业炉结构的具体情况而定，并且不影响炉体的坚固和严密。
4.1.3炉顶的砌筑
炉顶使炉膛组成中的薄弱环节。
炉顶是否牢固可靠，对工业炉工作由重大影响。
由于炉顶的损坏而降低工业炉的作业率等，所以工业炉的设计时对炉顶的可靠性必须予以足够的重视。
炉顶按其结构形式可分为拱顶和吊顶（悬挂顶）。
拱顶的有点是结构简单、施工方便、成本较低。
当炉宽（工业炉跨度）小于4m时，可以采用拱顶结构。
拱顶可用楔形砖砌筑或不定形耐火材料捣制而成。
拱顶的中心角一般有60°
、90°
、180°
，常用的60°
拱顶，称为标准拱顶，其半径R等于工业炉的跨度B，拱顶矢高h＝0.134B。
为将拱顶重量分解成水平推力和垂直重力通过钢结构传到基础上，拱顶配有拱脚砖和拱脚梁。
拱脚砖可根据拱顶的中心角和拱顶耐火层厚度选配，拱脚梁的大小则根据强度计算决定。
拱顶的厚度和材质与工业炉跨度的炉内的温度条件有关。
一般随工业炉跨度增大，拱顶厚度也可适当增厚，加热炉拱顶厚度通常选用230～300mm。
加热炉拱顶一般可采用粘土质耐火材料砌筑。
拱顶上面是否覆盖绝热材料视温度条件和拱顶材质而定。
绝热材料可采用轻质绝热砖、板或散状材料。
由于炉顶散热约占工业炉砌体散热损失的40％～60％，所以加强炉顶绝热比炉墙绝热更为重要。
4.1.4炉门的设计
炉门的设计必须能关闭严紧，重量轻，强度大，热的性能好。
这里所谓的热的性能包括保温能力强和高温时机械强度大。
通常炉门的形式依据气动的形式可分为提升式和铰链式两种。
除非小型或加热物在炉内需留置集热的电炉外，一般均用提升式炉门。
炉门除了遮蔽炉门口的热辐射外，还有保持炉膛密封性的作用。
若密闭不严吸入冷空气，不仅会增加热损失，加重氧化脱碳程度，也影响加热均匀性箱式炉的炉门与炉框的接触面应经过机械加工，以保证良好的密封性。
炉门框架内的填充的耐火材料必须牢固，因炉门的厚度不大，所用材料必须有良好的保温性，宜采用超轻质耐火材料，并精心砌筑。
为了能关闭严密减少热损失，炉门必须较门孔为大，既有一部分炉门与墙重迭。
重迭的尺寸最少每边有65毫米，通常每边为130毫米，200毫米以上的一般不采用。
炉门的密封方式，有的利用斜面靠炉门自重压紧，斜面角a大小对炉门的密封性有直接影响。
中等炉可选择2.5°
～3.5°
；
大型炉可选取1.5°
。
炉门的损坏的主要原因之一是启闭时的磨损，因此设计时我们可使炉门在开始启开后立即与炉前墙离开，这样可以减少启闭时的磨损，要达到这一要求，炉门可用倾斜式的的设计或炉门上加楔形装置。
4.1.5炉衬材料和厚度的确定
在生产上没有特殊要求时，炉子外表的表面温度一般不超过40～60℃。
表面温度太高。
炉子的热损失则大，太低时炉衬的厚度应大，增加整个炉子的体积。
侧墙、前后墙的耐火层厚度350mm，保温层250mm，石棉板10mm；
炉底耐火层300mm，硅藻土砖310mm，炉门耐火层230mm，硅藻土砖130mm。
耐火层选高铝砖和轻质粘土砖，保温层选蛭石粉。
4.2钢结构的确定
工业炉的钢结构的特点是紧靠高温炉体，所处环境温度较高，工作温度也常有变化，因此工作条件较为恶劣。
除有特殊要求采用活动连接外，工业炉金属构件的连接，一般都采用焊接。
由于钢架是固定死的，所以各部分砌体均需留有膨胀缝，以免受热后钢架变形。
所有构件要尽量采用不需要特殊订货的标准型号热轧钢材。
钢架结构的计算如下
图2所示为拱顶作用力，炉顶对拱脚砖发生压力。
这个力可以分为水平分（推）力P和垂直分（重）力G/2。
简化计算，不计拱内剪力和弯矩，没有轴向变形，则两分力的扭转力矩必然相等。
这样，两根立柱之间的拱顶作用在立柱的水平推力（N）
（4-1）
式中：
G为两个立柱之间拱顶的重量（Kg）；
B为拱顶的跨度（mm）；
H为拱顶的矢高（mm）；
K1为温度系数，参考下表1；
K2为拱顶中心角修正系数，K2=
参考下表2.
表1推力随温度增加的温度系数K1
炉温℃
常温
《900
900～1100
1100～1300
》1300
K1
1．0
2．0
2．5
3.0
3.5
表2拱顶中心角修正系数K2
拱顶中心角
60
90
120
180
K2
1.866
1.207
0.866
0.5
经计算两个立柱之间拱顶的重量G为1012Kg,拱顶的跨度为300mm
P=1012x3.5x1.866/2=3305N
拱脚梁所受水平方向的弯矩（N·
mm）
（4-2）
式中，
为两立柱之间的距离（cm）
My=3305x124/8=51227.5
拱脚梁水平方向的界面系数（mm3）
（4-3）
Mly=51227.5/1600=32.0
立柱的破环主要是由于弯曲应力起作用。
其最大弯矩（N·
h1、h2、h为立柱主要尺寸（mm），
=115403
截面系数（mm3）
（4-4）
W=115403/1600=72
炉顶上拉杆的破坏主要是拉力在起作用。
所受拉力
（4-5）
P1=3305×
54.4/151.9=1183.6
要求上拉杆的断面积可由拉力决定
（4-6）
=1183.6/470=0.8
依据上述计算可确定所用材料的截面积，并选定所需钢材。
拱脚梁为10号槽钢
立柱为14号槽钢
上拉杆为5号等边角钢
第五章热处理炉电热体设计
5.1电热元件材料
电热体时电阻路的发热体，它是炉子很重要的部分。
炉子发热量是否达到要求，这于所采用的电热材料和结构有关，所以设计中要经过详细的计算和选择电热材料，以便在经济上和技术上都能达到合理。
间接电阻炉的电热体可分为两类：
金属电热体和非金属电热体。
一般采用的金属电热体包括一些电阻比较高的金属，如：
钼，钨，钽等和各种高电阻的合金，如：
镍铬铁合金，铬镍铝合金以及铜镍锰合金等。
非金属电热体包括石磨、炭、碳化硅等。
5.1.1电热元件材料应具有的性能
电热元件常在高于炉温100～200℃的温度下工作，因此要求所用的材料应具备以下性能：
1．较高的比电阻，以便制成适当尺寸的元件；
2．较小的电阻温度系数，以便温度波动时不引起炉子功率较大变动；
3．较高的化学稳定性，在高温下不易氧化或与炉衬材料及炉内气氛发生化学反应；
4．较好的加工性能及较高的高温强度，易于加工成各种形状及易于焊接，在高温下不易变形；
5．较小的热膨胀系数，以免元件在高温下过度伸长而造成工作困难。
5.1.2各种电热材料的特性
1.钼熔点2630℃，最高使用温度可达到1600℃。
在高温的状态下，很易氧化，在600℃左右时，就与空气起氧化作用，生成氧化钼（MoO3）气体挥发，所以使用钼作为电热材料时，必须考虑它在高温下的稳定性，必须有保护气，或抽真空。
钼的电阻系数很大，αt＝5.5×
10-3，比电阻ρ＝0.045欧姆毫米2/米。
钼的电阻随温度升高增加很大；
为了使炉子功率稳定，在电路上必须有安有变阻器或变压器来调节电压。
钼可以制成丝状、带状或棒状，因为钼的性质很脆，不易烧成螺旋状。
一般钼丝使聚成一束，在炉膛四周竖绕。
高温下钼与各种耐火材料会起作用，为了避免钼与炉内的耐火材料接触，最好设置支撑或钩子来支持钼电热体。
一般1350～1600℃的炉子均采用钼为电热材料。
2.钨钨的熔点3410℃，使用温度2000～2500℃，棒状可达到2500℃。
钨和钼一样在高温下很易氧化，所以使用时要有保护气体或抽真空。
钨的性质与钼大致相同，它的电阻温度系数很大，αt=5.5×
10-3，比电阻很小ρ＝0.05欧姆毫米2/米，使用时，也必须有安有变阻器或变压器来调节。
才能保持炉子功率稳定和增加其寿命。
在高温下，钨也要避免与耐火材料相接触。
钨是贵重金属，在工业上采用钨为电热体比较少，一般是用在小型的实验炉子，炉温为1600～2200℃时采用。
3．镍铬合金镍铬合金的熔点随其合金成分而定。
在1000℃以下的炉子均可以使用镍铬合金为电热材料。
镍铬合金最大的优点就是在高温下不易氧化，因为在其表面生成氧化铬（Cr2O3）薄膜，它可以保护内部的镍铬合金不受氧化。
所以不需要任何气体保护。
镍铬合金的比电阻相当高ρ＝1—1.45欧姆毫米2/米，电阻温度系数也较小，αt=0.3x10-3－0.3x10-4，所以当温度升高时，电功率较稳定。
镍铬
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