热处理车间课程设计指导书修改稿.docx
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热处理车间课程设计指导书修改稿
专业课程设计Ⅰ
——热处理车间设计
指导书
专业：
材料科学与工程
方向：
金属材料
一、课程设计目的与任务
1．设计目的：
《热处理车间设计》是金属材料专业必修设计课程，是应用所学热工基础、热工设备、热处理工艺学、热处理工艺及设备进行设计的课程。
通过该专业课程设计，使学生掌握热工设备、热处理设备、热处理工艺及热处理原理等相关知识，培养学生综合应用所学知识的能力。
2．设计任务：
指定需进行热处理的工件类型及年产量，给定工件使用要求，学生根据所学知识设计热处理工艺，选择合适的热处理设备，并确定设备数量。
根据设备类型及数量要求进行热处理车间的面积设计及设备布置方式的确定。
写出完整专业课程设计报告，绘制工艺流程图及车间布置简图。
二、课程设计的基本内容
1．热处理工艺设计：
根据不同工件类型及使用要求，选择合适的预备热处理及后续热处理工艺，绘制工艺流程图。
2．热处理设备选择：
根据热处理工艺要求，选择合适的热处理设备类型，根据工件年处理量确定设备数量。
3．热处理车间布置设计：
根据所确定的热处理设备及数量，结合热处理工艺实施合理性，参照车间设计注意事项，绘制车间布置图。
4．完成课程设计报告。
5．绘制车间简图，能够表达出设备布置、工艺流程等信息。
三、设计要求
1）按质按量按时书写课程设计报告，按照处理工件及热处理工艺要求对热处理设备进行确定、选型、确定台数，并根据工序合理安排车间分布、面积及设备布置情况。
写出完整设计报告，具体体现设计原理、计算理论依据，包括：
设计任务书、计算书、设备选型、设计结果（包括设备图、设备一览表、计算结果汇总等）、参考资料、设计体会。
绘制工艺流程图、设备布置图。
2）认真对待设计每个环节，遇到问题及时与指导老师探讨，尽快解决问题。
遵守纪律，按时参加设计工作，每日工作时间不少于6学时。
四、进度安排
教学内容
学时
地点
备注
热处理工艺设计基础知识
2
教室
指导教师讲解
热处理车间设计基础知识
2
教室
指导教师讲解
热处理设备介绍，下达设计任务
2
教室
指导教师讲解
设计
34
设计室
学生自行设计，指导教师指导并答疑
五、成绩评定
按设计过程情况和设计报告、图纸评定优、良、中、及格、不及格。
设计成绩组成：
平时设计过程情况占30%，图纸、设计报告占70%。
热处理车间设计概述
（一）热处理车间及热处理车间设备分类
一、车间分类：
1．预先热处理车间（第一热处理）：
毛坯件的热处理。
如退火、正火及调质。
2．工件热处理车间（第二热处理）：
机械加工后工件的热处理。
单独或与机械加工车间和工具车间合并。
3．工具热处理车间（或工部）：
刀具、量具、模具的热处理。
单独或与工具车间合并。
4．综合热处理车间：
上述车间整体或部分合并。
各类热处理车间的规模与划分，如表1。
表1热处理车间规模与划分
厂类别
生产特性
规模
车间或工部划分
工具热处理工部
综合热处理车间或工部
热处理车间
表面热处理工部
重型机械厂
热处理件比重较大，工艺复杂，单件小批生产
2500-3150t以下水压机
有
有
6000t以下水压机
有
有
12000t以下水压机
有
有
冶金、矿山设备厂
中型工件，工艺多样，单件小批生产
3t锻锤以下
有
1250t以下水压机及锻锤
有
有
起重运输机器厂
热处理件占百分比少，齿轮多，小批生产
1t以下锻锤
有
化工炼油设备厂
热处理件占百分比少
1t以下锻锤
有
工程机械厂
中型工件，工艺多样，中批生产
产量1万吨以下，3t以下锻锤
有
所在厂房
辅助车间内
辅助、金工或独立厂房内
与粗加工合一厂房或独立厂房
金工车间生产线上
二、热处理车间设备的分类
1．主要设备
完成主要工序所使用的设备。
1）加热设备：
各种加热炉、加热装置、接触电热装置、电解液加热装置、火焰加热装置、感应加热装置及热处理自动线等。
2）冷却设备：
缓冷设备（冷却室、冷却坑及等温或分级淬火用热处理炉）、淬火冷却设备（淬火槽、淬火机、淬火压床）和低温冰箱。
2．辅助设备
完成辅助工序所使用的设备。
1）清理与清洗设备：
去掉工件热处理后的氧化皮。
预先热处理车间：
酸洗、清理滚筒、喷丸及喷砂等。
工件热处理车间：
喷丸、喷砂。
工具热处理车间：
喷丸。
2）校直设备：
热处理后弯曲变形的工件，需手动或液压机校直。
小型工件：
手动螺旋压床或齿条压床。
中型或大型工件：
液压床或机械压床。
根据工件的直径和组织状态选校直机的型式，如表2。
表2校直机的型式和生产能力
工件直径（mm）
校直机压力（t）
校直机型式
生产能力（个/小时）
工件组织状态
5-10
10-30
20-30
30-60
50-70
80-200
300-400
1-5
5-25
10-30
15-50
25-63
50-100
500
手动
液压
液压
液压
液压
液压
液压
70-90
60-80
50-70
30-40
15-20
10-15
1-3
调质
调质
调质
调质
调质
φ200正火
φ400正、退火
3．附属设备
附属设备是服务于主要设备和辅助设备的，如起重运输设备（电动葫芦、电动单梁起重机、电动双梁式起重机、淬火用起重机以及悬臂起重机等），控制气氛发生装置，油循环冷却装置，燃料储存装置等。
另外还有检验设备，如硬度计、砂轮机、切割机、金相显微镜、金相试样制备设备、磁力探伤机以及其它检测设备等。
4设备附图
4.1电阻炉电阻炉是利用电阻发热体供热的一种炉型，常用的有箱式、井式和台车式三种。
（1）箱式电阻炉（如图1所示）主要靠电热元件的辐射进行加热，炉温一般在1000℃以下。
箱式炉由于其通用性强，可用于碳钢、台金钢件的退火、正火、淬火和回火以及固体渗碳等多种热处理操作。
大型电炉还在炉顶、炉膛后壁和炉门上装有电热元件。
典型箱式炉其型号和技术规格见表3。
图1箱式电阻炉结构
为了减少工件加热时的氧化脱碳，对老型号箱式炉进行改造，在炉上装有通入保护气氛或滴入煤油等液体的进口管和出口气体燃烧管，并且加强炉壳、炉顶、炉门各部分的密封性能，改进后的箱式炉其型号和技术规格见表4。
表3箱式电阻炉型号及技术规范
表4保护气氛箱式电阻炉型号及技术规格
（2）箱式电阻炉（如图2所示）台车炉的特点是加热室（炉膛）固定而炉底可活动。
加热室的构造与箱式炉相似。
活动炉底是一个台车，台车可沿地面上铺设的轨道靠机械结构拉出炉外，便于装卸工件，减轻工人劳动强度。
台车式电阻炉可供大型工件（大型铸锻件及锻模等）的正火、退火、淬火加热及固体渗碳等热处理加热。
常用的台车式电阻炉技术规格和型号见表5。
（3）井式电阻炉井式电阻炉适用于需垂直悬挂加热的较长工件。
其密封性较好，热效率高，热损失较小，工件进出炉方便，应用极为广泛。
国内生产的井式电阻炉有高温井式电阻炉、中温井式电阻炉、低温井式电阻炉和井式气体渗碳炉四种，井式电阻炉的最大功率达1000kw，炉膛深度达20-30m。
常用的井式炉型号及技术规格见表6。
井式电阻炉一般用电阻丝分层绕在四周炉壁上，并分段控温。
高温炉也可采用碳硅棒作为电热元件。
图2台车式电阻炉结构
1—炉门装置；2—风扇；3—炉壳；
4—炉衬；5—电热元件；6—台车
7—台车接线扳；8—台车拖动装置
表5台车式电阻炉型号及技术规格
①低温井式电阻炉又称井式回火炉。
国内生产的低温井式电阻炉的最高工作温度为650℃，主要用于淬火工件的回火及有色金属的热处理加热，其构造见图3。
②中温井式电阻炉，这种炉型的炉膛通常为圆形或方形截面，深度不等。
此炉常分为几个加热区，实行分段控温，以保持整个高度上的温度均匀。
使用时可用吊车装卸工件，炉盖可使用砂封、油封等方法严密封闭．因而热损失较小，其结构见图4。
国内生产的中温井式电阻炉的最高工作温度为950℃，主要用于轴类工件的退火、正火和淬火加热，高速钢拉刀的淬火预热及回火等。
③井式气体渗碳炉，其技术规格见表7，其结构见图5。
这种炉子主要用于钢的气体渗碳，也可用以进行气体渗氮、碳氮共渗及重要零件的淬火、退火加热。
图3
表6井式电阻炉型号及技术规格
图4
图5
（4）可控气氛多用炉这种炉型是箱式炉的改进型，如图6所示。
此炉的炉气成分可进行控制，能满足光亮正火、退火、淬火、渗碳、碳氮共渗等热处理工艺要求，故又称为可控气氛热处理炉。
可控气氛是对保护气氛和可控的渗碳（或碳氯共渗）气氛的统称。
根据制备原理不同，我国较常使用的可控气氛主要有吸热式气氛、放热式气氛、氨分解（或氨燃烧）气氛，氮基气氛等。
4.2盐浴炉盐浴炉是利用熔盐作为加热介质的热处理设备，其特点是结构简单，炉温均匀，加热速度快，炉温调整和控制方便，正确操作可避免氧化脱碳，多用于淬火加热。
盐浴炉按热源方式可分为内热式和外热式两种。
内热式以电极盐浴炉应用最普通，外热式按热源种类不同，分为电热式和燃料加热式两种。
（1）外热式坩埚盐浴炉由盛盐浴的耐热钢制的坩埚和加热坩埚的炉体构成，热源常为电能。
坩埚盐浴电阻炉的结构见图7；其型号及技术规格见表8。
表7井式气体渗碳炉型号及技术规格
图6
（2）电极盐浴炉它是在井状炉膛内插入或在炉墙中埋入电极，通以低电压大电流的交流电，借助熔盐的电阻发出热能，使熔盐达到要求的温度，并使熔盐中的工件加热。
根据熔盐选择不同，加热温度范围大约为500～1350℃。
由于电流通过熔盐时产生强电磁循环，促使熔盐翻腾，因而炉温易均匀，且加热迅速。
图8和图9是常见的插入式电极盐炉和埋入式电极盐炉的结构图。
其型号及技术规格分别见表9和表10。
图7
表8
图8
图1-8
表9
图9
表10埋入式电极盐浴炉的型号及技术规格
（二）热处理车间生产纲领的确定
一、车间生产纲领的确定
车间生产纲领是车间的计划任务，即车间每年应生产的工件重量或件数。
车间生产纲领依据全厂生产纲领编制。
是决定车间规模合选择设备的依据。
根据条件不同，给出的纲领形式也不同，常见的生产纲领分为明显生产纲领和不明显生产纲领。
后者又分为隐蔽生产纲领、折合生产纲领、假定生产纲领和推算生产纲领。
1．明显生产纲领
明确给出热处理工件的品种和数量。
车间实际生产纲领只需加上生产过程中的损失量即可算出：
A——车间生产纲领，吨/年或件/年；
A0——热处理工件计划数量（包括备品、返修品合检查试验用的工件），吨/年或件/年；
δ——车间生产损失率（车间返修品或实验用工件），％；
2．隐蔽生产纲领
只给出工厂产品的台数，未指定热处理工件的品种和数量。
3．折合生产纲领
只给出一部分产品的品种和数量，其余只给出重量或折合成典型产品的数量。
4．假定生产纲领和推算生产纲领
只给出产品类型和总重量。
机修车间、辅助车间的生产任务常不能独立确定，所以它所属的热处理工部的生产纲领，只能依所服务的机床数量及负荷率推算。
例如每台机床需要工具或每吨锻件需要锻模数量。
表11、表12的数据可供参考。
为便于计算，可将车间产品明细及年生产数量列表，如表13。
表11工具、机修车间热处理纲领的计算指标
序号
项目名称
单位
工厂类型
重型机械厂
矿山、通用工程等中型厂
年产<5000吨的小型工厂
1
工具（按生产、辅助车间的主要机床计算）
吨/年
0.4
0.3
0.25
2
机修（按全厂维修设备台数计算）
吨/年
0.2
0.15
0.12
表12锻工工具热处理生产纲领计算指标
序号
项目名称
计算依据
单位
指标
1
模锻工具
按每吨锻件计算
kg/t
20-30①
2
胎模锻工具
按每吨锻件计算
kg/t
20-30
3
自由锻工具
按每吨锻件计算
kg/t
12
①考虑锻模使用翻新，纲领应为此数的3～5倍。
表13热处理车间生产纲领明细表
序号
工件名称
工件编号
材料
外形尺寸（mm）
年产台数
每台件数
工件重量（kg）
生产纲领（吨/年或件/年）
备注
计划产量
备品数量
设计
产量
在编制车间生产纲领时应考虑到：
（1）锻件、铸件、刚才热处理应按毛坯与轧件重量统计；
（2）零件应按加工图纸重量统计。
（3）中型调质件可按零件净重增加5～10％做为热处理件重量；大型锻件是在粗加工后进行热处理，其热处理件一般约比零件净重增加10~30%。
（三）热处理工艺规程的制订
一、制订热处理工艺规程的原则
制订热处理车间工艺规程是车间设计的中心环节，它直接影响到车间设计的质量。
（1）工艺与设备应保证工件热处理质量，满足工件的技术条件。
（2）工艺与设备要同车间的生产规模和产品性质相适应，尽可能提高生产过程的机械化与自动化程度，提高劳动生产率。
（3）尽可能采用先进的工艺和设备，力求技术先进而生产可靠，有一定的发展前途。
（4）合理选择能源，符合国家能源政策。
（5）尽量选用标准型设备以及经生产考验的定型设备。
（6）防止环境污染。
（7）经济合理。
二、热处理工艺规程的制订步骤
1.工件分组根据车间生产纲领明细表将工件按钢号、形状尺寸、重量及工艺特征进行归纳分组。
制订各组中典型工件的热处理工艺规程，以简化工艺制订工作。
2.确定工件加工路线确定工件从投入坯料至成品所经过的各种加工工序，以便将热处理工序置于合理的工序位置。
例如齿轮的加工路线为：
锻造毛坯→正火→机械加工→热处理（渗碳、淬火与低温回火）→机械加工→装配；而另一种齿轮的加工路线为：
锻造毛坯→机械加工→调质→机械加工→高频淬火→机械加工→装配。
3.选用设备选择热处理各工序（淬火、回火、渗碳等）所用的设备，粗略估算设备数量，评价选用的设备是否合理。
4.确定工艺参数确定各热处理工序的工艺参数（加热温度、保温时间、冷却介质等），同时规定出具体的操作方法（如装料、出料、冷却方法等）。
最后编制出各种工件热处理工艺规程明细表（如表14所示）。
表14零件的热处理工艺规程明细表
序号
零件编号
零件名称
钢号
正火
淬火
回火
硬度
温度
（℃）
时间
（min）
温度（℃）
时间（min）
淬火剂
温度
（℃）
时间
（min）
HB
RC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
↓
11
12
齿轮
主轴
40Cr
45Mn2
－
～840
－
20
～830
－
15
－
油
－
～190
－
60
－
－
～230
～47
－
三、按热处理工序划分的年生产纲领
车间生产纲领，仅表明车间总的计划生产任务。
对于具体的设计，如淬火设备的选择计算等，都需要进一步具体化，即根据车间生产纲领和制订的热处理工艺规程，分别将各工件的生产纲领填入有关的项目内，统计出各工序的年生产纲领。
分工序年生产纲领计算表如表15。
表15工件热处理分工序年生产纲领计算表
序号
工件名称
工件编号
材料
单件重（kg）
年产量（t）
工序生产纲领（吨/年或件/年）
正火
退火
淬火
回火
渗碳
表面渗碳
高温
低温
低温
固体
气体
（三）热处理车间工作制度和设备年时基数
一、热处理车间工作制度
车间工作制度是指车间的工作班制。
一般有一班制（少）、二班制（较多）、三班制（个别部分）。
热处理工作班制，是依生产性质、工艺过程特点、设备特点、设备负荷率及合理性、各车间生产上的相互配合等情况确定的。
一般大批量、品种单一的工件，多采用机械化程度高的设备进行连续性生产；或是一些难以起动的大型盐浴炉以及工艺过程较长的氮化、渗碳，多采用三班制。
对于一般工件及工具热处理车间的箱式炉、盐浴炉、井式回火炉等，多采用二班制；生产规模小，热处理工件不多而设备简单，起动容易的，可采用一般制。
二、设备年时基数
设备年时基数指设备在全年内的总工作时数，等于全年工作日应工作的时数减去各种时间损失，即：
τ——设备年时基数小时；
D——设备全年工作日数，D=365天（全年日数）－2×52（全年双休日）－2×7（全年假日）＝247天；
N——每日工作班次；
n——每班工作时数，一般8h，对有害健康的工作，有时5h；
b——损失率。
时间损失包括设备检修及事故损失，工人非全日缺勤而无法及时调度的影响，以及下班前设备和场地清洁工作所需时间的停车损失。
机械厂的设备年时基数如表16。
表16机械厂设备年时基数
热处理设备类型
工作班次
年工作日
班时
每年工时损失％
每年实际工时
一班
二班
三班
一班
二班
三班
小型设备
1、2、3
306
8
3
5
7
2375
4650
6830
大型设备
1、2、3
306
8
7
10
4550
6610
高温设备
1、2、3
306
8
5
8
12
2325
4600
6460
注：
小型设备包括：
一般箱式炉、井式炉、盐炉等；
大型设备包括：
推杆式炉等连续式炉及其它大型设备；
高温设备包括：
高温炉（1000℃以上），氧化炉、铅浴炉等。
（四）热处理车间设备的确定
一、热处理炉及车间设备的选择
1．在大量生产条件下，要采用生产率高、机械化自动化程度高、有专门用途的设备，一般采用配备有先进装置的连续作业设备；在成批或单件生产条件下，由于工艺过程变换较多，要求设备适应性强，一般采用半连续、周期作业设备和部分专用设备。
2．热源
热处理车间的热源包括电和燃料。
热源不同，设备构造与操作要求不同。
电阻炉较理想，燃料炉次之。
3．热处理工艺
在确定炉型时，应考虑工件的结构尺寸，热处理技术要求及热处理工艺特点。
同时还应注意各工序之间的平衡，使各工序上的设备生产率尽量接近，以尽可能保证不积压、不间断地连续生产。
4．尽可能选用标准设备，并重视附属设备和工艺装备的作用。
标准设备质量较高、性能较好且成本低，一般应尽力采用。
另外还应重视附属设备的选择，并设计适当的工艺装备，以充分发挥基本设备的作用，使其提高生产效率。
二、热处理炉及车间设备生产率的计算
设备生产率是指在单位时间内设备所能处理的工件数量，常以每小时整个炉子、单位炉底面积或单位炉膛容积生产的工件重量或件数表示。
热处理炉的生产率常随炉型的不同而异，连续作业炉、自动化的炉子较高；另外还与炉子装料量、加热温度、加热介质、工序过程时间及工件性能特点有关。
炉子的生产率的具体指标，是指工件在某一炉子按一定工艺进行热处理时的实际生产率，而不是指该炉技术规格中的“最大技术生产率”。
两者的来源和数值不同。
概略计算炉子生产率时，可采用工厂实际使用过程统计性的资料数据。
如表17。
这种生产率接近于实际。
表17常用热处理炉的实际生产率
设备类型
炉膛尺寸
（mm）
最高工作温度
（℃）
热处理工序
装炉量
（千克/炉）
实际生产率
（kg/h）
箱式电阻炉
300×650×250
600×1200×500
900×1800×600
950
950
950
正火、淬火
正火、淬火
正火、淬火
20-25
70-85
160-190
滚底箱式炉
910×1820×600
860
淬火
170-200
井式炉
φ450×800
300×300×1200
300×300×2040
950
950
950
正火、淬火
正火、淬火
正火、淬火
50
50
100
井式渗碳炉
φ300×450
φ300×600
φ450×600
φ450×900
φ600×1200
950
950
950
950
950
渗层0.6-0.8mm
高温氰化0.4-0.6mm
渗层0.6-0.8mm
渗层1.1-1.2mm
渗层1.1-1.2mm
渗层1.1-1.2mm
50
50
100
150
220
500
6-8
8-11
10-12
15-25
30-35
55-60
电极盐浴炉
200×200×430
φ380×475
300×450×600
260×340×600
600×900×540
600×900×450
1300
850
900
1300
850
600
淬火
淬火
淬火
淬火
淬火
回火
30-50
30-40
40-50
50-60
120-160
120-160
井式回火炉
φ400×500
φ950×1200
650
650
回火
回火
40-70
200-250
回火油槽
600×1200×700
300×350×300
回火
时效
80-100
5-10
S-1超低温箱
500×550×700
-80
冷处理
≤50
10-15
精确计算热处理设备生产率时，则需依炉子作业规程进行计算。
其计算方法如下：
1．箱式炉、井式炉及盐浴炉等周期作业炉
G——炉子生产率（kg/h）；
g——单个工件重量（kg）；
n——每炉工件件数；
τ——每炉工件热处理的基本工艺时间（h），包括装卸料、加热、保温及随炉冷却等占用的时间。
2．台式燃料炉
G——炉子生产率（kg/h）；
Q——每炉总装载量（t）；Q=PS
P——单位面积装炉量，可取1.5-2.5t/m2；
S——炉膛总面积（m2）；
τ——每炉操作总时间（h）；τ＝t1+t2+t3
t1——加热时间（h），按下表的加热速度计算；
t2——保温时间（h），按加热时间的1/3计算；
t3——装出炉等辅助时间（h）。
表18装炉量与加热速度关系
总装炉量（t）
加热速度（℃/t）[装炉温度为200℃]
5-10
15-30
>50
150-200
100-200
50-75
3．推杆式炉
这种炉子的作业特点是间歇性的向炉内送入工件进行加热。
G——炉子生产率（kg/h）；
τ——推料周期（min）；
n——每次或每一推舟时间内推入料盘数，通常n＝1；
M——每盘工件重量（kg）。
4．输送带式炉
G——炉子生产率（kg/h）；
v——输送带运动速度（m/h）；v=l/τ
l——输送带的有效长度（m）；
τ——工件从入炉到出炉的时间（h）；
M——输送带每米长装料重量（kg/m）。
三、热处理设备需要量及负荷率计算
1．设备年负
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