材料工程师热处理设备讲稿.docx
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材料工程师热处理设备讲稿
材料工程师讲稿
第三部分热处理设备
3.1概述
3.1.0考核知识点
重点掌握:
炉子传热的三种方式(对流、传导、辐射)。
一般掌握:
热处理设备的分类。
3.1.1热处理设备分类
热处理设备定义:
完成热处理工艺操作所需的装置,称为热处理设备。
热处理生产的最基本工艺过程:
加热、冷却、表面清理、回火、校正、检验。
热处理设备分主要设备和辅助设备。
3.1.1.1主要设备通常把能完成热处理工艺操作(或投资价值较大)的设备,称其为主
要设备。
了解教材中,第290页所列8种情况。
3.1.1.2辅助设备通常把与主要设备配套和维持生产所需的设备,称为辅助设备。
了解
教材中,第290页所列6种情况。
3.1.2热处理炉的分类热处理炉的分类,可根据热处理件、热处理工艺和批量要求进行
划分。
依据热处理炉的特性因素分类,见教材291页,表3—1
3.1.3炉子传热原理(重点)
定义:
热量从一个物体传至另一个物体,或由同一物体的这一部分传至另一部分的过程称为传热。
条件:
只有两个物体间或同一物体内部存在温差时,才会发生热量的传递过程。
方向:
热量都是从高温部分向低温部分传递。
1)传导传热:
在各种温度下,只要两物体间或同一物体内部有温差存在时,无论是在固
体、液体还是在气体中均可发生传导传热。
传导传热只有热量的传递过程,没有宏观的质点移动过程。
2)对流换热:
热对流是指流体(气体或液体)中温度不同的各部分之间发生相对位移,
使不同部分的质点相互混合而引起的热量传递过程。
当不同温度的流体和固体表面接触时,
相互间发生的热量传递过程称为对流换热。
热处理炉温在700℃以下时,对流换热作用明显。
回火炉装有循环风扇就是为了增强设备的对流换热作用。
3)辐射换热:
辐射换热是由热辐射而发生的换热过程。
具有一定温度的物体总以电磁场
的形式不断地向外发射辐射能,当把电磁波投射到与其不相接触的另一物体时,电磁波被吸收并转化成热能,这种传热过程称为辐射换热。
热处理炉温在700℃以上时,辐射换热作用明显。
真空炉装载工件时,为使工件加热温度均匀必须充分考虑电磁波光线的遮蔽问题。
*还应了解的其它几个基本概念
1)热流量(Q)单位时间内由高温物体传给低温物体的热量,称为热流量。
Q=K(T1—T2)F
2)传热系数(K)表示温度差1℃时,每秒钟通过1㎡传热面积所传递的热量。
3)热量密度(W/㎡)表示单位时间内,通过单位传热面积所传递的热量。
q=K(T1—T2)=△t/(1/K)=△t/R
3.2热处理常用设备
3.2.0考核知识点:
重点掌握:
箱式电阻炉的工作原理,中温箱式电阻炉的结构特点、操作要点;箱式电阻炉的功率计算要点;电阻炉的性能试验项目。
一般掌握:
井式电阻炉(高温、中温、低温)的结构特点、操作要点;浴炉(外热式、内热电极式盐浴炉)的结构特点、操作要点。
3.2.1箱式电阻炉
电阻炉的工作原理:
是利用电流通过电热元件时所产生的热效应,采取热辐射和炉膛内
气体对流作用的形式将热量传导到被加热的工件上,使工件加热。
箱式电阻炉的分类:
箱式电阻炉根据炉膛温度可分为高温炉、中温炉和低温炉三种。
3.2.1.1中温箱式电阻炉(重点)
1结构及特点
箱式电阻炉的构成:
箱式电阻炉由炉体、测温系统和电控系统所组成。
箱式电阻炉的结构:
炉体由炉架、炉壳、炉衬、耐热钢炉底板、电热元件、炉门及炉门提升机构组成。
电热
元件布置在炉底和炉膛两侧内壁的搁丝砖上,热电偶由炉顶插入炉膛内部,插入深度约150毫米。
为观察炉膛内部的加热情况,炉门中央开有窥视孔。
为保证操作安全,炉门及炉门提升机构设置有电源的限位开关。
箱式电阻炉的用途及特点:
用途:
中温箱式电阻炉主要用于碳钢及合金钢(包括铸、锻件)的退火、正火、淬火等常规热处理。
特点:
箱式电阻炉的电热元件常用Gr20Ni80或0Gr25A15电热合金制造,炉内温度的均匀状态受电热元件布置、炉门密封及炉衬的保温性能所影响;由于设备的最高工作温度为950℃,工件加热主要靠电热元件和炉膛内壁表面的热辐射;工件处在空气介质中加热,表面极易发生氧化;该设备通常没有机械化装出料装置,劳动强度较高。
2箱式电阻炉的操作要点
1)开炉前的准备,除P293页的三条内容外,还应检查炉门及炉门提升机构电源限位开关的工作是否正常。
2)开炉生产,除P293页的五条内容外,还应注意:
*为保证工件的加热均匀,箱式电阻炉靠近炉口的约300毫米区域内不允许摆放工件;工件不要直接摆放在炉底板上加热。
3)停炉,除P293页的内容外,还应进行工件、工具的定置、有序码放和工作场地的清扫。
3操作注意事项在P293页的七条内容中,要特别牢记第六条(炉衬烘烤)的内容。
*为保证操作人员的人身安全,在工件的装、出炉过程中,不允许带电操作。
4电炉维护,除P293页—P294页的五条内容外,还应:
*对炉门及炉门提升机构的电源限位开关进行维护。
*应注意对热电偶、控温仪表按标准规定要求进行周期鉴定。
一般情况下,控温仪表的鉴定周期为一年;热电偶的鉴定周期,应根据其使用的重要程度可分别规定为:
三个月、六个月或一年。
3.2.1.2高温箱式炉(一般掌握)
1结构与特点
高温箱式炉主要用于高铬模具、高速钢刃具的热处理,按最高工作温度可分1200℃和1350℃两种。
由于加热温度高,工件极易氧化脱碳。
因此,必要时应通入保护气氛或采取其它保护措施。
高温箱式电阻炉同样由炉体、测温系统和电控系统所组成。
1200℃高温箱式炉的电热元件采用0Cr25AL7Mo2高温铁铬铝电热材料制造,炉底板用碳化硅板制造,其它部分的炉体结构与中温箱式电阻炉相近。
只是因炉膛工作温度更高,要求的炉门壁厚度和炉衬的厚度更厚,保温性能更好。
1350℃高温箱式炉采用非金属碳化硅棒电热元件,因其电阻系数大、使用过程中易老化,为稳定功率和便于调节,需配置调压装置。
2操作要点294页11条内容。
3.2.1.3滚底式炉及台车炉。
均为箱式电阻炉的变种形式,可简单了解。
3.2.1.4电阻炉的功率计算(重点)
●热平衡计算法
1计算总的热量Q总
Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7
1)计算工件加热所需的热量Q1
Q1=P件(C2t2—C1t1)
2)计算加热辅具构件所需的热量Q2
Q2=P辅(C2t2—C1t1)
3)计算加热控制气体所需的热量Q3
Q3=V控C(t2-t1)
4)计算通过炉衬的散热损失Q4
Q4=qF总
注:
热流的数值与炉表面状况及炉壁温度有关。
刷银粉漆的炉壳温度低于50℃时,数
值取1250;壳温度高于50℃时,数值取2500。
5)计算炉门开启时的辐射热损失Q5
Q5=5.675×[(
4-(
4]×3.6FФδt
6)计算炉门开启时的溢气热损失Q6
Q6=VC(
)δt
7)计算其它热损失Q7
Q7可按炉衬散热损失的0.5倍—1.0倍计算,即Q7=(0.5—1.0)Q4。
2将总热量转换成功率P总=Q总/3600(KW)
其中Q总=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7
3计算炉子的设计功率
P设=KP总式中:
K(功率储备系数)=1.3—1.5
P设=(1.3—1.5)(Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7)/3600
●经验计算法P=K
式中:
P功率(千万)
V炉膛体积(M3)
K修正系数
炉膛温度范围
箱式电阻炉的K值
1200℃——1300℃
120
1000℃——1100℃
80—100
900℃——1000℃
70—80
800℃——900℃
55—65
700℃以下
40—45
3.2.1.5电阻炉的供电电压及接线方式
除特殊情况外,电阻炉的供电电压一般为220伏—380伏。
电阻炉功率<25KW时,常采用220伏或380伏单相供电。
电阻炉功率25KW—75KW,常采用380伏“星接”或“角接”的三相供电形式。
当电阻炉功率>75KW时,通常把电热元件编成若干组,然后再采用三相380伏电源,以“星接”或“角接”形式进行并联供电。
●特别需要注意的是:
1电热元件使用时,必需注意它的使用电压;“星接”时,每组电热元件的使用电压为220伏。
“角接”时,每组电热元件的使用电压为380伏。
2为保证供电安全,在三相供电线路中,应尽可能保证电源的三相负载平衡;
3并应采用三相五线制的供电方式。
即:
在供电线路中,除三相电源线外,将设备的电气接零(即:
零线)与设备的接地(即:
地线)分开。
3.2.1.6电阻炉的性能测试项目(设备验收、鉴定时常用。
应掌握其测试方法及要求)
1电热元件冷态直流电阻的测定,考核电热元件的设计与制造质量。
2额定功率的测定,考核炉子的设计功率是否合理、是否满足规定要求。
3空炉升温时间的测定,考核炉子的设计功率是否充分、炉衬设计是否合理。
4空载功率的测定,考核炉子的整体保温性能。
5炉温均匀性的测定,是炉子的重要考核指标,决定着工件的热处理质量好坏与稳定。
6设备表面温升的测定,考核热处理炉炉衬的设计与制造质量及保温性能是否良好。
3.2.1.7常用电热元件材料及性能
电热元件材料应具备的特殊性能
1)具备良好的耐热性和较高的高温强度
电热元件是高温条件下的工作器件,因而电热元件材料应具有良好的耐热性和高温强度。
即:
要求电热元件材料的工作表面在高温条件下不易发生氧化起皮,且在以后的较长时间工作中不易发生显著变形。
2)具有较高的电阻系数
用电阻系数较大的材料制作电热元件,有利于功率的获得。
在获得同等必需功率的条件下,使用电阻系数较大的材料制作电热元件可以有效地节约材料、简化结构、方便安装使用。
3)具有良好的抗蚀性能
4)具有较低的电阻温度系数
使用电阻温度系数很大的材料制造电热元件时,需配备调压器,以便调整设备功率。
5)具有较低的热膨胀系数
6)具有良好的可加工性能
电热元件材料的可加工性能,主要指:
成形加工、绕制、焊接及返修的可能性和难易程度。
镍铬系电热材料与铁铬铝系电热材料相比较具有更好的可加工性能。
硅碳棒、硅钼棒,材料的性质很脆,不易成形加工,使用、操作和维修过程中易断裂,应特别小心。
1铁铬铝电热合金
●优点见P299页
●缺点见P299页
●常用的铁铬铝系电热材料
性质/名称
1Cr13AL4
0Cr25AL5
0Cr27AL7Mo2
主要化学成分
Cr:
13~15
AL:
3.5~5.5
Cr:
23~27
AL:
4.5~6.5
Cr:
27
AL:
6.5Mo:
2
比重(克/立方厘米)
7.4
7.1
7.1
抗拉强度(公斤/平方毫米)
60—75
65—80
70—80
电阻系数(欧·平方毫米/米)
1.26
1.40
1.50
熔点(℃)
~1450
~1500
~1520
正常工作温度(℃)
900—950
1050—1200
1200—1300
最高工作温度(℃)
1100
1300
1400
2镍铬电热合金
●优点见P299页
●缺点见P299页
●常用的镍铬系电热材料
性质/名称
Cr20Ni80
Cr15Ni60
主要化学成分
Cr:
20~23
Ni:
75~78
Cr:
15~18
Ni:
55~61
比重(克/立方厘米)
8.4
8.2
抗拉强度(公斤/平方毫米)
65—80
65—80
电阻系数(欧·平方毫米/米)
1.11
1.10
熔点(℃)
~1400
~1390
正常工作温度(℃)
1050
950
最高工作温度(℃)
1150
1050
3纯金属电热元件材料
钼
钨
铂
使用环境
氢气、氨分解气、真空
空气、真空
使用温度(℃)
≤1800
≤2400
1200—1600
使用条件
电阻率小、电阻温度系数很大,需配备调压器使用
4非金属电热元件材料见P300页,4、5、6。
碳化硅
二硅化钼
石墨
使用环境
空气、真空
真空
使用温度(℃)
≤1350
≤1700
1400—2500
使用条件
电阻温度系数很大,需配备调压器使用
注:
碳化硅电热元件在使用中易发生老化现象。
因此,新旧电热元件不允许混用。
硅碳棒、硅钼棒,材料的性质很脆,不易成形加工,使用、操作和维修过程中易断裂,应特别小心。
●使用电热合金线材的电热元件的简易计算(补充内容,实际工作中常用,可了解掌握)
*确定设备加热区段电热元件的功率及工作电压
为保证电网供电平衡,热处理炉加热一般均采用三相供电方式。
其电热元件的承载功率与加热区段内的电热元件数量有关。
当三个电热元件采用“星接”方式时,电热元件的工作电压为220伏,电热元件的功率为设备该加热区段功率的1/3;采用“角接”方式时,电热元件的工作电压为380伏,功率亦为设备该加热区段功率的1/3。
*确定热处理炉额定温度下电热元件的电阻值
R=U2/1000N式中:
R电热元件电阻(欧)
N电热元件功率(瓦)
U电热元件工作电压(伏)
*根据电热元件的功率及工作电压,计算电热元件的工作电流
N=UI式中:
N电热元件功率(瓦)
U电热元件工作电压(伏)
I电热元件工作电流(安培)
*根据电热元件的工作电流,确定电热丝的截面积和直径
S=3.14D2/4式中:
S电热丝截面积(平方毫米)
D电热丝直径(毫米)
注:
一般情况下,根据经验可选择每平方毫米截面积通过4安培电流。
*计算电热丝的长度
L=RS/ρ式中:
L电热丝长度(米)
ρ电热材料额定温度下的电阻系数(欧·平方毫米/米)
*核算电热元件的表面功率负荷
W=1000N/F式中:
W表面功率负荷(瓦/平方厘米)
F电热元件的表面积(平方厘米)
注:
电热元件的表面功率负荷应等于或小于下表中的给定数值。
电热元件材料/工作温度
700℃
800℃
900℃
1000℃
1100℃
1200℃
1300℃
Cr20Ni80
2.5
2.0
1.5
1.1
0.5
Cr15Ni60
2.0
1.5
0.8
0Cr25AL5
3.0~3.7
2.6~3.2
2.1~2.6
1.6~2.0
1.2~1.5
0.8~1.0
0.5~0.7
*电热元件的结构尺寸设计
线状电热元件通常绕成螺旋形布置在炉膛内炉衬的阁丝砖上,其结构尺寸应满足:
项目
铁铬铝丝电热元件
镍铬丝电热元件
大于1000℃
小于1000℃
大于950℃
小于750℃
750℃~950℃
螺旋体节径D(毫米)
(4—6)d
(6—8)d
(5—6)d
(8—12)d
(6—8)d
螺旋体节距h(毫米)
(2—4)d
(2—4)d
(2—4)d
(2—4)d
(2—4)d
对于高温强度较低的电热元件,应适当减少螺旋体节径D的数值,以增加其结构刚度,用于补救其高温强度低、易于倒塌的使用缺陷。
螺旋柱体长度Lo(米——Lh/3.14D)取决于炉衬的结构尺寸,可以通过调节螺旋体节距尺寸实现与炉衬的要求相吻合。
3.2.2井式电阻炉
井式电阻炉同样分为:
高温井式电阻炉、中温井式电阻炉和低温井式电阻炉。
井式电阻炉特别适用于轴类工件的加热,淬火变形小。
为使工件的加热温度均匀,炉内的工件装炉位置应注意与炉口和炉底均需保留有一定空间,约100mm—200mm。
计算井式电阻炉的设计功率
P=K
式中P功率(KW)V炉膛体积(M3)K修正系数
炉膛温度范围
井式电阻炉的K值
1200℃——1300℃
80—90
1000℃——1100℃
55—65
900℃——1000℃
50—55
800℃——900℃
40—45
700℃以下
35
为使井式电阻炉的炉膛温度均匀,在进行功率分配设计时应注意:
相同区域空间的功率分配比例
相同功率分配的区域空间比例
炉口区域部位
2
1/2
中部区域部位
1
1
炉底区域部位
3/2
3/4
3.2.2.1低温井式电阻炉
1操作要点见P301页
2使用注意事项及维护见P301页—P302页。
3.2.2.2中温井式电阻炉
3.2.2.3高温井式电阻炉见P302页—P303页。
3.2.3浴炉
浴炉的定义:
浴炉是利用液体介质进行工件加热或冷却的一种热处理设备。
3.2.3.1浴炉的特点:
●优点:
1浴炉的工作温度范围宽(60—1350℃),可完成多种热处理工艺操作(随炉冷却的退火工艺除外)。
如:
淬火、回火、分级淬火、等温淬火、正火、局部加热和化学热处理等。
2因工件在液体介质中加热,因此,加热速度快、温度均匀、变形小、不易氧化和脱碳等。
特别适用于:
尺寸不大、形状复杂、表面质量要求较高及精密零件的热处理。
3浴炉结构简单、制造方便,炉口向上、便于操作,容易实现机械化。
●缺点:
1装料少,不适宜处理较大工件;
2炉口向上敞开,热损失大;
3劳动条件差,容易污染环境;
4因使用的有些盐类有毒,需进行妥善保管,盐浴残渣亦需妥善处置;
5处理后的工件需要认真清洗,否则工件表面易发生腐蚀;
6内热式盐浴炉的启动、脱氧操作比较麻烦。
3.2.3.2浴炉的分类
根据使用的介质不同,浴炉可分为:
盐浴炉、碱浴炉、油浴炉、铅浴炉等。
根据热源的供给方式不同,浴炉可分为:
外热式浴炉、内热式浴炉(亦称:
电极式盐浴炉)、管状电热元件加热的浴炉。
1外热式浴炉
外热式浴炉,由炉体和坩埚组成。
坩埚的底部支撑在炉体加热室内的耐火材料上。
炉体的设计可参照井式电阻炉的设计方法。
坩埚的制备,可用10—15mm的耐热钢板焊接,也可使用耐热钢铸造成壁厚约20mm的铸件。
坩埚应设置有耳环,以便于吊装。
坩埚的上边缘与炉体的重叠尺寸应大些,且与炉体应紧密接触,以防止浴液流入炉体的加热室内而损坏设备。
外热式浴炉的特点:
外热式浴炉主要用于碳钢、合金钢的回火;液体化学热处理;铝合金熔化等。
外热式浴炉不需要变压器,启动操作方便;因坩埚的热惰性大,使坩埚内外的温差大(经验上:
温差在150℃左右)、耗能高,一般情况下,其使用的工作温度在700℃以下(随工作温度的升高,坩埚的使用寿命将急剧降低)。
2管状电热元件加热的浴炉
管状电热元件加热的浴炉,由管状电热元件、坩埚、炉衬(炉壳和保温材料)所组成。
管状电热元件加热的浴炉使用的介质,主要有:
硝盐、碱、油。
工作温度在550℃以下。
常用于工件的回火和等温淬火。
因管状电热元件加热的浴炉使用温度较低,其炉体结构(炉衬)只需在炉壳内充填100mm—200mm厚的保温材料即可。
坩埚的制备,一般情况下,可用10mm厚的低碳钢板焊接。
亦可使用不锈钢板或耐热钢板焊接制造。
为便于吊装,坩埚应设置有耳环。
管状电热元件是定型产品,有U型、W型、L型等多种形式和规格尺寸,管壁有碳钢和不锈钢之分,我们可根据使用的要求进行选购。
在使用管状电热元件时,其加热部分必须有效地浸入在介质内,以确保它的使用安全。
3内热式电极盐浴炉
内热式电极盐浴炉由炉体、工作电极、启动电阻、坩埚、盐浴炉变压器所组成。
内热式电极盐浴炉,按工作温度可分为:
低温(<650℃)、中温(650℃~1000℃)、高温(1000℃~1300℃)三种。
按电极的安装形式又可分为:
插入式和埋入式两种。
内热式电极盐浴炉的坩埚,是使用厚度为10mm的低碳钢板,采用连续焊接形式将钢板焊接成炉胆;再在炉胆内,使用重质耐火砖(或耐火泥)砌筑工作室空间。
内热式电极盐浴炉,是以熔盐本身为电阻,电流通过熔盐而发热的热处理设备。
内热式电极盐浴炉,在冷炉条件下进行开炉时,必须首先使用启动电阻将工作电极间的凝结的盐进行熔化,然后再使用工作电极进行熔盐加热升温。
内热式电极盐浴炉的启动电阻,是使用Ф20mm的低碳钢绕制的螺旋体;工作电极是规格尺寸根据需要制定的低碳钢锻件。
3.2.3.3常用浴剂见表3—2
3.2.3.4浴炉的使用、维修及安全操作
1外热式浴炉使用和维修技术要点
2电极盐浴炉使用和维修技术要点
3盐炉的安全操作要求(重点)
浴炉的安全操作,除P307页的六条内容外,还应特别注意以下内容:
●严防水的带入而引发的熔盐爆炸。
●生产用盐必须妥善保管。
一般情况下,盐类储存箱应进行两个人的分锁(即:
每人一把锁)保管。
●生产过程中产生的盐渣,必须进行妥善处置
生产过程中产生的盐渣,应集中保存并统一交给专业处理机构进行处置;不得随意抛弃
和掩埋,以防对环境造成污染。
4使用硝盐浴炉时,必须注意安全防爆等安全措施(重点)
使用硝盐炉的安全防爆措施,应严格遵守P307页的四项条款内容。
3.3可控气氛炉
3.3.0考核知识点
掌握气氛制备原理、不同可控气氛的特点,可控气氛保护加热、渗碳、碳氮共渗工艺,可控气氛热处理设备的安全操作。
熟悉可控气氛热处理炉的设备结构、安全设施、安全操作与维护保养。
3.3.1可控气氛的类型与特点
常用的控制气氛按大类可分为:
吸热式气氛—XQ、甲醇裂解气氛—YLQ、放热式气氛、氨分解气氛—FAQ、氮基气氛、氢气气氛—QQ等。
见下表。
气氛名称
中国基标分类代号
美国煤协会分类代号
日本中外炉分类代号
普通放热式气氛
PFQ
100
DX
净化放热式气氛
JFQ
200
DX
吸热式气氛
XQ
300
RX
甲醇裂解气氛
YLQ
——
——
氮—甲醇气氛
DQ
——
——
丙酮+空气裂解气氛(直生式)
——
——
——
氨气裂解气氛
FAQ
601
AX
氨气燃烧气氛
RAQ
621、622
SAX
氢气
QQ
——
——
可控气氛的制备方法(重点)
3.3.1.1吸热式可控气氛的制备方法
吸热式气氛,是将天然气(主要成分是甲烷)或丙烷气按一定比例与空气混合后通入气体发生炉的反应罐内,在高温(1050℃)下经触媒(镍触媒)作用,反应生成的气氛。
由于反应过程需要吸收热量,故称其为吸热式气氛。
吸热式发生炉装置一般采用电加热形式,最高工作温度为1200℃。
炉膛内置有充满镍
触媒的耐热钢(常用Cr25Ni20耐热钢制作)反应罐,天然气或丙烷气与空气按一定比例混合后经火焰逆止阀通入反应罐,在镍触媒的作用下反应生成主要成分为:
CO、H2、N2和微量CO2、H2O、O2的气氛。
气氛经迅速冷却(为保证气氛稳定),并进行降压、稳压后送入可控气氛热处理炉。
使用天然气或丙烷气制备可控气氛,必须严格控制硫的含量。
见P309页内容。
1使用甲烷(天然气)制备的吸热式可控气氛
2CH4+空气(21%O2、79%N2)——→2CO+4H2+N2