热工设备原理与设计复习参考.docx

1、热工设备原理与设计复习参考第一章 筑炉材料1.1 坩埚渗碳炉的内衬一般选用哪种耐火材料？为什么？答：炉内使用耐热钢坩埚，高碳气氛不与炉体接触，此时可不选用抗渗碳砖。1.2 保护气氛加热炉一般选用哪种耐火材料作为内衬？为什么？答：保护气氛加热炉，一般选用抗渗碳砖作为内衬。保护气氛加热炉，是进行光亮加热的，其气氛不是高碳气氛，CO+H2的含量只有约5左右。虽然CO+H2的含量很低，但仍然会和砖中的Fe2O3等杂质反应，生成CO2、H2O等。这样一来，势必增加炉内氧化气氛的含量。而且由于CO+H2本身就很少，氧化性成分一旦增加，有可能不能保证光亮加热的效果。保护气氛加热炉，应该采用抗渗碳砖。1.3

2、有中温箱式炉、推杆式炉和渗碳炉三台设备，问其内衬材料应如何选择？为什么？答：中温箱式炉：周期式作业炉，应选用轻质砖、耐火纤维等。因为经常反复加热，蓄热是主要热损失，必须减少，提高加热速度。推杆式炉：连续作业炉，蓄热不是主要问题，因为一直处于高温状态，长期工作，则使用寿命应重点考虑。为此，一般要选用重质砖。渗碳炉：可控气氛炉，要选择抗渗碳砖。1.4 比热容的概念是什么？该指标有什么作用？答：比热容（热容量）用CP表示，单位为kJ/kg，指1kg物质温度升高1所需的热量。CP是反映材料蓄热能力的一个指标，通常CP蓄热能量，对于耐火材料，CP越小越好。 1.5 热导率的作用是什么？它主要和哪些因素有

3、关？答：热导率表示材料导热的能力，通常：，则导热能力强散热量大。热导率的大小，除了和材料的矿物组织有关外，主要取决于制品的气孔率。对同样材料，如果气孔多而小，且分布均匀，则其热导率就低。热导率的大小也和温度有关，=a+bt，对大多数耐火材料，t，但也有些制品，如镁砖（炼钢炉用），碳化硅制品等，正好相反。1.6 抗渗碳砖的实质是什么？为什么这种砖能用于高碳气氛中？答：实质：抗渗碳砖是指Fe2O3等杂质含量小于1的高铝砖、粘土砖。高碳气氛主要是CO+H2，在高温下，这些气氛与Fe2O3等杂质反应产生的破坏效果不明显。1.7 说明耐火材料的耐急冷急热性能指标及其评定方法。答：将重质耐火材料试样（标准

4、砖）（23011365）加热至850C，然后在流动水中冷却，（若是轻质耐火材料则加热至1000C，然后在静止空气中冷却），如此反复进行加热、冷却，直至试样脱落部分重量为原重量的20%为止，所经受的反复加热、冷却的重复次数，作为耐急冷急热性能指标。耐急冷急热性主要取决于材料，好的达几百次，差的只有几次。1.8 耐火材料的实际使用温度能否达到其耐火度数值，为什么？答：耐火度不能代表耐火材料的实际使用温度。因为在高温下承受载荷时，耐火材料的软化变形温度要降低，故耐火材料的实际允许最高使用温度比其耐火度低。1.9 Fe-Cr-Al电热元件通常用哪种耐火材料作搁砖？为什么?答：粘土砖对Fe-Cr-Al电

5、热元件有腐蚀作用，不能用作搁砖。电热元件搁砖，要求绝缘，选择高铝砖。1.10 耐火度的定义是什么？耐火度大于多少度的材料才能称为耐火材料？答：耐火度是耐火材料抵抗高温作用的性能，指耐火材料在高温下抵抗熔化的性能。通常，耐火材料的耐火度1580C，耐火材料也可据此定义。1.11 为什么普通粘土砖不能砌筑马弗渗碳炉，而抗渗碳砖则可以？答：渗碳炉中可控气氛主要是CO+H2，在高温下，这些气氛不可能将粘土砖中的主要成分Al2O3、 SiO2还原，但是却可以和粘土砖中的杂质Fe2O3反应 。形成的渗碳体很硬很脆，使用时很容易剥落，从而造成炉体破坏。另外，由于Fe2O3还原，砖内变得疏松，C原子容易进入砖

6、内，而造成膨胀，这样也可能造成炉体破坏。但是抗渗碳砖中Fe2O3等杂质含量小于1，这些气氛和砖中的杂质反应所产生的破坏效果不明显。1.12 耐火材料的高温结构强度一般用什么指标评定？该指标如何测试？答：高温结构强度一般用荷重软化点来评定。荷重软化点测试方法：试样直径36mm，高50mm，在荷重2kg/cm2压力下，置于炉中加热，加热速度是：800 C时，为100 C/min；800 C时，为45 C/min。测定两个变形温度：试样压缩0.3mm或4%时的温度称为荷重软化开始温度；试样压缩20mm或40%时的温度称为荷重软化终止温度。第二章 传热理论2.1 何为传导传热？何为对流传热？它们之间的

7、差别是什么？答：传导传热又称为导热，是指物体之间存在着温差时，热量由物体中温度较高的部份传至较低的部份；或由一个温度较高的物体传给与之接触的低温物体的传热过程。对流传热指依靠流体的运动，把热量从一处传递到另一处的现象。导热的特点：（1）物体各部分之间不发生宏观的相对位移；（2）对于几个物体之间的导热，必须相互接触；（3）导热在固体、液体、气体中均可进行。对流传热的特点：（1）有物质宏观运动存在；（2）流体与固体接触。2.2 辐射换热的概念？它有哪些特点？答：辐射传热是由电磁波传递热量的过程。辐射传热的特点：（1）不需要传热物体或质点的直接接触；（2）热量交换的同时，伴随有能量形式的转化；（3）

8、热量交换具有双向性。即辐射热交换，既可以从高温向低温进行，也可以由低温向高温进行。2.3 简要说明温度梯度的概念？答：沿温度变化率最大方向,温度变化率的最大值称为温度梯度，用符号gradt表示。2.4 推导单层平壁炉墙的导热公式，推导空心球体的导热公式？答：1、单层平壁炉墙的导热：已知：炉墙厚度为S；内、外表面温度分别为t1、t2；内、外表面面积相等：F内F外Fmm2；炉墙热导率为。在平壁上x处取一个厚度为dx的薄层分析： 分离变量： 积分： 所以： （W） 或 （W/m2）实际应用时，注意两个问题：（1）实际炉墙的耐火材料和保温材料的热导率并非常数 ， （2）实际炉墙内、外表面积不同 ， ，

9、 ； ， 2、空心球体的导热对于球坐标系稳态导热 ，其中=k/c2.5 炉衬厚度的计算。答：确定炉壳表面温度t表，选定表面散热量q；计算界面温度，求出各层平均热导率；求炉衬厚度S；根据导热公式推导出S，若假设各层界面面积相等，则可以采用简化公式计算。炉衬厚度确定贯彻标准化原则，即厚度、宽度和长度均应为砖的整数倍，尤其是厚度和宽度必须保证。实际设计时，还要考虑砖缝。防止跑火。一般的热处理炉，砖缝取12mm，而可控气氛炉砖缝要小于1mm。2.6 炉墙散热量的计算。答：根据具体情况选择导热公式求解。2.7 高速钢常选择在盐浴炉中加热，为什么？答：盐浴炉中加热，相对于在水，改变了（淬火）介质的成分，利

10、用盐析出时破坏淬火件的蒸气膜，削弱边界层厚度，u，Re，Q。2.8 为什么低温炉内常设置搅拌风扇？答：提高空气流速，利用风扇来强制空气高速循环流动，或改变空气的流态，使空气呈紊流流动。u，Re，Q。2.9 什么是黑体？如何实现？答：若R0，D0，A1，即射入物体的所有能量全部被吸收，这类物体称为黑体，或绝对黑体。绝对黑体实现方法：在封闭容器上开一小孔，则进入小孔的辐射能经多次反射过程后，几乎全部被吸收。此时，称小孔为黑体，而与模型表面吸收率无关。2.10 简要说明灰体的概念。答：若： 为定值； 为定值； 则称该物体为灰体。2.11 黑体的吸收率A是多少？答：黑体：A=1。2.12 任意物体，其

11、吸收率A和黑度之间有何关系？答：任意物体的黑度恒等于它的吸收率。2.13 说明角度系数的概念。答：设有任意放置的两个均匀的辐射面F1及F2。由F1面直接辐射到F2面上的辐射能Q12与F1面辐射出去的总辐射能Q1之比，称为F1面对F2面的角度系数，以符号 表示。2.14 计算角度系数。答：F1面对F2面的角度系数为 。规律：（1）若F1面是平面或凸面，则 （2）对于由两个物体表面组成的辐射换热封闭体系，根据能量守恒定律，角度系数之间存在下述关系： （3）对于任意两个辐射表面： 2.15 计算两个大平面之间的辐射换热量。答：F1表面的面积、黑度、温度为：F1、1、T1；F2表面的面积、黑度、温度为

12、：F2、2、T2；该系统的角度系数为： 设T1 T2 ，将角度系数代入辐射换热通式中，可得： 2.16 计算两个大平面之间加隔热屏后的辐射换热量。答：当有n层隔热屏时，在任意两个平面之间辐射换热公式： 在稳定态换热时： 根据合比定律可得： 式中： 若 ， 则 ， 2.17 计算开孔辐射量。答：炉墙的开孔辐射，可以看作两个平行的黑体表面之间的热交换。还要考虑炉墙对开孔辐射的热射线的遮蔽作用。 （W） 式中： 孔口的遮蔽系数，也称为综合角度系数， 2.18 计算综合传热量。答：一、以辐射传热为主的热处理炉改变公式的形式，令： ，则： 辐称为辐射传热系数（w/m2.）。二、辐射和对流同时存在的热处理

13、炉三、通过炉墙的综合传热四、炉墙蓄热计算 设炉墙的体积为V，体积密度为，比热容为CP。 （kJ） （） 第三章 热处理电阻炉3.1 简要说明几个主要拱顶参数的概念。答：拱顶参数：拱顶角； h：拱顶；B：炉膛宽度（也是拱的跨度）。3.2 电阻炉功率设计有哪些方法？简要说明其中一种。答：一、周期作业炉的功率计算按冷炉升温时间确定功率：（1）炉墙蓄热（2）炉内耐热构件吸热（3）炉墙散热（4）炉墙开孔辐射热损失（5）计算功率按工件升温加热确定功率：（1）加热工件蓄热（2）加热辅助材料蓄热（3）炉墙散热（4）炉墙开孔辐射（5）其它热损失（6）总的热量消耗（7）电阻炉的热效率（8）空炉升温时间二、连续作业

14、炉的功率计算三、经验计算法3.3 炉子热效率是如何定义的？电阻炉的热效率大致多少？答：电阻炉的热效率为， ，对电阻炉：=4080%。3.4 电热元件设计及计算。答：电热元件的设计：1、电热元件材质的选择；2、确定单位表面负荷（W/cm2）；3、电热元件尺寸、重量的计算；（直径、长度、厚度、重量等）4、电热元件的接线方法；5、电热元件的结构设计；6、电热元件的布置和安装。设计要求： 满足炉子的功率要求（使用温度下）； 要有足够的寿命，一般要保证34年； 合理安装在炉内； 炉膛温度分布要均匀； 便于维护修理。设计原则： 确定炉子加热区段 供电原则 每相功率一般在1025KW之间计算：每相功率；高温

15、下每相的电阻；选择电阻丝直径d，求其长度l；每相电热元件重量；总长、总重量；重新选择电阻丝直径d，求其长度l，与之前的电阻丝比较，取满足条件的。3.5说明电热元件表面负荷的概念。答：表面负荷是指电热元件每单位表面积所负担的功率，也称为单位表面功率。该指标主要用来校验电热元件的设计是否合理。3.6 电阻炉的类型。答：从大的方面划分，电阻炉可以分为周期作业炉和连续作业炉两大类；周期作业炉包括箱式电阻炉、井式电阻炉、台车式电阻炉、滚动底式电阻炉、罩式电阻炉等类型；连续作业炉包括输送带式炉、网带式炉、推杆式炉、振底式炉、转底式炉、滚筒式炉等类型。第四章 热处理燃料炉4.1 何为煤气低发热值和高发热值？

16、答：低发热值：燃料燃烧产物中的H2O以气态存在，并以20为标准，此时，单位燃料完全燃烧放出的热量，以Q低表示。高发热值：条件是燃料燃烧产物中的H2O以液态存在，并以0为标准，此时，单位燃料完全燃烧放出的热量，以Q高表示。4.2 何为燃烧空气系数？答：实际供应空气量与理论空气需要量的比值，称为空气过剩系数，以表示。4.3 煤气正常燃烧有哪几个条件？答：（1）可燃混合物加热至着火温度以上。（2）煤气和空气混合物中煤气含量要在一定范围内。这个范围称为着火浓度范围。（3）可燃混合物的喷出速度=火焰传播速度。4.4 比较说明有焰燃烧与无焰燃烧的概念、特点。答：有焰燃烧，指的是煤气与空气在烧嘴中不预先混合

17、或只有部分混合，而是在离开烧咀进入炉内以后，在炉内边混合边燃烧，即混合与燃烧时同时进行，形成一个火焰。有焰燃烧的特点：（1）煤气和空气在燃烧前未混合。空气是在煤气喷出过程中卷入的。（2）属于扩散式燃烧。（3）具有可见的较长的火焰，火焰明亮。无焰燃烧法，指的是煤气和空气在进入炉膛之前预先进行了充分的混合。这时燃烧速度极快，整个燃烧过程在燃烧炕道（或烧嘴砖）内就可以结束，火焰很短，甚至看不到火焰，这种“预混式”的燃烧称为无焰燃烧。无焰燃烧时，燃烧速度的快慢主要取决于化学反应速度的大小，和扩散速度无关，这是一种动力学因素的影响，故常常将无焰燃烧称为动力学燃烧。主要特点：燃烧所需的过剩空气量少（一般为

18、5），燃烧完全，燃烧速度快；火焰短，通常无明显火焰；热量集中，热效率高。4.5 可燃气体的爆炸必须具备哪几个条件？答：（1）有火源引入，或局部加热至着火温度以上。（2）整个空间内，可燃混合物的成分在着火浓度范围内（也称为爆炸限）。（3）有限的密封空间。4.6 使用中应如何考虑煤气炉的防爆？答：防爆措施：开炉点火时，先用压缩空气吹扫炉膛，把炉内的煤气排走，再关闭炉门，打开煤气管，点火。注意：第一次点火未着时，应立即关闭煤气管，再用压缩空气吹扫炉膛，然后减小煤气量，进行第二次点火。4.7 空气吸入500的可控气氛炉中会否爆炸？为什么？答：CO+H2气氛的着火温度一般为400700。500高于可控气

19、氛的着火温度，是中温炉、高温炉的工作温度。其爆炸倾向主要出现在开炉和停炉两个阶段。使用过程中，由于炉内没有空气，不会形成爆炸性混合物，不能达到爆炸极限要求，不会发生爆炸。4.8 着火温度的定义是什么？工业煤气的着火温度范围大致多少？答：煤气和空气混合物，只有在被加热到一定温度时才能进行燃烧反应，这个一定的温度，我们就称之为着火温度。一般，工业煤气的着火温度为500700，这是在空气中燃烧，若在氧气中燃烧，着火温度要低50100。4.9 着火浓度范围的概念？该指标受哪些因数的影响？答：要进行正常燃烧，存在一个着火浓度范围。若 在一定范围时，可以正常燃烧，称该范围为着火浓度范围。影响着火浓度范围的

20、因素：（1）煤气种类不同，着火浓度范围不同。（2）与自身所处的温度有关。4.10 在煤气炉中，什么现象称为回火？脱火又是指什么现象？答：火焰传播速度为u，管内的可燃混合物流动的速度为。当u时，火焰前沿就会向管外移动，而最终脱离管口，在烧咀上发生这种现象称为脱火。第五章 热处理浴炉5.1 盐浴炉脱氧方法有哪些？答：（1）还原脱氧法：用还原作用强的物质去还原熔池中的氧化物，或与氧反应生成还原性质的气体，而除去熔池中的氧或氧化物的方法。（2）沉淀脱氧法：通过加入某种物质，与盐浴中的氧化物化合生成另一种化合物，该化合物比盐浴用盐的熔点高，比重大，且不宜溶解，因此将在盐浴槽中逐渐下沉，然后自盐浴槽底部定

21、时捞出这些沉积物。5.2 常用脱氧剂有哪些？答：还原脱氧的物质有：碳粉、木炭、碳化硅等；沉淀脱氧的脱氧剂有：石英砂、硼砂、二氧化钛等。5.3 盐浴炉的类型。答：按照炉温高低可以分为低温盐浴炉、中温盐浴炉和高温盐浴炉三种类型。低温盐浴炉工作温度650，主要用于高速钢的分级淬火和回火。中温盐浴炉工作温度为6501000，主要用于碳钢、低合金钢的淬火加热，高速钢的淬火预热及化学热处理等工艺。高温盐浴炉工作温度为10001300，主要用于高速钢和高合金钢的淬火加热。5.4 比较说明插入式电极盐浴炉与埋入式电极盐浴炉的特点。答：插入式电极盐浴炉的主要特点：坩埚容积利用率低，热效率低。因为电极是插入浴槽内

22、，面积利用少，电极约占1/3盐浴面，而工件只占2/3。炉温均匀性差。因为电极布置在炉膛一侧，电极附近的熔盐温度高，而远离电极一侧的坩埚底部温度低，造成盐不能熔化，形成所谓的“炉底斜坡”现象。电极损耗大，寿命短。因为在盐液面与空气接触处电极极昜氧化，造成“缩颈”现象。一旦出现了缩颈，缩颈处截面积减小，电流增大，会进一步加速电极的腐蚀、烧损。升温慢，耗电量大。不便于捞渣。埋入式电极盐浴炉特点：有效面积大（大于插入式，若与插入式同等条件，则可以减小坩埚的尺寸，提高炉子热效率，节能可达2030%）。电极不昜腐蚀，寿命长。炉温均匀，工件接触电极的可能性较小。升温快。便于捞渣。存在的主要问题：电极结构较复

23、杂，制造工作量大，更换困难。电极与坩埚的使用寿命不易匹配，而且不能单独更换。5.5 电极盐浴炉一般如何启动？答：电极盐浴炉金属启动电阻法，即先让金属启动电阻通电，产生的热量将固态盐熔化，至熔盐导电时，再改用电极通电，将熔盐加热到工作温度。第六章 可控气氛热处理炉6.1 吸热式气氛的制备特点有哪些？答：吸热式气氛的制备特点： C/O=1，保证生成CO，减少O2、CO2的含量。 1000，必须从外部加热。 Ni作催化剂。 在产物输出时加冷却器进行快速冷却，冻结CO的分解反应。6.2 为什么吸热式气氛容易进行碳势控制?答：CO、H2的含量很高（50%），且其比值恒定，则很容易进行碳势控制。H2O+C

24、O=CO2+H2因此，该气氛可以很好地用作渗碳气氛的载体气。6.3 吸热式气氛适合哪些材料的保护加热：（1）中碳钢（2）低碳钢（3）轴承钢（4）低合金钢（5）高强度钢答；（1）（3）（4）6.4 按燃烧空气系数大小的不同，放热式气氛可以分为哪两种类型？分别用于什么场合？答：，CO2、H2O多，称为淡型放热式气氛，对Fe是还原性的，常在脱碳要求不高的情况下使用。比如，用作铸锻毛坯件的退火、正火，标准件的光洁退火，淬火、回火等的保护加热。CO2、H2O少，称为浓型放热式气氛，为弱氧化性气氛（对Fe）。但这种气氛对Cu是还原性的，则常常用作铜及铜合金的光亮热处理。6.5 制备放热式气氛时，其燃烧空气

25、系数大于1，还是小于1？为什么？答：制备放热式气氛时，其燃烧空气系数小于1。因为这样鼓风机送入燃烧室内的空气进行的是不完全燃烧，燃烧反应制取的气体通入冷凝器中快速冷却，其中的水蒸汽冷凝成水，经由气水分离器将水除去，再通过吸附干燥器进一步除水，就得到了放热式气氛。XX文库 - 让每个人平等地提升自我6.6 用碳分子筛和沸石分子筛制备氮基气氛的主要差别是什么？XX文库 - 让每个人平等地提升自我答：碳分子筛吸附分离空气制氮碳分子筛是由硬煤制取的，将硬煤粉碎，加入粘结剂，进行热处理而形成。碳分子筛借助于它对O2、N2的吸附速度不同，而对O2、N2进行分离。碳分子筛，吸附O2比较快，而吸附N2比较慢。

26、这样，当空气通过碳分子筛时，O2被吸附，N2就排出。碳分子筛的吸附能力与压力有关，压力越大，吸附能力就越大，则提取的N2纯度增大。碳分子筛在使用中，每隔一段时间要进行再生处理。制N2时，总是两个碳分子筛塔轮流使用。 沸石分子筛吸附分离空气制氮沸石分子筛的制N2过程与碳分子筛正好相反。因为沸石分子筛对N2的吸附速度快，而对O2的吸附速度慢。所以制N2时，先排O2，然后用真空泵抽出所吸附的N2。6.7碳势的概念？工业生产中如何测量碳势？答：碳势：CP（单位：% C），指气氛中活性碳原子C的含量。理论上，用钢箔的平衡含碳量描述。钢箔一般用低碳钢，厚度为0.10.2mm。工程上CP是通过实验直接测量的

27、。常用的测量碳势的方法是钢箔称重法：将钢箔试样置于可控气氛中保温，待钢箔与气氛平衡后（一般保温2030min），取出钢箔，求出钢箔的含碳量，即为气氛的碳势。求钢箔的含碳量，采用称重法：W前:钢箔在气氛中渗C前的重量（g），一般取1g左右；W后:钢箔在气氛中渗C后的重量（g）；Co ：钢箔的原始含碳量（%）， 0.2%。6.8 电阻法测控磁势的原理是什么？答：电阻法测控碳势的工作原理：将纯铁丝置于渗碳气氛中渗碳，则它的电阻值和CP有关。在奥氏体化温度下，纯铁丝的电阻值只和其含碳量C%及温度有关：R = f（C%,T）温度越高，含碳量C%越多，则热丝的电阻值越大。若温度T一定，则: R = f（C

28、%）而且RC%之间的关系是线性的。纯Fe丝的C%就是气氛的碳势。即C%=CP，所以RCP通过实验标定了电阻R和碳势CP之间的关系后，通过测控纯Fe丝的电阻值即可测控炉内CP值。6.9 单参数控制碳势法的应用条件？答：1.气氛中CO，H2含量高，且稳定不变。 2.CH4%1000时，0.01 mV/；500时，0.005 mV/；要求配备灵敏度高的显示仪表；不能在还原性气氛和渗碳气氛中使用，否则很容易脆断。（3）铂铑30铂铑6热电偶（俗称双铂铑）双铂铑热电偶与铂铑10铂热电偶的优缺点相近。与铂铑10铂热电偶相比，其热电特性更加稳定；测量温度更高；同时，所产生的热电势更小，所以必须配备高灵敏度的显示仪表。这种热电偶的最大优点是：室温下其热电势极小，比如：25时只有2V，503V。所以，使用时不需要对冷端温度进行补正。8.4 补偿导线的特点及作用答：所谓补偿导线，实际上也是一对化学成分不同的金属线，它一般具有两个特点：一是在0100范围内与其配接的热电偶具有相同的热电特性；二是价格便宜。 补偿导线的特点（或补偿导线应具备 的条件）a.在低温范围（0100）内，具有与热电偶相同的热电特性；b.价格比热电极丝大大降低，同时寿命大大提高（因为直径更粗）。