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)。
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