熱處理電阻爐設計

1、長春工業(yè)大學教案【教學單元首頁】第 7-12 次課 授課學時 10 教案完成時間：2012/9/1章、節(jié)第三章熱處理電阻爐設計；4.1電阻爐的基本特點；4.2筑爐材料；4.3電阻爐結構設計；4.4電阻爐功率計算；4.5電阻爐的功率分配和電熱元件接線；4.6電熱元件的計算及材料選用；4.7電熱元件的安裝；4.8熱處理電阻爐的經濟技術指標主要內容1.箱式電阻爐；井式電阻爐；耐火材料；保溫材料；爐用金屬材料。2.收集設計原始資料和確定爐型；爐膛設計；爐體結構設計；熱平衡計算法；經驗計算法。3.功率分配；供電電壓和接線方法；電熱元件材料性能要求；常用電熱元件材料及特點；電熱元件表面負荷；電熱元件的計算

2、。4.安裝方式；電熱元件引出與焊接；性能試驗；電阻爐的技術規(guī)范。目的與要求目的：了解常用筑爐材料和電阻爐的分類、結構特點，學習熱處理電阻爐設計一般流程和方法、電熱元件選材和設計計算等，為合理選擇熱處理設備和從事熱處理設備設計工作打下必要的基礎。要求：了解筑爐材料性能，掌握中溫箱式電阻爐和井式氣體滲碳爐的結構特點及用途；掌握熱處理電阻爐設計的一般流程和方法；掌握電熱元件選材和設計計算方法。重點與難點重點：中溫箱式電阻爐和井式氣體滲碳爐的結構、特點用途；電阻爐結構設計和功率計算；電熱元件的設計計算。難點：爐體結構設計；電熱元件的設計計算。教學方法與手段板書和多媒體教學結合。第四章 熱處理電阻爐設計

3、4.1電阻爐的基本特點熱處理電阻爐是以電為能源，通過爐內電熱元件將電能轉化為熱能而加熱工件的爐子。按照電阻爐結構特點可分為箱式電阻爐、井式電阻爐、臺車式爐等。這里我們主要介紹一般企業(yè)均有的箱式電阻爐和井式電子爐的類型和特點。一.箱式電阻爐1.箱式電阻爐的分類和命名按工作溫度不同，箱式電阻爐可分為高溫箱式電阻爐（1000）、中溫箱式電阻爐（650-1000）和低溫箱式電阻爐三類。一般企業(yè)的箱式電阻爐通常均是中溫箱式電阻爐。因而這里僅介紹中溫箱式電阻爐。箱式電阻爐型號和命名方式為：RX+設計序號+功率（KW）+最高工作溫度/100，如RX2-45-9中，R表示是電阻爐，X表示是箱式，2為設計序號，

4、45表示箱式電阻爐的額定功率為45KW，9表示箱式電阻爐的最高工作溫度為950。2.中溫箱式電阻爐用途及結構爐門搖手柄觀察孔裝料平臺平衡砝碼平臺支撐板耐火磚電熱元件和擱磚導軌熱電偶A3鋼板角鋼搖手柄中溫箱式電阻爐在企業(yè)主要用于工件的退火、正火、淬火（一般主要用于調質處理的淬火）、回火和固體滲碳（目前固體滲碳已很少用，只在一些特殊情況下使用，如油嘴的滲碳）等。中溫箱式電阻爐爐體主要由爐殼、爐襯、加熱元件等組成。爐殼一般由角鋼和鋼板焊接而成。爐襯：標準爐一般均是由耐火層和保溫層兩層結構。耐火層一般用體積密度大于1.0g/cm3的輕質耐火粘土磚砌筑，保溫層則用保溫磚砌筑骨架，然后填充蛭石粉、膨脹珍珠

5、巖粉等組成。非標準爐當爐溫較低時如750-800使用的爐子，也有采用輕質粘土磚+普通硅酸鋁纖維氈組成。加熱元件：通常是鐵鉻鋁或鎳鉻合金絲繞成的螺旋體，布置在爐膛兩側和爐底擱磚上。爐底通常覆蓋耐熱鋼板，也有使用普通鋼板的。*二.井式電阻爐：1.特點和分類特點：1）外形為圓型；2）一般置于地坑中；3）爐溫通常分區(qū)控制；4）適用于細長工件熱處理。電風扇井式回火爐分類：按工作溫度和工作性質分為高、中、低溫井式電阻爐和井式氣體滲碳爐、井式氣體C-N共滲爐、井式氣體N-C共滲爐、氣體氮化爐等。其中井式氣體滲碳爐應用最多，故這里僅介紹井式氣體滲碳爐。2.井式氣體滲碳爐用途：廣泛用于機械零件的表面滲碳處理。構

6、成：主要由爐殼、爐襯、爐蓋、提升機構、風扇、爐罐、滴注器、溫度控制及碳勢控制裝置等組成。爐殼由鋼板焊接而成。爐襯一般是耐火層+保溫層兩層結構。爐罐過去用鉻錳氮鋼鑄造而成，現在一般用耐熱鋼板焊接而成。爐蓋上有電機、風扇、滴液管、排氣管、試樣孔等組成。3.2筑爐材料筑爐材料主要包括耐火材料、保溫材料、爐用金屬材料等。一.耐火材料耐火材料是能抵抗高溫并承受高溫下產生的物理、化學作用的材料的統(tǒng)稱。耐火材料性能包括物理性能如體積密度、氣孔率、熱膨脹性、導熱性等和工作性能如耐火度、高溫結構強度、耐急冷急熱性能等。1.耐火材料工作性能1）耐火度：耐火度指耐火材料抵抗高溫作用的性能，用耐火材料受熱后軟化到一定

7、程度時的溫度表征。耐火度測定：將一定尺寸的三角形錐體，在規(guī)定的加熱條件下加熱，當試錐頂部因受溫度及本身重量影響彎到剛接觸底平面時的溫度稱為該材料的耐火度。按耐火度不同，耐火材料分為：普通耐火材料：耐火度在1580-1770；高級耐火材料：耐火度在1770-2000；特級耐火材料：耐火度在2000以上。2）高溫結構強度：高溫結構強度用荷重軟化點評價，即在一定壓力（196KPa，輕質材料為98KPa）條件下，以一定速度加熱，測出試樣開始變形（0.6%）時的溫度和試樣變形達4%、40%的溫度，前者叫荷重軟化開始點，后者叫荷重軟化4%或40%軟化點。耐火材料的高溫結構強度主要取決于化學成分和體積密度。

8、耐火材料的使用溫度必須低于其荷重軟化點。3）高溫化學穩(wěn)定性：高溫化學穩(wěn)定性指耐火材料在高溫下抵抗熔渣、熔鹽、金屬氧化物及爐內氣氛等的化學作用和物理作用的性能。高溫化學穩(wěn)定性常用抗渣性來評定，它取決于組成物的化學性質及其物理結構，目前多數僅以定性指標表示。例如無罐氣體滲碳爐耐火磚用三氧化二鐵含量小于1%的抗?jié)B碳磚。4）耐急冷急熱性能（熱震穩(wěn)定性）：耐急冷急熱性能指材料抵抗溫度急劇變化而不發(fā)生破壞的性能。測定方法：將耐火制品加熱到850，然后放入流動冷卻水中冷卻，反復進行該過程，直到其破碎或剝落重量損失達到20%時的次數。耐急冷急熱性能與制品的物理性能、形狀和大小等因素有關。5）高溫體積穩(wěn)定性：高

9、溫體積穩(wěn)定性：指高溫下長期使用時，化學成分發(fā)生變化，產生再結晶和進一步燒結，從而使耐火材料的體積發(fā)生收縮或膨脹。通常用膨脹系數或重燒線收縮來表示。2.常用耐火材料1）耐火粘土磚：最常用的耐火材料，主要用于爐頂、爐底、爐側墻等耐火層。2）高鋁磚：主要用于高溫熱處理爐耐火層、電阻絲或電阻帶擱磚、熱電偶導管、馬弗爐爐芯等。3）輕質磚與超輕質磚：主要用于爐墻和爐頂。4）耐火纖維：主要用于低溫爐的保溫材料。分晶質和非晶質耐火纖維兩種。非晶質耐火纖維：分普通硅酸鋁纖維、高純硅酸鋁纖維、含鉻硅酸鋁纖維和高鋁纖維四種。其中普通硅酸鋁纖維是應用最廣泛的耐火纖維，常制成各種厚度的纖維氈。晶質耐火纖維：主要有多晶莫

10、來石纖維和多晶氧化鋁纖維兩種。二.保溫材料1.保溫材料特點：體積密度小；氣孔率高；熱容量小；熱導率小等。2.常用保溫材料：硅藻土、蛭石、礦渣棉、石棉、高溫輕質珍珠巖等。三.爐用金屬材料1.爐外用金屬材料：主要用于爐子外殼和構架，如Q235A鋼板、角鋼、槽鋼、工字鋼等。2.爐用耐火鋼：用作爐底板、爐罐、坩堝、輻射管、導軌、料框、爐輥、傳送帶、夾具、緊固件、電熱元件及其引出棒等。我國早期均采用3Cr18Ni25Si2和1Cr25Ni20Si2。60年代后期采用鉻錳氮和鉻錳氮硅鋼。近年來開始使用含鎳少的3Cr24Ni7SiN和3Cr24Ni7SiNRe。4.3電阻爐結構設計一.收集設計原始資料和確定

11、爐型包括：1）爐子的生產任務（公斤或件/小時或年）及作業(yè)制度（一版、二班還是連續(xù)生產）；2）加熱工件的材料、形狀、尺寸和重量；3）工件的熱處理規(guī)程和質量要求；4）電源及車間廠房等條件；5）爐子的制造維修能力及投資金額等。根據收集的資料，首先進行初步設計，確定爐型，最好能有幾套方案，廣泛征求有關人員意見，反復進行技術、經濟性比較論證，確定最佳爐型。爐型確定以后，接下來的工作就是爐膛和爐體的結構設計。*二.爐膛設計爐膛尺寸主要根據工件形狀、尺寸、技術要求、裝卸料方式、操作方法和生產率等來確定。對于箱式電阻爐，爐膛尺寸包括爐膛有效尺寸（指裝載工件的爐底板寬度B效和長度L效以及堆放工件的有效高度H效）

12、和爐膛砌磚體內腔尺寸BLH兩部分。 1.爐底面積爐底面積確定有兩種方法：方法一：對于生產批量不大、工件尺寸較大且形狀特殊者常采用實際排料法，此時有：L=L效）m；B=B效）m方法二：對于工件加熱周期和裝爐量不明確情況如通用爐設計，此時常采用加熱能力指標法進行設計。假設：1）爐底單位面積生產率為p0（單位時間內單位爐底面積所能加熱金屬重量）；2）爐底有效面積為F1，總面積為F，且F1=（）F；3）爐子生產率為p，F1=p/p0；則：，B=（1/22/3）L。求出B、L后，與標準系列爐尺寸進行比較后確定實際爐底尺寸，以便選用標準尺寸爐底板。2.爐膛高度：爐膛高度指爐底面至爐頂拱角距離。爐膛高度常決

13、定于裝料高度和電熱元件安裝位置，一般裝料上方應保持200-300mm的空間。根據統(tǒng)計資料，爐膛高度與寬度之比多數在0.5-0.9之間，一般取0.8左右。中高溫爐以輻射為主，爐膛應高些，而低溫爐以對流為主，爐膛應低些。在決定爐膛砌磚體內腔高度時，必須考慮爐內側壁安裝擱磚層數，標準擱磚每層高度67mm（包括灰縫）。三.爐體結構設計爐體包括爐墻、爐底、爐頂和爐門。1.爐底爐底起保持爐內熱量和承載工件的作用，通常箱式電阻爐爐底結構是在爐底外殼鋼板上用保溫磚砌成方格子狀，在格子內填充保溫材料散料，再在上面平鋪1-2層保溫磚，接著鋪一層輕質粘土磚，上面安置支撐爐底板或導軌的重質粘土磚和電熱元件擱磚。2.爐

14、墻爐墻主要為砌體，外部包爐殼鋼板。中低溫爐爐墻一般分兩層，內層耐火層常用輕質粘土磚砌筑，外層為保溫層，由保溫材料構成。高溫爐爐墻常采用三層，內層用重質磚或高鋁磚砌成，中間為過渡層，一般用輕質磚砌筑，外層為保溫層。有的低溫爐采用雙層鋼板內填保溫材料的結構。因為爐墻通常采用標準磚砌筑，因此爐膛尺寸應為標準磚尺寸（23011365mm）加磚縫尺寸（一般2mm）的倍數，最常見的爐墻由內向外各層厚度：中溫爐是113mm輕質粘土磚+230mm保溫磚，高溫爐是113mm輕質高鋁磚+113mm輕質粘土磚+230mm保溫磚。為防止爐墻反復熱脹冷縮發(fā)生開裂，在大型爐的爐墻粘土磚層，每米長度應留5-6mm的膨脹縫，

15、各層間的膨脹縫應錯開，縫內填入馬糞紙或摻有25-30%石棉的灰漿。3.爐頂爐頂結構有平頂和拱頂兩種，熱處理爐大都采用拱頂，小型爐也可采用預制耐火材料平板爐頂，大型爐大都采用吊裝式平頂。拱頂的圓心角稱為拱角，標準拱角為60度，拱頂質量及其受熱時產生的膨脹力形成的側推力作用在拱角上。因此，拱角常用輕質楔（xie）形磚砌筑，上砌筑輕質保溫制品，而拱角則用重質磚砌筑，以承受較大的側推力。較大的爐子為減輕重量，還常另有鋼架結構支撐拱角。4.爐門爐門部分包括爐門洞口、爐門框和爐門。爐門洞口截面尺寸要保證裝出料方便和爐子安裝電熱元件和維修的需要，通常應小于爐膛截面尺寸，以減少熱損失和保護電熱元件。高溫爐的爐

16、門洞口長度應較大，以減少爐門洞口的輻射熱損失。爐門洞口的砌體常受工件摩擦碰撞，應采用重質磚或其它較堅固的耐火磚砌筑。爐門應保證爐子操作方便，爐口密封好（特別是可控氣氛）和減少熱損失。其基本結構特點是：要有足夠厚的保溫層，爐門邊緣與爐門框要重疊65-130mm，爐門要壓緊爐門框，爐門下緣常楔入工作臺上的砂槽內，爐門與爐門框間加密封墊圈，并考慮減輕爐門重量等。最常用的爐門壓緊方法是在爐門側面設置楔鐵或滾輪，當爐門落下時，楔鐵或滾輪滑入爐門框上的楔形滑槽或滑道內，爐門越向下，爐門將越壓緊爐門框。一般靠自重使楔鐵滑入楔形槽內，有時在爐門下設一氣缸，靠氣缸的活塞桿作用把爐門拉下，使?jié)L輪或楔鐵與滑道或楔形

17、槽配合更緊密，將爐門緊壓在爐門框上。此外，還有傾斜爐門自動壓緊、偏心輪或絲杠壓緊等方法。爐門框可用鑄造或鋼板焊接制造，后者質量輕，便于啟閉，但容易變形，影響密封性。對可控氣氛爐要用耐熱鋼制造，或利用水套冷卻爐門框。對高溫爐處在爐口上緣的爐門框板還常開出條形切口，作為熱膨脹縫。4.4電阻爐功率計算一.熱平衡計算法1.熱處理爐主要能量支出項一般爐子的能量消耗項包括加熱工件吸收的能量Q件（有效熱）、通過爐壁的散熱損失Q散（空載時主要能量消耗項，無效熱損失）、砌體畜熱量Q畜（周期作業(yè)爐主要能量消耗項，無效熱損失）、爐內氣體外溢和對外輻射熱損失Q溢和Q輻（與爐子溫度和操作狀態(tài)有關，對高溫爐應特別注意該兩

18、項能量損失，對敞開爐門的爐子，此項熱損失有時成為能量消耗的重要項目）、可控氣體的熱損失Q控（決定于氣體消耗量，采用密封式自動裝卸料的爐子，其氣體消耗量和熱能損失可大為降低）、爐內金屬構件直接伸出爐外的短路損失Q短（在機械化作業(yè)爐子上較為嚴重，對于一般爐子應盡量避免）、料盤和夾具等反復加熱和冷卻帶來的輔助構件熱損失Q輔（有時也占較大比例，在可能的情況下應盡可能減少輔助構件或不使輔助構件反復拉出爐外）、供電設備和導線引起的電能消耗Q供（對直接從電網供電的爐子一般較小，僅占總損失的1，但對經變壓器降壓、低壓大電流供電的爐子，此項電能消耗也很可觀），此外，爐子能量消耗還有許多項目難于計算，設計時歸入其

19、它熱損失Q它項目中。1）Q件計算Q件P件（c2t2-c1t1），式中P件為爐子的生產率（kg/h），t1和t2為工件加熱的初始和終了溫度（），c1和c2為工件在t1和t2時的比熱容（KJ/kg）。如以加熱階段作為熱平衡計算時間單位，則：Q件G裝（c2t2-c1t1）/加，式中G裝為一次裝爐料重量（kg），加為加熱階段時間（h）。2）Q輔（包括料筐、工夾具、支承架、爐底板及料盤等）Q輔P輔（c2t2-c1t1），式中P輔為每小時加熱輔助構件的重量(kg/h)，t1和t2為輔助構件加熱的初始和終了溫度（），c1和c2為輔助構件在t1和t2時的比熱容（KJ/kg）。3）Q控（加熱控制氣體所需熱量）Q

20、控V控c(t2-t1)，式中V控為控制氣體的用量（m3/h），t2和t1為控制氣體入爐前的溫度和工作溫度（），c為控制氣體在t2t1溫度范圍內的平均比熱容（KJ/m3）。4）Q散（通過爐襯的散熱損失）在爐體處于穩(wěn)態(tài)傳熱時，通過雙層爐襯的散熱損失為：，式中tg和ta為爐氣和爐外空氣的溫度（），對電阻爐可近似認為tg等于爐內壁溫度或爐溫；1和2為第一層和第二層爐襯的厚度（m）；1和2為第一層和第二層爐襯的平均熱導率（KW/m）；1為爐氣對爐體內襯表面的綜合換熱系數（KW/m2），其值一般較大，故1/1近似為零，可忽略不計；2為爐體外殼對其周圍空氣的綜合換熱系數（KW/m2）；Aav為爐體的平均散熱

21、面積（m2）；3600為時間系數。當爐頂、爐壁、爐底和爐門的爐襯材料和厚度不同時，應分別計算各自的散熱損失。5）Q輻（開啟爐門或爐壁縫隙的輻射熱損失）Q輻3.60Ai(Tg4-Ta4)，式中A為爐門開啟面積或縫隙面積（m2）；3.6為時間系數；為爐口遮蔽輻射系數（見圖）；i為爐門開啟率，對常開爐門和爐壁縫隙而言，i1。6）通過開啟爐門或爐壁縫隙的溢氣或吸氣熱損失Q溢和Q吸當爐壓為正值時（如可控氣氛爐），開啟爐門時將引起爐氣外溢；當爐壓為負值時（一般對燃料爐而言）將吸入冷空氣。對于一般箱式電阻爐，開啟爐門時，零壓面以上為爐氣外溢，零壓面以下將吸入冷空氣，通常將加熱吸入的冷空氣所需的熱量作為該項熱

22、損失，即：Q吸=qvaaca(tg-ta)，式中ta為爐外冷空氣溫度（）；tg為吸入冷空氣在爐內被加熱的溫度（），其值隨爐門開啟時間的延長而降低，若爐門開啟時間很短，則可近似為爐子工作溫度；a為空氣的密度（kg/m3）；ca為空氣在tg-ta溫度范圍內的平均比熱容（kJ/kg）；qva為吸入爐內的空氣流量（m3/h）。qva可根據公式計算，對空氣介質的850熱處理電阻爐，假設空氣溫度為20，相對零壓面在開啟爐門高度的中分線，則數值關系為：qva1997BH,式中B為爐門或縫隙的寬度（m），H為爐門開啟高度或縫隙高度（m），1997為系數，單位為m0.5/h。7）Q畜（砌體畜熱量）氣體畜熱量指爐

23、子從室溫加熱到工作溫度并且達到穩(wěn)定狀態(tài)時爐襯本身所吸收的熱量，對雙層壁砌體可按下式計算：QV11(c1t1-c1t0)+V22(c2t2-c2t0)，式中V1和V2為耐火層和保溫層的體積（m3）；1和2為耐火、保溫材料的密度（kg/m3）；t1和t2為耐火層和保溫層達到穩(wěn)定狀態(tài)時的平均溫度（）；t0為室溫（）；c1和c2為耐火、保溫材料在和時的比熱容（kJ/kg）；c1和c2為耐火和保溫材料在t0時的比熱容（kJ/kg）。實際生出中，爐子并非在每一生產周期都從室溫開始加熱，爐砌體常保持遠高于室溫的溫度，其溫度值與生產中冷卻階段和裝料階段的熱損失有關，特別是爐子重新開爐前的空閑（停爐）時間有關，

24、因此，此項熱損失的真正值應視具體情況進行修正。8）Q它此項熱損失包括未考慮到的各種熱損失及一些不易精確計算的熱損失，如爐襯磚縫不嚴、爐子長期使用后保溫材料隔熱性能和爐子密封性能降低以及熱電偶、電熱元件引出桿的熱短路等所造成的熱損失。通常，對于密封箱式爐取上述各項熱損失和的15-20，對機械化爐取25，對敞開式鹽浴爐取3050。2.爐子所需功率1）連續(xù)作業(yè)的爐子功率連續(xù)作業(yè)爐工作時，可認為爐體已處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，不再吸熱，因此，其總的熱支出為：Q總=Q件+Q輔+Q控+Q散+Q輻+Q吸+Q它。實際生產中考慮到爐子長期使用后爐襯局部損壞引起熱損失增加、電壓波動、電熱元件老化等引起爐子功率下降、工藝制度

25、變更要求提高功率等因素，因此，爐子功率應有一定的儲備，即實際爐子功率應在Q總的基礎上乘以功率儲備系數K（對于連續(xù)作業(yè)爐，K1.21.3，對于周期作業(yè)爐，K1.41.5），因此，爐子的安裝功率P安KQ總/3600。爐子的熱效率2）周期作業(yè)的爐子功率對周期作業(yè)爐，按上式計算出功率后，還需按下式計算空爐升溫時間：，若空爐升溫時間太長，則應加大爐子功率使其滿足空爐升溫時間要求。二.經驗計算法爐子功率經驗計算法以統(tǒng)計數據為基礎，下式為計算周期作業(yè)封閉式熱處理電阻爐功率的經驗公式：，式中為空爐升溫時間（h），A為爐膛內壁面積（m2），t為爐溫（），C為系數，熱損失較大的爐子，C30-35，熱損失較小的爐子

26、，C20-25，單位為kWh0.5/m1.81.55。4.5電阻爐的功率分配和電熱元件接線一.電阻爐的功率分配由于爐膛內各部分散熱條件和爐氣運動狀態(tài)存在差異，爐內溫度常存在不均勻，為實現熱處理工藝的準確性和提高爐膛利用率以及安裝方便，常須對爐子各部分輸入不同的功率，分區(qū)布置電熱元件，必要時還應分區(qū)控制。對于小型箱式爐，電熱元件一般都均勻布置在爐側壁和爐底，有的也安裝在爐頂。對尺寸較大的箱式爐，在爐門口端約占1/4-1/3的部位應適當加大功率，加大量為平均功率的15-20%，或在爐門上安裝一組電熱元件，以提高爐前區(qū)的溫度，補償爐口處的熱損失。由于電熱元件引出桿常從爐后壁引出，故后壁不便布置電熱元

27、件。對于一般熱處理爐，單位爐壁上的功率負荷一般控制在15-30KW/m2。井式爐由于爐口散熱量較大和熱氣流上浮的作用，爐口和爐底處的溫度易偏低，而中部溫度較高。因此，深度較大的井式爐，爐膛上下各部分分區(qū)配給不同的功率并分區(qū)控制（見下表）。H/D熱區(qū)數爐溫（）爐膛內壁的單位功率負荷（KW/m2）上中下1950/15/1200/20-25/1-295015/15120020-25/20-251.5-3950151015120020-2515-2020-25二.電阻爐的電壓選擇一般電阻爐均采用車間電網電壓即380V，只有部分小型爐采用220V。當電熱元件表面功率負荷相同時，采用較高的電壓，可降低電熱

28、元件的總重量，但此時電熱元件較細較長，在爐膛內較難布置。電阻爐在以下幾種情況下需降壓供電：1）采用碳硅棒等非金屬電熱元件時，由于電熱元件電阻較小，且在使用中電阻不斷增大，因而需降壓和調壓供電。2）吸熱型可控氣氛爐也常降壓供電，因為在該氣氛中，爐壁上為沉積碳黑，當電壓較高時，靠近壁面的電熱元件容易透過碳黑沉積層發(fā)生短路。3）采用電阻溫度系數大的電熱元件如鉬絲鎢絲等，為穩(wěn)定爐子在不同溫度下的功率，需配備調壓器。4）為保證人身安全，某些爐子如電極鹽浴爐，也應低壓供電，一般應低于36V。5）在真空爐內常采用電阻較小的碳質電熱元件，且為防止真空放電，也應采用低壓（100V）供電。三.電阻爐接線形式的選擇

29、電熱元件的接線方式很多，可根據爐子功率的大小等因素考慮選用何種接線方式。一般而言，當爐子功率小于25KW時，采用220V或380V單相接線法；當爐子功率為25-75KW時，采用三相380V星形接線法，個別的也有采用三相380V三角形接線法；當爐子功率大于75KW時，可將電熱元件分成兩組或兩組以上的三相380V的星形或三角形接法。每組功率以30-75KW為宜，即每相功率在10-25KW之間，這樣，可使每一組電熱元件的功率不致過大，便于布置安裝，而且電熱元件的尺寸也比較合適。電熱元件接線方法和功率計算見下表：接線方法示意圖元件數目n/組數m總功率串聯(lián)nP=U2/nr(電阻)并聯(lián)nP=nU2/r先并

30、聯(lián)再串聯(lián)nmP=nU2/mr先串聯(lián)再并聯(lián)nmP=mU2/nr星形3P=U2/r三角形3P=3U2/r雙星形6P=2U2/r雙三角形6P=6U2/r串聯(lián)-星形3nP=U2/nr串聯(lián)-三角形3nP=3U2/nr4.6電熱元件的計算及材料選用一.電熱元件基本性能要求作為理想的電熱元件，應具備以下基本性能要求：1）較高的熔點和高溫強度：以確保電熱元件在工作中不發(fā)生熔化、揮發(fā)、無明顯的蠕變和塌陷。2）良好的高溫抗氧化性，能長期穩(wěn)定的工作：3）較大的電阻率和較小的電阻溫度系數：因為電阻率越大，電熱元件長度越短，電阻溫度系數越小，爐子功率隨溫度變化而發(fā)生的波動越小。電阻率和電阻溫度系數間的關系可用下式表示：

31、t=0(1+t)。4）較小的膨脹系數：因為在開爐、停爐或爐溫波動時，電熱元件將發(fā)生熱脹冷縮，過大的膨脹系數將導致電熱元件發(fā)生過度的伸長和收縮，產生將較大的應力，使電熱元件表面的氧化膜破壞，致使氧化加速和電熱元件過早失效。此外，安裝電熱元件時應注意留有充分的膨脹余地。5）較好的塑性：以便于加工和維修。6）良好的抗蝕性：電熱元件在不同的氣氛中工作時會受到不同程度的侵蝕，降低其使用壽命。選擇電熱元件時，應注意其對各種氣體介質的抗蝕能力，在腐蝕性氣氛中工作時，應降低其使用溫度。二.常用電熱元件材料及特性電熱元件分金屬和非金屬兩大類。1.金屬電熱元件1）鎳鉻系材料這類材料主要有Cr20Ni80、Cr15

32、Ni60、Cr20Ni80Ti3、Cr23Ni18等牌號。特點：鉻能在電熱元件表面形成致密的Cr2O3氧化膜，保護基體不受氧化；具有較高的高溫強度，且經過高溫加熱后機械性能變化較小；具有良好的塑性和焊接性能，易拉絲和繞制，便于返修；由于Ni和N的親和力小于Fe，該材料在氮化性氣氛中比較穩(wěn)定；在含S氣氛中容易形成硫化物、在含CO氣氛中長期加熱氧化膜會發(fā)生破壞，導致滲碳，使表面的熔點降低，導致裂紋形成甚至熔斷；價格高，電阻率小，電阻溫度系數大；金相組織為奧氏體。2）鐵鉻鋁系材料牌號：主要有1Cr13Al14、0Cr13Al6Mo2、0Cr25Al5、0Cr27Al7Mo2、0Cr25Al6Re和C

33、r23Al6CoZr等。特點：Al、Cr可在電熱元件表面形成Cr2O3和Al2O3致密膜，Cr、Al含量越高，材料耐氧化能力和電阻率越大；與鎳鉻系相比，這類材料具有較高的抗氧化能力和抗硫蝕能力，電阻率較大，電阻溫度系數較低，可用于較高的溫度；主要缺點是塑性較差，經高溫加熱后晶粒十分粗大，性脆，難于維修；高溫強度較低，易塌陷；在滲碳氣氛中長期工作，氧化膜會發(fā)生破壞而發(fā)生滲碳，使使用壽命降低；價格較便宜，在熱處理爐中應用廣泛。金相組織是鐵素體。3）高熔點金屬和鉑鉬、鎢、鉭（tan）的熔點分別為2625、3370、3000，這類材料高溫易氧化，常需在氫氣、氨分解氣或真空中使用，在高真空中，鉬、鎢、鉭

34、的最高使用溫度分別為1800、2400、2200。鉑的熔點為1773.5，在高溫空氣中不氧化，可制作1200-1600高溫電熱元件，但會與氫和碳氫化合物發(fā)生反應。這類元件電阻溫度系數很大，采用時常應附加調壓器調節(jié)功率。2.非金屬電熱元件1）碳化硅電熱元件常制成碳硅棒，在氧化性氣氛中可在1350下長期工作。具有很大的電阻率：低于800為負值，高于800為正值；碳、硅均能與氧反應，在加熱和冷卻過程中，氧化硅反復破裂和形成，使氧化加深，電阻增大，這種隨使用時間延長電阻增大的現象稱為老化，元件老化后需提高電壓才能保證爐子原有的功率；碳硅棒易與氫氣和水蒸氣發(fā)生作用而顯著縮短其使用壽命，故當爐內含有水分時

35、，升溫時應打開爐門，使水分排出；碳硅棒質脆，強度低，安裝使用過程需特別注意。2）二硅化鉬電熱元件最高使用溫度可達1700-1800；高溫下允許采用較高的表面負荷率；電阻率隨溫度升高呈直線增大，便于在低溫時輸入較高的功率縮短升溫時間；溫度高于1350時會軟化而失去剛性，故不宜水平安裝；在空氣、氧化性氣氛、水蒸氣和二氧化碳氣氛中使用有較長的壽命，在含硫和氫的氣氛中工作由于表面膜破壞，使用溫度宜降低到1350以下使用。3）碳系電熱元件石墨、碳粒和各種碳制品都屬于碳系電熱元件，由于碳與氧的親和力很強，常在中性氣氛和真空中使用；石墨電熱元件應用最多，常用于1400-2500之間的爐子，最高達3600，一

36、般制成管狀或帶狀使用；石墨熱膨脹系數小，熱導率較大，易加工，耐急熱急冷性好，價格低廉；石墨帶有高純碳材料制成，常用聚丙烯腈（jing）碳紗經石墨化處理然后編織而成，石墨帶質地柔軟，高溫性能穩(wěn)定，常用作真空爐的電熱元件；以碳粒作電熱元件時，通常將碳粒填充在溝槽內或圓筒中，這時的電阻為碳粒本身的電阻和碳粒間的接觸電阻之和。三.電熱元件的表面負荷電熱元件的表面負荷指元件單位面積上所發(fā)出的電功率，單位W/cm2。元件表面負荷越高，發(fā)出的熱量越多，元件溫度越高，所用元件材料越少。但元件表面負荷過高，元件將因溫度過高而縮短其使用壽命，甚至嚴重氧化、變形倒塌或熔化。因此，表面負荷應有一允許值，稱為允許表面負

37、荷W允。影響允許表面負荷大小的因素主要包括以下幾個方面：1）元件材料不同元件材料其允許表面負荷不同。2）元件實際工作溫度元件的實際工作溫度與元件的散熱條件、爐溫、元件結構和安裝狀態(tài)等因素有關。爐溫越低；螺旋形元件的螺距越大；電熱元件結構：波紋形電阻絲優(yōu)于波紋形電阻帶，波紋形電阻帶優(yōu)于螺旋形電熱元件；敞露型優(yōu)于封閉型；側壁電熱元件優(yōu)于爐底板下電熱元件；工件黑度大時散熱條件優(yōu)于工件黑度小時；對于同一種電熱元件材料，散熱條件越好，允許的表面負荷越大。3）元件工作介質在腐蝕性介質中工作的電熱元件，應采用較低的表面負荷或降低使用溫度，例如能破壞表面鈍化膜的化學熱處理介質。四.金屬電熱元件的計算1.電熱元

38、件的尺寸和質量1）元件的電阻和長度設爐子共有n個元件，爐子的安裝功率為P安（KW）則每個元件的功率p=P安/n在額定工作溫度下元件的電阻Ri=，式中U為元件端電壓（V），L為每個元件的長度（m），f為每個元件的截面積（mm2），i為元件在工作溫度下的電阻率（.m）。因此，2）元件的允許表面負荷和長度元件功率P=W允A10-3，式中W允為允許表面負荷（W/cm2），A為每一元件表面積（cm2）。A=10SL，S為截面周長（mm）因此，P=W允A10-3=W允10SL10-3=W允SL10-2，L=100P/W允S3）線狀和帶狀電熱元件尺寸由和L=100P/W允S可得：Sf=對于線狀電熱元件，S=

39、d(mm)，f=d2/4(mm2)，因此，Sf=2d3/4，代入上式得：d=（mm），L=Rif/i=0.785Rid2/i或L=0.78510-3U2d2/Pi（m）每個元件質量：M=d2LM10-3/4，M為元件的密度（g/cm3）。元件的總長度和總質量：L總=nL，M總=nM。對于帶狀電熱元件，設電阻帶的寬度為（mm）b，厚度為a（mm），且b/a=m（一般為8-12）則f=ab=ma2若電阻帶帶有軋制圓角，則實際截面積f1=0.94ab=0.94ma2因為S=2（a+b）=2(m+1)a，S1近似為2（a+b）=2(m+1)a因此：Sf=2m(m+1)a2，S1f1=1.88m(m+1

40、)a2代入公式Sf=可得：a=，a1=元件寬度：b=ma，b1=ma1每個元件的長度L=abRi/i每個元件的質量M=abLM10-3電熱元件的總長度和總質量：L總=nL，M總=nM2.電熱元件的結構線狀電熱元件常繞成螺旋形，螺旋柱長度L柱可由下式確定：L柱=Lh/D，式中D為螺旋節(jié)徑（mm），為電熱元件直徑（mm），為螺旋節(jié)距（mm），通常h=（2-4）d。電熱元件的螺旋直徑選擇應考慮繞制要求、安裝位置尺寸、螺旋的剛度（保證在工作溫度下不倒塌）。當直徑大于3mm時，D和d具有如下關系：對鐵鉻鋁系電熱元件，tg1000時，D=(4-6)d；對鎳鉻系電熱元件，tg950時，D=(5-6)d。設計

41、時，先計算出d，再按公式h=(2-4)d選擇h，接著根據爐膛內布置尺寸確定L柱（等于爐膛內腔長度-3050mm電熱元件膨脹空隙），再計算選定D，最后看D和d比值是否合適，不合適重復調整，至到何時為止。線狀電熱元件也可制成波紋狀（見下圖），對于鐵鉻鋁元件，波紋深度H=150-250mm，對于鎳鉻元件，H=200-300mm，波紋間距h3d，=10-20，L=（1/4-1/6）H。帶狀電熱元件都制成波紋形，其外形結構如下圖，通常波紋深度H10b，波紋間距h=(10-30)a，彎曲半徑r=(4-8)a，波紋體長度L波=。五.碳化硅電熱元件的計算1.根據進爐膛尺寸選擇碳硅棒的規(guī)格，并根據下式計算每個碳

42、硅棒的功率：P棒=dLW允10-2，式中W允為允許表面負荷(W/cm2)，d和L為碳硅棒工作部分的直徑(mm)和長度(m)。2.根據安裝功率和每個碳硅棒的功率確定碳硅棒的數量n=P安/P棒。計算結果n應取偶整數，以便在爐內對稱布置。3.計算碳硅棒的端電壓U=，Ri為碳硅棒工作溫度下的電阻。4.確定電壓調整范圍：U調=（0.35-2）U3.7電熱元件的安裝一.電熱元件在爐內的安裝方式1.安裝電熱元件的支撐物通常有支托和掛鉤兩種。支托物有擱磚、異形磚、陶瓷套筒等。采用擱磚時，電熱元件穩(wěn)定可靠，筑爐也比較方便，但輻射遮蔽較大，而且支撐物本身重量也較大，會增加畜熱損失。掛鉤有金屬掛鉤和陶瓷掛鉤兩種，常

43、水平或斜向插入砌體中，筑爐較麻煩。2.常用電熱元件安裝方式1）安裝于爐側壁2）安裝于爐頂3）安裝于爐底4）安裝在氣流通道中：對于氣流循環(huán)電阻爐，為使氣流與電熱元件進行充分的熱交換，電熱元件常固定在特定的支架上，放置于氣流通道中。5）安裝在輻射管內：電熱元件常用的是金屬電熱元件，也有采用石墨棒。輻射管通常采用ZGCr24Ni17SiNRe、Cr23Ni18、Cr15Ni35等鋼制造，通常由離心鑄造而成。也有采用陶瓷材料做輻射管的。6）非金屬電熱元件安裝：碳硅棒可垂直或水平安裝，二硅化鉬只能垂直安裝，電熱元件距壁面的距離應大于30mm。二.電熱元件引出棒的結構電熱元件引出端需穿過爐墻，散熱條件很差

44、，為防止引出端穩(wěn)定過高，應加大引出端的尺寸。金屬電熱元件常用不銹鋼作引出棒，其截面積為電熱元件的三倍以上。元件引出端應保證與殼體絕緣良好，拆卸方便和爐子密封。三.電熱元件的焊接電熱元件的焊接性一般均比較差。對于鎳鉻電熱元件，可采用電弧焊或氣焊，對于鐵鉻鋁電熱元件，可采用電弧焊或氬弧焊。元件各部分之間的焊接常采用搭焊（為保證焊接區(qū)的強度，搭焊端部應留有5100mm的不焊接區(qū)，而且應盡可能采用成分相同或相近的焊條），元件與引出棒之間的焊接常采用鉆孔焊或銑槽焊（先鉆孔在銑槽，見下圖）。4.8熱處理電阻爐的經濟技術指標熱處理爐經濟技術指標主要分兩類，一類是滿足工藝要求的指標，如爐子的額定功率、額定溫度

45、、生產率、爐膛尺寸、溫度均勻性等，另一類是滿足節(jié)能要求的指標，如爐子的熱效率、空載功率、爐外壁溫升、砌體蓄熱量和空爐升溫時間等。1.爐子熱效率爐子的熱效率指加熱工件的有效熱量占爐子總耗熱量的百分數，常用來衡量爐子熱能利用率的大小。為提高熱效率，除減少熱損失外，還要提高加熱工件的有效熱，基本措施包括強化爐內的熱交換、縮短加熱時間、合理裝料和提高生產率。電阻爐的熱效率一般在30-80%，常要求在40%以上。2.空載功率爐子的空載功率指沒有裝料的爐子升溫至額定溫度并已達到熱穩(wěn)定狀態(tài)時消耗的功率?？蛰d熱損失主要包括爐壁散熱、爐門散熱、外伸構件散熱、爐壁縫隙溢氣熱損失等?？赏ㄟ^采用保溫性能好的筑爐材料、

46、提高磚縫的嚴密性、爐門、電熱元件和熱電偶引出孔的密封程度等措施降低爐子空載功率。新型RX3系列箱式電阻爐和RQ3系列的井式氣體滲碳爐的空載功率約為爐子總功率的15%。3.爐外壁溫升爐外壁的表面溫升指爐子在額定溫度下的熱穩(wěn)定狀態(tài)時，外壁溫度與環(huán)境溫度之差，是爐子保溫性能指標。RX3系列箱式電阻爐規(guī)定，爐壁爐頂表面的溫升不超過50，爐門部位應不超過80。4.砌體蓄熱量爐子砌體的蓄熱量取決于爐襯材料的體積、密度、比熱容和加熱溫度。當爐子投入使用后，爐子實際蓄熱損失還與爐子的停爐時間有關，停爐后爐溫下降，需熱量也損失一部分，重新加熱時需補充這部分需熱量，因此，停爐時間越長，爐體需熱量損失越大，再加熱時

47、消耗熱量也越多。5.空爐升溫時間空爐升溫時間指經烘干的、沒有裝露料的爐子從冷態(tài)（室溫狀態(tài)）加上額定電壓（金屬電熱元件電阻爐）或額定功率（碳硅棒電阻爐）達到額定溫度所經歷的時間?？諣t升溫時間常在爐襯未達到熱穩(wěn)定態(tài)之前達到的?？s短空爐升溫時間，可使爐子及早進入使用狀態(tài)，從而節(jié)約能量?？s短空爐升溫時間的主要措施是：提高爐壁單位面積的功率、采用熱導率小、密度低、比熱容小的耐火材料和保溫材料以減緩爐襯的傳熱過程，減少蓄熱和散熱損失。RX3系列箱式電阻爐和RQ3系列井式氣體滲碳爐標準規(guī)定，空爐升溫時間小于等于2.5-3h，較小的爐子取下限。電阻爐設計實例分析一.設計任務書設計一箱式電阻爐，計算和確定主要項

48、目。基本技術條件：1）用途：碳鋼、低合金鋼等的淬火、調質以及退火和正火；2）工件：中小型零件，小批量多品種，最長0.8米；3）最高工作溫度950；4）爐外壁溫度小于60；5）生產率60kg/h。設計計算的主要項目：1）確定爐膛尺寸；2）選擇爐襯材料及厚度，確定爐體外型尺寸；3）計算爐子主要經濟技術指標（熱效率，空載功率，空爐升溫時間）；4）計算爐子功率，進行熱平衡計算，并與經驗計算法比較；5）選擇和計算電熱元件，確定其布置方法；6）寫出技術規(guī)范。二.爐型選擇根據設計任務書給出的生產特點，宜選用普通箱式電阻爐。三.爐體結構和尺寸確定1.爐底面積的確定因是無定型產品，用加熱能力指標法確定。根據生產

49、率p=60kg/h和表5-1選一般情況下單位面積生產率p0=120kg/m2.h可得：爐底有效面積F1=p/p0=0.5m2根據爐底有效面積和爐底總面積關系：F1/F=0.75-0.85，取系數上限0.85得：F=0.5/0.85=0.59m22.爐底長度和寬度確定：考慮箱式電阻爐裝出料方便，取L/B=2，因此，F=LB=2B2=0.59，B=0.54m，L=1.08m根據最長工件長度0.8m和標準磚尺寸（1080/232=4.66，540/232=2.33，2324.5=1.044，2325=1160，2322=464，2322.5=580），取L=1.160m，B=0.58m。3.爐膛高度

50、確定根據統(tǒng)計資料，爐膛高度H與寬度B之比通常在0.5-0.9之間，取H/B=0.7得，H=0.41m。根據標準磚尺寸，取H=0.402m。因此，爐膛的有效尺寸為：L效=800mm,B效=400mm,H效=200mm。4.爐襯材料及厚度的確定由于側墻、前墻和后墻的工作條件相似，采用相同爐襯結構，即：113mmQN-1.0輕質粘土磚+80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+230mmA級硅藻土磚。爐頂采用113mmQN-1.0輕質粘土磚+80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+230mm膨脹珍珠巖。爐底采用三層QN-1.0輕質粘土磚（673mm）+80mm密度為250kg/m3

51、的普通硅酸鋁纖維氈+182mmA級硅藻土磚和膨脹珍珠巖復合爐襯。爐門用65mm QN-1.0輕質粘土磚+80mm密度為250kg/m3的普通硅酸鋁纖維氈+65mmA級硅藻土磚。爐底擱磚采用重質粘土磚，電熱元件擱磚選用重質高鋁磚。爐底板材料選用Cr-Mn-N耐熱鋼，厚20mm。5.砌體平面表面積計算1）外輪廓尺寸L外=L+2（115+80+232）=2014MMB外=B+2(115+80+232)=1434MM設爐子采用60標準拱頂，取R=B則拱頂矢高f=B（1-cos30）=78mmH外=H+f+(115+80+232)+(673+80+182)=1370mm因此，砌體外輪廓尺寸為L外=201

52、4mm,B外=1434mm,H外=1370mm2)爐頂平均面積3）爐墻平均面積（包括側墻和前后墻）為簡化計算，將爐門包括在前墻內。4）爐底平均面積6.爐子功率計算1）經驗計算法2）熱平衡計算法加熱工件所需熱量Q件由附表6得，工件在950和20的比熱容分別為C件2=0.637KJ/kg，C件1=0.486KJ/kg，因此：Q件=p(C件2t1- C件1t0)=60(0.636950-0.48620)=35668KJ/h通過爐襯的散熱損失爐墻散熱計算由于爐子側墻和前、后墻結構相同，故作統(tǒng)一處理。為簡化計算，將爐門包括在前墻內，因此：設t1=950，t2=850，t3=610，t4=60則ts1均=

53、（950+850）/2=900，ts2均=（50+610）/2=730，ts3均=（610+60）/2=335由附表3查得：1=0.29+0.25610-3ts1均=0.5204W/m2,2=(0.047ts2均+9.1)/300=0.1447W/m2,3=(0.105+0.23ts3均)=0.1821W/m2查附表2得：=12.17W/m2t2=t1-qs1/1=950-438.90.115/0.5204=853,因為（853-850）/850=0.4%5%，滿足設計要求。t3=t2-qs2/2=853-438.90.08/0.1447=610.3,因為（610.3-610）/610=0.05%5%，滿足設計要求。t4=t3-qs3/30.23/0.1821=56,因為5660，滿足設計要求。Q墻散=3.6q墻F墻均=3.6438