第十一章 加熱設(shè)備

11加熱設(shè)備筑爐材料傳熱理論熱處理電阻爐熱處理浴爐感應(yīng)加熱設(shè)備2023/1/141工程材料與材料成型基礎(chǔ)第一節(jié)筑爐材料耐火材料保溫材料爐殼用金屬材料爐子地基材料爐用耐熱鋼材筑爐材料2023/1/142工程材料與材料成型基礎(chǔ)耐火材料性能指標(biāo)耐火度高溫結(jié)構(gòu)強度高溫化學(xué)穩(wěn)定性熱振穩(wěn)定性高溫體積穩(wěn)定性熱處理爐常用耐火材料粘土磚高鋁磚抗?jié)B碳磚輕質(zhì)耐火材料耐火纖維不定型耐火材料1耐火材料→荷重軟化點2023/1/143工程材料與材料成型基礎(chǔ)耐火度實驗2023/1/144工程材料與材料成型基礎(chǔ)2保溫材料特點：熱導(dǎo)率小、體積密度小、體積比容小。常用隔熱材料硅藻土蛭石礦渣棉石棉高溫輕質(zhì)珍珠棉3爐用耐熱鋼Fe-Al-Mn2023/1/145工程材料與材料成型基礎(chǔ)第二節(jié)傳熱理論基本概念：1.傳熱熱量從一物體傳向另一物體或由同一物體的某一部分傳向另一部分的過程稱為傳熱或換熱。——溫度不同的接觸物體間或一物體中各部分之間熱能的傳遞過程。2.傳導(dǎo)傳熱3.對流傳熱——流體在流動時，流體質(zhì)點發(fā)生位移和相互混合而發(fā)生的熱量傳遞過程。4.輻射傳熱——物體間通過輻射能進行的熱能傳遞過程。2023/1/146工程材料與材料成型基礎(chǔ)一、傳導(dǎo)傳熱1.傳導(dǎo)傳熱的基本方程熱流熱導(dǎo)率在單相穩(wěn)態(tài)傳熱中，單位時間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量為：特點：物體各部分之間不發(fā)生宏觀的相對位移。2023/1/147工程材料與材料成型基礎(chǔ)2.熱導(dǎo)率——溫度差為1℃時，在單位時間和單位距離上通過單位面積所傳導(dǎo)的熱量。熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系：λt——t℃時材料的熱導(dǎo)率λ0——0℃時材料的熱導(dǎo)率b——材料的熱導(dǎo)率溫度系數(shù)，因材料而異2023/1/148工程材料與材料成型基礎(chǔ)3.平爐爐壁的導(dǎo)熱爐壁的熱阻（1）單層平爐壁墻的導(dǎo)熱2023/1/149工程材料與材料成型基礎(chǔ)（2）多層平爐壁墻的導(dǎo)熱0xtt1t2t3λ1λ2δ1δ2雙層平爐的導(dǎo)熱雙層平壁爐墻的導(dǎo)熱公式：多層平壁爐墻的導(dǎo)熱公式：2023/1/1410工程材料與材料成型基礎(chǔ)各層間界面溫度：2023/1/1411工程材料與材料成型基礎(chǔ)4.圓筒爐壁的導(dǎo)熱（1）單層圓筒爐壁墻的導(dǎo)熱2023/1/1412工程材料與材料成型基礎(chǔ)（2）多層圓筒爐壁墻的導(dǎo)熱圓筒爐壁的對數(shù)平均面積2023/1/1413工程材料與材料成型基礎(chǔ)二、對流傳熱1.基本概念流動邊界層——從固體表面至流體速度為主流速度的99%處的距離。層流邊界層紊流邊界層熱邊界層——在離固體表面某一δt處，流體溫度接近于主流溫度，則厚度為δt的流層稱為熱邊界層。對流交換機制層流邊界層→流體的傳導(dǎo)傳熱紊流邊界層→底層以外：流體質(zhì)點的紊流混合底層：導(dǎo)熱特點：流體由空間的一個區(qū)域向溫度不同的另一區(qū)域流動。2023/1/1414工程材料與材料成型基礎(chǔ)2.牛頓公式Q——單位時間內(nèi)的對流交換熱（W）t1-t2——流體與固體表面的溫度差（℃）A——流體與固體的接觸面積（m2）α——對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（W/m2

℃

）3.影響對流換熱的因素（1）流體流動產(chǎn)生的原因；（2）流體的流動狀態(tài)；（3）流體的物理性質(zhì)。2023/1/1415工程材料與材料成型基礎(chǔ)三、輻射傳熱1.絕對黑體的概念絕對黑體——A=1絕對白體——R=1絕對透熱體——D=1特點：不需要傳熱物體或質(zhì)點的直接接觸。2023/1/1416工程材料與材料成型基礎(chǔ)2.輻射傳熱的基本定律普朗克定律（1）黑體在任何溫度下，都能輻射出波長從0到∞的各種射線，當(dāng)λ趨于0或∞時，Iλ0趨于0；（2）在金屬的熱處理溫度范圍內(nèi)，λ的紅外線輻射能占總輻射的96~98%；（3）每一個溫度下，Iλ0隨波長的變化都有一個最大值。2023/1/1417工程材料與材料成型基礎(chǔ)3.輻射的四次方定律黑體的輻射力：2023/1/1418工程材料與材料成型基礎(chǔ)4.灰體與實際物體的輻射（1）灰體2023/1/1419工程材料與材料成型基礎(chǔ)（2）灰體的吸收比與黑度的關(guān)系ε=A2023/1/1420工程材料與材料成型基礎(chǔ)5.兩物體間的輻射交換（1）角度系數(shù)2023/1/1421工程材料與材料成型基礎(chǔ)（2）封閉體系內(nèi)兩個大平面之間的交換（T1>T2）黑體：灰體：兩個任意面間輻射熱交換計算公式：2023/1/1422工程材料與材料成型基礎(chǔ)（1）工件表面為平面或長軸在井式爐內(nèi)加熱（2）兩個互相平行的大平面（3）爐殼表面對車間的熱損失2023/1/1423工程材料與材料成型基礎(chǔ)6.有隔板存在時的輻射交換2023/1/1424工程材料與材料成型基礎(chǔ)7.通過爐口的輻射熱簡化為黑體面間的輻射交換：2023/1/1425工程材料與材料成型基礎(chǔ)四、綜合傳熱1、對流+輻射2、對流+輻射+傳導(dǎo)3、減少爐墻損失的措施（1）適當(dāng)增加爐墻厚度（2）使用輕質(zhì)材料（3）改變爐墻結(jié)構(gòu)（4）采用圓形爐膛（5）采用耐火纖維2023/1/1426工程材料與材料成型基礎(chǔ)第三節(jié)熱處理電阻爐電阻爐將電流通入金屬或非金屬電熱元件，使電能轉(zhuǎn)化為熱量，依靠輻射與對流將熱量傳給被加熱的工件，從而使工件加熱到規(guī)定溫度。結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、工作溫度范圍廣……特點：2023/1/1427工程材料與材料成型基礎(chǔ)1、箱式電阻爐一、熱處理電阻爐的基本類型2023/1/1428工程材料與材料成型基礎(chǔ)2023/1/1429工程材料與材料成型基礎(chǔ)2、井式電阻爐2023/1/1430工程材料與材料成型基礎(chǔ)2023/1/1431工程材料與材料成型基礎(chǔ)二、熱處理電阻爐的設(shè)計步驟爐型設(shè)計或選擇爐膛尺寸確定爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計電阻爐功率技術(shù)及功率分配電熱元件材料選擇電熱元件設(shè)計計算爐用機械設(shè)備和電氣、控溫儀表設(shè)計及選用技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)核算繪制爐子總圖、砌磚體、零部件圖和編制電阻爐使用說明書2023/1/1432工程材料與材料成型基礎(chǔ)1、爐型的選擇

1.工件的特點(形狀、尺寸、重量)

2.技術(shù)要求

3.產(chǎn)量大小

4.勞動條件5.爐子性能以“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活”為目標(biāo)2023/1/1433工程材料與材料成型基礎(chǔ)2、爐膛尺寸的確定爐膛砌磚體內(nèi)腔尺寸B、L、H爐膛有效尺寸B效、L效、H效2023/1/1434工程材料與材料成型基礎(chǔ)1、爐底面積2、爐膛高度的確定實際排料法加熱能力指標(biāo)法爐膛高度常決定于裝料高度和電熱元件的安裝位置，裝料上方一般應(yīng)保持200~300mm的空間。2023/1/1435工程材料與材料成型基礎(chǔ)3、爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計爐墻爐頂爐底爐門爐襯耐火材料和保溫材料中溫電阻爐墻由耐火層、保溫層和石棉板組成熱電阻爐一般均采用拱頂爐底鋼板上加一層石棉板，再用硅藻土磚砌成格子，在格子里填充蛭石或硅藻粉操作方便，便于進出料，爐口密封好，減少熱損失2023/1/1436工程材料與材料成型基礎(chǔ)4、電阻爐功率的確定（1）經(jīng)驗計算法a按爐膛容積計算功率b按爐膛面積確定功率c類比法2023/1/1437工程材料與材料成型基礎(chǔ)（2）理論計算法2023/1/1438工程材料與材料成型基礎(chǔ)5、電阻爐功率的分配（1）箱式電阻爐對于爐膛長度不超過1m的爐子，一般可將功率均勻分配在爐內(nèi)兩側(cè)墻和爐底上；對于大型的箱式爐，通常在靠近爐門口處增加一些功率。（2）井式電阻爐（3）連續(xù)作業(yè)電阻爐對沒有強制對流的井式爐應(yīng)當(dāng)在爐子的上部與下部適當(dāng)增加一些功率。根據(jù)各區(qū)段工件的吸熱量與爐子的散熱量多少來確定。2023/1/1439工程材料與材料成型基礎(chǔ)6、電熱元器件材料及性能1．具有良好的抗高溫性能2．具有較大的電阻率3．具有小的電阻溫度系數(shù)4．具有小的熱膨脹系數(shù)5．具有良好的加工性6．電熱元件材料成分耍盡可能符合我國資源情況，冶煉加工成本要隔。電熱元件的性能要求：2023/1/1440工程材料與材料成型基礎(chǔ)電熱元件材料金屬非金屬鐵鉻鋁合金鎳鉻合金鉬鎢鉑碳化硅二硅化鉬石墨2023/1/1441工程材料與材料成型基礎(chǔ)7、電熱元件的計算（1）金屬電熱元件的計算（2）碳化硅電熱元件的計算2023/1/1442工程材料與材料成型基礎(chǔ)8、電熱元件的安裝安裝在爐側(cè)壁安裝在爐頂安裝在爐底2023/1/1443工程材料與材料成型基礎(chǔ)安裝在輻射管內(nèi)2023/1/1444工程材料與材料成型基礎(chǔ)9、電阻爐的性能試驗及技術(shù)規(guī)范電阻爐的性能試驗主要項目有電熱元件的電阻、額定功率、空爐升溫時間、空載功率等。電阻爐的技術(shù)規(guī)范常列成表格寫到使用說明書中，重要指標(biāo)標(biāo)在銘牌上。其內(nèi)容包括：額定(設(shè)計)功率(kw)，額定(最高工作)溫度(℃)，額定電壓(v)，相數(shù)，電熱元件接法，空載功率(kw)，空爐升溫時間(h)，最大技術(shù)生產(chǎn)串(kdh)，最大一次裝料量(kg)，工作空間尺寸，外廓尺寸，重量等。2023/1/1445工程材料與材料成型基礎(chǔ)第四節(jié)熱處理浴爐浴爐是利用液體介質(zhì)加熱或冷卻工件的一種熱處理爐。一、分類：按介質(zhì)不同鹽浴爐堿浴爐鉛浴爐油浴爐按熱源供給方式外熱式內(nèi)熱式2023/1/1446工程材料與材料成型基礎(chǔ)（1）外熱式鹽浴爐缺點：①必須使用柑蝸加熱、熱惰性大；②坩堝內(nèi)外溫差大(100~150℃)；③使用溫度不能太高，一般在900℃以下，限制了使用范圍。優(yōu)點：①不需昂貴的變壓器；②啟動操作方便。2023/1/1447工程材料與材料成型基礎(chǔ)（2）內(nèi)熱式鹽浴爐（a）插入式電極鹽浴爐2023/1/1448工程材料與材料成型基礎(chǔ)（b）埋入式電極鹽浴爐2023/1/1449工程材料與材料成型基礎(chǔ)二、鹽浴爐設(shè)計概要設(shè)計內(nèi)容包括：①爐型選擇及浴槽尺寸的確定；②爐體設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計；③爐子功率確定；④電極尺寸及布置方法的確定；⑤啟動電阻的計算；⑥變壓器的選擇；⑦抽風(fēng)機及自動化裝置設(shè)計等。2023/1/1450工程材料與材料成型基礎(chǔ)1、浴槽尺寸的確定確定原則：應(yīng)盡可能使浴面面積減少，以減少輻射熱損失；浴槽深度要比熔鹽的深度大一些，以免放工件后鹽外溢。類比法經(jīng)驗法根據(jù)工件尺寸形狀及裝料量、參考標(biāo)淮浴爐尺寸確定。根據(jù)生產(chǎn)率ρ(kg/h)確定熔鹽重量G(kg)其中，γ-熔鹽在工作溫度下的密度2023/1/1451工程材料與材料成型基礎(chǔ)二、爐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計耐火材料坩堝爐膽保溫層電極爐殼→重質(zhì)耐火磚、高鋁磚→6~12mm鋼板焊接而成→用粉狀保溫材料填充→用鋼板制成2023/1/1452工程材料與材料成型基礎(chǔ)三、電極鹽浴爐功率的確定2023/1/1453工程材料與材料成型基礎(chǔ)四、電極材料和尺寸的確定常見的電極材料有純鐵、低碳鋼、不銹鋼、耐熱鋼、石墨、碳化硅等。插入式電極鹽浴爐硝鹽爐高溫鹽浴爐2023/1/1454工程材料與材料成型基礎(chǔ)電極尺寸可根據(jù)電極所能承受功率及截面允許電流密度來確定，形狀可分為圓形或矩形。設(shè)通過電極的電流為I，則I=F·i式中F——電極截面面積

i——允許截面電流密度而I=1000P/U式中P——一對電極所產(chǎn)生的功率

U——一對電極間的工作電壓整理后可得F=1000P/（U·i）2023/1/1455工程材料與材料成型基礎(chǔ)五、啟動電極固態(tài)鹽不導(dǎo)電電極鹽浴爐不能利用工作電極直接啟動啟動時必須用啟動電阻電阻的使用方法：將電阻置于坩堝底部，加入一定數(shù)量的鹽，將啟動電阻覆蓋，逐漸加鹽，當(dāng)熔鹽升高接觸電極后，再將啟動電阻取出。2023/1/1456工程材料與材料成型基礎(chǔ)六、排氣通風(fēng)裝置由于鹽爐有鹽蒸氣揮發(fā)→污染環(huán)境→必須進行排氣、通風(fēng)設(shè)置排風(fēng)裝置上排風(fēng)裝置側(cè)排風(fēng)裝置2023/1/1457工程材料與材料成型基礎(chǔ)第五節(jié)感應(yīng)加熱設(shè)備