筑爐材料設(shè)備之熱處理電阻爐

筑爐材料設(shè)備之熱處理電阻爐熱處理電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加熱設(shè)備。本章將圍繞間接加熱周期作業(yè)電阻爐的設(shè)計(jì)，講述熱處理電阻爐設(shè)計(jì)時(shí)基本內(nèi)容；主要包括電阻爐的設(shè)計(jì)步驟和方法；爐子主要組成部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；有關(guān)爐用材料的選擇：以及設(shè)計(jì)計(jì)算公式的應(yīng)用和爐子技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等。

材料工程學(xué)院金屬材料系熱處理電阻爐的結(jié)構(gòu)材料工程學(xué)院金屬材料系電阻爐常用筑爐材料筑爐材料主要包括耐火材料和保溫材料。耐火材料:主要用作爐體內(nèi)襯耐火層，直接承受高溫作用，耐火度高于1580C的材料，稱為耐火材料。保溫材料:主要用作爐體外襯保溫層起保溫作用，減少爐體散熱。筑爐材料應(yīng)能經(jīng)受爐內(nèi)物理和化學(xué)作用并有較好的耐高溫和保溫能力，有的還要求不與電熱元件發(fā)生化學(xué)作用。這就要求筑爐材料具有相應(yīng)的耐火度和高溫強(qiáng)度，較小的密度和熱導(dǎo)率以及較高的化學(xué)穩(wěn)定性。

材料工程學(xué)院金屬材料系耐火材料熱處理爐對(duì)耐火材料性能的要求耐火度

耐火度是耐火材料抵抗高溫作用的性能，指的是耐火材料受熱后軟化到一定程度時(shí)的溫度。a)b)耐火度測(cè)定方法：取一定尺寸的三角形錐體，在規(guī)定的加熱條件下進(jìn)行加熱，當(dāng)試樣頂部因受溫度及本身質(zhì)量影響而彎倒到剛接觸底平面時(shí)的溫度作為耐火度。耐火材料的耐火度，主要取決于它的化學(xué)成分和材料中易熔雜質(zhì)（如FeO和Na2O）的含量。

根據(jù)耐火度的高低，耐火材料可分為：

普通耐火材料：耐火度為1580~1770C，

高級(jí)耐火材料：耐火度為1770~2000C，特級(jí)耐火材料：耐火度大于2000C

材料工程學(xué)院金屬材料系熱處理爐對(duì)耐火材料性能的要求(2)高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

耐火材料的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度用荷重軟化點(diǎn)來(lái)評(píng)定。荷重軟化點(diǎn)是指在一定壓力（重質(zhì)耐火材料196kPa，輕質(zhì)耐火材料為98kPa）下，以一定的升溫速度加熱，樣品開(kāi)始變形的溫度或壓縮變形達(dá)4％或40％的溫度。前者叫荷重軟化開(kāi)始點(diǎn)，后者叫荷重軟化4％或40％的軟化點(diǎn)。高溫化學(xué)穩(wěn)定性

高溫化學(xué)穩(wěn)定性是指耐火材料在高溫下抵抗?fàn)t氣、熔鹽和金屬氧化物等的侵蝕作用的能力。高溫化學(xué)穩(wěn)定性常用抗渣性來(lái)評(píng)定，它取決于組成物的化學(xué)性質(zhì)及其物理結(jié)構(gòu)（如與密度有關(guān)的結(jié)合強(qiáng)度）。材料工程學(xué)院金屬材料系熱處理爐對(duì)耐火材料性能的要求(3)熱振穩(wěn)定性（耐激冷急熱性）熱振穩(wěn)定性是指耐火制品對(duì)急冷急熱的溫度反復(fù)變化時(shí)抵抗破壞和剝落的能力，取決于耐火制品的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)等因素。重質(zhì)耐火材料熱振穩(wěn)定性的測(cè)定方法是將試樣加熱至850℃，然后在流動(dòng)的冷水中冷卻，反復(fù)進(jìn)行直至破碎或剝落至質(zhì)量損失達(dá)到20％時(shí)為止，其所經(jīng)歷的加熱冷卻次數(shù)被作為耐火制品的熱振穩(wěn)定性指標(biāo)。冷爐的升溫，電極鹽浴爐的啟動(dòng)都要經(jīng)受溫度的急變，如果耐火材料沒(méi)有足夠的耐激冷急熱性能，就會(huì)過(guò)早地?fù)p壞。輕質(zhì)耐火制品熱振穩(wěn)定性的測(cè)定，是將標(biāo)準(zhǔn)磚加熱至1000℃，在靜止空氣中冷卻，反復(fù)進(jìn)行，直至磚體的質(zhì)量損失為20％時(shí)的加熱一冷卻次數(shù)作為熱振穩(wěn)定性指標(biāo)。高溫體積穩(wěn)定性

高溫體積穩(wěn)定性是指耐火制品在高溫下使用時(shí)，由于相的成分發(fā)生變化、發(fā)生再結(jié)晶或進(jìn)一步燒結(jié)等所產(chǎn)生的不可逆殘余膨脹或收縮，通常以熱膨脹系數(shù)和重?zé)€收縮率來(lái)表示。在一般情況下，要求各種耐火制品的殘余脹縮不超過(guò)0.5％~1.0％。粘土磚和高鋁磚的重?zé)€收縮率為0.5％（1350℃），硅磚的重?zé)€收縮率為-0.8％。

材料工程學(xué)院金屬材料系耐火材料

粘土磚

其成分主要為Al2O3（<48%）和SiO2。密度為1.8~2.2g/cm3的稱為重質(zhì)粘土磚，密度為0.3~0.4g/cm3的稱為輕質(zhì)粘土磚使用溫度在1150~1350

C范圍內(nèi)是熱處理爐爐體耐火層的主要用磚。

高鋁磚

指A12O3含量大于48%的硅酸鋁質(zhì)耐火磚其最高使用溫度為1400~1500

C，常作高溫爐和鹽浴爐的內(nèi)襯砌磚。又常作電熱元件擱磚和套管等。材料工程學(xué)院金屬材料系耐火材料碳化硅制品這類制品有高的耐火度（>2000

C）和較高的熱導(dǎo)率，常用作穿入電熱元件的馬弗罐、高溫爐的爐底板和導(dǎo)軌。因其黑度較大（0.92）；又常用作遠(yuǎn)紅外加熱板或用其粉末配制遠(yuǎn)紅外涂料。耐火混凝土

系由骨料（高鋁磚土熟料或粘土磚細(xì)塊）和膠粘劑混合而成，常用來(lái)制造電極浴爐的坩堝等爐襯預(yù)制構(gòu)件。

材料工程學(xué)院金屬材料系耐火材料耐火纖維由各種耐火物質(zhì)制成的一種纖維狀兩次材料。熱處理護(hù)申常用的有硅酸鋁質(zhì)耐火纖維和碳質(zhì)耐火纖維。根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，硅酸鋁質(zhì)耐火纖維又可分為結(jié)晶態(tài)纖維和玻璃態(tài)纖維。

硅酸鋁耐火纖維具有耐熱度高、密度小、熱導(dǎo)率低、熱容量小、化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)

玻璃態(tài)纖維經(jīng)長(zhǎng)期高溫使用后會(huì)重新結(jié)晶，降低使用溫度，承受負(fù)荷的能力很小，抗高速爐氣沖刷的性能差；作爐襯時(shí)電熱元件固定較困難，在含氫氣氛中會(huì)因氫充滿纖維的間隙而增大熱導(dǎo)率。

材料工程學(xué)院金屬材料系耐火材料不定型耐火材料

不定型耐火材料的特點(diǎn)是可隨意制成各種形狀的預(yù)制塊，也可在加熱爐上整體澆搗，從而加強(qiáng)爐體的整體性，便于改進(jìn)爐型結(jié)構(gòu)。不定型耐火材料有耐火混凝土（澆注料）、可塑料、噴涂料、搗打料、涂抹料、投射料等。耐火混凝土可用于制造鹽浴爐的鹽槽與坩堝，制造爐頂與爐襯的預(yù)制件。耐火混凝土的組成

骨料是主要的耐火基體，應(yīng)具有高的耐火度，不應(yīng)與膠結(jié)料生成較多的低熔物。膠結(jié)料（結(jié)合劑）。起膠結(jié)硬化作用，使制品有一定的強(qiáng)度常用的膠結(jié)料有礬土水泥、硅酸鹽水泥、水玻璃、磷酸等。摻合料與骨料的材料相同，只是顆粒度較小。摻合劑可使制品的氣孔率降低，密度增加，耐壓強(qiáng)度提高，抗渣性提高，但使收縮增加，耐急冷急熱性降低。

材料工程學(xué)院金屬材料系保溫材料習(xí)慣上把常溫下熱導(dǎo)率小于0.23W/(m

C)的材料稱為保溫材料。常用的保溫材料有如下幾種：硅藻土及其制品

硅藻土是由微海藻類的介殼構(gòu)成的沉積巖。其主要成分為非晶體二氧化硅，并含有少量粘土雜質(zhì)。其耐火度高于1400

C，有良好的保溫能力，最高使用溫度為900～1000

C，可以制成型磚或粉料使用。膨脹珍珠巖

是一種由酸性的火由玻璃質(zhì)珍珠巖結(jié)構(gòu)的熔巖，經(jīng)破碎后在高溫下焙燒膨脹而成，呈白色小顆粒，內(nèi)有蜂窩狀空隙。其主要成分一般為ω（SiO2）＝69~74%，ω（A12O3）＝12~14%，密度為40~120kg/m3，有良好的保溫能力，最高使用溫度為800

C。膨脹珍珠巖散料可與水玻璃、水泥、磷酸鋁等結(jié)合劑制成各種成形保溫材料。

材料工程學(xué)院金屬材料系保溫材料膨脹蛭石

蛭石也叫黑云母或金云母，易于剝成薄片，內(nèi)含有5-10%水分，受熱后水分蒸發(fā)而形成膨脹蛭石。蛭石的成分為ω(SiO2)＝69~74%＝38~40%，ω(Fe2O3)＝4~23%，ω(A12O3)＝14~18%，ω(MgO)＝11~21%，少量CaO。蛭石的熔點(diǎn)為1370

C，最高使用溫度為1000

C。蛭石也可用高鋁水泥、水玻璃作粘結(jié)劑制成各種成型保溫材料。礦渣棉制品

是一種將煤渣，高爐渣和某些礦石在1250～1350

C熔化后，用壓縮空氣或蒸汽將其熔液吹成絲狀，然后壓制成制品，是優(yōu)良的保溫材料。微孔硅酸鈣

這種制品的密度小(250kg/m3)，熱導(dǎo)率低，最高使用溫度為650

C。

材料工程學(xué)院金屬材料系保溫材料石棉石棉是一種纖維結(jié)構(gòu)礦物，其主要成分為蛇紋石（3MgO

2SiO2

2H2O），熔點(diǎn)大于1500℃。但在500℃時(shí)開(kāi)始失去結(jié)晶水，使強(qiáng)度降低，在700~800℃時(shí)變脆而粉化。所以長(zhǎng)期使用溫度應(yīng)低于500℃。其制品有石棉粉、石棉板及石棉繩等形式。

高溫超輕質(zhì)珍珠巖高溫超輕質(zhì)珍珠巖制品是以膨脹珍珠巖為主要原料，分別以水玻璃、水泥、磷酸鹽等為膠結(jié)劑，按一定比例混合經(jīng)成型、干燥、燒結(jié)而制成的制品。它具有密度小、熱導(dǎo)率很小、耐火度高（最高使用溫度可達(dá)1000℃）等特點(diǎn)，是一種很好的隔熱、保溫材料。

材料工程學(xué)院金屬材料系傳熱理論在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行著各種復(fù)雜的傳熱過(guò)程，因此掌握傳熱的基本規(guī)律，對(duì)于熱處理爐的設(shè)計(jì)及其操作是至關(guān)重要的。傳熱有傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射三種基本形式。在熱處理爐內(nèi)實(shí)際進(jìn)行的熱交換過(guò)程也是由這三種基本形式組成的綜合傳熱過(guò)程。如果在傳熱過(guò)程中，物體的溫度場(chǎng)是穩(wěn)定的，則傳遞的熱流也是恒定的，此時(shí)的溫度場(chǎng)稱為穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng)，這種傳熱稱為穩(wěn)定態(tài)傳熱。例如長(zhǎng)時(shí)間保溫的爐子或連續(xù)作業(yè)爐的爐墻傳熱，就屬于穩(wěn)定態(tài)傳熱過(guò)程。如果所傳遞的熱流隨時(shí)間變化而變化，這種溫度場(chǎng)稱為不穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng)，這種傳熱過(guò)程稱為不穩(wěn)定態(tài)傳熱。本章主要討論穩(wěn)定態(tài)傳熱。材料工程學(xué)院金屬材料系傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱的基本方程式通過(guò)單位截面、單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱流q（W/m2）與該截面的溫度梯度成正比

單向穩(wěn)定態(tài)傳熱中，單位時(shí)間通過(guò)單位面積所傳遞的熱量為

熱導(dǎo)率

材料工程學(xué)院金屬材料系平壁爐墻的導(dǎo)熱

在平壁內(nèi)取一單元薄層，其厚度為dx，兩側(cè)的溫度差為dt，則通過(guò)此單元層的熱流為分離變量后將上式積分積分后得所以

單層平壁的導(dǎo)熱t(yī)0xt1t2dxdt若平壁面積為A(m2)，則單位時(shí)間(1h)內(nèi)

通過(guò)A面積所傳遞的熱量為

材料工程學(xué)院金屬材料系多層平壁爐墻的導(dǎo)熱

第一層熱流第二層熱流t1tOxt2t1

1

1

2

2在穩(wěn)定態(tài)傳熱過(guò)程中，根據(jù)能量守恒原理，通過(guò)雙層爐墻的熱量Q＝qA＝q1A＝q2A，即q＝q1＝q2。將第一層與第二層熱流公式相加后得：

材料工程學(xué)院金屬材料系如果多層平壁爐墻各層面積相等時(shí)（均為A），其傳熱量公式為

當(dāng)外墻的面積(f2)與內(nèi)墻的面積(f1)之比小于等于2時(shí)爐墻的平均面積當(dāng)外墻的面積(f2)與內(nèi)墻的面積(f1)之比大于2時(shí)爐墻的平均面積若各層面積不等，其傳熱量計(jì)算公式為

材料工程學(xué)院金屬材料系圓筒爐墻的導(dǎo)熱在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該薄層所傳導(dǎo)的熱量為單層圓筒壁的導(dǎo)熱t(yī)1t2r1rdrr2r2L分離變量后將上式積分自然對(duì)數(shù)項(xiàng)的分子與分母同乘以2

L，則可改寫(xiě)成

即

材料工程學(xué)院金屬材料系箱式電阻爐

材料工程學(xué)院金屬材料系高溫箱式爐材料工程學(xué)院金屬材料系井式電阻爐

材料工程學(xué)院金屬材料系低溫井式電阻爐21材料工程學(xué)院金屬材料系RQ系列井式氣體滲碳電阻爐

材料工程學(xué)院金屬材料系熱處理電阻爐的設(shè)計(jì)步驟收集設(shè)計(jì)資料在爐子設(shè)計(jì)前應(yīng)詳盡收集有關(guān)資料，包括：爐子的生產(chǎn)任務(wù)（產(chǎn)量）、作業(yè)制度（一、二班或連續(xù)生產(chǎn)）；被加熱工件的材料、形狀、尺寸和質(zhì)量；工件的熱處理工藝規(guī)程和質(zhì)量要求，電源及車間廠房等條件；爐子的制造維修能力和投資金額等。首先初步確定幾種設(shè)計(jì)方案，再?gòu)V泛征求有關(guān)人員的意見(jiàn)，反復(fù)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性的比較和論證，確定最佳方案。設(shè)計(jì)步驟爐型設(shè)計(jì)或選擇。爐膛尺寸確定。爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（包括爐墻、構(gòu)架、爐門(mén)等）。電阻爐功率計(jì)算及功率分配。電熱元件材料選擇。電熱元件設(shè)計(jì)計(jì)算。爐用機(jī)械設(shè)備和電氣、控溫儀表設(shè)計(jì)與選用。技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shuō)明書(shū)

材料工程學(xué)院金屬材料系爐型的選擇和爐膛尺寸的確定

爐型選擇電阻爐的類型很多，各有其特點(diǎn)和用途。因此，根據(jù)爐子的生產(chǎn)量和作業(yè)制度、工件的特點(diǎn)和熱處理工藝要求，以及勞動(dòng)條件等有關(guān)方面進(jìn)行綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選定爐型。爐型選擇的一般原則簡(jiǎn)述如下：生產(chǎn)量：對(duì)于產(chǎn)量大，品種單一，工藝穩(wěn)定的熱處理工件，可選用連續(xù)作業(yè)爐；反之，量小，品種多，工藝多變者，則宜采用周期作業(yè)、通用性好的爐子，如箱式電阻爐。工件特點(diǎn)和工藝要求：加熱細(xì)長(zhǎng)軸類工件，為防止加熱時(shí)的彎曲變形，用井式電阻爐吊裝